4D flow MRI在心臟瓣膜病臨床應(yīng)用的研究進(jìn)展

董磊

【摘要】 心臟瓣膜病（VHD）是老年人發(fā)生心血管事件的主要原因之一，影像學(xué)評(píng)估對VHD的診斷及治療決策至關(guān)重要。四維流相位對比MRI（4D flow MRI）技術(shù)在VHD中的應(yīng)用日益廣泛，主要用于判斷跨瓣血流速度、血流模式、壁面剪切應(yīng)力、壓差等血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。本文對4D flow MRI在VHD臨床應(yīng)用中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

【關(guān)鍵詞】 磁共振成像 相位對比技術(shù) 心臟瓣膜病 血流動(dòng)力學(xué)

Research Progress of 4D flow MRI in Clinical Application of Valvular Heart Disease/DONG Lei. //Medical Innovation of China， 2021， 18（10）： -188

[Abstract] Valvular heart disease （VHD） is the main cause of cardiovascular events in the elderly people. Imaging evaluation is crucial for diagnosis and treatment of VHD. The application of 4D flow MRI in VHD is increasingly widespread and mainly used to judge hemodynamic parameters such as transvalvular flow velocity， flow pattern， wall shear stress and pressure difference. The article reviews the research progress of 4D flow MRI in the clinical application of VHD.

[Key words] Magnetic resonance imaging Phase contrast technique Valvular heart disease Hemodynamics

First-authors address： Shenyang Orthopaedic Hospital， Shenyang 110044， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2021.10.044

心臟瓣膜病（valvular heart disease，VHD）是一種因瓣膜損害引起的常見心臟疾病，多發(fā)于老年群體，是老年人發(fā)生心血管事件的主要原因之一[1-3]。因此，早期準(zhǔn)確診斷VHD對于改善患者臨床結(jié)局具有重要意義。彩色多普勒超聲心動(dòng)圖檢查操作簡單、實(shí)時(shí)便捷、無創(chuàng)無痛、性價(jià)比高，可以對瓣膜狹窄或關(guān)閉不全的嚴(yán)重程度、受累心腔結(jié)構(gòu)及心臟血流搏動(dòng)情況進(jìn)行初步定性及半定量評(píng)估，現(xiàn)作為評(píng)價(jià)VHD患者心臟結(jié)構(gòu)以及瓣膜功能狀態(tài)的首選方法，但難以達(dá)到全面評(píng)估的要求[4-5]。四維流相位對比MRI（4D flow MRI）技術(shù)是一種利用相位對比磁共振成像技術(shù)進(jìn)行三維空間、3個(gè)方向、多個(gè)時(shí)相流速的采集方法，不僅可提供心腔及大血管血流模式細(xì)節(jié)，還可顯示跨瓣異常血流方向、流量、流速、壓差等血流動(dòng)力學(xué)特征及組織學(xué)特征參數(shù)[6]。本文對4D flow MRI技術(shù)在VHD臨床應(yīng)用中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 4D flow MRI技術(shù)與傳統(tǒng)影像技術(shù)在VHD臨床應(yīng)用對比

