作者：李灏，刘鹏飞，哈尔滨医科大学附属第一医院心血管磁共振室
相位对比MRI（PC-MRI）是通过在平面方向上设置流速编码来获取单位时间内的图像，这种方法广泛应用于MRI血流定量分析的临床实践中。传统PC法采用双极梯度场对流体进行编码，并在多个方向进行编码，获取成像信息，再通过减影去除背景，得到流体的相位变化信息，进一步重建成图像显示。
与传统的2D PC-MRI相比，4D flow MRI通过测量三个方向的流速编码和单向的流动补偿编码来进行四点扫描，从而获取图像信息。在血液流动形式复杂的心脏中使用2D PC法进行流量测量是比较困难的。在三个空间维度中的每一个具有速度信息的时间分辨3D 成像已经证明了心脏内流量定量的可靠性和准确性。相比于2D PC 4D 可以对流体体积定量，且有更好的可重复性。多种流体参数据，可以更好的进行回顾性分析。相比于需要精确定位的2D PC，4D flow的扫描方案更简单。在某些时候可能比2D 法更快。然而，4D flowMRI的许多领域缺乏与当前黄金标准方法的体内比较，通常是由于缺乏这样的体内评估的黄金标准。2D PC法的时间分辨率高于4D PC法，这也可能导致了在峰值流速上4D 测得的数值小于2D 法。
在影像学对于血液动力学的检查中，可视化的图像对于疾病的诊断，研究数据的解释都有着至关重要的作用，而把4D -flow所得到的大量数据进行可视化评估是十分困难的。目前的一些后处理工作站对于4D -flow数据的可视化处理主要有以下几种：1）色彩编码，根据选定平面血液的流速与方向进行不同颜色的编码，可以得到与多普勒超声相似的颜色图像，同时也可以进行同电影图像的融合、任意层面与体素的测量等；2）速度向量图，向量显示速度的大小和方向，在评价流出道反流时有一定意义；3）流线型显示，流线是与速度方向局部相切的曲线。它提供有关瞬时速度场的信息。像矢量显示方法一样，流线显示是指示流入和流出方向的技术，特别有助于显示涡流等特殊流动模式。Calkoen等人，通过流线性可视化评估可更准确的把测量平面定位于最大流入速度的垂直方向；4）三维可视化，主要用于动态显示中。
目前，4D flow MRI可视化方法已经有效地识别了诸如主动脉，颈动脉和脑血管的各种血管中的血流异常变化。血池的3D 采集也能够更好地显示和量化心脏及血管内血液的复杂状态。在量化数据采集中，4D flow MRI不仅提供常规的流量定量，还提供具有潜在临床应用的各种流体动力学生物标志物，例如壁剪应力（WSS），湍动动能（TKE），涡量，压力梯度和脉搏波速度（PWV）。
1.心脏4D flow MRI
在心脏周期的每个时间阶段产生血液速度的矢量以及成像体积（例如整个胸部）上的幅度信号强度。可通过单次采集，常规评估心脏内外结构、容量、功能及定量血流量。4D -flow-MRI在量化分析时可以假定任意平面进行流量测量，这样在单次采集中可以定义并测量多个平面，并可根据血流方向调整测量平面，因此使用同一扫描方案，不同的心率变化并不会减低测量的一致性。例如，2D PC MRI的分流或反流的量化会由于瓣膜区域在心动周期内不断移动而不准确，但是4D flow MRI可以常规用作测量入口和出口阀流量的临床工具以及通过心脏瓣膜的反流。
关于心脏血流的量化分析，这里简要介绍流体动能与涡流分析。通过将腔内各个体素的动能（KE）求和来计算心室中流动血液的总动能。在对心脏血液动能的研究中，CarlssonM等人首先进行了对全心血液动能的分析研究，并试图解释血液动能在心腔充盈过程中所起的作用，并发现与右室充盈相关。随后，Zajac等人在最近临床研究发现患者与扩张型心肌病相比，健康受试者具有更高的湍流动能（TKE）。
