4D flow MRI技术用于颅内动脉瘤进展

杨彦晨，白 斌，程云章*，吕 楠

(1.上海理工大学上海介入医疗器械工程技术研究中心，上海 200093；2.上海长海医院神经外科，上海 200433)

颅内动脉瘤(intracranial aneurysm, IA)检出率逐年升高，其破裂导致的蛛网膜下腔出血严重威胁患者生命，故评估IA的破裂风险和预后极其重要。以往多依靠IA形态(大小、形状、位置)和临床资料(年龄、性别、既往史)进行评估，随后引入相关血流动力学指标。二维相位对比MRI(two-dimensional phase contrast MRI, 2D PC MRI)是评估血流以及血管和心脏功能的重要方法。随着血流动力学的发展，四维血流MRI(four-dimensional flow MRI, 4D flow MRI)得以实现，并用于分析IA、腹部血管及心脏血管等的血流动力学。

1 4D flow MRI技术原理

相位对比MRI(phase contrast MRI, PC MRI)多利用双极梯度场对流体进行编码，通过流体中质子相位的变化进行成像：在流动方向施加一对大小和持续时间相同而方向相反的梯度场，双极梯度场激发后，静止组织的相位变化抵消、相位差为零，而血液因其流动性而发生位置变化，其相位差得以保留；利用血流相位差可区分血管与其他组织，并计算血流速度。目前2D PC MRI多用于检测峰值血流、逆向血流、每搏输出量等，并可通过计算获取更多血流动力学参数，如压力梯度等[1]；4D flow MRI则是对3个方向的血流进行编码，以获取三维图像，由此得到血流方向、速度等，亦可通过计算获取更多参数，如壁面剪切应力(wall shear stress, WSS)和压力梯度等[2]。

2 4D flow MRI在IA的应用

2.1 检测能力 IA血流较复杂，多采用2D PC MRI通过测量3个方向的血流速度分量加以显示，但定位困难且耗时，且二维图像可提供的数据有限。刘东婷等[3]以4D flow MRI分析腹部主动脉夹层真腔和假腔的血流动力学特点，获得2D PC MRI难以实现的三维血流动力学图像，证实4D flow MRI技术可完整显示复杂血流，较传统2D PC MRI更具优势。

多普勒超声多用于检测大血管血流，并通过所得平均血流速度和血管横截面积计算血流量。BOCK等[4]发现4D flow MRI亦能获得多普勒超声所得血流数据。SUQIN等[5]对比接受血液透析动静脉瘘患者的4D flow MRI和多普勒超声数据，发现后者只能展现二维血流信息，无法获得精确的WSS数据，而前者不仅能提供任意位置的血流速度，还可获得三维可视化信息，以评估血流动力学参数。

采用数字减影血管造影(digital subtraction angiography, DSA)也可获取血管模型，并通过计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)得到血流动力学参数。已有多项研究[6-8]表明CFD与4D flow MRI获得的血流动力学参数具有较好一致性。ISODA等[9]分别采用CFD和4D flow MRI对5例IA获取速度矢量场、流线、剪切速率、WSS、振荡剪切指数(图1)，二者所测速度矢量场的一致性良好，剪切速率模式和位置相似，获得最高振荡剪切指数的位置相近，但WSS的一致性一般，可能与壁面附近血流速度较慢、导致4D flow MRI测量错误有关，也表明了联合应用二者的重要性。

图1 患者女,51岁,右侧颈内动脉后交通支动脉瘤,直径6 mm[9] A.表面渲染图像示动脉瘤有2个出口; B.3D速度矢量场图(MRI); C.3D速度矢量场图(CFD); D.3D流线图(MRI); E.3D流线图(CFD); F.3D WSS分布图(MRI通过参考点流速得到的剪切速率计算数据图); G.3D WSS分布图(CFD通过参考点流速得到的剪切速率计算数据图); H.3D WSS分布图(计算点数据图通过节点流速得到的剪切速率计算数据图); I.剪切速率(MRI); J.剪切速率(CFD); K.震荡剪切指数分布图(MRI); L.震荡剪切指数分布图(CFD)

