基于四维血流磁共振成像技术的胸主动脉夹层血流定性和定量分析

郭宝磊 符伟国 郭大乔 董智慧 单 艳 刘轶凡

胸主动脉腔内修复术(thoracic endovascular aortic repair, TEVAR)是复杂胸主动脉夹层(thoracic aortic dissection, TAD)的首选治疗方法，其目的是通过覆膜支架修复原发破口，减少假腔内血流，降低假腔内压力，从而诱发血栓形成。TAD的解剖几何形态个体化差异极大，血流分布形式复杂。研究[1]结果表明，血流动力学变化是急慢性TAD预后的重要影响因素。CTA是目前TAD术前评估和术后随访的主要影像学检查手段，但由于该成像技术为“瞬间”扫描，对主动脉血流及假腔血栓化程度的评估存在较大局限性。近年来，随着MRI技术的发展，四维血流磁共振成像(4D Flow MRI)技术对TAD血流的分析显现出独特优势，既能可视化呈现靶血管的血流模式，又能定量化分析不同管腔内的血流动力学参数[2-3]。 本研究通过4D Flow MRI技术对3例TAD患者进行血流动力学参数的定量和定性分析，探索不同解剖几何形态TAD血流模式的分布特征。

1 对象与方法

1.1 研究对象 选取2017年就诊于复旦大学附属中山医院血管外科的急性TAD患者3例。入组标准：①急性Standford B型TAD患者；②术前分别行胸腹主动脉CTA和4D Flow MRI检查；③患者于亚急性期内(10～14 d)接受TEVAR治疗。病例1和病例3术中均植入Valiant Captivia胸主动脉覆膜支架(美国Medtronic公司)，病例2术中植入C-TAG胸主动脉覆膜支架(美国Gore公司)。所有患者均行TEVAR,术后继续控制血压，于术后3、6、12个月及之后每年随访，至少行1次CTA检查。本研究经医院伦理委员会审核并批准(伦理号为Y2017-056)，所有患者均签署知情同意书。

1.2 CTA和4D Flow MRI数据采集 CTA扫描使用320排容积扫描仪(型号为Aquilion ONE，日本东芝公司)，扫描范围为主动脉弓上分支至双侧股总动脉段，扫描厚度为1 mm。应用3D slider软件重建TAD的三维模型。4D Flow MRI扫描在3.0 T MRI工作站(德国西门子公司)完成。应用16通道体接收线圈和四维血流心血管序列，使用呼吸触发心电门控。空间分辨率为1.85 mm×1.85 mm×2.50 mm，时间分辨率为47～61 ms，矩阵尺度为(192～256)×(120～192)，层数为20～40，信噪比为1.0，流速峰值编码值设为2.0 m/s。扫描时不注射对比剂。扫描过程中有效图像的接受度为80%～85%。扫描总时间为24 min(16～32 min)。扫描范围自主动脉弓上分支至腹主动脉起始段。MRI源图像导出为IMA格式文件，包括解剖定位图像和相位对比图像。

1.3 MRI数据后处理分析 将MRI原始文件中的IMA文件编码、重命名、排序，分别导出其包含的解剖和流速信息。将该处理和编码后的数据导入Matlab平台进行预处理。使用自主编码的程序处理原始数据并生成ENCAS文件，应用EnSight 10.1软件进行后处理的图像分析。选取需要处理的靶血管平面，在EnSight软件中分析夹层真、假腔内不同血流动力学参数的差异分布。选取的血流动力学参数包括平均流速、峰值流量、峰值流速和返流指数。使用流线(Streamline)工具可视化呈现夹层近端破口和远端继发破口的血流模式。

1.4 主动脉靶平面的选择 在图像处理工作站，将CT源图像导入Mimics 18.0软件，获得主动脉弓至腹主动脉中段的TAD图像。对主动脉管腔表面进行三维渲染，简化和平滑处理，获取该TAD的三维模型。所选取的平面均与该处管腔切线垂直，共选取5个靶平面进行血流模式的定量分析：平面1为原发破口上方，左锁骨下动脉远端，降主动脉起始段处；平面2为原发破口远端2 cm；平面3为胸主动脉中段，距离左锁骨下动脉开口远心端15 cm处；平面4为胸主动脉中远段，距离左锁骨下动脉开口远心端20 cm处；平面5为胸主动脉远段，距离腹腔干开口近心端2 cm处。结合CTA重建图像、4D Flow MRI的解剖定位图像和相位对比图像选取靶病变，进行定量分析。见图1。

