4D Flow MRI技术临床应用的研究进展

胥巧丽，叶玉冰，张健康，刘 亚，郑 罡*

(1.南京航空航天大学民航学院，江苏 南京 210016；2.南京军区南京总医院医学影像科，南京大学医学院,江苏 南京 210002)

4DFlowMRI技术临床应用的研究进展

胥巧丽1，2，叶玉冰2，张健康1，2，刘 亚2，郑 罡1，2*

(1.南京航空航天大学民航学院，江苏 南京 210016；2.南京军区南京总医院医学影像科，南京大学医学院,江苏 南京 210002)

4D Flow MRI技术是一种新型相位对比MR技术，可同时对三个相互垂直的维度进行相位编码，多方向采集血流数据，从而获得复杂的三维动力学参数。与2D相位对比MRI以及传统的多普勒超声心动图等技术相比, 4D Flow MRI技术准确率更高、成像更全面，同时其也有一定的缺点，如扫描时间长、噪声大等，也是今后需解决的关键技术问题。目前4D Flow MRI主要应用于颅内血管病变成像以及心脏MR方面，同时其对主动脉疾病等方面的应用也有一定的前景。本文旨在对4D Flow MRI技术的研究进展进行综述。

相位对比技术；磁共振成像；血流动力学；血管壁参数

相位对比MRI(phase contrast MRI, PC-MRI)是通过对流体相位编码成像的技术，测量流体的流速、流量及方向等信息，20世纪80年代用于定量测量流量。随着技术的发展，四维流相位对比MRI(4D Flow MRI)技术逐步用于临床。4D Flow MRI技术可以动态采集图像，并同时对3个相互垂直的维度进行相位编码，从而多方向采集血流数据。4D Flow MRI 技术可用于评估颅内动脉血流、腹部血管血流动力学以及计算各种流量相关参数，如脉搏波速度(pulse wave velocity， PWV)、壁面剪切应力(wall shear stress，WSS)等[1-2]。越来越多的证据证明，4D Flow MRI技术将成为PC-MRI技术发展的新动力。

1 PC-MRI技术原理

PC序列利用流动质子产生相位变化的原理获得图像。磁矩(也可称自旋)沿着磁场梯度移动，可获得相位旋转与固定自旋的对比数据。在双极梯度(即大小和持续时间相等、方向相反)磁场的作用下，固定组织的相位改变得以补偿，见图1。通过重复两个相反方向的急性梯度消除其他序列参数引起的相位位移，用两个数据相减得到的相位差计算三维像素上的速度。在线性梯度场中，相移量与血流速度成比例。4D Flow MRI技术以时间作为第四维，基本原理一致[3]。

图1 双极梯度脉冲及相移变化图

2 4D Flow MRI技术特点

4D Flow MRI是三个方向的、沿时间编码的三维速度成像技术，其不仅可动态三维显示大中动脉的血流动力学特征，还可准确测量扫描范围内各位置血流的方向、速度、剪切力等重要参数[4]，为全面分析人体内血流动力学提供了一定的条件。同时，4D Flow MRI可用于计算与流量相关的血管壁参数，并可能成为早期预测血管类疾病的诊断方法[5]。虽然4D Flow MRI技术在临床上得到一些应用，但该技术仍然存在一些不足：如分辨率低、受噪声和MR设备涡流影响较大，可能导致测量结果与真值之间存在误差等。这些问题将成为未来技术研究以及克服的重点[6]。

3 4D Flow MRI的临床应用

4D Flow MRI在临床最多应用于颅内血管及心脏MRI。近年其在主动脉病变中的研究尤其突出。以下简述4D Flow MRI技术在头颈部、心脏、胸部、腹部等部位成像的应用。

3.1 头颈部 颅内动脉瘤(intracranial aneurysms，IAs)是一种脑血管疾病，可能导致颅内出血以及蛛网膜下腔出血，严重危及患者生命，然而大部分颅内动脉瘤在破裂后才能被发现，所以预测动脉瘤的破裂风险十分重要。4D Flow MRI和计算流体动力学(computation fluid dynamics， CFD)是研究血流动力学参数的两种重要方法[7]，既往有研究[8]比较3D PC与CFD测得的颅内动脉瘤血流动力学参数，发现两种方法有较好的一致性。陈宇等[9]采用4D Flow MRI和CFD两种方法测算4例动脉瘤患者的动脉瘤及载瘤动脉血液流速，并比较两种方法测量结果，认为4D Flow MRI与CFD测量结果在迹线的整体形态上较符合，两种方法在动脉瘤颈部测得的平均速度一致性较高，但单独体素的流速测量相差较大，可能的原因是两种方法分别都有不同的影响因素使所得结果可能产生一定的误差。因此，4D Flow MRI与CFD相结合对预测颅内动脉瘤的破裂风险具有重要意义。

