基于四維血流磁共振成像技術(shù)的胸主動脈夾層血流定性和定量分析

郭寶磊 符偉國 郭大喬 董智慧 單 艷 劉軼凡

胸主動脈腔內(nèi)修復術(shù)(thoracic endovascular aortic repair, TEVAR)是復雜胸主動脈夾層(thoracic aortic dissection, TAD)的首選治療方法，其目的是通過覆膜支架修復原發(fā)破口，減少假腔內(nèi)血流，降低假腔內(nèi)壓力，從而誘發(fā)血栓形成。TAD的解剖幾何形態(tài)個體化差異極大，血流分布形式復雜。研究[1]結(jié)果表明，血流動力學變化是急慢性TAD預后的重要影響因素。CTA是目前TAD術(shù)前評估和術(shù)后隨訪的主要影像學檢查手段，但由于該成像技術(shù)為“瞬間”掃描，對主動脈血流及假腔血栓化程度的評估存在較大局限性。近年來，隨著MRI技術(shù)的發(fā)展，四維血流磁共振成像(4D Flow MRI)技術(shù)對TAD血流的分析顯現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，既能可視化呈現(xiàn)靶血管的血流模式，又能定量化分析不同管腔內(nèi)的血流動力學參數(shù)[2-3]。 本研究通過4D Flow MRI技術(shù)對3例TAD患者進行血流動力學參數(shù)的定量和定性分析，探索不同解剖幾何形態(tài)TAD血流模式的分布特征。

1 對象與方法

1.1 研究對象 選取2017年就診于復旦大學附屬中山醫(yī)院血管外科的急性TAD患者3例。入組標準：①急性Standford B型TAD患者；②術(shù)前分別行胸腹主動脈CTA和4D Flow MRI檢查；③患者于亞急性期內(nèi)(10～14 d)接受TEVAR治療。病例1和病例3術(shù)中均植入Valiant Captivia胸主動脈覆膜支架(美國Medtronic公司)，病例2術(shù)中植入C-TAG胸主動脈覆膜支架(美國Gore公司)。所有患者均行TEVAR,術(shù)后繼續(xù)控制血壓，于術(shù)后3、6、12個月及之后每年隨訪，至少行1次CTA檢查。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會審核并批準(倫理號為Y2017-056)，所有患者均簽署知情同意書。

1.2 CTA和4D Flow MRI數(shù)據(jù)采集 CTA掃描使用320排容積掃描儀(型號為Aquilion ONE，日本東芝公司)，掃描范圍為主動脈弓上分支至雙側(cè)股總動脈段，掃描厚度為1 mm。應(yīng)用3D slider軟件重建TAD的三維模型。4D Flow MRI掃描在3.0 T MRI工作站(德國西門子公司)完成。應(yīng)用16通道體接收線圈和四維血流心血管序列，使用呼吸觸發(fā)心電門控?？臻g分辨率為1.85 mm×1.85 mm×2.50 mm，時間分辨率為47～61 ms，矩陣尺度為(192～256)×(120～192)，層數(shù)為20～40，信噪比為1.0，流速峰值編碼值設(shè)為2.0 m/s。掃描時不注射對比劑。掃描過程中有效圖像的接受度為80%～85%。掃描總時間為24 min(16～32 min)。掃描范圍自主動脈弓上分支至腹主動脈起始段。MRI源圖像導出為IMA格式文件，包括解剖定位圖像和相位對比圖像。

1.3 MRI數(shù)據(jù)后處理分析 將MRI原始文件中的IMA文件編碼、重命名、排序，分別導出其包含的解剖和流速信息。將該處理和編碼后的數(shù)據(jù)導入Matlab平臺進行預處理。使用自主編碼的程序處理原始數(shù)據(jù)并生成ENCAS文件，應(yīng)用EnSight 10.1軟件進行后處理的圖像分析。選取需要處理的靶血管平面，在EnSight軟件中分析夾層真、假腔內(nèi)不同血流動力學參數(shù)的差異分布。選取的血流動力學參數(shù)包括平均流速、峰值流量、峰值流速和返流指數(shù)。使用流線(Streamline)工具可視化呈現(xiàn)夾層近端破口和遠端繼發(fā)破口的血流模式。

