作者：张梦圆，刘凤海，李国策，王潇玉，河北医科大学附属沧州市中心医院
四维血流心脏磁共振成像（four-dimensional flow cardiac magnetic resonance,4D Flow CMR）是一种能够全面评估血流动力学的技术。已有研究总结并讨论了4D Flow CMR技术原理及数据获取以及对心内血流的定性（可视化心内血流组分和血流涡流）和定量分析。
近年来，4D Flow数据采集和后处理技术也有了很大发展，最新的4D Flow CMR共识提供了当前4D Flow CMR应用的详细概述，同时也出现了一些新的心内血流量化方法，即量化新的血流动力学和功能参数，如动能（kinetic energy,KE）、涡度等。这些新的参数提供了有价值的见解，特别是对心脏能量学。而目前对于4D Flow CMR衍生出的这些新的血流动力学参数的总结性文章较少。
此外，可用于4D Flow数据分析的工具种类繁多，但缺乏标准的后处理方法，一定程度影响并限制了其临床应用。本综述总结并讨论4D Flow CMR衍生的新的血流动力学参数对心内血流定量特征的分析研究，并介绍了一种4D Flow数据后处理工具，目的是为分析心内血流提供血流动力学参数定量的角度，作为心内血流分析的补充手段，为在临床研究和实践中使用心内4D Flow CMR提供指导。
1. 4D Flow CMR技术概述
1.1 4D Flow CMR技术原理
4D Flow CMR基于PC-MRI技术。PC-MRI的原理是采用梯度回波序列，基于流体内质子相位变化进行成像，在流体的流动方向上施加一对幅
在4D Flow CMR中，为实现具有三向速度编码的3D时间分辨电影序列，通常使用标准笛卡尔坐标或3D径向欠采样的流速敏感PC VIPR（Vastly Under-sampled Isotropic Projection Reconstruction）采集技术。常用的笛卡尔4D Flow CMR采集使用“K空间分割”和“交错四点速度编码”获得3D数据，三维方向的速度测量使用“交错四点速度编码”方法，即对每个原始数据，连续采集四个数据以实现在所有三个维度上的速度编码：包括一个参考扫描和沿三个正交方向上的速度编码采集（分别在x、y、z上增加双极梯度场实现）；最后通过图像重建，得到3D电影幅度图像和三个正交方向上的血流速度vx、vy和vz的时间序列（相位差图像）。
1.2 4D Flow CMR原始数据采集、后处理
4D Flow CMR采集过程中的扫描参数设置尤为重要，以在合理的扫描时间内获得足够质量的数据。首先，4D Flow CMR采集时间较长。为了减少伪影并确保最佳的数据采集，应指导患者根据数据采集时间自然而有规律地呼吸7～10 min。4D Flow CMR将心脏所有解剖区域与心跳同步，那么这就需要覆盖整个心脏周期，与R-R间期保持一致。因此，使用回顾性心电门控，可以全面覆盖心脏周期。对于呼吸门控的选择，在扫描中常配合膈肌导航技术，减少呼吸带来的伪影。
在各种扫描参数中最重要的参数，包括，视野、空间分辨率、时间分辨率等。扫描视野应限制在包含感兴趣区域的最小区域内，以减少扫描时间；空间分辨率应尽可能高，以便更准确地量化血流，有助于识别比较细微的血流流动状态；体素越小，扫描时间越长，信噪比越低，4D Flow技术则具有较高的时间分辨率。总的来说，原始图像和速度分量图像的获取有赖于空间分辨率和时间分辨率以及心脏解剖程度。
以此方法获得4D Flow序列后，可以用先进的后处理分析来描绘成三维图像，也可以用“CINE”模式来可视化心室内血液流动，表示为矢量、流线和粒子运动。还可以获得许多有评估价值的血流动力学参数，如KE、流速、涡度和其他量化指标。获取这些定量参数就需要特殊的软件，即第三方软件进行计算，如MASS（MEDIS）可计算出心室涡度参数。
