4D-FLOW MRI采集技术

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引言

4D Flow MRI可以帮助我们更好地理解和诊断多种心血管和神经系统疾病。通过该技术，我们能够非侵入性地评估血流动力学异常，揭示血液流动的异常模式和动力学变化，以及其对器官功能和疾病发展的影响。

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4D-FLOW MRI技术基本原理

4D Flow MRI基于磁共振成像原理，并通过特定的序列和数据处理方法，实现对三维空间和时间上的血流速度和方向的测量。

其基本原理是利用磁共振成像技术对流动的原子核进行成像。在4D Flow MRI中，通过引入速度编码梯度脉冲，使得血流中的自旋在每个时间点上获得速度信息。这样，血流速度的变化就可以被测量并以图像形式呈现。

工作原理如下：

图1 工作原理图

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4D Flow MRI采集方法

常用的4D Flow MRI采集方法包括以下几种：

1、速度编码（Velocity Encoding）

通过施加速度编码梯度脉冲，在图像中编码血流速度信息，速度编码梯度脉冲的强度和方向是关键参数，速度编码梯度的强度应根据预期的最大血流速度来选择，以确保在图像中获得足够的信号强度，方向可以根据感兴趣的血流方向进行设置。这种方法适用于测量血流速度、流速分布和血流量等参数。

2、平面速度编码（Planar Velocity Encoding）

在二维平面上进行速度编码，可以提供更高的时间分辨率，平面速度编码需要设置平面上的速度编码梯度方向和强度。平面速度编码通常应用于二维平面中的特定区域，适用于研究快速流动或需要更精细时间分辨的情况。

3、体素追踪（Voxel Tracking）

通过追踪连续时间点上相邻体素中的血流速度，可以获得三维空间中的流线图，用于可视化血流动态和研究血流路径。较小的体素间距和更频繁的采样时间可以提供更详细的血流路径信息。

4、多次相位编码（Multi-Phase Encoding）

通过在每个时间点采集多个相位编码的数据，可以提高测量灵敏度和减少伪影。相位编码脉冲数目的增加可以提高测量的准确性和动态范围。这种方法适用于复杂流动模式的研究。

5、并行成像（Parallel Imaging）

通过利用多个接收线圈或并行成像技术，加速数据采集和图像重建过程，可以获得更快的图像采集速度和更高的空间分辨率。包括选择合适的并行成像技术（如SENSE、GRAPPA）、并行加速因子和相应的采样模式。

这些方法可以单独应用或组合使用，根据具体的研究目的和采集需求进行选择。通过这些采集方法，可以获取血流速度、流速分布、流量、血流动力学稳定性等相关参数，进而对血流情况进行全面的评估和分析。

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4D Flow MRI采集技术的演化与改进

1、初始阶段：

4D Flow MRI最早的应用可以追溯到20世纪80年代末和90年代初。当时，研究人员开始尝试通过将MRI技术与速度编码相结合来测量三维血流速度。这些早期的研究对于血流动力学研究奠定了基础。

2、改进速度编码技术：

随着时间的推移，研究人员开始改进速度编码技术，以提高血流速度测量的准确性和分辨率。他们增加了速度编码梯度的强度和数量，改进了图像重建算法，并采用了更快的数据采集方法。这些改进使得4D Flow MRI能够更好地观察和量化血流动力学参数。

3、引入并行成像技术：

并行成像技术的引入进一步推动了4D Flow MRI的发展。通过使用多个接收线圈并利用并行成像算法，可以加快数据采集速度，减少扫描时间，并提高图像质量。这使得在临床实践中更容易实施和广泛应用4D Flow MRI。

4、多种数据采集方法的发展：

除了速度编码外，还出现了其他数据采集方法，如平面速度编码、体素追踪和多次相位编码等。这些方法在不同的研究场景和应用中提供了更多的选择，可以更好地满足特定的研究需求。

5、优化扫描技术：

近年来，研究人员还致力于优化4D Flow MRI的扫描技术，以进一步提高图像质量和数据采集效率。他们尝试引入呼吸门控技术、加速采样方法、高空间分辨率和体积覆盖率的优化等，以减少运动伪影和提高时间效率。