1.4 主動脈靶平面的選擇 在圖像處理工作站，將CT源圖像導入Mimics 18.0軟件，獲得主動脈弓至腹主動脈中段的TAD圖像。對主動脈管腔表面進行三維渲染，簡化和平滑處理，獲取該TAD的三維模型。所選取的平面均與該處管腔切線垂直，共選取5個靶平面進行血流模式的定量分析：平面1為原發(fā)破口上方，左鎖骨下動脈遠端，降主動脈起始段處；平面2為原發(fā)破口遠端2 cm；平面3為胸主動脈中段，距離左鎖骨下動脈開口遠心端15 cm處；平面4為胸主動脈中遠段，距離左鎖骨下動脈開口遠心端20 cm處；平面5為胸主動脈遠段，距離腹腔干開口近心端2 cm處。結(jié)合CTA重建圖像、4D Flow MRI的解剖定位圖像和相位對比圖像選取靶病變，進行定量分析。見圖1。

A CTA重建圖像 B 4D Flow MRI的解剖定位圖像 C 4D Flow MRI的相位對比圖像圖1 TAD患者TEVAR術(shù)前的血流模式定量分析靶平面選取示意圖

2 結(jié) 果

2.1 解剖幾何形態(tài)分析 基于患者術(shù)前和術(shù)后隨訪的CTA影像，3例患者的TAD解剖幾何參數(shù)和形態(tài)特征見表1。病例1合并1處繼發(fā)破口(RT1)，破口最大徑為10.10 mm，術(shù)前右腎動脈由假腔供血;術(shù)后隨訪24個月，右腎動脈血供經(jīng)真腔-RT1-假腔灌注,胸主動脈段假腔完全血栓化，RT1處假腔內(nèi)仍有血流灌注。病例2合并3處繼發(fā)破口(RT1、RT2和RT3)，術(shù)前腹腔干和腸系膜上動脈均由假腔供血，左腎動脈由真假腔騎跨供血；術(shù)后隨訪12個月，腹腔干和腸系膜上動脈血供經(jīng)真腔-RT2-假腔灌注，左腎動脈血供經(jīng)真腔-RT3-假腔灌注。病例3合并2處繼發(fā)破口(RT1、RT2)，均位于髂動脈段，術(shù)前左腎動脈由假腔供血；術(shù)后隨訪32個月，左腎動脈灌注不良；胸主動脈段真腔完全重塑，腹主動脈段假腔內(nèi)部分血栓化，完全由假腔供血的左腎仍灌注不良。隨訪中3例患者術(shù)后胸主動脈段假腔內(nèi)均完全血栓化，靠近繼發(fā)破口處假腔內(nèi)仍存在血流灌注。患者術(shù)前和術(shù)后CTA影像對比及TAD破口位置見圖2。

表1 基于CTA影像測量的解剖幾何參數(shù)和形態(tài)特征

A、C、E 分別為病例1、病例2、病例3術(shù)前 B、D、F 分別為病例1、病例2、病例3術(shù)后圖2 3例患者術(shù)前和術(shù)后CTA影像對比及TAD破口位置

2.2 基于4D Flow MRI可視化血流模式的定性分析 3例患者使用流線工具均清晰呈現(xiàn)出夾層真腔、假腔的血流模式，真腔內(nèi)流速均高于假腔，見圖3。病例1，夾層原發(fā)破口周圍存在分流，真腔由于受壓呈現(xiàn)高流速，血流經(jīng)破口進入假腔后流速降低，呈螺旋再循環(huán)；夾層中段無繼發(fā)破口，真腔內(nèi)血流無干擾；在遠端出口處血流加速，假腔血流經(jīng)遠端破口再入真腔后呈螺旋流形式。病例2，高速血流經(jīng)過原發(fā)破口進入假腔，假腔近端血流形成渦流導致流速降低；原發(fā)破口遠端，由于真腔受壓和弓部主動脈彎曲，真腔內(nèi)流速顯著增快；腹腔干和腸系膜上動脈均由假腔供血，遠端破口處可見高速血流由假腔供應(yīng)腸系膜上動脈。病例3，原發(fā)破口位于降主動脈段，假腔逆撕至降主動脈起始部，真腔受壓而呈現(xiàn)高速血流，經(jīng)原發(fā)破口流至假腔，血流分別流向近心端和遠心端，假腔近心端血流呈現(xiàn)瘀滯狀態(tài)。

