4D Flow MRI血流動力學成像概述及其臨床應用

張歸玲，周銥然，吳迪，魯君，閻肅，張順，湯翔宇，覃媛媛，朱文珍

4D Flow MRI是一項新型的磁共振血管成像技術，它可以顯示血管的形態學和血流動力學，與傳統的3D血管成像相比，增加了時間維度，以展示不同心動周期血流動力學的變化。4D Flow MRI可在活體內測量管壁剪切力(wall sheer stress,WSS)、管壁壓力(pressure)、壓力梯度(pressure gradient，PG)、脈波速度(pulse wave velocity,PWV)等參數，可為血管疾病提供全面豐富的信息。常見的測量血流動力學的方法還有計算流體力學(computation fluid dynamics，CFD)，CFD可達到較高的空間和時間分辨率，但它是用計算機模擬真實流體模型計算得到的，其準確性與流體模型的設定、管壁邊界的假設及函數的準確性有關，而4D Flow MRI是活體內直接測量，其準確性和真實性更高。4D Flow MRI自提出以來，在各個系統均有初步應用。本文將對4D Flow MRI的原理及處理進行概述并討論其臨床應用。

4DFlowMRI的原理

4D Flow MRI是基于磁共振相位對比法成像(phase contrast magnetic resonance imaging，PC-MRI)的影像學技術。PC-MRI的原理是采用梯度回波序列，基于流體內質子相位變化進行成像，在流體的流動方向上施加一對幅度和間期相同、方向相反的雙極梯度脈沖，靜止的質子受到大小相等、方向相反的脈沖作用后，相位回復到原位，相位變化為零，而運動的質子在梯度場中的位置發生變化，產生了相位變化，根據此原理將靜止與運動的質子相位差異顯示出來。

在4D Flow MRI中，為實現三向速度編碼，通常使用標準笛卡爾坐標或徑向圖像采集技術。與傳統2D PC-MRI相比，采集4D Flow數據需要更長的掃描時間。笛卡爾4D Flow MRI采集使用“K空間分割”和“交錯四點速度編碼”獲得3D數據，笛卡爾4D Flow MRI采集與2D PC MRI類似，使用K空間分割技術，在多個心動周期進行數據采集。三維方向的速度測量使用“交錯四點速度編碼”方法，即對每個原始數據，連續采集四個數據以實現在所有三個維度上的速度編碼：包括一個參考掃描和沿三個正交方向上的速度編碼采集(分別在x、y、z上增加雙極梯度場實現)；最后通過圖像重建，得到3D電影幅度圖像和表示三個正交方向上血流速度vx、vy和vz的時間序列(相位差圖像)[1]。

4DFlowMRI掃描及處理概述

4D Flow MRI掃描需要使用心電門控或指脈實時捕捉心動周期內的動態變化，采集需要在多個心動周期中完成來得到一系列不同時間的圖像。掃描參數在不同部位時間分辨率、空間分辨率和流速編碼不盡相同，表1列出了常見部位的參數[1]。

表1 4D Flow MRI掃描參數

掃描后得到一個幅度圖像和表示三個方向的時間序列，通過后處理軟件分析，包括預處理、分割等，圖1以CVI42工作站處理頸部血管為例，介紹其處理流程。

圖1 4D Flow MRI處理流程，以CVI42處理頸動脈狹窄為例。a)數據采集：采集包括時間維度的三向速度信息的PC-MRI；b)預處理：糾正由于噪聲、混疊和渦流導致的誤差；c)分割：將目標血管進行分割，并平行目標血管流動方向追蹤中心線；d)數據分析：將平面垂直于中心線放置在管腔狹窄的位置(以頸動脈狹窄為例，可根據研究目的自由調整)，手動調整幅度圖像中的管腔輪廓使測量更精準，這時可以直觀看到顏色編碼的橫截面和矢狀面的參數圖像，以及各參數的量化值，導出定量分析值；e)可視化：4D Flow MRI可以動態直觀地顯示不同心動周期的血流動力學變化[2]。

