肝门静脉四维相位对比法MRI不同加速采集技术的图像质量比较研究

曲源，王艳*，毋晓萌，董海洋，朱莉

1.新疆维吾尔自治区人民医院放射影像中心，新疆 乌鲁木齐 830000；2.北京理工大学生命学院生物医学工程专业，北京100081；3.上海市胸科医院，上海 200030；*通信作者 王艳 drwangxj@sina.cn

肝硬化是常见的慢性进行性肝病，在我国大多数由病毒性肝炎引起，门静脉高压症是肝硬化疾病进展过程中的严重转归，常伴有侧支循环形成、脾肿大及功能亢进、腹水等并发症。临床诊断门静脉高压，需要通过穿刺测量肝静脉压力梯度间接分析门静脉压力，直接测量门静脉压力尚不可行。近年来，磁共振血流成像技术快速发展，四维相位对比法MRI（4D phase contrast，4DPC）是一种利用三维相位对比法进行连续采集，获得动态三维血管流动图像的成像技术，目前已在临床上应用于颅内血管瘤、颈动脉狭窄、主动脉夹层动脉瘤、先天性心脏病或门静脉等疾病的血管成像[1-8]。然而在大部分研究中，4DPC MRI成像时间长，平均扫描时间10 min以上，流速编码的设定也存在诸多争议[9-13]。本研究利用QFlow软件测量门静脉主干最大流速，作为4DPC MRI流速设置的参考，分别进行并行采集（SENSE，SENSitivity Encoding）和压缩感知（Compressed SENSE）加速4DPC MRI扫描，评估两种方法门静脉成像的图像质量，判断4DPC MRI利用Compressed SENSE进行快速肝门静脉成像的可行性，指导临床应用。

1 资料与方法

1.1 研究对象 回顾性收集2019年6—8月22名健康志愿者，男12例，女10例；年龄20～67岁，平均（38.2±13.2）岁。纳入标准：①无MRI检查禁忌证；②无高血压病史。排除有任何肝脏病史者。本研究经医院伦理委员会批准，志愿者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 使用Philips Achieva 1.5T MR扫描仪，8通道腹部线圈，检查前禁食水4 h。受检者取仰卧位，头先进，身体长轴与磁体中心平行，放置呼吸门控。三平面定位扫描后，行冠状面单次激发T2、横断面2D Balanced FFE全上腹扫描，明确肝门静脉位置，垂直于门静脉主干行2DPC屏气扫描，用QFlow软件测量门静脉最大流速，作为4DPC MRI流速编码设定。4DPC MRI冠状面定位范围包括肝内外门静脉、脾静脉、肠系膜上静脉，放置膈肌导航，在心电门控条件下进行自由呼吸扫描。

1.3 成像技术 单次激发T2扫描参数，视野（FOV）375 mm×375 mm，层厚7 mm，体素1.4×1.6 mm，TR 3 000～5 000 ms，TE 80 ms；2D Balanced FFE，FOV 400 mm×400 mm，层厚10 mm，体素2×1.7 mm，TR 2.9 ms，TE 1.5 ms。2DPC定位线垂直于门静脉，流速编码梯度施加在层面方向，流速编码30 cm/s，FOV 320 mm ×260 mm，层厚8 mm，TR 5.9 ms，TE 3.9 ms，体素2.5×2.5 mm，心电门控下屏气扫描，时间15～18 s。对同一志愿者行肝门静脉4DPC MRI，分别使用SENSE和Compressed SENSE进行动态连续采集。2个序列之间扫描定位、膈肌导航条放置位置相同。扫描参数：3D T1 FFE相位对比法采集，梯度回波采集数为3，采集间隔60 ms，TR 4.9 ms，TE 3.5 ms，翻转角10°，SENSE加速因子2×1.8，Compressed SENSE加速因子4。FOV 320 mm×320 mm，体素3 mm× 3 mm× 3 mm，扫描层数36，包括脾静脉、肠系膜上静脉、门静脉主干、肝内门静脉左、右分支。流速编码根据2DPC流速测量结果决定，平均25～30 cm/s，每个心动周期重建15个时相。流速编码梯度施加在前后、左右、上下3个方向。图像重建过程中自动完成降噪、correction of Maxwell terms、相位偏移和涡流修正。两种方法平均采集时间在4:30～5:00之间（图1）。

图1 男，40岁，健康志愿者4DPC MRI扫描图像。A为幅值图像；B～D为3个方向重建相位对比图像；E为A对应的相位对比图像；F～G为3个方向的相位图像，箭示门静脉位置，分别为左右、前后、上下方向流动相位图像；I为门静脉血管三维重建图像，从左向右箭头分别示肝内门静脉左支、右支、门静脉主干、肠系膜上静脉、脾静脉