首先，将心脏常规电影序列与4D Flow序列导入MASS第三方软件（以涡度数据获取为例），通过人工勾画左室心腔及感兴趣区域，实现左室短轴心腔解剖结构与血流信息的配准；进而进行“4D Flow-vorticity”分析，通过左室短轴电影序列及4D Flow序列分析分别得到“Velocity-Time-3D-Vorticity-Multislice”曲线，所得结果具有较好一致性及重复性；最终导出左室整体及各层面在R-R间期、舒张期、收缩期、E波（舒张早期从左心房到左心室的早期被动血流）、A波（反映舒张晚期左心房收缩产生的流入左心室的主动血流）的涡度定量数值。
2. 4D Flow CMR定量分析心内血流动力学
目前很多研究描述了4D Flow CMR参数与心脏血流动力学特征的关联，这意味着4D Flow有助于评估心内复杂的血流状况。4D Flow CMR可用于评估健康人和心血管疾病患者的心脏血流和能量学。一项对健康人群的研究指出，4D Flow CMR量化的血流动力学参数有较高的重复性。
在一些4D Flow CMR定量评估二尖瓣反流（mitral valve regurgitation,MVR）研究中，均表明常用4D Flow CMR量化心内MVR，且与超声心动图等传统量化方法相比，具有高重复性和异质相关性；并且提出4D Flow CMR定量评估MVR在预测二尖瓣修复后的患者预后方面比超声心动图更可靠的观点。
血流动力学的改变与心血管疾病的发展密切相关，因此，相关血流动力学参数的量化具有重要意义。总结既往研究发现，目前通过技术对健康人群和心脏疾病患者心腔内血流的定量评估为揭示心内复杂血流动力学提供了新的见解。
4D Flow CMR定量评估的血流动力学参数包括：KE、血流组分、涡流和涡度、粘性能量损失、血流动力学等。
2.1 4D Flow CMR血流KE、血流组分定量分析心内血流动力学
KE是一种能量形式，是运动物体/粒子的运动和质量的乘积。KE直接参与血液的运动，因此它是整个心脏工作的重要组成部分。
GUPTA等首次在17名健康人群中使用4D Flow CMR及粒子追踪技术来识别并描绘了左心室血流组分，通过追踪粒子流动迹线，将左心室血流运动在整个心动周期进行可视化。左心室内血流包括4种组分：（1）直接流量，一个心动周期中，舒张期进入左室，收缩期射出左室的血流（构成流入和射出血流的组成部分）；（2）滞留流量，一个心动周期中，舒张期进入左室，但在收缩期不射出的血流（仅构成流入分量）；（3）延迟流量，一个心动周期中，已存在于左室内并在收缩期射出的血流（仅构成射出血流的组成部分）；（4）残余流量，左室内至少存在了两个心动周期的血流（既不构成流入血流的组成部分，也不构成射出血流的组成部分）。
4D Flow CMR可以评估心脏瓣膜和心室血流量。ASHKIR等研究得到非阻塞性
现有研究表明，通过4D Flow CMR特征定量评估左室功能，证明
在心肌梗死后急性期，平面内KE增加，直接血流减少和残余容积增加均与12个月时不良左室重构相关。DAS等的研究结果表明4D Flow CMR在ST段抬高型心肌梗死后的预后风险分层中补充了目前可用的临床和成像生物标志物。同样DEMIRKIRAN等通过左室血流KE评估ST段抬高型心肌梗死患者左室血流动力学进一步证明KE在预测不良左室重构方面具有递增价值，并且急性心肌梗死后早期a波KE对不良左室重构有独立影响。
AMI的一个常见并发症是左室血栓（left ventricular thrombus,LVT），这是中风的一个原因。LVT的发病机制是血瘀、内皮损伤和血液的高凝状态共同作用的结果，通常被称为Virchow三联征。左心室收缩功能障碍的患者发生血栓栓塞事件的风险增加，这可能导致严重的不良心脏后遗症。CMR为血栓的检测提供了高分辨率的图像，具有良好的再现性和组织特征。