4DFlowMRI參數及其意義

4D Flow MRI可以動態顯示血流動力學的變化，可對選定的任意層面血液的流速與方向進行不同顏色的編碼，通過不同的顏色顯示速度的大小、方向及瞬時速度場的信息，可調節流線數量以整體和局部細致觀察血流狀態，也可以調整切面從任意方向和角度進行測量等；可全面評估流入道流出道是否存在反流及渦流等異常狀態。同時，4D Flow MRI可以定量測量多個血流動力學參數，其參數及意義見表2。

表2 血流動力學參數及意義

4DFlowMRI在頭頸部血管中的應用

4D Flow MRI中樞神經系統主要研究動脈瘤、動靜脈畸形及頭頸部血管狹窄等血管疾病，探究其血流動力學的變化及其在疾病中的意義。

顱內動脈瘤(intracranial aneurysms，IAs)是顱內常見的血管疾病，一旦破裂會導致蛛網膜下腔出血危機生命，但并非所有的動脈瘤都需要手術治療，需綜合評估動脈瘤大小、位置、血流動力學等影響因素。陳宇等[3]采用了4D Flow MRI與CFD兩種方法來評估動脈瘤，發現血液在載瘤動脈和瘤體內部的流動狀態相似，但在局部瘤體橫截面內速度分布的整體差異較大。Schnell等[4]研究了不同大小和形態的動脈瘤(大囊形動脈瘤、小囊形動脈瘤、梭形動脈瘤)血流動力學的分布，發現瘤體內囊形動脈瘤較梭形動脈瘤的最大血流速度更高，而小囊形動脈瘤的WSS和渦度更大(圖2)。以上研究都表明4D Flow MRI技術可對動脈瘤的血流動力學進行有效評估，對疾病的風險預測有較高的參考價值，但缺乏預測動脈瘤破裂風險的研究。Jou等[5]采用CFD的方法進行研究，發現頸內動脈瘤體內的WSS降低可能與動脈瘤破裂有關，但這項研究僅限于小樣本特定部位的動脈瘤，需要更多的研究來重復和證實。因此，采用4D Flow MRI的方法預測其破裂風險，為治療措施提供參考依據有重要的臨床意義，也是未來研究的重點。

圖2 不同類型動脈瘤血流動力學改變。a～c)大囊形動脈瘤，表現為沿瘤壁小范圍的高速血流通道，伴有較大范圍的中央慢流區；d～f)小囊形動脈瘤，動脈瘤周邊較大范圍高速血流通道，中央慢流區較??；g～i)梭形動脈瘤，血流速度較其他組明顯減慢[5]。

動靜脈畸形(arteriovenous malformations，AVM)具有很高的出血風險，但手術治療具有較高的致殘率和死亡率，包括永久性神經系統后遺癥。Chang等[6]采用4D Flow檢查了癥狀穩定的患者和出現急性癥狀的患者的供血動脈血流動力學數據,結果發現與正常對側血管相比，無癥狀或癥狀輕微的患者在供血動脈中的WSS無顯著差異，而出現出血、嚴重頭痛/癲癇發作或局灶性神經功能缺損者與對側血管相比，供血動脈的WSS更高。因此，該研究證明了采用4D Flow可以在臨床無創地獲得AVM患者的WSS和其他血液動力學參數值,供血動脈和正常血管之間的WSS變化與患者的病情嚴重程度有關。

Li等[7]采用4D Flow MRI來研究靜脈搏動性耳鳴(pulsatile tinnitus，PT)患者的橫竇和乙狀竇血流動力學，并比較其與健康對照者的差異；該研究共測量了PT組與對照組之間的平面速度、最大通過平面速度、平均速度、最大速度、平均血流量；結果發現與對照組相比，PT組所有參數均高于對照組，且在血管內觀察到湍流(圖3)。因此，4D Flow MRI獲得的血流動力學信息可作為靜脈PT診斷和治療評估的非侵入性生物標志物。

圖3 4D Flow MRI觀察到靜脈性搏動耳鳴患者血流速度顯著升高，并觀察到局部的湍流等異常血流狀態[7]。a～b)靜脈性搏動耳鳴患者；c)健康對照者。 圖4 4D Flow MRI顯示各參數值均隨著患者年齡的增長而降低，頸動脈分叉處的血流動力學參數較其他部位明顯降低[8]。a～d)分別為健康對照者、青年人、中年人、老年人的血流速度；e～h)分別為健康對照者、青年人、中年人、老年人的剪切力。

