相位對比磁共振成像技術的原理及應用*

胥巧麗，張健康，劉亞，鄭罡△

（1.南京航空航天大學民航學院，南京210016；2.南京軍區南京總醫院醫學影像科，南京大學醫學院，南京210002）

1 引 言

相位對比磁共振成像（phase contrast MRI，PC-MRI）技術是通過對流體相位編碼成像的技術，可以測量流體的流速、流量及方向等信息，自上世紀80年代開始用于定量流量測量［1］。PC-MRI技術在臨床上通過血液流動產生的相位變化來測量血液速度，能提供直接測量的三維分布，是一種既能顯示血管解剖結構又能提供血流方向、血流速度及流量等血液動力學參數的磁共振成像技術。由于單方向編碼與掃描時間限制，二維相位對比（two dimensional phase contrast，2D PC）與三維相位對比（three dimensional phase contrast，3D PC）磁共振成像技術的局限性進一步顯現。隨著技術的發展，隨時間變化的多方向編碼的4D Flow MRI技術逐步應用于臨床。4D Flow MRI技術允許動態采集，可以多方向采集血流數據。4D Flow MRI技術可用于顱內動脈血流評估及腹部血管血流動力學評價以及各種流量相關參數計算，如脈搏波速度（pulse wave velocity，PWV）以及壁面剪切應力（wall shear stress，WSS）等［2-3］。通過最近的各項研究可以發現，4D Flow MRI將成為PC-MRI技術發展的新動力。各種PC序列在臨床中應用廣泛，本研究簡述PC-MRI技術的不同技術亞型及其典型應用。

2 相位對比磁共振成像技術原理及影響因素

PC序列利用流動質子產生相位變化的原理獲得圖像。磁矩（也可稱自旋）沿著磁場梯度移動，可得到相位旋轉與固定自旋的對比數據。見圖1，在雙極梯度（即大小和持續時間相等、方向相反）磁場的作用下，固定組織的相位改變得以補償。通過重復兩個相反方向的急性梯度，來消除其它序列參數引起的相位位移，用兩個數據相減得到的相位差進行三維像素上的速度計算。在線性梯度場中，相移量φ與血流速度成比例。

圖1 雙極梯度脈沖及相移變化圖Fig 1 Bipolar gradient pulse and phase shift diagram

相移量的具體測量公式為：

Δφ為相移量，r為磁旋比，ν為血流速度，m可表示為梯度場面積與施加雙極梯度場的時間間隔的乘積，Δm為第一時刻的梯度-時間曲線。

將每個像素的血流速度疊加得到平均流速，用平均流速乘以血管橫截面積，可以得到特定時間內通過血管截面的平均血流量。公式為：

F為平均血流量，V為平均流速，A為血管橫截面積。

MRI通常表現為幅度圖像，通過旋轉的橫向磁化矢量得到信號。盡管矢量方向旋轉，MRI依然可以檢測出質子前后的位移量，即相位（相移），MRI中相移用于位置編碼。每個矢量受不可控因素影響，包括主電場的不均勻性和化學位移等。如果受到這些因素影響，相位圖則不能準確顯示［4］。相位圖的流速數據經過處理，可以得到相應的血液動力學參數。

流速編碼（Venc）指質子達到180°相位位移時的速度，正確選擇Venc對測量的準確性至關重要。Venc與編碼梯度流的面積成反比，成像時間保持不變，要得到更強的梯度幅度需要更小的Venc。Chai等［5］指出Venc不能小于峰值流速，理想的Venc設定應為感興趣區實際血流最大速度的125%內。而Negahdar等［6］經過一系列研究得出使用較小流速雖然可能會導致纏繞，但它提供了更精確的流速輪廓。然而，如果 Venc設置過低的話，相位解卷繞（unphasewrapping）就變得難以確定。所以Negahdar指出Venc設置應為最高流速的三分之一，即：