1.4 图像分析 比较2种4DPC MRI加速技术采集的肝门静脉及其分支图像质量，在肝门静脉最高流速期相图像中，脾静脉近门静脉处、肠系膜上静脉近门静脉处、门静脉主干、肝内门静脉左、右分支血管分别放置感兴趣区（ROI），测量各ROI和图像背景信噪比（SNR）。图像ROI位置保持相同，面积不小于50 mm2。

根据公式（1）计算SNR：

分析2种加速技术中各血管流速和流量，使用QFlow软件，分别测量门静脉主干及其分支等5处血管垂直断面的流速及流量。为了避免人为误差，测量时采用肝门静脉血流流量公式进行修正：

其中，Qsv和Qsmv分别代表脾静脉、肠系膜上静脉血流量，Qpv代表门静脉血流量，Qrpv和Qlpv代表肝内门静脉右支、左支血流量。根据公式（2），对Qsv+Qsmv、Qpv、Qrpv+Qlpv测定值进行相关性分析。

利用GTFLOW（Gyrotools LLC，Zurich Switzerland）软件，重建门静脉主干、脾静脉、肠系膜上静脉、肝内门静脉左、右主要分支血流流线三维动态图像，由2位副主任医师对流线追踪图像进行主观评价，采用4分法标准。4分：血管形态完整，边缘锐利度好，血管内血流流线丰富，流线追踪长，方向明确一致，无运动伪影干扰（图2A）；3分：血管形态好，边缘略模糊，血流流线丰富，流线方向有不一致现象，无运动伪影干扰，无流动卷折（图2B）；2分：血管形态欠佳，边缘略模糊，流线追踪毛糙，出现运动伪影（图2C）；1分：血管形态不完整，边缘模糊，无法分清血管内外流线，方向紊乱，运动伪影明显（图2D）。2位医师对图像质量评估和肝内门静脉分支计数标准事先达成一致，分别统计完成。

图2 肝门静脉血流流线追踪图像质量评价4分法标准图。A.女，67岁，健康志愿者。门静脉主干及分支血管形态完整，边缘锐利，血流流线丰富，无运动伪影，图像评估为4分，箭示肠系膜上静脉。B.男，32岁，健康志愿者。血管边缘略模糊（箭），血流流线基本保持一致，图像评估为3分。C.女，21岁，健康志愿者。血管形态欠佳，边缘模糊，流线追踪毛糙（箭），出现运动伪影，图像评估为2分。D.男，31岁，血管形态模糊，无法分清血管内外流线，肠系膜上静脉无法分辨（箭），图像评估为1分

1.5 统计学方法 采用MATLAB2014b软件，符合正态分布的计量资料以±s表示，将2种方法获取5处ROI的SNR、血管断面流速、流量分别进行配对t检验，2种成像方法血流流线三维追踪效果主观评分进行秩和检验，P＜0.05表示差异有统计学意义。采用Cohen'sKappa检验判断2名医师对流线追踪图像评分的一致性，Kappa值≥0.75为诊断一致性良好。采用Wilcoxon符号秩和检验比较2种方法的成像时间，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 基本情况 22例志愿者均在自由呼吸状态下完成扫描，其中2例在扫描过程中由于导航条放置问题扫描中断，排除入组。20例成功完成检查，SENSE 4DPC MRI平均扫描时间为（293.7±31.6）s，Compressed SENSE为（271.4±39.6）s，并且每一位志愿者的扫描时间均短于SENSE 4DPC MRI。2种方法得到的典型图像见图3。

图3 女，20岁，健康志愿者肝门静脉4DPC MRI三维血管重建及其血流流线追踪图像。A、B为SENSE采集重建图像；C、D为Compressed SENSE采集图像；两者流线追踪图像质量评分均为4分；Compressed SENSE获得的图像，肝内门静脉左主分支流线追踪效果优于SENSE的图像（箭，B、D）

2.2 肝门静脉SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI图像SNR比较 2种方法进行4DPC MRI采集，在肝门静脉最高流速期相中，SENSE 4DPC MRI获取的肠系膜上静脉、脾静脉、门静脉主干、肝内门静脉右、左主干5处ROI，其SNR与Compressed SENSE类似，两者差异均无统计学意义（均P＞0.05），见表1。

