体外 四维血流磁共振成像评估主动脉瓣反流

摘要

主动脉瓣反流是一种主动脉瓣心脏疾病。本论文展示了如何利用四维流动磁共振成像评估主动脉瓣反流 体外 模拟主动脉瓣反流的心脏瓣膜。

摘要

主动脉瓣反流（AR）是指在心室舒张期，血液从主动脉逆流回左心室（LV）的现象。由于反流束的形成具有复杂的形态，其特征为三维流动和高速梯度，有时会限制通过二维超声心动图准确测量反流量。近年来发展的四维流速磁共振成像（4D flow MRI）能够实现三维容积流量测量，可用于精确量化反流程度。本研究重点包括：（i）磁共振兼容的AR模型制备（包括扩张、穿孔和脱垂模型）；（ii）系统分析4D flow MRI在AR定量评估中的性能。结果表明，前向与反向射流随时间的变化形态高度依赖于AR的类型。与通过泵搏出量测得的真实值（48 mL）相比，各模型类型的反流容积偏差分别为-7.04%、-33.21%、6.75%和37.04%。反流分数的最大误差约为12%。这些结果提示，当需要精确测量绝对反流容积时，需谨慎选择成像参数。所提出的体外（in vitro）血流模型可轻松改造，以模拟其他瓣膜疾病，如主动脉瓣狭窄或二叶式主动脉瓣（BAV），并可作为未来测试不同MRI序列的标准平台。

引言

主动脉瓣反流（AR）是指在心室舒张期，血液从主动脉反流至左心室的现象。AR通常分为主动脉扩张、瓣叶脱垂、瓣叶穿孔、瓣叶回缩及其他类型¹。慢性AR主要因左心室发生肥厚和扩张而导致容量负荷过重，最终引起左心室失代偿²。急性AR主要由感染性心内膜炎、主动脉夹层和外伤性破裂引起，可导致血流动力学急症²。

目前，主动脉瓣反流（AR）的临床诊断标准主要基于经胸超声心动图（TTE）或经食管超声心动图（TEE）³。尽管超声心动图具有实时成像和检查时间短的优点，但其准确性高度依赖操作者。尤其是反流量的测量，由于主动脉瓣的运动，反流束会偏离二维（2D）测量平面，导致无法直接准确测量反流量。常采用近端等速表面积（PISA）法进行间接估算，但该方法基于一些假设（如瓣口呈圆形），往往限制了测量的准确性⁴。

近期的医学指南⁵还推荐使用心脏磁共振成像（CMR），特别是用于中度或重度主动脉瓣反流（AR）患者，以弥补超声心动图在评估左心室（LV）质量和整体功能方面的局限性。在AR的诊断中，还可综合考虑结构性参数（如主动脉瓣叶和左心室大小）以及血流动力学参数（如反流束宽度、缩流颈宽度和反流量）⁶。然而，通过左心室整体功能估算的主动脉瓣反流量可能在合并其他心脏瓣膜疾病或分流的患者中失效。

此外，4D 流动 MRI 被认为是一种极具前景的技术，能够利用感兴趣体积内的时间分辨速度信息直接测量反流容积⁷。在测量反流血流量时，可轻松追踪并校正瓣膜随时间变化的运动^8,9。同时，可回顾性地放置一个与反流束垂直的任意平面，从而提高测量的准确性¹⁰。然而，由于 4D 流动 MRI 本质上获取的是时空平均信息，该技术的准确性仍需通过严格控制的体外（in vitro）流动实验进行验证。

本研究旨在（i）开发与磁共振成像兼容的 体外 可重现主动脉瓣反流（AR）不同临床场景（扩张、穿孔和脱垂）的实验平台，以及（ii）加深对4D流速编码磁共振成像（4D flow MRI）在这些AR模型中量化不同类型AR性能的理解。此外，根据各种临床场景，基于4D flow MRI开展了三维血流动力学可视化与定量分析。该方案不仅限于AR研究，还可拓展至其他需要系列模型支持的瓣膜性心脏病研究领域 体外 实验与血流动力学定量分析。

