4D flow在儿童先天性心脏病诊断中的应用

胡立伟，钟玉敏

(上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心影像诊断中心，上海 200127)

先天性心脏病(congenital heart disease, CHD)是最常见的先天性畸形，指在胚胎发育时期由于心脏及大血管形成障碍或发育异常引起的解剖结构异常，或出生后应自动关闭的通道未能闭合的情形[1]；新生儿中CHD发病率为0.8%～1.2%。随着术式的改良及术后治疗水平的提高，多数CHD患儿可存活至成年[2]。MR检查在评价CHD术后疗效中具有重要作用[3]。心血管MR(cardiovascular MR, CMR)可评价心房、心室及大血管(主动脉和肺动脉)不同层面的心脏形态和解剖结构特征。新技术心肌灌注[4]、对比剂延时强化[5]及心肌组织追踪[6]等的出现及应用，使MR评估心脏功能日趋成熟。血流分析是MR功能评估的重要技术之一。Carr等[7]最早发现MR信号的相干运动；首例人体颈动脉和股动脉流速图像于1980年被成功报道[8-9]，且血流速度测量与超声一致性较好。此后，二维相位对比(phase-contrast,PC)法逐渐成为临床定量评估心脏血流和瓣膜反流情况的常规扫描序列[10]。目前，最新的四维血流分析(4D flow)可在3个垂直的空间方向上，利用心电门控技术和膈肌导航技术获得相位流速编码的数据，通过三维空间内速度矢量的改变，以流速图、流线图及迹线图等三维可视化形式描述血流状态与变化[11-14]；还可测量常规流量和流速，血流动力学参数如壁面剪切力、脉冲波速度、压力阶差和能量损失等[15]。本文对4D flow原理及其在儿童CHD中的应用进行综述。

1 基本原理与图像采集

PC MRI原理是2组或数组不同相位的运动质子群被激发后向外发射能量，通过计算重建的方法来选取适当的演算方法对采集的相位进行减影，静态组织减影后相位为零，流动组织随不同速度而具有不同的相位差值；最后，将相位差转变成像素强度，显示于MR图像[10]。若采集前根据常规血流速度来选择速度编码值(velocity encoded cine, Venc)，即选定梯度幅值和间期，则图像上能突出显示该速度范围内的血流。PC MRI包括流动补偿和流动编码，其中流动编码使每个流动质子都有相位偏移，质子相位计算公式为：Δφ=V/Venc；Δφ表示质子相位偏移量，范围为±π，超过该范围即发生相位混叠(图1)[16]。为防止发生

相位混叠，质子流动速度(V)需小于Venc，其中Venc即为可测量的最大流度值。当Venc降低时，为获得较大的梯度区域，需更长的TE和TR。PC MRI中，速度图的图像质量易受噪声影响，其中V噪声与Venc成正比，与SNR成反比[10]，计算公式为V噪声≈Venc/SNR。因此，为获得高质量图像，选择最佳速度尤为关键，Venc较高可避免相位混淆，而Venc较低可降低V噪声。

最新技术4D flow可同时基于3个互相垂直的维度编码获得相位流速编码电影图像。2D-PC仅能于选定的某个二维层面上测定流速流量，而3D-PC可测量ROI空间体积内具有时间分辨率的三维速度场值。与传统的2D-PC MRI相比，3D图像采集扫描时间较长(15～20 min)，且无法进行屏气扫描。采用4D flow采集心脏图像时[17]，心电门控技术和/或膈肌导航技术可避免扫描时未能屏气导致的心脏及呼吸运动伪影(图2)。

图1 法洛四联症患者术后肺动脉迹线图示混叠现象[16] A.收缩中期主肺动脉整体迹线图； B.Venc为160 cm/s，收缩中期左肺动脉相位图，收缩方向朝左显示为白色，灰色区域为流速差异(箭)； C.Venc为160 cm/s，收缩中期右肺动脉相位图，收缩方向朝右显示为白色，而在白色体素中存在黑色区域(箭)提示该区域流速超过Venc，存在混叠现象 图2 4D flow图像采集方式[23] 在心电门控和膈肌导航同时触发的情况下，采集3个互相垂直的维度编码，最终获得主动脉的一组基准扫描和3组相位流速编码电影图 (ECG：心电门控)