表1 肝门静脉SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI图像SNR比较（±s）

表1 肝门静脉SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI图像SNR比较（±s）

注：ROI：感兴趣区；SNR：右分支的信噪比；SENSE：并行加速；Compressed SENSE：压缩感知

SENSE Compressed ROI 4DPC MRI SENSE 4DPC t值P值MRI肠系膜上静脉 55.34±20.57 63.22±22.82 -1.86 0.08 0.15门静脉主干 62.87±20.39 64.52±20.96 -0.30 0.77脾静脉59.41±19.58 66.62±25.52-1.49肝内门静脉右主干64.29±23.85 64.29±27.23-0.26 0.50肝内门静脉左主干 65.41±26.32 68.76±29.43 -0.57 0.57

2.3 肝门静脉SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI图像流速比较 去除图像质量为1的3例数据，剩余17例，SENSE 4DPC MRI获取的5处血管最大流速，与Compressed SENSE 4DPC MRI对比，差异均无统计学意义（均P＞0.05），见表2。

表2 肝门静脉SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI图像最大流速比较（cm/s，±s）

表2 肝门静脉SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI图像最大流速比较（cm/s，±s）

注：ROI：感兴趣区；SENSE：并行加速；Compressed SENSE：压缩感知

SENSE Compressed ROI 4DPC MRI SENSE 4DPC t值P值MRI肠系膜上静脉 20.51±8.20 23.51±9.39 -1.42 0.17 0.50门静脉主干 23.84±6.57 25.10±6.32 -0.63 0.54脾静脉22.23±7.94 24.28±7.80-0.70肝内门静脉右主干20.02±5.21 19.56±7.94 0.27 0.79肝内门静脉左主干 15.13±6.41 18.11±6.77 -1.78 0.10

对2种方法获得的门静脉最大流速与QFlow结果进行相关性分析，SENSE 4DPC MRI最大流速与QFlow呈线性相关（R=0.527 0，P＜0.05）；Compressed SENSE 4DPC MRI与QFlow呈线性相关（R=0.563 7，P＜0.05），见图4。

图4 QFlow测定流速与并行加速4DPC MRI（A）及压缩感知4DPC MRI（B）最大流速的相关性

2.4 肝门静脉SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI图像流量比较 在17例数据中，SENSE 4DPC MRI获取的5处血管流量，与Compressed SENSE相比，差异均无统计学意义（均P＞0.05），见表3。SENSE 4DPC MRI最大流量与QFlow结果呈线性相关（R=0.788 4，P=0.000 2）；Compressed SENSE 4DPC MRI流量与QFlow呈线性相关（R=0.805 3，P=0.0001），见图5。

图5 QFlow测定流量与并行加速4DPC MRI流量（A）及压缩感知4DPC MRI流量（B）的相关性

表3 肝门静脉SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI流量比较（ml/min，±s）

表3 肝门静脉SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI流量比较（ml/min，±s）

注：ROI：感兴趣区；SENSE：并行加速；Compressed SENSE：压缩感知

SENSE 4DPC Compressed ROI MRI SENSE 4DPC t值P值MRI肠系膜上静脉 303.00±165.50 307.98±161.35 -0.11 0.92 0.59门静脉主干 648.61±231.39 632.64±213.86 0.53 0.61脾静脉191.02±93.84 203.43±88.65-0.55肝内门静脉右主干391.61±208.04 383.16±140.71 0.21 0.84肝内门静脉左主干 149.58±163.01 147.47±210.79 0.03 0.97

根据公式（2），Qsv+Qsmv 与Qpv、Qpv 与Qrpv+Qlpv测量值进行相关性分析，脾静脉与肠系膜上静脉血流汇合至门静脉主干，两者血流量在SENSE及Compressed SENSE均呈正相关（R=0.64、0.61，P＜0.01）；SENSE及Compressed SENSE门静脉主干血流与肝门静脉左、右分支血流量均呈正相关（R=0.80、0.53，P＜0.01）。

2.5 肝门静脉分支流线追踪图像质量评估 2名医师对2种方法获取的血流流线三维追踪效果评估，其评分结果分别为2.47±1.12、2.47±1.06和2.53±1.17、2.64±0.99，两者对图像质量评估的一致性无显著差异（P＞0.05）。2位医师图像质量主观评分一致性较好（Kappa=0.89）。

2.6 肝门静脉SENSE和Compressed SENSE 4DPC MRI扫描时间比较 2种方法进行肝门静脉动态成像，Compressed SENSE成像时间为（293.7±31.6）s，SENSE加速成像时间为（271.4±39.6）s，差异有统计学意义（Z=3.68，P=0.006），Compressed SENSE加速4DPC MRI扫描时间相对较短。

3 讨论

本研究通过优化扫描参数和流速编码，验证了SENSE和Compressed SENSE均可用于健康志愿者肝门静脉4DPC MRI动态血管成像，能够进行肝门静脉及其分支血流最大流速、流量分析，并且Compressed SENSE 4DPC MRI在扫描时间上均短于SENSE 4DPC MRI。

