2023年SCMR 4D Flow心血管磁共振共識聲明解讀

賈溪，趙世華

0 引言

四維心血管磁共振血流成像（four-dimensional cardiovascular magnetic resonance flow imaging, 4D Flow CMR）可在單次采集中提供全面的心血管血流的體內表征，有助于理解心血管疾病的病理生理和臨床表現。該技術同時對三個空間維度的血流進行速度編碼，并相對于三個空間維度和沿心臟周期的時間維度來解析血流速度（3D+時間=4D）[1]。目前臨床最常用的CMR 血流成像技術是單向速度編碼的2D 電影相位對比CMR（2D cine phase contrast CMR,2D cine PC-CMR），與之相比，4D Flow CMR 不僅能實現相當的血流體積定量，還具有以下優勢[2]：（1）利用質量守恒原理對數據進行評估和驗證，有利于數據質量保證的標準化，確保了4D Flow CMR 測量數據具有良好的內部一致性；（2）可在采集區域內的任何位置設置平面以實現回顧性地測量血流參數，與需要多次掃描的2D cine PC-CMR 相比更快[3]，從而縮短低齡兒童的麻醉時間或失代償患者的掃描時間；（3）4D Flow CMR 的瓣膜追蹤技術使通過瓣膜的血流評估更加準確；（4）能夠評估所有空間方向的血流從而更精準地測量狹窄射流的峰值速度。另外，與用計算機模擬真實流體模型計算得出結果的計算流體力學（computational fluid dynamics, CFD）相比，4D Flow CMR 是活體內直接測量，其準確性和真實性更高。

自2015 版4D Flow CMR 共識聲明[2]發布以來，隨著CMR掃描儀硬件和線圈、數據采集和重建策略、后處理工具的發展，4D Flow CMR的用戶基礎逐漸擴大，目前已在全球多個臨床中心中常規使用，特別是應用于主動脈疾病、先天性心臟病及其他心血管疾病。然而，4D Flow CMR在臨床實踐和科學研究中的應用具有不同優先級。臨床采集需要快速可靠的血流和流速定量，科學研究則優先考慮數據的全面性，由于缺乏預定義的金標準，其驗證更為復雜。

心血管磁共振學會（Society for Cardiovascular Magnetic Resonance, SCMR）對先前發布的共識聲明進行更新，制定了2023 版4D Flow CMR 共識聲明[1]，提供了臨床推薦采集參數、后處理工作流程、臨床中心的最低質量保證和驗證標準、臨床實踐整合的相關建議和推薦的出版標準，并討論了該技術的局限性，對未來發展進行展望，以期進一步促進4D Flow CMR 在全球臨床工作流程中的廣泛應用，并有助于保持高質量的出版標準。筆者就該共識聲明進行以下解讀，以方便國內同行參考學習。

1 臨床推薦采集參數

使用4D Flow CMR 采集的主要目標是實現高精度，其影響因素有很多，包括磁場強度、成像設備、接收器線圈、成像參數、心電門控、呼吸門控、患者準備與配合等。選擇4D Flow CMR采集參數時需要平衡掃描精度和掃描時間，臨床采集時間通?？刂圃?～10 min，將其添加至臨床工作流程中，如釓延遲強化（late gadolinium enhanced, LGE）的等待期，可避免干擾既定掃描方案。

1.1 設備和設置

新版共識聲明指出較高場強（如3 T）可改善信噪比（signal-to-noise ratio, SNR），有益于需要較高空間分辨率的低齡兒童，而身體尺寸較大的大齡兒童和成人在較低場強下即足以獲得良好SNR，因此臨床選擇場強時應考慮患者年齡及身體尺寸等因素。另外，新版共識聲明還提出了線圈的選擇標準，其很大程度上取決于本地協議和可用性，數量需要與掃描儀及時重建數據的能力相平衡，常規用于標準心臟成像的線圈元件數量足以完成高質量4D Flow CMR 采集。為保證數據質量，理想狀態下應進行全容積覆蓋成像，至少包括瓣膜、主動脈竇和肺動脈竇，掃描人員可通過掃描儀的解剖定位圖像來確認視野是否覆蓋感興趣區（region of interest, ROI）。各單位可根據個體病理/不同年齡組對標準化方案進行調整以便使用。

