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基于磁共振4D速度映射的平均肺动脉压升高评估:可视化技术的比较

基于磁共振4D速度映射的平均肺动脉压升高评估:可视化技术的比较

  • 乌苏拉Reiter,
  • 哥特Reiter,
  • 伽柏科瓦奇,
  • 奥勒连·f·斯托德,
  • Mehmet A. Gulsun,
  • Andreas售后,
  • 霍斯特Olschewski,
  • 迈克尔Fuchsjager
公共科学图书馆
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摘要

目的

三维(3D)磁共振相位对比成像(PC-MRI)允许无创诊断肺动脉高压(PH)和估计升高的平均肺动脉压(mPAP)基于血液旋涡运动在主肺动脉。本研究的目的是比较来自不同流动可视化技术的PH相关涡的存在和持续时间,特别是在无创评估mPAP升高和PH诊断方面的表现。

方法

50例疑似PH患者(23例为PH, 27例为PH)行右心导管检查及时间分辨PC-MRI肺动脉主动脉扫描。PC-MRI数据通过专用的原型软件可视化,提供了三维矢量、多平面重新格式化(MPR)二维矢量、流线和颗粒迹流模式表示。ph相关涡旋血流的持续性(t)使用所有可视化技术进行评估。t的依赖关系通过相关性和受试者工作特征(ROC)曲线分析,对可视化技术进行分析。

结果

t来自3D矢量可视化的值与来自其他可视化技术的值具有很强的相关性(MPR、流线和粒子轨迹可视化的r分别为0.98、0.98和0.97)。基于t诊断PH的ROC曲线下面积三维向量、MPR向量和粒子迹可视化的差异不显著,分别为0.998和0.999。mPAP升高与t的相关性PH患者的3D矢量、MPR矢量、流线和颗粒痕迹可视化r分别为0.96、0.93、0.95和0.92。与线性回归线的相应标准偏差在3 ~ 4 mmHg之间。

结论

时间分辨的肺动脉主动脉三维PC-MRI数据的三维矢量、MPR矢量、流线和颗粒迹线可视化可用于准确的基于漩涡的PH诊断和mPAP升高的估计。

简介

肺动脉高压(PH)是一种危及生命的复杂病理生理条件,其特征是静息时平均肺动脉压(mPAP)等于或超过25 mmHg[1][2].它与肺动脉主干血液的旋涡运动有关[3],可以通过时间分辨的三维(3D)相位对比磁共振成像(PC-MRI)进行评估。ph相关涡旋血液运动的持续时间与侵入性获得的mPAP升高测量值密切相关。因此,肺动脉主动脉的3D PC-MRI是一种可靠的、无创的、非电离的筛查和随访PH患者的纵向工具[3][4]

三维速度场的可视化对于检测一般的流动模式,特别是涡流是至关重要的,但它仍然具有挑战性。三维速度矢量在体积上密集分散,相互重叠、模糊,不利于区域流型分析。为了提高三维速度场的可视化,已经引入了各种有选择性地减少整体三维信息的方法[5]- - - - - -[7].通常应用于三维PC-MRI数据可视化的后处理技术将速度表示为三维向量或限制在解剖切片上的多平面重新格式化(MPR)二维(2D)向量[8]- - - - - -[11],或显示计算出的三维时变积分曲线,如流线或粒子轨迹。流线,定义为在特定时间点速度向量的切线,描述了三维体积中的瞬时速度方向[8][11][12];粒子轨迹显示了粒子在三维速度场中的运动轨迹,提供了一个时间集成的流动图像[11][13]

使用PC-MRI数据的3D矢量表示来评估肺动脉主动脉的旋涡血液运动,从而诊断PH值并估计mPAP升高,这在以前已经被研究过[3].然而,其他流动可视化技术可能有利于涡流检测。目前尚不清楚ph值相关的漩涡血液运动是否可以从2D MPR矢量、流线或颗粒痕迹表示中评估,以及3D矢量可视化的结果如何与这些常用的PC-MRI可视化技术的结果相关。

本研究的目的是比较MPR矢量、流线和颗粒痕迹可视化与三维矢量可视化获得的结果在肺动脉主动脉中PH相关血液漩涡运动的存在和持续时间,特别是在mPAP升高的无创评估和PH诊断方面的表现。

材料与方法

研究人群与右心导管

该前瞻性研究得到了奥地利格拉茨医科大学当地伦理审查委员会的批准,所有受试者均给予书面知情同意。已知MR禁忌症的受试者没有被纳入。53例已知或怀疑PH的患者在成功的右心导管(RHC)后进行了肺动脉主动脉的PC-MRI检查。3例患者因PC-MRI数据不充分(1例严重心律失常,2例幽闭恐怖症)被排除评估。其余50例患者两次调查之间的时间延迟为10±14天。两次检查期间,药物治疗及疾病状态均无临床相关变化。

