4D flow MRI技術用于顱內動脈瘤進展

楊彥晨，白 斌，程云章*，呂 楠

(1.上海理工大學上海介入醫療器械工程技術研究中心，上海 200093；2.上海長海醫院神經外科，上海 200433)

顱內動脈瘤(intracranial aneurysm, IA)檢出率逐年升高，其破裂導致的蛛網膜下腔出血嚴重威脅患者生命，故評估IA的破裂風險和預后極其重要。以往多依靠IA形態(大小、形狀、位置)和臨床資料(年齡、性別、既往史)進行評估，隨后引入相關血流動力學指標。二維相位對比MRI(two-dimensional phase contrast MRI, 2D PC MRI)是評估血流以及血管和心臟功能的重要方法。隨著血流動力學的發展，四維血流MRI(four-dimensional flow MRI, 4D flow MRI)得以實現，并用于分析IA、腹部血管及心臟血管等的血流動力學。

1 4D flow MRI技術原理

相位對比MRI(phase contrast MRI, PC MRI)多利用雙極梯度場對流體進行編碼，通過流體中質子相位的變化進行成像：在流動方向施加一對大小和持續時間相同而方向相反的梯度場，雙極梯度場激發后，靜止組織的相位變化抵消、相位差為零，而血液因其流動性而發生位置變化，其相位差得以保留；利用血流相位差可區分血管與其他組織，并計算血流速度。目前2D PC MRI多用于檢測峰值血流、逆向血流、每搏輸出量等，并可通過計算獲取更多血流動力學參數，如壓力梯度等[1]；4D flow MRI則是對3個方向的血流進行編碼，以獲取三維圖像，由此得到血流方向、速度等，亦可通過計算獲取更多參數，如壁面剪切應力(wall shear stress, WSS)和壓力梯度等[2]。

2 4D flow MRI在IA的應用

2.1 檢測能力 IA血流較復雜，多采用2D PC MRI通過測量3個方向的血流速度分量加以顯示，但定位困難且耗時，且二維圖像可提供的數據有限。劉東婷等[3]以4D flow MRI分析腹部主動脈夾層真腔和假腔的血流動力學特點，獲得2D PC MRI難以實現的三維血流動力學圖像，證實4D flow MRI技術可完整顯示復雜血流，較傳統2D PC MRI更具優勢。

多普勒超聲多用于檢測大血管血流，并通過所得平均血流速度和血管橫截面積計算血流量。BOCK等[4]發現4D flow MRI亦能獲得多普勒超聲所得血流數據。SUQIN等[5]對比接受血液透析動靜脈瘺患者的4D flow MRI和多普勒超聲數據，發現后者只能展現二維血流信息，無法獲得精確的WSS數據，而前者不僅能提供任意位置的血流速度，還可獲得三維可視化信息，以評估血流動力學參數。

采用數字減影血管造影(digital subtraction angiography, DSA)也可獲取血管模型，并通過計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)得到血流動力學參數。已有多項研究[6-8]表明CFD與4D flow MRI獲得的血流動力學參數具有較好一致性。ISODA等[9]分別采用CFD和4D flow MRI對5例IA獲取速度矢量場、流線、剪切速率、WSS、振蕩剪切指數(圖1)，二者所測速度矢量場的一致性良好，剪切速率模式和位置相似，獲得最高振蕩剪切指數的位置相近，但WSS的一致性一般，可能與壁面附近血流速度較慢、導致4D flow MRI測量錯誤有關，也表明了聯合應用二者的重要性。

圖1 患者女,51歲,右側頸內動脈后交通支動脈瘤,直徑6 mm[9] A.表面渲染圖像示動脈瘤有2個出口; B.3D速度矢量場圖(MRI); C.3D速度矢量場圖(CFD); D.3D流線圖(MRI); E.3D流線圖(CFD); F.3D WSS分布圖(MRI通過參考點流速得到的剪切速率計算數據圖); G.3D WSS分布圖(CFD通過參考點流速得到的剪切速率計算數據圖); H.3D WSS分布圖(計算點數據圖通過節點流速得到的剪切速率計算數據圖); I.剪切速率(MRI); J.剪切速率(CFD); K.震蕩剪切指數分布圖(MRI); L.震蕩剪切指數分布圖(CFD)

