相位对比法磁共振成像测量主动脉和肺动脉起始部净血流量的准确性研究

郭 立,郭 皓,袁 勇,曾维咏,袁曙光,杨 楠,艾李萍,周晓雯



·全科医生技能发展·

相位对比法磁共振成像测量主动脉和肺动脉起始部净血流量的准确性研究

郭 立,郭 皓,袁 勇,曾维咏,袁曙光,杨 楠,艾李萍,周晓雯

目的 采用相位对比法(PC)磁共振成像(MRI)测量健康志愿者的主、肺动脉起始部净血流量，并进行比较，以验证PC MRI测量主、肺动脉起始部净血流量的准确性及可重复性。方法 选取2012年1月—2013年12月昆明医科大学第二附属医院进行体检的健康志愿者31例，采用PC MRI测量心动周期内主、肺动脉起始部净血流量，观察PC MRI测量主、肺动脉起始部净血流量的准确性；前后两次测量9例健康志愿者主、肺动脉起始部净血流量，观察PC MRI测量主、肺动脉起始部净血流量的可重复性。结果 主、肺动脉起始部时间-净血流量图呈逐渐上升曲线，相对应心脏的收缩期，主、肺动脉起始部净血流量曲线表现为倾斜度较大、光滑且连续的曲线；相对应心脏的舒张期，主、肺动脉起始部净血流量曲线表现为逐渐向上、波形较平缓、光滑且连续的曲线。主动脉起始部净血流量(72.8±12.2)ml,肺动脉起始部净血流量(73.8±13.8)ml，差异无统计学意义(t=-1.924，P=0.64)。主动脉起始部净血流量与肺动脉起始部净血流量呈正相关(r=0.94,P<0.05)，方程为：Y=-3.825+1.066X。第1次与第2次测量主、肺动脉起始部净血流量比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。第1次与第2次测量主动脉起始部净血流量呈正相关(r=0.91,P<0.05)，方程为：Y=-6.669+1.078X。第1次与第2次测量肺动脉起始部净血流量呈正相关(r=0.92,P=0.001)，方程为：Y=5.391+0.923X。结论 PC MRI是一种无创、安全、准确、信息量大的检查方法，且不受肺气、骨骼的影响，是研究主、肺动脉起始部净血流量的好方法。

磁共振成像；主动脉；肺动脉

郭立,郭皓,袁勇,等.相位对比法磁共振成像测量主动脉和肺动脉起始部净血流量的准确性研究[J].中国全科医学，2015，18(15)：1840-1844.[www.chinagp.net]

Guo L,Guo H,Yuan Y,et al.Measurement accuracy of net blood flow volume of the initial part of aorta and main pulmonary artery by using PC MRI[J].Chinese General Practice，2015，18(15)：1840-1844.

注：A为主动脉长轴定位线，B为肺动脉长轴定位线

图1 横断位上对主、肺动脉长轴进行定位

Figure 1 The lines show the long axis of the aorta and main pulmonary artery on transection

图2 肺动脉长轴及肺动脉起始部净血流量测量层面位置

Figure 2 The long axis of the main pulmonary artery,and the line shows the position which we measure the net blood flow of the initial part of main pulmonary artery

图3 主动脉长轴及主动脉起始部净血流量测量层面位置

Figure 3 The long axis of the aorta,and the line shows the position which we measure the net blood flow of the initial part of aorta

主、肺动脉起始部净血流量的准确测量，对协助诊断和治疗心、肺、血管及脏器病变起着非常重要的作用[1-8]。由于各种血流测速方法存在着不同的缺陷，故难于对主、肺动脉起始部净血流量进行准确的测量，从而制约了与主、肺动脉相关疾病的血流动力学研究。相位对比法(phase contrast,PC)磁共振成像(MRI)是一种新型血流测量方法，具有其他流体测量方法无法比拟的优点，有望成为主、肺动脉血流动力学研究的主要方法。故本研究根据左、右心室心输出量基本相等的原理(即：心动周期内通过主、肺动脉起始部净血流量基本相等)，采用PC MRI对健康志愿者的主、肺动脉起始部净血流量进行测量，以验证PC MRI测量主、肺动脉起始部净血流量的准确性和可重复性，为今后主、肺动脉血流动力学相关疾病的研究奠定基础。

