4DFlowMR成像原理与心血管应用 [复制链接]

平面相位对比成像已经成为目前心脏大血管MRI测量局部血流的常规技术。平面相位对比MR成像能够进行容积、各向同性、时间分辨电影扫描，进行3个方向血流编码，实现4D血流MR成像。由于扫描时间减短，大数据处理的进步，4D血流成像在临床应用变得可行。原始数据相位偏差校正前流速编码敏感性选择是一个重要的技术问题。4D血流MR成像可以通过流线图和速度矢量图等新的可视化工具进行复杂的血流模式分析。回顾性多平面导航能够实现任何平面灵活、可重复、准确的血流定量。目前血流参数包括前向血流、返流、返流分数、速度峰值。4D血流MR成像还可以提供像壁切应力等高级血流参数用于研究。4D血流MR成像不断增加各种新应用，逐渐成为心血管疾病检查的重要方式。

平面相位对比序列已发展到容积时间分辨电影序列，可以进行3D流速编码，也就是所谓的4D血流MR成像（3D加上时间）。一个呼吸周期内单方向（层间）流速编码可以得到2D相位对比MR图像。当血流必须在不同位置测量时，扫描必须在每个位置重复，扫描平面垂直于感兴趣血管的长轴，这是一个具有挑战性而且耗时的过程。病人尤其是先天性心脏病患者很难配合。然而标准的2D相位对比序列，一幅图可以获得具有单个流速和大小，4D血流成像能够测量不同时间的3D容积。每个4D容积包括容积大小和3个方向的流速编码（图）。

图：4D血流MR成像能够实现实时3D容积成像（4D）。每个4D容积包括一个容积大小和在3个不同空间方向（x、y、z）的相位容积编码。原始数据通过本地或者网上软件进行后处理。先进行相位偏差校正的预处理，然后通过可视化进行回顾性后处理，最后进行数据集的定量分析。GPU，图像处理单位。

4D血流成像需要多种技术支撑，以确保信噪比、血流噪声比，从而产生足够的空间、时间分辨率。技术要求如表：

表：4D血流MR成像技术列表

准备

告知病人4D血流MR成像扫描时间相对比较长。为了减少伪影，获得理想、均质的数据，根据扫描时间，指导病人自然、规律呼吸7-0分钟。大多数病人需要为造影剂注射做准备，钆造影剂通常利用高压注射器来注射。

心电门控

4D血流MR成像把所有解剖位置与心跳同步。通过同步需要覆盖整个心动周期，与R-R间期保持一致。因此，可靠的回顾性心电门控对4D血流MR成像很重要。扫描时选择回顾性而不是前瞻性心电门控。一些厂家正在研究新的自门控技术。

呼吸门控

由于4D血流MR成像数据可以受呼吸运动影响，扫描常常用膈肌导航技术。当调试好一个合适的门控窗时，扫描效率区别很大。根据扫描容积或空间分辨率，加之个体间呼吸方式的差异，扫描时间范围为6-5分钟。

也有很多研究者提到不用呼吸门控进行自由呼吸4D血流MR成像，可以缩扫描时间。多种运动抑制技术可以有效降低呼吸导致的误差。4D血流MR成像是否使用呼吸门控仍然存在争议。

脉冲序列

4D血流MR成像的扫描序列基础是短TE、短TR的损毁梯度回波序列（TR=5-7ms,TE=2-4ms）。

造影剂

4D血流MR成像可以平扫进行。造影剂的使用可以提高信噪比、减少噪声。造影剂的浓度和驰豫率、扫描技术、注射可以影响图像质量。

出于安全考虑，建议使用大分子造影剂。我们使用三个时相扫描：先团注（3-4mL/s），然后缓慢注射（0.-0.2mL/s），最后少量盐水冲洗。

扫描时间

胸部4D血流MR成像，不使用呼吸门控扫描时间5-8分钟，使用呼吸门控扫描时间为0-5分钟。

流速编码敏感性

由于使用2D相位对比序列，血流速度超过流速编码，产生速度混叠，无法实现流速测量。因此，流速编码设置常常大于预期最大流速的0%。但是高流速编码增加了噪声，降低了速度信噪比，特别是血流速度低的地方。扫描时应考虑最好的选择。

当速度混叠发生时，相位展开算法可以提供帮助。不同研究者、厂家推荐不同多/双流速编码来实现低、高速度场一体化，获取理想的速度噪声比。

时间分辨率

理想的时间分辨率应该低于40ms。不考虑血流定量、可视化准确性的降低，为了减少扫描时间，时间分辨率可以降到60ms。

空间分辨率

空间分辨率跟FOV与ROI有关。成年人胸腹部和大血管理想的空间分辨率为.5-3.0mm3。冠矢状位扫描覆盖面积更大。轴位扫描覆盖面积较小（避免卷褶伪影）。

原始数据预处理和后处理

4D血流MR成像产生了大量数据集，形成各种血流特征图像。回顾性导航使数据集能够在扫描后随时进行高精度分析。

本地软件

多种软件可以进行大数据传输和处理。这种方法的优势就是进行本地预处理和后处理。该方法最主要的问题是耗时，需要强大的电脑，具备高图像处理单位和相当大的随机存取记忆。

在线软件

把数据集传输到网上软件，但需要保护个人健康情况。数据集需要2-4GB，一个好的网络很重要。一旦数据集上传成功，软件需要确保预处理、后处理和有效的回顾性分析。这种方法可以改进工作流程，在任何地方进行处理。

