4D Flow MRI 在主动脉瓣疾病中的研究进展

刘峰，曹亮，胡瑞，李瑞，陈梓娴，郭顺林*

1.兰州大学第一临床医学院，甘肃 兰州 730000；2.兰州大学第一医院放射科，甘肃 兰州 730000；*通信作者 郭顺林 guoshunlin@msn.com

主动脉瓣疾病（aortic valve disease，AVD）患者占世界总人口的0.9%[1]，随着老年人患病率升高，AVD的死亡率也不断上升。影像学检查可以对AVD进行初步评估，对于治疗及预后具有重要作用。四维血流磁共振成像（four-dimensional flow cardiovascular magnetic resonance imaging，4D Flow MRI）是一种新型的非侵入性、无对比剂、无电离辐射的扫描方式，能够对横断面血流进行评估和量化[2]，从不同方面对瓣膜疾病进行综合评估。本文对4D Flow MRI在AVD中的应用进展做一综述。

1 磁共振血流成像：从二维到四维

相位对比磁共振成像（phase contrast MRI，PC MRI）利用流动质子产生相位变化的原理，在梯度磁场的作用下，磁矩产生位移从而得到相位旋转与固定自旋2个对比数据，通过双极速度编码梯度排除其他序列参数的影响后，得到的2个数据的差值即是相位差，相位差在三维像素上计算出的速度即为PC MRI[3]。

4D Flow MRI指在3个空间方向上进行速度编码的PC MRI技术，可以进行更全面的血流动力学评估[4]。在整个心脏周期中，它可以将三维体积图像与三维速度编码相结合，从而对整个体积上的速度进行定性和定量，而传统的2D PC MRI只能在单个二维平面的某一个方向上测量基本的速度参数。近年来，4D Flow MRI的采集时间、空间分辨率和数据分析时间达到实验及临床可接受的水平，其典型的空间分辨率为1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm～3 mm×3 mm×3 mm，时间分辨率为30～40 ms，采集时间为5～25 min，但是所需的分析时间差别很大，取决于所使用的软件、操作员熟练程度和所需的测量数据数量。与2D PC MRI测量类似，4D Flow MRI测量具有可重复性，不同观察者之间的可变性很低[5-6]。

为规范4D Flow MRI操作流程及使用范围，Dyverfeldt等[7]发表共识声明，详细描述了该技术采集的方法，并给出身体不同部位的采集参数，明确了针对儿童等不同患者群体的优化参数。

2 4D Flow MRI：三维血流的可视化与量化

4D Flow MRI原始数据通常会受到伪影的影响，伪影由麦克斯韦项、涡流和速度混叠引起，为了提高流量量化和可视化的准确性，必须将去噪技术作为预处理的首要步骤[8]。去除噪声后，就可以对数据进行分割，根据静态组织和血管腔中流动血液的对比度，在图像上绘制血管壁，提取基础对象（心脏或血管）的几何表示图；随后可以通过4D Flow MRI数据量化潜在有用的临床参数用于评估心血管功能，包括基本参数动能、流量、反流流速和峰值流速，以及先进的血流动力学参数，如能量损失、黏性能量损失率、壁面切应力（wall shear stress，WSS）、脉搏波速、湍流动能和压力梯度差等[9-10]。

4D Flow MRI的独特优势之一是通过时相分辨方式获取心血管整体流速数据，可以重复对视野内的任何血管进行回顾性测量[11-12]。目前，所有主要MRI供应商（如Siemens、GE、Philips）均可以使用4D Flow MRI采集序列，各种综合分析工具应运而生，提供各种参数的可视化和量化，包括Segment-Medviso、Mass、GT Flow、Arterys、CAAS MR、cvi42等，这些分析工具通常用于校正技术伪影，如背景相位偏移误差、可视化和感兴趣区的分割[11-12]。但是目前并没有统一的标准化结构，4D Flow MRI向临床常规使用的过渡较缓慢，但其在心血管疾病诊断中具有无可替代的潜力，相信将来会建立统一的标准，进而辅助临床医师做出迅速、准确的临床决策。

