基于單方向和多方向FSD準備的三維非增強磁共振血管成像在足動脈的應用價值比較

趙均雄，戚玉龍，馮飛，劉陽，張娜

作者單位：

1. 中山大學附屬第八醫院影像科，深圳 518033

2. 北京大學深圳醫院影像科，深圳 518036

3. 中國科學院深圳先進院生物醫學成像研究中心，深圳 518055

診斷成像是前瞻性地了解足動脈狹窄及閉塞的程度和位置的關鍵因素，有助于手術決策和手術干預程度的確定。近年來，基于三維快速自旋回波(turbo spin echo，TSE)或者穩態自由進動(steady-state free precession，SSFP)序列的非增強磁共振血管成像(noncontrast enhanced magnetic resonance angiography，NCE-MRA)已作為一種非侵入性的成像手段，廣泛應用于外周血管疾病的評估上[1]。SSFP結合流動敏感散相(flow-sensitive dephasing，FSD)梯度(FSD-SSFP)已被證明是一種非常有前景的外周血管成像方法，不僅可以避免因對比劑引起的嚴重并發癥，而且能延長掃描時間，增加圖像空間分辨率[2-3]。與其它基于TSE序列的NCE-MRA方法相比，FSD-SSFP序列不依賴于血流速度和方向，能達到更高的各向同性空間分辨率和足夠干凈的背景，利于觀察相對更為曲折更小口徑的動脈，例如足部和手部的動脈。

使用FSD梯度磁場作為準備模塊來抑制血流信號，具有流動獨立性的優點，其在方向和強度上均可靈活配置，使多方向的流動抑制成為可能。FSD模塊可以施加在一個(針對一維血流)或者兩個(針對二維血流)或者三個(針對三維血流)方向上，在兩個或三個方向上施加FSD模塊比僅在一個方向上施加能更有效徹底地抑制動脈血流信號，從而提高減影后的圖像質量。然而，目前還沒有研究評估多方向施加FSD模塊對足動脈成像的應用價值。本研究針對FSD-SSFP技術，提出一個新的FSD準備模塊來實現多方向血流信號抑制，以最終實現多方向復雜血管的NCE-MRA成像，并比較在單方向和在雙方向上施加FSD準備模塊的FSD-SSFP在足動脈診斷的臨床應用價值。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究經中山大學附屬第八醫院醫學倫理委員會批準。35名被試者包括32名健康志愿者(19名男性，13名女性，年齡范圍24～77歲，平均年齡45歲，無動脈疾病或心律失常史)和3例Ⅱ型糖尿病患者(2例男性，年齡范圍45～72歲，平均年齡59歲)。所有對象均為連續招募，對于磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)無禁忌證。行MRI前，所有被試者均簽署了知情同意書。

1.2 圖像采集

MRI掃描在德國西門子一體化1.5 T磁共振系統(型號：Avanto)上進行。該系統配備高性能梯度系統，其強度和轉換速率分別達到45 Tesla/m/s和200 Tesla/m/s。集成在掃描儀上的體線圈用于發射射頻信號。圓柱體形狀的12通道相控陣頭部線圈用于接收信號。所有被試者均為腳先入的仰臥位，以使腳位于整個磁場的的中心。對每一個被試者，先采集一個低分辨率的3D圖像，用于延遲時間(time delay，TD)和FSD梯度磁場一階矩(first-order moment，m1)測量的2D成像平面定位。然后分別使用2D turbo-FLASH (fast low angle shot)和ture-fisp (true fast imaging with steady state precession)序列進行TD和m1搜索掃描用以估計TD和m1值。接下來使用ECG觸發的FSD-SSFP序列采集足動脈的NCEMRA圖像，由在心臟收縮期使用FSD準備(最佳m1值由m1搜索掃描測得)獲取的“黑動脈血”圖像和在心臟舒張期使用T2準備獲取的“亮動脈血”圖像減影獲得。成像層面為斜冠狀位采集，其中上-下(superiorinferior，SI)方向位讀出方向、左右(left-right，L-R)方向為相位編碼方向。從2D m1搜索掃描測得的FSD梯度磁場m1值分別僅施加在讀出方向和同時施加在讀出和層面編碼(前-后)方向上。兩次NCE-MRA掃描的其他相同成像參數包括：TR (repeat time)/TE (echo time)=3.9 ms/1.8 ms；反轉角90°；成像視野300 mm×200 mm×80 mm～300 mm×200 mm×90 mm；體素大小0.9 mm×0.9 mm×0.9 mm (沒有進行插值)；接收帶寬965 Hz/像素；廣義自動校準部分并行采集(generalized autocalibrating partial parallel acquisition，GRAPPA)成像加速因子為2；采集時間根據受試者的心率每次掃描3～4 min，包括兩個連續測量(亮動脈血和黑動脈血采集)。