A CTA重建图像 B 4D Flow MRI的解剖定位图像 C 4D Flow MRI的相位对比图像图1 TAD患者TEVAR术前的血流模式定量分析靶平面选取示意图

2 结 果

2.1 解剖几何形态分析 基于患者术前和术后随访的CTA影像，3例患者的TAD解剖几何参数和形态特征见表1。病例1合并1处继发破口(RT1)，破口最大径为10.10 mm，术前右肾动脉由假腔供血;术后随访24个月，右肾动脉血供经真腔-RT1-假腔灌注,胸主动脉段假腔完全血栓化，RT1处假腔内仍有血流灌注。病例2合并3处继发破口(RT1、RT2和RT3)，术前腹腔干和肠系膜上动脉均由假腔供血，左肾动脉由真假腔骑跨供血；术后随访12个月，腹腔干和肠系膜上动脉血供经真腔-RT2-假腔灌注，左肾动脉血供经真腔-RT3-假腔灌注。病例3合并2处继发破口(RT1、RT2)，均位于髂动脉段，术前左肾动脉由假腔供血；术后随访32个月，左肾动脉灌注不良；胸主动脉段真腔完全重塑，腹主动脉段假腔内部分血栓化，完全由假腔供血的左肾仍灌注不良。随访中3例患者术后胸主动脉段假腔内均完全血栓化，靠近继发破口处假腔内仍存在血流灌注。患者术前和术后CTA影像对比及TAD破口位置见图2。

表1 基于CTA影像测量的解剖几何参数和形态特征

A、C、E 分别为病例1、病例2、病例3术前 B、D、F 分别为病例1、病例2、病例3术后图2 3例患者术前和术后CTA影像对比及TAD破口位置

2.2 基于4D Flow MRI可视化血流模式的定性分析 3例患者使用流线工具均清晰呈现出夹层真腔、假腔的血流模式，真腔内流速均高于假腔，见图3。病例1，夹层原发破口周围存在分流，真腔由于受压呈现高流速，血流经破口进入假腔后流速降低，呈螺旋再循环；夹层中段无继发破口，真腔内血流无干扰；在远端出口处血流加速，假腔血流经远端破口再入真腔后呈螺旋流形式。病例2，高速血流经过原发破口进入假腔，假腔近端血流形成涡流导致流速降低；原发破口远端，由于真腔受压和弓部主动脉弯曲，真腔内流速显著增快；腹腔干和肠系膜上动脉均由假腔供血，远端破口处可见高速血流由假腔供应肠系膜上动脉。病例3，原发破口位于降主动脉段，假腔逆撕至降主动脉起始部，真腔受压而呈现高速血流，经原发破口流至假腔，血流分别流向近心端和远心端，假腔近心端血流呈现瘀滞状态。

A 病例1 B 病例2 C 病例3图3 3例患者使用流线工具可视化呈现夹层血流模式及原发破口、继发破口处血流分布的形式和方向

2.3 患者TAD真、假腔内血流动力学参数的定量对比分析 病例1、病例2、病例3真腔内的平均流速均显著高于假腔(t值分别为5.61、3.09、2.81，P值分别为0.001、0.020、0.030)。病例1假腔内的峰值流量有高于真腔的趋势，但差异无统计学意义(t=2.03,P=0.088)；病例2假腔内的峰值流量显著高于真腔(t=3.12,P=0.021)；病例3假腔内的峰值流量有低于真腔的趋势，但差异无统计学意义(t=1.22,P=0.270)。病例1、病例2、病例3真腔内的峰值流速均显著高于假腔(t值分别为2.99、3.94、3.08，P值分别为0.024、0.007、0.037)。病例1真腔内的返流指数显著低于假腔(t=5.17,P=0.014)；病例2真腔内的返流指数有高于假腔的趋势，但差异无统计学意义(t=0.92,P=0.391)；病例3真腔内的返流指数有低于假腔的趋势，但差异无统计学意义(t=2.18,P=0.072)。TAD真腔和假腔之间不同血流动力学参数的差异见表2。

