4D flow在兒童先天性心臟病診斷中的應(yīng)用

胡立偉，鐘玉敏

(上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心影像診斷中心，上海 200127)

先天性心臟病(congenital heart disease, CHD)是最常見(jiàn)的先天性畸形，指在胚胎發(fā)育時(shí)期由于心臟及大血管形成障礙或發(fā)育異常引起的解剖結(jié)構(gòu)異常，或出生后應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉的通道未能閉合的情形[1]；新生兒中CHD發(fā)病率為0.8%～1.2%。隨著術(shù)式的改良及術(shù)后治療水平的提高，多數(shù)CHD患兒可存活至成年[2]。MR檢查在評(píng)價(jià)CHD術(shù)后療效中具有重要作用[3]。心血管MR(cardiovascular MR, CMR)可評(píng)價(jià)心房、心室及大血管(主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈)不同層面的心臟形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)特征。新技術(shù)心肌灌注[4]、對(duì)比劑延時(shí)強(qiáng)化[5]及心肌組織追蹤[6]等的出現(xiàn)及應(yīng)用，使MR評(píng)估心臟功能日趨成熟。血流分析是MR功能評(píng)估的重要技術(shù)之一。Carr等[7]最早發(fā)現(xiàn)MR信號(hào)的相干運(yùn)動(dòng)；首例人體頸動(dòng)脈和股動(dòng)脈流速圖像于1980年被成功報(bào)道[8-9]，且血流速度測(cè)量與超聲一致性較好。此后，二維相位對(duì)比(phase-contrast,PC)法逐漸成為臨床定量評(píng)估心臟血流和瓣膜反流情況的常規(guī)掃描序列[10]。目前，最新的四維血流分析(4D flow)可在3個(gè)垂直的空間方向上，利用心電門(mén)控技術(shù)和膈肌導(dǎo)航技術(shù)獲得相位流速編碼的數(shù)據(jù)，通過(guò)三維空間內(nèi)速度矢量的改變，以流速圖、流線圖及跡線圖等三維可視化形式描述血流狀態(tài)與變化[11-14]；還可測(cè)量常規(guī)流量和流速，血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)如壁面剪切力、脈沖波速度、壓力階差和能量損失等[15]。本文對(duì)4D flow原理及其在兒童CHD中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 基本原理與圖像采集

PC MRI原理是2組或數(shù)組不同相位的運(yùn)動(dòng)質(zhì)子群被激發(fā)后向外發(fā)射能量，通過(guò)計(jì)算重建的方法來(lái)選取適當(dāng)?shù)难菟惴椒▽?duì)采集的相位進(jìn)行減影，靜態(tài)組織減影后相位為零，流動(dòng)組織隨不同速度而具有不同的相位差值；最后，將相位差轉(zhuǎn)變成像素強(qiáng)度，顯示于MR圖像[10]。若采集前根據(jù)常規(guī)血流速度來(lái)選擇速度編碼值(velocity encoded cine, Venc)，即選定梯度幅值和間期，則圖像上能突出顯示該速度范圍內(nèi)的血流。PC MRI包括流動(dòng)補(bǔ)償和流動(dòng)編碼，其中流動(dòng)編碼使每個(gè)流動(dòng)質(zhì)子都有相位偏移，質(zhì)子相位計(jì)算公式為：Δφ=V/Venc；Δφ表示質(zhì)子相位偏移量，范圍為±π，超過(guò)該范圍即發(fā)生相位混疊(圖1)[16]。為防止發(fā)生

相位混疊，質(zhì)子流動(dòng)速度(V)需小于Venc，其中Venc即為可測(cè)量的最大流度值。當(dāng)Venc降低時(shí)，為獲得較大的梯度區(qū)域，需更長(zhǎng)的TE和TR。PC MRI中，速度圖的圖像質(zhì)量易受噪聲影響，其中V噪聲與Venc成正比，與SNR成反比[10]，計(jì)算公式為V噪聲≈Venc/SNR。因此，為獲得高質(zhì)量圖像，選擇最佳速度尤為關(guān)鍵，Venc較高可避免相位混淆，而Venc較低可降低V噪聲。

最新技術(shù)4D flow可同時(shí)基于3個(gè)互相垂直的維度編碼獲得相位流速編碼電影圖像。2D-PC僅能于選定的某個(gè)二維層面上測(cè)定流速流量，而3D-PC可測(cè)量ROI空間體積內(nèi)具有時(shí)間分辨率的三維速度場(chǎng)值。與傳統(tǒng)的2D-PC MRI相比，3D圖像采集掃描時(shí)間較長(zhǎng)(15～20 min)，且無(wú)法進(jìn)行屏氣掃描。采用4D flow采集心臟圖像時(shí)[17]，心電門(mén)控技術(shù)和/或膈肌導(dǎo)航技術(shù)可避免掃描時(shí)未能屏氣導(dǎo)致的心臟及呼吸運(yùn)動(dòng)偽影(圖2)。

圖1 法洛四聯(lián)癥患者術(shù)后肺動(dòng)脈跡線圖示混疊現(xiàn)象[16] A.收縮中期主肺動(dòng)脈整體跡線圖； B.Venc為160 cm/s，收縮中期左肺動(dòng)脈相位圖，收縮方向朝左顯示為白色，灰色區(qū)域?yàn)榱魉俨町?箭)； C.Venc為160 cm/s，收縮中期右肺動(dòng)脈相位圖，收縮方向朝右顯示為白色，而在白色體素中存在黑色區(qū)域(箭)提示該區(qū)域流速超過(guò)Venc，存在混疊現(xiàn)象 圖2 4D flow圖像采集方式[23] 在心電門(mén)控和膈肌導(dǎo)航同時(shí)觸發(fā)的情況下，采集3個(gè)互相垂直的維度編碼，最終獲得主動(dòng)脈的一組基準(zhǔn)掃描和3組相位流速編碼電影圖 (ECG：心電門(mén)控)