Kanski等人发现患者的KE曲线与对照显著不同，表明KE评估在评估心力衰竭患者中的潜在价值。有研究表明，舒张期心内血流涡流流动模式演进，在以内血流定向与分配中起到了重要作用，且与心脏泵效率相关。Elbaz等人使用较常用的λ2判据方法分析心内血液涡流结构，在健康受试者中，发现与左室早期充盈相比，充盈末期的涡流核心（即涡核）在形状上更圆，并且发现环形涡流的形状与二尖瓣环的形状相关。在32名具有二尖瓣异常的房室间隔缺损患者的队列中，Calkoen等人同样应用基于λ2判据的方法，发现涡核的流动状态与二尖瓣形状、左室流入方向之间有很强的关联性。
2.主动脉
主动脉非常适合于流体动力学评估，其血流动力学的可视化和量化研究也最早在从事临床和基础研究的研究者中获得了高度的兴趣。4D flow技术也被证明可以提供临床相关疾病标志物。如前所述，4D flow技术不仅允许简单的2D 平面计算，而且通过使用适当的可视化和量化工具，可以在胸主动脉中进行广泛的新型血液动力学可视化和评估，如螺旋流量评估、流动喷射偏心率和其它正在探索的许多新颖的流动特性。使用4D flow MRI定量TKE也是有前景的生物标志物。
DyverfeldtP等人在先前的一项研究评估了使用TKE定量检测心血管流量异常的体内可行性。BockJ等人使用4D flowMRI对主动脉相对压力的非侵入性定量研究中得到较好的一致性。MoftakharR等人的先前研究，使用4D flowMRI与导管测量的压力方法相比，4D flow的优势在于其提供了时间分辨的3D 相对压力场，从而可以识别流体模式与空间分布之间的关系动态压力，因此可以更好评估具有局部压力的峰值和空间上压力的偏差。除此之外，在最近的研究中，4D flowMRI还可用于测量脉搏波速度以评估动脉硬化并评估动脉粥样硬化进程。
Wentland AL等人，使用4D flowMRI的脉搏波速度估计获取整个主动脉的体积速度数据，并估计升主动脉和降主动脉之间脉搏的时间滞后。该参数与传统的基于压力导管的估计和与正常对照组明确区分动脉粥样硬化的患者有很好的相关性。Guzzardid G等人，使用4D flowMRI所示WSS较高的管壁与升主动脉细胞外基质失调和弹性纤维变性相关。因此，异常的WSS可能在主动脉病变的发展中起主要作用，并随着进一步的数据的积累，WSS这种4D 流量MRI特有的参数，有望成为疾病进展的一个重要标志。
3.腹部
用于评估肝脏血流和血管结构的标准技术包括多普勒超声，对比增强的低剂量多排CT，2D PC-MRI，对比增强MR血管造影（CE-MRA）或肝静脉楔入法造影。然而，所有的技术具有一定的限制，例如电离辐射和对比剂的可能副作用、有限的视野覆盖、操作者的变异性或侵入性等限制。而对于4D flow MRI在腹部的应用也经历了不断的改善。从5点流速编码技术到径向4D flow MRI（PC-VIPR序列）等技术改进，使得整个肝脏和内脏循环系统血液动力学评估得到了较高扫描范围和空间分辨率。肝硬化患者由于其内脏循环血流的显著变化，如高动力循环，心率和心输出量升高，内脏血流量增加，使其成为了4D flow技术关注的焦点。尤其是晚期肝硬化导致的肝血管阻力增加、血流量变化与药物、介入治疗方案中对血流量的减少等，使得定量评估肝血流量模式的需求更受关注。