2.2 可視化 三維可視化對判斷動脈瘤血流模式極其重要。傳統2D PC MRI只能獲取二維圖像，而4D flow MRI則能通過時間分辨三維成像完整展示血流模式，具有可視化優勢。獲取數據后，4D flow MRI的三維可視化形式主要包括速度矢量圖、流線圖及色彩編碼圖等[10]。速度矢量圖能顯示針對某特定體素測得的血流速度方向和大小，生成的矢量方向平行于血流方向，可定性評價血液流入流出的方向和角度。流線圖有助于顯示渦旋流動等特殊血流模式。將某平面的血流色彩編碼圖與通過MRI獲得的斷面解剖圖像相結合，可更直觀地顯示血流模式。HOPE等[11]采用4D flow MRI對比13例升主動脈瘤患者與19名健康志愿者的升主動脈血流(圖2)，發現血液反流軌跡多與主動脈弓曲度相符，有2個漩渦時反流位于其間，1個漩渦時反流位于缺失漩渦周圍；大部分升主動脈瘤患者反流開始時間明顯早于漩渦達到峰值時，而健康志愿者漩渦達到峰值后才出現反流，證實了4D flow MRI對復雜血流的可視化能力較強。

圖2 升主動脈瘤患者的粒子軌跡和流線圖[11] A.強化螺旋流型； B.最常見血流模式； C.較慢外圍流和較快中心流

2.3 掃描時間 縮短MR掃描時間有助于臨床工作。2D PC MR單次掃描時間小于4D flow MR，但若單一層面無法覆蓋全部目標時，需行多次掃描，且需要由經驗豐富的操作員選擇測量面，較為耗時。4D flow MR僅需較短的掃描時間即可完成臨床工作流程[12]。ORITA等[13]對接受顱內外搭橋術患者分別于術前、術后行4D flow MR頸內動脈和基底動脈掃描評估血流動力學改變，用時僅6 min，證實4D flow MR可在較短時間內完成掃描，并定量測量血流動力學參數，有助于提高臨床工作效率。

2.4 臨床應用 4D flow MRI因其獲取三維數據和可視化能力、較好的可重復性和較小的觀察者間差異而被用于臨床診斷IA和相關研究。SCHNELL等[14]以4D flow MRI評估18例IA患者共19個動脈瘤，觀察動脈瘤大小和形態對血流動力學的影響，發現囊狀動脈瘤渦度和WSS較高，其中小型囊狀動脈瘤血流速度、渦度和WSS較高，而大型囊狀動脈瘤峰值血液流速較高，通過這些血流動力學參數可區分囊狀動脈瘤與梭狀動脈瘤，而4D flow MRI可評估不同動脈瘤的血流動力學。FUTAMI等[15]采用4D flow MRI評估35例患者共40個IA，通過對比破裂與未破裂IA的血流，發現IA內復雜、不穩定渦流可能增加其破裂風險；4D flow MRI可用于檢測復雜血流，并通過三維可視化直觀加以展現。HOPE等[16]以4D flow MRI對比觀察2例顱內狹窄患者與2例IA患者的血液流場，發現通過10 min快速4D flow MRI亦可準確獲得顱內血管疾病、尤其是顱內狹窄和IA的血流速度。以上研究結果均證實4D flow MRI技術有助于評估IA破裂風險。

4D flow MRI也可用于評估預后。SU等[17]對41例血流導向裝置(flow diverter, FD) 植入術后IA患者行4D flow MR檢查，觀察其血流動力學參數并進行長期追蹤，發現病變處血管橫截面積、收縮期流率和收縮期流入面積越大，閉塞時間越長。PEREIRA等[18]對10例植入FD的IA患者行4D flow MR檢查，并通過流線圖展現IA血流模式，發現1例FD植入前、后血流模式發生改變，植入FD后IA內血流速度明顯下降，流速減少率由34.6%升至71.1%。BRINA等[19]以4D flow MRI獲取23例患者植入FD前、后的IA血流速度矢量場，隨訪發現6個月后IA閉塞率為60.9%，12個月為82.6%；分析數據發現植入FD后IA血流速度減少率和IA閉塞時間相關，認為4D flow MRI可用于描述植入FD后IA內血流變化。上述研究初步證實了4D flow MRI評估IA預后的可行性。

3 小結

4D flow MRI可全面評估血流動力學，定量獲取多方向血流數據，三維可視化復雜血流，可靠性和可重復性已獲證明，并已用于臨床評估腦血管、心血管等的血流動力學；但其掃描時間較長，對小血管分辨率不足，且對設備要求較高。4D flow MRI與多普勒超聲、2D PC MRI等技術相結合，可提供更多精確數據，提高評估IA破裂風險和預后的準確性。