隨著影像技術(shù)的日益發(fā)展，對VHD的診斷及預(yù)后評(píng)價(jià)也趨于明朗。先前對于VHD的研究主要依靠于彩色多普勒超聲心動(dòng)圖，通過測量血流束寬度與長度實(shí)現(xiàn)VHD血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的評(píng)估，屬于半定量分析，缺乏精準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)，且人為因素影響較大[7]。CT三維成像技術(shù)可以清晰觀察VHD瓣膜情況及重建三維形態(tài)，且檢查方便、耗時(shí)較短、不易受心率影響，但對于血流研究尚具有一定局限性，并且存在電離輻射的影響[8]。現(xiàn)在對于VHD研究主要依靠相位對比MRI（phase contrast MRI，PC-MRI），通過平面方向設(shè)置流速編碼以獲取單位時(shí)間成像信息的定量分析技術(shù)，傳統(tǒng)2D PC-MRI存在著采集瓣膜平面繁瑣、掃描時(shí)間較長、復(fù)雜血流信號(hào)缺失、速度編碼方向單一、峰值流速層面定位不準(zhǔn)確等問題，未能做到探測整體血容量[9]。4D flow MRI技術(shù)可克服2D PC-MRI成像的上述不足，以4D流速敏感編碼做到一次掃描獲取瓣膜血管內(nèi)整體血流信息及不同層面的形態(tài)學(xué)特征，在描述VHD血流動(dòng)態(tài)關(guān)系、定量分析復(fù)雜渦流及螺旋血流等方面將成為一個(gè)強(qiáng)大的工具[10]。Westenberg等[11]研究顯示2D PC-MRI與4D flow MRI結(jié)合瓣膜追蹤在測量二尖瓣、三尖瓣的凈流量方面相比，2D PC-MRI（r=0.34，P=0.34）較4D flow MRI結(jié)合瓣膜追蹤（r=0.91，P<0.01）在瓣膜間的相關(guān)性顯著降低。文獻(xiàn)[12]入組27例二尖瓣反流（mitral regurgitation，MR）患者分別行4D flow MRI與回波多普勒超聲檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種技術(shù)測量的二尖瓣反流參數(shù)一致性良好（r=0.83），說明基于近端等速表面積法的4D flow MRI技術(shù)可定量評(píng)估MR的嚴(yán)重程度。Garcia等[13]研究顯示，4D flow MRI對于心臟瓣膜病可實(shí)現(xiàn)3D血流可視化，描繪復(fù)雜的3D血流噴射模式，還可不受二維平面和視角限制對心血管血流進(jìn)行量化。

2 4D flow MRI評(píng)估VHD血流動(dòng)力學(xué)改變

4D flow MRI技術(shù)可同時(shí)對3個(gè)相互垂直維度進(jìn)行相位編碼，多方向采集血流數(shù)據(jù)，從而獲得復(fù)雜的三維動(dòng)力學(xué)參數(shù)，不僅可直觀顯示心腔及大血管的血流特征，還可對掃描范圍內(nèi)任意位置血流的方向、速度、模式、正反向流量、反流分?jǐn)?shù)等常規(guī)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確定量測量，幫助臨床醫(yī)師從血流動(dòng)力學(xué)方向探討VHD病理形態(tài)改變的力學(xué)根源，根據(jù)血流定量信息來預(yù)測VHD的發(fā)展及預(yù)后情況[14]。Allen等[15]指出4D flow MRI技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于主動(dòng)脈疾病、主動(dòng)脈根部置換術(shù)后主動(dòng)脈血流模式的定性及定量評(píng)估，并且篩選得到4D flow MRI技術(shù)生物標(biāo)記物包括速度、渦量、壓力梯度、壁面剪切應(yīng)力（wall shear stress，WSS）、湍流動(dòng)能（turbulent kinetic energy，TKE）、脈搏波速等參數(shù)。張超越等[16]前瞻性選擇經(jīng)臨床及超聲證實(shí)診斷為主動(dòng)脈瓣二瓣畸形（bicuspid aortic valve，BAV）患者12例，并入組健康志愿者10例作為對照組，兩組均行非增強(qiáng)全主動(dòng)脈MRI心臟電影序列、CE MRA及4D flow序列檢查，定量測量主動(dòng)脈不同層面的峰值流速、反流量、反流分?jǐn)?shù)及血流模式，比較兩組受試者相同層面的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)差異以及同一受試者不同部位的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)差異，結(jié)果顯示，在升主動(dòng)脈層面BAV患者的峰值流速、反流量及反流分?jǐn)?shù)均高于對照組（P<0.05），BAV患者主動(dòng)脈不同部位（升主動(dòng)脈→腹主動(dòng)脈）的峰值流速、反流量及反流分?jǐn)?shù)呈下降趨勢（P<0.05）;BAV患者主要有四種血流模式，即右手螺旋渦流、左手螺旋渦流、復(fù)雜渦流以及正常血流，其中右手螺旋渦流、復(fù)雜渦流易引起升主動(dòng)脈擴(kuò)張。因此，4D flow MRI評(píng)價(jià)血流動(dòng)力學(xué)能夠?yàn)榕R床預(yù)防及治療BAV提供依據(jù)。Feneis等[17]通過測量21例二尖瓣反流和三尖瓣反流患者的反流量和反流分?jǐn)?shù)，對比2D PC-MRI、4D flow MRI兩種技術(shù)的臨床應(yīng)用情況，結(jié)果顯示，兩種技術(shù)測量得到反流參數(shù)高度一致（r=0.933，ICC=0.878），表明4D flow MRI能夠有助于臨床醫(yī)師更為高效檢測瓣膜反流情況，在一定程度上有可能做到取代多平面2D PC-MRI，使患者受益最大化。

