正常志愿者左心室内血流动力学特征的MRI测量

李梦露，席晓旭，程流泉

解放军总医院放射诊断科，北京 100853； *通讯作者 程流泉 cheng_liuquan@139.com

左心室内血流动力学是心功能的重要病理生理参数，血流是心脏做功的直接结果，但是由于流体的参数表达很复杂，很难进行准确的定量和定性描述[1]。心脏磁共振成像早期即使用相位对比血流成像法（phase contrast，PC）显示大血管的血流，随着技术的进步，部分研究开始尝试使用动态三维PC技术（又称为4D-Flow）进行大血管的血流动力学研究[2-3]。左心室内复杂的血流动力学特征如何进行准确测量、表达并与常规心功能参数建立相关性，仍然值得深入研究。在课题组前期研究的基础上，本研究拟探索正常人左心室内血流动力学特征的表达参数，为左心室内血流的病理生理功能研究奠定基础。

1 资料与方法

1.1 研究对象 经解放军总医院医院伦理委员会批准征集健康志愿者，所有受检者均无心脏疾病病史、无重大疾病史和系统性疾病史，检查前测量收缩压90～120 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）、舒张压60～90 mmHg，心率60～90次/min，心律整齐；MRI检查后经研究者阅片评估心脏形态功能正常，左心室射血分数55%～65%；排除MRI检查期间存在心律不齐、疑似存在异常或图像质量不达标者。共纳入23名健康志愿者，其中男12名，女11名；年龄24～33岁，平均（28.3±3.3）岁。检查前按照心脏MRI检查要求训练呼气末屏气以配合检查。

1.2 图像采集 使用 Philips 1.5T Multiva MR 扫描仪，8通道相控阵心脏线圈，心电向量触发，采用实时交互式成像定位心脏的短轴位、水平长轴位（四腔心层面）、垂直长轴位（两腔心层面）和左心室流出道位（LVOT，又称为三腔心层面），用平衡稳态快速梯度回波序列完成常规的电影成像检查后，采用二维PC电影序列选取左心室短轴位的心底、中部和心尖3个层面和LVOT层面进行成像。短轴位成像参数为心电向量触发，每个RR周期划分24个相位，TR 5.5 ms，TE 3.3 ms，脉冲角120°，流速编码预设值100 cm/s，流动方向为垂直成像平面，视野320 mm×280 mm，矩阵160×132，平面内分辨率2 mm×2.1 mm，层厚8 mm；LVOT成像参数：流速编码预设值100 cm/s，流动方向为成像平面内，其余参数与短轴位相同。

1.3 图像处理 将 DICOM 图像导入 Segment 2.2 R6435软件（http://www.medviso.com）。启动PC流动分析模块，在经过涡流补偿校正和血流方向调整后，在短轴位以左心室基底、中部和心尖3个水平的垂直血流为对象勾画感兴趣区（ROI）（图1）。为了验证测量的准确性和可重复性，优选准确反映心功能参数的指标，本研究设计了3个不同大小的ROI（图2），ROI-A>ROI-B>ROI-C，ROI-C尽量准确勾画血流-心肌界面；ROI-A>ROI-C，包括全部血流及不可避免的肌小梁；ROI-B

其中，ρ是血液密度，取值1.06 g/ml；V 是体积（ml）。

1.4 统计学方法 采用SPSS 19.0软件，非正态分布的数据采用中位数（四分位数间距）表示。采用Pearson相关分析分别计算ROI-A和ROI-B与ROI-C的组内相关系数，以ROI-C测量值为横坐标，ROI-A和ROIB的测量值为纵坐标做相关性散点分布图，比较不同大小ROI测量的一致性，分析测量误差。完成可重复性测量验证后，以3个ROI的平均值作为有效值纳入统计，计算血流速度、血流量和SKE的峰值与达峰时间（time to peak，TTP），TTP包括收缩期和舒张期，结合视觉分析总结不同层面心室内血流的特征。

