手动脉非增强磁共振血管成像的初步临床应用

2014-03-10飞FENGFei

中国医学影像学杂志 2014年11期

关键词：伪影节段血流

冯飞FENG Fei

王丽2WANG Li

陈汉威2CHEN Hanwei

戚玉龙1QI Yulong

刘德祥2LIU Dexiang

黄益2HUANG Yi

唐郁宽2TANG Yukuan

张娜3ZHANG Na

手动脉非增强磁共振血管成像的初步临床应用

冯飞1FENG Fei

王丽2WANG Li

陈汉威2CHEN Hanwei

戚玉龙1QI Yulong

刘德祥2LIU Dexiang

黄益2HUANG Yi

唐郁宽2TANG Yukuan

张娜3ZHANG Na

目的初步探讨基于血流敏感散相（FSD）和平衡稳态自由进动（SSFP）的非增强磁共振血管成像（NCE-MRA）技术在显示类风湿性关节炎患者手动脉的临床应用价值。资料与方法22例类风湿性关节炎患者采用1.5T成像系统进行手动脉NCE-MRA和增强磁共振血管成像（CE-MRA）检查。对手动脉（划分为腕部、掌部和指部3个血管节段）的图像质量进行评分，并对图像信噪比（SNR）、对比度噪声比（CNR）和血管边缘锐利度进行测量。将NCE-MRA和CE-MRA的图像质量和测量值进行统计学比较。结果22例患者24只手均成功完成NCE-MRA和动态CE-MRA检查。72个血管节段中，NCE-MRA有69个动脉节段的图像质量具有诊断意义，明显高于CE-MRA（96%比83%，P＜0.05）。此外，NCE-MRA在手动脉各个部位的图像质量以及SNR、CNR和血管锐利度均优于CE-MRA（P＜0.05）。结论 NCE-MRA能清楚地显示手动脉的各个分支，图像质量优于动态CE-MRA，对手动脉病变的诊断具有较好的临床应用潜力。

关节炎，类风湿；磁共振成像；手动脉；血流敏感散相；平衡稳态自由进动

增强磁共振血管造影（contrast-enhanced MR angiography, CE-MRA）是目前手动脉成像的主要方法，然而CE-MRA手动脉造影需要采用动态增强血管成像技术以减少静脉伪影的干扰[1,2]，因而其空间分辨率受到一定的限制。此外，含钆类造影剂在肾功能不全的患者中可能引起肾源性系统纤维化的致命并发症[3]，限制了CE-MRA在合并有肾功能损伤患者的应用。近年来，不使用造影剂的非增强磁共振血管成像技术（noncontrast-enhanced MR angiography, NCE-MRA）开始应用于外周动脉成像[4-8]，其中基于血流敏感散相（fow sensitive dephasing, FSD）和平衡稳态自由进动（steadystate free precession, SSFP）的血管成像技术在外周动脉显示了较好的图像质量和临床应用潜力[9,10]。目前，NCE-MRA在手部应用的报道很少，本文通过类风湿性关节炎患者手动脉NCE-MRA与CE-MRA的对比研究，初步探讨该技术在手动脉成像的临床应用价值，试图为患者提供一个不需要使用造影剂的手动脉成像方法。

1 资料与方法

1.1 研究对象本文为单中心的前瞻性研究。连续纳入北京大学深圳医院22例类风湿关节炎患者，其中男4例，女18例；年龄26～57岁，平均（40±9）岁；诊断标准采用1987年美国风湿病学会ACR发布的标准判断，病程6周～6个月，平均2.8个月。22例患者中，2例同时进行双侧手动脉MRI血管成像，其余患者随机扫描单侧手，共获取24只手的图像资料。所有的患者均签署知情同意书。排除标准包括MRI检查常规禁忌证，包括安装心脏起搏器、幽闭恐惧症等以及肾功能不全患者（肾小球率过滤＜30 ml/min）。

1.2 扫描技术及方法 MRI扫描仪为Siemens 1.5 T成像系统（MAGNETOM Avanto, Siemens Healthcare, Erlangen, Germany）。所有患者均采取俯卧位，手放于头上并手掌向下。单手扫描采用8通道膝线圈，双手同时扫描使用12通道体线圈。MRI检查包括常规MRI扫描T1WI和T2WI，之后分别进行NCE-MRA和CE-MRA扫描。