圖3 患兒男，16歲，永存動(dòng)脈干、房間隔缺損、室間隔缺損、肺動(dòng)脈狹窄，F(xiàn)ontan術(shù)后血流流量圖 Venc為100 cm/s，雙側(cè)上腔靜脈與兩側(cè)肺動(dòng)脈吻合(黑箭)，外管道與右肺動(dòng)脈吻合口通暢(白箭) 圖4 患兒女，1歲，右心室雙出口[23] A.采用后處理軟件重建完整全心三維模型； B、C.肺動(dòng)脈(B)和主動(dòng)脈(C)在一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的平均流速圖(紅色為4D flow，黑色為2D-PC)，兩組數(shù)據(jù)一致性較好； D、E.肺動(dòng)脈(B)和主動(dòng)脈(C)在心臟收縮期的血流流速圖，兩組數(shù)據(jù)一致性較好

常規(guī)4D flow心血管掃描參數(shù)如下：Venc 50～200 cm/s，TE 2～4 ms，TR 5～7 ms；CHD兒童心臟以及大血管4D flow掃描參數(shù)[18-20]和Venc選擇見(jiàn)文獻(xiàn)[21-22]。

2 圖像后處理

在速度混淆及圖像噪聲之外，相位偏移誤差是4D flow圖像處理過(guò)程中另一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。導(dǎo)致相位偏移誤差的主要原因有渦流效應(yīng)、麥克斯維爾方程及梯度場(chǎng)不均勻性等[15]。目前采用心臟后處理軟件可糾正相位偏移誤差，同時(shí)，使用Matlab軟件編寫(xiě)代碼也可進(jìn)行矯正。相位偏移誤差圖像校正在低Venc情況下效果較好，而在高Venc情況下差異較小；其圖像校正效果不僅與Venc的選擇有關(guān)，且與掃描范圍以及梯度線圈設(shè)計(jì)有關(guān)[22]。

在掃描過(guò)程中，Venc的選擇是定量測(cè)量流速準(zhǔn)確性的最大影響因素。Venc較低時(shí)，以4D flow定量測(cè)量慢血流，評(píng)估更精確(圖3)；然而在高流速血管和狹窄段血管中，以4D flow測(cè)量峰值流速的精確度明顯下降。同時(shí)，當(dāng)Venc較高時(shí)，以4D flow采集的靜脈血流信號(hào)會(huì)由于噪聲增大而有所降低。有學(xué)者[23]認(rèn)為采用2D-PC與4D flow測(cè)量動(dòng)靜脈流速的一致性較好(圖4)。此外，還有學(xué)者[24]對(duì)大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位Switch術(shù)后4D flow血流動(dòng)力學(xué)評(píng)估中發(fā)現(xiàn)，4D flow與超聲心動(dòng)圖測(cè)量主動(dòng)脈、肺動(dòng)脈峰值流速的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但4D flow序列在狹窄段的峰值流速測(cè)量中略顯不足：尚無(wú)法精準(zhǔn)模擬兒童一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)心臟血液動(dòng)力學(xué)改變。

3 臨床應(yīng)用

超聲心動(dòng)圖是評(píng)價(jià)CHD的主要方法之一，但無(wú)法提供完整的血流動(dòng)力學(xué)信息[25]。兒童血管管徑小，且常不能屏氣，故采用4D-Flow技術(shù)采集CHD患兒圖像的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)[26]。多項(xiàng)研究[27-28]提出以優(yōu)化計(jì)算機(jī)算法、改進(jìn)MR硬件及更新采集技術(shù)等措施提高數(shù)據(jù)采集能力和圖像分析效率，使4D flow技術(shù)可更好地應(yīng)用于對(duì)兒童CHD的定量評(píng)估。4D flow可在一次采集的同時(shí)定量分析血流流速和流量，并能可視化分析心內(nèi)及心外結(jié)構(gòu)和血流。與2D flow相比，4D flow無(wú)須多次采集多個(gè)血管平面，即可獲得任何一個(gè)ROI的血流平面，以測(cè)定流速流量；同時(shí)還能分析局部狹窄及側(cè)支血管血流。

4D flow技術(shù)已廣泛應(yīng)用于CHD的術(shù)前評(píng)價(jià)和術(shù)后評(píng)估。Gabbour等[29]評(píng)估32例CHD患者的血流，發(fā)現(xiàn)4D flow與超聲心動(dòng)圖測(cè)量的主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈峰值流速及反流分?jǐn)?shù)等參數(shù)的一致性較好。Valverde等[30]采用4D flow觀察1例部分型肺靜脈異位引流患兒，發(fā)現(xiàn)通過(guò)可視化的方法可準(zhǔn)確評(píng)估血流信息。此外，采用4D flow還可定量評(píng)估完全性大動(dòng)脈轉(zhuǎn)位、法洛四聯(lián)癥及單心室Glenn術(shù)后療效。

綜上所述，4D flow技術(shù)已廣泛應(yīng)用于評(píng)估CHD血流，雖然定量評(píng)估狹窄段或高速血流目前尚存在不足，但由此獲得的可視化血流信息對(duì)于傳統(tǒng)影像學(xué)診斷的輔助作用仍然值得重視。

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