應用磁共振4D flow 成像對正常顱內前循環動脈血流動力學參數定量評估的可重復性研究

隋濱濱 高培毅* 林 燕 趙海清 宋立剛

(1.首都醫科大學附屬北京天壇醫院放射科 磁共振成像腦信息學北京市重點實驗室,北京 100050；2. 清華大學附屬垂楊柳醫院放射科，北京 100021；3. 首都醫科大學附屬北京天壇醫院介入神經病科，北京 100050)

四維血流磁共振成像(four dimentional flow magnetic resonance imaging, 4D flow MRI)是近幾年發展起來的一項新的磁共振成像技術，能夠無創在體測定三維血流速度，評估血流動力學狀態[1-3]。準確的血流動力學參數測量和計算是對血流動力學狀態評估的基礎。作為一種血流動力學評估的新技術，對其可重復性校驗非常重要。本研究選取正常志愿者，探討應用4D flow MR成像對顱內Willis環血流動力學狀態在體評估的可重復性，為4D flow MR 成像技術在顱內動脈血流動力學評估方面的應用提供可行性依據。

1 對象與方法

1.1 研究對象

自2015年5月至7月收集正常志愿者4例，其中男性2例，女性2例，年齡24～26歲，平均年齡(25.25±0.96)歲。入組正常志愿者經臨床評估證實無心血管疾病病史或危險因素，無顱頸動脈粥樣硬化性病變。顱內MRI平掃及磁共振血管檢查(magnetic resonance angiography, MRA)未見異常。研究方案經首都醫科大學附屬北京天壇醫院倫理委員會批準，所有志愿者均給予書面簽署的知情同意書。

1.2 MR檢查

MR檢查應用3.0T MR (Trio-Tim, Siemens Healthcare, Erlangen公司,德國)，32通道頭線圈。先應用三維時間飛躍法MRA (three dimensional time of flight MRA, 3D TOF MRA)成像觀察顱內動脈Willis環基本結構。然后應用三維 T1 可變翻轉角加權快速自旋回波成像技術(three dimensional T1 sampling perfection with application-optimized contrast using different flip angle evolutions, 3D T1SPACE)序列針對顱內Willis環區域進行高分辨黑血成像，成像參數如下：重復時間(repetition time, TR)/回波時間(echo time, TE)= 800/22 ms，掃描野 (field of vision, FOV) = 180 mm×160 mm，矩陣(matrix)=256×208，層厚為0.7 mm, 共采集52層。體素大小為0.7 mm×0.7 mm×0.7 mm。顱內4D flow 成像應用TOF MRA重建圖像為定位像，掃描范圍包括顱內Willis環區域，冠狀位采集三維方向血流。具體成像參數如下：TR/TE= 54.96/3.13 ms，FOV= 200 mm×140 mm，矩陣(matrix)=208×140，加速因子 2，層厚為1 mm，共采集36層。速度編碼值(velocity encoding)=120 cm/s。血流成像采用指脈門控，掃描時間為11～13 min，與被試者心率相關。首次檢查結束后，在15～30 d之內對其進行第二次重復掃描，掃描序列及參數同首次檢查。記錄每個志愿者兩次檢查時的平均心率。

1.3 圖像后處理

掃描完成后將原始數據導入專用后處理工作站，應用圖像后處理軟件4D Flow V2.4 (Siemens Healthcare, Erlangen公司, 德國)對數據進行后處理。后處理過程包括數據校正，對感興趣血管進行分割及計算血管中心線后，提取血管三維結構。然后選取雙側頸內動脈(internal carotid artery, ICA)入顱段、虹吸段、末端、大腦中動脈 (middle cerebral artery, MCA) 起始部及近中段、大腦前動脈(anterior cerebral artery, ACA) 起始部層面，計算各層面的血流動力學參數，記錄在一個心動周期內不同時相的平均血管面積、平均血流速度、最大血流速度、平均瞬時血流率參數值。通過后處理生成血流矢量圖、流線圖及粒子圖，顯示顱內前循環大動脈的血流分布。重建圖像由一名有5年以上血流動力學分析經驗的高級醫生進行評價，分析不同部位血流的分布特點，以及在心動周期不同時相中的變化。