1 资料与方法

1.1 临床资料 选取2012年1月—2013年12月昆明医科大学第二附属医院进行体检的健康志愿者31例为研究对象，其中男18例，女13例；年龄21～30岁，平均26.3岁。健康志愿者对此项研究均知情、同意，并按国际上推荐的健康人方案筛选得出[9]。

1.2 方法

1.2.1 检查方法 健康志愿者空腹、清醒、静息30 min后，采用Siemens Sonata 1.5 T MR超导磁共振仪(梯度磁场为40 mT/m，切换率为200 mT·m-1·ms-1)，相控阵线圈，行常规胸、腹部扫描；外周脉搏门控下，先于横、冠断层图像上定位，分别获得主、肺动脉的长轴位(见图1～3)；于主、肺动脉长轴位上定位，采用PC MRI序列垂直于主、肺动脉(距主、肺动脉瓣口3～5 cm处)进行扫描，分别获得主、肺动脉对应部位的图像组，各断面对应心动周期内各产生2组图像(相位重聚图像、相位对比图像)，每组图像各30幅。第1次扫描完毕后，其中有9例健康志愿者于2～4 h内按上述方法重复检查1次。PC MRI序列相关参数：视野350～400 mm，矩阵320×256，层厚5 mm，速度编码(Venc)±150 cm/s，重复时间(TR)/回波时间(TE)=55 ms/3.2 ms，激励次数3次。

1.2.2 图像后处理方法 将PC MRI扫描所获得的图像导入西门子Syngo Argus流速分析软件。将图像放大约2倍，于相位重聚图像沿血管壁内缘勾画主、肺动脉的轮廓，并复制感兴趣区至相位对比图像(见图4、5)，并与软件自动得出主、肺动脉对应断面处的时间-净血流量图及心动周期内的净血流量。

2 结果

2.1 主、肺动脉起始部时间-净血流量图 主、肺动脉起始部时间-净血流量图呈逐渐上升曲线，相对应心脏的收缩期，主、肺动脉起始部时间-净血流量图表现为倾斜度较大、光滑且连续的曲线；相对应心脏的舒张期，主、肺动脉起始部时间-净血流量图表现为逐渐向上、波形较平缓、光滑且连续的曲线(见图6、7)。主、肺动脉起始部时间-净血流量图中曲线上的峰值即为心动周期内主、肺动脉起始部净血流量。

注：A为相位重聚图像，B为相位对比图像

图4 主动脉起始部断面相位图

Figure 4 The in-phase image of the initial part of the aorta

注：A为相位重聚图像，B为相位对比图像

图5 主肺动脉起始部断面相位图

Figure 5 The in-phase image of the initial part of the main pulmonary artery

图6 主动脉起始部时间-净血流量图

Figure 6 The graph of time-net blood flow volume of the initial part of the aorta

图7 肺动脉起始部时间-净血流量图

Figure 8 The graph of time-net blood flow volume of the initial part of the main pulmonary artery

2.2 心动周期内主、肺动脉起始部净血流量大小比较 主动脉起始部净血流量(72.8±12.2)ml,肺动脉起始部净血流量(73.8±13.8)ml，差异无统计学意义(t=-1.924，P=0.64)。主动脉起始部净血流量与肺动脉起始部净血流量呈正相关(r=0.94,P=0.00，见图8)，方程为：Y=-3.825+1.066X。

2.3 前后两次PC MRI测量主、肺动脉起始部净血流量比较 第1次与第2次测量主、肺动脉起始部净血流量比较，差异均无统计学意义(P>0.05，见表1)。第1次与第2次测量主动脉起始部净血流量呈正相关(r=0.91,P=0.00，见图9)，方程为：Y=-6.669+1.078X；第1次与第2次测量肺动脉起始部净血流量呈正相关(r=0.92,P=0.001，见图10)，方程为：Y=5.391+0.923X。