4D flowMRI与肝血管系统动静脉的完整体积覆盖可能为晚期肝硬化患者的肝脏形态，3D 血流模式和血液动力学标志物的综合表征提供了一种新的方法。在Stankovic等人早期的试点研究中，对肝硬化患者与正常志愿者使用4D flowMRI对肝动脉和门静脉系统血液动力学进行分析，对比2D PC和多普勒超声技术，并肯定了4D flow技术评估肝动脉和门静脉系统的可行性。之后该小组对肝硬化患者进一步研究证实了4D flowMRI与作为血流定量参考标准的多普勒超声在门静脉血流定量（最大和平均速度和流量）中良好的一致性。
在最近的研究中，PBannas等人对介入性经颈静脉肝内门体分流术（TIPS）手术前后患者行4D flow MRI检查，并肯定了其可行性。通常TIPS患者是难以用其他非侵入性方式评估。
综上所述，结合弥散、灌注或弹性成像MR成像的组织结构的形态信息，有望在临床腹部成像领域进一步更全面的发展。
4.颅内外动脉
颅内动脉瘤是潜在的威胁生命的病变，并且可能破裂导致蛛网膜下腔出血。目前用于风险分层和治疗计划的标准诊断方法是基于自然史和经验参数（例如患者年龄，动脉瘤的大小，形态和位置），危险因素（高血压，吸烟/酒精/药物滥用或家族史）。这些措施提供了一个不完整的评估。如今血液动力学因素的诊断价值不断被重视。JouLD 等人先前的研究表明，WSS可能与颅内动脉瘤破裂有关。之后，SchnellS等人及vanOoij等人均证实了4D -FLOW技术对动脉瘤的WSS和血流动力学的有效评估对疾病的风险预测有较高的参考价值。WuC等人在对6名Galen静脉瘤患儿的研究中表明，4D -FLOW对脑动脉血流量、动静脉分流以及栓塞后的脑血流再分配等方面有着显著的优势。
近年来较多研究表明，脑血管畸形的复杂血管结构使用4D flowMRI来检测病变血液动力学是很可行的。动静脉畸形（AVM）供血动脉和引流静脉的定量4D flow MRI数据可以通过识别具有最高流量的供血动脉来为栓塞治疗计划提供有价值的信息。此外，在动静脉畸形中血液动力学得到有效的评估可以更好地改善治疗效果，降低并发症的风险。ChangW等人观察到与临床表现相关AVM供血动脉中增加的WSS在严重患者症状中更为普遍。颅内/颅外动脉粥样硬化疾病是缺血性卒中的主要原因。沿着血管壁的动脉粥样硬化斑块会导致血栓栓塞或进行性管腔狭窄。
研究表明，定量血液动力学标志物（例如峰值速度和体积流速）在动脉粥样硬化斑块破裂或灌注依赖性中风复发的风险分级中是有价值的。目前，3D 血流特征及其在颅内/颅外动脉粥样硬化疾病中的诊断价值报道较少。在一项初步研究中，HopeTA等人的研究表明，4D flowMRI在动脉粥样硬化疾病患者血液动力学评估中优于TOFMRA。在另一项研究中表明，4D flowMRI的非称性流动指数在颅内动脉粥样硬化疾病患者中影响远端和同侧侧支动脉血流动力学。
最近有临床试验证据表明在椎基底动脉硬化性疾病中低流量状态易于发生缺血性卒中，而使用4D 流动MRI的定量血液动力学数据可以基于对低流动状态的组织易感性，提供对动脉粥样硬化疾病相关风险分层的额外了解。
总之，4D flowMRI在过去几年中不断发展，使临床应用了多器官系统的血管领域心血管血流综合评估技术。该技术在国内的研究应用目前还较少，各大硬件厂商也并未完全商用化，各种序列仍存在诸多缺点。而4D flowMRI的临床适用性还需不断探索，并需要更大的队列研究结果的支持。迄今为止，大量的研究已经证实4D flowMRI可行性，并帮助我们好地了解多种疾病血液动力学改变的证据，。希望4D flowMRI提供的新型血液动力学数据能够完善患者个体化治疗方案，为疾病提供新的风险分层指标，并改善患者的治疗及预后。
来源：李灏,刘鹏飞.4D flow MRI在心血管系统中的研究进展[J].医学影像学杂志,2018,28(11):1926-1929.