海绵窦内动脉瘤是导致直接型颈动脉海绵窦瘘(direct aneurysmal cavernous fistula, daCCF)病变的主要原因，多数海绵窦瘘患者通过血管手术进行治疗，但由于动静脉分流，在4D Flow MRI技术出现之前无法准确测定daCCF患者的血流量及血流速度。Nakagawa等[10]对1例55岁女性海绵窦瘘患者进行4D Flow MRI，并根据所得数据配合治疗，这也是首次使用4D Flow MRI技术对海绵窦瘘患者以及径向动脉移植等复杂颈动脉疾病进行研究。

Kellawan等[11]招募8名健康志愿者[3名女性，年龄(26.0±0.4)岁]，在MRI磁场中吸入21%O2和3%CO2的混合气体以制造血碳酸过多状态，通过4D Flow MRI技术测量静息状态下血碳酸过多状态的脑底动脉环脉动速度，结果表明在温和的二氧化碳刺激下，4D Flow MRI可以敏感地感知脑血流量的变化情况和剖面不均匀变化区域;同时还得出结论，4D Flow MRI无对比剂且时空分辨率高，扫描时间合理，因而可以使用4D Flow MRI进行脑血管疾病等检查。此外，4D Flow MRI可以用于检测复杂的颈内动脉病变，预测神经性脑卒中或痴呆[8]。

3.2 心脏 心脏磁共振(cardiac MR， CMR)是评估心功能的“金标准”。常规CMR扫描技术相对成熟，在疾病诊断及术后评估中意义重大。近年定量成像技术T1 mapping、T2 mapping、DTI、4D Flow MRI等CMR新技术发展迅速，潜力巨大，有望对心血管疾病的诊断提供重要帮助[12]。

随着医疗技术的改善，先天性心脏病患者经手术和内科干预，其生活质量在成年之前可保持正常水平,4D Flow MRI 技术为这些患者的诊断和监测提供重要数据[13]。Gabbour等[14]对32例先天性心脏病患者同时进行4D Flow MRI与2D PC MR扫描，结果显示4D Flow MRI与作为参考标准的2D PC和超声心动图在定量测量先天性心脏病的一些描述参数具有很好的一致性，如主肺动脉峰值速度、净流量、返流分数等方面。之后Gabbour等[15]对接受过2D PC MRI和4D Flow MR检查的50例心脏病患者进行回访，发现4D Flow MRI与2D PC MRI测量结果具有良好的一致性，进一步表明4D Flow MRI可以定性和定量分析心脏和大动脉内的复杂血流状况。

心房颤动与栓塞性卒中联系密切，易导致左心房血栓。因此研究心房颤动患者的心血管血流及左右心室状态具有重要意义。Markl等[16]通过4D Flow MRI技术对62例心房颤动患者以及8名健康志愿者进行全心扫描，结果显示，虽然无系统的证据证明心房颤动患者的左右心室血流淤滞，但患者心房间血流平均速度和具有较大个体差异，同时也证明4D Flow MRI对全心扫描具有重大意义。

3.3 胸部 4D Flow MRI技术可以可视化及量化各种主动脉疾病导致的血流反常情况:如胸主动脉瘤、主动脉瓣膜疾病、主动脉壁疾病等[17]。

胸主动脉瘤(thoracic aortic aneurysm, TAA)指胸部主动脉某处或某段腔径异常扩大，形成瘤状，其生理病理因素主要是相关区域的血流动力学影响。有研究[18]将4D Flow MRI与CFD结合对TAA患者进行仿真，结果发现结合4D Flow MRI技术，CFD测量胸主动脉整体血流动力学以及避免剪切应力等方面更加准确。

二叶主动脉瓣(bicuspid aortic valve, BAV)是一种最常见的先天性心脏缺陷，因此需正确测量峰值血流速度以监测患者的主动脉瓣功能。4D Flow MRI技术在BAV患者血流动力学测量方面展现出巨大的潜力。Rose等[19]对51例BAV患者进行4D Flow MRI，并对升主动脉、主动脉弓、降主动脉3个ROI的峰值速度进行分析，将所得数据与2D PC MR以及多普勒超声心动图进行比较，结果发现，4D Flow MRI速度[(2.04 ±0.71)m/s]明显高于2D PC MR[(1.69 ± 0.79)m/s,P<0.001)]；故4D Flow MRI技术测量BAV患者峰值速度的准确率与多普勒超声心动图一致并高于2D PC MR。

