屏气相位对比MRI评价正常人冠状动脉血流储备
作者：蔡剑鸣 高元桂 蔡幼铨 郜发宝 尚民 梁燕 曾源
单位：蔡剑鸣、高元桂、蔡幼铨、郜发宝、梁燕 北京，中国人民解放军总医院放射科磁共振室 100853，尚民 心内科；曾源 解放军第三○六医院内八科
关键词：冠状动脉循环；磁共振成像
中华放射学杂志991218摘要：目的 研究屏气相位对比MR(PC-MR)技术测定正常人冠状动脉血流储备(CFR)的可行性。方法 健康志愿者15例(男12例，女3例)。采用快速屏气K-空间分段PC-MR技术，测定冠状动脉左前降支(LAD)静息状态和静注潘生丁负荷状态下的舒张期峰值血流速度、容积流率及CFR。 结果基础状态LAD 容积流率为(35.4±13.3) ml/min，静注潘生丁后明显增加至(155.4±66.8) ml/min(P<0.01), 平均CFR为4.4±0.73。基础状态LAD峰值流速为(22.5±3.9)cm /s, 静注潘生丁后明显增加至(63.8±16.7)cm/s (P<0.01), 两者比值为2.9±0.72 。 结论 该研究表明采用屏气PC-MRI流速编码技术可以定量测定正常人冠状动脉容积流率、峰值流速，从而评价CFR。
, 百拇医药
Evaluation of coronary flow reserve in normal subjects with breath-hold phase contrast magnetic resonance imaging
CAI Jianming, GAO Yuangui, CAI Youquan, et al.
MR Section, Department of Radiology, the General Hospital of PLA, Beijing 100853
Abstract Objective To study the feasibility of coronary flow reserve (CFR) measurements in normal subjects with breath-hold phase contrast magnetic resonance (PC-MR) technique. Methods Fifteen healthy volunteers underwent on 1.5-T scanner MR imaging. Peak flow velocity, volume flow rate and CFR in the left anterior descending (LAD) artery were measured before and after administration of dipyridamole (0.56 mg/kg) with breath-hold PC-MRI. Results Mean LAD volume flow rates was( 35.4±13.3) ml/min (mean±standard deviation) in the baseline state. It increased significantly (P<0.01) to (155.4±66.8) ml/min after dipyridamole administration. The mean CFR was 4.4±0.73 . Peak coronary flow velocity in the LAD artery increased significantly (P<0.01) from (22.5±3.9) cm/s before administration of dipyridamole to (63.8±16.7) cm/s, after administration the ratio was 2.9±0.72 . Conclusions Coronary flow velocity, volume flow rates and CFR can be measured quantitatively with the MR techniques.
, 百拇医药
Key words Coronary circulation Magnetic resonance imaging
冠状动脉血流储备(coronary flow reserve, CFR)是指冠状动脉最大扩张时冠状动脉血流量增加的潜在能力。对CFR的测定是评价冠状动脉病变程度及判断冠状动脉搭桥术和球囊扩张术预后的有用资料[1,2]。最近，国外文献[3，4] 报道了采用快速相位对比MR(phase contrast MR, PC-MR)技术获得冠状动脉流速和容积流率从而评价CFR。本研究旨在进一步证实这种方法的可行性。
材料与方法