图1 短轴位左心室基底部（A）、中部（B）和心尖（C）3个成像层面及ROI勾画，ROI范围内不可避免地包括肌小梁或少量附壁血流被遗漏

图2 ROI勾画的重复性。粉红色为ROI-C，尽量与血池边界一致；黄色为ROI-A，圆形或椭圆形，略大于ROI-C，包含少量乳头肌和肌小梁；浅绿色为ROI-B，圆形或椭圆形，略小于ROI-C，少量附壁血窦被排除在外

2 结果

2.1 不同大小 ROI测量的可重复性比较 3个ROI测量的速度、血流量和 SKE的散点分布见图3，Pearson相关系数为0.664～1.000，差异有统计学意义（P<0.05）。SKE的分布与参照线Y=X吻合良好，相关系数R值接近1，提示ROI的大小对测量结果影响较小；速度和血流量的分布受ROI的大小影响存在系统误差，不同程度偏离Y=X参照线，提示ROI的大小影响测量结果的精度。

图3 不同ROI测量的速度、血流量和SKE分布。ROI-C为横坐标，ROI-A和ROI-B分别为左侧蓝色纵坐标和右侧绿色纵坐标，红色直线为参照线Y=X，蓝线和绿线与红线吻合提示测量一致。flow_t：总血流量；flow_ps：正向血流量；flow_ng：负向血流量；v_avg：平均速度；v_max：正向最大速度；v_min：负向最大速度；v-sd：速度标准差；ske：定向动能

2.2 左心室血流的定量评价 心底、中部、心尖3个平面的速度、流量和SKE曲线见图4，其峰值、TTP见表1。SKE有稳定的收缩达峰时间0.24（0.17，0.24）RR和舒张达峰时间0.63（0.63，0.70）RR，变异系数小；SKE曲线在心尖水平接近0，在中部和基底部存在梯度差异，达峰时间一致。

图4 基底、中部和心尖3个层面的血流速度、血流量和SKE的统计曲线。纵坐标代表各参数值，横坐标代表心动周期的时相。A：平均速度；B：最大正向速度；C：最大负向速度；D：净流量；E：射出流量；F：充盈流量；G：SKE

表1 21名健康人心底、中部、心尖3个平面的SKE峰值与达峰时间[中位数（四分位数间距）]

2.3 心室内血流特征的定性评价 图5为心底、中部和心尖3个层面和LVOT的血流速度彩色编码图，图6为同一志愿者的速度、流量和SKE曲线。由图5可见，心底层面整个心动周期均可见双向血流，收缩期流出道射血占优势，舒张期流入道血流占优势，对应地在 LVOT层面上心底水平的流入道和流出道血流分界明确，在流量曲线（图6E）上表现为正向和负向血流共存。

图5 流速彩色编码图。橙色和红色代表射出血流方向，蓝色代表充盈血流方向。A、B、C、D分别为心底水平、中部水平、心尖水平和LVOT层面

图6 1名健康志愿者的左心室血流各参数曲线

3 讨论

左心室心肌收缩、舒张运动的直接效应是驱动血液循环，将血液从左心房吸入左心室并射入主动脉，由此实现全身的血液供应，心室内血流动力学的变化是心肌做功的直接结果。近年在MRI领域开始使用 4D-flow研究心室内的血流动力学状态，4D-flow 成像[4-5]提供了血流方向的空间特征，对于理解血流动力学状态具有非常直观的效果，但是采集时间长、检查效率低，检查期间受到心律不齐的限制而导致很多误差，而最终的定量分析及流速、流量、方向、管壁剪切力、压力梯度和血流模式等大多数指标[6]均需要回归到二维的表达[7]。因此，本研究采用二维成像研究血流在平面的特征参数，选择左心室基底部、中部和心尖3个典型层面，对血流速度、流量和SKE参数在二维水平进行比较。