本研究NCE-MRA技术的基本原理是：采用心电门控和SSFP（TureFISP）成像技术，在心脏舒张期和收缩期分别采集动静脉均为高信号的“亮血”图像和动脉为低信号而静脉为高信号的“黑血”图像，两者进行减影即可得到只有动脉的血管图像（图1）。舒张期动脉和静脉由于流速比较慢均呈现高信号（亮血），而收缩期动脉血流速度远远高于静脉，此时在SSFP序列前加上准备脉冲FSD，对流速较快的动脉血流信号进行抑制，就会得到动脉低信号而静脉仍为高信号的黑血图像。FSD对血流信号的抑制能力取决于磁场梯度一阶矩（frst-order gradient moment [m1]）和血流速度。因此，选取一个适当的m1值，就能利用动静脉血流速度的差别，在最大抑制动脉血流信号的同时尽量保留静脉的血流信号，以产生最好的减影效果和图像质量。

手动脉NCE-MRA扫描的方法是，首先进行手部2D TOF扫描，在手掌中部水平测量动脉血流峰值的触发延迟时间（150～200 ms）并选取最佳m1值（30～50 mT/ms2/m），然后实施NCE-MRA成像序列，分别采集以FSD为准备脉冲的SSFP黑心序列和以T2为准备脉冲的SSFP亮血序列。扫描范围包含腕关节和手指末端，成像参数为：TR/TE=3.8/1.9 ms, 矩阵288× 288 mm，视野280 mm×280 mm，FOV phase=80%，层厚1 mm，像素体积=0.9×0.9×0.9 mm3，一次采集层数40，采集时间3～5 min（取决于心率）。动态增强MRA扫描采用时间分辨随机轨道血管成像技术：肘静脉注射Gd-DTPA对比剂20 ml（Magnevist, Schering AG, Berlin, Germany，剂量0.2 mmol/kg），速度

图1 基于FSD-SSFP的NCE-MRA脉冲序列。A.收缩期施加FSD准备脉冲获取“黑血”；B.舒张期施加T2准备脉冲获取“亮血”

2 ml/s，随后以相同速度追加注射20 ml生理盐水。动态扫描在注射造影剂后随即开始，每3秒完成1次采集，共重复16～20次。扫描参数：TR/TE=2.8/1.4，翻转角度=25°，视野=310 mm×310 mm，矩阵=284×256，层厚2 mm，共25～30层，插值重建为1 mm层厚。像素体积=1.1×1.2×2.0 mm3，带宽=790 Hz/pixel，并行采集加速因子＝2。

1.3 图像质量评估所有原始图像转移到工作站，以最大强度投影重建完整的手部动脉NCE-MRA及CE-MRA图像。图像质量的定性评价由2名放射科副主任医师各自独立完成。为避免重复记忆的影响，两种成像技术的图像间隔4周按随机顺序进行评估。图像质量评估的血管划分上，由于手动脉在内外方向上的图像质量相近，因此，手动脉由近至远分成腕部、掌部和手指部3个血管节段进行图像质量评估，每个节段内包含的动脉分支有：①腕部：尺动脉和桡动脉远端；②掌部：掌动脉弓、指掌侧总动脉、拇主要动脉等位于掌部内的主要动脉；③手指部：拇指掌侧动脉、食指动脉、指掌侧固有动脉等分布于手指的主要动脉。每个节段的图像质量按照4级标准进行半定量评估：1分：动脉无清楚轮廓或边缘；2分：动脉有比较清楚的轮廓，伴有中度的静脉或软组织伪影，图像有诊断意义；3分：动脉有清楚的轮廓和对比度，伴有轻度的静脉或软组织伪影；4分：动脉轮廓清晰锐利，无或伴有少许静脉伪影。图像质量位于两者之间时可以取0.5分。

图像质量的定量测量包括信噪比（signal to noise ratio, SNR）、对比噪声比（contrast to noise ratio, CNR）和血管边缘锐利度由1名MRI物理师独立完成。分别选取腕部和掌部的两支固定动脉（尺动脉和桡动脉远侧段、掌浅弓和掌侧固有动脉）的横断面进行信号强度和血管边缘锐利度的测量，以背景空气的标准偏差为噪声计算SNR，测量邻近肌肉信号强度计算CNR。血管边缘锐利度的测量方法首先将原始横断面图进行4倍的线性插值，画出经过血管腔的直线的信号强度曲线，计算出该信号强度曲线最大值和最小值的差值，取该差值的20%和80%的点对应的横坐标的距离，对曲线两边的这一距离求平均后求倒数则为要测的血管边缘锐利度[11]。