通过4D Flow CMR特异性参数对AMI后伴LVT患者进行研究分析，GARG等得出结论，MI患者整体左室KE降低，MI伴LVT患者远端心室A波KE相对下降。尽管这些研究为左室功能障碍患者的能量水平改变提供了见解，但研究环境和结果不够一致，无法得出明确的临床结论。
2.2 4D Flow CMR涡流分析心内血流动力学
涡流：心腔内的血流不是一条笔直的路径，而是包含具有旋转运动的涡流模式。旋转的模式具有不同的形式和形状，它们可以构成围绕体素位置的小旋转，或者作为主导结构（即涡旋）更普遍，涡旋可以有体积、位置和方向；涡旋可能有不同的形状，其中涡环最稳定；但并非每个涡旋都是涡环。因此，有不同的方法来表征涡流。
现有研究主要对正常人群、左房漩涡特征、左室功能障碍、LVT、右室功能障碍等心腔内血流动力学方面进行了论证。在健康的左心室中，体内和体外研究已经证实了在心室血流中形成涡流模式。ELBAZ等的研究证明采用回顾性门控的4D Flow CMR定量表征和比较正常人群舒张早期和晚期左室流入的三维涡环是可行的，左室舒张早期和晚期的涡环存在明显差异。
SUWA等研究表明4D Flow CMR可以清晰地显示左房内涡旋的形成并分析其特征；涡旋的形成可能取决于左房和左室的体积以及肺静脉的血流速度和体积。SUWA等通过研究证明使用4D Flow CMR可以观察到左室功能保留患者和左室功能受损患者左室内涡流血流特征的差异。SAKAKIBARA等研究表明较小的左室涡流和较低的左室尖顶流速与左室血栓形成有关。已有研究表明，左室功能受损有病理性涡流血流模式形成，这种病理性涡流血流模式与左室功能障碍有相关性。
心腔内存在生理性涡流模式，左心室血流中的涡流形成对有效的血液泵送功能至关重要，而涡流形成的改变与左室病理有关。因此，涡流的定量表征可能为评价左室功能提供一种新的客观工具。
2.3 4D Flow CMR涡度定量分析心内血流动力学
4D Flow CMR衍生的涡流强度简称涡度，涡度是流速的空间导数。涡度是血液围绕每个体素位置的局部旋转程度的数学度量。它表征了流动的局部旋转，并且可以在左心室中的每个体素处进行测量。这可以使用涡度映射来量化体素，该映射测量每个体素周围的血液旋转量。
另一方面，围绕公共轴一起旋转的流动区域（体素集合）将形成涡流结构。心血管系统中涡度的产生主要取决于解剖几何形状和速度梯度，因此其对解剖和几何变化比较敏感。
目前关于4D Flow CMR心内涡度量化的研究中，涡度已被证明是右室舒张功能障碍的标志。SCHÄFER等的研究证明法洛四联症患者左心室收缩期涡度的增加与左心室机械性不同步和右心室扩张无关，这表明了左室内部收缩流与左室收缩力减弱和心室相互作用受损无关。在一些研究中，涡旋的这种旋转模式已被证明是舒张功能的标志，SCHÄFER等证实，在超声心动图上证实左室舒张功能障碍的
在SCHÄFER等的另一项研究中，研究
此外，DEMIRKIRAN等的研究发现，心肌梗死患者在整个心动周期以及收缩期和舒张期的平均和峰值左心室涡度值显著降低，但血栓患者的涡度值显著增加，并发现梗死大小与所有平均和峰值涡度值之间存在负相关和显著关联。
舒张期涡旋的形成对左室充盈和射血都是至关重要的。4D Flow CMR可在活体内测量整个心脏周期的心室内涡度（速度旋度：一种测量涡旋强度的方法），通过后处理软件分析、计算得到相应血流动力学参数，在左室功能障碍的患者中显示出涡度水平的改变。
2.4 4D Flow CMR粘性能量损失定量分析心内血流动力学
粘性能量损失（viscous energy loss,EL）是指由于血流与心壁摩擦而转化为热能而损失的能量。这个参数是心内流量低效率的新标志，然而，现有研究主要集中于Fontan患者和主动脉瓣病的粘性能量损失。
