肝門靜脈四維相位對比法MRI不同加速采集技術的圖像質量比較研究

曲源，王艷*，毋曉萌，董海洋，朱莉

1.新疆維吾爾自治區人民醫院放射影像中心，新疆 烏魯木齊 830000；2.北京理工大學生命學院生物醫學工程專業，北京100081；3.上海市胸科醫院，上海 200030；*通信作者 王艷 drwangxj@sina.cn

肝硬化是常見的慢性進行性肝病，在我國大多數由病毒性肝炎引起，門靜脈高壓癥是肝硬化疾病進展過程中的嚴重轉歸，常伴有側支循環形成、脾腫大及功能亢進、腹水等并發癥。臨床診斷門靜脈高壓，需要通過穿刺測量肝靜脈壓力梯度間接分析門靜脈壓力，直接測量門靜脈壓力尚不可行。近年來，磁共振血流成像技術快速發展，四維相位對比法MRI（4D phase contrast，4DPC）是一種利用三維相位對比法進行連續采集，獲得動態三維血管流動圖像的成像技術，目前已在臨床上應用于顱內血管瘤、頸動脈狹窄、主動脈夾層動脈瘤、先天性心臟病或門靜脈等疾病的血管成像[1-8]。然而在大部分研究中，4DPC MRI成像時間長，平均掃描時間10 min以上，流速編碼的設定也存在諸多爭議[9-13]。本研究利用QFlow軟件測量門靜脈主干最大流速，作為4DPC MRI流速設置的參考，分別進行并行采集（SENSE，SENSitivity Encoding）和壓縮感知（Compressed SENSE）加速4DPC MRI掃描，評估兩種方法門靜脈成像的圖像質量，判斷4DPC MRI利用Compressed SENSE進行快速肝門靜脈成像的可行性，指導臨床應用。

1 資料與方法

1.1 研究對象 回顧性收集2019年6—8月22名健康志愿者，男12例，女10例；年齡20～67歲，平均（38.2±13.2）歲。納入標準：①無MRI檢查禁忌證；②無高血壓病史。排除有任何肝臟病史者。本研究經醫院倫理委員會批準，志愿者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 使用Philips Achieva 1.5T MR掃描儀，8通道腹部線圈，檢查前禁食水4 h。受檢者取仰臥位，頭先進，身體長軸與磁體中心平行，放置呼吸門控。三平面定位掃描后，行冠狀面單次激發T2、橫斷面2D Balanced FFE全上腹掃描，明確肝門靜脈位置，垂直于門靜脈主干行2DPC屏氣掃描，用QFlow軟件測量門靜脈最大流速，作為4DPC MRI流速編碼設定。4DPC MRI冠狀面定位范圍包括肝內外門靜脈、脾靜脈、腸系膜上靜脈，放置膈肌導航，在心電門控條件下進行自由呼吸掃描。

1.3 成像技術 單次激發T2掃描參數，視野（FOV）375 mm×375 mm，層厚7 mm，體素1.4×1.6 mm，TR 3 000～5 000 ms，TE 80 ms；2D Balanced FFE，FOV 400 mm×400 mm，層厚10 mm，體素2×1.7 mm，TR 2.9 ms，TE 1.5 ms。2DPC定位線垂直于門靜脈，流速編碼梯度施加在層面方向，流速編碼30 cm/s，FOV 320 mm ×260 mm，層厚8 mm，TR 5.9 ms，TE 3.9 ms，體素2.5×2.5 mm，心電門控下屏氣掃描，時間15～18 s。對同一志愿者行肝門靜脈4DPC MRI，分別使用SENSE和Compressed SENSE進行動態連續采集。2個序列之間掃描定位、膈肌導航條放置位置相同。掃描參數：3D T1 FFE相位對比法采集，梯度回波采集數為3，采集間隔60 ms，TR 4.9 ms，TE 3.5 ms，翻轉角10°，SENSE加速因子2×1.8，Compressed SENSE加速因子4。FOV 320 mm×320 mm，體素3 mm× 3 mm× 3 mm，掃描層數36，包括脾靜脈、腸系膜上靜脈、門靜脈主干、肝內門靜脈左、右分支。流速編碼根據2DPC流速測量結果決定，平均25～30 cm/s，每個心動周期重建15個時相。流速編碼梯度施加在前后、左右、上下3個方向。圖像重建過程中自動完成降噪、correction of Maxwell terms、相位偏移和渦流修正。兩種方法平均采集時間在4:30～5:00之間（圖1）。