1. 研究对象：健康志愿者15例，男12例，女3例，无心脏病史(心电图和血压检查正常)。年龄21～35岁，平均(27±2.6)岁。无吸烟史。
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2. MR检查及潘生丁药物试验：(1)采用1.5 T MR扫描仪(GE Signa Horizon)。受试者仰卧位，7.5 cm表面线圈置于心前区。采用屏气脂肪抑制分段K-空间电影成像技术(Fast Card软件)进行冠状位、横轴位扫描以确定左前降支(LAD)近段走行，于近平行室间隔长轴位采用同样序列获得LAD近段图像(图1)。然后采用双斜位扫描方式，在LAD近段作垂直LAD的平面进行PC-MR扫描，并从2～3个连续层面中选择最佳层面。(2)PC-MR采用心电门控Fast 2D PC软件包，TR 18.2毫秒， TE 4.3毫秒，翻转角30°，层厚5mm，视野20 cm×15 cm，矩阵256×128，平面内分辨率0.8 mm×1.1 mm。根据不同的心率，屏气时间15～24秒不等，流速编码100 cm/s(基础状态)或150 cm/s(注药后)。(3)冠状动脉血流测定包括3次基础状态，每次间隔2分钟，从右肘前静脉注入标准剂量的潘生丁(0.56 mg/kg, 4分钟内匀速注入)[ 5 ]，并测量注药前、注药后1分钟血压，然后每3分钟进行1次PC-MR扫描，持续30分钟。扫描结束后再测定血压变化。心率可在扫描过程中通过心电门控设备记录。根据心率的不同，每个心动周期内采集7～15幅不同时相的强度和相位图像。
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图1 屏气脂肪抑制分段K-空间电影成像序列，于平行室间隔长轴位获得左前降支(LAD)(白箭)近段图像。斜线表示用于LAD横断面采集平面 3. 数据分析：PC-MR图像采用5.6版本的流动分析(flow analysis)软件进行处理。PC图像中很容易区分动静脉血流(舒张期时动脉与左室血流方向一致均为白色，静脉为黑色)(图2～5)。在强度图像中，以血管峰值信号强度的40%决定血管面积，沿LAD断面边缘勾画兴趣区(ROIa)，并根据心动周期不同相位情况改变ROIa大小。每个心脏相位另取LAD邻近心肌一较大的兴趣区(ROIb)，两者比较以校正平面内运动造成的相对运动，获得LAD的相对流速和流率。CFR为注药后最大容积流率/基础状态容积流率。
, 百拇医药
图2～5 屏气相位对比MR图像：基础状态舒张早期强度图像(图2)和相位图像(图3)；静脉注入潘生丁后最大充血状态强度图像(图4)和相位图像(图5)。 与图3相比， 注入潘生丁后左前降支流速加快及血管扩张，在图5上显示为血管腔扩大和亮度增加。RV=右心室，LV=左心室
4. 统计分析：所有数据用平均值±标准差表示，采用配对t检验比较基础状态、静推潘生丁后冠状动脉血流数据(包括容积流率、峰值流速)。P<0.05有显著性差异。
结果
全部15例健康志愿者均获得满意的LAD相位和强度图像，相对冠状动脉血流数据(容积流率、峰值流速)很容易在基础状态和潘生丁注入后的屏气快速PC-MR图像中获得(图2～5)。 表1总结了15例健康志愿者注药前后平均峰值血流和容积流率情况。基础状态LAD容积流率为(35.4±13.3) ml/min，注药后明显增加至(155.4±66.8) ml/min，P<0.01, 平均CFR为4.4±0.73 。基础状态LAD峰值流速为(22.5±3.9) cm/s，注药后明显增加至(63.8±16.7) cm/s ，P<0.01, 两者比值为2.9±0.72 。
, 百拇医药
表1 注药前后静息和最大充血状态各项指标情况 组别
峰值流速(cm/s)
容积流率(ml/min)
注药前
22.5±3.9
35.4±13.3
注药后
63.8±16.7
155.4±66.8
t值
10.5
8.41
, 百拇医药
P值
<0.01
<0.01
注：平均冠状动脉血流储备为4.4±0.73 ; 静注潘生丁后与基础状态左前降支峰值流速比值为2.9±0.72。数据用平均值±标准差表示讨论
正常人最大冠状动脉血流约为静息时血流的4～5倍[ 1 ]。目前，冠状动脉内多普勒(intracoronary doppler, ICD)[ 6 ]和经食管超声心动图(transesophageal echocardiogrphy, TEE)[ 7 ]已被用于测定冠状动脉流速 ，但这两种方法均为有创或半有创性，而且以注射血管扩张剂后最大流速和注射前平均流速的比值来代表CFR，没有考虑血管扩张后血管横断面增大这一因素，数值较由容积流率获得的CFR值小，国外文献[ 3 ]和我们的研究均证明了这一点。
, 百拇医药
