四维血流技术在主动脉缩窄术后血流动力学定量评估中的研究

胡立伟，彭雅枫，孙爱敏，王谦，欧阳荣珍，郭辰，刘金龙，钟玉敏*

1.上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心放射科，上海 200127；2.上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心胸外科，上海 200127；3.上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心儿科转化医学研究所，上海 200127；4.上海结构性心脏病虚拟现实工程技术研究中心，上海 200127； *通讯作者 钟玉敏 zyumin2002@163.com

主动脉缩窄（coarctation of aorta，CoA）是导致血流梗阻的主动脉管腔缩窄，其发生率占先天性心脏病的 5%～8%，可引起远期高血压、心力衰竭等严重并发症，早期诊断和治疗至关重要[1]。手术纠正解剖异常后，并不能彻底根治血管内皮损害[2]。同时，术后再度狭窄会导致左心室后负荷增加，室壁应力增加，继发引起左心室肥厚，提高了心律失常、心源性猝死等疾病的发生率[3-4]。心血管磁共振（cardiovascular magnetic resonance，CMR）是儿童心血管定量评估有效的非侵入性方法。目前在 CoA术研究方面，国内已有研究证实吻合口再狭窄会引起脉搏波传导速度（pulse wave velocity，PWV）升高，主动脉顺应性降低[5]。然而，对CoA术后导致顺应性下降的原因尚无法进一步深入研究。

近年研究发现，四维血流（4D Flow）分析技术可在三维正交垂直空间方向上，根据血液流动速度矢量的改变，以流速图、流线图及迹线图等三维可视化形式描述血流运动状态与变化[6]，同时可通过图像后处理获得PWV、能量损失（energy loss，EL）、切应力（wall shear stress，WSS）等定量评估参数[7]。本研究拟应用4D Flow评估术后再狭窄患者的血流动力学改变，探讨MR多参数评价CoA术后改变的可能性，为CoA术后患者风险分级和后期治疗提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究对象 回顾性分析上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心3例CoA术后患者，纳入标准：①行CMR检查后发现主动脉存在术后再狭窄；②CMR心脏功能评估正常，射血分数>55%。排除标准：存在高血压、肥胖、全身炎症性疾病等病史的患儿。其中男2例，女1例，平均年龄（12±4）岁，术后随访时间 1～11年。2例行主动脉纠正术，1例行球囊扩张术。经上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心伦理委员会批准，选取3名年龄匹配的正常儿童志愿者作为对照组，并在家长对儿童参与这项研究充分了解与告知的情况下，签署相关知情同意书。对照组通过招募志愿者经健康调查表和超声心动图初筛入组。均为男性，平均年龄（13±3）岁。3例患者的身高为（161.6±1.7）cm，体重（58.83±10.68）kg，心率（75±8）次/min，射血分数（60.53±5.68）%；对照组身高为（163.0±1.0）cm，体重（53.00±11.53）kg，心率（80±1）次/min，射血分数（65.84±1.69）%。

1.2 图像采集 使用GE Discovery MR 750 3.0T MR扫描仪，8通道并行采集心脏线圈行CMR检查。在儿童自由呼吸下，应用线性采集加速技术的4D Flow序列完成整个心脏冠状面扫描，扫描参数：空间分辨率1.2～1.6 mm×1.2～1.6 mm×1.2～1.6 mm，各向同性等体素采集，视野340 mm×340 mm，层厚55～75 mm，时间分辨率 34.7 ms，TE 2.1 ms，TR 4.3 ms，翻转角 8°～12°，加速因子 2，带宽 62.5 Hz/像素，对照组速度编码值（VENC）160 cm/s，研究组300 cm/s，较高的VENC避免术后患儿狭窄导致高速血流的相位混叠，按照20相位/心动周期重建数据，平均采集时间11 min。

1.3 图像后处理 将由 CMR检查获得的冠状面扫描DICOM图像数据导入图像分析软件CVi42 5.9（CVI，Circle，Canada）进行噪声滤波，涡流和麦克斯维尔方程矫正。在确认XYZ轴相位编码方向正确后，使用中心线提取的图像分割法提取幅值图中的主动脉轮廓（等间距采样点超过8个），完成主动脉的空间三维重建[8]。通过血流动力学参数定量评估功能，计算三维重建模型内PWV、EL和WSS。

1.3.1 PWV 是心脏每次搏动射血产生的沿大动脉壁传播的压力波传导速度，PWV可反映大、中动脉系统的弹性状态，具有无创、简便、有效和可重复的特点，同时可以反映动脉功能的实时改变。TTF（time to foot）方法是目前认为最精确的PWV测量方法[8]，其计算PWV的方法为：PWV=主动脉起始处到降主动脉的长度/升主动脉和降主动脉的起始时间差（图1）。