数据集

在进行2D电影相位对比成像时，梯度场的改变导致空间和时间相位偏移。预处理包括对麦克斯韦、涡流、相位展开引起的流速混叠进行内部解剖或者半自动相位偏差校正。MRI系统和后处理软件不同，背景相位偏差的优化校正不同。

数据集后处理和分析

4D血流MR成像能够进行复杂的血流分析，利用彩色编码3D多平面重建、流线图和速度矢量。

可视化分析

可视化模态应用于血流分析，展示容积、时间分辨、流速编码数据集（图2）。

图2：24岁大动脉炎女患者不同模态主动脉血流可视化分析。（a）3D伪彩图可以显示流速增高（红色）。(b)伪彩3D流线图显示正常层流。流线图显示一个粒子进入常规血流场的路径。（c）伪彩3D显色显示流速矢量图，同时展示速度和方向。所有图片方向：A，前；I，下；L，左；P，后；R，右；S，上。

3D相位对比MR血管成像

3D相位对比MR血管成像为血流可视化和局部血流定量提供流速定量。可以选择最大密度投影、等值面渲染。

彩色编码

彩色编码可以清楚地显示血流高低。总的来说红色代表流速增加，蓝色代表血流减低。

流线图

流线图能够显示血流场粒子的路径（图2b）。流线图可以显示层流（图2b）、螺旋流（图3a-b）、涡流（图3c）。

图3：4D血流MR成像能够进行不同血流模式的复杂成像。（a）图示严重主动脉缩窄青年患者主动脉降部狭窄后螺旋流。（b）二叶式主动脉瓣患者横断位显示主动脉侧壁邻近偏心性高喷射状血流（红色）。（c）流线图显示青年患者法洛四联症修复8年后出现肺动脉瓣返流，蓝箭示肺动脉收缩期前向血流，金箭示瘤样肺动脉涡流。流线图提高了血流测量中血管垂直向轴向位置的准确性（位置和2），并且能够避免涡流（2），进而提高了对肺动脉瓣返流严重程度评估的准确性。肺动脉瓣返流重度（位置2）、中度（位置）。

流速矢量

流速矢量包括速度和方向（图2c）。可以用箭头代表流速的大小和方向，计算流速x、y、z方向的大小。

4D血流MR成像能够进行回顾性血流分析，同时也面临诸多问题。涡流可以引起相位误差，影响血流测量。使用静态血流体模可以建立零速度基线。最常用的方法是用手动阈值来定义静态组织。一些后处理软件已经可以用高级算法来进行半自动设置阈值。供应商和后处理软件在深度学习的基础上可以进行心脏分割，提高了校正的准确性和速度。但是4D血流MR成像的质量控制是研究基础。

3D或4D血流MR成像能够实现血流定量。流线图可以提高例如涡流在内的准确位置的血流分析（图3c）。深度学习或者机器学习可以实现心脏自动分割。但是每次血管自动勾画需要进行检查，避免边界干扰引起的误差，这种误差在心脏和大血管尤其明显。血流分析可以提供前向血流、返流、返流分数、流速峰值等参数。

4D血流MR成像还能够测量更多高级参数，例如壁切应力（图4）、动能损失和相对压力。

图4:4D血流MR成像得到壁切应力，评估从血流直接切向血管壁的粘性剪切力。邻近主动脉壁的偏心性高速血流（橙箭）增加了局部壁切应力，导致主动脉壁重塑。A，一个患有活动性大动脉炎的年轻患者增强TWI图像显示腹主动脉壁增厚至3.5mm（箭）。B，伪彩图显示同一位置（主动脉前壁，箭头）的壁切应力增加（红色）。

尽管4D血流MR成像主要应用于先天性心脏病，但是它很快就扩展到其他领域，包括心脏瓣膜病、主动脉瘤和主动脉狭窄、肺动脉高压、门脉高压、脑血管动脉瘤。具体领域如下：

.先天性心脏病

.分流和肺静脉异位引流

图5：心脏4D血流MR成像诊断先天性分流。（a）青少年运动员心悸，发现右心室扩大，超声心动图没有发现分流。由于心脏功能良好，考虑右心室心肌病。LV，左心室；RV，右心室。（b）流线图显示房间隔缺损左向右分流。（c）流速矢量图显示左向右分流。（d）左上肺静脉异位引流。（e，f）多平面导航测量QP/QS显著（QP/QS=3).肺动脉扩张，血流增加。，升主动脉轮廓；2，肺动脉轮廓。（g）70岁有症状老年男性，血流矢量图无意间发现右向左分流、静脉窦型房间隔缺损合并右下肺静脉异位引流以及严重的肺动脉高压。LA，左房；LV，左室；RA，右房；RVOT，右室流出道。