VH（highest velocity）為最高流速。

3 PC序列分類

隨著技術的發展，PC序列先后出現過2D PC，3D PC，電影相位對比（cine phase contrast，Cine PC），4D PC等技術。2D PC序列掃描只能得到平均流量和平均速度值，但成像時間較短。3D PC圖像信噪比較高，能用很小體素掃描，但掃描時間較長。Cine PC序列以2D PC為基礎，采集需要心電及脈搏門控。4D PC是隨時間變化的三維三方向相位對比 MRI，也叫四維流 MRI（4D Flow MRI）。在 PC系列的臨床應用中，2D PC序列與Cine PC序列應用最為廣泛。然而，2D PC技術被單方向速度編碼限制，使之不足以評估復雜的三維血流動力學。3D PC序列雖然可以多方向編碼、多個視角對血管進行投影，但掃描時間較長，而且3D PC幅度圖像不如2D PC精確［7］，因而臨床上應用較少。隨著技術發展，4D Flow MRI在臨床中的應用優勢將逐漸顯現。4D Flow MRI為能夠全面分析人類體內血流動力學提供了一定的條件。此外，其大容量覆蓋為研究系統血流動力學的影響因素提供了多種選擇。4D Flow MRI可用于計算與流量相關的血管壁參數，并可能成為早期預測血管類疾病的診斷方法［8］。雖然4D Flow MRI技術在臨床上得到進一步應用，但由于技術的限制依然存在一些不足，如分辨率不高、受噪聲和磁共振設備渦流影響較大，可能導致測量結果與真值之間存在誤差等。這些問題將成為未來技術研究以及克服的重點。見表1，Markl［9］等指出不同區域組織四維流序列參數。

表1 不同區域組織四維流序列參數Table 1 4D Flow sequence parameters for different anatomic regions

4 PC-MRI應用

PC-MRI技術在頭頸部、心血管、胸部、腹部等各方面血流成像應用廣泛，為臨床診斷及術后檢測提供重要依據。

Ozkan等［10］認為在顱內血管狹窄性病變的評價中，2D PC-MRA或2D TOF-MRA可作為靜脈狹窄評價的首選方法。Hsieh等［11］同時應用2D PC-MRA與彩色多普勒測量了24例動脈狹窄患者的血流量。結果表明，PC-MRA是強大的、標準化的磁共振技術，可能成為對患者分層血管重建治療的最有價值的診斷工具。Zheng等［12］用2D PC-MRI技術得到的相位圖確定了33名患者與27名正常志愿者雙側頸內動脈和椎動脈的血流量、速度和橫截面面積，從而研究年輕血液透析患者腦血流、貧血以及高血壓之間的關系。Lagana等［13］運用PC-MRI在頸部C2-C3水平檢測腦脊液和大血管（包括頸內動脈和頸總動脈）流動，研究了92例多發性硬化患者的腦脊液血流動力學和頸內靜脈血流動力學，并將得到的流變曲線用于預測腦積水等疾病的治療效果中。Akay等［14］招募19例特發性顱內高壓患者和11名健康志愿者，應用2D PC-MRI評估動態腦脊液，首次研究了特發性顱內高壓患者的腦脊液流動狀況。此外，PC-MRI技術還可以測出不同年齡腦導水管腦脊液流動的差異情況。