图2 笛卡尔和径向成像的自动门控技术

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主要的4D Flow MRI采集技术

常规MR在血管成像中采集速度较慢，无法在足够的空间分辨率下实时捕捉血流状态。4D Flow MRI采集技术的发展和使得4D Flow MRI成为一种非侵入性、全三维和时间分辨率高的方法，广泛应用于心血管疾病、神经科学和生物流体力学等领域的研究和临床实践中。

目前主要的4D Flow MRI技术：

1、2D CINE PC MRI（Two-dimensional Cine Phase Contrast MRI）

2D CINE PC MRI是一种二维脉冲编码技术，用于测量血流速度和流量。它通过在多个时间相位下采集速度编码图像，实现对血流速度随时间变化的观察。参数设置包括流量编码方向、时间分辨率、速度编码梯度等。数据采集过程涉及在多个时间相位下连续采集速度编码图像。图像重建方法包括对采集到的图像序列进行相位分析和时间插值，以生成动态的血流速度和流量图像。2D CINE PC MRI技术的应用广泛，可以用于评估心脏和血管疾病中的血流动力学变化和心功能。

 图3 标准2D CINE PC MRI的数据采集示意图

PC MRI采集中的一个重要参数是速度灵敏度编码，也称流速编码Venc。在测量前，用户根据待测血流速度的经验值，设置Venc（cm/s），一般设置为目标血管最大流速的120%。当目标血管流速大于Venc值时，会发生相位卷褶，导致速度混叠，测得信号可能是反方向的，且测得值偏小。在这种情况下，需要增加Venc或抗混叠校正进行重复采集，获得正确的数据，但提高Venc会导致测得的值偏小，对血流速度不敏感，增加流速图像中的速度噪声水平。

2、笛卡尔4D FLOW MRI采集技术 

笛卡尔4D Flow MRI采集使用“K空间分割”和“交错四点速度编码”获得3D CINE数据，如图4所示。笛卡尔4D Flow MRI采集与2D CINE PC MRI类似，使用K空间分割技术，在多个心动周期进行数据采集。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(X, Y, Z)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 CINE幅度图像和表示三个正交方向上血流速度vx，vy和vz的三个时间序列（相位差图像）。

图4 胸主动脉笛卡尔 4D 血流 MRI 示意图

3、PC VIPR（Phase Contrast Vastly undersampled Isotropic Projection Reconstruction）

PC VIPR是一种高效的4D Flow MRI采集技术，它结合了速度编码和并行成像的优势。其主要特点是通过使用极度稀疏的数据采样和并行成像算法，实现高速、全覆盖的数据采集。PC VIPR采集过程中的参数设置包括流量编码方向、矢状和冠状方向的分辨率、速度编码梯度强度等。数据采集过程涉及通过选择适当的采样策略和参数设置来获取高质量的采样数据。图像重建方法主要使用迭代重建算法，例如压缩感知重建等，以获得高质量的4D Flow MRI图像。PC VIPR技术的应用可以用于研究心血管疾病中的血流动力学、血管形态和心脏功能等方面。

图5 3D径向采集示意图

这些技术应用都旨在提高4D Flow MRI的数据采集效率、图像质量和临床应用的可行性，从而为科学研究和临床诊断提供更准确、详细的血流信息。每种技术都有其特定的参数设置、数据采集过程和图像重建方法，因此在具体应用中需要根据研究或诊断需求选择合适的方法并进行相应的优化。

目前4D Flow MRI在心血管疾病领域的应用尤为广泛。它可以用于评估心腔和血管的血流速度、流量和流向，帮助诊断和监测心脏瓣膜病变、心肌梗死、先天性心脏病等疾病。

在神经科学领域，4D Flow MRI可以用于研究脑血流动力学，探索血液供应与神经功能之间的关系。它可以检测脑动脉血流的速度和方向变化，评估脑血管病变和疾病的影响，如脑缺血、脑血栓形成等。

参考文献：

1. Markl M, Frydrychowicz A, Kozerke S, Hope M, Wieben O. 4D flow MRI. J Magn Reson Imaging. 2012; 36(5):1015-36.

2. https://mp.weixin.qq.com/s/tJTH11W9x9pFcFi1NOq79A

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