3 4D flow MRI評(píng)估VHD血流異常及湍流類型

由于房室心臟瓣膜具有復(fù)雜的瓣膜和環(huán)狀解剖結(jié)構(gòu)，4D flow MRI技術(shù)能夠提供TKE、WSS、能量損耗、流相位移等定量參數(shù)，上述參數(shù)可提示VHD的細(xì)微血流異常及湍流類型，適用于偏心和動(dòng)態(tài)跨瓣流動(dòng)模式的量化及可視化，有助于幫助臨床醫(yī)師描述VHD疾病進(jìn)展過程中的血流動(dòng)力學(xué)機(jī)制以及更早發(fā)現(xiàn)其對管壁和心腔的影響[18]。此外，4D flow MRI技術(shù)還可通過流速圖、流線圖以及TKE分布圖等3D可視化形式顯示心腔及大血管血流模式細(xì)節(jié)，具有良好的時(shí)空分辨率[19]。TKE反映了不同方向速度波動(dòng)的流相效率，能夠可靠預(yù)測瓣膜狹窄模型中的不可逆壓降[20-21]。WSS是血液在血管內(nèi)皮上的摩擦力，與血管壁重塑有關(guān)，WSS是否能夠作為主動(dòng)脈瓣疾病患者的良好預(yù)測因子值得進(jìn)一步研究[22-23]。流相位移與主動(dòng)脈生長速度密切相關(guān)，可量化升主動(dòng)脈內(nèi)流動(dòng)噴射偏心率，成為評(píng)價(jià)易受瓣膜誘導(dǎo)主動(dòng)脈擴(kuò)張患者的潛在危險(xiǎn)指標(biāo)[24-25]。Barker等[26]利用4D flow MRI探討主動(dòng)脈黏性能量損耗，對主動(dòng)脈擴(kuò)張及主動(dòng)脈瓣狹窄（aortic stenosis，AS）患者進(jìn)行分析，并選取健康志愿者作為對照組，結(jié)果顯示，與對照組相比，主動(dòng)脈擴(kuò)張組和AS組的胸主動(dòng)脈、升主動(dòng)脈黏性能量損耗顯著升高（P<0.05），說明4D flow MRI能夠?yàn)闊o創(chuàng)性描述主動(dòng)脈黏性能量損耗提供理論依據(jù)。文獻(xiàn)[27]顯示，利用4D flow MRI技術(shù)測量51例AS患者TKE，并以10例健康志愿者作為對照組，根據(jù)平均跨瓣壓差將AS組分為輕中度狹窄組（n=24）與重度狹窄組（n=27），發(fā)現(xiàn)與對照組相比，AS組TKE顯著升高（P<0.001），且與平均跨瓣壓差呈弱相關(guān)（R2=0.26，P<0.001），說明4D flow MRI可推薦作為瓣膜狹窄合并其他病變時(shí)評(píng)估血流動(dòng)力學(xué)改變的替代方法。