1.2 掃描參數

患者的生理參數會影響血流成像的準確性和精確度。不同體型和心率會影響時空分辨率及SNR，進而影響速度噪聲比（velocity noise ratio, VNR），因此該共識聲明建議根據不同年齡組調整空間分辨率。由于圖像重建過程中使用空間插值，重建分辨率常高于基于視場和K 空間矩陣大小的采集分辨率，而序列性能主要由采集分辨率定義，因此兩種分辨率均應在科學出版物中說明。

非對比4D Flow CMR 采集中應選擇盡可能低的流速編碼（velocity encoding limit, VENC），在避免速度混疊的同時保證足夠的VNR，提高準確性。新版共識聲明進一步明確VENC 的選擇標準，應比最大流速高10%，但不超過25%[4]，可根據既往影像學檢查結果進行選擇，否則可在主動脈瓣或ROI 采用2D相位對比采集或快速速度偵察序列。若無先前2D相位對比采集，則根據是否懷疑管腔狹窄做出不同選擇。懷疑狹窄者選擇250 cm/s作為初始VENC，無可疑狹窄者按照以下標準選擇：（1）大血管（肺動脈和主動脈），150 cm/s；（2）夾層假腔，50～150 cm/s；（3）靜脈血流（Fontan 患者包括心外導管和肺動脈），50～80 cm/s；（4）心腔內，100～150 cm/s。此外，雙VENC、多VENC或可變VENC 可以提高速度動態范圍和VNR，研究[5-7]表明左肺上葉切除術后患者通過雙VENC 的4D Flow CMR 成像能夠檢出引起血栓形成的左房異常血流，而多VENC 的4D Flow CMR 成像還能提高檢測主動脈低流量的準確度，以及路徑線和流線的準確性，并且在心臟附近動靜脈的流量測量中具有良好的準確性和可重復性，減少了觀察者間變異。

1.3 對比劑和翻轉角

具有短重復時間的擾相梯度回波序列無需對比劑即可生成相位對比血管造影圖像。使用釓對比劑[8]或超順磁性氧化鐵[9]可縮短T1 從而改善圖像SNR 和VNR，提高圖像質量。然而對比劑并非必要使用，多數情況下不使用對比劑就能獲得良好的圖像質量，所以目前更傾向于非對比劑采集。

增加翻轉角可優化成像參數[10]，新版共識聲明進一步明確了翻轉角的設定標準。非對比4D Flow CMR 采集的標準翻轉角應設定為接近Ernst角，即7°左右，重復時間和回波時間應盡可能短。關于使用對比劑后的翻轉角，目前臨床中心指南為：（1）給藥后直接獲得4D Flow CMR，15°～25°（1.5 T）和12°（3 T）；（2）LGE 后獲得4D Flow CMR，較低翻轉角（類似非對比度值）；（3）使用超順磁性氧化鐵，15°～25°；（4）新生兒，由于特定吸收率（specific absorption rate, SAR）的限制翻轉角應降為12°。

1.4 患者掃描前準備

4D Flow CMR 掃描需要心電圖（electrocardiogram,ECG）門控盡可能回顧性地捕捉心動周期內的動態變化，并通過可檢測的R 波來確保RR 間期的一致性，因此需要操作人員監測ECG 信號并估計采集時間，以確定電極是否需要重新定位，以免ECG 信號不良導致掃描時間延長，圖像質量和準確性降低。另外，呼吸運動抑制可提高圖像質量，且無需延長掃描時間。序列開發商或供應商應為是否針對特定序列行呼吸運動抑制提供指導和建議，目前多數臨床中心不使用呼吸運動抑制。心率較快患者（如新生兒、精神緊張或運動期間人員，心率＞120 bpm）如需呼吸運動抑制，可考慮自門控等技術以最大限度地減少呼吸偽影。評估主動脈血流時，彈簧圈的位置應足夠高以完全包圍主動脈弓。4D Flow CMR 掃描時間可能相對較長，應在掃描開始前告知患者以減少不適感。