1.4 统计学方法采用SPSS 19.0软件，NCE-MRA和CE-MRA图像质量的比较采用Wilcoxon配对符号秩和检验，SNR及CNR的比较采用独立样本配对t检验，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 可诊断血管节段 22个患者24只手均成功完成NCE-MRA和动态CE-MRA检查。按整只手计算，NCE-MRA能清楚显示手动脉各个分支有21例（21/24，92%）（图2）。按腕部、掌部和手指部3个血管节段计算，两种血管成像技术各获取72个血管节段。72个血管节段中，NCE-MRA有69个（96%）动脉节段的图像质量具有诊断意义。3个节段图像失败的原因中，严重软组织和静脉伪影干扰1个，见于掌部。严重SNR不足2个，均发生于手指部。CE-MRA有60个（83%）动脉节段的图像质量具有诊断意义，12个失败的原因中，严重软组织伪影2个，分别见于腕部和掌部各1个。严重SNR不足10个，均见于手指部的动脉。在具有诊断作用的血管节段数量上，NCE-MRA显著高于动态CE-MRA（96%比83%，P＜0.05）。

图2 女，46岁，类风湿性关节炎患者NCE-MRA（A）和CEMRA（B）手动脉成像的最大强度投影图像。A. NCE-MRA能清楚显示手动脉的各个分支，手掌两侧可以看到一些浅表静脉（箭），但与动脉可以清楚分辨；腕部和掌部可以看到一定程度的软组织伪影，但由于动脉血管有较高的信噪比，亦不影响动脉的显示和诊断。B. CE-MRA手指部动脉图像的SNR不足是影响图像质量的主要原因，手指末端软组织强化和静脉伪影也比较常见（箭）

2.2 图像质量、SNR、CNR及血管边缘锐利度的比较NCE-MRA在手动脉各个部位的图像质量评分高于CEMRA，腕部：（4.0±0.2）分比（3.5±0.3）分，P＜0.05；掌部：（3.6±0.2）分比（2.3±0.4）分，P＜0.05；手指部：（2.5±0.2）分比（1.1±0.3）分，P＜0.05。手动脉NCE-MRA的SNR、CNR和血管边缘锐利度均优于CE-MRA，SNR：57.0±13.3比14.8±4.1，P＜0.05；CNR：54.0±12.7比13.2±3.7，P＜0.05；血管锐利度：1.10±0.10比0.89±0.09，P＜0.05。见表1。

3 讨论

外周动脉NCE-MRA的研究始于2000年[12]，早期方法采用基于半傅里叶转换的三维快速自旋回波成像技术，可获取具有良好SNR的下肢动脉图像[4]。但当动脉存在严重狭窄，血流速度过快或血流紊乱时，自旋回波因其固有技术特性容易产生信号丢失，导致对血管狭窄程度的高估[5]。针对自旋回波血管成像技术这一不足，Fan等[9]采用更加快速和信号稳定的SSFP序列进行血流信号的采集，并加以T2准备脉冲，更加显著提高了动脉血流信号。同时，以FSD作为准备脉冲，可以在多个方向上施加动脉血流抑制梯度，使其更加适用于走向比较复杂的手部和足部动脉[10,13]。本研究中，NCE-MRA 96%的血管节段可用于诊断，明显优于本研究采用的动态CE-MRA成像技术和文献报道的传统增强血管造影方法[14]，NCE-MRA较高的图像质量归于SSFP极好的SNR和较高的空间分辨率。与CE-MRA相比，NCE-MRA不受造影剂动脉首次通过时间的限制，可以适当增加扫描时间提高图像的空间分辨率。本研究中，NCE-MRA的像素体积达到了各向同性0.9 mm3，明显高于外周动脉动态CE-MRA的现有技术[14]，或接近于文献报道的高分辨CE-MRA手动脉造影[15]，但这种方法显然不能有效克服静脉污染的问题。此外，由于手动脉管腔的直径一般在1～2 mm，而且走行纡曲，因此，实现亚毫米各向同性的空间分辨率对提高手动脉病变的诊断准确性有重要的潜在作用。

表1 NCE-MRA与CE-MRA手动脉图像质量的对比分析

CE-MRA对手指部动脉的显示有较大困难，本研究中，仅有58%的指部血管节段的图像质量达到诊断要求。导致图像失败的主要原因是严重SNR不足，可能与动脉末端的血流速度慢和灌注量偏低有关，尤其在远端动脉发生狭窄的情况下，血管造影的图像质量会进一步下降[16]。

