3.0TMR快速電影相位對比成像對穩態流體模型的定量測量研究

尚華 劉懷軍 閆樂卡 耿左軍 崔彩霞 李暉 雷建明 劉素霞

MR相位對比成像(phase contrast imaging)技術是一種能無創顯示流體的流速及流向的技術，最初應用于血流的研究［1］。20世紀80年代首次應用于腦脊液流動的研究［2］。快速電影相位對比成像屬于相位對比成像的一種形式，它能夠在十幾秒內連續快速提供一個心動周期中流體的實時流速、流向。為了保證研究定量測量的準確性，避免由于不同掃描設備及掃描參數帶來的誤差，首先在體外流體模型實驗中驗證流體的真實流速、流向與所測流速、流向的一致性。本研究通過自制的穩態流體模型，改變不同的預設流速值、流體的流向、流速編碼值來驗證真實值與所測量值的吻合程度，從而為以后的腦脊液流動分析研究提供真實可靠地依據，同時優化掃描參數，選擇合適的流速編碼值，建立適合腦脊液流動分析的最佳掃描方案。

1 資料與方法

1.1 材料 雙筒高壓注射器一臺(Optistar LE，MALLINCKRODTWZS-50F2)。自制水模，大小為18 cm×12 cm×10 cm的塑料盒內充滿約2/3容積稀釋的釓噴酸葡胺造影劑(廣州康臣藥業生產)。醫用一次性塑料輸液管1根，直徑3.0 mm，長1.3 m。0.9%的氯化鈉溶液1 000 ml。塑料容器(1 000 ml)1個。

1.2 實驗設備 使用美國GE公司Signa Excite HD 3.0T高場強磁共振(MR)掃描儀進行掃描。實驗中使用標準頭部8通道線圈(8HR BRAIN)。

1.3 流體模型的制備 選用全新醫用一次性塑料型輸液管1根，檢查管腔密閉完整，應用塑料膠帶將其懸浮固定在水模中央，不沉于底部或懸浮于水面(圖1)。長軸與磁體長軸一致，將流體模型中心置于標準頭部8通道線圈中心。將2個高壓注射器針筒內充滿0.9%氯化鈉溶液，塑料輸液管的一端連接高壓注射器，然后打開高壓注射器分別以不同的預置流速向塑料輸液管內注射0.9%氯化鈉溶液，塑料輸液管的另一端連接一個塑料容器用于回收0.9%氯化鈉溶液。

圖1 穩態流體模型

1.4 實驗方法 磁共振掃描采用美國GE公司Signa Excite HD 3.0 T磁共振(MR)高場強掃描儀快速電影相位對比(Fast CINE PC)序列。掃描層面與液體流動方向垂直。調節高壓注射器分別以不同的流量 (0.1 ml/s、0.2 m l/s、0.3 ml/s、0.4 m l/s、0.5 m l/s、0.6 ml/s、0.7 ml/s、0.8 m l/s、0.9 m l/s)向塑料輸液管內注射0.9%氯化鈉溶液，這些流量對應的流速范圍［流速(cm/s)=流量(ml/s)/橫截面積(mm2)］接近人體腦脊液的流速。在注射5 s后開始掃描，以利于充分排空氣泡，MR掃描梯度場40 mT/m，切換率150 mT/m/ms，采用無相位卷折技術及流動補償。掃描參數為 TR=16.5ms，TE=5.8ms，層厚=4 mm，層間隔=0 mm，視野(FOV)=16 cm×16 cm，矩陣=256 ×128，激勵次數(NEX)=1，帶寬(bandwidth)=31.25，翻轉角(flip angle)=20°。流速編碼方向設置為slice。采用外周脈搏門控，以獲得隨時間變化的單位時間內的流速值，人為將一個心動周期分為30個時相。將掃描中心定位于塑料輸液管水膜中央的位置，每次只能掃描一層，每個序列重復6次。通過后處理軟件測得該層0.9%氯化鈉溶液流動的實時速率，將該測量值與高壓注射器預設的流速(真實值)作比較，驗證快速電影相位對比序列測量液體實時流速的準確性。然后改變流體模型中塑料輸液管內0.9%氯化鈉溶液流動方向，重復上述實驗，觀察反方向時快速電影相位對比序列測量液體實時流速的準確性。最后將流體模型中的塑料輸液管分別給以不同的角度(水平傾斜 0°、20°、30°、45°，垂直抬高 0°、20°、30°、45°)重復上述實驗，掃描層面仍保證與液體流動方向垂直，觀察流體角度發生改變時快速電影相位對比序列測量液體實時流速的準確性。

1.5 流速編碼(Velocity Encoding，VENC)的選擇 在電影相位對比序列中測定流動液體的準確流速，流速編碼的設定至關重要。為了選擇合適的流速編碼，實驗中以不同流速注射時分別設定不同的流速編碼(5 cm/s、10 cm/s、15 cm/s、20 cm/s、25 cm/s、30 cm/s、40 cm/s、50 cm/s、60 cm/s)，通過后處理得到每一個測量的實時流速值與預設的真實流速值作對比，以獲得不同流速時對應選擇的最佳流速編碼值。

