4D Flow MRI在心血管系統的研究進展*

劉 倩 綜述，唐茁月 審校

(中國科學院大學重慶醫院/重慶市人民醫院，重慶 400014)

目前心血管系統的常規檢查包括多普勒超聲、CT血管成像及數字減影血管造影(DSA)等技術，但多普勒超聲測量精度和重復性高度依賴于設備和操作員的經驗,且多局限于二維速度場的測量；CT血管成像及DSA有創、需要注入對比劑，且獲得的是平均速度信息。而四維血流磁共振成像(4D Flow MRI)以無創、無需對比劑增強、覆蓋范圍廣、可獲得血管形態學及血流動力學參數等優勢在心血管系統的研究中存在巨大潛力，它可以提供一系列血流參數：壁切變應力(WSS)、壓差、渦流動能、流速及流量等，通過三維空間內速度矢量的改變，以流速圖、流線圖及跡線圖三維可視化形式描述血流狀態與變化。眾多研究表明利用4D Flow MRI技術可更好地了解心血管生理學和病理生理學機制[1-2]，發掘血流動力學對心臟和血管系統的影響，進一步描述血流變化導致心血管疾病進展(如重塑)的程度，以及評估介入或外科手術后生理流量和壓力曲線恢復程度。

1 成像原理及特點

1.1 成像原理

速度編碼的基本原理是基于核磁信號相位沿梯度磁場的變化，獲得相位旋轉與固定自旋的對比數據，通過使用適度的雙極速度編碼梯度、與速度相關的不同信號相位，但其他方面相同的序列參數來檢測血流相關的相位變化，再通過相位差的方法得到三維像素上的速度，這種方法稱為相位對比(PC)磁共振技術。4D Flow MRI是在三維成像的基礎上加上時間，即動態的三維成像技術。

1.2 特點

1.2.1技術特點

在4D Flow MRI中，對于單向速度編碼及定量速度測量需要2次采集和1次減法。通過交錯4點速度編碼可以有效地實現3個方向的速度測量，該交錯4點速度編碼沿3個正交(x、y、z)方向獲取1個參考圖像和3個速度編碼圖像速度，并在整個心臟周期中沿所有3個空間維度進行編碼，從而提供時間分辨的3D速度場。

1.2.2設備特點

能夠對血管系統進行全容積覆蓋成像，并提供感興趣區域內血管血流動力學的綜合評估。

2 臨床應用

2.1 顱內血管

DSA是明確診斷和評估腦血管疾病的金標準，具有侵入性，臨床上存在一定的并發癥風險。磁共振成像作為一種無創、安全的成像手段，在腦血管病的診斷、治療計劃和隨訪評估中發揮著越來越重要的作用。WEN等[3]通過對10名健康志愿者顱內血管的定量研究，證明4D Flow MRI技術在神經血管的測量中具有良好的多中心重復性、重測可靠性及較低的觀察者間依賴性。目前4D Flow MRI技術在顱內血管病變中的研究主要集中在顱內動脈瘤及動靜脈畸形(AVM)。

將4D Flow MRI的定性和定量流動行為與其他檢測方法相比較，如計算流體動力學(CFD)、經顱多普勒(TCD)，發現其具有良好的一致性。顱內動脈瘤是一種危及生命的高風險疾病，如何權衡動脈瘤破裂風險及手術風險是醫患共同關注點，MIURA等[4]研究發現只有較低的WSS與大腦中動脈動脈瘤的破裂顯著相關。眾所周知，通過干預使動脈瘤內血流減少可促進動脈瘤內血栓的形成，并最終促進動脈粥樣硬化，從而極大降低動脈瘤破裂風險達到治愈的目的。近年來，低孔率支架(FDS)運用上述理念通過降低孔率來改變載瘤動脈內的血流動力學，達到載瘤動脈血管重建、瘤內血栓形成及瘤頸部血管內皮化的目的而治愈動脈瘤。PEREIRA等[5]運用4D Flow MRI對FDS植入后動脈瘤內血流動力學的變化進行研究，發現其可定量計算動脈瘤內血流量減少的程度，并確定與動脈瘤血栓完全形成相關的速度閾值，這項研究證明4D Flow MRI可以很好地改善FDS治療后的結果預測。

