四維血流技術(shù)在主動(dòng)脈縮窄術(shù)后血流動(dòng)力學(xué)定量評(píng)估中的研究

胡立偉，彭雅楓，孫愛敏，王謙，歐陽榮珍，郭辰，劉金龍，鐘玉敏*

1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心放射科，上海 200127；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心胸外科，上海 200127；3.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心兒科轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究所，上海 200127；4.上海結(jié)構(gòu)性心臟病虛擬現(xiàn)實(shí)工程技術(shù)研究中心，上海 200127； *通訊作者 鐘玉敏 zyumin2002@163.com

主動(dòng)脈縮窄（coarctation of aorta，CoA）是導(dǎo)致血流梗阻的主動(dòng)脈管腔縮窄，其發(fā)生率占先天性心臟病的 5%～8%，可引起遠(yuǎn)期高血壓、心力衰竭等嚴(yán)重并發(fā)癥，早期診斷和治療至關(guān)重要[1]。手術(shù)糾正解剖異常后，并不能徹底根治血管內(nèi)皮損害[2]。同時(shí)，術(shù)后再度狹窄會(huì)導(dǎo)致左心室后負(fù)荷增加，室壁應(yīng)力增加，繼發(fā)引起左心室肥厚，提高了心律失常、心源性猝死等疾病的發(fā)生率[3-4]。心血管磁共振（cardiovascular magnetic resonance，CMR）是兒童心血管定量評(píng)估有效的非侵入性方法。目前在 CoA術(shù)研究方面，國(guó)內(nèi)已有研究證實(shí)吻合口再狹窄會(huì)引起脈搏波傳導(dǎo)速度（pulse wave velocity，PWV）升高，主動(dòng)脈順應(yīng)性降低[5]。然而，對(duì)CoA術(shù)后導(dǎo)致順應(yīng)性下降的原因尚無法進(jìn)一步深入研究。

近年研究發(fā)現(xiàn)，四維血流（4D Flow）分析技術(shù)可在三維正交垂直空間方向上，根據(jù)血液流動(dòng)速度矢量的改變，以流速圖、流線圖及跡線圖等三維可視化形式描述血流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與變化[6]，同時(shí)可通過圖像后處理獲得PWV、能量損失（energy loss，EL）、切應(yīng)力（wall shear stress，WSS）等定量評(píng)估參數(shù)[7]。本研究擬應(yīng)用4D Flow評(píng)估術(shù)后再狹窄患者的血流動(dòng)力學(xué)改變，探討MR多參數(shù)評(píng)價(jià)CoA術(shù)后改變的可能性，為CoA術(shù)后患者風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)和后期治療提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 回顧性分析上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心3例CoA術(shù)后患者，納入標(biāo)準(zhǔn)：①行CMR檢查后發(fā)現(xiàn)主動(dòng)脈存在術(shù)后再狹窄；②CMR心臟功能評(píng)估正常，射血分?jǐn)?shù)>55%。排除標(biāo)準(zhǔn)：存在高血壓、肥胖、全身炎癥性疾病等病史的患兒。其中男2例，女1例，平均年齡（12±4）歲，術(shù)后隨訪時(shí)間 1～11年。2例行主動(dòng)脈糾正術(shù)，1例行球囊擴(kuò)張術(shù)。經(jīng)上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，選取3名年齡匹配的正常兒童志愿者作為對(duì)照組，并在家長(zhǎng)對(duì)兒童參與這項(xiàng)研究充分了解與告知的情況下，簽署相關(guān)知情同意書。對(duì)照組通過招募志愿者經(jīng)健康調(diào)查表和超聲心動(dòng)圖初篩入組。均為男性，平均年齡（13±3）歲。3例患者的身高為（161.6±1.7）cm，體重（58.83±10.68）kg，心率（75±8）次/min，射血分?jǐn)?shù)（60.53±5.68）%；對(duì)照組身高為（163.0±1.0）cm，體重（53.00±11.53）kg，心率（80±1）次/min，射血分?jǐn)?shù)（65.84±1.69）%。