MR相位对比法定量测定正常人CFR首先由Edelman等[ 8 ]提出。他们应用K-空间分段屏气流速编码梯度回波MR成像技术，由于每次屏气只能获得单一时相的图像，要得到整个心动周期冠状动脉流速-时间曲线，需多次屏气。本研究中采用fast PC-MR序列可在单次屏气过程中获得心动周期内多相位的图像，消除了多次屏气之间的差异，使CFR的测量更加准确。
Sakuma等[ 4 ]在犬动物模型中采用类似的方法测量CFR，同时采用超声流量计作对比测量开胸犬LAD的容积流率和CFR。结果两种方法的相关系数为0.95。显示了这两种方法测定冠状动脉容积流率良好的一致性。
采用PC容积血流率定量技术最主要的缺点在于：为补偿心脏运动必须进行门控，需要在每个心动周期的舒张末期设置激发窗(trigger window)，以防止在下一次门控激发以前出现错误激发。这样，不可避免地导致舒张期血流数据最后部分的丢失，从而低估整体容积血流率。在激发窗内丢失的数据，本研究根据心动周期首次和末次血流数据用线性内插法获得，从而减少误差。
, 百拇医药
PC容积流率是单位体素内测得的运动自旋平均流速与相同体素截面积的乘积。因此，MR容积流率测量正确性的关键在于可靠地判断冠状动脉血管面积和流速。采用PC-MR法测定CFR应注意的问题 ： (1)沿着小血管边缘的部分容积效应造成高估血管大小。由于左室平面内运动造成LAD的血管轮廓模糊加重了这种影响。Pelc 等[ 9 ]采用兴趣血管阈值法决定血管面积以减少部分容积效应，阈值的大小由兴趣血管的峰值信号强度决定，理论模型显示层流的最佳阈值为40%，本研究对象为健康志愿者，可假设LAD近段为层流，所以选阈值为40%；(2)MR扫描时层面位置固定，不随冠状动脉在心动周期内位置的改变而变化，这样会造成相位流速测量的错误，从而高估收缩期流速并低估舒张期峰值流速。虽然有这种误差，但由于心脏运动的循环特点，整个心动周期的平均流速并不受太大影响；(3)屏气改变了胸腔内压力，从而影响回心血流速度及血压，可能影响冠状动脉血流速度的测量，但CFR由注药后和注药前流率的比值决定，两者均在屏气状态下测得，故最终结果影响不大。
, http://www.100md.com 本研究表明采用屏气PC-MRI流速编码技术可以定量测定正常人冠状动脉容积流率和峰值流速。为临床提供了一种评价心脏的生理功能的无创性方法。
参考文献
1 邵耕，主编.现代冠心病.北京：北京医科大学、中国协和医科大学联合出版社，1994. 446-447.
2 Sakuma H, Globits S, O'Sullivan M, et al. Breath-hold MR measurements of blood flow velocity in internal mammary and arteries coronary bypass grafts. J Magn Reson Imaging , 1996, 6: 219-222.
3 Grist TM, Polzin JA, Bianco JA, et al. Measurement of coronary blood flow and flow reserve using magnetic resonance imaging. Cardiology, 1997, 88:80-89.
, 百拇医药
4 Sakuma H, Saeed M, Takeda K, et al. Quantification of coronary artery volume flow rate using fast velocity-encoded cine MR imaging. AJR, 1997, 168: 1363-1367.
5 Verani MS. Pharmacologic stress imaging. Cardiology in review, 1997,5: 105-113.
6 张梅，松崎益德， 饭田博，等. 经皮冠状动脉内多普勒超声技术对冠状动脉血流储备的研究. 中华超声影像学杂志, 1998, 7: 135-137.
7 杨燕斐, 刘晓惠, 吴雅峰, 等. 经食道超声多普勒测定冠状动脉储备功能对冠状动脉病变程度的评价. 中华心血管病杂志, 1997, 10: 349-352.
, 百拇医药
8 Edelman RR, Manning WJ, Gervino E, et al. Flow velocity quantification in human coronary arteries with fast , breath-hold MR angiography. J Magn Reson Imaging ,1993,3: 699-703.
9 Pelc LR, Pelc NJ, Rayhill SC, et al. Arterial and venous blood flow: noninvasive quantitation with MR imaging. Radiology ,1992,185: 809-812.
