相位對比磁共振成像技術(shù)的原理及應(yīng)用*

胥巧麗，張健康，劉亞，鄭罡△

（1.南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京210016；2.南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院，南京210002）

1 引 言

相位對比磁共振成像（phase contrast MRI，PC-MRI）技術(shù)是通過對流體相位編碼成像的技術(shù)，可以測量流體的流速、流量及方向等信息，自上世紀(jì)80年代開始用于定量流量測量［1］。PC-MRI技術(shù)在臨床上通過血液流動(dòng)產(chǎn)生的相位變化來測量血液速度，能提供直接測量的三維分布，是一種既能顯示血管解剖結(jié)構(gòu)又能提供血流方向、血流速度及流量等血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)的磁共振成像技術(shù)。由于單方向編碼與掃描時(shí)間限制，二維相位對比（two dimensional phase contrast，2D PC）與三維相位對比（three dimensional phase contrast，3D PC）磁共振成像技術(shù)的局限性進(jìn)一步顯現(xiàn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，隨時(shí)間變化的多方向編碼的4D Flow MRI技術(shù)逐步應(yīng)用于臨床。4D Flow MRI技術(shù)允許動(dòng)態(tài)采集，可以多方向采集血流數(shù)據(jù)。4D Flow MRI技術(shù)可用于顱內(nèi)動(dòng)脈血流評估及腹部血管血流動(dòng)力學(xué)評價(jià)以及各種流量相關(guān)參數(shù)計(jì)算，如脈搏波速度（pulse wave velocity，PWV）以及壁面剪切應(yīng)力（wall shear stress，WSS）等［2-3］。通過最近的各項(xiàng)研究可以發(fā)現(xiàn)，4D Flow MRI將成為PC-MRI技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)力。各種PC序列在臨床中應(yīng)用廣泛，本研究簡述PC-MRI技術(shù)的不同技術(shù)亞型及其典型應(yīng)用。

2 相位對比磁共振成像技術(shù)原理及影響因素

PC序列利用流動(dòng)質(zhì)子產(chǎn)生相位變化的原理獲得圖像。磁矩（也可稱自旋）沿著磁場梯度移動(dòng)，可得到相位旋轉(zhuǎn)與固定自旋的對比數(shù)據(jù)。見圖1，在雙極梯度（即大小和持續(xù)時(shí)間相等、方向相反）磁場的作用下，固定組織的相位改變得以補(bǔ)償。通過重復(fù)兩個(gè)相反方向的急性梯度，來消除其它序列參數(shù)引起的相位位移，用兩個(gè)數(shù)據(jù)相減得到的相位差進(jìn)行三維像素上的速度計(jì)算。在線性梯度場中，相移量φ與血流速度成比例。

圖1 雙極梯度脈沖及相移變化圖Fig 1 Bipolar gradient pulse and phase shift diagram

相移量的具體測量公式為：

Δφ為相移量，r為磁旋比，ν為血流速度，m可表示為梯度場面積與施加雙極梯度場的時(shí)間間隔的乘積，Δm為第一時(shí)刻的梯度-時(shí)間曲線。

將每個(gè)像素的血流速度疊加得到平均流速，用平均流速乘以血管橫截面積，可以得到特定時(shí)間內(nèi)通過血管截面的平均血流量。公式為：

F為平均血流量，V為平均流速，A為血管橫截面積。

MRI通常表現(xiàn)為幅度圖像，通過旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量得到信號。盡管矢量方向旋轉(zhuǎn)，MRI依然可以檢測出質(zhì)子前后的位移量，即相位（相移），MRI中相移用于位置編碼。每個(gè)矢量受不可控因素影響，包括主電場的不均勻性和化學(xué)位移等。如果受到這些因素影響，相位圖則不能準(zhǔn)確顯示［4］。相位圖的流速數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，可以得到相應(yīng)的血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

流速編碼（Venc）指質(zhì)子達(dá)到180°相位位移時(shí)的速度，正確選擇Venc對測量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。Venc與編碼梯度流的面積成反比，成像時(shí)間保持不變，要得到更強(qiáng)的梯度幅度需要更小的Venc。Chai等［5］指出Venc不能小于峰值流速，理想的Venc設(shè)定應(yīng)為感興趣區(qū)實(shí)際血流最大速度的125%內(nèi)。而Negahdar等［6］經(jīng)過一系列研究得出使用較小流速雖然可能會(huì)導(dǎo)致纏繞，但它提供了更精確的流速輪廓。然而，如果 Venc設(shè)置過低的話，相位解卷繞（unphasewrapping）就變得難以確定。所以Negahdar指出Venc設(shè)置應(yīng)為最高流速的三分之一，即：