1.2 圖像采集 使用GE Discovery MR 750 3.0T MR掃描儀，8通道并行采集心臟線圈行CMR檢查。在兒童自由呼吸下，應(yīng)用線性采集加速技術(shù)的4D Flow序列完成整個(gè)心臟冠狀面掃描，掃描參數(shù)：空間分辨率1.2～1.6 mm×1.2～1.6 mm×1.2～1.6 mm，各向同性等體素采集，視野340 mm×340 mm，層厚55～75 mm，時(shí)間分辨率 34.7 ms，TE 2.1 ms，TR 4.3 ms，翻轉(zhuǎn)角 8°～12°，加速因子 2，帶寬 62.5 Hz/像素，對(duì)照組速度編碼值（VENC）160 cm/s，研究組300 cm/s，較高的VENC避免術(shù)后患兒狹窄導(dǎo)致高速血流的相位混疊，按照20相位/心動(dòng)周期重建數(shù)據(jù)，平均采集時(shí)間11 min。

1.3 圖像后處理 將由 CMR檢查獲得的冠狀面掃描DICOM圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入圖像分析軟件CVi42 5.9（CVI，Circle，Canada）進(jìn)行噪聲濾波，渦流和麥克斯維爾方程矯正。在確認(rèn)XYZ軸相位編碼方向正確后，使用中心線提取的圖像分割法提取幅值圖中的主動(dòng)脈輪廓（等間距采樣點(diǎn)超過8個(gè)），完成主動(dòng)脈的空間三維重建[8]。通過血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)定量評(píng)估功能，計(jì)算三維重建模型內(nèi)PWV、EL和WSS。

1.3.1 PWV 是心臟每次搏動(dòng)射血產(chǎn)生的沿大動(dòng)脈壁傳播的壓力波傳導(dǎo)速度，PWV可反映大、中動(dòng)脈系統(tǒng)的彈性狀態(tài)，具有無創(chuàng)、簡(jiǎn)便、有效和可重復(fù)的特點(diǎn)，同時(shí)可以反映動(dòng)脈功能的實(shí)時(shí)改變。TTF（time to foot）方法是目前認(rèn)為最精確的PWV測(cè)量方法[8]，其計(jì)算PWV的方法為：PWV=主動(dòng)脈起始處到降主動(dòng)脈的長(zhǎng)度/升主動(dòng)脈和降主動(dòng)脈的起始時(shí)間差（圖1）。

圖1 采用TTF方法測(cè)量主動(dòng)脈PWV

1.3.2 EL 在血流動(dòng)力學(xué)計(jì)算中，計(jì)算管腔內(nèi)能量損失是以選定區(qū)域?yàn)榭刂迫莘e，通過控制容積進(jìn)出口能量平衡計(jì)算獲得：

其中，P為進(jìn)口和出口總壓，ν為流速，Q為流量，inlet為升主動(dòng)脈，outlet為降主動(dòng)脈。容積為三維重建升主動(dòng)脈到降主動(dòng)脈末端。EL的單位是mW。1.3.3 WSS 計(jì)算時(shí)，假設(shè)血液為牛頓流體，則根據(jù)流體力學(xué)基本定義，其切應(yīng)力表達(dá)為：

2 結(jié)果

與對(duì)照組相比，研究組狹窄部位遠(yuǎn)端層面的切應(yīng)力明顯升高，分別為（0.78±0.12）Pa、（0.44±0.11）Pa（圖 2）。研究組的 PWV高于對(duì)照組，分別為（13.39±6.31）Pa、（5.86±0.62）Pa。4D Flow 可顯示1個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)相的血流動(dòng)力學(xué)改變（圖3）。研究組和對(duì)照組的4D Flow分析參數(shù)結(jié)果見表1?？芍貜?fù)性評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，PWV、EL、WSS偏差和95%CI較好，偏差分別為1.07、-1.00和-0.04，95%CI分別為-1.99～4.13、-6.54～4.54 和-0.18～0.09。

圖2 3例CoA患兒術(shù)后在收縮中期四維血流分析（4D Flow）跡線圖、能量圖、切應(yīng)力圖，箭示異常血流，狹窄部位遠(yuǎn)端層面的切應(yīng)力明顯升高

圖3 病例2的CoA患兒四維血流分析（4D Flow）可顯示1個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)相的血流動(dòng)力學(xué)改變，1個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)相的跡線圖

