体外 四维血流磁共振成像评估主动脉瓣反流

通过本方案可以识别瓣膜性疾病的特点，而这些特点在体内诊断研究中往往难以获得。此外，本方案还展示了4D流动MRI的体外评估方法。该技术能够测量体外心脏瓣膜模型的时间分辨三维速度场。

这包括对流速和每搏输出量进行回顾性分析。4D 流动 MRI 测量以 DICOM 医学格式图像提供结果。然而，对于初学者而言，理解这些医学图像并将图像转换为物理流动数据可能较为困难。

由于一般研究人员对磁共振成像（MRI）的获取受限，许多领域对四维流速磁共振成像（4D flow MRI）测量的认知仍然有限。对该技术流程进行可视化演示将有助于提升其应用。首先，确定主动脉根部的参数值，例如基于瓣膜的直径和窦部半径。

单击“草图”以运行三维建模软件，然后依次进入“工具”、“草图”、“工具”，并单击“草图图片”。使用圆形工具绘制对应于 R 最大值和 R 最小值的圆，以形成正弦模式。利用自由曲线功能绘制正弦曲线，单击放样工具，然后选择用于放样的草图区域。

在当前模型的顶部和底部绘制额外的圆形，点击拉伸工具并选择这些圆形。将参数设置为向下 20 毫米，向上 30 毫米。以相同方法创建一个六面体模型。

从插入菜单中，进入特征，选择合并，然后单击合并工具。在属性管理器中选择“减去”。选择六面体模型和窦腔模型。

根据制造商的说明，使用五轴数控机床将最终设计加工成亚克力模型。运行三维建模软件并新建一个草图。在阀座中心手动绘制一个正方形和一个圆形。

单击拉伸工具，将阀门底座的高度调整为5毫米。将圆形拉伸，高度为23.5毫米，厚度为3毫米。使用线条工具将模型均分为12个部分，使每个部分为30度。

选择三个呈120度间隔的部件，以16.5毫米的高度进行拉伸，形成三个支柱。单击圆角工具并选中支柱，将顶部和底部的圆角半径分别调整为4毫米和10毫米。

将其保存为STL文件格式。通过将填充密度设置为100%并使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物作为打印材料，进行阀体框架的3D打印。运行3D建模软件并新建一个草图。

绘制一条23毫米的水平线和一条15毫米的垂直线。从圆弧命令管理器中选择三点圆弧工具，在水平线的两端各设置一个点，最后一个点设置在垂直线的末端，然后将草图拉伸成5毫米厚。

以 STL 文件格式导出模型并进行打印。将 ePTFE 膜重叠两层。使用打印的瓣叶，以两毫米的间隔绘制瓣叶边界。

沿绘制的线条和侧边边界，以1毫米的间隔使用直径为0.1毫米的聚酰胺缝线进行缝合。将ePTFE瓣膜自上而下在支架上以1毫米的间隔进行缝合。剪裁膜的外侧边缘，并将其相互缝合。

对三种不同模型进行修改。对于扩张模型，将指定小叶参数的比例减小至90%。对于穿孔模型，使用剪刀在一片小叶的中心制作一个直径为2毫米的圆形孔洞。对于脱垂模型，将瓣膜的两个交界固定在低高度柱状结构的孔洞上。

准备由主动脉模型、心脏模拟泵和磁共振成像（MRI）系统组成的实验装置。将实验模型放置于MRI室内，使用内径为25毫米的硅胶管连接泵、储液器和模型。采用长度为10厘米的缆线固定各连接部位，防止发生泄漏。

在 MRI 的视野范围内定位模型。执行定位扫描，以在 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。将二维图像平面定位在主动脉模型的中心。

运行可变速度编码参数的二维相位对比成像，以选择最适合4D流体MRI的速度编码值。在4D流体MRI中将VENC设置为高出10%的值。在MRI控制台上输入所需的空间分辨率和时间分辨率。

对于主动脉血流，这些数值分别为2至3毫米以及20至40毫秒，并使用三种类型的主动脉瓣及无瓣情况，在有血流和无血流条件下获取数据。将原始数据文件从扫描仪复制以进行数据分析。使用DICOM分类软件，根据头部信息中名为“序列描述”的字段对DICOM文件进行分类。

单击 DICOM 排序软件中的排序图像，将三个方向的相位图像和幅值图像分别排序到不同的文件夹中。将幅值图像加载到 ITK-SNAP 软件中。在 ITK-SNAP 中单击画笔工具，使用画笔手动绘制模体内部的流体区域。

保存分割后的图像。可选：使用 MATLAB 加载开启和关闭流体时获得的相位图像数据。通过将开启流体时的数据减去关闭流体时的数据，以消除背景误差。

对每个方向和心动周期重复此步骤。使用厂商特定的像素-速度方程计算5D矩阵相位数据的速度。将先前获得的5D矩阵速度数据导入血流可视化分析软件中。

单击等值面部分，然后通过点击等值体积按钮来更改用于三维分析的数据类型。在变量命令管理器中拖动速度数据，并将其添加到等值体积中，以查看模型的速度分布。在主菜单中点击粒子迹线发射器工具。

选择高级选项以进行更精确的分析。在创建过程中选择所需的可视化方式，例如流线或轨迹线。设置实验所需参数值。

随时间创建并检查结果。右键单击粒子轨迹模型，然后单击按颜色显示。选择速度分量，以速度对流线进行着色。

将先前获得的流速数据和分割图像加载到 MATLAB 中。通过将分割矩阵与流速矩阵数据进行逐元素相乘，将分割区域外的流速设为零。使用 MATLAB 的图像显示功能检查流速数据是否存在相位缠绕现象。

速度方向的反转表明存在相位卷绕。对矩阵数据中选定的平面进行切片。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血流量。

将心动周期内所有时间点的血流速率相加，并乘以时间分辨率，以计算每搏输出量。该图显示了4D血流MRI的结果，其流线图呈现了收缩期和舒张期的正常血流及反流喷射情况。可以观察到，在无瓣膜的情况下，整体出现了前向和反向血流。

扩张模型的反流射流从中心喷出，并且随着时间推移倾向于改变方向。此外，除穿孔模型外，所有模型的前向射流均为直线状。在穿孔模型中，射流在收缩期偏向心室壁。

此外，穿孔和脱垂模型的反流射流偏向瓣膜壁。该图显示了每个瓣膜在远离瓣膜基底部的三维平面上的血流速率，以及前向和反流容积。各模型的血流速率呈现出不同的波形和流量。

通常，正值百分比表示低估，而负值百分比表示高估。通过本方案，研究人员可制备多种体外心脏瓣膜，包括狭窄性心脏瓣膜和反流性心脏瓣膜，并可对这些瓣膜中的血流动力学进行研究。

本技术探讨了体外构建病变心脏瓣膜及四维血流磁共振成像的演示。