VH（highest velocity）為最高流速。

3 PC序列分類

隨著技術(shù)的發(fā)展，PC序列先后出現(xiàn)過2D PC，3D PC，電影相位對比（cine phase contrast，Cine PC），4D PC等技術(shù)。2D PC序列掃描只能得到平均流量和平均速度值，但成像時(shí)間較短。3D PC圖像信噪比較高，能用很小體素掃描，但掃描時(shí)間較長。Cine PC序列以2D PC為基礎(chǔ)，采集需要心電及脈搏門控。4D PC是隨時(shí)間變化的三維三方向相位對比 MRI，也叫四維流 MRI（4D Flow MRI）。在 PC系列的臨床應(yīng)用中，2D PC序列與Cine PC序列應(yīng)用最為廣泛。然而，2D PC技術(shù)被單方向速度編碼限制，使之不足以評估復(fù)雜的三維血流動(dòng)力學(xué)。3D PC序列雖然可以多方向編碼、多個(gè)視角對血管進(jìn)行投影，但掃描時(shí)間較長，而且3D PC幅度圖像不如2D PC精確［7］，因而臨床上應(yīng)用較少。隨著技術(shù)發(fā)展，4D Flow MRI在臨床中的應(yīng)用優(yōu)勢將逐漸顯現(xiàn)。4D Flow MRI為能夠全面分析人類體內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)提供了一定的條件。此外，其大容量覆蓋為研究系統(tǒng)血流動(dòng)力學(xué)的影響因素提供了多種選擇。4D Flow MRI可用于計(jì)算與流量相關(guān)的血管壁參數(shù)，并可能成為早期預(yù)測血管類疾病的診斷方法［8］。雖然4D Flow MRI技術(shù)在臨床上得到進(jìn)一步應(yīng)用，但由于技術(shù)的限制依然存在一些不足，如分辨率不高、受噪聲和磁共振設(shè)備渦流影響較大，可能導(dǎo)致測量結(jié)果與真值之間存在誤差等。這些問題將成為未來技術(shù)研究以及克服的重點(diǎn)。見表1，Markl［9］等指出不同區(qū)域組織四維流序列參數(shù)。

表1 不同區(qū)域組織四維流序列參數(shù)Table 1 4D Flow sequence parameters for different anatomic regions

4 PC-MRI應(yīng)用

PC-MRI技術(shù)在頭頸部、心血管、胸部、腹部等各方面血流成像應(yīng)用廣泛，為臨床診斷及術(shù)后檢測提供重要依據(jù)。

Ozkan等［10］認(rèn)為在顱內(nèi)血管狹窄性病變的評價(jià)中，2D PC-MRA或2D TOF-MRA可作為靜脈狹窄評價(jià)的首選方法。Hsieh等［11］同時(shí)應(yīng)用2D PC-MRA與彩色多普勒測量了24例動(dòng)脈狹窄患者的血流量。結(jié)果表明，PC-MRA是強(qiáng)大的、標(biāo)準(zhǔn)化的磁共振技術(shù)，可能成為對患者分層血管重建治療的最有價(jià)值的診斷工具。Zheng等［12］用2D PC-MRI技術(shù)得到的相位圖確定了33名患者與27名正常志愿者雙側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈和椎動(dòng)脈的血流量、速度和橫截面面積，從而研究年輕血液透析患者腦血流、貧血以及高血壓之間的關(guān)系。Lagana等［13］運(yùn)用PC-MRI在頸部C2-C3水平檢測腦脊液和大血管（包括頸內(nèi)動(dòng)脈和頸總動(dòng)脈）流動(dòng)，研究了92例多發(fā)性硬化患者的腦脊液血流動(dòng)力學(xué)和頸內(nèi)靜脈血流動(dòng)力學(xué)，并將得到的流變曲線用于預(yù)測腦積水等疾病的治療效果中。Akay等［14］招募19例特發(fā)性顱內(nèi)高壓患者和11名健康志愿者，應(yīng)用2D PC-MRI評估動(dòng)態(tài)腦脊液，首次研究了特發(fā)性顱內(nèi)高壓患者的腦脊液流動(dòng)狀況。此外，PC-MRI技術(shù)還可以測出不同年齡腦導(dǎo)水管腦脊液流動(dòng)的差異情況。

Duane等［15］采用2D PC-MRI對二尖瓣及肺靜脈血流進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)而判斷左室舒張功能狀態(tài)，并說明了不同程度的舒張功能障礙。由于多普勒測量流量是假設(shè)整個(gè)血管面積速度恒定，用在相對較小的血管面積中所測得到的流速評估整個(gè)血管面積流速，而PC-MRI在整個(gè)血管面積內(nèi)評估流量，所以PC-MRI流量測量較多普勒更精確。Lawton等［16］應(yīng)用PC技術(shù)分析了25例心臟瓣膜病變患者在幾年中的血流量變化情況，結(jié)果顯示，通過PC技術(shù)成像的瓣膜流量將會(huì)更加準(zhǔn)確。Gabbour等［17］對MRI數(shù)據(jù)庫及通信系統(tǒng)中的50名兒童或年輕成人心臟病患者進(jìn)行回訪，這些患者接受過相同的2D PCMRI和4D Flow MRI檢查。結(jié)果表明4D Flow MRI可以定性和定量分析心臟和大動(dòng)脈內(nèi)的復(fù)雜血流。Chu等［18］采用一種基于導(dǎo)航門控梯度回波脈沖序列的三維流編碼和前瞻性心電門控在自由呼吸下獲得4D Flow MRI序列。以回波作為參考標(biāo)準(zhǔn)，用4D Flow MRI技術(shù)評估了肥厚型心肌?。╤ypertrophic cardiomyopathy，HCM）患者中的左心室流出道（left ventricular outflow tract，LVOT）堵塞情況。Charlotta等［19］選取40名冠心病患者，所有患者都接受相同的心電門控心臟MRI成像包括屏氣2D PC-MR、自由呼吸導(dǎo)航PC-MRI以及胸超心動(dòng)圖等。結(jié)果顯示，屏氣2D PC-MRI測量的流量及心輸出量與自由呼吸導(dǎo)航PC-MRI以及胸超心動(dòng)圖測量結(jié)果一致，而且成像時(shí)間較短。此外，應(yīng)用PC-MRI可以無創(chuàng)地量化所有流入流出血流速度及血流量，在探討新生兒先天性心臟病與腦血流關(guān)系等方面具有重大意義［20］。