图3 患儿男，16岁，永存动脉干、房间隔缺损、室间隔缺损、肺动脉狭窄，Fontan术后血流流量图 Venc为100 cm/s，双侧上腔静脉与两侧肺动脉吻合(黑箭)，外管道与右肺动脉吻合口通畅(白箭) 图4 患儿女，1岁，右心室双出口[23] A.采用后处理软件重建完整全心三维模型； B、C.肺动脉(B)和主动脉(C)在一个心动周期内的平均流速图(红色为4D flow，黑色为2D-PC)，两组数据一致性较好； D、E.肺动脉(B)和主动脉(C)在心脏收缩期的血流流速图，两组数据一致性较好

常规4D flow心血管扫描参数如下：Venc 50～200 cm/s，TE 2～4 ms，TR 5～7 ms；CHD儿童心脏以及大血管4D flow扫描参数[18-20]和Venc选择见文献[21-22]。

2 图像后处理

在速度混淆及图像噪声之外，相位偏移误差是4D flow图像处理过程中另一个亟待解决的问题。导致相位偏移误差的主要原因有涡流效应、麦克斯维尔方程及梯度场不均匀性等[15]。目前采用心脏后处理软件可纠正相位偏移误差，同时，使用Matlab软件编写代码也可进行矫正。相位偏移误差图像校正在低Venc情况下效果较好，而在高Venc情况下差异较小；其图像校正效果不仅与Venc的选择有关，且与扫描范围以及梯度线圈设计有关[22]。

在扫描过程中，Venc的选择是定量测量流速准确性的最大影响因素。Venc较低时，以4D flow定量测量慢血流，评估更精确(图3)；然而在高流速血管和狭窄段血管中，以4D flow测量峰值流速的精确度明显下降。同时，当Venc较高时，以4D flow采集的静脉血流信号会由于噪声增大而有所降低。有学者[23]认为采用2D-PC与4D flow测量动静脉流速的一致性较好(图4)。此外，还有学者[24]对大动脉转位Switch术后4D flow血流动力学评估中发现，4D flow与超声心动图测量主动脉、肺动脉峰值流速的差异无统计学意义，但4D flow序列在狭窄段的峰值流速测量中略显不足：尚无法精准模拟儿童一个心动周期内心脏血液动力学改变。

3 临床应用

超声心动图是评价CHD的主要方法之一，但无法提供完整的血流动力学信息[25]。儿童血管管径小，且常不能屏气，故采用4D-Flow技术采集CHD患儿图像的时间相对较长[26]。多项研究[27-28]提出以优化计算机算法、改进MR硬件及更新采集技术等措施提高数据采集能力和图像分析效率，使4D flow技术可更好地应用于对儿童CHD的定量评估。4D flow可在一次采集的同时定量分析血流流速和流量，并能可视化分析心内及心外结构和血流。与2D flow相比，4D flow无须多次采集多个血管平面，即可获得任何一个ROI的血流平面，以测定流速流量；同时还能分析局部狭窄及侧支血管血流。

4D flow技术已广泛应用于CHD的术前评价和术后评估。Gabbour等[29]评估32例CHD患者的血流，发现4D flow与超声心动图测量的主动脉和肺动脉峰值流速及反流分数等参数的一致性较好。Valverde等[30]采用4D flow观察1例部分型肺静脉异位引流患儿，发现通过可视化的方法可准确评估血流信息。此外，采用4D flow还可定量评估完全性大动脉转位、法洛四联症及单心室Glenn术后疗效。

综上所述，4D flow技术已广泛应用于评估CHD血流，虽然定量评估狭窄段或高速血流目前尚存在不足，但由此获得的可视化血流信息对于传统影像学诊断的辅助作用仍然值得重视。

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