A 病例1 B 病例2 C 病例3圖3 3例患者使用流線工具可視化呈現(xiàn)夾層血流模式及原發(fā)破口、繼發(fā)破口處血流分布的形式和方向

2.3 患者TAD真、假腔內(nèi)血流動力學參數(shù)的定量對比分析 病例1、病例2、病例3真腔內(nèi)的平均流速均顯著高于假腔(t值分別為5.61、3.09、2.81，P值分別為0.001、0.020、0.030)。病例1假腔內(nèi)的峰值流量有高于真腔的趨勢，但差異無統(tǒng)計學意義(t=2.03,P=0.088)；病例2假腔內(nèi)的峰值流量顯著高于真腔(t=3.12,P=0.021)；病例3假腔內(nèi)的峰值流量有低于真腔的趨勢，但差異無統(tǒng)計學意義(t=1.22,P=0.270)。病例1、病例2、病例3真腔內(nèi)的峰值流速均顯著高于假腔(t值分別為2.99、3.94、3.08，P值分別為0.024、0.007、0.037)。病例1真腔內(nèi)的返流指數(shù)顯著低于假腔(t=5.17,P=0.014)；病例2真腔內(nèi)的返流指數(shù)有高于假腔的趨勢，但差異無統(tǒng)計學意義(t=0.92,P=0.391)；病例3真腔內(nèi)的返流指數(shù)有低于假腔的趨勢，但差異無統(tǒng)計學意義(t=2.18,P=0.072)。TAD真腔和假腔之間不同血流動力學參數(shù)的差異見表2。

表2 3例患者TAD真腔、假腔內(nèi)的血流動力學參數(shù)比較

3 討 論

TAD的解剖形態(tài)個體化差異極大，患者往往合并單個或多個繼發(fā)破口，血流分布復雜多變。臨床常規(guī)CTA重建圖像不能評估TAD的血流分布狀態(tài)，更無法進行定量分析?；贑T影像的計算流體力學模擬是研究TAD血流分布形式的一種比較理想的技術(shù)，可囊括多方面因素，綜合運算分析，但過程復雜，技術(shù)要求高，缺少相對真實的模擬仿真邊界條件，對TAD內(nèi)相對真實血流狀態(tài)的評估尚存在較大的局限性[4]。4D Flow MRI是一種無創(chuàng)檢查方法，其可為心血管疾病的診療提供額外的血流動力學和功能學相關(guān)指標，尤其在血流動力學分析方面獨具優(yōu)勢，是影像學新技術(shù)應(yīng)用于心血管疾病診療的研究熱點[5-6]。本研究通過4D Flow MRI技術(shù)分別對3例解剖形態(tài)不同的TAD患者的血流分布特征進行了定性和定量分析；結(jié)果證實，基于該成像技術(shù)可直觀地呈現(xiàn)夾層真腔、假腔及破口處的血流分布形式，同時可選擇不同解剖平面對真腔、假腔的不同血流動力學參數(shù)進行定量分析。