1.4 統計學方法

2 結果

2.1 正常志愿者的顱內Willis環血流動力學參數的可重復性結果

4例正常志愿者中，3D TOF MRA和高分辨3D SPACE T1WI均未見血管狹窄。兩次MR檢查顱內血管結構相未見明顯區別。表1列出了4例正常志愿者兩次掃描的雙側血管的血流動力學參數值(包括平均血管面積、平均血流速度、最大血流速度、平均瞬時血流率)。首次掃描和重復掃描比較，ICA虹吸段左側最大血流速度及右側各項血流動力學參數兩次掃描之間的差異有統計學意義；ICA入顱段、MCA起始部及ACA起始部雙側及MCA近段右側最大血流速度之間的差異有統計學意義；MCA近段雙側平均血管面積之間的差異有統計學意義；ACA起始部左側平均血管面積及平均血流速度之間的差異有統計學意義。

表1 正常志愿者兩次檢查雙側ICA、MCA及ACA的血流動力學參數值Tab.1 Hemodynamic parameters at bilateral ICA, MCA and ACA of scan-rescan in healthy volunteers

2.2 兩次掃描獲取血流動力學圖像分析顱內血流動力學分布狀態比較

對4例志愿者兩次掃描的16支血管分別重建血流矢量圖、流線圖及粒子圖(圖1、2)。結果顯示，兩次掃描顱內血流分布趨勢基本相同。心動周期的收縮峰值期，血流速度分布比較均勻，最大峰值速度出現在海綿竇段垂直段。進入收縮晚期及舒張早期后，由于血流速度的迅速下降，局部血流分布不規則，以血流狀態比較復雜的虹吸段最為明顯，顯示局部血流矢量方向分離及偏離血管主軸方向，并可見極少量返流現象。

圖1 1例志愿者首次掃描(A)和重復掃描(B)的流線圖Fig.1 Streamline maps of the first (A) and rescan (B) of one volunteer

圖2 1例志愿者右側頸內動脈、大腦中動脈及大腦前動脈收縮晚期的血流矢量圖Fig.2 Velocity vector map of RICA, RMCA and RACA of one volunteer in the late systolic phase

2.3 心率及相關血流動力學參數的變化

4例志愿者兩次的心率記錄如表2所示。其中1例志愿者(編號2)兩次心率差別很大，這例志愿者兩次的最大血流速度變化十分明顯，如表3所示。在左側ICA虹吸段，兩次的最大血流速度分別為114.62 cm·s-1和69.48 cm·s-1，右側ICA虹吸段的最大血流速度分別為67.32 cm·s-1和93.33 cm·s-1。一些其他血流動力學參數，如瞬時血流率、平均血流速度等，在不同位置的數值兩次之間出現了較大的變化。

表3 1例心率變化大的志愿者兩次檢查的血流動力學參數比較Tab.3 Hemodynamic parameters of one volunteer with obvious variance in heartbeats of two tests

3 討論

3.1 4D flow MR成像技術在動脈血流動力學評估中的應用

顱頸動脈粥樣硬化病變是缺血性腦血管病的重要原因。近年來，血流動力學方面的研究[4-5]顯示血流動力學因素與動脈粥樣硬化病變的發生發展密切相關。磁共振4D血流成像，也稱為時間分辨的三維相位對比磁共振成像，是最近幾年發展起來的新成像技術，可以無創性對心血管系統的血流狀態進行實時在體的評估和定量分析。此技術在其他位置血流成像定量評估的研究[6-8]已經被證實顯示了良好的應用價值，準確性和可行性也已經在不同部位得到了一定的驗證。有研究者[8]比較了4D flow MR成像和超聲成像測定的頸動脈血流速度值，發現在收縮期，4D flow MR測定的速度稍低于超聲，舒張期速度值二者近似，而且4D flow MR成像顯示了較好的可重復性和閱片者一致性。對于顱內動脈評價，顱內多普勒超聲檢查的應用存在一定局限性，在骨或空氣腔存在的情況下容易受到干擾，流速測定只能在一定區域進行[9]。4D flow MRI提供的是心動周期內血管內整體的速度分布數據，可以反映感興趣血管內復雜的血流速度及流量分布，這對于在體復雜的血流動力學狀態評估尤其具有優勢。目前應用此技術進行顱內動脈血流動力學評估的研究尚處于起步階段[10-11]，可重復性評價是對此項技術評估的重要方面,目前國內外尚無對此項技術在顱內動脈評估的可重復性研究報道。