Duane等［15］采用2D PC-MRI對二尖瓣及肺靜脈血流進行評價，進而判斷左室舒張功能狀態，并說明了不同程度的舒張功能障礙。由于多普勒測量流量是假設整個血管面積速度恒定，用在相對較小的血管面積中所測得到的流速評估整個血管面積流速，而PC-MRI在整個血管面積內評估流量，所以PC-MRI流量測量較多普勒更精確。Lawton等［16］應用PC技術分析了25例心臟瓣膜病變患者在幾年中的血流量變化情況，結果顯示，通過PC技術成像的瓣膜流量將會更加準確。Gabbour等［17］對MRI數據庫及通信系統中的50名兒童或年輕成人心臟病患者進行回訪，這些患者接受過相同的2D PCMRI和4D Flow MRI檢查。結果表明4D Flow MRI可以定性和定量分析心臟和大動脈內的復雜血流。Chu等［18］采用一種基于導航門控梯度回波脈沖序列的三維流編碼和前瞻性心電門控在自由呼吸下獲得4D Flow MRI序列。以回波作為參考標準，用4D Flow MRI技術評估了肥厚型心肌病（hypertrophic cardiomyopathy，HCM）患者中的左心室流出道（left ventricular outflow tract，LVOT）堵塞情況。Charlotta等［19］選取40名冠心病患者，所有患者都接受相同的心電門控心臟MRI成像包括屏氣2D PC-MR、自由呼吸導航PC-MRI以及胸超心動圖等。結果顯示，屏氣2D PC-MRI測量的流量及心輸出量與自由呼吸導航PC-MRI以及胸超心動圖測量結果一致，而且成像時間較短。此外，應用PC-MRI可以無創地量化所有流入流出血流速度及血流量，在探討新生兒先天性心臟病與腦血流關系等方面具有重大意義［20］。

郭立等［21］選取31例健康志愿者采用2D PCMRI測量心動周期內主動脈與肺動脈起始部靜血流量。通過進行比較，驗證主、肺動脈起始部靜血流量的準確性及可重復性。通過得到的主、肺動脈起始部時間-靜血流量曲線圖證明了PC-MRI是研究主、肺動脈起始部靜血流量的好方法。Goel等［22］用2D PC-MRI測量升主動脈與降主動脈血流量，得到一種基于大人群的全自動主動脈定位方法，提供了一種新的主動脈血流量測量方法。Mori等［23］通過實驗驗證了在主動脈假體輔助下獲得的平均和最大流速、流量面以及WSS，并將4D Flow MRI技術用于臨床應用，盡管所用模型是一個非常簡單的直管穩流，Mori等證實了用主動脈幻像4D Flow MRI得到的WSS以及血液流速的準確性。超聲心動圖是測量主動脈和肺動脈血流速度的基本成像模式，2D PC-MRI提供了更好評價主動脈和肺動脈血流的方法，而且已經成為測量其血流速度的標準。但超聲心動圖與血流2D PC-MRI都受到單方向編碼限制不足以準確測量先天性心臟病患者血流動力學狀況。Gabbour等對32名先天性心臟病患者同時進行2D PC-MRI和4D Flow MRI檢查，測試4D Flow MRI與標準方式相比測量主動脈與肺動脈血流的準確性。結果顯示，與參考標準2D PC-MRI相比，4D Flow MRI呈現了很好的相關性與準確性［24］。隨著技術的發展，4D Flow MRI可以成為臨床上主動脈與肺動脈血流量的潛在測量方式。

此外，PC技術還應用于測量門靜脈平均血流速度，可以作為臨床上預測慢性肝病患者（chronic liver disease，CLD）胃食管靜脈曲張（gastroesophagealvarices，GEV）發生的重要參數［25］。

5 總結

多普勒超聲心動圖（doppler echocardiography）是血流速度分析的參考標準，2D PC-MRI是定量流量評估的參考標準。2D PC-MRI因為單方向編碼限制不能測量復雜血流動力學模式，而4D Flow MRI能夠無創地獲得多方向的流速信息，可以評估壁面剪切應力（WSS）等血流動力學參數，從而在預測人類血管疾病的發生中起到非常重要的作用。4D Flow MRI作為定量分析區域水流和速度的新興技術，能夠提供全方位的3D流量覆蓋以及在任何位置、任何成像平面上靈活的回顧性血流分析。4D Flow MRI與2D PC序列流動參數的一致性及4D Flow分析與回波接近性的提高表明四維流已經成為臨床替代2D PC序列的潛在技術。

此外，近期的大量研究表明4D Flow MRI在正常和病理性血流動力學復雜流動模式可視化方面存在極大的潛力。隨時間變化，三維三方向采集等表明4D Flow MRI可以提供更加精確的定量血流速度與血管壁參數。作為一種新興的相位對比磁共振技術，4D Flow MRI技術與其它PC-MRI技術結合可以成為臨床上更為全面的檢測手段。