3 4D Flow MRI 在AVD 的应用现状及研究进展

利用4D Flow MRI研究心血管正常血流模式及其在先天性和获得性疾病的变化中已取得一定进展，使用多平面可视化、灵活的回溯性血流定量（正向流动、反向流动、反流分数和峰值速度）和高级的血流动力学指标（流动位移、WSS和湍流动能）简化了对AVD的评估。

3.1 主动脉瓣狭窄（aortic valve stenosis，AS） AS是较常见的心脏瓣膜疾病，与AS相关的压力超负荷会导致左心室向心性肥厚、左心室舒张和收缩功能受损，最终诱发心力衰竭[13]。在缺乏治疗的情况下，严重的、有症状的AS预后较差，准确评估疾病严重程度对于确定是否需要瓣膜置换或干预治疗至关重要[14]。

AS 的诊断“金标准”是经胸超声心动图（transthoracic echocardiography，TTE）[15]，包括评估主动脉瓣膜面积、平均跨瓣压差和主动脉峰值喷射速度，最新研究证实4D Flow MRI为测量主动脉峰值收缩流速可靠且准确的技术[16]。Adriaans等[17]通过20例AS患者进行分析，发现4D Flow MRI测量AS患者具有更高的主动脉峰值喷射速度［（16.4±10.7）%，P＜0.001］和平均跨瓣压差［（14.9±16.0）%，P=0.013］，进一步分析，二者产生主动脉峰值喷射速度差异较大的原因与射流偏心程度密切相关；与TTE相比，4D Flow MRI提高了主动脉峰值喷射速度、平均跨瓣压差与主动脉瓣膜面积的一致性，表明4D Flow MRI对主动脉峰值速度和派生的压力梯度的量化可能更好，这些参数是评估AS严重程度的重要指标。

但4D Flow MRI难以评估低峰值流速、低压力梯度AS患者的严重程度。Hälvä等[18]前瞻性地招募90例因重症AS行主动脉瓣置换术患者，同时行TTE、2D PC MRI及4D Flow MRI检查，结果表明4D Flow MRI显著低估了重度AS患者的收缩峰值流速，将部分重度AS归类为中度。4D Flow MRI能够无创且精准地评估轻中度AS患者的主动脉峰值喷射速度和平均跨瓣压差等参数，但对于重症AS患者的评估仍需要进一步研究。Johnson等[19]的一项4D Flow MRI研究发现，在281例不同AS严重程度的主动脉瓣二瓣化畸形（bicuspid aortic valve，BAV）患者中，BAV患者的AS严重程度和年龄与脉搏波速增加直接相关，提示可以通过定量新的血流动力学参数评估AS的严重程度，相信在对4D Flow MRI的不断探索及改进后，可以为AS患者提供更加精准的评估。

3.2 主动脉瓣反流（aortic valve regurgitation，AR）AR最常见的原因是BAV、感染性心内膜炎或结缔组织病引起的主动脉根部扩张[20]。AR的定量MRI评估包括左心室容积评估和主动脉血流测量，治疗方法主要为手术治疗，包括主动脉瓣置换术、主动脉瓣修复术和保留瓣膜的主动脉根部置换术。治疗时机主要取决于左心室射血分数、左心室内径和表现症状[21]。

目前，4D Flow MRI在AR中的研究有限。MRI衍生的反流量可能为AR患者提供重要的预后信息[22]，并取代TTE衍生的反流量与预后的关系。Alvarez等[23]研究证实，4D Flow MRI与常规标准2D PC MRI对AR分级有很好的相关性。Chelu等[24]纳入54例患者进行研究，结果发现在轻到中度AR中，4D Flow MRI可以很好地对AR进行视觉、定性分级，并与基于TTE的严重程度分级非常吻合（κ=0.73）。瓣膜跟踪的4D Flow MRI已用作二维和三维多普勒超声心动图定量AR的参考方法，2D TTE与4D Flow MRI定性AR严重程度分级中度一致（κ=0.53），部分原因是偏心射流与基于4D Flow MRI的定量相关性较弱（r=0.66，P＜0.05）[22]。以上结果表明，对于偏心射流和非圆形瓣膜孔的AR患者，4D Flow MRI不受几何假设和与流动射流的限制，可以比2D TTE更好地捕获反流信息。