表1 研究組和對(duì)照組的四維血流分析參數(shù)結(jié)果

3 討論

CoA大多是動(dòng)脈導(dǎo)管閉合牽拉或胚胎期血液循環(huán)異常所致，在術(shù)后殘余梗阻隨訪中，高血壓、早發(fā)冠心病、充血性心力衰竭等是常見的并發(fā)癥[4]。由于長(zhǎng)期持續(xù)內(nèi)皮損害，國(guó)外多項(xiàng)研究已提出建議CoA術(shù)后終身隨訪[9]。目前，通過CMR測(cè)量PWV是評(píng)價(jià)術(shù)后情況的主要方法之一。傳播的速度越快，說明血管管壁越僵硬，彈性、順應(yīng)性及擴(kuò)張性下降[10-11]。PWV主要使用MR二維相位對(duì)比序列進(jìn)行計(jì)算[12]。有學(xué)者報(bào)道，4D Flow與二維相位對(duì)比序列測(cè)量的PWV無明顯差異[11]。本研究的 4D Flow序列時(shí)間分辨率為28.5～34.7 ms，較高的時(shí)間分辨率可確保PWV測(cè)量的準(zhǔn)確度。本研究中，發(fā)現(xiàn)3例CoA術(shù)后患者的PWV均高于對(duì)照組，分別為（13.39±6.31）Pa、（5.86±0.62）Pa。狹窄程度和狹窄長(zhǎng)度可能是影響的主要因素，狹窄引起主動(dòng)脈壓力升高，進(jìn)而導(dǎo)致PWV的變化，這個(gè)結(jié)論有待進(jìn)一步研究證實(shí)。

4D Flow從血流動(dòng)力學(xué)方面探討 CoA術(shù)后形態(tài)改變的力學(xué)根源，并可根據(jù)血流的定量信息預(yù)測(cè)疾病發(fā)展[13-14]。本研究中，術(shù)后3例患兒均存在不同程度的術(shù)后狹窄，分別發(fā)生于峽部和升主動(dòng)脈與主動(dòng)脈弓交界處，且縮窄近端均產(chǎn)生渦流。在收縮中期病例1中，高速血流通過狹窄段，對(duì)遠(yuǎn)端的降主動(dòng)脈血管壁造成沖擊，故整體EL較對(duì)照組變化差異不大（28 mW）。在收縮中期病例2中，峽部狹窄前端發(fā)現(xiàn)渦流產(chǎn)生，同時(shí)狹窄遠(yuǎn)端對(duì)側(cè)的血管壁切應(yīng)力增加，狹窄遠(yuǎn)端降主動(dòng)脈整體血流呈螺旋流改變，其EL為43 mW。在收縮中期病例3中，升主動(dòng)脈與主動(dòng)脈弓交界處發(fā)現(xiàn)較大的渦流，峽部后端長(zhǎng)段的高速血流沖擊血管壁可能造成機(jī)械性損害，其EL為70 mW。研究組主動(dòng)脈的EL和狹窄部位近端產(chǎn)生的渦流有關(guān)。渦流越大，則能量損失越大。與對(duì)照組相比，CoA術(shù)后病例遠(yuǎn)端層面的切應(yīng)力明顯升高，分別為（0.78±0.12）Pa、（0.44±0.11）Pa。WSS可能是導(dǎo)致血管順應(yīng)性下降的原因之一，其對(duì)縮窄近段血管壁的沖擊使平滑肌減少，膠原增多，從而使舒張功能下降，循環(huán)機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致彈性纖維斷裂，最終使局部血管硬化[15]。

本研究的局限性：①數(shù)據(jù)均為單中心、小樣本的回顧性分析，基于臨床有隨訪資料的大樣本4D Flow研究是下一步要開展的工作；②由于兒童掃描配合度不如成人，為自由呼吸掃描時(shí)間，鑒于掃描時(shí)間過長(zhǎng)未附加呼吸導(dǎo)航技術(shù)，自由呼吸下的4D Flow測(cè)量的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)；③多參數(shù)定量研究中，未納入壓力差分析，對(duì)于4D Flow分析壓差和心導(dǎo)管測(cè)量值的一致性有待進(jìn)一步證實(shí)。

總之，4D Flow可用于定量評(píng)價(jià)CoA術(shù)后血流動(dòng)力學(xué)變化。主動(dòng)脈EL和狹窄段近端的渦流大小有關(guān)。狹窄段位置、渦流大小和局部血管壁WSS的升高是早期影響CoA術(shù)后血管順應(yīng)性下降的重要因素之一。后期將開展4D Flow數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)的相關(guān)性研究，為CoA術(shù)后患者風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)和后期治療提供定量標(biāo)準(zhǔn)。