楊彥晨，白 斌，程云章*，呂 楠

(1.上海理工大學(xué)上海介入醫(yī)療器械工程技術(shù)研究中心，上海 200093；2.上海長(zhǎng)海醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 200433)

顱內(nèi)動(dòng)脈瘤(intracranial aneurysm, IA)檢出率逐年升高，其破裂導(dǎo)致的蛛網(wǎng)膜下腔出血嚴(yán)重威脅患者生命，故評(píng)估IA的破裂風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)后極其重要。以往多依靠IA形態(tài)(大小、形狀、位置)和臨床資料(年齡、性別、既往史)進(jìn)行評(píng)估，隨后引入相關(guān)血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。二維相位對(duì)比MRI(two-dimensional phase contrast MRI, 2D PC MRI)是評(píng)估血流以及血管和心臟功能的重要方法。隨著血流動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，四維血流MRI(four-dimensional flow MRI, 4D flow MRI)得以實(shí)現(xiàn)，并用于分析IA、腹部血管及心臟血管等的血流動(dòng)力學(xué)。

1 4D flow MRI技術(shù)原理

相位對(duì)比MRI(phase contrast MRI, PC MRI)多利用雙極梯度場(chǎng)對(duì)流體進(jìn)行編碼，通過(guò)流體中質(zhì)子相位的變化進(jìn)行成像：在流動(dòng)方向施加一對(duì)大小和持續(xù)時(shí)間相同而方向相反的梯度場(chǎng)，雙極梯度場(chǎng)激發(fā)后，靜止組織的相位變化抵消、相位差為零，而血液因其流動(dòng)性而發(fā)生位置變化，其相位差得以保留；利用血流相位差可區(qū)分血管與其他組織，并計(jì)算血流速度。目前2D PC MRI多用于檢測(cè)峰值血流、逆向血流、每搏輸出量等，并可通過(guò)計(jì)算獲取更多血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如壓力梯度等[1]；4D flow MRI則是對(duì)3個(gè)方向的血流進(jìn)行編碼，以獲取三維圖像，由此得到血流方向、速度等，亦可通過(guò)計(jì)算獲取更多參數(shù)，如壁面剪切應(yīng)力(wall shear stress, WSS)和壓力梯度等[2]。

2 4D flow MRI在IA的應(yīng)用

2.1 檢測(cè)能力 IA血流較復(fù)雜，多采用2D PC MRI通過(guò)測(cè)量3個(gè)方向的血流速度分量加以顯示，但定位困難且耗時(shí)，且二維圖像可提供的數(shù)據(jù)有限。劉東婷等[3]以4D flow MRI分析腹部主動(dòng)脈夾層真腔和假腔的血流動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，獲得2D PC MRI難以實(shí)現(xiàn)的三維血流動(dòng)力學(xué)圖像，證實(shí)4D flow MRI技術(shù)可完整顯示復(fù)雜血流，較傳統(tǒng)2D PC MRI更具優(yōu)勢(shì)。

多普勒超聲多用于檢測(cè)大血管血流，并通過(guò)所得平均血流速度和血管橫截面積計(jì)算血流量。BOCK等[4]發(fā)現(xiàn)4D flow MRI亦能獲得多普勒超聲所得血流數(shù)據(jù)。SUQIN等[5]對(duì)比接受血液透析動(dòng)靜脈瘺患者的4D flow MRI和多普勒超聲數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)后者只能展現(xiàn)二維血流信息，無(wú)法獲得精確的WSS數(shù)據(jù)，而前者不僅能提供任意位置的血流速度，還可獲得三維可視化信息，以評(píng)估血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

