隋濱濱 高培毅* 林 燕 趙海清 宋立剛

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院放射科 磁共振成像腦信息學(xué)北京市重點實驗室,北京 100050；2. 清華大學(xué)附屬垂楊柳醫(yī)院放射科，北京 100021；3. 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院介入神經(jīng)病科，北京 100050)

四維血流磁共振成像(four dimentional flow magnetic resonance imaging, 4D flow MRI)是近幾年發(fā)展起來的一項新的磁共振成像技術(shù)，能夠無創(chuàng)在體測定三維血流速度，評估血流動力學(xué)狀態(tài)[1-3]。準確的血流動力學(xué)參數(shù)測量和計算是對血流動力學(xué)狀態(tài)評估的基礎(chǔ)。作為一種血流動力學(xué)評估的新技術(shù)，對其可重復(fù)性校驗非常重要。本研究選取正常志愿者，探討應(yīng)用4D flow MR成像對顱內(nèi)Willis環(huán)血流動力學(xué)狀態(tài)在體評估的可重復(fù)性，為4D flow MR 成像技術(shù)在顱內(nèi)動脈血流動力學(xué)評估方面的應(yīng)用提供可行性依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

自2015年5月至7月收集正常志愿者4例，其中男性2例，女性2例，年齡24～26歲，平均年齡(25.25±0.96)歲。入組正常志愿者經(jīng)臨床評估證實無心血管疾病病史或危險因素，無顱頸動脈粥樣硬化性病變。顱內(nèi)MRI平掃及磁共振血管檢查(magnetic resonance angiography, MRA)未見異常。研究方案經(jīng)首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院倫理委員會批準，所有志愿者均給予書面簽署的知情同意書。

1.2 MR檢查

MR檢查應(yīng)用3.0T MR (Trio-Tim, Siemens Healthcare, Erlangen公司,德國)，32通道頭線圈。先應(yīng)用三維時間飛躍法MRA (three dimensional time of flight MRA, 3D TOF MRA)成像觀察顱內(nèi)動脈Willis環(huán)基本結(jié)構(gòu)。然后應(yīng)用三維 T1 可變翻轉(zhuǎn)角加權(quán)快速自旋回波成像技術(shù)(three dimensional T1 sampling perfection with application-optimized contrast using different flip angle evolutions, 3D T1SPACE)序列針對顱內(nèi)Willis環(huán)區(qū)域進行高分辨黑血成像，成像參數(shù)如下：重復(fù)時間(repetition time, TR)/回波時間(echo time, TE)= 800/22 ms，掃描野 (field of vision, FOV) = 180 mm×160 mm，矩陣(matrix)=256×208，層厚為0.7 mm, 共采集52層。體素大小為0.7 mm×0.7 mm×0.7 mm。顱內(nèi)4D flow 成像應(yīng)用TOF MRA重建圖像為定位像，掃描范圍包括顱內(nèi)Willis環(huán)區(qū)域，冠狀位采集三維方向血流。具體成像參數(shù)如下：TR/TE= 54.96/3.13 ms，F(xiàn)OV= 200 mm×140 mm，矩陣(matrix)=208×140，加速因子 2，層厚為1 mm，共采集36層。速度編碼值(velocity encoding)=120 cm/s。血流成像采用指脈門控，掃描時間為11～13 min，與被試者心率相關(guān)。首次檢查結(jié)束后，在15～30 d之內(nèi)對其進行第二次重復(fù)掃描，掃描序列及參數(shù)同首次檢查。記錄每個志愿者兩次檢查時的平均心率。

1.3 圖像后處理

掃描完成后將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用后處理工作站，應(yīng)用圖像后處理軟件4D Flow V2.4 (Siemens Healthcare, Erlangen公司, 德國)對數(shù)據(jù)進行后處理。后處理過程包括數(shù)據(jù)校正，對感興趣血管進行分割及計算血管中心線后，提取血管三維結(jié)構(gòu)。然后選取雙側(cè)頸內(nèi)動脈(internal carotid artery, ICA)入顱段、虹吸段、末端、大腦中動脈 (middle cerebral artery, MCA) 起始部及近中段、大腦前動脈(anterior cerebral artery, ACA) 起始部層面，計算各層面的血流動力學(xué)參數(shù)，記錄在一個心動周期內(nèi)不同時相的平均血管面積、平均血流速度、最大血流速度、平均瞬時血流率參數(shù)值。通過后處理生成血流矢量圖、流線圖及粒子圖，顯示顱內(nèi)前循環(huán)大動脈的血流分布。重建圖像由一名有5年以上血流動力學(xué)分析經(jīng)驗的高級醫(yī)生進行評價，分析不同部位血流的分布特點，以及在心動周期不同時相中的變化。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 正常志愿者的顱內(nèi)Willis環(huán)血流動力學(xué)參數(shù)的可重復(fù)性結(jié)果

