4D-Flow MRI 在肥厚型心肌病左室流出道血流評估中的價值探索

徐晶，陳秀玉，尹剛，閆偉鵬，陸敏杰，趙世華

0 引言

心腔內(nèi)血流模式的識別有助于更好地理解心血管疾病的病理生理過程，可靠的血流分析更是精準(zhǔn)診療的前提[1]。目前臨床上最常用于血流分析的無創(chuàng)性影像學(xué)檢查手段主要是彩色多普勒超聲心動圖和二維血流（tow-dimensional flow, 2D-Flow）磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）技術(shù)。超聲心動圖簡便易行，可快速獲得平面內(nèi)血流的可視化及超聲束方向上的血流分析，而隨心動周期不停流動的血流是多維多向的，但超聲對血流的評估是基于正常血流切面及血管形狀的假設(shè)，且具有實時性、聲窗限制及操作者依賴性，只能計算單向血流，而缺少三維信息[2-4]；2D-Flow 被認為是流量定量的金標(biāo)準(zhǔn)[5]，但同樣只能評估單個平面內(nèi)單個方向的血流束，且在多次屏氣掃描過程中很難捕捉到峰值血流速度（峰值流速）所在的平面[6]。四維血流（four-dimensional flow, 4D-Flow）MRI 是一種無創(chuàng)、無需使用對比劑的新興技術(shù)，可以在三個維度上全面評估隨時間而變化的血流，包括血流可視化和全面的定量評估[7]。然而，由于4D-Flow 掃描技術(shù)普及度不高，數(shù)據(jù)分析相對復(fù)雜，但大血管形態(tài)直觀，隨心動周期產(chǎn)生的位置及形態(tài)變化較小，故而既往的研究主要集中在大血管上[1,8-9]。隨著4D-Flow技術(shù)的不斷突破，其在心腔內(nèi)的應(yīng)用價值也逐漸受到關(guān)注[1,10-11]，但主要集中在探索4D-Flow對疾病評估的先進性上[12-16]，而少見對4D-Flow 在臨床應(yīng)用中魯棒性的評估[17-21]，尤其是缺乏在不同疾病狀態(tài)的影響下4D-Flow 的可重復(fù)性研究。眾所周知，良好的可重復(fù)性是決定一項新技術(shù)能否成功轉(zhuǎn)化用于臨床常規(guī)診療的關(guān)鍵。因此，本研究擬作為4D-Flow在心腔內(nèi)應(yīng)用的一項先驗研究，前瞻性入選一批肥厚型心肌病（hypertrophic cardiomyopathy, HCM）患者評估其左室流出道（left ventricular outflow tract, LVOT）峰值流速，旨在通過與臨床常用的無創(chuàng)性血流評估技術(shù)進行對比，探究4D-Flow 臨床應(yīng)用的可重復(fù)性及一致性，為進一步臨床推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究為前瞻性、橫斷面研究，收集2022 年8 月至2023 年1 月于我院接受心臟MRI 檢查的HCM患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）符合2020 美國心臟協(xié)會/美國心臟病學(xué)會（American Heart Association/American College of Cardiology, AHA/ACC）指南中HCM 的診斷標(biāo)準(zhǔn)[22]，包括左心室舒張末期最大室壁厚度≥15 mm，基因陽性或有家族史者≥13 mm，并排除其他導(dǎo)致心肌肥厚的原因等；（2）電影序列顯示LVOT 狹窄，且高速血流在流速編碼（velocity-encoded, Venc）值為150 cm/s 的2D 相位流速編碼電影上存在失相位表現(xiàn)；（3）患者心臟MRI檢查前后各一周內(nèi)接受了超聲心動圖檢查，并評估了LVOT 靜息狀態(tài)下峰值流速。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）心律不齊，合并其他心源性或全身性疾病的患者；（2）患有幽閉恐懼癥或配合不佳，未能完成掃描的患者；（3）4D-Flow 圖像質(zhì)量不佳，無法進行后處理者。本研究遵守《赫爾辛基宣言》，通過中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院倫理委員會審批（批準(zhǔn)文號：IRB2022-BG-006），所有入選對象均簽署知情同意書。