Elbaz等[25]对57例BAV患者行4D Flow MRI检查，发现重度AR组的动能值、黏性能量损失率值及峰值涡度均明显高于轻度AR组和无AR组；Guala等[26]通过4D Flow MRI衍生的WSS，预测了BAV患者升主动脉的进行性扩张。以上研究表明4D Flow MRI不仅可以有效评估AR患者反流信息，并可以通过定量除反流量以外的参数，帮助临床医师更精准地了解AR进展过程中的血流动力学改变，为AR预后及随访提供更多信息。

3.3 主动脉瓣置换术 主动脉瓣置换术能够显著改善AS患者的症状、提高生存质量并延长生存期，经导管主动脉瓣置换术（transcatheter aortic valve replacement，TAVR）是不能耐受外科主动脉瓣置换术的重症AS患者和中高手术风险患者的一种微创治疗，并正在扩展到更年轻、手术风险更低的患者。虽然接受TAVR治疗的患者可以改善左心室舒张功能障碍并进行左心室反向重构，但TAVR术后残余舒张功能障碍和左心室反向重构不足可能会对预后产生不利影响[27-29]。

准确评估TAVR患者的血流模式可以预估TAVR相关不良事件的风险，4D Flow MRI有助于精确评估TAVR术后患者的血流模式。Komoriyama等[30]纳入32例接受TAVR的重症AS患者，TAVR术后半定量螺旋血流较术前明显减少，而涡流和偏心距无明显变化（P＜0.05），沿升主动脉周长测量得到的WSS显著降低，主动脉的能量损失显著降低，此外，TAVR术后能量损失与有效瓣口面积指数呈显著负相关（r=0.38，P=0.034）；有效瓣口面积是反映TAVR疗效的重要指标，4D Flow MRI通过定量血流动力学参数能够准确评估TAVR的疗效。

Farag等[31]设计了一项TAVR、外科主动脉瓣置换术患者和健康对照组的研究，通过4D Flow MRI揭示了主动脉瓣置换术对人体的影响，TAVR会导致升主动脉血流速度和WSS增加，并引起升主动脉中段和远端的血流偏心率和位移发生改变。WSS的增加将导致弹性纤维退化和主动脉壁细胞外基质的失调，引起患者的主动脉根部和主动脉进行性扩张，增加动脉瘤形成或夹层的风险[32]。血流偏心率和位移也是主动脉扩张的潜在危险因素，表明长期纵向随访研究、TAVR后升主动脉成像和主动脉扩张评估是必要的，4D Flow MRI能无创定量主动脉血流动力参数，了解主动脉进行性扩张、TAVR和主动脉血流动力学改变的联系，在术后随访及评估过程中具有独特优势。

4 总结和展望

应用4D Flow MRI可以对复杂的AVD进行可视化和量化，新的血流动力学参数可以提供额外的信息，帮助患者管理，但是目前尚需多中心纵向研究测试这些实验成果的临床有效性并且完善这一新技术。首先，4D flow MRI数据库本质上是大容量的，集合机器学习等人工智能方法可以实现更快地采集和分析，分割的自动化也将极大地减少分析时间；其次，现有的分析软件在提供的分析区域、辅助工具（如瓣膜跟踪和应用方法）方面呈现出非标准化的结构，进一步开发和建立统一工作流程的标准化分析过程将产生可重复和可比较的量化数据；最后，现有的心脏瓣膜疾病的严重程度分级主要基于超声心动图和二维血流评估，4D Flow MRI需要建立并验证心脏瓣膜疾病的最佳严重程度分级，以此更精准地了解AVD的潜在发生机制。

总之，4D Flow MRI在评估心脏、血流动力学和血管分析方面具有巨大的潜力，随着序列优化、数据处理的自动化、新的流量参数等方面的深入研究，将会拥有更广泛的应用前景和更深层次的发展，相信AVD患者也能从中获益。