AVM是由異常的“動脈化”引流靜脈與供血動脈直接相連組成的錯綜復雜的網絡，是出血性中風的重要病因。顱內血管常規檢查對其檢出率較高，但在危險分層及治療中存在不足。對AVM的供血動脈和引流靜脈的詳細評估對于臨床評估和管理很重要，使用4D Flow MRI可以通過量化感興趣的血管的相對血流量來幫助描述供血動脈的類型和分布。以類似的方式，4D Flow MRI可用于靜脈解剖的評估，將靜脈狹窄識別為局部靜脈血流加速的區域及WSS引起的病理過程的風險區域。高流量引流靜脈狹窄被認為會引起AVM病灶內血流的重新分配，導致血流動力學過載，從而增加破裂的風險[6]。大而高流量的腦動靜脈畸形通常采用連續血管內栓塞治療，以逐漸減少畸形的血供。因此，4D Flow MRI提供的AVM血管系統的定量血流數據在治療計劃中具有重要的價值，因為其試圖識別流量最高的供血動脈，從而有可能實現有效和有針對性的栓塞。此外，治療后的腦血流信息可用于評估治療效果和生理反應[7]。ANSARI等[8]發現4D Flow MRI可對AVM血流動力學進行定性和定量評估，并為風險分層、分期栓塞過程中更精確的監測或改進治療計劃提供可能。但這是一個可行性研究，關于這些發現的臨床應用，結論是有限的。其在進一步的研究中發現AVM血流參數與Spetzler-Martin分級及周圍微血管灌注顯著相關[9]。但其研究樣本量小，需要更大樣本量的隊列研究，以研究綜合MR成像評估腦血流和灌注的潛力，進而改善AVM風險分層。

除此之外，4D Flow MRI還應用于顱內動脈粥樣硬化(ICAD)、阿爾茨海默病(AD)及鐮狀細胞病(SCD)的顱內血流動力學的研究，VALI等[10]研究證實了雙靜脈4D Flow MRI和半自動血流分析工具評價ICAD患者顱內血流動力學的可行性。RIVERA-RIVERA等[11-12]研究證明了4D Flow MRI對AD大血管區域進行血流動力學分析的可行性，并進一步研究發現AD患者較健康人平均血流量(MBF)降低，搏動指數(PI)、抵抗性指數(RI)升高，提示AD患者血流動能降低，加深了對AD發病機制的了解。與正常健康組相比，4D Flow MRI能提供SCD患者整個生命周期的血流動力學變化[13]。

顱內血管迂曲、管徑較小，4D Flow MRI在顱內的空間分辨率有限，且與主動脈相比，顱內血管容易受到部分容積效應的影響。其次，定位感興趣的顱內血管并確定其血流方向是具有挑戰性的，并由此可能導致測量誤差。相較于對心臟、主動脈及其周圍大血管和門靜脈系統的4D Flow MRI的重復性研究，神經血管的研究樣本量較少，但4D Flow MRI在顱內血管成像的潛力是不可否認的。

2.2 主、肺動脈及心臟

磁共振成像通常用于心臟和大血管的評估，精確的解剖成像是大多數臨床評估的目標。然而，隨著相位對比磁共振成像的進展，一系列的血流動力學分析成為可能，在對心臟和大血管正常血流動力學的研究基礎上，4D Flow MRI優勢在于(1)使用獨特的血流動力學標志物在有臨床表現之前識別心血管疾病的早期過程，以便能夠進行預防性治療；(2)改進或豐富對心血管疾病的評估，以便更好地進行危險分層及確定最佳的內科或外科治療方案；(3)加強對不同治療方案的血流動力學影響的評估和監測。

肺動脈高壓(PH)是一種致命性疾病，其特征是平均肺動脈壓(MPAP)異常升高，最終導致右心室衰竭，有創右心導管插管是其診斷的金標準。肺動脈因高血壓而變硬，這種僵硬可以使用包括脈動性和順應性在內的一系列測量用磁共振來量化。血管順應性的降低與肺動脈擴張一起導致PH逆行血流。4D flow MRI不僅可分析PH血管僵硬和返流的時間和范圍，還可發現其表現為異常和特征性的復雜血流模式，主肺動脈內的渦流與明顯的PH密切相關，且渦流的持續時間與靜息平均肺動脈壓相關[14]。

Fontan循環是對于只有一個功能心室的患者的姑息性治療，單個功能心室用于系統泵血，體靜脈回流通過全腔肺動脈連接直接分流到肺動脈。Fontan循環連接處血流分布不對稱被懷疑會導致肺血管的動靜脈畸形，從而導致手術并發癥。JARVIS等[15]研究證明了4D Flow MRI用于Fontan循環血流動力學靶向性評價的可行性，包括通過從下腔靜脈和上腔靜脈發出路徑顯示復雜的血流模式、血流分布的量化和血管幾何形狀的評估。CHENG等[16]應用4D Flow MRI在Fontan循環的體外模型中發現，與具有不依賴剪切黏度的牛頓流體相比，具有剪切黏度的非牛頓流體顯著地改變了定性流動模式、功率損失、肺內流動分布和腔內流動混合。這些影響是由血管幾何形狀、心輸出量和腔靜脈流量的不對稱性以復雜和高度非線性的方式調節的。4D Flow MRI主要潛力可能在于評估肺動脈血流的差異性，其對每條肺動脈上的上腔靜脈和下腔靜脈的貢獻可以通過定量的路徑分析來確定，自動定量血流的腔靜脈貢獻可以提高Fontan患者的術后評估。