方案

注意：该方案主要包含三个阶段：（1）模型制备，（2）磁共振成像扫描与参数选择，以及（3）数据分析。图1为展示本方案整体流程的流程图。

1. 模型制备

1. 主动脉根部模型
   1. 如图所示 图2，确定主动脉根部的参数值，例如瓣环基底直径和窦部半径。本实验中，这些参数值为 D_A = 32.24 mm，D_O = 26 mm，L_B = 8.84 mm，L_A = 26 mm，r_分钟 = 16.64 mm，r_最大 = 21.32 mm
   2. 单击以运行 3D 建模软件 草图 > 工具草图工具 > 示意图.
      注意：本实验使用 Solidworks 进行三维建模。
   3. 为了制作鼻窦模型，绘制与 r 对应的圆形_最大 和 r_分钟 使用圆形工具。利用自由曲线功能绘制窦的曲线¹¹，点击 Loft 工具 并选择放样用的草图区域。
   4. 在当前模型的顶部和底部勾勒出额外的圆，然后单击 挤出工具，选择圆圈，将参数设置为向下20 mm，向上30 mm。以相同方法创建一个尺寸为100 mm × 100 mm × 76 mm的六面体模型。
   5. 点击 插入中的组合工具 > 特点 > 结合选择 减去 在属性管理器中，选择六面体模型和上颌窦模型。根据制造商的说明，使用五轴数控机床将最终设计加工为亚克力模型。
2. 瓣膜支架
   1. 运行3D建模软件并新建一个草图。手动绘制一个100 mm × 100 mm的正方形，以及一个位于中心、直径为25 mm的圆形，用于阀门底座。单击 挤出工具 并将阀门底座的高度调节至5 mm。
   2. 将圆柱体以23.5 mm的高度和3 mm的厚度进行拉伸。使用均分方式将模型分为12个相同的部分 线条工具 使每块夹角为30°。选取三块相互间隔120°的部件，沿高度方向拉伸16.5 mm，形成三个支柱。
   3. 点击 去骨工具 并选中支柱，将顶部和底部的圆角半径分别调整为 4 mm 和 10 mm。以 STL 文件格式保存。
   4. 3D打印阀门框架。将填充密度设置为100%，并使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物作为填充材料。参见 图3 主动脉瓣支架的形状和尺寸。
3. 使用膨体聚四氟乙烯（ePTFE）建立主动脉瓣反流模型
   1. 运行3D建模软件并新建一个草图。以参考基准绘制一条23.24 mm的水平线和一条15 mm的垂直线 图4A.
      注意：瓣膜基底、高度和小叶游离缘长度的几何参数是根据先前的一项研究选定的¹².
   2. 点击 三点弧线工具 从弧线命令管理器中选择，并在水平线的每一端设置两个点，最后一个点设在垂直线的末端。将草图进行拉伸，厚度为5 mm。以STL文件格式导出模型并进行3D打印。
   3. 将ePTFE膜重叠两层，使用打印的瓣叶模板间隔2 mm绘制三条瓣叶边界。沿所画线条及侧边以直径0.1 mm的聚酰胺缝线每隔1 mm进行缝合。将ePTFE瓣膜在支架上自顶部到底部以1 mm间隔进行缝合。
   4. 切除外侧的膜并将其相互缝合。进行以下三种修改以获得三种不同的模型。
      1. 扩张模型：将设计的瓣叶参数比例减小至90%。
      2. 穿孔模型：使用剪刀在一片瓣膜的中心剪出一个直径为2 mm的圆形孔。
      3. 脱垂：将瓣膜的两个交界固定在低柱高孔上。
         注意： 图4 展示了ePTFE瓣膜的材料与制备方法。 图5 展示了每种AR类型的特征。

2. 磁共振成像扫描与参数选择

1. 准备实验系统，包括主动脉瓣反流（AR）模型、主动脉窦模型、心脏模拟泵和磁共振成像（MRI）设备。
2. 将实验模型置于MRI室内，使用内径为25 mm的硅胶管连接泵、储液罐和模型。用10 cm长的扎带固定连接部位，以防止可能的泄漏。
3. 使用电机控制的活塞泵模拟主动脉血流波形，通过流动回路系统产生生理性的流动波形。以水作为工作流体，并在入口和出口处安装单向阀以防止逆流。流动泵的详细信息可参见先前的研究²³。
4. 将模型置于MRI的视野（FOV）范围内。执行定位扫描，在MRI操作控制台的显示器上观察模型在冠状面、轴向面和矢状面的图像。该图像用于指导后续成像序列的定位。
5. 将二维图像平面定位在主动脉模型的中心。运行具有可变速度编码参数（VENC）的二维相位对比成像，以选择适用于四维流动MRI的最合适VENC值。
6. 在四维流动MRI中将VENC设置为比测得峰值速度高10%，以最小化可能的速度混叠⁷。在MRI控制台上输入所需的空间分辨率和时间分辨率。建议主动脉血流的空间分辨率为2–3 mm，时间分辨率为20–40 ms⁷。表2列出了MRI扫描参数。
7. 使用三种类型的AR瓣膜以及无瓣膜情况，分别采集有流动和无流动条件下的数据。