表2 3例患者TAD真腔、假腔内的血流动力学参数比较

3 讨 论

TAD的解剖形态个体化差异极大，患者往往合并单个或多个继发破口，血流分布复杂多变。临床常规CTA重建图像不能评估TAD的血流分布状态，更无法进行定量分析。基于CT影像的计算流体力学模拟是研究TAD血流分布形式的一种比较理想的技术，可囊括多方面因素，综合运算分析，但过程复杂，技术要求高，缺少相对真实的模拟仿真边界条件，对TAD内相对真实血流状态的评估尚存在较大的局限性[4]。4D Flow MRI是一种无创检查方法，其可为心血管疾病的诊疗提供额外的血流动力学和功能学相关指标，尤其在血流动力学分析方面独具优势，是影像学新技术应用于心血管疾病诊疗的研究热点[5-6]。本研究通过4D Flow MRI技术分别对3例解剖形态不同的TAD患者的血流分布特征进行了定性和定量分析；结果证实，基于该成像技术可直观地呈现夹层真腔、假腔及破口处的血流分布形式，同时可选择不同解剖平面对真腔、假腔的不同血流动力学参数进行定量分析。

目前的研究[7-9]结果显示，4D Flow MRI技术已被越来越多地应用于TAD的血流动力学研究，有助于临床医师更好地了解TAD复杂的血流分布和病理进程。Takahashi等[10]应用4D Flow MRI技术分析影响TAD假腔内涡流形成的血流动力学因素，旨在探索夹层的远期并发症或不良预后发生的潜在危险因素；该研究提示，假腔内的涡流模式与假腔内血流量和流速密切相关，假腔内高血流量的涡流可能与TAD的不良预后、主动脉破裂或高干预率有关。Marlevi等[11]的研究基于4D Flow MRI无创成像技术探索影响夹层生长相关的假腔血流动力学参数，通过对比稳定的慢性TAD与持续生长的夹层病例，结果显示，假腔射血分数与假腔压力差相互影响，两者均与假腔的生长重构密切相关。相反，收缩期最大减速度(MSDR)与主动脉生长的关系不明显。该团队的研究结果提示，与假腔相关的血流动力学参数对TAD生长预后具有潜在临床预测价值。本研究结果显示，术后随访中3例患者均出现真腔扩张，胸主动脉段假腔内血栓化，继发破口附近假腔内仍有血流灌注，提示腹主动脉段假腔重构可能与远端破口残留相关。尽管4D Flow MRI在成像质量、后处理技术和临床应用等方面已逐渐成熟，但其诠释血流模式和血流动力学参数变化的临床意义仍未明确，目前大多数研究仅对少数患者进行个体化分析，缺乏后续随访结果和进一步验证[12]。

本研究对3例不同解剖形态类型的TAD患者进行个体化分析，原发破口处血流模式均表现为高速血流，由真腔经原发破口进入假腔，血流在假腔内再循环，形成涡流继而流速降低；而真腔内血流由于管腔受压流速增快，流向远心端。由于夹层破口大小、真假腔形态、主动脉弓形态、内膜片等因素，真假腔内平均流速、峰值流量、峰值流速、返流指数的个体化差异较大。病例1假腔内的峰值流量有高于真腔的趋势，但差异无统计学意义；病例2假腔内的峰值流量显著高于真腔；而病例3假腔内的峰值流量有低于真腔的趋势，但差异无统计学意义。病例1真腔内的返流指数显著低于假腔；病例2真腔内的返流指数有高于假腔的趋势，但差异无统计学意义；病例3真腔内的返流指数有低于假腔的趋势，但差异无统计学意义。相反，3种不同解剖类型的TAD患者的血流分布也有相似之处。3例患者的真腔内平均流速和峰值流速均高于假腔，差异均有统计学意义。本研究结果与Liu等[13]的研究结果相似。

主动脉血流动力学是影响急性和慢性 TAD及 TEVAR 术后主动脉重构的关键因素，识别和验证主动脉重塑的影像学标志物具有重要临床意义。本研究在针对不同解剖形态TAD的影像学后处理和血流定性定量分析方面进行验证，但目前尚不能判定哪些血流动力学参数与随访结局相关。未来可基于4D Flow MRI技术，通过更大样本量和长期随访探索TAD血流模式及血流分布特征，将有助于TAD的精准治疗。

综上所述，基于4D Flow MRI技术可定量和定性分析TAD真、假腔内血流模式和相关血流动力学参数。利用该技术分析不同解剖形态TAD的血流模式，将有助于为判断其预后提供血流动力学风险指标。