生理性渦流有助于穩定血流，保存能量，保護血管免受動脈粥樣硬化的影響，但病理性渦流則有害。主要表現為(1)軸向流速因渦流而降低，因此，單位時間內流經恒定血管截面的血液較少，可能導致器官灌注減少或心臟做功增加。(2)病理性渦流可能對血管壁施加張力，導致血管擴張或內皮功能紊亂。(3)血小板在渦流中的速度降低，可能會促進血凝塊或血栓形成[17]。而病理性渦流在主動脈病變中常見于二葉主動脈瓣(BAV)。4D Flow MRI已成功地應用于生理渦流定量、病理血流改變的識別，可直觀地探索時間分辨速度向量場的渦流特征[18]。ROSE等[19]使用4D Flow MRI測量BAV患者的收縮期峰值速度符合臨床參考標準多普勒超聲心動圖。但因其采用三維速度編碼的快速容積分析，比多普勒超聲心動圖更能適應偏心血流噴射的峰值速度的評估。BAV是主動脈擴張的因素之一，HOPE等[20]發現BAV收縮期血流偏心的程度與進行性主動脈擴張之間有很好的相關性。不同瓣膜表型的BAV患者的血流模式不同，利用4D Flow MRI評估不同的WSS成分和衍生的血流參數可能有助于更完整、準確地確定主動脈擴張風險[21]。故4D flow MRI可用于識別主動脈擴張和可能伴有BAV和主動脈瓣疾病的夾層患者的進展風險。

跨瓣梯度、瓣膜面積和峰值速度是主動脈瓣狹窄(AS)目前常用的3個超聲測量參數，但4D Flow MRI對主動脈峰值速度和派生的壓力梯度的量化可能更好，這是評估AS嚴重程度的重要指標。超聲心動圖測量的跨瓣膜能量損失可以為無癥狀AS患者提供獨立、額外的預后信息，在此背景下，4D Flow MRI研究提出了兩種評估血液能量學的方法：黏性能量損失和湍流動能(TKE)[22]。BARKER等[23]研究表明，與健康志愿者相比，AS患者的胸主動脈黏性能量損失顯著增加，表明心臟后負荷增加是由于AS的異常血流。TKE考慮了每個成像體素內的速度波動，且因此反映了由AS施加于心室所增加的工作負荷。計算主動脈中的TKE可以直觀地顯示AS患者升主動脈湍流程度的增加。故基于4D Flow MRI的湍流圖來確定狹窄上的不可逆能量損失，以及其評估血流誘導的血液損傷的有效性是重要的[24]。

4D Flow MRI也應用于主動脈縮窄(CoA)及馬方綜合征(MFS)的血流動力學評估。胡立偉等[25]研究發現主動脈能量損失和狹窄段近端的渦流大小有關。狹窄段位置、渦流大小和局部血管壁WSS的升高是早期影響CoA術后血管順應性下降的重要因素之一。MFS主動脈中層變性使患者主動脈擴張、夾層和破裂的風險大大增加。通過脈搏波傳播速度(PWV)可以發現MFS患者的主動脈病變節段明顯變硬并預測進行性主動脈擴張和評估治療反應[26]。GEIGER等[27]亦發現MFS降主動脈內段的節段性WSS降低與局部異常血流模式增加和主動脈夾層的直徑增大有關。

心內血流復雜，4D Flow MRI可以全容積覆蓋以評估心臟的血流動力學變化，ERIKSSON等[28]入組10名健康人和10名擴張型心肌病患者，通過積分每幀左心室容積上的壓力梯度計算出整個心臟周期內整體血流動力的大小和方向，發現4D Flow MRI數據可以量化作用于心肌的左心室血流動力，是研究進行性心臟不良重塑的一種新工具。且VAN等[29]證明聯合應用增強前后T1 Mapping和4D Flow MRI成像可以表征肥厚型心肌病(HCM)患者血流動力學和心肌細胞外體積分數(ECV)的改變。左心室流出道峰值壓力梯度和能量損失與ECV的相關性提示HCM相關血流異常、左心室后負荷增加和左心室結構重塑之間可能存在機制聯系。KARLSSON教授團隊在房顫電復律后的縱向研究中表明左心房頓抑時血流改變，血瘀升高，且此時血液的凝固性也升高[30-31]。血瘀和高凝狀態之間的聯系提示，左心房4D血流的評估可以增加對心房頓抑時血栓形成的病理生理學理解，這可能最終導致針對每個患者的抗凝治療時間和劑量的優化。且在心房顫動患者在轉復后即刻、心房頓抑時和復律后4周心房機械收縮恢復正常竇性心律時左心室功能的變化進行4D血流特異性測量，強調心房收縮在房室耦合中的重要性。上述病變的最終進展為心力衰竭，KANSKI等[32]通過研究心內動能與舒張期渦環的形成、心臟不同步及心力衰竭的臨床措施之間的關系，發現動能時間曲線與紐約心臟病協會(NYHA)分級或6 min步行試驗無關，因此，可能構成一種新的心力衰竭量化方法。