1.2 圖像采集

采用3.0 T MRI 掃描儀（美國GE 醫(yī)療集團Discover MR750 和荷蘭Philips 公司Ingenia），由心臟MRI診斷經(jīng)驗豐富的醫(yī)生（≥10年，副主任醫(yī)師）和掃描經(jīng)驗豐富的技師（≥10 年，中級工程師）共同配合，取患者仰臥位進行心臟掃描。2D-Flow 序列于呼氣末屏氣采集，首先采用平行于LVOT的平面內(nèi)流速編碼電影確定血流狀態(tài)，然后在目測流速最高處，掃描垂直于血流方向的通過平面的流速編碼電影，并選用合適的Venc值以確保獲得圖像內(nèi)沒有混疊效應(yīng)偽影。4D-Flow 序列取斜矢狀位，掃描范圍覆蓋整個心臟及胸主動脈，采用自由呼吸、回顧性心電門控同步采集數(shù)據(jù)和心臟運動狀態(tài)，采用自適應(yīng)笛卡爾采樣自動校正重建加速技術(shù)（GE設(shè)備）或并行采集加速技術(shù)（Philips設(shè)備）以縮短掃描時間。同一患者的2D-Flow和4D-Flow 均在相同設(shè)備和相同狀態(tài)（平掃/增強）下掃描，具體掃描參數(shù)詳見表1。結(jié)合文獻和本研究情況，4D-Flow的Venc值設(shè)為150～250 cm/s[12,23]，同時使用帶有相位展開技術(shù)的后處理軟件進行信號校正后測量[24]。

表1 2D-Flow和4D-Flow的基本掃描參數(shù)Tab.1 The basic scan parameters of 2D-Flow and 4D-Flow

所有患者于MRI 前后各一周內(nèi)接受至少一次常規(guī)二維及多普勒超聲心動圖（EPIQ 7, Philips Healthcare）檢查，取半左側(cè)臥位，心尖五腔心或心尖三腔心切面，同時顯示LVOT血流顏色最雜亂的部分及其近、遠端血流，通過連續(xù)頻譜多普勒測定收縮期峰值流速，定量評估LVOT梗阻嚴重程度。

1.3 圖像分析

使用Circle CVI 42（Version 5.14.2，加拿大）軟件，由2 名具有3 年以上心臟MRI后處理經(jīng)驗的住院醫(yī)師以雙盲法對2D-Flow 和4D-Flow 圖像進行后處理分析，其中1 名醫(yī)師于1 個月后再進行一次后處理。2D-Flow 后處理通過在CVI 相應(yīng)模塊內(nèi)通過勾畫感興趣區(qū)、并進行背景校正后獲得LVOT 峰值流速；4D-Flow 后處理需要首先劃定感興趣區(qū)、校正偏倚及混疊偽影，然后根據(jù)需要對心腔進行分割，保留部分/全部左房、完整左室及部分升主動脈，最后進行流速、跡線圖等多種可視化分析，通過雙平面定位法結(jié)合在可視化圖像上融合高分辨率的左室流出道電影序列輔助定位，獲得LVOT 峰值流速。圖1 為心腔內(nèi)4D-Flow后處理流程示意圖。

圖1 使用Circle CVI 42 進行心腔內(nèi)四維血流（4D-Flow）后處理流程示意圖。Fig.1 Schematic diagram of intracardiac four-dimensional flow(4D-Flow) post-processing by Circle CVI 42.

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 23.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intra-class correlation coefficient, ICC）、變異系數(shù)（coefficient of variation, COV）及Bland-Altman分析評估2D-Flow、4D-Flow 的可重復(fù)性，組內(nèi)/組間COV 則通過兩次測量間差異的標(biāo)準(zhǔn)差除以測量平均值獲得，并以百分比表示[25]。COV 和ICC 按照先前研究[26]使用的標(biāo)準(zhǔn)進行評價：COV＜10%認為可以接受，11%～20%認為適度但足夠，＞20%認為過高；ICC＜0.50表示一致性較差，0.50～＜0.75認為一致性中等，0.75～0.90 認為一致性較好，0.90 以上一致性極好。采用ICC 及Bland-Altman 分析評估2D-Flow、4D-Flow、超聲心動圖間的一致性，并通過Pearson 相關(guān)性分析評估三者間的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)r的絕對值≥0.8 認為高度相關(guān)，0.5～＜0.8 認為中度相關(guān)，0.3～＜0.5 認為低度相關(guān)，＜0.3 時認為基本不相關(guān)。P＜0.05時認為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 基本資料