1.6 圖像評價 將所得圖像傳到工作站，由3位至少有5年MRI診斷經驗的影像醫師每隔1周分別在ADW4.2工作站上應用FuncTool2軟件對圖像進行后處理。一個Fast CINE PC序列可以得到60幅圖像，前30幅稱為相位圖，后30幅稱為幅值圖。每位醫師在測量過程中每次在幅值圖上勾畫出2次塑料輸液管的面積即感興趣區(ROI)的面積，使所測管腔橫截面積與管腔實際面積(7 mm2)最接近。應用后處理軟件即可得到該感興趣區對應的一個心動周期內30個時相的實時流速。

1.7 統計學分析 應用 SAS V8(SAS Institute Inc，Cary，NC，USA)統計軟件，不同流速、不同流速編碼值、不同方向、不同傾斜角度對應的所測流速值與真實值之間的比較采用t檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 流體模型中塑料輸液管的橫截面積及實際流速 流體模型中應用的醫用塑料輸液管直徑為3.0mm，對應的橫截面積約為7.1 mm2。流速(cm/s)=流量(ml/s)/橫截面積(mm2)。實驗中不同的預設流量對應的實際流速見表1。

2.2 流體流動方向與磁共振信號的關系、流速的測量 實驗中，應用MR快速電影相位對比序列掃描時，將流速編碼方向設置為頭向足方向。當塑料輸液管中液體的流動與流速編碼同向時，在相位圖上表現為高信號(呈白色)(圖2A)，相反流向時，在相位圖上表現為低信號(呈黑色)(圖2B)。幅值圖上不帶有流動方向及流速信息，但顯示解剖結構清晰。根據幅值圖上劃出的感興趣區即可獲得塑料輸液管中30個時相內每一個時相的實時流速。

圖2 快速電影相位對比圖像

2.3 流速編碼的選擇 不同預設流速、不同流速編碼值、足向頭方向流動對應的測量值與真實流速的關系見表2。當流體流速在1.41～12.74 cm/s時，流速編碼置于20 cm/s時所測得流速與真實流速最接近，差異無統計學意義(P＞0.05)。

2.4 不同流動方向 不同預設流速、不同流速編碼值、頭向足方向流動對應的測量值與真實流速的關系見表3。與足向頭方向流動所測數值差異無統計學意義(P＞0.05)。反向流動時，當流體流速在 1.41～12.74 cm/s時，流速編碼同樣置于20 cm/s時所測得流速與真實流速最接近，差異無統計學意義(P ＞0.05)。

2.5 不同傾斜角度 將流速編碼固定在20 cm/s，塑料輸液管內預置流速分別為 0.1 ml/s、0.3 m l/s、0.5 ml/s、0.7 ml/s、0.9 m l/s，將塑料管分別沿水平、垂直方向傾斜 0°、20°、30°、45°時測得流速見表4。不同的傾斜角度，所測流速與真實流速之間差異無統計學意義(P＞0.05)。

表1 流體模型中不同預設流量分別對應的實際流速

表2 流體足向頭方向流動，不同預設流速下對應的真實流速(“－”代表偽影)

表3 流體頭向足方向流動，不同預設流速下對應的真實流速(“－”代表偽影)

表4 不同預設S流速時不同角度下對應測量得到的真實流速

3 討論

目前臨床上應用于流體分析的技術主要有超聲多普勒、氙CT、PET和磁共振技術。超聲多普勒、氙CT和PET只應用于血流分析的研究，其中超聲多普勒可以得到流速信息，時間分辨率高，但不能評估血管的流量率;氙CT和PET可以得到某一臟器的局部或全部的血流灌注量，不能評估個體的血管。磁共振流體分析技術包括TOF和PC技術兩種。TOF技術適合于研究快速流動的血液，不能定量分析流動信息。PC技術適合于研究緩慢的流體，主要優點是可以得到流體的定量分析，為目前臨床上唯一無創最全面最先進的定量研究流體分析的技術。近些年除了應用于血流的定量測量以外，還逐漸擴展到應用于腦脊液的定量分析研究中。

PC技術應用雙極梯度磁場，由位相相反的正負兩葉組成。當第一葉正葉采集時，靜止和流動組織的自旋都進行相位重聚，隨之第二葉負葉采集，靜止組織喪失相位，總相位為零;而流動的組織在兩個梯度之間，經過不同的正負梯度，累加后產生相位位移。該相位位移與流速成正比，從而通過相位位移的改變可以獲得流速的信息，同時還能顯示流體的方向［3］。這種方法可以在單一方向或三維方向上進行速度編碼。因此PC法可以分為二維相位對比法(2D PC法)、三維相位對比法(3D PC法)和電影相位對比法(CINE PC法)。MR相位對比(phase contrast PC)序列為目前臨床唯一的無創流體測量技術。