3. 数据分析

1. 数据排序与校正
   1. 将原始数据文件从扫描仪复制到本地，以进行数据分析。使用 Dicom 排序软件，根据文件头中名为“序列描述”的字段对 dicom 文件进行分类。在 Dicom 排序软件中点击 排序图像，将三个方向的相位图像和幅值图像分别排序至不同文件夹。
   2. 将幅值图像载入 ITK-snap 软件。在 ITK-snap 中点击 画笔，使用画笔工具手动绘制模体内部的流体区域。保存分割后的图像。
   3. （可选）使用 MATLAB 载入开启流动和关闭流动条件下获得的相位图像数据。用开启流动的数据减去无流动的数据，以消除背景误差。对每个方向和心动周期重复此步骤。
   4. 使用设备厂商特定的像素到速度换算公式，计算 5D 矩阵相位数据（行 × 列 × 层面 × 方向 × 时间）的速度。通常，像素的最大强度对应所选的 VENC 值。
2. 可视化
   1. 将步骤 3.1.4 中得到的 5D 矩阵速度数据载入血流可视化分析软件。
      注：输入的速度矩阵可能因分析软件不同而有所差异。Ensight 用户应遵循 Ensight Gold 案例格式指南¹³。
   2. 点击 等值面部件，通过点击 等值体 按钮，将数据类型从等值面更改为等值体，以进行三维分析。在变量命令管理器中拖入速度数据，并将其添加至等值体，以查看模型中的速度分布。
   3. 在主菜单中点击 粒子轨迹发射器工具。勾选 高级选项 以获得更精确的分析。在创建时选择所需的可视化形式，例如 流线 或 路径线。
   4. 本实验中设置以下参数：发射源选项 = 部件，部件 ID = 2，发射器数量 = 10000，方向 = +/−。生成并随时间检查结果。
   5. 右键点击 粒子轨迹 模型，选择 按颜色显示。选择速度分量，以速度值对流线进行着色。
3. 定量分析
   1. 将速度数据（步骤 3.1.4）和分割图像（步骤 3.1.2）载入 MATLAB。将分割区域外的速度设为零。可通过将分割后的矩阵数据与速度矩阵数据进行逐元素相乘，简便地实现此操作。
   2. 使用 MATLAB 的 Imshow 函数检查速度数据是否存在相位卷绕。速度方向的反转表明存在相位卷绕。
   3. 切取所需平面的矩阵数据。对平面内所有速度数据求和，并乘以空间分辨率，以计算通过该平面的流量。对心动周期内所有时间点的流量求和，并乘以时间分辨率，以计算每搏输出量。

结果

制备了三种具有代表性的主动脉瓣反流模型，并制备了一个无瓣膜的病例作为对照（图3）。扩张模型明显显示出瓣叶因尺寸较小而无法完全闭合。使用剪刀在其中一个瓣叶上穿孔，以模拟穿孔模型。脱垂模型中的一个瓣叶看起来比另外两个瓣叶小，因为两个交界处被缝合在低于原始高度的位置。从顶部视图观察无明显差异。

利用4D流动MRI随时间获取的三维速度信息，可在收缩期和舒张期可视化正常及反流射流的流线（图6）。除穿孔模型外，所有模型中的前向射流均为直线状。在穿孔模型中，收缩期出现偏向管壁的射流。反流射流的速度和形态随主动脉瓣反流（AR）分类的不同而有所差异。在无瓣膜模型中，整体存在前向和反向流动。扩张模型的反流射流从中心发出，并倾向于随时间改变方向。穿孔模型和脱垂模型的反流射流则偏向管壁。无瓣膜模型中前向和反流射流的峰值速度分别为0.28 m/s和-0.29 m/s，扩张模型中为2.03 m/s和-3.53 m/s，穿孔模型中为2.52 m/s和-3.13 m/s，脱垂模型中为2.76 m/s和-2.88 m/s。