本課題組前期研究了4D Flow MRI在頸部血管中的應用，首先探究了20～75歲志愿者不同部位頸動脈血流速度、WSS和PG的變化，筆者發現血流動力學各參數值均隨著年齡的增長而降低(圖4)，且頸動脈分叉處的血流動力學參數較其他部位明顯降低。由于年齡和頸動脈分叉部是動脈粥樣斑塊發生的重要內在因素，因此筆者認為低的血流動力學參數與動脈粥樣斑塊的發生有密切關系[8]。在此基礎上，筆者進一步研究了高低風險斑塊WSS的改變，結合DWI、高分辨率MRI和臨床癥狀，將斑塊進行分類，并測量狹窄處WSS的改變。結果發現高風險斑塊處的WSS明顯高于低風險斑塊，而在不同的心動周期，WSS的變化不同，舒張期較收縮期變化更明顯，軸向WSS較環向WSS的差異更顯著[2]。本課題組的研究發現在早期斑塊形成的過程中，WSS等血流動力學降低會促進斑塊的發生，但在斑塊形成后，高WSS容易促進其成為高風險斑塊，在不同的心動周期和不同的方向上，WSS的細微變化也不盡相同，4D Flow MRI可全面且細致地顯示斑塊血流動力學的改變。

4DFlowMRI在心血管系統的應用

心血管系統是4D Flow MRI應用最廣泛的領域，心臟和大血管由于血管管徑大，能清楚顯示血流軌跡和異常流動，非常適合做血流動力學研究。

Callaghan等[9]采用4D Flow MRI研究了247例健康成人主動脈的形狀和血流動力學變化與年齡的關系，測量了主動脈彎曲度、弓形度、升主動脈角、升主動脈直徑、由主動脈體積歸一化的每搏輸出量以及血流動力學參數(速度、渦度和螺旋度)，測量方法如圖5所示。結果發現主動脈彎曲度、弓形程度、升主動脈角、升主動脈直徑隨年齡增長而增大，而胸主動脈速度、渦度和螺旋度隨著年齡的增大而減小。因此，主動脈的形狀和血流動力學與年齡密切相關，在主動脈的疾病中應根據不同的年齡選擇不同的對照。

圖5 主動脈弓各形狀和血流動力學參數測量方法[9]，a～d為形狀參數，e～i為血流動力學參數。a)彎曲度(aortic curvature)；b)主動脈弓角度(arch shape)；c～d)升主動脈角(ascending aortic angle)；e～f)流速(velocity)；g)渦度(vorticity)；h～i)螺旋度(helicity)。 圖6 TOF早期修復術后，仍在不同的心動周期內出現異常螺旋流動，4D flow MRI 可以直觀展示[10]。

法洛四聯癥患者由于進行性主動脈根部擴張和主動脈順應性降低，存在發生晚期主動脈并發癥的風險。青春期前早期修復可以使主動脈直徑正?；?，但目前尚不清楚早期修復能否使主動脈壁組織學和順應性正?；蚪档屯砥谥鲃用}并發癥的發生率。Schafer等[10]采用4D flow MRI來確定法洛四聯癥患者在嬰兒期進行修復后，主動脈直徑的變化及主動脈壁血流動力學狀態和管腔流量參數，結果發現各組之間的胸主動脈直徑無明顯差異，所有法洛四聯癥患者的主動脈直徑均在正常范圍內。在法洛四聯癥組中，升主動脈和降主動脈的相對面積變化和擴張性顯著降低，并且在整個主動脈中，收縮期峰值WSS和平均WSS均升高，超生理收縮螺旋形成(圖6)。因此，盡管早期修復恢復了正常的主動脈尺寸，法洛四聯癥術后患者在青春期前和青少年期在近端主動脈中仍具有高的壁切應力、較高的僵硬度和病理性收縮流形成，因此仍然存在發生晚期主動脈并發癥的風險。