马珂等[20]于1周内对8名健康志愿者进行2次独立的肺动脉4D Flow成像，并成功地测量了肺动脉相对压力及血流量，认为测量结果具有可重复性。目前常用超声及2D PC MR技术研究肺动脉高压相关血流动力学参数的无创测量方法。虽然4D Flow MRI采集时间较长，但其定位相对简单，可在一次扫描中提供三维容积内任意位置及截面的血流速度信息。故4D Flow MRI技术在测量肺动脉高压患者肺动脉血流参数、相对压力及综合评价多种血流动力学参数方面具有重要意义。

3.4 腹部 门静脉高压是肝硬化的终末期并发症，导致肝和肠系膜循环血流动力学发生剧烈变化。晚期肝硬化患者饮食后，可能引起门静脉压力增加。Roldan-Alzate等[21]利用4D Flow MRI技术测量12例门静脉高压患者和6名健康受试者饮食后腹部的血流动力学变化，所有被试者禁食5 h后获得餐前血流动力学数据，摄入食物20 min后采集餐后MRI数据，结果显示两次数据的差异有统计学意义 (P<0.05)；餐后结果显示，上腹腔主动脉、门静脉、肠系膜上静脉和动脉血流均明显增加，表明4D Flow MRI技术可以全面量化腹部血管系统，检测门静脉高压血流动力学参数。

主动脉壁剪切刚度(aortic wall shear stiffness, AWS)和壁面剪切应力是腹主动脉病理变化的重要指标，在PC-MRI的弹性成像和4D Flow MRI出现后，AWS和壁面剪切应力的无创评估可行。Kolipaka等[22]采用MRE和4D Flow MRI估计和建立正常受试者AWS和WSS的相关性，虽然发现两者之间无相关性，但该研究证实4D Flow MRI技术在无创评估腹部血管血流动力学参数方面具有潜力。

4D Flow MRI技术在颅内血管、颈动脉、胸部主动脉、肝脏系统等方面的测量结果与参考标准(2D PC MR或多普勒超声心动图)具有较好的一致性，在颅内、颈部、胸部及腹部血管领域，4D Flow MRI技术显示良好的可再现性以及较小的差异性。但大部分研究以健康志愿者为基础，仅小部分患者参与。今后一方面应加大患者数量，另一方面需评估4D Flow MRI技术相对于独立流量测量技术的准确性，如侵入性测量血流参数[23]。

总之，4D Flow MRI作为定量分析区域水流和速度的新兴技术，可提供3D流量覆盖以及在任何位置、任何成像平面回顾性血流分析。4D Flow MRI与2D PC MR流动参数的一致性及4D Flow MRI分析与回波接近性的提高，表明4D Flow MRI技术已经成为临床替代2D PC MR的潜在技术。此外，4D Flow MRI在正常和病理性血流动力学复杂流动模式可视化方面存在极大的潜力。随时间变化，三维三方向采集等技术表明4D Flow MRI可提供更加精确的定量血流速度与血管壁参数。作为一种新兴的相位对比MR技术，4D Flow MRI与其他PC-MRI技术结合将成为临床更全面的检测手段。

[1] Van Ooij P, Potters WV, Collins J, et al. Characterization of abnormal wall shear stress using 4D flow MRI in human bicuspid aortopathy. Ann Biomed Eng, 2015,43(6):1385-1397.

[2] Pereira VM, Delattre B, Brina O, et al. 4D flow MRI in neuroradiology: Techniques and applications. Top Magn Reson Imaging, 2016,25(2):81-87.

[3] Suzuki M, Nakazono T, Yamaguchi K, et al. A qualitative and quantitative assessment of cardiac cine Phase contrast MRI: Comparison of image quality between 2D and 3D acquisition. J Cardiovas Magn Reson, 2015,17(1):1-2.

[4] Michael M, Alex F, Sebastian K, et al. 4D Flow MRI. https://www.researchgate.net/publication/232611373_4D_flow_MRI

[5] Ooij PV, Alexander LP, Potters WV, et al. Reproducibility and inter-observer variability of velocity and 3D wall shear stress derived from 4D Flow MRI in the healthy aorta. J Cardiovasc Magne Reson, 2015,17(1):1-2.

[6] Markl M, Alex FD, Kozerke S, et al. 4D flow MRI. J Magn Reson Imaging, 2012,36(5):1015-1036.

[7] Callaghan FM, Karkouri J, Broadhouse K, et al. Thoracic aortic aneurysm: 4D flow MRI and computational fluid dynamics model. Comput Methods Biomech Biomed Engin, 2015,18(Suppl 1):1894-1895.

[8] Schrauben E, Wahlin A, Ambarki K, et al. Fast 4D flow MRI intracranial segmentation and quantification in tortuous arteries. J Magn Reson Imaging, 2015,42(5):1458-1464.