KAMPHUIS等通过4D Flow CMR对12名健康志愿者舒张期左心室KE、EL和涡度进行定量评估，研究显示，4D Flow CMR评估舒张期左心室KE、EL和涡度的扫描结果具有很强的扫描一致性和良好的总体一致性。ELBAZ等的研究定量评估了左心室舒张期EL这一参数，与健康志愿者相比，由于房间隔缺损导致二尖瓣形态改变，从而导致舒张期涡旋形成异常的患者舒张期EL明显更大。以上研究实现了心内EL的定量评估，为揭示心内血流动力学变化提供了EL这一量化指标的参考。由于目前尚不清楚心脏对左室EL水平升高的反应，因此有必要进一步研究EL的临床相关性。
2.5 4D Flow CMR血流动力定量分析心内血流动力学
血流动力（hemodynamic force,HDF）代表心内血容量和心内膜之间交换的全局力，心内HDF是一个潜在的心脏功能障碍的早期标志物。HDF变量与常规CMR参数和心肌应变之间的相关性进一步表明了该技术可应用于检测心脏重构。FILOMENA等的研究表明HDF在急性心肌梗死后心脏适应性反应中的作用，得出急性心肌梗死后舒张期HDF失调与4个月后左室不良重构相关的结论。
POLA等的研究通过4D Flow CMR对毛细血管前肺动脉高压患者和健康对照组患者双心室HDF进行计算，HDF分析提供了病理性心脏泵送机制的信息。LOKE等使用4D Flow技术测量修复后法洛四联症患者和对照者右心室的HDF，研究表明，修复后法洛四联症患者的异常舒张期HDF与心室功能、运动能力及涡旋运动存在相关性，HDF可用于评估肺反流对右心室功能的影响，并可成为心脏功能监测的新方法。
一项研究通过4D Flow CMR计算
3. 4D Flow CMR与其他心内血流成像技术对比
目前，有四种评估心内血流的技术：
DSA评估
超声心动图中血流向量成像（vector flow mapping,VFM）技术的最新发展已经能够评估心内的局部血流动力学，但该技术仅在二维模式下可应用。CFD对心内血流测量虽可达到较高的空间和时间分辨率，但它在体外利用计算机模拟真实流体模型而计算得到的，其准确性与流体模型的设定有很大关系。
二维血流速度编码的2D Flow MRI技术已在正常或多种心血管疾病中得到广泛验证，但其只能量化垂直于切面方向的流速，此外，不能做到精确可视化感兴趣区域，因此降低了测量准确性，从而低估了血流速度。
4D Flow CMR技术是一种是基于时间的三向速度编码的新型相位对比磁共振成像技术，可在不同心动周期，可视化心内血流，并可通过血流动力学参数的测量定量分析心内血流。4D Flow CMR已多次应用于心内血流的定量分析，为心内复杂血流的研究提供了新角度。4D Flow CMR正在成为心血管疾病的重要成像方式。
4. 4D Flow CMR技术优缺点及研究进展
4D Flow CMR的优点是心脏的全3D覆盖，以及可以在任何位置进行血流回顾性分析。4D Flow CMR与传统CMR技术相比具有时间分辨的三维技术的优势，可获得心脏解剖数据，也可对心内血流速度、流量及流动路径进行可视化及定量分析，在血流动力学变化评估上更为明显，而常规的心脏容积和射血分数不易评估，从而在早期心脏功能障碍中发现可能存在的微细重构。
目前4D Flow CMR技术仍然存在一定缺陷，包括由于单个用户选择的流速编码（velocity encoding,VENC）而导致的速度动态范围有限、长且不可预测的扫描时间、大型数据集的数据存储以及手动且耗时的数据处理。