3.2 顱內動脈血流動力學評估的臨床意義

高血壓、高血脂、吸煙等作為全身高危因素，會增加動脈粥樣硬化病變發生的危險性。但病理和臨床研究[5,12]顯示，在這些全身危險因素的影響下，動脈粥樣硬化病變幾乎均發生于血管分叉、分支、彎曲或狹窄等血流動力學狀態復雜或突然發生變化的區域，提示血流動力學因素可能是動脈粥樣硬化病變的首選決定因素。現有公認與動脈粥樣硬化病變的發生發展相關的血流動力學因素包括血流狀態不規則、異常或波動的血管壁切應力等。動脈粥樣硬化引起血管狹窄后，也會繼發局部血流動力學狀態的變化及異常分布[13-15]。與西方人不同，中國人群顱內動脈狹窄的發生率較高[16]，顱內血管病變與高危因素及腦梗死病灶的相關研究已成為本領域的熱點問題[17-18]。對顱內動脈血流動力學因素的研究,可能有助于對顱內動脈粥樣硬化病變的發生發展機制進行深入分析。

3.3 顱內動脈血流動力學可重復性評估與心率和部位之間的相關性

血流速度和血流率的數值存在個體差異，局部的血流狀態，包括血管內血流速度的分布，以及血流速度和血流率在一個心動周期內不同時相的變化，在動脈粥樣硬化病變的發生發展中起到一定作用。本研究結果提示此項技術對于顱內大部分血流動力學參數的定量分析的可重復性較好，但多個位置的最大血流速度兩次檢查之間出現了明顯差別。對每個志愿者的數據進行分析后，發現其中一名志愿者，兩次檢查的心率變化很大，而這名志愿者的血流動力學參數中，最大血流速度的變化最為明顯。這可能提示，最大血流速度受心率的影響較大。4D flow成像檢查需要應用指脈或者心電門控監測心率，血流數據的采集依靠心電圖波信號激發磁共振成像，使其在心動周期的特定時相采集數據或進行回顧性重建。因此，此序列結果受到心率的影響是可以解釋的。這提示在4D flow成像檢查中，可能需要注意受試者的心率變化。但由于本組樣本數較少，之后會進一步對此方面進行研究，以驗證此假設。

另外，本組結果顯示ICA虹吸段的血流動力學參數兩次檢查之間的差別較大。ICA虹吸段血管走行迂曲，局部血流動力學狀態復雜。本組結果顯示兩次檢查之間，雙側血流速度分布不對稱，首次檢查左側高于右側，而重復檢查結果正好相反。可能提示在不同時間或不同情況下，血流動力學狀態復雜的部位可能出現血流的不對稱分布，此部位血流定量評估的可重復性還需要今后進一步的大樣本量研究予以確認。另外，對于MCA近段及ICA起始部位血管面積及平均血流速度在兩次檢查中的變化，由于顱內動脈管徑纖細，可能與局部壓力導致的血管擴張相關，也需要進一步增加樣本量予以研究。

本研究的主要局限性是樣本量太小，今后會增加樣本量繼續進一步研究。研究結果顯示，應用磁共振4D flow 成像對顱內動脈血流動力學參數的評估的可重復性較好，但不同心率下的血流動力學狀態評估還需要進一步研究；對于血流狀態復雜的部位如頸內動脈虹吸段，4D flow成像測量的可重復性可能還需要進一步驗證。

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