胥巧麗,葉玉冰,張健康,劉 亞,鄭 罡*
(1.南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院,江蘇 南京 210016;2.南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科,南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院,江蘇 南京 210002)
4DFlowMRI技術(shù)臨床應(yīng)用的研究進(jìn)展
胥巧麗1,2,葉玉冰2,張健康1,2,劉 亞2,鄭 罡1,2*
(1.南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院,江蘇 南京 210016;2.南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科,南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院,江蘇 南京 210002)
4D Flow MRI技術(shù)是一種新型相位對(duì)比MR技術(shù),可同時(shí)對(duì)三個(gè)相互垂直的維度進(jìn)行相位編碼,多方向采集血流數(shù)據(jù),從而獲得復(fù)雜的三維動(dòng)力學(xué)參數(shù)。與2D相位對(duì)比MRI以及傳統(tǒng)的多普勒超聲心動(dòng)圖等技術(shù)相比, 4D Flow MRI技術(shù)準(zhǔn)確率更高、成像更全面,同時(shí)其也有一定的缺點(diǎn),如掃描時(shí)間長(zhǎng)、噪聲大等,也是今后需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。目前4D Flow MRI主要應(yīng)用于顱內(nèi)血管病變成像以及心臟MR方面,同時(shí)其對(duì)主動(dòng)脈疾病等方面的應(yīng)用也有一定的前景。本文旨在對(duì)4D Flow MRI技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
相位對(duì)比技術(shù);磁共振成像;血流動(dòng)力學(xué);血管壁參數(shù)
相位對(duì)比MRI(phase contrast MRI, PC-MRI)是通過(guò)對(duì)流體相位編碼成像的技術(shù),測(cè)量流體的流速、流量及方向等信息,20世紀(jì)80年代用于定量測(cè)量流量。隨著技術(shù)的發(fā)展,四維流相位對(duì)比MRI(4D Flow MRI)技術(shù)逐步用于臨床。4D Flow MRI技術(shù)可以動(dòng)態(tài)采集圖像,并同時(shí)對(duì)3個(gè)相互垂直的維度進(jìn)行相位編碼,從而多方向采集血流數(shù)據(jù)。4D Flow MRI 技術(shù)可用于評(píng)估顱內(nèi)動(dòng)脈血流、腹部血管血流動(dòng)力學(xué)以及計(jì)算各種流量相關(guān)參數(shù),如脈搏波速度(pulse wave velocity, PWV)、壁面剪切應(yīng)力(wall shear stress,WSS)等[1-2]。越來(lái)越多的證據(jù)證明,4D Flow MRI技術(shù)將成為PC-MRI技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)力。
PC序列利用流動(dòng)質(zhì)子產(chǎn)生相位變化的原理獲得圖像。磁矩(也可稱自旋)沿著磁場(chǎng)梯度移動(dòng),可獲得相位旋轉(zhuǎn)與固定自旋的對(duì)比數(shù)據(jù)。在雙極梯度(即大小和持續(xù)時(shí)間相等、方向相反)磁場(chǎng)的作用下,固定組織的相位改變得以補(bǔ)償,見(jiàn)圖1。通過(guò)重復(fù)兩個(gè)相反方向的急性梯度消除其他序列參數(shù)引起的相位位移,用兩個(gè)數(shù)據(jù)相減得到的相位差計(jì)算三維像素上的速度。在線性梯度場(chǎng)中,相移量與血流速度成比例。4D Flow MRI技術(shù)以時(shí)間作為第四維,基本原理一致[3]。
圖1 雙極梯度脈沖及相移變化圖
4D Flow MRI是三個(gè)方向的、沿時(shí)間編碼的三維速度成像技術(shù),其不僅可動(dòng)態(tài)三維顯示大中動(dòng)脈的血流動(dòng)力學(xué)特征,還可準(zhǔn)確測(cè)量掃描范圍內(nèi)各位置血流的方向、速度、剪切力等重要參數(shù)[4],為全面分析人體內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)提供了一定的條件。同時(shí),4D Flow MRI可用于計(jì)算與流量相關(guān)的血管壁參數(shù),并可能成為早期預(yù)測(cè)血管類疾病的診斷方法[5]。雖然4D Flow MRI技術(shù)在臨床上得到一些應(yīng)用,但該技術(shù)仍然存在一些不足:如分辨率低、受噪聲和MR設(shè)備渦流影響較大,可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與真值之間存在誤差等。這些問(wèn)題將成為未來(lái)技術(shù)研究以及克服的重點(diǎn)[6]。
4D Flow MRI在臨床最多應(yīng)用于顱內(nèi)血管及心臟MRI。近年其在主動(dòng)脈病變中的研究尤其突出。以下簡(jiǎn)述4D Flow MRI技術(shù)在頭頸部、心臟、胸部、腹部等部位成像的應(yīng)用。