胡立偉等[11]采用4D Flow研究主動脈縮窄(coarctation of aorta，CoA)術后患兒與正常兒童志愿者血流動力學參數的變化，探討4D Flow在CoA術后的評估價值，對PWV、能量損失(Energy Loss，EL)和WSS等血流動力學參數進行定量評價。研究結果顯示與對照組相比，病變組狹窄部位遠端層面的WSS和PWV明顯升高，因此，4D Flow可用于定量評價CoA術后血流動力學變化。主動脈EL與狹窄段近端的渦流大小有關。狹窄段部位渦流大小和WSS升高是早期影響CoA術后血管順應性下降的重要因素。

4DFlowMRI在腹部的應用

腹部4D Flow MRI主要研究的是肝動靜脈和門脈系統，在肝硬化導致的靜脈曲張中體現了重要價值。為了探究4D Flow MRI是否可用于無創性縱向監測經頸靜脈肝內門體分流術(transjugular intrahepatic portosystemic shunt，TIPS)前后肝血流的血流動力學，Stankovic等[12]在早期的實驗中驗證了4D Flow技術評估肝動靜脈和門靜脈系統的可行性。Bannas等[13]采用4D Flow MRI測量了術前、術后4周、術后12周腸系膜上靜脈(superior mesenteric vein，SMV)、脾靜脈(spleen vein,SV)、門靜脈(portal vein,PV)和TIPS分流血管的血流量和峰值速度，結果發現SMV和PV的流量顯著增加(圖7)，術后4周與12周之間沒有明顯差異。7例患者中6例出現腹水消退。在解決了腹水的患者中，TIPS/PV術后兩次的血流量比為(0.8±0.2)和(0.9±0.2)，而難治性腹水患者的比例分別為4.6和4.3。

圖7 4D Flow MRI門脈系統血流動力學實現了可視化和量化。a)TIPS置入前與置入后2周的4D-Flow血管造影顯示動脈(紅色)、靜脈(藍色)、門靜脈(黃色)和TIPS(灰色)；b) TIPS放置術前與術后2周顯示門脈循環中的血流速度，可見TIPS術后SMV、SV和PV中的血流速度顯著增加[13]。

Motosugi等[14]采用4D Flow研究肝硬化患者靜脈曲張出血的風險。在內鏡檢查中將靜脈曲張分為三種：無靜脈曲張、低風險和需要治療的高風險。采用4D Flow MRI測量PV、SMV、SV和奇靜脈的流量，計算PV和SV的分數流量變化以量化從PV和SV到靜脈曲張的分流(流出)。 結果顯示高風險靜脈曲張的獨立指標是奇靜脈血流量大于0.1L/min和PV中的分數流量變化小于0；說明奇靜脈流量大于0.1L/min、門靜脈血流量小于脾臟和腸系膜上靜脈血流總和，是分層肝硬化患者胃食管靜脈曲張出血風險的有效指標。

除此之外，Lebenatus等[15]在研究中發現4D Flow MRI可直觀顯示腹主動脈瘺連接點噴射(圖8)，并可測量近端主動脈血流量和每個心動周期到瘺管的流量；表明4D Flow MRI能可視化血流方向，并幫助量化主動脈瘺中的血流量。

圖8 a)腹主動脈CTA；b)腹主動脈流速編碼圖像：可直接顯示連接點噴射，并可測量出近端主動脈血流量為50mL/心動周期，每個心動周期到瘺管的流量為30mL[15]。

4D Flow MRI在過去幾年中不斷發展，在中樞神經系統、心血管系統及腹部中得到了初步應用。4D Flow MRI前期因為掃描技術和后處理復雜等原因在國內的研究還較少，隨著相關技術的發展，現已有各種平臺可以成熟處理。4D Flow MRI能在體直接評估血液的血流動力學，可以在心動周期的任意時刻沿著任意方向從任意角度測量血流動力學參數，并可對流速的方向和大小進行彩色編碼，直觀展示血管內血流狀態的動態變化。血管疾病的研究可分為形態學和血流動力學，形態學上由于高分辨血管壁成像的出現有重要進展，4D Flow MRI的出現有望從血流動力學上實現另一項突破并成為臨床及科研中的重要工具。