图8 主动脉起始部净血流量与肺动脉起始部净血流量相关性散点图

Figure 8 The scatter diagram of the correlation between the net blood flow volume of aorta and the net blood flow volume of main pulmonary artery

Table 1 Comparison of the net flow volume of the initial part of aorta and main pulmonary artery by using PC MRI between the first time and the second time

测量主动脉起始部肺动脉起始部第1次751±95762±109第2次743±110757±109t值01611025P值070057

3 讨论

3.1 主、肺动脉起始部净血流量测量的意义及测量方法 主、肺动脉是体、肺循环的起始及最大的供血主干，在全身各组织脏器供血、供氧中起着重要的作用。主、肺动脉血流动力学的改变(如：净血流量或血流速度的变化)与检查者生理、代谢等因素相关，还与心、肺、血管等组织脏器的病变密切相关。对主、肺动脉内的净血流量和血流速度等血流指标的准确测量对了解机体的生理变化、疾病的诊治均有重要的意义[1-8]。如Kondo等[6]对心动周期内主、肺动脉起始部净血流量进行测量，来评价左、右心室的收缩功能。Rees等[8]测量主、肺动脉起始部净血流量间的差别，能快速了解左、右分流量的大小和方向，进而对病情的程度进行评估。

图9 第1次与第2次测量主动脉起始部净血流量相关性散点图

Figure 9 The scatter diagram of the correlation of the net flow volume of the initial part of aorta between the first time and the second time

图10 第1次与第2次测量肺动脉起始部净血流量相关性散点图

Figure 10 The scatter diagram of the correlation of the net flow volume of the initial part of main pulmonary artery between the first time and the second time

测量流体的方法很多，但真正能运用于临床血流检测的方法却很少。氙气CT、正电子发射型计算机断层显像(PET)、单光子发射计算机断层成像术(SPECT)只能获得相对的血流速度，而电阻法、热量稀释法等均为有创、间接的血流测量方法。目前，临床血流检测的主要方法是超声心动图(UCG)和PC MRI。UCG虽然具有操作灵活、方便的优点，但UCG检查受到肺气、肋骨、肥胖等多种因素的影响，常使检查失败。而且，UCG检查需要超声探头的方向与所测血管内血流的方向一致时，才能获得准确的血流信息，而主、肺动脉在体内的走形方向极大限制了该技术的应用。PC MRI是一种新型的血流动力学检测方法[7-10]，其是应用静止组织和流体之间产生的双极梯度相位差的原理来进行流速的定量测量。PC MRI不受空间位置及周围组织脏器类型和形态的限制，有望成为主、肺动脉起始部血流量测量的主要方法。

3.2 PC MRI测量主、肺动脉起始部净血流量准确性的验证 主、肺动脉起始部净血流量大、速度快、血流状态复杂，PC MRI能否准确测量主、肺动脉起始部净血流量呢?由于一直以来缺乏活体血流测量的“金标准”，这也导致难以在活体上验证某一血流测速方法的准确性。为此，国内外学者采用各种不同的方法来验证PC MRI的准确性。Kondo等[6]通过体外模型(其内流体速度为20～408 cm/s)来验证PC MRI测量血流的准确性，其测量值与流速计比较具有较高的准确性(r=0.99)，提示该方法能准确测量生理及病理状态下的不同流速的流体。刘明等[11]也通过体外模型证实，PC MRI能测量低中速的流体。上述研究主要集中在对固定管径内恒速流动液体的体外模型进行测速，而人体内无论从血管的结构、血液的成分，还是血管内血液流动的模式等均与体外模型不完全相同。在这些因素影响下，PC MRI能否对活体血管内的血流进行准确测速呢？国外学者通过对覆盖整个心室范围的多层心脏短轴位进行MR电影扫描，获得心室收缩末期和舒张末期的容积，并推导出心脏每搏输出量，再与心动周期内流经对应心室所发出的动脉净血流量进行比较，能定量验证该方法测量血流的准确性(r=0.9)[10]。但是心脏MR电影扫描是在多次屏气状态下完成的，其心室容积的大小是各层图像面积的累加，故所测出的容积大小受到图像采集时呼吸状态及心率的影响。此外，所测心室容积的大小还受心室边界划定的标准、部分容积效应、测量误差的影响。另一些学者通过测量肺动脉左、右分支与肺动脉干的净血流量，来验证PC MRI测量的准确性[7]。