2 臨床后處理工作流程

2015版4D Flow CMR共識聲明中詳細描述了數據預處理步驟，包括校正渦流或伴隨梯度場引起的相位偏移、避免速度混疊等，目前仍然適用，但相關數據處理方法可能因不同磁共振系統、序列、協議和應用而異。新版共識聲明指出目前大多數4D Flow CMR后處理分析軟件包已獲得臨床常規基礎血流量化的監管機構批準，并且允許血液流動的可視化和各種高級研究參數的分析，如血流偏心率、動能等，部分軟件包還包括瓣膜跟蹤技術，可避免跨平面運動的問題。

2.1 步驟1：背景相位偏移校正

4D Flow CMR 需要校正與渦流和伴隨的梯度場相關的相位偏移誤差以實現精準流量測量。使用固定體模重復檢查并從患者數據中減去靜態組織的流量測量值可校正偏移誤差[11]，但在臨床實踐中過于耗時，新版共識聲明推薦可使用與之性能相當的靜態組 織 插 值 偏 移 校 正[12]，OECHTERING 等[13]對4D Flow CMR 的多軟件包和多供應商進行交叉研究同樣發現，這一方法可提高結果的重復性和再現性。另外，由于ROI 可能位于遠離磁體等中心的位置，偏移誤差會隨著與磁體等中心的距離增加而增加，因此應特別注意大視場。

2.2 步驟2：速度抗混疊

最大血流速度超過所選VENC 時，速度混疊會引起測量結果受損，相位展開可提高其測量精度。目前多數軟件可以檢測相鄰體素速度值的較大偏移并自動校正。然而，新版共識聲明提示應目測心臟收縮期和舒張期峰值以檢查三個速度編碼方向是否存在不可校正的速度混疊，受其影響的圖像區域則不進行分析。

2.3 分割

新版共識聲明詳細描述了分割的具體方法和注意事項。軟件提供的方案包括三維分割血管，或在成像體積中選取ROI，在其二維橫截面上描繪血管輪廓來評估血流量。選擇合適的ROI 并進行定向和分割是血流和速度量化過程的重要部分[14]。排除受偽影影響的區域，在與血管正交的二維平面中測量血管流量值。由于血管運動，應在整個心動周期中調整ROI，可借助基于中心線的平面定位和基于配準的輪廓傳播。

2.4 可視化

可視化有助于檢測和理解不同病理中的血流變化，如分流或瓣膜功能不全?，F有多種工具可完成可視化，例如基于速度的顏色編碼、最大速度投影（maximum velocity projection, velocity MIP）、瞬時流線和時間分辨路徑。共識聲明中強調流線并不代表搏動血流的流動路徑，而是提供有關瞬時速度場的信息，因此短流線可最大程度地減少誤差?？梢暬瘧ㄍ暾S體積的動態可視化以及特定ROI 的局部可視化[15]。速度值倒置時，可視化可作為一種快速的質量評估方法。

2.5 量化

在解剖和血流可視化的引導下，可在解剖學標志或病理血流區域放置二維平面以測量血流參數。臨床報告中應包括流量和流速等4D Flow CMR衍生參數。另外要注意對定量數據進行內部一致性驗證。

由于某些流動幾何形狀可能影響血流測量的準確性，新版共識聲明補充了應對這些情況的測量方法，建議操作者應謹慎測量高速射流區域、湍流導致大量失相區域及高渦旋血流，尤其是升主動脈瘤或動脈瘤狀肺動脈[16]。此時可在異常血流區域外進行替代血流測量或聯合使用心室容積測量以指導臨床治療，例如使用上腔靜脈和降主動脈血流作為主動脈中的凈前向血流。

目前許多軟件包新增了瓣膜追蹤技術，通過兩個正交的電影視圖（比如二尖瓣的左室兩腔心和四腔心視圖）來跟蹤整個心動周期的瓣膜運動，重構垂直于反流射流的平面來量化瓣膜反流量，提高二尖瓣和三尖瓣流量評估的準確性，包括直接射流定量或間接定量法，均在新版共識聲明中進行了具體介紹。（1）直接射流定量：適用于僅有一個中心射流的反流病變，如主動脈瓣反流、肺動脈瓣反流、功能性二尖瓣反流、或房室間隔缺損矯治術后房室瓣反流。其優勢為無需對通過其他瓣膜或房室間隔的反流射流形態或質量守恒進行假設，且所有四個瓣膜的流量量化均來自同一平均心動周期的同一數據集。（2）間接定量法：即二尖瓣反流量化的標準CMR 方法，包括減去主動脈凈左心室搏動容積。瓣膜追蹤技術改進了間接法，即從二尖瓣前向血流中減去主動脈凈血流。該方法適用于有多個不同方向的射流或反流射流具有不可糾正的混疊，通過二尖瓣和主動脈瓣進行瓣膜跟蹤，結果更加準確[17-18]。

