4D-Flow-MRI在腹部血管血流动力学中的潜在应用价值

余安定,陈杰,潘靓

四维血流磁共振成像(four dimensional flow MRI,4D-Flow-MRI)又称为三维速度编码的时间分辨相位对比(phase contrast,PC)磁共振成像,此项技术在整个心动周期内沿着三个空间维度进行速度编码(velocity encoding,VENC),不仅能提供较好的容量解剖、血管造影和三个方向的血流信息,还能通过使用流线和粒子轨迹实现血流方向和速度的可视化。相较于超声和传统2D-PC-MRI,4D-Flow-MRI对操作者的依赖性极小,可提供更为详细的腹部血流动力学信息,且具有较高的性价比[1-2]。4D-Flow-MRI在腹部中的应用范围较广,不仅可对主动脉及其分支以及门静脉系统进行可视化分析,还可用于定量分析肝、脾和肾等内脏血管的血流动力学状况。

从2D到4D血流成像

PC-MRI的原理是采用大小相等、方向相反的双极梯度场对流体进行编码,从两次采集中减去相位图像以消除背景的相位效应,由此产生的相位差图像可以实现血管的可视化和血流的量化分析。2D-PC-MRI是在屏气期间使用单向速度编码,可提供具有单一速度和幅度的图像。4D-Flow-MRI则是通过三个方向(x,y,z)流速编码以及单向的流动补偿编码来进行四点扫描,从而提供随时间变化的3D体积集(4D)。每个4D体积包含一个量级体积和三个在三维空间中编码的速度体积,实现了成像区域内任意位置血流的量化和可视化,可以准确估计血管的长度和血流动力学信息[3]。4D-Flow-MRI还可以在后处理期间离线放置分析平面,回顾性分析多个血管的血流参数。表1详细列出了4D-Flow-MRI与传统2D-PC-MRI的主要差异[4]。

表1 4D-Flow-MRI与2D-PC-MRI的主要差异

技术特点和参数

1.速度敏感性

VENC参数决定了4D-Flow-MRI对流速的敏感性。VENC作为自定义参数,是在不产生速度混叠的情况下设置的可获得的最大流速。研究表明VENC设置值比预期的最大速度高10%左右较为合理,可以有效避免速度混叠和噪声[5]。VENC推荐设置值:正常动脉100～200 cm/s,狭窄或缩窄时250～400 cm/s,静脉50～80 cm/s;肾动脉150 cm/s,肠系膜上动脉100～150 cm/s;门静脉、脾静脉和肠系膜上静脉50～60 cm/s[6-8]。近年来,4D-Flow-MRI开始使用双或多VENC进行血流编码[9-10],通过使用额外的速度编码来避免相位混叠,从而提高速度与噪声比(velocity-to-noise ratio,VNR),进一步改善图像质量及其动态速度范围(如收缩前血流的快速峰值和舒张后血流的缓慢峰值)。

2.心电和呼吸门控

为了捕获整个心动周期的流速,通常需要使用心电门控来进行心脏同步,同步必须覆盖整个心脏周期,并且在R-R间期内保持一致。前瞻性心电门控可能会错过舒张期的最后部分,理想情况下应使用回顾性心电门控来覆盖整个心动周期。

对于该技术在腹部的应用,还需要使用呼吸控制技术来尽量减少呼吸伪影,包括呼吸波纹管、导航门控或自门控技术[11]。对于超过15～20 s的扫描,最常用的是导航门控,建议在呼气末将导航器窗口放置在膈肌与肝脏连接处,门控窗口约为6 mm。常规呼吸模式的采集效率约为50%,导致扫描时间增加,从而增加了患者的不适感以及扫描成本。

3.采集时间

由于心率、解剖覆盖范围、时间及空间分辨率等因素,4D-Flow-MRI应用于心血管系统时扫描时间一般为5～20 min。对于胸部和腹部血管,因为通常需要使用呼吸控制技术,扫描时间可长达15～20 min。近年来各种加速技术如径向欠采样、螺旋采样、并行成像或压缩感知等的应用明显缩短了4D-Flow-MRI的扫描时间,可在8～20 min内完成胸部和腹部血管的扫描[12-13]。其中,最常见的加速技术是径向欠采样。径向欠采样各向同性投影重建相位对比(phase contrast with vastly under sampled isotropic projection reconstruction,PC-VIPR)技术是在4D-Flow-MRI的基础上运用了径向欠采样加速技术,能够在更短的扫描时间内采集更大范围的数据,且提供了更高的时间和空间分辨率,有利于分析较小血管(如肾动脉)中的流场[14]。