2.2 可视化 三维可视化对判断动脉瘤血流模式极其重要。传统2D PC MRI只能获取二维图像，而4D flow MRI则能通过时间分辨三维成像完整展示血流模式，具有可视化优势。获取数据后，4D flow MRI的三维可视化形式主要包括速度矢量图、流线图及色彩编码图等[10]。速度矢量图能显示针对某特定体素测得的血流速度方向和大小，生成的矢量方向平行于血流方向，可定性评价血液流入流出的方向和角度。流线图有助于显示涡旋流动等特殊血流模式。将某平面的血流色彩编码图与通过MRI获得的断面解剖图像相结合，可更直观地显示血流模式。HOPE等[11]采用4D flow MRI对比13例升主动脉瘤患者与19名健康志愿者的升主动脉血流(图2)，发现血液反流轨迹多与主动脉弓曲度相符，有2个漩涡时反流位于其间，1个漩涡时反流位于缺失漩涡周围；大部分升主动脉瘤患者反流开始时间明显早于漩涡达到峰值时，而健康志愿者漩涡达到峰值后才出现反流，证实了4D flow MRI对复杂血流的可视化能力较强。

图2 升主动脉瘤患者的粒子轨迹和流线图[11] A.强化螺旋流型； B.最常见血流模式； C.较慢外围流和较快中心流

2.3 扫描时间 缩短MR扫描时间有助于临床工作。2D PC MR单次扫描时间小于4D flow MR，但若单一层面无法覆盖全部目标时，需行多次扫描，且需要由经验丰富的操作员选择测量面，较为耗时。4D flow MR仅需较短的扫描时间即可完成临床工作流程[12]。ORITA等[13]对接受颅内外搭桥术患者分别于术前、术后行4D flow MR颈内动脉和基底动脉扫描评估血流动力学改变，用时仅6 min，证实4D flow MR可在较短时间内完成扫描，并定量测量血流动力学参数，有助于提高临床工作效率。

2.4 临床应用 4D flow MRI因其获取三维数据和可视化能力、较好的可重复性和较小的观察者间差异而被用于临床诊断IA和相关研究。SCHNELL等[14]以4D flow MRI评估18例IA患者共19个动脉瘤，观察动脉瘤大小和形态对血流动力学的影响，发现囊状动脉瘤涡度和WSS较高，其中小型囊状动脉瘤血流速度、涡度和WSS较高，而大型囊状动脉瘤峰值血液流速较高，通过这些血流动力学参数可区分囊状动脉瘤与梭状动脉瘤，而4D flow MRI可评估不同动脉瘤的血流动力学。FUTAMI等[15]采用4D flow MRI评估35例患者共40个IA，通过对比破裂与未破裂IA的血流，发现IA内复杂、不稳定涡流可能增加其破裂风险；4D flow MRI可用于检测复杂血流，并通过三维可视化直观加以展现。HOPE等[16]以4D flow MRI对比观察2例颅内狭窄患者与2例IA患者的血液流场，发现通过10 min快速4D flow MRI亦可准确获得颅内血管疾病、尤其是颅内狭窄和IA的血流速度。以上研究结果均证实4D flow MRI技术有助于评估IA破裂风险。

4D flow MRI也可用于评估预后。SU等[17]对41例血流导向装置(flow diverter, FD) 植入术后IA患者行4D flow MR检查，观察其血流动力学参数并进行长期追踪，发现病变处血管横截面积、收缩期流率和收缩期流入面积越大，闭塞时间越长。PEREIRA等[18]对10例植入FD的IA患者行4D flow MR检查，并通过流线图展现IA血流模式，发现1例FD植入前、后血流模式发生改变，植入FD后IA内血流速度明显下降，流速减少率由34.6%升至71.1%。BRINA等[19]以4D flow MRI获取23例患者植入FD前、后的IA血流速度矢量场，随访发现6个月后IA闭塞率为60.9%，12个月为82.6%；分析数据发现植入FD后IA血流速度减少率和IA闭塞时间相关，认为4D flow MRI可用于描述植入FD后IA内血流变化。上述研究初步证实了4D flow MRI评估IA预后的可行性。

3 小结

4D flow MRI可全面评估血流动力学，定量获取多方向血流数据，三维可视化复杂血流，可靠性和可重复性已获证明，并已用于临床评估脑血管、心血管等的血流动力学；但其扫描时间较长，对小血管分辨率不足，且对设备要求较高。4D flow MRI与多普勒超声、2D PC MRI等技术相结合，可提供更多精确数据，提高评估IA破裂风险和预后的准确性。