目前新的共识提出的几项新进展有望在未来克服以上问题。首先，利用加速技术可缩短采集时间或在同等采集时间内采集更多的数据，减少与速度编码相关联的动态范围问题。加速技术已实现具有双或多VENC速度编码的4D Flow CMR，可以获得具有低VENC采集的良好速度噪声比但无速度混叠的4D Flow CMR数据。其次，呼吸和心脏自门控技术，可简化和流线化采集，以优化临床工作流程。但由于重建时间的问题目前未被允许用于临床。最后，要加速数据处理工作流，需要开发具有最小用户依赖性的有效图像分析策略，那么机器学习在这一方面具有相当大的潜力。
5.心脏生理结构对血流模式的影响
实际上，心脏的解剖结构是复杂的，每个人的心脏都有独特的解剖结构，心腔的内部并不光滑。它由乳头肌、不同大小的小梁和假腱索填充。在左室，乳头肌是负责在收缩期正确定位腱索以优化二尖瓣小叶配合的肌肉。小梁是人类心脏所特有的复杂肌肉结构，主要由肌细胞组成，从心内膜壁伸入心室内部，呈海绵状结构。小梁通常与浦肯野神经网络有关，但在整体心功能中的主要作用尚不清楚。而心内膜这种不平滑的复杂结构会对心室血流模式产生一定影响。
IMANPARAST等使用详细的左室心内膜解剖模型，利用CFD模拟来表征小梁和乳头肌对心室血流模式的影响。总结目前研究结果，心内小梁和乳头肌增加了心室内压降，降低了心室壁面剪切力，并破坏了通常存在于平滑心内膜模型中的主要涡旋，产生了次级小涡旋。由此可说明，心内膜固有生理结构会改变心内血流能量，从而影响心内血流动力学。目前使用的CFD限制在于缺乏流体-结构（血流-心室壁）相互作用，而4D Flow CMR则可以实现在体内量化心室内压力梯度、涡旋、壁面剪切力等。那么结合CFD研究结果，可进一步解释4D Flow CMR所得血流动力学参数测量结果在不同个体之间的差异。
6.总结与展望
在以后工作中，4D Flow CMR仍需确定心脏瓣膜疾病的最优的严重程度分级值，现有的严重程度分类是基于超声心动图和二维血流评估。对于需要随访的先天性心脏疾病的病例，使用4D Flow CMR在不使用放射的情况下就可以获得全面准确的心内血流动力学数据。目前仍然作为研究参数的新的血液动力学参数揭示了心脏疾病的潜在机制，并有望在临床实践中使用。
急性心肌梗死后心内血流动力学变化的复杂机制，特别是心脏解剖变化和心室血流之间的动态关系，迄今为止只进行了部分研究，尚未完全了解。总结现有研究，4D Flow CMR技术已通过动能、血流成分、涡流及涡度对心内血流动力学进行了分析。而心肌梗死后的急性4D Flow CMR可以直接评估心脏周期各个阶段的腔内血流，因此进一步的研究可通过涡度这一参数定量评估心肌梗死后心内血流（尤其是左室血流）的急性变化，为4D Flow CMR分析AMI后左室血流动力学提供了新的参考。
4D Flow CMR左室涡度定量特征有利于早期通过影像资料识别心室不良重构高危人群，指导强化治疗，预防相关不良事件发生，改善患者预后。目前经皮冠状动脉介入治疗是急性心肌梗死的首选治疗方式，尽管经皮冠状动脉介入治疗取得了进展，但仍有相当比例AMI后患者出现不良左室重构，这与预后相关不良事件有关。因此，早期识别心室重构高危人群有助于指导强化治疗，改善患者预后。
综上所述，4D Flow CMR是研究心血管疾病对心内血流影响的一种新颖有力的工具。4D Flow CMR数据集可回顾性地导出多个先进的血流动力学参数。与其他成像方式（VFM、DSA等）相比，它具有明显的优势。随着4D Flow CMR技术进展与临床研究发现，包括本文中介绍的标准化量化4D Flow值的分析工具对心内涡度值的量化，均有必要进行多中心纵向研究，以检验这些和其他初步发现的临床有效性。
来源：张梦圆,刘凤海,李国策,等.4D Flow CMR定量分析心内血流动力学研究进展[J].磁共振成像,2024,15（10)：193-199+210.
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