4.时间和空间分辨率

时间分辨率应准确表明流速随时间的变化,从而可以正确评估峰值速度。理想情况下,时间分辨率应尽可能短,应设置在40 ms以下,以准确识别脉动血流的时间变化。为了缩短采集时间,可适当增加时间分辨率(推荐设置值:主动脉40～50 ms;肝动脉40～50 ms;肾动脉40～80 ms;肝静脉40～60 ms;门静脉/脾静脉/肠系膜上静脉40～80 ms)[15]。

空间分辨率应尽可能高,较高的空间分辨率可更准确的量化血流量,并有助于识别较小比例的流量现象。但是体素越小,扫描时间越长,信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)越低。因此,扫描需要在空间分辨率、扫描时间和SNR之间进行平衡。推荐用于成人大血管和胸腹区域的各向同性空间分辨率为1.5～3.0 mm(推荐设置值:主动脉2.0～2.5 mm;肝动脉/肾动脉/肠系膜上动脉1.50～2.00 mm;移植肾动脉1.25 mm;子宫动脉1.25 mm;肝静脉2.00～2.50 mm;门静脉/脾静脉/肠系膜上静脉:1.25～1.40 mm)[5,6,15]。

4D-Flow-MRI可视化和量化

4D-Flow-MRI数据在进行分析和可视化之前需要进行预处理,以克服磁场不均匀性、伴随磁场(麦克斯韦项)和涡流造成的系统速度编码误差。纠错后,使用本地或在线软件对数据进行后处理,可通过矢量图、流线图和路径图等对血流进行可视化(图1)[16]。

图1 4D Flow MRI对健康志愿者主动脉血流进行可视化分析。a)流速图,可识别血流速度升高的区域;b)流线图,显示在指定时间内与血流速度矢量相切的曲线集;c)路径图,显示流体粒子在动态速度场中的轨迹;d)矢量图:血管内箭头显示血流的速度和方向。

4D-Flow-MRI不仅可在2D图像上量化感兴趣血管的标准流量参数,还可获得一些额外的血流参数如涡度、壁剪切应力(wall shear stress,WSS)、振荡剪切指数(oscillatory shear index,OSI)、脉搏波速度(pulse wave velocity,PWV)和湍流动能(turbulent kinetic energy,TKE)等。4D-Flow-MRI可获得的典型血流动力学参数的定义及临床意义详见表2[16,18,19]。

表2 4D-Flow-MRI血流动力学参数的定义及临床意义

4D-Flow-MRI的腹部应用

1.肝脏

门静脉高压是肝硬化患者晚期并发症,门静脉高压伴随肝脏血流动力学的改变会导致高动力综合征如心输出量增加、门静脉血流量增加和门体压力梯度升高。4D-Flow-MRI不仅可以对肝脏进行全面的三维体积评估,还可评估肝脏动静脉及门静脉(portal vein,PV)血流[20],对临床诊断和治疗具有指导意义(图2)。Bane等[21]发现与传统笛卡尔4D-Flow-MRI相比,螺旋4D-Flow-MRI序列可通过单次屏气测量腹部血流,具有较好的观察者间重复性及试验重复性,可以较好的反映肝硬化和门静脉高压引起的血管病变。

图2 4D-Flow-MRI对健康志愿者门静脉血流进行可视化分析(*:门静脉;#:肠系膜上静脉;△:脾静脉)。a)流速图;b)流线图。 图3 4D-Flow-MRI对移植肾的肾动脉的可视化分析。a)流速图,显示移植肾的肾动脉流速正常;b)相应的肾动脉MIP图。 图4 4D-Flow-MRI对移植肾动脉的可视化分析。a)流速图,显示移植肾的肾动脉狭窄(箭);b)相应的肾动脉MIP图。

肝硬化门体静脉系统分流(portosystemic shunt,PSS)会导致严重的肝性脑病,临床上诊断及评估PSS的严重程度具有重要意义。4D-Flow-MRI能够客观地预测PSS治疗后肝性脑病的改善,评价PSS的早期治疗效果。Hyodo等[22]通过分析2例PSS相关的肝性脑病患者的4D Flow MRI结果后发现,患者在行分流管栓塞介入术前肠系膜上静脉(superior mesenteric vein,SMV)主干存在逆行血流,大部分血液从肠道血管流入了体循环,这可能是导致肝性脑病的主要原因;介入术后侧支循环明显减少或消失,SMV血流顺行,脾静脉(splenic vein,SV)主干血流增加。