.2随访Fontan手术病人

图6：年轻患者单心室和Fontan循环。LPA，左肺动脉；RPA，右肺动脉。（a）流线图显示腔静脉-肺动脉连接后从上腔静脉和下腔静脉相对规则的静脉回流。（b）下腔静脉流线图显示主要与右肺连接的下腔静脉的富肝血流静脉回流不均匀分布。（c）上腔静脉流线图显示血流主要与左肺动脉相通。

.3法洛四联症修复术后

图7：自由呼吸4D血流MR成像随访法洛四联症修复术后（男性患者，9岁，CHARGE综合征、肺动脉瓣严重返流，经导管肺动脉瓣置换术后）。（a）彩色编码3D最大强度投影图显示置换后肺动脉瓣及右肺动脉流速增高（红色），提示轻度狭窄。无明显磁敏感伪影。（b）横断位肺动脉血流测量显示无残留肺动脉返流。

.4Senning心房内调转手术

图8：4D血流MR成像评估22岁女性患者Senning循环。流线图显示再植上腔静脉和下腔静脉开放，二尖瓣没有狭窄。，上腔静脉流线图；2，下腔静脉流线图。

2.心脏瓣膜病

2.肺动脉瓣和主动脉瓣返流

图9：40岁孤立性肺动脉瓣返流男性患者。（a）流线图显示收缩期（Sys）层流，没有局部涡流。（b）舒张期(Dia）返流。肺动脉瓣返流达到35%为中度。LPA，左肺动脉；RPA，右肺动脉。

图0：心脏4D血流MR成像显示中度主动脉瓣返流患者（中年，无明显主动脉扩张）。（a）分析舒张期（Dia）主动脉瓣上返流，避开其他主动脉瓣湍流。（b）舒张早期（Dia）降主动脉明显返流（箭头），以及起始于升主动脉的涡流。（c）升主动脉（箭）涡流在舒张期（Dia）更明显，而降主动脉（箭头）返流减轻。（d）收缩早期（Sys）持续的涡流返流（细箭）形成偏心性喷射血流平行于升主动脉外壁（粗箭）。

图：心脏4D血流MR成像显示68岁主动脉扩张女性患者重度主动脉瓣返流。（a）3D血流最大强度投影显示收缩期（Sys）瘤样升主动脉（箭）血管外壁旁高速偏心性血流。（b）流线图显示舒张期（Dia）返流涡流从主动脉弓（箭）开始。（c）常规超声心动图测量参数4D血流MR成像也可以获得，例如近端等速表面积。

2.2二尖瓣和三尖瓣返流

图2:52岁重度复杂二尖瓣返流。心脏4D血流MR成像能比超声心动图更好地评估二尖瓣返流。流速矢量显示高流速偏心性喷射（箭）。左心房收缩期涡流。LV，左心室。

2.3主动脉瓣狭窄

2.4人工瓣膜

图3：心脏4D血流MR成像评估三尖瓣人工生物瓣置换术后。（a）流线图显示收缩期中心返流（箭），该图伪影可以忽略，进行三尖瓣返流评估，而超声心动图评估困难。（b）三尖瓣水平测量返流分数，或者通过与右心室输出量进行评估。

2.5扩张型心肌病

3.大血管异常

3.二叶式主动脉瓣和主动脉瘤

3.2主动脉缩窄

图4：心脏4D血流MR成像评估38岁主动脉缩窄男性患者高血压。流线图显示狭窄远端收缩期（a）和舒张期（b）持续的螺旋流。侧支循环通过胸廓内动脉（a，箭）。相当于降主动脉血流的35%。

3.3大动脉炎

图5：4D血流MR成像显示胸主动脉和脑动脉。3D血流渲染显示右颈总动脉血流增加（粗箭），其上段僵硬（细箭）。右锁骨下动脉阻塞。

3.4介入随访

图6：4D血流MR成像随访腹主动脉瘤血管内修复术。（a）流线图显示L3腰动脉和肠系膜下动脉Ⅱ型内漏。（b，c）血流矢量图（b）显示Ⅱb型内漏，包括2支流入（腰动脉）和支流出（肠系膜下动脉，c）。E，内漏；L，主动脉腔；LA，腰动脉。

图7：4D血流MR成像随访B型主动脉夹层支架置入术后出现Ⅰ型内漏。（a）流速矢量图显示假腔（F）Ⅰ型内漏流入。Sys，收缩期。（b）流线图显示舒张期（Dia）由于高压假腔血流流回主动脉腔。

3.5肺动脉高压

4.新增其他应用

4D血流MR成像的应用持续拓展，新增应用包括门脉高压、脑血管动脉瘤以及复杂的动静脉瘘（图8）。

图8：30岁女性疑似淤血性肝病Fontan术后。4D血流MR成像显示脾静脉（2）、肠系膜上静脉（3）汇合后，门静脉正常连续的层流。流速矢量图显示正常连续的肝血流。

原文：AzarineA,Gar?onP,StansalA，etal.