收稿：1999-01-21
修回：1999-07-26, 百拇医药
单位：蔡剑鸣、高元桂、蔡幼铨、郜发宝、梁燕 北京，中国人民解放军总医院放射科磁共振室 100853，尚民 心内科；曾源 解放军第三○六医院内八科
关键词：冠状动脉循环；磁共振成像
中华放射学杂志991218摘要：目的 研究屏气相位对比MR(PC-MR)技术测定正常人冠状动脉血流储备(CFR)的可行性。方法 健康志愿者15例(男12例，女3例)。采用快速屏气K-空间分段PC-MR技术，测定冠状动脉左前降支(LAD)静息状态和静注潘生丁负荷状态下的舒张期峰值血流速度、容积流率及CFR。 结果基础状态LAD 容积流率为(35.4±13.3) ml/min，静注潘生丁后明显增加至(155.4±66.8) ml/min(P<0.01), 平均CFR为4.4±0.73。基础状态LAD峰值流速为(22.5±3.9)cm /s, 静注潘生丁后明显增加至(63.8±16.7)cm/s (P<0.01), 两者比值为2.9±0.72 。 结论 该研究表明采用屏气PC-MRI流速编码技术可以定量测定正常人冠状动脉容积流率、峰值流速，从而评价CFR。
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Evaluation of coronary flow reserve in normal subjects with breath-hold phase contrast magnetic resonance imaging
CAI Jianming, GAO Yuangui, CAI Youquan, et al.
MR Section, Department of Radiology, the General Hospital of PLA, Beijing 100853
Abstract Objective To study the feasibility of coronary flow reserve (CFR) measurements in normal subjects with breath-hold phase contrast magnetic resonance (PC-MR) technique. Methods Fifteen healthy volunteers underwent on 1.5-T scanner MR imaging. Peak flow velocity, volume flow rate and CFR in the left anterior descending (LAD) artery were measured before and after administration of dipyridamole (0.56 mg/kg) with breath-hold PC-MRI. Results Mean LAD volume flow rates was( 35.4±13.3) ml/min (mean±standard deviation) in the baseline state. It increased significantly (P<0.01) to (155.4±66.8) ml/min after dipyridamole administration. The mean CFR was 4.4±0.73 . Peak coronary flow velocity in the LAD artery increased significantly (P<0.01) from (22.5±3.9) cm/s before administration of dipyridamole to (63.8±16.7) cm/s, after administration the ratio was 2.9±0.72 . Conclusions Coronary flow velocity, volume flow rates and CFR can be measured quantitatively with the MR techniques.
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Key words Coronary circulation Magnetic resonance imaging
冠状动脉血流储备(coronary flow reserve, CFR)是指冠状动脉最大扩张时冠状动脉血流量增加的潜在能力。对CFR的测定是评价冠状动脉病变程度及判断冠状动脉搭桥术和球囊扩张术预后的有用资料[1,2]。最近，国外文献[3，4] 报道了采用快速相位对比MR(phase contrast MR, PC-MR)技术获得冠状动脉流速和容积流率从而评价CFR。本研究旨在进一步证实这种方法的可行性。
材料与方法
1. 研究对象：健康志愿者15例，男12例，女3例，无心脏病史(心电图和血压检查正常)。年龄21～35岁，平均(27±2.6)岁。无吸烟史。