肝硬化患者每年发生静脉曲张的风险是7%,需要重复进行内窥镜检查来检测是否存在食管胃底静脉曲张并评估其严重程度。但内窥镜检查具有侵入性,伴有各种潜在的并发症如穿孔、感染等。4D-Flow-MRI作为一种非侵入性检查手段,测得的奇静脉流量和PV的流量变化分数可能有助于高危静脉曲张患者的筛选。Motosugi等[23]发现4D4D-Flow-MRI测量的奇静脉流量大于0.1 L/min,PV中的流量变化分数小于0,PV流量小于SV和SMV流量总和可能与高风险静脉曲张有关。

经颈静脉肝内门体静脉支架分流术(transjugular intrahepatic portosystemic shunt,TIPS)可以有效治疗肝硬化门脉高压患者静脉曲张出血和难治性腹水等并发症。4D-Flow-MRI可以利用矢量图和粒子追踪电影成像可视化支架内血流,对支架内湍流、非层流、混叠等进行定性分析,并针对异常区域进行定量分析,无创性监测TIPS支架放置前后肝血流变化。在TIPS支架放置前4D-Flow-MRI可以综合评估门静脉高压引起的一系列病理学变化,用于指导TIPS支架的放置;TIPS支架放置后,可监测TIPS支架的功能。Stankovic等[24]通过定量分析4D Flow MRI数据发现TIPS支架放置4周后门静脉系统血流速度增加38%,流量增加284%,肝动脉和肠系膜上动脉血流分别增加50%和43%;其中有2例患者的TIPS支架出现功能障碍,支架内血流峰值流速<50 cm/s。Bannas等[25]对7例门脉高压伴腹水患者进行4D-Flow-MRI分析,纵向无创性检测TIPS支架放置前及放置后2周和12周时肝血管内的血流变化,发现所有患者在TIPS支架放置后2周及12周时SMV、SV和PV的血流峰值速度和流量均明显增加;研究者们还在其中1例患者中发现了肝动脉-门静脉分流,分流的血流最后流入了TIPS支架内,这可能解释了TIPS支架放置后患者仍出现顽固性腹水的原因。

2.脾脏

脾功能亢进是肝硬化和门静脉高压的常见并发症,可导致血小板和白细胞减少等严重后果。4D-Flow-MRI可通过血管成像及脾流量指数提高对脾功能亢进的诊断评估。Keller等[26]研究发现脾脏体积、动静脉血流量及门静脉分流百分比均与血小板计数相关,计算脾流量指数[(脾脏体积+脾动脉血流量+脾静脉血流量×门静脉分流量百分比)/体表面积]。可同时联合这些指标使临床医师更好地确定脾大是否是血小板减少的主要原因,使患者能在脾切除术或部分脾栓塞等治疗中选择更优方案。

3.肾脏

肾动脉狭窄(renal artery stenosis,RAS)是继发性高血压和进行性肾功能不全的原因,在外周血管疾病患者中发生率高达45%。MRA可用于评估肾动脉狭窄程度,但无法描述狭窄存在时的血流动力学变化。4D-Flow-MRI技术不仅可以无创地测量RAS中的压力梯度,还可以测量轻至中度肾动脉狭窄的血流动力学变化,有助于肾动脉狭窄患者的早期诊断及治疗后的疗效评估(图3)。François等[27]通过VIPR-PC-MRI和MRA技术评估狭窄肾动脉,结果显示采用PC-VIPR-MRI测量的肾动脉血管直径略大于MRA上的测量值。PC-VIPR-MRI和MRA产生的平均伪影、肾动脉血管近端图像质量评分和整体图像质量评分均无明显差异,而且PC-VIPR-MRI上肾动脉节段的图像质量评分高于MRA。Ishikawa等[28]通过观察一例经皮肾腔内血管成形术(percutaneous transluminal renal angioplasty,PTRA)后症状得到明显改善的肾动脉狭窄患者的PC-VIPR-MRI,发现PTRA前肾动脉狭窄后扩张段出现涡流;PTRA后肾动脉仍有部分狭窄,但狭窄后扩张段大部分异常涡流转化为层流,血流模式得到了明显改善。最近一项研究发现PC-VIPR-MRI测得的血流动力学和形态学信息可以对移植肾动脉进行评估,最大限度地测量移植肾动脉各分支的血流[29]。

