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(duì)比磁共振成像（phase contrast MRI，PC-MRI）技術(shù)是通過(guò)對(duì)流體相位編碼成像的技術(shù)，可以測(cè)量流體的流速、流量及方向等信息，自上世紀(jì)80年代開(kāi)始用于定量流量測(cè)量［1］。PC-MRI技術(shù)在臨床上通過(guò)血液流動(dòng)產(chǎn)生的相位變化來(lái)測(cè)量血液速度，能提供直接測(cè)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(duì)比（two dimensional phase contrast，2D PC）與三維相位對(duì)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(píng)估及腹部血管血流動(dòng)力學(xué)評(píng)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(guò)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(jiǎn)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(duì)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(chēng)自旋）沿著磁場(chǎng)梯度移動(dòng)，可得到相位旋轉(zhuǎn)與固定自旋的對(duì)比數(shù)據(jù)。見(jiàn)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(chǎng)的作用下，固定組織的相位改變得以補(bǔ)償。通過(guò)重復(fù)兩個(gè)相反方向的急性梯度，來(lái)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(chǎng)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(cè)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(chǎng)面積與施加雙極梯度場(chǎng)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(guò)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(guò)旋轉(zhuǎn)的橫向磁化矢量得到信號(hào)。盡管矢量方向旋轉(zhuǎn)，MRI依然可以檢測(cè)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(chǎng)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(guò)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(duì)測(cè)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(guò)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(guò)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(lèi)

隨著技術(shù)的發(fā)展，PC序列先后出現(xiàn)過(guò)2D PC，3D PC，電影相位對(duì)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(zhǎng)。Cine PC序列以2D PC為基礎(chǔ)，采集需要心電及脈搏門(mén)控。4D PC是隨時(shí)間變化的三維三方向相位對(duì)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(píng)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(duì)血管進(jìn)行投影，但掃描時(shí)間較長(zhǎng)，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(shì)將逐漸顯現(xiàn)。4D Flow MRI為能夠全面分析人類(lèi)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(cè)血管類(lèi)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(cè)量結(jié)果與真值之間存在誤差等。這些問(wèn)題將成為未來(lái)技術(shù)研究以及克服的重點(diǎn)。見(jiàn)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(cè)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(píng)價(jià)中，2D PC-MRA或2D TOF-MRA可作為靜脈狹窄評(píng)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(píng)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(cè)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(duì)二尖瓣及肺靜脈血流進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而判斷左室舒張功能狀態(tài)，并說(shuō)明了不同程度的舒張功能障礙。由于多普勒測(cè)量流量是假設(shè)整個(gè)血管面積速度恒定，用在相對(duì)較小的血管面積中所測(cè)得到的流速評(píng)估整個(gè)血管面積流速，而PC-MRI在整個(gè)血管面積內(nèi)評(píng)估流量，所以PC-MRI流量測(cè)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(guò)PC技術(shù)成像的瓣膜流量將會(huì)更加準(zhǔn)確。Gabbour等［17］對(duì)MRI數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)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(mén)控梯度回波脈沖序列的三維流編碼和前瞻性心電門(mén)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(píng)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(mén)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(cè)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(cè)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(wú)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(cè)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(guò)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(guò)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(cè)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(cè)量方法。Mori等［23］通過(guò)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(jiǎn)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(cè)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(píng)價(jià)主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈血流的方法，而且已經(jīng)成為測(cè)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(cè)量先天性心臟病患者血流動(dòng)力學(xué)狀況。Gabbour等對(duì)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(cè)試4D Flow MRI與標(biāo)準(zhǔn)方式相比測(cè)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(cè)量方式。

此外，PC技術(shù)還應(yīng)用于測(cè)量門(mén)靜脈平均血流速度，可以作為臨床上預(yù)測(cè)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(píng)估的參考標(biāo)準(zhǔn)。2D PC-MRI因?yàn)閱畏较蚓幋a限制不能測(cè)量復(fù)雜血流動(dòng)力學(xué)模式，而4D Flow MRI能夠無(wú)創(chuàng)地獲得多方向的流速信息，可以評(píng)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(cè)人類(lèi)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(duì)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(cè)手段。