采用數(shù)字減影血管造影(digital subtraction angiography, DSA)也可獲取血管模型，并通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)得到血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。已有多項(xiàng)研究[6-8]表明CFD與4D flow MRI獲得的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)具有較好一致性。ISODA等[9]分別采用CFD和4D flow MRI對(duì)5例IA獲取速度矢量場(chǎng)、流線、剪切速率、WSS、振蕩剪切指數(shù)(圖1)，二者所測(cè)速度矢量場(chǎng)的一致性良好，剪切速率模式和位置相似，獲得最高振蕩剪切指數(shù)的位置相近，但WSS的一致性一般，可能與壁面附近血流速度較慢、導(dǎo)致4D flow MRI測(cè)量錯(cuò)誤有關(guān)，也表明了聯(lián)合應(yīng)用二者的重要性。

圖1 患者女,51歲,右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈后交通支動(dòng)脈瘤,直徑6 mm[9] A.表面渲染圖像示動(dòng)脈瘤有2個(gè)出口; B.3D速度矢量場(chǎng)圖(MRI); C.3D速度矢量場(chǎng)圖(CFD); D.3D流線圖(MRI); E.3D流線圖(CFD); F.3D WSS分布圖(MRI通過(guò)參考點(diǎn)流速得到的剪切速率計(jì)算數(shù)據(jù)圖); G.3D WSS分布圖(CFD通過(guò)參考點(diǎn)流速得到的剪切速率計(jì)算數(shù)據(jù)圖); H.3D WSS分布圖(計(jì)算點(diǎn)數(shù)據(jù)圖通過(guò)節(jié)點(diǎn)流速得到的剪切速率計(jì)算數(shù)據(jù)圖); I.剪切速率(MRI); J.剪切速率(CFD); K.震蕩剪切指數(shù)分布圖(MRI); L.震蕩剪切指數(shù)分布圖(CFD)

2.2 可視化 三維可視化對(duì)判斷動(dòng)脈瘤血流模式極其重要。傳統(tǒng)2D PC MRI只能獲取二維圖像，而4D flow MRI則能通過(guò)時(shí)間分辨三維成像完整展示血流模式，具有可視化優(yōu)勢(shì)。獲取數(shù)據(jù)后，4D flow MRI的三維可視化形式主要包括速度矢量圖、流線圖及色彩編碼圖等[10]。速度矢量圖能顯示針對(duì)某特定體素測(cè)得的血流速度方向和大小，生成的矢量方向平行于血流方向，可定性評(píng)價(jià)血液流入流出的方向和角度。流線圖有助于顯示渦旋流動(dòng)等特殊血流模式。將某平面的血流色彩編碼圖與通過(guò)MRI獲得的斷面解剖圖像相結(jié)合，可更直觀地顯示血流模式。HOPE等[11]采用4D flow MRI對(duì)比13例升主動(dòng)脈瘤患者與19名健康志愿者的升主動(dòng)脈血流(圖2)，發(fā)現(xiàn)血液反流軌跡多與主動(dòng)脈弓曲度相符，有2個(gè)漩渦時(shí)反流位于其間，1個(gè)漩渦時(shí)反流位于缺失漩渦周?chē)?；大部分升主?dòng)脈瘤患者反流開(kāi)始時(shí)間明顯早于漩渦達(dá)到峰值時(shí)，而健康志愿者漩渦達(dá)到峰值后才出現(xiàn)反流，證實(shí)了4D flow MRI對(duì)復(fù)雜血流的可視化能力較強(qiáng)。

圖2 升主動(dòng)脈瘤患者的粒子軌跡和流線圖[11] A.強(qiáng)化螺旋流型； B.最常見(jiàn)血流模式； C.較慢外圍流和較快中心流

2.3 掃描時(shí)間 縮短MR掃描時(shí)間有助于臨床工作。2D PC MR單次掃描時(shí)間小于4D flow MR，但若單一層面無(wú)法覆蓋全部目標(biāo)時(shí)，需行多次掃描，且需要由經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員選擇測(cè)量面，較為耗時(shí)。4D flow MR僅需較短的掃描時(shí)間即可完成臨床工作流程[12]。ORITA等[13]對(duì)接受顱內(nèi)外搭橋術(shù)患者分別于術(shù)前、術(shù)后行4D flow MR頸內(nèi)動(dòng)脈和基底動(dòng)脈掃描評(píng)估血流動(dòng)力學(xué)改變，用時(shí)僅6 min，證實(shí)4D flow MR可在較短時(shí)間內(nèi)完成掃描，并定量測(cè)量血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，有助于提高臨床工作效率。