1.3 圖像處理

所有采集的圖像都被傳輸到西門子高性能工作站進行后處理。首先重建出整個足部的最大密度投影(maximum intensity projection，MIP)圖像，并調節合適的窗寬窗位保證得到動脈和周圍軟組織之間最好的對比度來評估圖像質量，由2名有經驗的放射學專家，在不知道患者臨床資料及影像學診斷的前提下，使用四分法對足部五個主要動脈節段(足背動脈、足底外側動脈、足底內側動脈、足弓動脈和跖骨動脈)以隨機順序進行共識打分：4分：足動脈顯示清晰、動脈邊緣銳利；3分：足動脈顯示良好、血管結構完整；2分：足動脈顯示一般、但仍舊能檢測病變；1分：足動脈顯示差、無法診斷病變。根據先前描述的方法，截取動脈節段的橫截面用來計算足動脈的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)、與周圍肌肉之間的對比度噪聲比(contrast-to-noise ratio，CNR)以及三個主要動脈節段(足背動脈、足底外動脈和足弓動脈)的血管清晰度。

1.4 統計分析

使用SPSS 25.0對所有數據進行統計分析，結果使用平均值±標準差的形式表示。使用非參數Wilcoxon秩和檢驗比較兩次NCE-MRA掃描得到的圖像質量分數、SNR、CNR和血管銳利度，P＜0.05被認為具有統計學差異。

圖1 基于單方向施加FSD模塊和雙方向施加FSD模塊的NCE-MRA圖像質量評分比較，圖示顯示為均值和標準偏差。星號表示兩者之間具有顯著性差異(P＜0.05)Fig. 1 Comparison of the image quality scores of NCE-MRA with single directional and two directional FSD modules. The illustrations are shown as mean and standard deviation. The asterisk indicates a significant difference between the two (P＜0.05).

2 結果

所有被試者均成功完成所有掃描。35名被試者共獲得350根足動脈節段。基于僅在單方向施加FSD模塊和雙方向都施加FSD模塊的足動脈NCE-MRA的平均采集時間分別為(5.49±1.26) min和(5.44±1.34) min，兩者間差異無統計學意義(P＞0.05)。

在可診斷動脈節段數量上，基于單方向施加FSD模塊的NCE-MRA可診斷327 (93.43%)根足動脈節段，基于雙方向施加FSD模塊的NCE-MRA可診斷330 (94.29%)根足動脈節段，兩者間差異無統計學意義(P=0.64)。對于圖像質量評分，基于單方向和基于雙方向施加FSD模塊獲得的NCE-MRA圖像質量評分分別為(3.61±0.54)分和(3.55±0.61)分，具體而言，除了足背動脈和跖骨動脈，其他三根動脈的基于單方向施加FSD模塊的NCE-MRA圖像質量均高于基于雙方向施加FSD模塊的NCE-MRA圖像(圖1)。然而基于單方向施加FSD模塊采集的一些NCE-MRA足動脈圖像中，足弓動脈未能完全顯示，而在基于雙方向施加FSD模塊采集的NCE-MRA圖像均能很好的顯示這些足弓動脈，圖2、3為在基于單方向施加FSD模塊的NCE-MRA圖像中由于足弓動脈信號丟失引起的假性狹窄。

對于圖像的SNR、CNR和血管銳利度，基于單方向施加FSD模塊采集的NCE-MRA的圖像SNR、CNR和血管銳利度分別73.21±26.69、65.53±20.60和1.16±0.16，基于雙方向施加FSD模塊采集的NCE-MRA的圖像SNR、CNR和血管銳利度分別70.88±25.66、63.29±19.95和1.18±0.14。僅在單方向施加FSD模塊和在兩個方向都施加FSD模塊采集的NCE-MRA圖像在這三個指標上沒有顯著性差異，其比較結果見圖4。

圖2 男性志愿者，28歲，足動脈NCE-MRA最大密度投影圖，左圖為基于單方向施加FSD準備模塊的SSFP序列采集的圖像，右圖為基于雙方向施加FSD準備模塊的SSFP序列采集的圖像。可見左圖的右側足弓動脈由于信號丟失引起假性狹窄(箭) 圖3 男性志愿者，29歲，足動脈NCE-MRA最大密度投影圖，左圖為基于單方向施加FSD準備模塊的SSFP序列采集的圖像，右圖為基于雙方向施加FSD準備模塊的SSFP序列采集的圖像。可見左圖的右側足弓動脈由于信號丟失引起假性狹窄(箭)Fig. 2 MIP images of SSFP based NCE-MRA with single directional (left) and two directional FSD modules (right) preparation of the pedal arteries in a 28-yearold male health volunteer. A false stenosis caused by signal loss is seen at the right pedal arch (arrow) on the MIP image of SSFP with FSD module applied in only superior-inferior direction. Fig. 3 MIP images of SSFP based NCE-MRA with single directional (left) and two directional FSD modules (right) preparation of the pedal arteries in a 29-year-old male health volunteer. A false stenosis caused by signal loss is seen at the right pedal arch (arrow) on the MIP image of SSFP with FSD module applied in only superior-inferior direction.