国内使用PC MRI进行主、肺动脉血流方面的研究起步较晚，相关的验证性研究也较少。为今后更好地使用PC MRI来对主、肺动脉血流相关疾病进行研究，本研究根据“左心室每搏输出量=心动周期内动脉起始部净血流量≈右心室每搏输出量=心动周期内肺动脉起始部净血流量”的原理，对主、肺动脉起始部净血流进行测量，以期通过该方法来验证PC MR测量主、肺动脉血流的准确性。本研究所测量心动周期内主、肺动脉起始部净血流量〔(72.8±12.2)ml、(73.8±13.8)ml〕具有很好的一致性(r=0.94)，提示该测量方法具有较高的准确。结果中主动脉起始部净血流量要略小于肺动脉起始部的测量值，其差值约为1.0 ml，这可能与测量主动脉血流时放置的位置有关，将扫描层面放置于主动脉瓣膜上3～5 cm的位置，会引起所测的净血流量中没有包含经左心室射出而经主动脉窦(主动脉瓣膜处)进入冠状动脉的这部分血流。但主、肺动脉起始部净血流量间的差值小于正常静息状态下冠状动脉的供血量(4～5 ml)，出现这个矛盾的原因可能是主、肺动脉起始部净血流量测量虽是在一定时间段内完成，但无法在同一时间点上测量获得，由于2次测量时心脏的心率和收缩力略有不同，致使心室的每搏输出量也略有不同，由于样本量有限，可能部分遮掩了主、肺动脉起始部心动周期内净血流量间的差别，而这一推断有待通过大样本研究来证实。此外，为了检验PC MRI测量血流的可重复性，本研究分前后两次对9例健康志愿者的主、肺动脉进行测量，结果显示该方法在测量主、肺动脉起始部净血流量方面具有较高的重复性，这也提示采用PC MRI测量患者主、肺动脉起始部净血流量将助于疾病的诊断及治疗效果的监控。

3.3 研究中影响验证准确性的因素 在本研究中，影响验证准确性的因素主要包括技术因素和人为因素。

3.3.1 技术因素 (1)心电门控技术。因心律不齐会引起采集主、肺动脉起始部净血流量时心动周期长度的不一致，从而影响验证的准确性，故本研究选择健康志愿者作为研究对象，以缩减心律不齐对试验的影响。其次，本研究采用回顾性脉搏门控技术，该方法与回顾性心电门控技术效果一样，且较适于血流方面的检测，该技术保证了扫描能涵盖整个心动周期，使测量结果更为准确。(2)呼吸的影响。本研究中PC MRI获取主、肺动脉的血流信息是在自由呼吸状态下进行的。这样既保证了主、肺动脉血流的采集是在同一条件下完成的(即保证了可比性)，又保证了两者所测的结果受胸腔压力变化的影响小，与正常生理状态一致。(3)成像的位置。为使主、肺动脉血流间具有可比性，成像的位置应尽可能接近主、肺动脉的起始部，这样可避免动脉分支血流的流出对验证试验的影响。但由于心脏的搏动会牵拉相连大血管而引起血管位置在一定程度上的偏移，从而影响试验结果。本研究采用PC MRI序列垂直于升主动脉和肺动脉干(距主、肺动脉瓣口3～5 cm处)进行扫描，这样既保证了测量位置接近动脉的起始部，又减少了心脏搏动所引起血流测量位置的不准。但这也存在另一个较大的问题，即所测主动脉起始部净血流量中没有包含进入到冠状动脉的部分。(4)成像平面与血流的角度。成像平面与血流流动方向垂直时，流速与血流测量最为精确。成像平面偏离一定角度时，最大流速的测量值偏小。本研究测量主、肺动脉起始部血流量时，通过多平面联合定位，在获取主、肺动脉长轴位的基础上进一步对受检动脉进行定位，这保证了扫描层面尽可能垂直于主、肺动脉。并且，Greil等[12]通过试验证实，成像平面在一定范围内偏离时(10°～40°)，其血流测量的误差不大(-5.6%～+3.9%)。(5)速度编码方向。速度编码方向有平面内(in-plane)和跨平面(through-plane)两种[13]。本研究中主要是为了获取主、肺动脉起始部血管断面的血流量，故仅采集了跨平面速度编码方向上的图像信息。(6)Venc。理想Venc的设定应为感兴趣区内最大速度的125%以内。Venc决定了能测量出来的最大流速范围和最小流速范围。如设定Venc为100 cm/s时，所能测量的质子流速在±100 cm/s之间，其相位变化在180°内。如果其值过大，会失去相位敏感性；如果其值过小，会出现相位混淆。本研究中选择Venc为150 cm/s对主、肺动脉血流速度进行验证，主要是通过如下两步确定的：一是查阅了相关文献，多数学者采用120～200 cm/s来对主动脉血流进行研究。二是通过峰值血流速度的预测量，其最高峰值血流速度多在80～110 cm/s，故将Venc设为150 cm/s。(6)时间和空间分辨率。时间分辨力设定值过低可能会低估血流与峰值速度。一般认为，一个心动周期在20个以上相位可满足要求。本研究中一个心动周期包含30个相位，保证了测量的准确性。在空间分辨力方面，采用了适中的空间分辨率(1.1～1.5 mm/voxel)，既减少了部分容积效应的影响，又避免了高空间分辨率引起图像信噪比的降低所致血流的测量不准。