CINE PC法是2D PC法的一種，它將1個心動周期不同點上的2D PC數據采集起來，連續獲得多幀時間間隔相等的圖像，即得到CINE PC圖像，可以觀察1個心動周期內連續的流體流速的變化。傳統的CINE PC法完成1個掃描序列成像時間約3分50多秒，如果要采集多個部位的流體信息，所需掃描時間相對較長。本研究應用Fast CINE PC法克服了CINE PC法的上述缺點，完成1個序列僅需17 s左右，很短時間內即可獲得多個部位的1個心動周期內流體運動信息的變化。

應用Fast CINE PC序列對流體進行掃描后，圖像信息經過計算機流體分析軟件后處理，在工作站可以得到兩種圖像:第一種圖稱為“幅值圖”，該圖能比較清晰的顯示掃描流體的解剖結構;第二種圖稱為“相位圖”，該圖上可顯示流體的流速和流向信息。相位圖上的信號強度與流速成比例關系，通過后處理軟件處理后可得到相應的流體實時流速值。當流體方向與預設的流速編碼方向一致時，呈白色亮信號，流速值為正值;方向相反時呈黑色暗信號，流速值為負值。這樣就得到了流體的實時流速和流向，除了用數值顯示外，還可通過波形圖表現出來。

磁共振相位對比法掃描參數復雜，所測量結果的準確性是流動分析測量的關鍵。由于不同的掃描設備，設置的掃描參數不同，可能會得到不同的測量結果。前人應用相位對比法進行流體的流動分析大多數是在1.5T磁共振設備上完成的，應用3.0T磁共振設備研究的很少，所以沒有現成的掃描參數可以參考。除此之外，相位對比法測量結果還與每臺磁共振本身的性能有關，即使是同一廠家的機器，不同的機型自身測量系數可能也有區別。為了驗證我院3.0TMR Fast CINE PC序列測量流體運動信息的準確性，首先制作了一個穩態流體模型，以確定實驗中相位對比法測量結果與真實結果之間的吻合程度。

在流體模型實驗中，將醫用塑料管浸泡在稀釋的釓噴酸葡胺造影劑中是為了避免空氣噪聲的影響［4］。應用雙筒高壓注射器，它既是一個動力裝置，同時還可以根據需要設定不同的流速。在已知流速的情況下，將應用Fast CINE PC序列得到的測量值與真實值作對比，以驗證Fast CINE PC序列的準確性，同時優化掃描參數，為以后的實驗研究設計合理的掃描方案。

本研究將來探討的是人體腦脊液的流速問題，故將流體模型中預設流速的范圍設定在0.1～0.9 ml/s，根據醫用塑料管管徑得出單位橫截面積的流速范圍在1.41～12.74 cm/s，接近人體腦脊液的流速［4－6］。

由于PC序列中流速編碼的選擇對流體流速測量的準確性至關重要，在預實驗中就發現這個問題。研究報道，所選擇的流速編碼應盡可能接近并稍高于感興趣區的峰值流速［7，8］，但絕不要小于它。為了后面研究更準確地測得人體腦脊液的流速，故在流體模型實驗中分別選用不同的流速編碼，以為將來測定腦脊液的流速時選擇最佳流速編碼。

由于無論是頸椎管還是導水管內腦脊液的流動都不是完全平行于磁體長軸的，實驗通過改變流體方向、流體各種傾斜角度后繼續應用MR FAST CINE PC序列測量流速，發現測量值與真實值無顯著性差別，這為以后在臨床實際中的測量提供了可靠依據。

總之，本研究應用簡單的穩態流體模型初步驗證了3.0T MR FASTCINE PC序列對流體定量流動分析的可靠性，在選擇合理的掃描參數的情況下，所測量值與真實值差異無統計學意義，為以后人體腦脊液流體動力學的檢測提供了可靠的實驗依據。

1 Bradley WG，Whittemort AR，Kortman KE，et al.Marked cerebrospinal fluid void:indicator of successful shunt in patientswith suspected normalpressure hydrocphaluses.Radiology，1991，178:459-466.

2 Feinberg DA，Mark AS.Human brain motion and cerebrospinal fluid circulation demonstrated with MR velocity imaging.Radiology，1987，163:793-799.

3 劉小林，肖湘生.磁共振相位對比電影方法對導水管腦脊液流動測量.中國醫療器械信息，1999，5:34-37.

4 劉曉琳，羅志剛，宋歷，等.磁共振相位對比方法測量導水管腦脊液流量.放射學實踐，2003，18:120-122.

5 朱曉黎，沈天真，陳星榮.正常中腦導水管腦脊液流動磁共振定量研究.醫學影像學雜志，2004，14:875-878.

6 姚偉武，陳星榮，沈天真.交通性腦積水腦室分流前后的腦脊液MRI定量研究.中國醫學計算機成像雜志，2003，9:12-16.

7 Van Goethem JW，van den Hauwe L，Ozsarlak O，et al.Phase-contrast magnetic resonance angiography.JBR-BTR，2003，86:340-344.

8 Buonocore MH.Blood flow measurement using variable velocity encoding in the RR interval.Magn Reson Med，1993，29:790-795.