2.4 臨床應(yīng)用 4D flow MRI因其獲取三維數(shù)據(jù)和可視化能力、較好的可重復(fù)性和較小的觀察者間差異而被用于臨床診斷IA和相關(guān)研究。SCHNELL等[14]以4D flow MRI評(píng)估18例IA患者共19個(gè)動(dòng)脈瘤，觀察動(dòng)脈瘤大小和形態(tài)對(duì)血流動(dòng)力學(xué)的影響，發(fā)現(xiàn)囊狀動(dòng)脈瘤渦度和WSS較高，其中小型囊狀動(dòng)脈瘤血流速度、渦度和WSS較高，而大型囊狀動(dòng)脈瘤峰值血液流速較高，通過(guò)這些血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)可區(qū)分囊狀動(dòng)脈瘤與梭狀動(dòng)脈瘤，而4D flow MRI可評(píng)估不同動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)。FUTAMI等[15]采用4D flow MRI評(píng)估35例患者共40個(gè)IA，通過(guò)對(duì)比破裂與未破裂IA的血流，發(fā)現(xiàn)IA內(nèi)復(fù)雜、不穩(wěn)定渦流可能增加其破裂風(fēng)險(xiǎn)；4D flow MRI可用于檢測(cè)復(fù)雜血流，并通過(guò)三維可視化直觀加以展現(xiàn)。HOPE等[16]以4D flow MRI對(duì)比觀察2例顱內(nèi)狹窄患者與2例IA患者的血液流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)10 min快速4D flow MRI亦可準(zhǔn)確獲得顱內(nèi)血管疾病、尤其是顱內(nèi)狹窄和IA的血流速度。以上研究結(jié)果均證實(shí)4D flow MRI技術(shù)有助于評(píng)估IA破裂風(fēng)險(xiǎn)。

4D flow MRI也可用于評(píng)估預(yù)后。SU等[17]對(duì)41例血流導(dǎo)向裝置(flow diverter, FD) 植入術(shù)后IA患者行4D flow MR檢查，觀察其血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)并進(jìn)行長(zhǎng)期追蹤，發(fā)現(xiàn)病變處血管橫截面積、收縮期流率和收縮期流入面積越大，閉塞時(shí)間越長(zhǎng)。PEREIRA等[18]對(duì)10例植入FD的IA患者行4D flow MR檢查，并通過(guò)流線圖展現(xiàn)IA血流模式，發(fā)現(xiàn)1例FD植入前、后血流模式發(fā)生改變，植入FD后IA內(nèi)血流速度明顯下降，流速減少率由34.6%升至71.1%。BRINA等[19]以4D flow MRI獲取23例患者植入FD前、后的IA血流速度矢量場(chǎng)，隨訪發(fā)現(xiàn)6個(gè)月后IA閉塞率為60.9%，12個(gè)月為82.6%；分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)植入FD后IA血流速度減少率和IA閉塞時(shí)間相關(guān)，認(rèn)為4D flow MRI可用于描述植入FD后IA內(nèi)血流變化。上述研究初步證實(shí)了4D flow MRI評(píng)估IA預(yù)后的可行性。

3 小結(jié)

4D flow MRI可全面評(píng)估血流動(dòng)力學(xué)，定量獲取多方向血流數(shù)據(jù)，三維可視化復(fù)雜血流，可靠性和可重復(fù)性已獲證明，并已用于臨床評(píng)估腦血管、心血管等的血流動(dòng)力學(xué)；但其掃描時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)小血管分辨率不足，且對(duì)設(shè)備要求較高。4D flow MRI與多普勒超聲、2D PC MRI等技術(shù)相結(jié)合，可提供更多精確數(shù)據(jù)，提高評(píng)估IA破裂風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)后的準(zhǔn)確性。