图7 显示了每个瓣膜的流量以及远离瓣膜基底部的三维平面中的前向和反流容积。不同模型的流量波形和数值各不相同。无瓣膜、扩张、穿孔和脱垂模型的反流容积分别为 51.38 mL、63.94 mL、44.76 mL 和 30.22 mL。与通过泵搏出容积测得的真实值（48 mL）相比，无瓣膜、扩张、穿孔和脱垂模型的偏差分别为 -7.04%、-33.21%、6.75% 和 37.04%。正百分比值表示低估，负百分比值表示高估。无瓣膜、扩张、穿孔和脱垂模型的反流分数误差分别为 -7.78%、-6.00%、0.33% 和 -11.18%。

图1：实验流程示意图。 本实验方案主要包括模型制备、MRI扫描和数据分析。在模型制备步骤中，制备了外主动脉根部模型以及四种不同类型的主动脉根部（AR）模型（无瓣膜、扩张、脱垂和穿孔）。在MRI扫描过程中，依次进行定位像扫描、多VENC扫描和4D流速MRI扫描。数据分析部分包括数据整理、图像分割、速度计算、可视化和定量分析。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2：主动脉根部的示意图及设计的亚克力模型（A）主动脉根部几何结构的几何特征与参数。（B）多维视角下的主动脉根部三维模型。D_A：窦管交界（STJ）直径，D_O：瓣环直径，r_max：最大窦部直径，r_min：最小窦部直径，L_A：窦部高度，L_B：STJ高度。请点击此处查看此图的放大版本。

图3主动脉瓣反流图像帧与模型 (A主动脉瓣支架的几何信息，该支架用于支撑瓣叶。支架主体周围的孔是缝合线穿过的部位。BePTFE膜缝合瓣膜示例。C) 正面观的 体外 模型：本研究中制作的无瓣膜、扩张、穿孔和脱垂模型。箭头指示受损的瓣叶。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图 4：ePTFE 瓣叶的材料与制备步骤。（A）以 3D 打印的瓣叶作为引导，使用 ePTFE 膜制作瓣叶。（B）ePTFE 瓣膜的绘图、缝合、裁剪和固定步骤。请点击此处查看此图的放大版本。

图 5：不同AR模型的制备方法。（A）扩张模型，（B）穿孔模型，以及（C）脱垂模型。请点击此处查看该图的放大版本。

图6：根据主动脉瓣反流类型的流线可视化。 不同主动脉瓣反流类型在收缩期（每幅图左侧）和舒张期（每幅图右侧）的流线可视化图像。(A) 无瓣膜模型（由于无瓣膜，舒张期/收缩期图像相同），(B) 扩张，(C) 穿孔，以及(D) 脱垂。收缩期和舒张期的数据分别取自心动周期中入口流速最高和最低的时刻。请点击此处查看此图的放大版本。

图 7：血流速率与每搏输出量。（A）无瓣膜模型、（B）扩张、（C）穿孔和（D）脱垂情况下的血流速率与每搏输出量。血流速率和每搏输出量在瓣环下游三倍直径处的平面（实线）进行测量。蓝色和红色分别表示前向血流和反流血流。请点击此处查看该图的放大版本。

比率 (Do= 26 mm)	DA/Do	LA/Do	LB/Do	rmax/Do	rmin/Do
	1.24	1	0.34	0.82	0.64

表1. 图1所示主动脉根部几何结构的几何参数。

时间分辨率	0.025 ms/40 相位
空间分辨率	2 mm × 2 mm/每 1 mm 0.5 像素
矩阵	96 × 160 × 26 像素
层厚	2 mm
回波时间	2.54 ms
编码速度	25–330 cm/s

表2. 4D Flow MRI序列参数 体外.

讨论

近年来，多项体外（ex vivo）和体内（in vivo）研究已证实四维血流磁共振成像（4D flow MRI）可用于临床常规应用¹⁴。由于4D flow MRI可在整个心动周期内获取三维速度信息，因此其重要应用之一是直接量化瓣膜反流量，而传统的二维多普勒超声心动图无法实现这一量化¹⁵。利用4D flow MRI开展的体外（in vitro）实验可提供三维流速及相关的血流动力学参数，可用于研究心血管疾病与血流动力学之间的关系。然而，尽管该技术具有广阔的应用前景，目前尚未见有关此应用的系统性研究报道。这可能是因为缺乏能够模拟三叶瓣反流的、设计完善的体外（in vitro）实验模型所致。

近期进展 体外 研究已提供了更准确、更真实的实验方法，用于评估瓣膜前和瓣膜后血流动力学^16,17结合基于光学图像的粒子图像测速技术（PIV），此前已可实现对瓣膜周围流动的精确测量与量化 体外 研究¹⁸然而，由于模型不透明且存在折射，准确获取三维流场（尤其是瓣膜后方的流动）受到限制。另一方面，使用磁共振成像（MRI）进行三维速度测量也存在局限性，因为无法使用金属部件。^19,20.