雖然法洛四聯癥(TOF)患者的首診檢查技術是超聲心動圖，但其在血流定量分析中的應用受到限制，右心室幾何形狀較左心室復雜，在先天性心臟病中右心室功能經常受損，故4D Flow MRI因在復雜血流模式中具有可視化和采集體積內的任何位置回溯性分析的優勢使其在法洛四聯癥中的運用應運而生。FRAN?OIS等[33]證明了4D Flow MRI定性和定量地分析整個右心循環的血流特征的可行性，且發現修復后的TOF患者的血流模式和定量血流參數與正常健康心臟明顯不同。在此研究背景下，HIRTLER等[34]研究發現基于4D血流的渦流量化分析TOF修復術后患者心腔內血流變化是一種可替代定性血流觀察的方法，心腔內渦流變化可能與右心室擴張和功能減低有關。渦流可能導致TKE的改變，從而導致TOF術后患者的心室-血管效率低下。TOF修復術后患者的TKE是異常的，并且與傳統的疾病進展指標有直接的、非線性的關系，可能是比傳統參數更早預測無效血流動力學的指標[35]。

2.3 腹部血管

4D Flow MRI的主要優勢是能夠提供腹部的全面定性(解剖學和血流模式)和定量(血流測量)評估,作為多普勒超聲的一種補充。在肝硬化患者中，肝靜脈壓力梯度(HVPG)的測量提供了門靜脈壓力的準確估計，并為慢性肝病提供了可靠的臨床和預后標志，它使我們能夠評估臨床并發癥的發展，如食管靜脈曲張和出血及失代償風險，并提供關于患者生存和未來死亡風險的獨立預后信息。但肝靜脈壓力梯度是一項有創性測量，且具有低特異性，MOTOSUGI等[36]初步研究發現奇靜脈血流量大于0.1 L/min和門靜脈血流量小于4D Flow MRI測量的脾和腸系膜上靜脈血流量之和是判斷肝硬化患者胃食管靜脈曲張出血風險的有用指標。ROLDN-ALZATE等[37]定量評價進餐挑戰時門靜脈血流的配對調節，發現門靜脈高壓患者血流調節功能可能受損。正因有如此多的并發癥，門靜脈高壓的治療尤為重要，經頸靜脈門體分流術(TIPS)可作為其終末期的治療。BANNAS等[38]對7例門靜脈高壓癥伴頑固性腹水患者在TIPS置入前、術后2周和12周進行4D Flow MRI成像，發現其用于無創縱向監測TIPS置入前后的肝血流是可行的。研究發現，與超聲相比，4D Flow MRI在無創性評價腎透析患者動靜脈瘺血流動力學上亦是一種有前途的技術[39]。

實際應用中，在掃描參數的確定、掃描時間、屏氣過程、后處理的算法等上都存在一定的難度，如最大流速(Venc)的確定，需選擇感興趣區血管的生理速度，過大噪聲增加，過小不能抗混疊，如面對多血管的掃描，最佳Venc值無法確定，需從臨床需求中選擇；而掃描時間一直是其的一個限制，多采用稀疏采樣技術去改善，而對于胸部和腹部應用，呼吸控制是必要的，以最大限度地減少呼吸偽影，如自動門控技術。且大規模多中心隊列研究較少，后處理算法沒有一個統一的標準，此外，有限的空間分辨率限制了4D Flow MRI對小血管的分析。但4D Flow MRI血流參數的多元化，使其在顱內血管、心胸疾病中的應用利大于弊，影像科醫生通過對患者血流參數的篩選、計算、評估為臨床醫生提供指導，改進或補充了現有的評估工具，如在心臟瓣膜疾病(VHD)中4D Flow MRI除了能提供解剖及功能信息，還能夠提供能量損耗、TKE及WSS等定量參數，提示細微血流異常，幫助臨床醫師更早發現VHD進展過程中的血流動力學改變及其對管壁和心腔的影響，為VHD預后及隨訪提供更多信息。

3 小 結

雖然4D Flow MRI技術采集時間長、后處理復雜、空間分辨率有限，且在胸腹部可能有呼吸偽影，但相信隨著技術的發展、軟件的更新、更多的病例研究，會使得4D Flow MRI技術在心血管系統的臨床應用大放光彩。