3.3.2 人为因素 本研究中血流测速软件为半自动化，在任意一帧图像上选取感兴趣区(主、肺动脉断面)后，可将感兴趣区复制到对应心动周期的各帧图像上，并通过半自动识别血管边缘及观察者手动微调相结合来勾画并确认感兴趣区的准确性，获得时间-净血流量图及相关指标值，这样有效减少了人为因素的影响。

综上所述，PC MRI是一种无创、安全、准确、信息量大的检查方法，且不受肺气、骨骼等影响，是主、肺动脉血流动力学研究的好方法之一。

[1]Henk CB,Grampp S,Koller J,et al.Elimination of errors caused by first-order aliasing in velocity encoded cine-MR measurements of postoperative jets after aortic coarctation:in vitro and in vivo validation[J].Eur Radiol,2002,12(6):1523-1531.

[2]Tariq U,Hsiao A,Alley M,et al.Venous and arterial flow quantification are equally accurate and precise with parallel imaging compressed sensing 4D phase contrast MRI[J].J Magn Reson Imaging,2013,37(6):1419-1426.

[3]Meier D,Maier S,Bösiger P.Quantitative flow measurements on phantoms and on blood vessels with MR[J].Magn Reson Med,1988,8(1):25-34.

[4]Duerk JL,Pattany PM.In-plane flow velocity quantification along the phase encoding axis in MRI[J].Magn Reson Imaging,1988,6(3):321-333.

[5]Nayler DL,Firmin DN,Longmore DB.Blood flow imaging by cine magnetic resonance[J].J Comput Assist Tomogra,1986,10(5):715-722.

[6]Kondo C,Caputo GR,Semelka R,et al.Right and left ventricular stroke volume measurements with velocity-encoded cine MR imaging:in vitro and in vivo validation[J].AJR Am J Roentgenol,1991,157(1):9-16.

[7]Silverman JM,Julien PJ,Herfkens RJ,et al.Quantitative differential pulmonary perfusion:MR imaging versus radionuclide lung scanning[J].Radiology,1993,189(3):699-701.

[8]Rees S,Firmin D,Mohiaddin R,et al.Application of flow measurements by magnetic resonance velocity mapping to congenital heart disease [J].Am J Cardiol,1989,64(14):953-956.

