4D flow MRI在心脏瓣膜病临床应用的研究进展

董磊

【摘要】 心脏瓣膜病（VHD）是老年人发生心血管事件的主要原因之一，影像学评估对VHD的诊断及治疗决策至关重要。四维流相位对比MRI（4D flow MRI）技术在VHD中的应用日益广泛，主要用于判断跨瓣血流速度、血流模式、壁面剪切应力、压差等血流动力学参数。本文对4D flow MRI在VHD临床应用中的研究进展进行综述。

【关键词】 磁共振成像 相位对比技术 心脏瓣膜病 血流动力学

Research Progress of 4D flow MRI in Clinical Application of Valvular Heart Disease/DONG Lei. //Medical Innovation of China， 2021， 18（10）： -188

[Abstract] Valvular heart disease （VHD） is the main cause of cardiovascular events in the elderly people. Imaging evaluation is crucial for diagnosis and treatment of VHD. The application of 4D flow MRI in VHD is increasingly widespread and mainly used to judge hemodynamic parameters such as transvalvular flow velocity， flow pattern， wall shear stress and pressure difference. The article reviews the research progress of 4D flow MRI in the clinical application of VHD.

[Key words] Magnetic resonance imaging Phase contrast technique Valvular heart disease Hemodynamics

First-authors address： Shenyang Orthopaedic Hospital， Shenyang 110044， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2021.10.044

心脏瓣膜病（valvular heart disease，VHD）是一种因瓣膜损害引起的常见心脏疾病，多发于老年群體，是老年人发生心血管事件的主要原因之一[1-3]。因此，早期准确诊断VHD对于改善患者临床结局具有重要意义。彩色多普勒超声心动图检查操作简单、实时便捷、无创无痛、性价比高，可以对瓣膜狭窄或关闭不全的严重程度、受累心腔结构及心脏血流搏动情况进行初步定性及半定量评估，现作为评价VHD患者心脏结构以及瓣膜功能状态的首选方法，但难以达到全面评估的要求[4-5]。四维流相位对比MRI（4D flow MRI）技术是一种利用相位对比磁共振成像技术进行三维空间、3个方向、多个时相流速的采集方法，不仅可提供心腔及大血管血流模式细节，还可显示跨瓣异常血流方向、流量、流速、压差等血流动力学特征及组织学特征参数[6]。本文对4D flow MRI技术在VHD临床应用中的研究进展进行综述。

1 4D flow MRI技术与传统影像技术在VHD临床应用对比

随着影像技术的日益发展，对VHD的诊断及预后评价也趋于明朗。先前对于VHD的研究主要依靠于彩色多普勒超声心动图，通过测量血流束宽度与长度实现VHD血流动力学参数的评估，属于半定量分析，缺乏精准测量数据，且人为因素影响较大[7]。CT三维成像技术可以清晰观察VHD瓣膜情况及重建三维形态，且检查方便、耗时较短、不易受心率影响，但对于血流研究尚具有一定局限性，并且存在电离辐射的影响[8]。现在对于VHD研究主要依靠相位对比MRI（phase contrast MRI，PC-MRI），通过平面方向设置流速编码以获取单位时间成像信息的定量分析技术，传统2D PC-MRI存在着采集瓣膜平面繁琐、扫描时间较长、复杂血流信号缺失、速度编码方向单一、峰值流速层面定位不准确等问题，未能做到探测整体血容量[9]。4D flow MRI技术可克服2D PC-MRI成像的上述不足，以4D流速敏感编码做到一次扫描获取瓣膜血管内整体血流信息及不同层面的形态学特征，在描述VHD血流动态关系、定量分析复杂涡流及螺旋血流等方面将成为一个强大的工具[10]。Westenberg等[11]研究显示2D PC-MRI与4D flow MRI结合瓣膜追踪在测量二尖瓣、三尖瓣的净流量方面相比，2D PC-MRI（r=0.34，P=0.34）较4D flow MRI结合瓣膜追踪（r=0.91，P<0.01）在瓣膜间的相关性显著降低。文献[12]入组27例二尖瓣反流（mitral regurgitation，MR）患者分别行4D flow MRI与回波多普勒超声检查，结果发现两种技术测量的二尖瓣反流参数一致性良好（r=0.83），说明基于近端等速表面积法的4D flow MRI技术可定量评估MR的严重程度。Garcia等[13]研究显示，4D flow MRI对于心脏瓣膜病可实现3D血流可视化，描绘复杂的3D血流喷射模式，还可不受二维平面和视角限制对心血管血流进行量化。