4 4D flow MRI評(píng)估VHD手術(shù)預(yù)后價(jià)值

嚴(yán)重的VHD是全球發(fā)病率和死亡率的主要原因[28]，必須采取外科手術(shù)干預(yù)治療，其中以瓣膜置換以及瓣膜修復(fù)最為多見，人工瓣膜設(shè)計(jì)以及MRI技術(shù)的發(fā)展使評(píng)估瓣膜術(shù)后血流特征成為可能，利用4D flow MRI評(píng)估VHD手術(shù)預(yù)后價(jià)值，有助于幫助臨床醫(yī)師為VHD臨床預(yù)后及隨訪提供更多實(shí)質(zhì)性信息。以人工主動(dòng)脈瓣血流動(dòng)力學(xué)性能為中心的4D flow MRI技術(shù)對各種生物主動(dòng)脈瓣、機(jī)械主動(dòng)脈瓣和經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣植入物進(jìn)行對比，結(jié)果表明，主動(dòng)脈瓣反流（aortic regurgitation，AR）術(shù)后升主動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)與自體主動(dòng)脈瓣不同，不同類型的人工瓣膜血流速度和WSS也存在著不同。因此，4D flow MRI對于確定不同類型人工瓣膜的預(yù)后價(jià)值以及患者特定治療選擇具有重要意義[29]。Al-Wakeel等[30]利用4D flow MRI評(píng)價(jià)二尖瓣手術(shù)前后MR患者左心室血流動(dòng)力學(xué)和能量方面的變化，選擇二尖瓣修復(fù)或生物瓣膜置換術(shù)患者在手術(shù)前后進(jìn)行4D flow MRI檢查，并與健康志愿者進(jìn)行對照比較，獲取受試者的左心室容積以及動(dòng)能（KE），結(jié)果顯示，MR患者的舒張末期、收縮末期和每搏輸出量均顯著高于健康志愿者，且術(shù)后顯著下降（P<0.05）;術(shù)后平均KE、收縮早期KE、舒張?jiān)缙贙E峰值明顯降低（P<0.05），說明4D flow MRI對于評(píng)價(jià)MR術(shù)后效果具有一定價(jià)值。Hirtler等[31]對24例經(jīng)法洛四聯(lián)癥修復(fù)術(shù)后患者與12例健康志愿者行時(shí)間分辨血流敏感4D MRI序列掃描，在四腔心影像上定量分析右心房、右心室容積以及局部血流動(dòng)力學(xué)信息，結(jié)果顯示，經(jīng)法洛四聯(lián)癥修復(fù)術(shù)后患者右心房峰值渦流和右心室平均渦流顯著升高（P=0.02），且與心室容積呈負(fù)相關(guān)（P<0.05），說明4D flow MRI的渦流量化分析經(jīng)法洛四聯(lián)癥修復(fù)術(shù)后患者心腔內(nèi)血流變化是一種可替代定性血流觀察的方法。

5 小結(jié)

經(jīng)本文研究思路（見圖1）可得出4D flow MRI技術(shù)作為定量分析血流方向、速度、流量以及血流模式的新興技術(shù)，可提供任何位置、任何成像平面回顧性血流分析，現(xiàn)多應(yīng)用于VHD疾病進(jìn)程縱向研究以及VHD術(shù)后的大規(guī)模預(yù)后研究，在VHD疾病診斷、鑒別診斷、預(yù)后評(píng)價(jià)及危險(xiǎn)分層中發(fā)揮重要作用。此外，4D flow MRI技術(shù)在正常和病理性血流動(dòng)力學(xué)復(fù)雜流動(dòng)模式可視化方面存在著巨大潛力[32]。對于4D flow MRI技術(shù)在國內(nèi)VHD研究應(yīng)用較少，4D flow MRI相關(guān)硬件及序列未能實(shí)現(xiàn)完全商用化，僅有少量被引入市場，大多數(shù)4D flow MRI研究和應(yīng)用仍依賴于各個(gè)研究小組開發(fā)協(xié)議，臨床適用性仍需不斷探索。如何保持4D flow MRI低掃描時(shí)間，同時(shí)獲得高時(shí)空分辨率，降低掃描后數(shù)據(jù)處理時(shí)間是臨床大規(guī)模應(yīng)用4D flow MRI技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)[33]。迄今為止，大量研究證實(shí)4D flow MRI技術(shù)可行性，為臨床醫(yī)師了解各種疾病的血流動(dòng)力學(xué)改變提供依據(jù)[34]。總之，4D flow MRI技術(shù)為VHD患者的臨床決策和手術(shù)計(jì)劃提供了實(shí)質(zhì)性價(jià)值信息，今后研究重點(diǎn)應(yīng)著眼于探索4D flow MRI技術(shù)在VHD臨床治療優(yōu)化和微調(diào)中的潛力[35]。隨著4D flow MRI硬件開發(fā)以及不同分析軟件參考值范圍的建立，4D flow MRI技術(shù)與其他新興技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用將成為臨床診斷VHD更全面的檢測手段，以期達(dá)到完善VHD患者個(gè)體化治療方案，提供VHD疾病風(fēng)險(xiǎn)分層指標(biāo)，改善VHD患者治療及預(yù)后的目的。

圖1 4D flow MRI在VHD臨床應(yīng)用研究思路圖

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（收稿日期：2019-09-20） （本文編輯：田婧）