3.1 頭頸部 顱內(nèi)動(dòng)脈瘤(intracranial aneurysms,IAs)是一種腦血管疾病,可能導(dǎo)致顱內(nèi)出血以及蛛網(wǎng)膜下腔出血,嚴(yán)重危及患者生命,然而大部分顱內(nèi)動(dòng)脈瘤在破裂后才能被發(fā)現(xiàn),所以預(yù)測(cè)動(dòng)脈瘤的破裂風(fēng)險(xiǎn)十分重要。4D Flow MRI和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computation fluid dynamics, CFD)是研究血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的兩種重要方法[7],既往有研究[8]比較3D PC與CFD測(cè)得的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)參數(shù),發(fā)現(xiàn)兩種方法有較好的一致性。陳宇等[9]采用4D Flow MRI和CFD兩種方法測(cè)算4例動(dòng)脈瘤患者的動(dòng)脈瘤及載瘤動(dòng)脈血液流速,并比較兩種方法測(cè)量結(jié)果,認(rèn)為4D Flow MRI與CFD測(cè)量結(jié)果在跡線的整體形態(tài)上較符合,兩種方法在動(dòng)脈瘤頸部測(cè)得的平均速度一致性較高,但單獨(dú)體素的流速測(cè)量相差較大,可能的原因是兩種方法分別都有不同的影響因素使所得結(jié)果可能產(chǎn)生一定的誤差。因此,4D Flow MRI與CFD相結(jié)合對(duì)預(yù)測(cè)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的破裂風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。
海綿竇內(nèi)動(dòng)脈瘤是導(dǎo)致直接型頸動(dòng)脈海綿竇瘺(direct aneurysmal cavernous fistula, daCCF)病變的主要原因,多數(shù)海綿竇瘺患者通過(guò)血管手術(shù)進(jìn)行治療,但由于動(dòng)靜脈分流,在4D Flow MRI技術(shù)出現(xiàn)之前無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定daCCF患者的血流量及血流速度。Nakagawa等[10]對(duì)1例55歲女性海綿竇瘺患者進(jìn)行4D Flow MRI,并根據(jù)所得數(shù)據(jù)配合治療,這也是首次使用4D Flow MRI技術(shù)對(duì)海綿竇瘺患者以及徑向動(dòng)脈移植等復(fù)雜頸動(dòng)脈疾病進(jìn)行研究。
Kellawan等[11]招募8名健康志愿者[3名女性,年齡(26.0±0.4)歲],在MRI磁場(chǎng)中吸入21%O2和3%CO2的混合氣體以制造血碳酸過(guò)多狀態(tài),通過(guò)4D Flow MRI技術(shù)測(cè)量靜息狀態(tài)下血碳酸過(guò)多狀態(tài)的腦底動(dòng)脈環(huán)脈動(dòng)速度,結(jié)果表明在溫和的二氧化碳刺激下,4D Flow MRI可以敏感地感知腦血流量的變化情況和剖面不均勻變化區(qū)域;同時(shí)還得出結(jié)論,4D Flow MRI無(wú)對(duì)比劑且時(shí)空分辨率高,掃描時(shí)間合理,因而可以使用4D Flow MRI進(jìn)行腦血管疾病等檢查。此外,4D Flow MRI可以用于檢測(cè)復(fù)雜的頸內(nèi)動(dòng)脈病變,預(yù)測(cè)神經(jīng)性腦卒中或癡呆[8]。
3.2 心臟 心臟磁共振(cardiac MR, CMR)是評(píng)估心功能的“金標(biāo)準(zhǔn)”。常規(guī)CMR掃描技術(shù)相對(duì)成熟,在疾病診斷及術(shù)后評(píng)估中意義重大。近年定量成像技術(shù)T1 mapping、T2 mapping、DTI、4D Flow MRI等CMR新技術(shù)發(fā)展迅速,潛力巨大,有望對(duì)心血管疾病的診斷提供重要幫助[12]。
隨著醫(yī)療技術(shù)的改善,先天性心臟病患者經(jīng)手術(shù)和內(nèi)科干預(yù),其生活質(zhì)量在成年之前可保持正常水平,4D Flow MRI 技術(shù)為這些患者的診斷和監(jiān)測(cè)提供重要數(shù)據(jù)[13]。Gabbour等[14]對(duì)32例先天性心臟病患者同時(shí)進(jìn)行4D Flow MRI與2D PC MR掃描,結(jié)果顯示4D Flow MRI與作為參考標(biāo)準(zhǔn)的2D PC和超聲心動(dòng)圖在定量測(cè)量先天性心臟病的一些描述參數(shù)具有很好的一致性,如主肺動(dòng)脈峰值速度、凈流量、返流分?jǐn)?shù)等方面。之后Gabbour等[15]對(duì)接受過(guò)2D PC MRI和4D Flow MR檢查的50例心臟病患者進(jìn)行回訪,發(fā)現(xiàn)4D Flow MRI與2D PC MRI測(cè)量結(jié)果具有良好的一致性,進(jìn)一步表明4D Flow MRI可以定性和定量分析心臟和大動(dòng)脈內(nèi)的復(fù)雜血流狀況。