3.1 压缩感知技术缩短门静脉4DPC MRI扫描时间4DPC MRI已经逐步应用于头颈部血管、夹层动脉瘤、心脏等部位的血管成像，但大部分研究扫描时间均在10 min以上，阻碍了4DPC MRI门静脉成像的临床开展[14-15]。随着Compressed SENSE技术在临床上的应用，其对血管成像的加速采集、缩短扫描时间的作用已经得到研究证实[16-17]。本研究分别利用SENSE和Compressed SENSE加速技术进行肝门静脉4DPC MRI，Compressed SENSE扫描时间均短于SENSE技术。由于门静脉解剖位置处于腹腔中心，易受到呼吸运动、胃肠道蠕动影响，在良好的检查前准备和结合膈肌导航，扫描时间越短，则能最大程度地减轻运动因素对图像采集的影响。本研究完成扫描的17例志愿者，图像质量评分均在2.4以上。

3.2 门静脉4DPC MRI最大流速编码设定原则 随着心动时相的不同，门静脉主干及其分支血流呈相应的流速改变，在4DPC MRI图像中表现为血管信号强度的变化。血管内血流流速越接近于最大流速编码，信号强度越高，此时肝门静脉主干及其分支显示最清楚，因此本研究选择最大流速时相的图像进行血管SNR的测量分析[12]。本研究显示：2种方法肝门静脉4DPC MRI获取的肠系膜上静脉、脾静脉、门静脉主干、肝内右、左主干，两者SNR类似。

3.3 门静脉血流三维后处理视觉呈现 临床上传统的血流流速、流量分析，主要是相位对比法成像（2DPC）或彩色多普勒（US）技术，但两者仅能基于二维断面进行采集。US常受到胃肠道空气的干扰，对门静脉分支显示不佳；US流速测量的结果也变异较大[1,7]，而4DPC MRI能够实现三维血管采集，一次获得整个成像范围内血流流速、流量信息，在技术上更有应用优势。本研究通过2DPC测量门静脉最大流速，作为4DPC MRI扫描的流速编码，完成4DPC MRI图像采集[16]。使用GTFLOW软件，获取肝门静脉5处血管分支断面流速及流量，两种采集方法之间无显著差异，与QFlow结果均有很好的相关性。4DPC MRI在一次采集中，同时实现前后、左右、上下3个方向流速编码采集，因此，能通过后处理软件实现任意血管断面的流速、流量分析。而正是由于3个空间方向流速编码的使用，利用特定软件，实现基于体素的血管内血流三维流线追踪和呈现。本研究中使用QFlow软件，对2种方法采集的4DPC MRI图像实现了三维流线追踪，并对肝门静脉主要分支的流线图像进行主观评价，2种方法无显著差异。2名医师对流线图像评估有很好的一致性。在肝硬化或其他原因导致的门静脉高压，往往引起血流流速、流量或流向改变。因此，利用4DPC MRI实现肝门静脉血流流速、流量和流动方向的监控，影响着临床门静脉高压治疗的决定，也是门静脉高压分流术后的重要检查方法[10-11]。

3.4 本研究的局限性 ①未严格与临床上已有的US流速测量进行对照研究，鉴于本研究是对2种不同加速技术4DPC MRI门静脉成像的可行性和对比研究，这一点并非完全必要，而且通过公式（2），对门静脉血流流入流出的流量进行修正，可以间接验证4DPC MRI血流量测量的准确性。②肝门静脉4DPC MRI流速编码的设定存在诸多争议，本研究是在2DPC流速测量的基础上进行流速编码的设置，未进行多个流速编码的比较，相对于其他文献流速编码值相对较小，但最接近门静脉实际流速的设置，有助于增加4DPC MRI流动敏感性，增强门静脉血管动态成像显示效果。③根据公式（2），门静脉主干血流与肝门静脉左、右分支血流之间的相关性，Compressed SENSE相关性低于SENSE，通过进行回顾性数据分析后考虑为ROI放置导致误差，今后在分析4DPC MRI图像时若能与解剖结构像进行融合配准，将会提高数据分析的准确性。④本研究仅采用传统的3D T1 FFE序列CARTESION采集方式，并未尝试最新的RADIAL或SPRIAL采集[17-20]，但这些新技术仍不成熟，空间分辨率低，本研究所使用的技术具有更广泛的实用性。

总之，SENSE和Compressed SENSE加速4DPC MRI门静脉成像，通过参数优化加快扫描速度，能够进行肝门静脉及其分支的流速及流量分析，并能很好地实现肝门静脉及其分支的流线追踪显示，而利用Compressed SENSE技术能进一步缩短扫描时间。