4例正常志愿者中，3D TOF MRA和高分辨3D SPACE T1WI均未見血管狹窄。兩次MR檢查顱內(nèi)血管結(jié)構(gòu)相未見明顯區(qū)別。表1列出了4例正常志愿者兩次掃描的雙側(cè)血管的血流動力學(xué)參數(shù)值(包括平均血管面積、平均血流速度、最大血流速度、平均瞬時血流率)。首次掃描和重復(fù)掃描比較，ICA虹吸段左側(cè)最大血流速度及右側(cè)各項血流動力學(xué)參數(shù)兩次掃描之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義；ICA入顱段、MCA起始部及ACA起始部雙側(cè)及MCA近段右側(cè)最大血流速度之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義；MCA近段雙側(cè)平均血管面積之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義；ACA起始部左側(cè)平均血管面積及平均血流速度之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

表1 正常志愿者兩次檢查雙側(cè)ICA、MCA及ACA的血流動力學(xué)參數(shù)值Tab.1 Hemodynamic parameters at bilateral ICA, MCA and ACA of scan-rescan in healthy volunteers

2.2 兩次掃描獲取血流動力學(xué)圖像分析顱內(nèi)血流動力學(xué)分布狀態(tài)比較

對4例志愿者兩次掃描的16支血管分別重建血流矢量圖、流線圖及粒子圖(圖1、2)。結(jié)果顯示，兩次掃描顱內(nèi)血流分布趨勢基本相同。心動周期的收縮峰值期，血流速度分布比較均勻，最大峰值速度出現(xiàn)在海綿竇段垂直段。進入收縮晚期及舒張早期后，由于血流速度的迅速下降，局部血流分布不規(guī)則，以血流狀態(tài)比較復(fù)雜的虹吸段最為明顯，顯示局部血流矢量方向分離及偏離血管主軸方向，并可見極少量返流現(xiàn)象。

圖1 1例志愿者首次掃描(A)和重復(fù)掃描(B)的流線圖Fig.1 Streamline maps of the first (A) and rescan (B) of one volunteer

圖2 1例志愿者右側(cè)頸內(nèi)動脈、大腦中動脈及大腦前動脈收縮晚期的血流矢量圖Fig.2 Velocity vector map of RICA, RMCA and RACA of one volunteer in the late systolic phase

2.3 心率及相關(guān)血流動力學(xué)參數(shù)的變化

4例志愿者兩次的心率記錄如表2所示。其中1例志愿者(編號2)兩次心率差別很大，這例志愿者兩次的最大血流速度變化十分明顯，如表3所示。在左側(cè)ICA虹吸段，兩次的最大血流速度分別為114.62 cm·s-1和69.48 cm·s-1，右側(cè)ICA虹吸段的最大血流速度分別為67.32 cm·s-1和93.33 cm·s-1。一些其他血流動力學(xué)參數(shù)，如瞬時血流率、平均血流速度等，在不同位置的數(shù)值兩次之間出現(xiàn)了較大的變化。

表3 1例心率變化大的志愿者兩次檢查的血流動力學(xué)參數(shù)比較Tab.3 Hemodynamic parameters of one volunteer with obvious variance in heartbeats of two tests

3 討論

3.1 4D flow MR成像技術(shù)在動脈血流動力學(xué)評估中的應(yīng)用

顱頸動脈粥樣硬化病變是缺血性腦血管病的重要原因。近年來，血流動力學(xué)方面的研究[4-5]顯示血流動力學(xué)因素與動脈粥樣硬化病變的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。磁共振4D血流成像，也稱為時間分辨的三維相位對比磁共振成像，是最近幾年發(fā)展起來的新成像技術(shù)，可以無創(chuàng)性對心血管系統(tǒng)的血流狀態(tài)進行實時在體的評估和定量分析。此技術(shù)在其他位置血流成像定量評估的研究[6-8]已經(jīng)被證實顯示了良好的應(yīng)用價值，準確性和可行性也已經(jīng)在不同部位得到了一定的驗證。有研究者[8]比較了4D flow MR成像和超聲成像測定的頸動脈血流速度值，發(fā)現(xiàn)在收縮期，4D flow MR測定的速度稍低于超聲，舒張期速度值二者近似，而且4D flow MR成像顯示了較好的可重復(fù)性和閱片者一致性。對于顱內(nèi)動脈評價，顱內(nèi)多普勒超聲檢查的應(yīng)用存在一定局限性，在骨或空氣腔存在的情況下容易受到干擾，流速測定只能在一定區(qū)域進行[9]。4D flow MRI提供的是心動周期內(nèi)血管內(nèi)整體的速度分布數(shù)據(jù)，可以反映感興趣血管內(nèi)復(fù)雜的血流速度及流量分布，這對于在體復(fù)雜的血流動力學(xué)狀態(tài)評估尤其具有優(yōu)勢。目前應(yīng)用此技術(shù)進行顱內(nèi)動脈血流動力學(xué)評估的研究尚處于起步階段[10-11]，可重復(fù)性評價是對此項技術(shù)評估的重要方面,目前國內(nèi)外尚無對此項技術(shù)在顱內(nèi)動脈評估的可重復(fù)性研究報道。