[9]Macfarlane PW,Lawrie TDV.Comprehensive electrocardiology[M].New York:Pergamon Press,1989:407-457.[10]James SH,Wald R,Wintersperger BJ,et al.Accuracy of right and left ventricular functional assessment by short-axis vs axial cine steady-state free-precession magnetic resonance imaging:intrapatient correlation with main pulmonary artery and ascending aorta phase-contrast flow measurements[J].Can Assoc Radiol J,2013,64(3):213-219.[11]Liu M,Li CY,Zhou LX,et al.Quantitative measurement of flow velocity with a phantom by 2D PC-MRI [J].Radiol Practice,2009,24(3):247-250.(in Chinese) 刘明,李彩英,周立霞,等.二维相位对比MRI在稳态流体模型的定量测量[J].放射学实践,2009,24(3):247-250.

[12]Greil G,Geva T,Maier SE,et al.Effect of acquisition parameters on the accuracy of velocity encoded cine magnetic resonance imaging blood flow measurements[J].J Magn Reson Imaging,2002,15(1):47-54.

[13]Pelc LR,Pelc NJ,Rayhill SC,et al.Arterial and venous blood flow:noninvasive quantitation with MR imaging[J].Radiology,1992,185(3):809-812.

修回日期：2015-03-02)

(本文编辑：陈素芳)

Measurement Accuracy of Net Blood Flow Volume of the Initial Part of Aorta and Main Pulmonary Artery by Using PC MRI

GUOLi，GUOHao，YUANYong，etal.

DepartmentofRadiology,theSecondAffiliatedHospitalofKunmingMedicalUniversity,Kunming650101,China

Objective In order to evaluate the accuracy and repeatability of PC MRI in measuring the net blood flow volume of aorta and main pulmonary artery,the net blood flow volume of aorta and main pulmonary artery is measured by using PC MRI among healthy volunteers,the results were compared.Methods 31 healthy volunteers who received health examination in the Second Affiliated Hospital of Kunming Medical University from January 2012 to December 2013,were selected as study subjects,the net blood flow volume of the initial part of aorta and pulmonary artery in the cardiac circle was measured by using PC MRI,the accuracy of PC MRI in measuring the net blood flow volume was analyzed.To find out the measurement repeatability of net blood flow volume of aorta and main pulmonary artery by using PC MR,the net blood flow volume of aorta and pulmonary artery is measured by using PC MRI among 9 healthy volunteers twice.Results The time-net blood flow volume diagram for the initial part of aorta and pulmonary artery showed a rising curve.In systole,the time-net blood flow volume diagram for the initial part of aorta and pulmonary artery showed a smooth,continuous curve with high inclination;in diastole,the time-blood flow volume diagram for the initial part of aorta and pulmonary artery showed a smooth,continuous and rising curve with mild waveform.There was no significant difference in the net blood flow volume between the initial part of aorta artery〔(72.8±12.2) ml〕 and the initial part of pulmonary artery 〔(73.8±13.8) ml〕 (t=-1.924，P=0.64).The net blood flow volume of aorta was positively correlated with the net blood flow volume of main pulmonary artery (r=0.94,P<0.05),the equation:Y=-3.825+1.066X.There was no significant difference in the net blood flow volume of aorta and main pulmonary artery between the first time and the second time (P>0.05).The net blood flow volume of aorta for the first time was positively correlated with the net blood flow volume of aorta for the second time (r=0.91,P<0.05),the equation:Y=-6.669+1.078X.The net blood flow volume of main pulmonary artery for the first time was positively correlated with the net blood flow volume of main pulmonary artery for the second time (r=0.92,P=0.001),the equation:Y=5.391+0.923X.Conclusion PC MRI is a noninvasive,safe,accurate and informative method,and is not affected by air and bone,so it is a good method for hemodynamic study of aorta and pulmonary artery.

Magnetic resonance imaging；Aorta；Pulmonar artery

教育部博士点基金新教师类(20115317120003)；云南省教育厅重点项目(2012Z091)

650101云南省昆明市，昆明医科大学第二附属医院放射科(郭立，袁曙光，杨楠，艾李萍，周晓雯)，急诊科(袁勇)；昆明医科大学第一附属医院心内科(郭皓)；云南农业大学学生处(曾维咏)

郭皓，650032云南省昆明市，昆明医科大学第一附属医院心内科；E-mail：guohaodoc@163.com

R 814.46

A

10.3969/j.issn.1007-9572.2015.15.023

2014-08-21；