4.肠系膜血管

慢性肠系膜缺血(chronic mesenteric ischaemia,CMI)主要由潜在的血管狭窄或闭塞性疾病引起(常与动脉粥样硬化有关),近年来发病率呈上升趋势。CMI通常影响肠系膜血管近端-腹腔动脉(coeliac artery,CA)、肠系膜上动脉(superior mesenteric artery,SMA)和肠系膜下动脉(inferior mesenteric artery,IMA)内的血流,导致进食后流向小肠供血血管的血流量不足,最终会导致与死亡率高度相关的CMI急性发作。Roberts等[31]通过分析4D-Flow-MRI数据,发现与健康个体相比,CMI患者进餐后SMA、SMV和PV的血流量变化率显著减小(健康志愿者餐后SMA血流量增加99%±81%,SMV血流量增加132%±81%,PV血流量增加57%±48%;二CMI患者SMA的血流量仅增加25%±30%,SMV的血流量仅增加49%±56%,PV的血流量仅增加20%±36%)。Hall Barrientos等[32]发现与CMI患者相比,正常对照组的PV和SMA在餐后有显著的血流动力学改变,并且在餐后60 min仍可通过4D-Flow-MRI监测到这些血流变化。综上所述,4D-Flow-MRI测量肠系膜动、静脉及门静脉血流是评估CMI患者餐后小肠血流量变化的一种可行方法。

5.腹主动脉

4D-Flow-MRI可对动脉粥样硬化、动脉瘤、主动脉夹层等腹主动脉病变进行量化及可视化分析,预测病变的发生发展,有望取代其它具有侵入性和放射性的血管功能成像方法。有研究发现在动脉粥样硬化的发展过程中,斑块会随着时间的推移而逐渐增大,WSS最低处并不是位于血管管腔最狭窄处,而是在血管狭窄处的近端和远端[33],有助于预测粥样硬化斑块的未来发展方向。4D-Flow-MRI还允许直接在内皮附近测量WSS和OSI,进一步了解动脉瘤的进展情况。Takehara等[34]的研究中发现与未扩张的腹主动脉相比,扩张的主动脉存在非层流(即涡流或螺旋流),从而导致WSS较低和OSI较高,增加了动脉粥样硬化的风险。4D-Flow-MRI也可用于评估主动脉夹层患者中真、假腔内的血流改变,并根据血流的定量信息预测夹层的进展[35]。未来需进一步研究4D-Flow-MRI技术提供的各项流量参数在动脉瘤形成和主动脉夹层风险分层中的潜力。

6.胎儿和子宫胎盘

4D-Flow-MRI已在动物研究中用于评估怀孕期间子宫胎盘和胎儿的血流动力学信息。Macdonald等[36]研究发现4D-Flow-MRI可对恒河猴子宫胎盘和胎儿血管进行血流测量,可重复性高,并能够在妊娠早期末显示子宫动脉和卵巢静脉,但较低的空间分辨率限制了其对直径较小、流速较慢的子宫静脉和卵巢动脉的显示。Schrauben等[37]通过4D-Flow-MRI评估怀孕绵羊模型中的胎儿循环,可直接测量所有心脏和大血管的流量,与2D-PC-MRI的测量结果之间具有良好的相关性。虽然呼吸门控可用于代偿母体呼吸引起的运动,但难以对胎儿运动进行心脏触发补偿[36],未来需要改进心脏门控,更好地对胎儿血流动力学进行评估。

不足与展望

首先,由于4D-Flow-MRI的时间及空间分辨率较低,降低了所测量的血流最大速度和平均速度(尤其是腹部小血管如肝肾动脉等),因此需进一步提高分辨率,提高测量准确性和可靠性。其次,4D-Flow-MRI后处理时间较长(表1),不太适用于紧急情况如活动性出血等。因此,今后需要进一步改进其分析工作流程,如引入自动化处理技术计算管腔内的中心线和自动分析与中心线正交的平面,从而减少人工优化平面定位的时间等。最后,4D-Flow-MRI在腹部的应用目前还局限于学术研究,未来需要多中心临床研究来进一步验证和标准化。

近年来,利用心脏相位和呼吸运动维度相关数据开发了5D血流磁共振框架,该框架具有连续、自由运行的三维径向序列,交错的三向速度编码以及内在的自门控投影,在没有外部门控信号的情况下编码心脏和呼吸运动,保持图像质量的同时减少了扫描时间[38]。该技术可在腹部血管中进行应用和推广,进一步扩宽4D-Flow-MRI的临床应用范围。

4D-Flow-MRI不仅可提供腹部血管的形态学特征,还可对血管血流动力学进行功能性评估,为诊断不同血管疾病以及监测疾病治疗反应提供了可能。此外,随着对序列优化、数据处理自动化以及新流量指标的开发等方面的深入研究,4D-Flow-MRI在腹部的应用有望整合到临床常规工作中。