速度是二维磁共振成像相位对比血流成像（twodimensional phase-contrast flow imaging，2D-PC）序列的元数据，也是研究血流动力学的元数据之一，后续的血流量和 SKE均是基于速度的衍生数据。超声基于速度构建等速线，计算涡流的密度、长径、短径、压力梯度和血流剪切力等参数[8-9]。从测量数据看，左心室内的血流分布状态极其复杂，使用ROI测量的平面内平均速度、正向射血速度和负向充盈速度的曲线在个体间存在差异，在速度曲线上表现为测量的标准差范围很大。从解剖学角度上，左心室的形态很复杂，并非简单的锥形，心内膜面有不规则的肌小梁改变血流的状态，使得锥体内不同部位的血流质点的速度混杂不一致，ROI勾画很难实现肌小梁与血流准确分离，不可回避的乳头肌-肌小梁以及附壁的缓慢血窦，均可能对测量结果产生影响。因此，很难用单一的速度曲线准确表达心室内复杂的血流速度分布，对复杂的平面内血流的理解尚需要借助二维血流速度彩色编码图提供的定性观察。血流量是速度和时间的乘积在ROI面积的积分[10]，可以回避ROI范围内速度分布异质性的影响，故血流量曲线比速度曲线具有更好的规律性，但同样不可避免地受ROI大小的影响，缺乏测量的可重复性。

根据公式SKE=1/2×mV2，经质量-密度（m=ρV）换算后为SKE=1/2×ρV3，显著改变了速度在SKE中的权重。由本研究不同大小 ROI测量的可重复性可见，速度和血流量受ROI大小的影响显著，而SKE几乎不受影响，推测ROI范围内的小面积的低速血流和心肌所形成的SKE与快速血流形成的SKE，其差别在10-3，对SKE曲线的测量结果影响很小，因而忽略了缓慢血流和ROI内少量心肌的影响，获得的曲线比速度和流量曲线具有更好的可重复性和操作性。本课题组在预备试验中取小范围 ROI的心肌作为对象其SKE值几乎接近于0也证实了这一点。不同个体之间的SKE收缩峰值（正向）、舒张峰值（负向）、达峰时间以及不同短轴层面的峰值差别（梯度）均具有良好的可重复性。

对于心室内血流动能（kinetic energy，KE）的研究始于4D-flow技术的开发[11]，左心室的KE综合了血流速度和流量的信息，SKE是速度和流量的综合表现。与流量曲线相比，SKE曲线也明显地呈现舒张期的3个波峰曲线，准确反映了心室充盈的不同状态，与 Garg 等[12]和 Stoll等[13]的研究一致。Wong等[14]和Theophilou等[15]的研究均表明，SKE的动态变化与左心室射血分数变化直接相关。Crandon等[11]研究认为，随着年龄的增长，舒张期的KE缩小，而收缩期的KE保持不变。Garg等[12]使用 4D-flow技术研究心肌梗死，结果发现除KE显著降低外，血栓形成时还伴有KE的A波降低延迟。

与其他KE研究不同，本研究赋予SKE以正向和负向的矢量特征，构建了能量矢量即SKE，这样能更好地区分收缩期和舒张期的变化。由于四维研究可以获取3个方向的血流信息，无法赋予简单的正、负矢量方向，构建左心室内的整体KE变化曲线。本研究选定心底、中部和心尖3个层面测量垂直成像平面的SKE，可以比较不同心室层面的SKE变化特征，如峰值梯度和 TTP，这种峰值和TTP的差异反映心室射出与充盈，与M型超声的E/A峰反映的心室充盈状态具有相似性。除峰值外，TTP以及各TTP之间的差距将是十分有意义的指标[14,16]。针对正常志愿者的研究表明，心底、中部和心尖的 SKE存在梯度差异，射血TTP与充盈TTP各自具有同步性，在本课题组初步研究的扩张型心肌病患者中，这种峰值梯度存在缺失和紊乱，TTP也不同步。

总之，用 2D-PC方式获取的左心室内血流动力学参数中，SKE综合了速度、流量和方向3个方面的信息，测量简单，具有很好的可重复性，不同层面的峰值和TTP可以作为简单的心室内血流动力学指标，值得进一步研究。