3.2 顱內(nèi)動脈血流動力學(xué)評估的臨床意義

高血壓、高血脂、吸煙等作為全身高危因素，會增加動脈粥樣硬化病變發(fā)生的危險性。但病理和臨床研究[5,12]顯示，在這些全身危險因素的影響下，動脈粥樣硬化病變幾乎均發(fā)生于血管分叉、分支、彎曲或狹窄等血流動力學(xué)狀態(tài)復(fù)雜或突然發(fā)生變化的區(qū)域，提示血流動力學(xué)因素可能是動脈粥樣硬化病變的首選決定因素?，F(xiàn)有公認與動脈粥樣硬化病變的發(fā)生發(fā)展相關(guān)的血流動力學(xué)因素包括血流狀態(tài)不規(guī)則、異?；虿▌拥难鼙谇袘?yīng)力等。動脈粥樣硬化引起血管狹窄后，也會繼發(fā)局部血流動力學(xué)狀態(tài)的變化及異常分布[13-15]。與西方人不同，中國人群顱內(nèi)動脈狹窄的發(fā)生率較高[16]，顱內(nèi)血管病變與高危因素及腦梗死病灶的相關(guān)研究已成為本領(lǐng)域的熱點問題[17-18]。對顱內(nèi)動脈血流動力學(xué)因素的研究,可能有助于對顱內(nèi)動脈粥樣硬化病變的發(fā)生發(fā)展機制進行深入分析。

3.3 顱內(nèi)動脈血流動力學(xué)可重復(fù)性評估與心率和部位之間的相關(guān)性

血流速度和血流率的數(shù)值存在個體差異，局部的血流狀態(tài)，包括血管內(nèi)血流速度的分布，以及血流速度和血流率在一個心動周期內(nèi)不同時相的變化，在動脈粥樣硬化病變的發(fā)生發(fā)展中起到一定作用。本研究結(jié)果提示此項技術(shù)對于顱內(nèi)大部分血流動力學(xué)參數(shù)的定量分析的可重復(fù)性較好，但多個位置的最大血流速度兩次檢查之間出現(xiàn)了明顯差別。對每個志愿者的數(shù)據(jù)進行分析后，發(fā)現(xiàn)其中一名志愿者，兩次檢查的心率變化很大，而這名志愿者的血流動力學(xué)參數(shù)中，最大血流速度的變化最為明顯。這可能提示，最大血流速度受心率的影響較大。4D flow成像檢查需要應(yīng)用指脈或者心電門控監(jiān)測心率，血流數(shù)據(jù)的采集依靠心電圖波信號激發(fā)磁共振成像，使其在心動周期的特定時相采集數(shù)據(jù)或進行回顧性重建。因此，此序列結(jié)果受到心率的影響是可以解釋的。這提示在4D flow成像檢查中，可能需要注意受試者的心率變化。但由于本組樣本數(shù)較少，之后會進一步對此方面進行研究，以驗證此假設(shè)。

另外，本組結(jié)果顯示ICA虹吸段的血流動力學(xué)參數(shù)兩次檢查之間的差別較大。ICA虹吸段血管走行迂曲，局部血流動力學(xué)狀態(tài)復(fù)雜。本組結(jié)果顯示兩次檢查之間，雙側(cè)血流速度分布不對稱，首次檢查左側(cè)高于右側(cè)，而重復(fù)檢查結(jié)果正好相反?？赡芴崾驹诓煌瑫r間或不同情況下，血流動力學(xué)狀態(tài)復(fù)雜的部位可能出現(xiàn)血流的不對稱分布，此部位血流定量評估的可重復(fù)性還需要今后進一步的大樣本量研究予以確認。另外，對于MCA近段及ICA起始部位血管面積及平均血流速度在兩次檢查中的變化，由于顱內(nèi)動脈管徑纖細，可能與局部壓力導(dǎo)致的血管擴張相關(guān)，也需要進一步增加樣本量予以研究。