圖1 男，40歲，健康志愿者4DPC MRI掃描圖像。A為幅值圖像；B～D為3個方向重建相位對比圖像；E為A對應的相位對比圖像；F～G為3個方向的相位圖像，箭示門靜脈位置，分別為左右、前后、上下方向流動相位圖像；I為門靜脈血管三維重建圖像，從左向右箭頭分別示肝內門靜脈左支、右支、門靜脈主干、腸系膜上靜脈、脾靜脈

1.4 圖像分析 比較2種4DPC MRI加速技術采集的肝門靜脈及其分支圖像質量，在肝門靜脈最高流速期相圖像中，脾靜脈近門靜脈處、腸系膜上靜脈近門靜脈處、門靜脈主干、肝內門靜脈左、右分支血管分別放置感興趣區（ROI），測量各ROI和圖像背景信噪比（SNR）。圖像ROI位置保持相同，面積不小于50 mm2。

根據公式（1）計算SNR：

分析2種加速技術中各血管流速和流量，使用QFlow軟件，分別測量門靜脈主干及其分支等5處血管垂直斷面的流速及流量。為了避免人為誤差，測量時采用肝門靜脈血流流量公式進行修正：

其中，Qsv和Qsmv分別代表脾靜脈、腸系膜上靜脈血流量，Qpv代表門靜脈血流量，Qrpv和Qlpv代表肝內門靜脈右支、左支血流量。根據公式（2），對Qsv+Qsmv、Qpv、Qrpv+Qlpv測定值進行相關性分析。

利用GTFLOW（Gyrotools LLC，Zurich Switzerland）軟件，重建門靜脈主干、脾靜脈、腸系膜上靜脈、肝內門靜脈左、右主要分支血流流線三維動態圖像，由2位副主任醫師對流線追蹤圖像進行主觀評價，采用4分法標準。4分：血管形態完整，邊緣銳利度好，血管內血流流線豐富，流線追蹤長，方向明確一致，無運動偽影干擾（圖2A）；3分：血管形態好，邊緣略模糊，血流流線豐富，流線方向有不一致現象，無運動偽影干擾，無流動卷折（圖2B）；2分：血管形態欠佳，邊緣略模糊，流線追蹤毛糙，出現運動偽影（圖2C）；1分：血管形態不完整，邊緣模糊，無法分清血管內外流線，方向紊亂，運動偽影明顯（圖2D）。2位醫師對圖像質量評估和肝內門靜脈分支計數標準事先達成一致，分別統計完成。

圖2 肝門靜脈血流流線追蹤圖像質量評價4分法標準圖。A.女，67歲，健康志愿者。門靜脈主干及分支血管形態完整，邊緣銳利，血流流線豐富，無運動偽影，圖像評估為4分，箭示腸系膜上靜脈。B.男，32歲，健康志愿者。血管邊緣略模糊（箭），血流流線基本保持一致，圖像評估為3分。C.女，21歲，健康志愿者。血管形態欠佳，邊緣模糊，流線追蹤毛糙（箭），出現運動偽影，圖像評估為2分。D.男，31歲，血管形態模糊，無法分清血管內外流線，腸系膜上靜脈無法分辨（箭），圖像評估為1分