, 百拇医药
2. MR检查及潘生丁药物试验：(1)采用1.5 T MR扫描仪(GE Signa Horizon)。受试者仰卧位，7.5 cm表面线圈置于心前区。采用屏气脂肪抑制分段K-空间电影成像技术(Fast Card软件)进行冠状位、横轴位扫描以确定左前降支(LAD)近段走行，于近平行室间隔长轴位采用同样序列获得LAD近段图像(图1)。然后采用双斜位扫描方式，在LAD近段作垂直LAD的平面进行PC-MR扫描，并从2～3个连续层面中选择最佳层面。(2)PC-MR采用心电门控Fast 2D PC软件包，TR 18.2毫秒， TE 4.3毫秒，翻转角30°，层厚5mm，视野20 cm×15 cm，矩阵256×128，平面内分辨率0.8 mm×1.1 mm。根据不同的心率，屏气时间15～24秒不等，流速编码100 cm/s(基础状态)或150 cm/s(注药后)。(3)冠状动脉血流测定包括3次基础状态，每次间隔2分钟，从右肘前静脉注入标准剂量的潘生丁(0.56 mg/kg, 4分钟内匀速注入)[ 5 ]，并测量注药前、注药后1分钟血压，然后每3分钟进行1次PC-MR扫描，持续30分钟。扫描结束后再测定血压变化。心率可在扫描过程中通过心电门控设备记录。根据心率的不同，每个心动周期内采集7～15幅不同时相的强度和相位图像。
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图1 屏气脂肪抑制分段K-空间电影成像序列，于平行室间隔长轴位获得左前降支(LAD)(白箭)近段图像。斜线表示用于LAD横断面采集平面 3. 数据分析：PC-MR图像采用5.6版本的流动分析(flow analysis)软件进行处理。PC图像中很容易区分动静脉血流(舒张期时动脉与左室血流方向一致均为白色，静脉为黑色)(图2～5)。在强度图像中，以血管峰值信号强度的40%决定血管面积，沿LAD断面边缘勾画兴趣区(ROIa)，并根据心动周期不同相位情况改变ROIa大小。每个心脏相位另取LAD邻近心肌一较大的兴趣区(ROIb)，两者比较以校正平面内运动造成的相对运动，获得LAD的相对流速和流率。CFR为注药后最大容积流率/基础状态容积流率。
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图2～5 屏气相位对比MR图像：基础状态舒张早期强度图像(图2)和相位图像(图3)；静脉注入潘生丁后最大充血状态强度图像(图4)和相位图像(图5)。 与图3相比， 注入潘生丁后左前降支流速加快及血管扩张，在图5上显示为血管腔扩大和亮度增加。RV=右心室，LV=左心室
4. 统计分析：所有数据用平均值±标准差表示，采用配对t检验比较基础状态、静推潘生丁后冠状动脉血流数据(包括容积流率、峰值流速)。P<0.05有显著性差异。
结果
全部15例健康志愿者均获得满意的LAD相位和强度图像，相对冠状动脉血流数据(容积流率、峰值流速)很容易在基础状态和潘生丁注入后的屏气快速PC-MR图像中获得(图2～5)。 表1总结了15例健康志愿者注药前后平均峰值血流和容积流率情况。基础状态LAD容积流率为(35.4±13.3) ml/min，注药后明显增加至(155.4±66.8) ml/min，P<0.01, 平均CFR为4.4±0.73 。基础状态LAD峰值流速为(22.5±3.9) cm/s，注药后明显增加至(63.8±16.7) cm/s ，P<0.01, 两者比值为2.9±0.72 。
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表1 注药前后静息和最大充血状态各项指标情况 组别
峰值流速(cm/s)
容积流率(ml/min)
注药前
22.5±3.9
35.4±13.3
注药后
63.8±16.7
155.4±66.8
t值
10.5
8.41
, 百拇医药
P值
<0.01
<0.01
注：平均冠状动脉血流储备为4.4±0.73 ; 静注潘生丁后与基础状态左前降支峰值流速比值为2.9±0.72。数据用平均值±标准差表示讨论
正常人最大冠状动脉血流约为静息时血流的4～5倍[ 1 ]。目前，冠状动脉内多普勒(intracoronary doppler, ICD)[ 6 ]和经食管超声心动图(transesophageal echocardiogrphy, TEE)[ 7 ]已被用于测定冠状动脉流速 ，但这两种方法均为有创或半有创性，而且以注射血管扩张剂后最大流速和注射前平均流速的比值来代表CFR，没有考虑血管扩张后血管横断面增大这一因素，数值较由容积流率获得的CFR值小，国外文献[ 3 ]和我们的研究均证明了这一点。
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MR相位对比法定量测定正常人CFR首先由Edelman等[ 8 ]提出。他们应用K-空间分段屏气流速编码梯度回波MR成像技术，由于每次屏气只能获得单一时相的图像，要得到整个心动周期冠状动脉流速-时间曲线，需多次屏气。本研究中采用fast PC-MR序列可在单次屏气过程中获得心动周期内多相位的图像，消除了多次屏气之间的差异，使CFR的测量更加准确。