本研究的主要局限性是樣本量太小，今后會增加樣本量繼續(xù)進一步研究。研究結(jié)果顯示，應(yīng)用磁共振4D flow 成像對顱內(nèi)動脈血流動力學(xué)參數(shù)的評估的可重復(fù)性較好，但不同心率下的血流動力學(xué)狀態(tài)評估還需要進一步研究；對于血流狀態(tài)復(fù)雜的部位如頸內(nèi)動脈虹吸段，4D flow成像測量的可重復(fù)性可能還需要進一步驗證。

[1] Markl M, Frydrychowicz A, Kozerke S, et al. 4D flow MRI[J]. J Magn Reson Imaging, 2012, 36(5): 1015-1036.

[2] Stankovic Z, Allen B D, Garcia J, et al. 4D flow imaging with MRI[J]. Cardiovasc Diagn Ther, 2014, 4(2): 173-192.

[3] Markl M, Schnell S, Barker A J . 4D flow imaging: current status to future clinical applications[J]. Curr Cardiol Rep, 2014, 16(5): 481.

[4] Gimbrone M A Jr, Topper J N, Nagel T, et al. Endothelial dysfunction, hemodynamic forces, and atherogenesis[J]. Ann N Y Acad Sci, 2000, 902: 230-239.

[5] Gimbrone M A Jr,Garcia-Cardea G. Vascular endothelium, hemodynamics, and the pathobiology of atherosclerosis[J]. Cardiovasc Pathol, 2013, 22(1): 9-15.

[6] Burris N S, Hope M D. 4D flow MRI applications for aortic disease[J]. Magn Reson Imaging Clin N Am, 2015, 23(1): 15-23.

[7] Vasanawala S S, Hanneman K, Alley M T, et al. Congenital heart disease assessment with 4D flow MRI[J]. J Magn Reson Imaging, 2015, 42(4): 870-886.

[8] Harloff A, Zech T, Wegent F, et al. Comparison of blood flow velocity quantification by 4D flow MR imaging with ultrasound at the carotid bifurcation[J]. AJNR Am J Neuroradiol, 2013, 34(7): 1407-1413.

[9] 鄔冬芳,何文, 時傳迎, 等. 超聲造影檢查在腦血管疾病中的應(yīng)用[J].首都醫(yī)科大學(xué)學(xué)報, 2015, 36(5): 814-819.

[10] Ansari S A, Schnell S, Carroll T, et al. Intracranial 4D flow MRI: toward individualized assessment of arteriovenous malformation hemodynamics and treatment-induced changes[J]. AJNR Am J Neuroradiol, 2013, 34(10): 1922-1928.

[11] Futami K, Sano H, Misaki K, et al. Identification of the inflow zone of unruptured cerebral aneurysms: comparison of 4D flow MRI and 3D TOF MRA data[J]. AJNR Am J Neuroradiol, 2014, 35(7): 1363-1370.

[12] Frangos S G Gahtan V, Sumpio B. Localization of atherosclerosis: role of hemodynamics[J]. Arch Surg, 1999, 134(10): 1142-1149.

[13] 隋濱濱,高培毅, 林燕, 等. 4D 血流 MR 成像評估顱內(nèi)動脈血流動力學(xué)狀態(tài)的實驗研究[J].國際醫(yī)學(xué)放射學(xué)雜志, 2017, 40(6): 641-646.

[14] Sui B, Gao P, Lin Y, et al. Hemodynamic parameters distribution of upstream, stenosis center, and downstream sides of plaques in carotid artery with different stenosis: a MRI and CFD study[J]. Acta Radiol, 2015, 56(3): 347-354.

[15] Harloff A. Carotid plaque hemodynamics[J]. Interv Neurol, 2012, 1(1): 44-54.

[16] Yang F， Liu L, Li M, et al. Pattern of cerebrovascular atherosclerotic stenosis in older Chinese patients with stroke[J]. J Clin Neurosci, 2013, 20(7): 979-983.

[17] 劉然，華揚，賈凌云，等.超聲檢測吸煙與顱內(nèi)動脈狹窄相關(guān)性的多中心研究結(jié)果分析[J].中國腦血管病雜志，2017，14(6)：297-301,312.

[18] 張瀟怡，李穎，周志可，等.老年不同類型分水嶺腦梗死危險因素及顱內(nèi)血管病變特點研究[J].中國醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，2016,45(12)：1128-1132.