1.5 統計學方法 采用MATLAB2014b軟件，符合正態分布的計量資料以±s表示，將2種方法獲取5處ROI的SNR、血管斷面流速、流量分別進行配對t檢驗，2種成像方法血流流線三維追蹤效果主觀評分進行秩和檢驗，P＜0.05表示差異有統計學意義。采用Cohen'sKappa檢驗判斷2名醫師對流線追蹤圖像評分的一致性，Kappa值≥0.75為診斷一致性良好。采用Wilcoxon符號秩和檢驗比較2種方法的成像時間，P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 基本情況 22例志愿者均在自由呼吸狀態下完成掃描，其中2例在掃描過程中由于導航條放置問題掃描中斷，排除入組。20例成功完成檢查，SENSE 4DPC MRI平均掃描時間為（293.7±31.6）s，Compressed SENSE為（271.4±39.6）s，并且每一位志愿者的掃描時間均短于SENSE 4DPC MRI。2種方法得到的典型圖像見圖3。

圖3 女，20歲，健康志愿者肝門靜脈4DPC MRI三維血管重建及其血流流線追蹤圖像。A、B為SENSE采集重建圖像；C、D為Compressed SENSE采集圖像；兩者流線追蹤圖像質量評分均為4分；Compressed SENSE獲得的圖像，肝內門靜脈左主分支流線追蹤效果優于SENSE的圖像（箭，B、D）

2.2 肝門靜脈SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI圖像SNR比較 2種方法進行4DPC MRI采集，在肝門靜脈最高流速期相中，SENSE 4DPC MRI獲取的腸系膜上靜脈、脾靜脈、門靜脈主干、肝內門靜脈右、左主干5處ROI，其SNR與Compressed SENSE類似，兩者差異均無統計學意義（均P＞0.05），見表1。

表1 肝門靜脈SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI圖像SNR比較（±s）

表1 肝門靜脈SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI圖像SNR比較（±s）

注：ROI：感興趣區；SNR：右分支的信噪比；SENSE：并行加速；Compressed SENSE：壓縮感知

SENSE Compressed ROI 4DPC MRI SENSE 4DPC t值P值MRI腸系膜上靜脈 55.34±20.57 63.22±22.82 -1.86 0.08 0.15門靜脈主干 62.87±20.39 64.52±20.96 -0.30 0.77脾靜脈59.41±19.58 66.62±25.52-1.49肝內門靜脈右主干64.29±23.85 64.29±27.23-0.26 0.50肝內門靜脈左主干 65.41±26.32 68.76±29.43 -0.57 0.57

2.3 肝門靜脈SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI圖像流速比較 去除圖像質量為1的3例數據，剩余17例，SENSE 4DPC MRI獲取的5處血管最大流速，與Compressed SENSE 4DPC MRI對比，差異均無統計學意義（均P＞0.05），見表2。

表2 肝門靜脈SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI圖像最大流速比較（cm/s，±s）

表2 肝門靜脈SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI圖像最大流速比較（cm/s，±s）

注：ROI：感興趣區；SENSE：并行加速；Compressed SENSE：壓縮感知

SENSE Compressed ROI 4DPC MRI SENSE 4DPC t值P值MRI腸系膜上靜脈 20.51±8.20 23.51±9.39 -1.42 0.17 0.50門靜脈主干 23.84±6.57 25.10±6.32 -0.63 0.54脾靜脈22.23±7.94 24.28±7.80-0.70肝內門靜脈右主干20.02±5.21 19.56±7.94 0.27 0.79肝內門靜脈左主干 15.13±6.41 18.11±6.77 -1.78 0.10

對2種方法獲得的門靜脈最大流速與QFlow結果進行相關性分析，SENSE 4DPC MRI最大流速與QFlow呈線性相關（R=0.527 0，P＜0.05）；Compressed SENSE 4DPC MRI與QFlow呈線性相關（R=0.563 7，P＜0.05），見圖4。