共21 例HCM 患者完成全部心臟MRI 及超聲心動圖檢查，圖像質(zhì)量均可用于后處理分析。入組患者總體年齡為14～70（46±14）歲，其中男14 例（66.7%），18例（85.7%）患者通過Philips MRI掃描儀完成掃描。2D-Flow 測量21 例患者的平均LVOT 峰值流速為（2.3±0.5） m/s，4D-Flow測量的平均值為（2.8±0.6） m/s，超聲心動圖測量的平均值為（3.5±1.2） m/s，三種技術(shù)的測量結(jié)果沒有顯示出一致的變化趨勢，個體化變化趨勢如圖2所示。

圖2 二維血流（2D-Flow）、四維血流（4D-Flow）及超聲心動圖測量下左室流出道峰值流速的個體化變化趨勢圖。Fig.2 Individualized changes of peak velocity of left ventricular outflow tract measured by tow-dimensional flow (2D-Flow), four-dimensional flow (4D-Flow) and echocardiography.

2.2 2D-Flow觀察者內(nèi)和觀察者間測量一致性

同一醫(yī)師通過2D-Flow 兩次測量同一患者的LVOT 峰值流速的ICC 及COV 分別為0.999（P＜0.05）和0.5%；不同醫(yī)師測量同一患者的LVOT峰值流速的ICC 及COV 分別為0.999（P＜0.05）和0.5%。2D-Flow測量一致性的Bland-Altman分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 二維血流（2D-Flow）和四維血流（4D-Flow）測量左室流出道（LVOT）峰值流速的可重復(fù)性及一致性分析。Fig.3 Repeatability and consistency analysis of peak velocity of left ventricular outflow tract (LVOT) measured by two-dimensional flow (2D-Flow) and four-dimensional flow (4D-Flow).

2.3 4D-Flow觀察者內(nèi)和觀察者間測量一致性

同一醫(yī)師通過4D-Flow 兩次測量同一患者的LVOT峰值流速的ICC及COV分別為0.995（P＜0.05）和2.4%；不同醫(yī)師測量同一患者的LVOT峰值流速的ICC及COV 分別為0.992（P＜0.05）和2.6%。4D-Flow 測量一致性的Bland-Altman分析結(jié)果如圖3所示。

2.4 2D-Flow、4D-Flow、超聲心動圖間測量結(jié)果的比較

4D-Flow和超聲心動圖測量的LVOT峰值流速具有中度相關(guān)性（圖3），相關(guān)系數(shù)r為0.574（P=0.006），但一致性較差，ICC 為0.375（P=0.013），Bland-Altman分析結(jié)果如圖4 所示；2D-Flow 和超聲心動圖測量的LVOT 峰值流速間沒有顯著相關(guān)性（P=0.670，圖4），ICC 為-0.038（P=0.617）；2D-Flow 和4D-Flow 測量的LVOT 峰值流速亦沒有顯著相關(guān)性（P=0.567，圖3），ICC為0.102（P=0.287）。

圖4 二維血流（2D-Flow）、四維血流（4D-Flow）與超聲心動圖測量左室流出道（LVOT）峰值流速的一致性分析。Fig.4 Consistency analysis of peak velocity of left ventricular outflow tract (LVOT) measured by two/four-dimensional flow (two/four D-Flow) and echocardiography.

3 討論

本研究通過在HCM患者中應(yīng)用磁共振4D-Flow、2D-Flow 及超聲心動圖三種影像學(xué)技術(shù)測量LVOT的峰值流速，發(fā)現(xiàn)4D-Flow可以很好地可視化心腔內(nèi)血流，具有較高的可重復(fù)性，且與超聲心動圖具有顯著的一致性。這一發(fā)現(xiàn)有望推動4D-Flow 在不同疾病心腔內(nèi)應(yīng)用的研究進程，為進一步的血流動力學(xué)、形態(tài)學(xué)分析及相關(guān)疾病的預(yù)后研究打下基礎(chǔ)。