圖4 基于單方向施加FSD模塊和雙方向施加FSD模塊的NCE-MRA圖像在SNR、CNR和血管銳利度三個指標的比較結果，圖示顯示為均值和標準偏差Fig. 4 Comparison of the SNR, CNR and vessel sharpness of NCE-MRA with single directional and two directional FSD modules. The illustrations are shown as mean and standard deviation.

3 討論

周邊動脈疾病是一個比較普遍的老年性疾病，通常嚴重威脅到病人的肢體活動能力和生活品質，而且常伴隨其他可能導致嚴重心血管病(譬如中風和心臟病)的危險因素，因而對于該病的及早并準確診斷具有非常重要的意義[4-5]。盡管數字減影血管造影仍是診斷該病的金標準，MRA因為無創傷，無輻射的特點已逐漸成為一個常規的臨床檢查手段。最常用的MRA技術是基于含釓對比劑的CE-MRA技術，該技術的一個最主要的缺點在于含釓對比劑可能會在腎功能不全的病人中引發致命的NSF。另外，對比劑在動脈中短暫的停留時間會限制可實現的空間分辨率和成像范圍，尤其會在肢體遠端部位造成靜脈信號污染[6-7]。近年來無需使用對比劑的NCE-MRA技術又逐漸成為研究熱點。總體來說，該技術具有可多次采集、高空間分辨率和低成本的特點[8-10]。

基于FSD準備的血管成像技術是一個具有臨床應用前景的周邊動脈NCE-MRA檢查方案[11-15]。該技術利用動、靜脈血流流速差異以及FSD模塊對血流的敏感性，通過將一個使用FSD模塊的“黑動脈血”采集與另一個不使用FSD模塊的“亮動脈血”采集做減影來獲得最終的動脈血管圖像。然而傳統的FSD準備模塊僅能夠充分抑制單一方向上的血流信號，一個與該單一方向完全垂直的血流是不會被FSD梯度磁場抑制信號的，從而無法實現該血管的“黑動脈血”成像，于是在最終的減影圖象中出現血管描繪不完全，這很可能對臨床診斷具有致命的影響，在周邊動脈的遠端部位，包括小腿、足和手，同時存在沿不同方向的血管分支，在這些部位的血管成像時，有可能會出現由于血流信號抑制不完全導致的減影圖像上的動脈管腔信號缺失的問題。

本研究提出一個新的FSD準備模塊，該模塊由兩個傳統的FSD準備模塊串聯而成。與過去的FSD模塊不同，新模塊中FSD梯度磁場被依次加載在讀出方向和相位編碼方向以獨立抑制不同正交方向上的血流信號。我們在志愿者中比較了在單方向和雙方向施加FSD梯度磁場采集的足動脈NCE-MRA圖像的圖像質量評分、足動脈的SNR及與周圍組織的CNR、血管銳利度等指標。兩次掃描的SNR、CNR和血管銳利度均和之前的研究結果相近[1-3]，兩次掃描之間的這三個指標沒有顯著性差異。基于雙方向施加FSD梯度磁場的NCE-MRA，由于在前后方向上增加施加了FSD磁場，對足弓動脈的顯示要比基于單方向施加FSD梯度磁場的NCE-MRA更好。基于雙方向施加FSD梯度磁場的NCE-MRA的圖像質量評分比基于單方向施加FSD梯度磁場的NCE-MRA稍低，這是由于腳趾上的軟組織污染造成的，但是它對勾畫動脈并無影響(圖2，3)，而且還會補償由基于單方向施加FSD梯度引起的足弓動脈信號丟失。

本研究還存在一些不足之處：(1)研究對象主要為健康志愿者，僅納入了3例外周動脈疾病患者驗證本研究所用采集方式用于臨床患者的有效性，還需要在大樣本量的臨床患者中對兩種采集方式進行比較，并驗證基于雙方向施加FSD梯度磁場的NCE-MRA用于臨床外周血管壁患者的可重復性。(2)由于本研究是健康志愿者實驗，沒有掃描DSA或者CE-MRA作為對照，但是本研究是基于以前的研究方法[2-3]進行兩種FSD模塊施加的比較，之前的研究已經進行了NCE-MRA和CE-MRA的對照實驗，表明本研究中使用的NCE-MRA是臨床有效的。我們將在進一步的臨床患者比較實驗中進行CEMRA的掃描作為參考標準。

總之，本研究提出的基于雙方向施加FSD準備模塊能夠在“黑動脈血”采集中可靠抑制多方向的血流信號，保證在NCE-MRA中，不規則血管或者有湍流血流的血管仍能夠保持高亮信號，從而降低誤診率。

利益沖突：無。