因此，本研究介绍了一种构建磁共振兼容且高度可调的流动实验平台的方案，可用于重现瓣膜疾病的各种临床场景。采用聚四氟乙烯（ePTFE）膜模拟三尖瓣，因其不含金属成分，且由于其高抗张强度和耐化学性，已被广泛用作瓣膜和血管移植材料^17,21,22。基于ePTFE薄膜，已成功复制出三种不同成因的主动脉瓣反流（AR）模型（扩张、穿孔和脱垂），并建立了一个无瓣膜模型作为对照。该流动实验方案的下一步关键步骤是磁共振成像与流量定量。采用由电机控制的活塞泵模拟主动脉血流波形，以在流动回路系统中生成生理性的流动波形。流动泵的具体细节可参见先前的研究²³。由于本研究还旨在验证4D流动MRI在流量定量中的准确性，所有成像参数均依据先前研究进行选择，该研究总结了可用于临床常规检查的参数设置²⁴。由于MRI系统本身可能存在由涡电流和磁场非线性等缺陷引起的固有误差²⁵，在实际数据定量之前，需按照步骤3.1.3所述实施背景误差校正策略。

本研究提出的手工制作的主动脉瓣反流模型，根据模型分类，其反流射流的血流动力学特征与既往研究报道的结果相似^26,27。在扩张模型中，关闭形态呈对称性，射流为位于瓣膜中央的直线状射流。在穿孔模型中，由于瓣叶损伤，出现向后偏心的射流。瓣膜部分脱垂模型中，由于受累瓣叶活动受限，射流方向发生偏转。通过4D流速MRI直接测量的主动脉反流量，在无瓣膜模型和扩张模型中被高估，而在脱垂模型中则显著低估，与真实值相比存在偏差。然而，当计算反流分数时，最大偏差仅为11%（出现在脱垂模型中）。这强烈表明，不仅反流血流，而且正常的主动脉射流也受到MRI扫描的影响。目前阶段，尚未针对每种主动脉瓣反流模型优化个体化的扫描参数。未来系统性的参数研究可能提高反流量测量的准确性。或者，使用反流分数更为稳健，因其可抵消4D流速MRI中的固有误差，且在临床上比单纯测量绝对反流量更具相关性。

总之，本研究提示一种磁共振兼容的 体外 一种高度可调的流动实验模型，可用于模拟多种类型的主动脉瓣反流（AR）。同时，本研究比较了使用4D流动磁共振成像（4D flow MRI）测量AR反流量的准确性。本研究的局限性在于未模拟主动脉瓣的运动，而瓣膜运动可能影响反流射流的实际形成。此外，4D流动MRI的部分容积效应及其时间平均特性可能限制血流测量的准确性，尤其是在考虑反流射流及其周围区域速度动态范围较大的情况下。因此，仍需进一步开展系统的参数研究。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
三维建模软件（SolidWorks）	Dassault Systèmes SolidWorks Corporation		美国马萨诸塞州沃尔瑟姆
3D打印机	Zortrax S.A.		基于CAD模型或数字3D模型构建三维物体的设备（zortrax m200 plus，Zortrax S.A.，波兰奥尔什丁）
Dicom排序软件	开源软件		Jonathan Suever，软件工程师
Ensight	Ansys		流场可视化软件（美国宾夕法尼亚州坎农斯堡）
膨体聚四氟乙烯（ePTFE）	SANG-A-FRONTEC		医用膜（ePTFE，SANG-A-FRONTEC，韩国仁川）
Itk snap软件	开源软件		GNU通用公共许可证
MATLAB	MathWorks		美国马萨诸塞州纳蒂克
磁共振成像（MRI）	西门子		3T，德国埃尔朗根
剪刀	Scanlan International Inc	n43 1765	7007-454，Scanlan International Inc.，美国圣保罗
缝合线	AILEE	NB530	Ailee，聚酰胺缝合线，UPS 5-0