3.1 4D-Flow的技術(shù)優(yōu)勢

本研究中的21 例患者在2D-Flow、4D-Flow 及超聲心動圖測量下LVOT峰值流速的變化較為迥異，三種技術(shù)間的一致性也有較大不同，2D-Flow 具有極高的觀察者內(nèi)和觀察者間可重復(fù)性，但卻與4D-Flow和超聲心動圖的測量結(jié)果間不具有顯著一致性。結(jié)合三種技術(shù)的原理及局限性可以在很大程度上解釋以上現(xiàn)象。彩色多普勒超聲心動圖是心腔內(nèi)血流評估最常用的影像學(xué)工具，它通過簡化的伯努利方程計算峰值流速和平均壓差，不僅可以測量超聲束方向上的血流速度分量，亦可提供單向血流速度的2D 可視化。然而，由于超聲檢查具有實時性，在很大程度上依賴于操作者的專業(yè)性，尤其是在有限的聲窗下，較難實現(xiàn)對可變速度的準(zhǔn)確評估（即超聲束對準(zhǔn)）[2-4]。2D-Flow 是心臟MRI 最常用的血流評估技術(shù)，它通過相位流速編碼技術(shù)在垂直于2D 血流方向的平面上獲得單個平面的流速編碼電影序列[6,27]，被認為是流量定量的金標(biāo)準(zhǔn)[5]。然而在臨床應(yīng)用中，由于心臟本身的運動以及患者前后掃描過程中可能存在的屏氣幅度的不一致，2D-Flow 往往很難捕捉到峰值流速所在的平面，而這一局限性可以通過加強患者呼吸配合訓(xùn)練進行一定程度的彌補。4D-Flow 與前兩者不同，它可以測量視野內(nèi)所有空間區(qū)域、任意方向的血流，且允許臨床進行回顧性的血流評估；此外，由于對視野內(nèi)血流的完整量化，可以避免遺漏感興趣區(qū)內(nèi)的血流束，因此4D-Flow的可視化評估更有助于識別復(fù)雜的血流模式[1]。然而，回顧性的血流評估得益于特定的后處理軟件，在精準(zhǔn)的前提下可以有效縮短患者的檢查時間，但也不可避免地增加了后處理時間。

3.2 4D-Flow在心腔內(nèi)應(yīng)用的可重復(fù)性

鑒于4D-Flow的成像優(yōu)勢，我們期望這項技術(shù)能在國內(nèi)呈現(xiàn)良好的發(fā)展趨勢，成為未來評估心腔內(nèi)血流的可靠影像學(xué)工具。目前，4D-Flow 顯示出與心臟結(jié)構(gòu)、功能參數(shù)具有密切的相關(guān)性[14]，且已在正常志愿者中被證實具有良好的掃描-再掃描的可重復(fù)性和穩(wěn)定性[17]；2021 年DEMIR 等[18]通過多中心的15 例健康志愿者證實了4D-Flow 具有良好-優(yōu)秀的掃描-再掃描及觀察者內(nèi)、觀察者間可重復(fù)性（ICC≥0.8），但他們也進一步發(fā)現(xiàn)不同掃描儀獲得的4D-Flow 參數(shù)可能是不一致的（n=10）[18]，雖然這項研究樣本量有限，但也足以提示我們在今后的研究中應(yīng)注意使用相同的掃描儀進行隨訪。在HCM 患者中，GUPTA 等[19]通過比較MRI 間接容積法、4D-Flow直接測量法和超聲心動圖評估二尖瓣反流間的一致性（n=37），發(fā)現(xiàn)間接容積法觀察者間可重復(fù)性有限，4D-Flow 是一種潛在的替代技術(shù)，可以直接定量評估二尖瓣反流的嚴重程度，且具有出色的觀察者間和觀察者內(nèi)的可重復(fù)性，與超聲心動圖的一致性也更高[19]；另一項國際多中心較大樣本研究（7 個中心，140 例）也證明了盡管使用不同的掃描儀和掃描方案，使用自動回顧性瓣膜追蹤技術(shù)定量評估4D-Flow圖像仍具有較高的觀察者內(nèi)和觀察者間一致性[20]。然而，目前國內(nèi)仍罕見4D-Flow在患有心臟疾病的患者心腔內(nèi)應(yīng)用的可重復(fù)性研究發(fā)表。國內(nèi)先前的一項探究4D-Flow 可重復(fù)性及一致性的研究聚焦于評估法洛四聯(lián)癥矯正術(shù)后的肺動脈瓣反流情況[21]，而更遺憾的是，另一項探究心腔內(nèi)4D-Flow 評價HCM 患者左心室舒張功能可行性的研究中，沒有指出該技術(shù)的可重復(fù)性[16]。因此，本研究前瞻性納入一批HCM 患者，希望通過這一較為常見心肌疾患，為4D-Flow在心腔內(nèi)的研究奠定基礎(chǔ)。