圖4 QFlow測定流速與并行加速4DPC MRI（A）及壓縮感知4DPC MRI（B）最大流速的相關性

2.4 肝門靜脈SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI圖像流量比較 在17例數據中，SENSE 4DPC MRI獲取的5處血管流量，與Compressed SENSE相比，差異均無統計學意義（均P＞0.05），見表3。SENSE 4DPC MRI最大流量與QFlow結果呈線性相關（R=0.788 4，P=0.000 2）；Compressed SENSE 4DPC MRI流量與QFlow呈線性相關（R=0.805 3，P=0.0001），見圖5。

圖5 QFlow測定流量與并行加速4DPC MRI流量（A）及壓縮感知4DPC MRI流量（B）的相關性

表3 肝門靜脈SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI流量比較（ml/min，±s）

表3 肝門靜脈SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI流量比較（ml/min，±s）

注：ROI：感興趣區；SENSE：并行加速；Compressed SENSE：壓縮感知

SENSE 4DPC Compressed ROI MRI SENSE 4DPC t值P值MRI腸系膜上靜脈 303.00±165.50 307.98±161.35 -0.11 0.92 0.59門靜脈主干 648.61±231.39 632.64±213.86 0.53 0.61脾靜脈191.02±93.84 203.43±88.65-0.55肝內門靜脈右主干391.61±208.04 383.16±140.71 0.21 0.84肝內門靜脈左主干 149.58±163.01 147.47±210.79 0.03 0.97

根據公式（2），Qsv+Qsmv 與Qpv、Qpv 與Qrpv+Qlpv測量值進行相關性分析，脾靜脈與腸系膜上靜脈血流匯合至門靜脈主干，兩者血流量在SENSE及Compressed SENSE均呈正相關（R=0.64、0.61，P＜0.01）；SENSE及Compressed SENSE門靜脈主干血流與肝門靜脈左、右分支血流量均呈正相關（R=0.80、0.53，P＜0.01）。

2.5 肝門靜脈分支流線追蹤圖像質量評估 2名醫師對2種方法獲取的血流流線三維追蹤效果評估，其評分結果分別為2.47±1.12、2.47±1.06和2.53±1.17、2.64±0.99，兩者對圖像質量評估的一致性無顯著差異（P＞0.05）。2位醫師圖像質量主觀評分一致性較好（Kappa=0.89）。

2.6 肝門靜脈SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI掃描時間比較 2種方法進行肝門靜脈動態成像，Compressed SENSE成像時間為（293.7±31.6）s，SENSE加速成像時間為（271.4±39.6）s，差異有統計學意義（Z=3.68，P=0.006），Compressed SENSE加速4DPC MRI掃描時間相對較短。

3 討論

本研究通過優化掃描參數和流速編碼，驗證了SENSE和Compressed SENSE均可用于健康志愿者肝門靜脈4DPC MRI動態血管成像，能夠進行肝門靜脈及其分支血流最大流速、流量分析，并且Compressed SENSE 4DPC MRI在掃描時間上均短于SENSE 4DPC MRI。

3.1 壓縮感知技術縮短門靜脈4DPC MRI掃描時間4DPC MRI已經逐步應用于頭頸部血管、夾層動脈瘤、心臟等部位的血管成像，但大部分研究掃描時間均在10 min以上，阻礙了4DPC MRI門靜脈成像的臨床開展[14-15]。隨著Compressed SENSE技術在臨床上的應用，其對血管成像的加速采集、縮短掃描時間的作用已經得到研究證實[16-17]。本研究分別利用SENSE和Compressed SENSE加速技術進行肝門靜脈4DPC MRI，Compressed SENSE掃描時間均短于SENSE技術。由于門靜脈解剖位置處于腹腔中心，易受到呼吸運動、胃腸道蠕動影響，在良好的檢查前準備和結合膈肌導航，掃描時間越短，則能最大程度地減輕運動因素對圖像采集的影響。本研究完成掃描的17例志愿者，圖像質量評分均在2.4以上。