目前的研究[7-9]結(jié)果顯示，4D Flow MRI技術(shù)已被越來越多地應(yīng)用于TAD的血流動力學研究，有助于臨床醫(yī)師更好地了解TAD復雜的血流分布和病理進程。Takahashi等[10]應(yīng)用4D Flow MRI技術(shù)分析影響TAD假腔內(nèi)渦流形成的血流動力學因素，旨在探索夾層的遠期并發(fā)癥或不良預后發(fā)生的潛在危險因素；該研究提示，假腔內(nèi)的渦流模式與假腔內(nèi)血流量和流速密切相關(guān)，假腔內(nèi)高血流量的渦流可能與TAD的不良預后、主動脈破裂或高干預率有關(guān)。Marlevi等[11]的研究基于4D Flow MRI無創(chuàng)成像技術(shù)探索影響夾層生長相關(guān)的假腔血流動力學參數(shù)，通過對比穩(wěn)定的慢性TAD與持續(xù)生長的夾層病例，結(jié)果顯示，假腔射血分數(shù)與假腔壓力差相互影響，兩者均與假腔的生長重構(gòu)密切相關(guān)。相反，收縮期最大減速度(MSDR)與主動脈生長的關(guān)系不明顯。該團隊的研究結(jié)果提示，與假腔相關(guān)的血流動力學參數(shù)對TAD生長預后具有潛在臨床預測價值。本研究結(jié)果顯示，術(shù)后隨訪中3例患者均出現(xiàn)真腔擴張，胸主動脈段假腔內(nèi)血栓化，繼發(fā)破口附近假腔內(nèi)仍有血流灌注，提示腹主動脈段假腔重構(gòu)可能與遠端破口殘留相關(guān)。盡管4D Flow MRI在成像質(zhì)量、后處理技術(shù)和臨床應(yīng)用等方面已逐漸成熟，但其詮釋血流模式和血流動力學參數(shù)變化的臨床意義仍未明確，目前大多數(shù)研究僅對少數(shù)患者進行個體化分析，缺乏后續(xù)隨訪結(jié)果和進一步驗證[12]。

本研究對3例不同解剖形態(tài)類型的TAD患者進行個體化分析，原發(fā)破口處血流模式均表現(xiàn)為高速血流，由真腔經(jīng)原發(fā)破口進入假腔，血流在假腔內(nèi)再循環(huán)，形成渦流繼而流速降低；而真腔內(nèi)血流由于管腔受壓流速增快，流向遠心端。由于夾層破口大小、真假腔形態(tài)、主動脈弓形態(tài)、內(nèi)膜片等因素，真假腔內(nèi)平均流速、峰值流量、峰值流速、返流指數(shù)的個體化差異較大。病例1假腔內(nèi)的峰值流量有高于真腔的趨勢，但差異無統(tǒng)計學意義；病例2假腔內(nèi)的峰值流量顯著高于真腔；而病例3假腔內(nèi)的峰值流量有低于真腔的趨勢，但差異無統(tǒng)計學意義。病例1真腔內(nèi)的返流指數(shù)顯著低于假腔；病例2真腔內(nèi)的返流指數(shù)有高于假腔的趨勢，但差異無統(tǒng)計學意義；病例3真腔內(nèi)的返流指數(shù)有低于假腔的趨勢，但差異無統(tǒng)計學意義。相反，3種不同解剖類型的TAD患者的血流分布也有相似之處。3例患者的真腔內(nèi)平均流速和峰值流速均高于假腔，差異均有統(tǒng)計學意義。本研究結(jié)果與Liu等[13]的研究結(jié)果相似。

主動脈血流動力學是影響急性和慢性 TAD及 TEVAR 術(shù)后主動脈重構(gòu)的關(guān)鍵因素，識別和驗證主動脈重塑的影像學標志物具有重要臨床意義。本研究在針對不同解剖形態(tài)TAD的影像學后處理和血流定性定量分析方面進行驗證，但目前尚不能判定哪些血流動力學參數(shù)與隨訪結(jié)局相關(guān)。未來可基于4D Flow MRI技術(shù)，通過更大樣本量和長期隨訪探索TAD血流模式及血流分布特征，將有助于TAD的精準治療。

綜上所述，基于4D Flow MRI技術(shù)可定量和定性分析TAD真、假腔內(nèi)血流模式和相關(guān)血流動力學參數(shù)。利用該技術(shù)分析不同解剖形態(tài)TAD的血流模式，將有助于為判斷其預后提供血流動力學風險指標。