图1 采用TTF方法测量主动脉PWV

1.3.2 EL 在血流动力学计算中，计算管腔内能量损失是以选定区域为控制容积，通过控制容积进出口能量平衡计算获得：

其中，P为进口和出口总压，ν为流速，Q为流量，inlet为升主动脉，outlet为降主动脉。容积为三维重建升主动脉到降主动脉末端。EL的单位是mW。1.3.3 WSS 计算时，假设血液为牛顿流体，则根据流体力学基本定义，其切应力表达为：

2 结果

与对照组相比，研究组狭窄部位远端层面的切应力明显升高，分别为（0.78±0.12）Pa、（0.44±0.11）Pa（图 2）。研究组的 PWV高于对照组，分别为（13.39±6.31）Pa、（5.86±0.62）Pa。4D Flow 可显示1个心动周期内不同时相的血流动力学改变（图3）。研究组和对照组的4D Flow分析参数结果见表1。可重复性评价结果显示，PWV、EL、WSS偏差和95%CI较好，偏差分别为1.07、-1.00和-0.04，95%CI分别为-1.99～4.13、-6.54～4.54 和-0.18～0.09。

图2 3例CoA患儿术后在收缩中期四维血流分析（4D Flow）迹线图、能量图、切应力图，箭示异常血流，狭窄部位远端层面的切应力明显升高

图3 病例2的CoA患儿四维血流分析（4D Flow）可显示1个心动周期内不同时相的血流动力学改变，1个心动周期内不同时相的迹线图

表1 研究组和对照组的四维血流分析参数结果

3 讨论

CoA大多是动脉导管闭合牵拉或胚胎期血液循环异常所致，在术后残余梗阻随访中，高血压、早发冠心病、充血性心力衰竭等是常见的并发症[4]。由于长期持续内皮损害，国外多项研究已提出建议CoA术后终身随访[9]。目前，通过CMR测量PWV是评价术后情况的主要方法之一。传播的速度越快，说明血管管壁越僵硬，弹性、顺应性及扩张性下降[10-11]。PWV主要使用MR二维相位对比序列进行计算[12]。有学者报道，4D Flow与二维相位对比序列测量的PWV无明显差异[11]。本研究的 4D Flow序列时间分辨率为28.5～34.7 ms，较高的时间分辨率可确保PWV测量的准确度。本研究中，发现3例CoA术后患者的PWV均高于对照组，分别为（13.39±6.31）Pa、（5.86±0.62）Pa。狭窄程度和狭窄长度可能是影响的主要因素，狭窄引起主动脉压力升高，进而导致PWV的变化，这个结论有待进一步研究证实。

4D Flow从血流动力学方面探讨 CoA术后形态改变的力学根源，并可根据血流的定量信息预测疾病发展[13-14]。本研究中，术后3例患儿均存在不同程度的术后狭窄，分别发生于峡部和升主动脉与主动脉弓交界处，且缩窄近端均产生涡流。在收缩中期病例1中，高速血流通过狭窄段，对远端的降主动脉血管壁造成冲击，故整体EL较对照组变化差异不大（28 mW）。在收缩中期病例2中，峡部狭窄前端发现涡流产生，同时狭窄远端对侧的血管壁切应力增加，狭窄远端降主动脉整体血流呈螺旋流改变，其EL为43 mW。在收缩中期病例3中，升主动脉与主动脉弓交界处发现较大的涡流，峡部后端长段的高速血流冲击血管壁可能造成机械性损害，其EL为70 mW。研究组主动脉的EL和狭窄部位近端产生的涡流有关。涡流越大，则能量损失越大。与对照组相比，CoA术后病例远端层面的切应力明显升高，分别为（0.78±0.12）Pa、（0.44±0.11）Pa。WSS可能是导致血管顺应性下降的原因之一，其对缩窄近段血管壁的冲击使平滑肌减少，胶原增多，从而使舒张功能下降，循环机械应力导致弹性纤维断裂，最终使局部血管硬化[15]。

本研究的局限性：①数据均为单中心、小样本的回顾性分析，基于临床有随访资料的大样本4D Flow研究是下一步要开展的工作；②由于儿童扫描配合度不如成人，为自由呼吸扫描时间，鉴于扫描时间过长未附加呼吸导航技术，自由呼吸下的4D Flow测量的准确性有待进一步实验证实；③多参数定量研究中，未纳入压力差分析，对于4D Flow分析压差和心导管测量值的一致性有待进一步证实。

总之，4D Flow可用于定量评价CoA术后血流动力学变化。主动脉EL和狭窄段近端的涡流大小有关。狭窄段位置、涡流大小和局部血管壁WSS的升高是早期影响CoA术后血管顺应性下降的重要因素之一。后期将开展4D Flow数据和临床数据的相关性研究，为CoA术后患者风险分级和后期治疗提供定量标准。