2 4D flow MRI评估VHD血流动力学改变

4D flow MRI技术可同时对3个相互垂直维度进行相位编码，多方向采集血流数据，从而获得复杂的三维动力学参数，不仅可直观显示心腔及大血管的血流特征，还可对扫描范围内任意位置血流的方向、速度、模式、正反向流量、反流分数等常规血流动力学参数进行准确定量测量，帮助临床医师从血流动力学方向探讨VHD病理形态改变的力学根源，根据血流定量信息来预测VHD的发展及预后情况[14]。Allen等[15]指出4D flow MRI技术现已广泛应用于主动脉疾病、主动脉根部置换术后主动脉血流模式的定性及定量评估，并且筛选得到4D flow MRI技术生物标记物包括速度、涡量、压力梯度、壁面剪切应力（wall shear stress，WSS）、湍流动能（turbulent kinetic energy，TKE）、脉搏波速等参数。张超越等[16]前瞻性选择经临床及超声证实诊断为主动脉瓣二瓣畸形（bicuspid aortic valve，BAV）患者12例，并入组健康志愿者10例作为对照组，两组均行非增强全主动脉MRI心脏电影序列、CE MRA及4D flow序列检查，定量测量主动脉不同层面的峰值流速、反流量、反流分数及血流模式，比较两组受试者相同层面的血流动力学参数差异以及同一受试者不同部位的血流动力学参数差异，结果显示，在升主动脉层面BAV患者的峰值流速、反流量及反流分数均高于对照组（P<0.05），BAV患者主动脉不同部位（升主动脉→腹主动脉）的峰值流速、反流量及反流分数呈下降趋势（P<0.05）;BAV患者主要有四种血流模式，即右手螺旋涡流、左手螺旋涡流、复杂涡流以及正常血流，其中右手螺旋涡流、复杂涡流易引起升主动脉扩张。因此，4D flow MRI评价血流动力学能够为临床预防及治疗BAV提供依据。Feneis等[17]通过测量21例二尖瓣反流和三尖瓣反流患者的反流量和反流分数，对比2D PC-MRI、4D flow MRI两种技术的临床应用情况，结果显示，两种技术测量得到反流参数高度一致（r=0.933，ICC=0.878），表明4D flow MRI能够有助于临床医师更为高效检测瓣膜反流情况，在一定程度上有可能做到取代多平面2D PC-MRI，使患者受益最大化。

3 4D flow MRI评估VHD血流异常及湍流类型

由于房室心脏瓣膜具有复杂的瓣膜和环状解剖结构，4D flow MRI技术能够提供TKE、WSS、能量损耗、流相位移等定量参数，上述参数可提示VHD的细微血流异常及湍流类型，适用于偏心和动态跨瓣流动模式的量化及可视化，有助于帮助临床医师描述VHD疾病进展过程中的血流动力学机制以及更早发现其对管壁和心腔的影响[18]。此外，4D flow MRI技术还可通过流速图、流线图以及TKE分布图等3D可视化形式显示心腔及大血管血流模式细节，具有良好的时空分辨率[19]。TKE反映了不同方向速度波动的流相效率，能够可靠预测瓣膜狭窄模型中的不可逆压降[20-21]。WSS是血液在血管内皮上的摩擦力，与血管壁重塑有关，WSS是否能够作为主动脉瓣疾病患者的良好预测因子值得进一步研究[22-23]。流相位移与主动脉生长速度密切相关，可量化升主动脉内流动喷射偏心率，成为评价易受瓣膜诱导主动脉扩张患者的潜在危险指标[24-25]。Barker等[26]利用4D flow MRI探讨主动脉黏性能量损耗，对主动脉扩张及主动脉瓣狭窄（aortic stenosis，AS）患者进行分析，并选取健康志愿者作为对照组，结果显示，与对照组相比，主动脉扩张组和AS组的胸主动脉、升主动脉黏性能量损耗显著升高（P<0.05），說明4D flow MRI能够为无创性描述主动脉黏性能量损耗提供理论依据。文献[27]显示，利用4D flow MRI技术测量51例AS患者TKE，并以10例健康志愿者作为对照组，根据平均跨瓣压差将AS组分为轻中度狭窄组（n=24）与重度狭窄组（n=27），发现与对照组相比，AS组TKE显著升高（P<0.001），且与平均跨瓣压差呈弱相关（R2=0.26，P<0.001），说明4D flow MRI可推荐作为瓣膜狭窄合并其他病变时评估血流动力学改变的替代方法。