無論使用何種定量方法評估瓣膜反流量，均建議與標準方法交叉核對定量結果。若兩種方法的反流量定量結果存在顯著差異（＞15 mL或＞10%），建議按照質量守恒原理（即進出腔室的流量應保持平衡）重新分析并調查原因：左心室每搏輸出量（短軸電影分割）=二尖瓣前向血流+主動脈后向血流=主動脈前向血流+二尖瓣后向血流?；仡櫺园昴ぷ粉櫷瑯舆m用于心房顫動患者[19]，但存在流量被低估的風險，此時相對血流量化如反流分數則更為可靠。

3 質量保證和驗證建議

為納入標準臨床實踐，4D Flow CMR 的采集必須達到質量閾值，為臨床醫師進行數據的準確定性定量提供信心，其準確性還受到供應商序列、采集參數和后處理軟件的影響。另外，驗證4D Flow CMR的序列開發、重建算法、后處理工作流程等多個方面對于科學研究的順利推進也十分重要。因此，無論是在臨床實踐中還是研究背景下，初始驗證和持續的質量保證都是4D Flow CMR 應用的重要方面，新版共識聲明針對這一部分在2015版的基礎上進行了擴展。

3.1 臨床使用的質量保證和驗證建議

3.1.1 初始驗證

一般建議在使用新序列、采集參數發生重大變化、或使用新的后處理平臺時應該進行初步驗證。聲明建議使用標準的2D Flow 和4D Flow CMR 對健康受試者和/或沒有任何心內或心外分流的患者采集10 個數據集，至少包括：升主動脈、肺動脈干、左右肺動脈分支、上腔靜脈、降主動脈和肺靜脈。如有可能，建議在同一天或一個確定的短時間內（＜1 個月）對志愿者或患者進行重復掃描。

定量評估包括3個步驟：

（1）與2D Flow CMR 比較。建議至少比較10 個數據集中的升主動脈、肺動脈干、左右肺動脈分支、上腔靜脈、降主動脈的前向血流和峰值速度。

（2）數據集內驗證。利用質量守恒原理，質量既不產生也不破壞，因此流量應保持相等?？蛇M行以下前向流量比較：主動脈流量（如果在竇上方測量，則增加5%的冠狀動脈流量）=肺動脈流量；右肺動脈流量+左肺動脈流量=主肺動脈流量；肺動脈分支流量=肺靜脈流量（如不相等則檢查肺靜脈異常）；上腔靜脈流量+降主動脈流量=升主動脈流量；此外，聲明建議在升主動脈Valsalva 竇和第一分支血管之間放置2～4 個測量平面，同理，流量在所有平面內應相匹配（差異＜5%）。

（3）閱片者內和閱片者間比較（當后處理平臺更改時/更新后）。建議參與臨床服務的每位閱片者按照上述驗證流程對所有10 個數據集完成兩次驗證，間隔至少1 周。理想狀態下流量評估的差異應＜5%，由于掃描間存在微小生理差異，掃描-重新掃描的差異在10%以內均可接受。

3.1.2 日常質量保證

相位對比和數據集的初始視覺評估應包括運動偽影、環繞偽影和心臟收縮期間任何混疊的評估。應利用質量守恒原理進行數據集內驗證的定量評估。至少完成上述“數據集內”的前向流量比較之一。其選擇取決于潛在的解剖和生理學，應由閱片醫師決定。

3.2 研究環境中的質量保證和驗證建議

有幾種方法可驗證4D Flow CMR 的序列開發、重建算法、后處理工作流程等多個方面，大致可分為：（1）體內研究；（2）體外研究；（3）計算機模擬。需要注意的是，目前尚無評估和驗證4D Flow CMR 所有方面的單一方法，且評估和驗證方法需要針對特定的序列、參數或應用進行調整。