心房顫動(dòng)與栓塞性卒中聯(lián)系密切,易導(dǎo)致左心房血栓。因此研究心房顫動(dòng)患者的心血管血流及左右心室狀態(tài)具有重要意義。Markl等[16]通過(guò)4D Flow MRI技術(shù)對(duì)62例心房顫動(dòng)患者以及8名健康志愿者進(jìn)行全心掃描,結(jié)果顯示,雖然無(wú)系統(tǒng)的證據(jù)證明心房顫動(dòng)患者的左右心室血流淤滯,但患者心房間血流平均速度和具有較大個(gè)體差異,同時(shí)也證明4D Flow MRI對(duì)全心掃描具有重大意義。
3.3 胸部 4D Flow MRI技術(shù)可以可視化及量化各種主動(dòng)脈疾病導(dǎo)致的血流反常情況:如胸主動(dòng)脈瘤、主動(dòng)脈瓣膜疾病、主動(dòng)脈壁疾病等[17]。
胸主動(dòng)脈瘤(thoracic aortic aneurysm, TAA)指胸部主動(dòng)脈某處或某段腔徑異常擴(kuò)大,形成瘤狀,其生理病理因素主要是相關(guān)區(qū)域的血流動(dòng)力學(xué)影響。有研究[18]將4D Flow MRI與CFD結(jié)合對(duì)TAA患者進(jìn)行仿真,結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)合4D Flow MRI技術(shù),CFD測(cè)量胸主動(dòng)脈整體血流動(dòng)力學(xué)以及避免剪切應(yīng)力等方面更加準(zhǔn)確。
二葉主動(dòng)脈瓣(bicuspid aortic valve, BAV)是一種最常見(jiàn)的先天性心臟缺陷,因此需正確測(cè)量峰值血流速度以監(jiān)測(cè)患者的主動(dòng)脈瓣功能。4D Flow MRI技術(shù)在BAV患者血流動(dòng)力學(xué)測(cè)量方面展現(xiàn)出巨大的潛力。Rose等[19]對(duì)51例BAV患者進(jìn)行4D Flow MRI,并對(duì)升主動(dòng)脈、主動(dòng)脈弓、降主動(dòng)脈3個(gè)ROI的峰值速度進(jìn)行分析,將所得數(shù)據(jù)與2D PC MR以及多普勒超聲心動(dòng)圖進(jìn)行比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),4D Flow MRI速度[(2.04 ±0.71)m/s]明顯高于2D PC MR[(1.69 ± 0.79)m/s,P<0.001)];故4D Flow MRI技術(shù)測(cè)量BAV患者峰值速度的準(zhǔn)確率與多普勒超聲心動(dòng)圖一致并高于2D PC MR。
馬珂等[20]于1周內(nèi)對(duì)8名健康志愿者進(jìn)行2次獨(dú)立的肺動(dòng)脈4D Flow成像,并成功地測(cè)量了肺動(dòng)脈相對(duì)壓力及血流量,認(rèn)為測(cè)量結(jié)果具有可重復(fù)性。目前常用超聲及2D PC MR技術(shù)研究肺動(dòng)脈高壓相關(guān)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的無(wú)創(chuàng)測(cè)量方法。雖然4D Flow MRI采集時(shí)間較長(zhǎng),但其定位相對(duì)簡(jiǎn)單,可在一次掃描中提供三維容積內(nèi)任意位置及截面的血流速度信息。故4D Flow MRI技術(shù)在測(cè)量肺動(dòng)脈高壓患者肺動(dòng)脈血流參數(shù)、相對(duì)壓力及綜合評(píng)價(jià)多種血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)方面具有重要意義。
3.4 腹部 門(mén)靜脈高壓是肝硬化的終末期并發(fā)癥,導(dǎo)致肝和腸系膜循環(huán)血流動(dòng)力學(xué)發(fā)生劇烈變化。晚期肝硬化患者飲食后,可能引起門(mén)靜脈壓力增加。Roldan-Alzate等[21]利用4D Flow MRI技術(shù)測(cè)量12例門(mén)靜脈高壓患者和6名健康受試者飲食后腹部的血流動(dòng)力學(xué)變化,所有被試者禁食5 h后獲得餐前血流動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù),攝入食物20 min后采集餐后MRI數(shù)據(jù),結(jié)果顯示兩次數(shù)據(jù)的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05);餐后結(jié)果顯示,上腹腔主動(dòng)脈、門(mén)靜脈、腸系膜上靜脈和動(dòng)脈血流均明顯增加,表明4D Flow MRI技術(shù)可以全面量化腹部血管系統(tǒng),檢測(cè)門(mén)靜脈高壓血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
主動(dòng)脈壁剪切剛度(aortic wall shear stiffness, AWS)和壁面剪切應(yīng)力是腹主動(dòng)脈病理變化的重要指標(biāo),在PC-MRI的彈性成像和4D Flow MRI出現(xiàn)后,AWS和壁面剪切應(yīng)力的無(wú)創(chuàng)評(píng)估可行。Kolipaka等[22]采用MRE和4D Flow MRI估計(jì)和建立正常受試者AWS和WSS的相關(guān)性,雖然發(fā)現(xiàn)兩者之間無(wú)相關(guān)性,但該研究證實(shí)4D Flow MRI技術(shù)在無(wú)創(chuàng)評(píng)估腹部血管血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)方面具有潛力。