3.3 4D-Flow的技術(shù)難點及解決方案

4D-Flow 的掃描和后處理技術(shù)是目前臨床最為關(guān)注的難點。事實上，4D-Flow 的掃描并不復(fù)雜，結(jié)合心電門控及膈肌導(dǎo)航技術(shù)，患者可以在自由呼吸狀態(tài)下完成整個序列的掃描，且在加速成像技術(shù)的支持下[28]，4D-Flow 掃描時間大大縮短，目前臨床完成一例主動脈掃描甚至可在2 min 內(nèi)完成。然而，4D-Flow 的掃描時間與掃描范圍密切相關(guān)，本研究中進行的全心4D-Flow 掃描，亦可在10 min 甚至更短時間內(nèi)完成。在臨床應(yīng)用時，建議結(jié)合患者病情，個性化選擇掃描范圍、定制掃描方案即可大大縮短掃描時間。4D-Flow 的數(shù)據(jù)處理是心臟MRI 中公認的較為復(fù)雜的后處理過程，但隨著近年來多樣化分析工具的開發(fā)[1,29]，逐步規(guī)范化的后處理流程已在較大程度上改善這一過程，尤其是人工智能的介入，已經(jīng)被證明不僅可以有效輔助醫(yī)生在后處理時簡化對心腔分割這一復(fù)雜流程，還能有效減輕觀察者間的變異性[30]。但進一步建立標(biāo)準(zhǔn)化分析方案、統(tǒng)一工作流程將更加有助于提高效率并提高技術(shù)的可重復(fù)性。此外，本研究中有15 例患者在輸注釓對比劑之后進行4D-Flow 的數(shù)據(jù)采集。增強掃描可以有效提高信噪比，但其帶來的改善可能因輸注對比劑后的持續(xù)時間而異。

3.4 本研究的局限性

本研究為單中心前瞻性研究，樣本量較小，且未對更多的參數(shù)及掃描-再掃描的可重復(fù)性進行研究，因此提供的可重復(fù)性及一致性分析價值有限，需要更大樣本量、更多病種的前瞻性試驗進行完善，并能夠進一步探究心腔內(nèi)血流形態(tài)學(xué)、動力學(xué)參數(shù)的改變特點及臨床意義。

4 結(jié)論

綜上所述，本研究初步證明了4D-Flow MRI 能夠?qū)崿F(xiàn)心腔內(nèi)血流的可視化，其測量的左室流出道峰值流速具有很好的可重復(fù)性，且與超聲心動圖的測量結(jié)果具有一定的一致性。作為4D-Flow MRI 在心腔內(nèi)應(yīng)用的先驗研究，本研究可為進一步探究4D-Flow MRI在不同疾病心腔內(nèi)的血流動力學(xué)、形態(tài)學(xué)分析及預(yù)后研究打下基礎(chǔ)。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：趙世華設(shè)計指導(dǎo)本研究的方案，對稿件重要內(nèi)容進行了修改，獲得了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目資助；徐晶起草和撰寫稿件，獲取、分析和解釋本研究的數(shù)據(jù)；陳秀玉、尹剛參與了研究方案設(shè)計，起草了稿件中關(guān)鍵性理論部分；閆偉鵬獲取、分析和解釋本研究的數(shù)據(jù)，參與撰寫稿件初稿；陸敏杰獲取、分析和解釋本研究的數(shù)據(jù)，對稿件重要內(nèi)容進行了修改，獲得高水平醫(yī)院臨床科研青年重點項目資助；全體作者都同意發(fā)表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責(zé)，確保本研究的準(zhǔn)確性和誠信。