[9] 陈宇，张宇，周赜辰，等．颅内动脉瘤4D Flow MRI与CFD血流动力学参数测量的对比研究．磁共振成像，2016，7(8)：613-617．

[10] Nakagawa S, Murai Y, Wada T, et al. 4D flow preliminary investigation of a direct carotid cavernous fistula due to a ruptured intracavernous aneurysm. Bmj Case Reports, 2015，22：2015.

[11] Kellawan JM, Harrell JW, Schrauben EM, et al. Quantitative cerebrovascular 4D flow MRI at rest and during hypercapnia challenge. Magn Reson Imaging, 2016,34(4):422-428.

[12] 赵世华.迎接心脏磁共振成像新技术挑战.中国医学影像技术,2017,33(8):1125-1128.

[13] Vasanawala SS, Hanneman K, Alley MT, et al. Congenital heart disease assessment with 4D Flow MRI. J Magn Reson Imaging, 2015,42(4):870-886.

[14] Gabbour M, Rigsby C, Markl M, et al. Comparison of 4D flow and 2D PC MRI blood flow quantification in children and young adults with congenital heart disease. J Cardiovasc Magn Reson, 2013,15(1):1-2.

[15] Gabbour M, Schnell S, Jarvis K, et al. 4-D flow magnetic resonance imaging: Blood flow quantification compared to 2-D phase-contrast magnetic resonance imaging and Doppler echocardiography. Pediatr Radiol, 2015,45(6):804-813.

[16] Markl M, Carr M, Ng J, et al. Assessment of left and right atrial 3D hemodynamics in patients with atrial fibrillation:A 4D flow MRI study. Int J Cardiovasc Imaging, 2016,32(5):807-815.

[17] Burris NS, Hope MD. 4D flow MRI applications for aortic disease. Magn Reson Imaging Clin N Am, 2015,23(1):15-23.

[18] Callaghan FM, Kozor R, Sherrah AG,et al. Use of multi-VENC 4D Flow MRI to improve quantification of flow patterns in the aorta. J Magn Reson Imaging, 2016,43(2):352-363.

[19] Rose MJ, Jarvis K, Chowdhary V, et al. Efficient method for volumetric assessment of peak blood flow velocity using 4D flow MRI. J Magn Reson Imaging, 2016,44(6):1673-1682.

[20] 马珂，岳云龙，周赜辰，等．利用4D-Flow技术定量分析肺动脉血流和相对压力的可重复性研究．中国医学影像学杂志，2016，24(3)：215-217, 222．

[21] Roldan-Alzate A, Frydrychowicz A, Said AA, et al. Impaired regulation of portal venous flow in response to a meal challenge as quantified by 4D flow MRI. J Magn Reson Imaging, 2015,42(4):1009-1017.

[22] Kolipaka A, Illapani VP, Kalra P, et al. Quantification and comparison of 4D-flow MRI-derived wall shear stress and MRE-derived wall stiffness of the abdominal aorta. J Cardiovasc Magn Reson, 2016,18(1):1-2.

[23] Stankovic Z, Allen BD, Garcia J, et al. 4D flow imaging with MRI. Cardiovasc Diagn Ther, 2014，4(2):173-192

Researchadvancesinclinicalapplicationof4DFlowMRI

XUQiaoli1,2，YEYubing2，ZHANGJiankang1，2，LIUYa2，ZHENGGang1，2*

(1.CollegeofCivilAviation,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China；2.DepartmentofMedicalImaging,JinlingHospital,MedicalSchoolofNanjingUniversity,Nanjing210002,China)

4D Flow MRI is a new phase contrast MR technique, which can spatially encode velocity in three-direction, collect multi-directional blood flow data, and result in complex three-dimensional dynamic parameters.4D Flow MRI is more accurate and comprehensive than2D phase contrast MRI and Doppler echocardiography. However,4D Flow MRI have some disadvantages, such as long scanning time, noise, etc., which are the future key technical issues to be addressed.4D Flow MRI technology has a great potential in clinical applications, such as intracranial vascular diseases, cardiac magnetic resonance imaging, and other aspects of aortic diseases. Research advances in clinical application of4D Flow MRI were reviewed in this paper.

Phase contrast technique; Magnetic resonance imaging; Hemodynamics; Vascular wall parameters

R54; R445.2

A

1003-3289(2017)12-1898-04

国家自然科学基金资助项目(81671667、81471644)、中国博士后基金资助项目(2016T90445)。

胥巧丽(1992—)，女，山东潍坊人，硕士。研究方向：脑功能成像及医学图像处理。E-mail： winter_xuql@163.com

郑罡，南京航空航天大学民航学院，210016；南京军区南京总医院医学影像科，南京大学医学院，210002。

E-mail： gang.zheng@nuaa.edu.cn

2017-06-21

2017-09-16

10.13929/j.1003-3289.201706118