4D Flow MRI技術(shù)在顱內(nèi)血管、頸動(dòng)脈、胸部主動(dòng)脈、肝臟系統(tǒng)等方面的測(cè)量結(jié)果與參考標(biāo)準(zhǔn)(2D PC MR或多普勒超聲心動(dòng)圖)具有較好的一致性,在顱內(nèi)、頸部、胸部及腹部血管領(lǐng)域,4D Flow MRI技術(shù)顯示良好的可再現(xiàn)性以及較小的差異性。但大部分研究以健康志愿者為基礎(chǔ),僅小部分患者參與。今后一方面應(yīng)加大患者數(shù)量,另一方面需評(píng)估4D Flow MRI技術(shù)相對(duì)于獨(dú)立流量測(cè)量技術(shù)的準(zhǔn)確性,如侵入性測(cè)量血流參數(shù)[23]。
總之,4D Flow MRI作為定量分析區(qū)域水流和速度的新興技術(shù),可提供3D流量覆蓋以及在任何位置、任何成像平面回顧性血流分析。4D Flow MRI與2D PC MR流動(dòng)參數(shù)的一致性及4D Flow MRI分析與回波接近性的提高,表明4D Flow MRI技術(shù)已經(jīng)成為臨床替代2D PC MR的潛在技術(shù)。此外,4D Flow MRI在正常和病理性血流動(dòng)力學(xué)復(fù)雜流動(dòng)模式可視化方面存在極大的潛力。隨時(shí)間變化,三維三方向采集等技術(shù)表明4D Flow MRI可提供更加精確的定量血流速度與血管壁參數(shù)。作為一種新興的相位對(duì)比MR技術(shù),4D Flow MRI與其他PC-MRI技術(shù)結(jié)合將成為臨床更全面的檢測(cè)手段。
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Researchadvancesinclinicalapplicationof4DFlowMRI
XUQiaoli1,2,YEYubing2,ZHANGJiankang1,2,LIUYa2,ZHENGGang1,2*
(1.CollegeofCivilAviation,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China;2.DepartmentofMedicalImaging,JinlingHospital,MedicalSchoolofNanjingUniversity,Nanjing210002,China)
4D Flow MRI is a new phase contrast MR technique, which can spatially encode velocity in three-direction, collect multi-directional blood flow data, and result in complex three-dimensional dynamic parameters.4D Flow MRI is more accurate and comprehensive than2D phase contrast MRI and Doppler echocardiography. However,4D Flow MRI have some disadvantages, such as long scanning time, noise, etc., which are the future key technical issues to be addressed.4D Flow MRI technology has a great potential in clinical applications, such as intracranial vascular diseases, cardiac magnetic resonance imaging, and other aspects of aortic diseases. Research advances in clinical application of4D Flow MRI were reviewed in this paper.
Phase contrast technique; Magnetic resonance imaging; Hemodynamics; Vascular wall parameters
R54; R445.2
A
1003-3289(2017)12-1898-04
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81671667、81471644)、中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目(2016T90445)。
胥巧麗(1992—),女,山東濰坊人,碩士。研究方向:腦功能成像及醫(yī)學(xué)圖像處理。E-mail: winter_xuql@163.com
鄭罡,南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院,210016;南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科,南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院,210002。
E-mail: gang.zheng@nuaa.edu.cn
2017-06-21
2017-09-16
10.13929/j.1003-3289.201706118