郭立等［21］選取31例健康志愿者采用2D PCMRI測量心動(dòng)周期內(nèi)主動(dòng)脈與肺動(dòng)脈起始部靜血流量。通過進(jìn)行比較，驗(yàn)證主、肺動(dòng)脈起始部靜血流量的準(zhǔn)確性及可重復(fù)性。通過得到的主、肺動(dòng)脈起始部時(shí)間-靜血流量曲線圖證明了PC-MRI是研究主、肺動(dòng)脈起始部靜血流量的好方法。Goel等［22］用2D PC-MRI測量升主動(dòng)脈與降主動(dòng)脈血流量，得到一種基于大人群的全自動(dòng)主動(dòng)脈定位方法，提供了一種新的主動(dòng)脈血流量測量方法。Mori等［23］通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在主動(dòng)脈假體輔助下獲得的平均和最大流速、流量面以及WSS，并將4D Flow MRI技術(shù)用于臨床應(yīng)用，盡管所用模型是一個(gè)非常簡單的直管穩(wěn)流，Mori等證實(shí)了用主動(dòng)脈幻像4D Flow MRI得到的WSS以及血液流速的準(zhǔn)確性。超聲心動(dòng)圖是測量主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈血流速度的基本成像模式，2D PC-MRI提供了更好評價(jià)主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈血流的方法，而且已經(jīng)成為測量其血流速度的標(biāo)準(zhǔn)。但超聲心動(dòng)圖與血流2D PC-MRI都受到單方向編碼限制不足以準(zhǔn)確測量先天性心臟病患者血流動(dòng)力學(xué)狀況。Gabbour等對32名先天性心臟病患者同時(shí)進(jìn)行2D PC-MRI和4D Flow MRI檢查，測試4D Flow MRI與標(biāo)準(zhǔn)方式相比測量主動(dòng)脈與肺動(dòng)脈血流的準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，與參考標(biāo)準(zhǔn)2D PC-MRI相比，4D Flow MRI呈現(xiàn)了很好的相關(guān)性與準(zhǔn)確性［24］。隨著技術(shù)的發(fā)展，4D Flow MRI可以成為臨床上主動(dòng)脈與肺動(dòng)脈血流量的潛在測量方式。

此外，PC技術(shù)還應(yīng)用于測量門靜脈平均血流速度，可以作為臨床上預(yù)測慢性肝病患者（chronic liver disease，CLD）胃食管靜脈曲張（gastroesophagealvarices，GEV）發(fā)生的重要參數(shù)［25］。

5 總結(jié)

多普勒超聲心動(dòng)圖（doppler echocardiography）是血流速度分析的參考標(biāo)準(zhǔn)，2D PC-MRI是定量流量評估的參考標(biāo)準(zhǔn)。2D PC-MRI因?yàn)閱畏较蚓幋a限制不能測量復(fù)雜血流動(dòng)力學(xué)模式，而4D Flow MRI能夠無創(chuàng)地獲得多方向的流速信息，可以評估壁面剪切應(yīng)力（WSS）等血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從而在預(yù)測人類血管疾病的發(fā)生中起到非常重要的作用。4D Flow MRI作為定量分析區(qū)域水流和速度的新興技術(shù)，能夠提供全方位的3D流量覆蓋以及在任何位置、任何成像平面上靈活的回顧性血流分析。4D Flow MRI與2D PC序列流動(dòng)參數(shù)的一致性及4D Flow分析與回波接近性的提高表明四維流已經(jīng)成為臨床替代2D PC序列的潛在技術(shù)。

此外，近期的大量研究表明4D Flow MRI在正常和病理性血流動(dòng)力學(xué)復(fù)雜流動(dòng)模式可視化方面存在極大的潛力。隨時(shí)間變化，三維三方向采集等表明4D Flow MRI可以提供更加精確的定量血流速度與血管壁參數(shù)。作為一種新興的相位對比磁共振技術(shù)，4D Flow MRI技術(shù)與其它PC-MRI技術(shù)結(jié)合可以成為臨床上更為全面的檢測手段。