3.2.1 體內研究

體內研究用于評估和驗證新的4D Flow CMR 方法，并與其他方法（如超聲心動圖、2D Flow CMR 及其他4D Flow CMR 方法）進行比較[20-22]。由于封閉系統內（心臟或主動脈）流入與流出量應相等，可使用質量守恒原理等一致性標準進行驗證。該方法的主要優勢在于能代表其最終效用，面臨的挑戰是無法獲得先進的血液動力學參數（如壁面剪切應力、脈波傳導速度、湍流動能、渦度、壓力梯度和心室內血流組分等）的參考數據。

3.2.2 體外研究

理想的或解剖學精確的血管和心臟模型中的體外體模研究，即流動體模，允許在已知和可重復的流動條件下進行評估和驗證。其優勢之一是能在同樣的流動設置上進行多種不同參數設置的長時間掃描，之二是可以驗證后處理軟件，并將結果與流量計、“計時器和燒杯”和壓力探針測量結果以及其他實驗流體動力學技術（如粒子圖像測速和直接壓力測量）進行比較[23]。其劣勢是體外模型通常缺少真實的周圍組織。除了具有真實幾何形狀和脈動流的高級流體模型有很高價值，簡化的體模實驗也可提供一定的價值。

3.2.3 計算機模擬

在數值速度數據中模擬4D Flow CMR 測量，也稱為合成體模和數字參考對象，允許在完全已知的流動環境中詳細研究序列設計和參數設置的影響[24-25]。該方法的另一個優勢是可以使用更為逼真的周圍組織來創建合成體模，這與重建算法和處理工具有關。也可考慮混合體外/合成體模，即將體外數據嵌入合成背景。其主要劣勢是模擬逼真度的問題，即模擬結果反映現實的程度，而提高模擬逼真度需要更多的計算機資源。因此，模擬所需的完整度，與該研究在模擬時間和模擬完整性之間的權衡結果相關。

總之，4D Flow CMR 方法的開發可以通過體內研究、體外研究、計算機模擬或其組合來評估和驗證。

4 融入臨床實踐

將4D Flow CMR 融入臨床實踐中時，要注意對4D Flow CMR 序列進行初始驗證，還需要考慮圖像存儲空間問題、集成圖形處理單元（graphics processing units, GPUs）及較高的計算機處理器能力等，或者采用一些軟件供應商提供的基于云的4D Flow CMR。

隨著臨床驗證應用程序和后處理軟件的出現，4D Flow CMR 序列逐漸被添加到臨床常規CMR 操作規程中。關于4D Flow CMR在臨床實踐中的優先級，新版共識聲明指出應考慮以下幾個因素：（1）多數情況下非對比4D Flow CMR 足以解決臨床問題，如因其他臨床問題需要使用釓對比劑，則應在CMR血管造影后或心肌LGE 前的延遲期間使用；（2）臨床適應證中包括血流量化（如分流評估、瓣膜反流定量）時，4D Flow CMR 具有更高優先級，應在成像流程中盡早完成；（3）在4D Flow CMR發揮輔助作用的病理（如主動脈瘤）中，應確保所有診斷序列在4D Flow CMR 采集前完成。這對臨床醫師將4D Flow CMR技術融入臨床實踐起到了重要的指導作用。

該聲明建議將流量和峰值速度的定量分析加入標準CMR 報告模板，并建議開發一個工作流程以DICOM 格式保存4D Flow CMR 圖像和視頻，然后將其加載到標準觀看平臺上供臨床醫生和多學科團隊會議使用。

5 推薦的出版標準

4D Flow CMR 相關的技術出版物（通常旨在提出和評估新技術）和臨床研究（將4D Flow CMR應用于臨床問題）的推薦標準存在差異。新版共識聲明中補充了包含4D Flow CMR的科學出版物應遵循的基本和推薦標準。高質量和標準化的出版物將使提出的序列方案更易于復制并應用于臨床，促進更高質量的薈萃分析，以推動該領域向前發展，因此以下推薦標準應被嚴格遵守。