影响NCE-MRA图像质量的主要因素有动脉血流速度和静脉伪影。从NCE-MRA的成像原理可以看到，产生最佳减影效果和获取高质量图像的关键在于最大抑制动脉血流信号的同时尽量保留静脉的血流信号。因此，除了适合的m1值外，保证黑血和亮血的采集分别处于动脉流速的峰值和舒张中期非常重要。本研究以2D TOF通过目测血流信号最强的图像选取采集黑血的触发延迟时间，以保证FSD对动脉血流信号的最大抑制，将静脉伪影降到最低。本研究中仍然存在一定的静脉污染，但静脉伪影主要出现在手掌的浅表部位，其原因是由于这些静脉血流速度较快甚至接近于动脉，因此，在黑血采集过程中这些静脉的信号也会被FSD抑制，从而导致了减影后这些静脉图像仍然存在。但是，由于这些静脉伪影比较浅表，基本不影响动脉图像的显示，或可以通过后处理软件进行消除。软组织伪影也可以产生一定程度的干扰，但由于SSFP产生的血流信号具有极好的SNR，因此，本研究中手部的软组织伪影基本不影响手动脉的显示和诊断。

本项研究的局限性主要为病例数较少，不能全面分析和客观评价影响NCE-MRA图像质量的因素。另一方面，由于缺少常规X线血管造影作为对照的“金标准”，本研究未评估NCE-MRA诊断类风湿性关节炎患者手动脉病变的准确性。此外，血管图像质量应该进行分层分析，以进一步明确图像质量差异是来自病变还是技术本身。考虑到本研究虽然将类风湿患者作为研究对象，但目前的患者较少发生血管狭窄或闭塞，因此，血管病变的影响因素相对较小，如果采用X线血管造影作为“金标准”或增加正常健康者作对照，可减少因血管病变引起误差。由于目前临床上少有手动脉X线血管造影，进一步的研究中将收集更多的病例，如雷诺病等并增加健康对照组，更加全面地分析和评价NCE-MRA在手动脉的临床诊断价值。同时，采用更加先进的血流信号抑制技术[17]，进一步减少静脉伪影的影响。

基于FSD和SSFP的非增强血管成像技术能清楚显示手动脉的各个分支，图像质量优于动态CE-MRA，同时具有较高的SNR和空间分辨率，对手动脉病变的诊断具有较好的临床应用潜力。

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（本文编辑冯婕）

Non-contrast-enhanced MR Angiography of Hand: Preliminary Clinical Experience

PurposeTo assess the clinical application of non-contrast-enhanced MR angiography (NCE-MRA) using flow sensitive dephasing (FSD) prepared steady-state free precession (SSFP) for displaying hand arteries of patients with rheumatoid arthritis.Materials and MethodsTwenty-two patients with rheumatoid arthritis were recruited in this study. All the patients undertook hand NCE-MRA and three-dimensional dynamic CE-MRA on a 1.5T MR scanner. The informed consent was obtained from each subject. Image quality was assessed independently by two experienced radiologists at three arterial segments (wrist arteries, palm arteries, and fnger arteries) with a four-point scale. Signal to noise ratio (SNR), contrast to noise ratio (CNR), and vessel sharpness were evaluated by a magnetic resonance physicist. The results and image quality were statistically compared between the two MRA techniques.ResultsTwenty-two patients of 24 hands successfully underwent NCE-MRA and CE-MRA scan. Among 72 vascular segments, 69 segments of NCE-MRA were diagnostic, which was higher than that of CE-MRA (96% vs 83%, P＜0.05). Otherwise, the image quality, SNR, CNR and vessel sharpness of NCEMRA were all superior to those of CE-MRA (P＜0.05).ConclusionNCE-MRA using FSD-prepared SSFP allows clear depiction of the hand arterial tree, and the image quality is superior to that of dynamic CE-MRA. It is a potential tool for evaluating the disease of hand arteries.

Arthritis, rheumatoid; Magnetic resonance imaging; Artery of hand; Flowsensitive dephasing; Balance steady-state free precession

1. 北京大学深圳医院医学影像科广东深圳518036

2. 广州市番禺区中心医院放射科广东广州511400

3. 中国科学院深圳先进技术研究院生物医学成像研究中心广东深圳 518055

陈汉威

Department of Radiology, Central Hospital of Panyu District in Guangzhou City, Guangzhou 511400, China

Address Correspondence to: CHEN Hanwei E-mail: docterwei@sina.com

R593.22；R445.2

2014-09-15

修回日期：2014-10-16

中国医学影像学杂志

2014年第22卷第11期：830-833，837