Sakuma等[ 4 ]在犬动物模型中采用类似的方法测量CFR，同时采用超声流量计作对比测量开胸犬LAD的容积流率和CFR。结果两种方法的相关系数为0.95。显示了这两种方法测定冠状动脉容积流率良好的一致性。
采用PC容积血流率定量技术最主要的缺点在于：为补偿心脏运动必须进行门控，需要在每个心动周期的舒张末期设置激发窗(trigger window)，以防止在下一次门控激发以前出现错误激发。这样，不可避免地导致舒张期血流数据最后部分的丢失，从而低估整体容积血流率。在激发窗内丢失的数据，本研究根据心动周期首次和末次血流数据用线性内插法获得，从而减少误差。
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PC容积流率是单位体素内测得的运动自旋平均流速与相同体素截面积的乘积。因此，MR容积流率测量正确性的关键在于可靠地判断冠状动脉血管面积和流速。采用PC-MR法测定CFR应注意的问题 ： (1)沿着小血管边缘的部分容积效应造成高估血管大小。由于左室平面内运动造成LAD的血管轮廓模糊加重了这种影响。Pelc 等[ 9 ]采用兴趣血管阈值法决定血管面积以减少部分容积效应，阈值的大小由兴趣血管的峰值信号强度决定，理论模型显示层流的最佳阈值为40%，本研究对象为健康志愿者，可假设LAD近段为层流，所以选阈值为40%；(2)MR扫描时层面位置固定，不随冠状动脉在心动周期内位置的改变而变化，这样会造成相位流速测量的错误，从而高估收缩期流速并低估舒张期峰值流速。虽然有这种误差，但由于心脏运动的循环特点，整个心动周期的平均流速并不受太大影响；(3)屏气改变了胸腔内压力，从而影响回心血流速度及血压，可能影响冠状动脉血流速度的测量，但CFR由注药后和注药前流率的比值决定，两者均在屏气状态下测得，故最终结果影响不大。
, http://www.100md.com 本研究表明采用屏气PC-MRI流速编码技术可以定量测定正常人冠状动脉容积流率和峰值流速。为临床提供了一种评价心脏的生理功能的无创性方法。
参考文献
1 邵耕，主编.现代冠心病.北京：北京医科大学、中国协和医科大学联合出版社，1994. 446-447.
2 Sakuma H, Globits S, O'Sullivan M, et al. Breath-hold MR measurements of blood flow velocity in internal mammary and arteries coronary bypass grafts. J Magn Reson Imaging , 1996, 6: 219-222.
3 Grist TM, Polzin JA, Bianco JA, et al. Measurement of coronary blood flow and flow reserve using magnetic resonance imaging. Cardiology, 1997, 88:80-89.
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4 Sakuma H, Saeed M, Takeda K, et al. Quantification of coronary artery volume flow rate using fast velocity-encoded cine MR imaging. AJR, 1997, 168: 1363-1367.
5 Verani MS. Pharmacologic stress imaging. Cardiology in review, 1997,5: 105-113.
6 张梅，松崎益德， 饭田博，等. 经皮冠状动脉内多普勒超声技术对冠状动脉血流储备的研究. 中华超声影像学杂志, 1998, 7: 135-137.
7 杨燕斐, 刘晓惠, 吴雅峰, 等. 经食道超声多普勒测定冠状动脉储备功能对冠状动脉病变程度的评价. 中华心血管病杂志, 1997, 10: 349-352.
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8 Edelman RR, Manning WJ, Gervino E, et al. Flow velocity quantification in human coronary arteries with fast , breath-hold MR angiography. J Magn Reson Imaging ,1993,3: 699-703.
9 Pelc LR, Pelc NJ, Rayhill SC, et al. Arterial and venous blood flow: noninvasive quantitation with MR imaging. Radiology ,1992,185: 809-812.
收稿：1999-01-21
修回：1999-07-26, 百拇医药