具體思路：（1）引言。對于基于先驗假設的研究，研究目的中應清楚地說明所有假設。（2）方法-采集。所有可能影響4D Flow CMR數據質量的數據處理方法均應作出說明，包括對渦流、梯度場不均勻導致的失真、體素內移相和伴隨梯度場、速度混疊以及噪聲濾波的校正方法（如果不使用市售序列和數據處理軟件）。另外，許多參數會影響4D Flow CMR數據的圖像質量和屬性，包括硬件細節、采集參數和后處理軟件，因此均應進行報告。（3）方法-數據處理。數據處理可由商業CE和FDA批準的軟件包完成，而內部開發的工具可進一步推動技術的發展。開源軟件解決方案促進了可重復性研究，此類工具的可用性應在出版物中說明。對于商業可用及開源軟件，應詳細說明其發布版本。（4）方法-量化。數據處理后可從速度場中提取血流動力學參數，進而推導出一系列指標，每個指標都與特定的應用程序相關。因此，應詳細描述分析方法，以便在其他中心進行類似的分析。（5）方法-統計。臨床診斷和/或結局研究需要根據功效分析設計足夠的樣本量。方法部分應包括一個統計段落，描述研究規模下所使用的所有統計方法；（6）結果。結果部分應包括納入排除的受試者數量、排除原因和數據質量保證的評估結果，至少包括數據集內驗證以及數據子集的閱片者間和閱片者內一致性。考慮到算法及其性能的多樣性，還應說明是否存在速度混疊，并估計速度場的校正效果如何。定量結果最好以表格形式展示，除此之外，還應展示典型圖片或精心制作的插圖。若出版商允許，可將視頻作為補充材料。應對解剖結構作出注釋。定量參數應包括色條。如果在可視化中使用粒子軌跡，應明確其類型（如路徑線、流線）。（7）討論。如果采集設置與此次或之前的建議存在顯著差異，或參與者間有差異，應在局限性中說明，并討論差異對結果的影響。（8）參考文獻。對方法和技術的引用應參考原著。

這些建議標準有助于保證高質量出版物，改善審查過程，并便于比較不同出版物，因此應被嚴格遵守。

6 局限性和未來展望

目前想要實現4D Flow CMR 的廣泛應用，仍然面臨一些挑戰，包括由于單個用戶選擇的VENC 而導致的速度動態范圍有限、長且不可預測的掃描時間、大型數據集的數據存儲（尤其在臨床工作流程中）以及手動且耗時的數據處理（影響用戶信心）。目前的幾項新進展有望在未來克服以上挑戰。（1）加速技術：可縮短采集時間或在同等采集時間內采集更多的數據，減少與速度編碼相關聯的動態范圍問題。4D Flow CMR 技術通?；趩蝹€預定義的VENC來測量血流速度，但加速技術已實現具有雙或多VENC 速度編碼的4D Flow CMR[26-27]，可以獲得具有低VENC 采集的良好VNR 但無速度混疊的4D Flow CMR 數據。（2）呼吸和心臟自門控技術：可簡化和流線化采集，以優化臨床工作流程。然而，由于重建時間的問題目前未被允許用于臨床。（3）加速數據處理工作流：目前4D Flow CMR 的數據分析工作流程通常是非標準化且耗時的，限制其可重復性和臨床轉化?？朔@些限制需要開發具有最小用戶依賴性的有效圖像分析策略，機器學習在這一方面具有相當大的潛力。

7 總結

總之，4D Flow CMR 現已從“漂亮的圖片”轉變為在臨床實踐中量化血流的可靠成像方法，它不再只是研究人員的工具，也成為了臨床醫生的工具，可獨特地提供心血管血流的全面、體內表征，對于解釋心血管疾病的病理生理和臨床表現至關重要。該共識聲明旨在幫助臨床醫師在臨床工作中啟用4D Flow CMR，并為臨床和研究環境設定標準，以確保高質量4D Flow CMR輸出。

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：趙世華設計本研究的方案，對稿件的重要內容進行了修改；賈溪起草和撰寫稿件，獲取、分析并解釋本研究的數據；趙世華獲得國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目資金資助。全體作者都同意發表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。