3.2 門靜脈4DPC MRI最大流速編碼設定原則 隨著心動時相的不同，門靜脈主干及其分支血流呈相應的流速改變，在4DPC MRI圖像中表現為血管信號強度的變化。血管內血流流速越接近于最大流速編碼，信號強度越高，此時肝門靜脈主干及其分支顯示最清楚，因此本研究選擇最大流速時相的圖像進行血管SNR的測量分析[12]。本研究顯示：2種方法肝門靜脈4DPC MRI獲取的腸系膜上靜脈、脾靜脈、門靜脈主干、肝內右、左主干，兩者SNR類似。

3.3 門靜脈血流三維后處理視覺呈現 臨床上傳統的血流流速、流量分析，主要是相位對比法成像（2DPC）或彩色多普勒（US）技術，但兩者僅能基于二維斷面進行采集。US常受到胃腸道空氣的干擾，對門靜脈分支顯示不佳；US流速測量的結果也變異較大[1,7]，而4DPC MRI能夠實現三維血管采集，一次獲得整個成像范圍內血流流速、流量信息，在技術上更有應用優勢。本研究通過2DPC測量門靜脈最大流速，作為4DPC MRI掃描的流速編碼，完成4DPC MRI圖像采集[16]。使用GTFLOW軟件，獲取肝門靜脈5處血管分支斷面流速及流量，兩種采集方法之間無顯著差異，與QFlow結果均有很好的相關性。4DPC MRI在一次采集中，同時實現前后、左右、上下3個方向流速編碼采集，因此，能通過后處理軟件實現任意血管斷面的流速、流量分析。而正是由于3個空間方向流速編碼的使用，利用特定軟件，實現基于體素的血管內血流三維流線追蹤和呈現。本研究中使用QFlow軟件，對2種方法采集的4DPC MRI圖像實現了三維流線追蹤，并對肝門靜脈主要分支的流線圖像進行主觀評價，2種方法無顯著差異。2名醫師對流線圖像評估有很好的一致性。在肝硬化或其他原因導致的門靜脈高壓，往往引起血流流速、流量或流向改變。因此，利用4DPC MRI實現肝門靜脈血流流速、流量和流動方向的監控，影響著臨床門靜脈高壓治療的決定，也是門靜脈高壓分流術后的重要檢查方法[10-11]。

3.4 本研究的局限性 ①未嚴格與臨床上已有的US流速測量進行對照研究，鑒于本研究是對2種不同加速技術4DPC MRI門靜脈成像的可行性和對比研究，這一點并非完全必要，而且通過公式（2），對門靜脈血流流入流出的流量進行修正，可以間接驗證4DPC MRI血流量測量的準確性。②肝門靜脈4DPC MRI流速編碼的設定存在諸多爭議，本研究是在2DPC流速測量的基礎上進行流速編碼的設置，未進行多個流速編碼的比較，相對于其他文獻流速編碼值相對較小，但最接近門靜脈實際流速的設置，有助于增加4DPC MRI流動敏感性，增強門靜脈血管動態成像顯示效果。③根據公式（2），門靜脈主干血流與肝門靜脈左、右分支血流之間的相關性，Compressed SENSE相關性低于SENSE，通過進行回顧性數據分析后考慮為ROI放置導致誤差，今后在分析4DPC MRI圖像時若能與解剖結構像進行融合配準，將會提高數據分析的準確性。④本研究僅采用傳統的3D T1 FFE序列CARTESION采集方式，并未嘗試最新的RADIAL或SPRIAL采集[17-20]，但這些新技術仍不成熟，空間分辨率低，本研究所使用的技術具有更廣泛的實用性。

總之，SENSE和Compressed SENSE加速4DPC MRI門靜脈成像，通過參數優化加快掃描速度，能夠進行肝門靜脈及其分支的流速及流量分析，并能很好地實現肝門靜脈及其分支的流線追蹤顯示，而利用Compressed SENSE技術能進一步縮短掃描時間。