4 4D flow MRI评估VHD手术预后价值

严重的VHD是全球发病率和死亡率的主要原因[28]，必须采取外科手术干预治疗，其中以瓣膜置换以及瓣膜修复最为多见，人工瓣膜设计以及MRI技术的发展使评估瓣膜术后血流特征成为可能，利用4D flow MRI评估VHD手术预后价值，有助于帮助临床医师为VHD临床预后及随访提供更多实质性信息。以人工主动脉瓣血流动力学性能为中心的4D flow MRI技术对各种生物主动脉瓣、机械主动脉瓣和经导管主动脉瓣植入物进行对比，结果表明，主动脉瓣反流（aortic regurgitation，AR）术后升主动脉血流动力学与自体主动脉瓣不同，不同类型的人工瓣膜血流速度和WSS也存在着不同。因此，4D flow MRI对于确定不同类型人工瓣膜的预后价值以及患者特定治疗选择具有重要意义[29]。Al-Wakeel等[30]利用4D flow MRI评价二尖瓣手术前后MR患者左心室血流动力学和能量方面的变化，选择二尖瓣修复或生物瓣膜置换术患者在手术前后进行4D flow MRI检查，并与健康志愿者进行对照比较，获取受试者的左心室容积以及动能（KE），结果显示，MR患者的舒张末期、收缩末期和每搏输出量均显著高于健康志愿者，且术后显著下降（P<0.05）;术后平均KE、收缩早期KE、舒张早期KE峰值明显降低（P<0.05），说明4D flow MRI对于评价MR术后效果具有一定价值。Hirtler等[31]对24例经法洛四联症修复术后患者与12例健康志愿者行时间分辨血流敏感4D MRI序列扫描，在四腔心影像上定量分析右心房、右心室容积以及局部血流动力学信息，结果显示，经法洛四联症修复术后患者右心房峰值涡流和右心室平均涡流显著升高（P=0.02），且与心室容积呈负相关（P<0.05），说明4D flow MRI的涡流量化分析经法洛四联症修复术后患者心腔内血流变化是一种可替代定性血流观察的方法。

5 小结

经本文研究思路（见图1）可得出4D flow MRI技术作为定量分析血流方向、速度、流量以及血流模式的新兴技术，可提供任何位置、任何成像平面回顾性血流分析，现多应用于VHD疾病进程纵向研究以及VHD术后的大规模预后研究，在VHD疾病诊断、鉴别诊断、预后评价及危险分层中发挥重要作用。此外，4D flow MRI技术在正常和病理性血流动力学复杂流动模式可视化方面存在着巨大潜力[32]。对于4D flow MRI技术在国内VHD研究应用较少，4D flow MRI相关硬件及序列未能实现完全商用化，仅有少量被引入市场，大多数4D flow MRI研究和应用仍依赖于各个研究小组开发协议，临床适用性仍需不断探索。如何保持4D flow MRI低扫描时间，同时获得高时空分辨率，降低扫描后数据处理时间是临床大规模应用4D flow MRI技术面临的挑战[33]。迄今为止，大量研究证实4D flow MRI技术可行性，为临床医师了解各种疾病的血流动力学改变提供依据[34]。总之，4D flow MRI技术为VHD患者的临床决策和手术计划提供了实质性价值信息，今后研究重点应着眼于探索4D flow MRI技术在VHD临床治疗优化和微调中的潜力[35]。随着4D flow MRI硬件开发以及不同分析软件参考值范围的建立，4D flow MRI技术与其他新兴技术的结合应用将成为临床诊断VHD更全面的检测手段，以期达到完善VHD患者个体化治疗方案，提供VHD疾病风险分层指标，改善VHD患者治疗及预后的目的。

图1 4D flow MRI在VHD临床应用研究思路图

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（收稿日期：2019-09-20） （本文编辑：田婧）