RHC采用7F四腔、球囊尖、流量导向Swan-Ganz导管(Baxter Healthcare Corp, Irvine, CA, USA)经颈静脉入路进行。测量是在患者仰卧位自由呼吸时进行的。以侵入性获得的mPAP作为PH诊断的参考标准[2].基于rhc的研究人群的分类和人口学特征总结在表1

先生成像

磁共振成像在1.5 T (MAGNETOM Sonata, Siemens, Erlangen, Germany)下使用6通道心脏阵列线圈,患者仰卧位。在右心室流出道(RVOT)方向自由呼吸时采集PC-MRI数据;肺动脉主动脉覆盖5-10片回顾性心电图门控、分段、2D破坏梯度回声相位对比序列,采用简单的4点速度编码方案进行三方向速度编码[14].所有方向的速度编码(VENC)设置为90 cm/s,并在必要时进行调整,以防止肺动脉主干的混叠。进一步的协议参数如下:视场,234-276×340 mm2;矩阵,96 - 114×192;切片厚度,6mm;带宽,451赫兹/像素;GRAPPA(广义自动校准部分并行采集)因子,2;参考线数,21-26;翻转角度,15°;回波时间,4.1 ms;重复时间7.5 ms,每节段3个相位编码步骤,导致时间分辨率为89 ms,这相当于每个心脏周期20个心脏相位。三次平均抑制呼吸伪影的测量时间为每片66-72次心脏跳动。

图像处理与分析

为了三维速度场的计算和可视化,PC-MRI数据被导入专用的原型软件(4D Flow, Siemens, Erlangen, Germany)[15][16].背景相位校正后[13][17][18]RVOT和主肺动脉的半自动分割,由两名有经验的读者分析3D矢量、MPR矢量、流线和颗粒痕迹表示的血流模式,他们对来自RHC的mPAP测量失明。首先,读者独立评估血液流动模式,以便评估观察者之间的可变性。随后,他们对血流模式进行了一致评估。

通过三维矢量可视化,测量速度的幅度(彩色编码)和方向被投影到不透明的解剖图像(图1一个).通过调整解剖图像的透明度,以及与三维矢量连接的图像平面的空间旋转,可以评估速度的通平面分量。MPR矢量可视化可以在体积中重建任意横截面平面,显示插值的平面内速度矢量投影到多平面重新格式化的解剖图像(图1 b).在我们的研究中,面内速度的大小和方向显示为面内速度向量的大小(用彩色编码增强)和方向。流线的可视化(图1 c)和粒子痕迹(图1 d),选择在每个心相的分段体积中均匀分布的起始点(“播种”点)。颗粒痕迹长度与播种时间相适应,以获得足够长度的连续颗粒痕迹。沿流线和粒子轨迹的速度幅度通过颜色编码进一步增强。PC-MRI数据投影到不透明的3D相位造影术重建提供了解剖学和透视背景。

缩略图
图1所示。三维矢量(A)、MPR矢量(B)、流线(C)、颗粒迹(D)可视化肺动脉主干(MPA)中ph值相关的漩涡血流,以及三维矢量(E)、MPR矢量(F)、流线(G)、颗粒迹(H)可视化该流型识别标准示意图。

PV:肺动脉瓣,RV:右心室。

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082212.g001

血液流动模式在视觉上分析了存在和持续时间的ph相关的血液旋涡运动在肺动脉主干。ph相关漩涡被定义为RVOT方向的非瓣膜旋转血流。在三维矢量和MPR矢量可视化中,旋转血流是从速度矢量场中存在的理论上的、平滑的、闭合的同心切线(图1E和1F).通过流线可视化,当观察到闭合流线时,检测到旋转血流(图1 g),而通过粒子轨迹可视化,旋转血流被识别为一个闭合的粒子轨迹环,粒子速度不会沿着整个路径消失(图1 h).

如果在患者中发现ph相关漩涡,则其持续时间(t),其发病时间(t开始)及其终止时间(t结束)。t定义为ph值相关的漩涡血流持续时间(除以心脏间隔并以百分比表示);t开始定义为从肺动脉瓣打开(来源于3D矢量可视化)到ph值相关漩涡血流开始的时间间隔(除以心脏间隔,以百分比表示);和t结束定义为从肺动脉瓣打开到ph相关漩涡血流终止的时间间隔(除以心脏间隔并以百分比表示)。

统计分析

平均值连同标准差一起给出。使用NCSS进行统计分析(Hintze, J. (2008) NCSS, LLC. Kaysville, UT, USA)。统计学检验采用0.05显著性水平。

科恩的Kappa系数(κ)的计算,以指定观察者之间的协议,有关的ph相关涡的检测。t测定中的观察者间变异水平t开始和t结束被指定为方差成分分析中的受试者标准偏差与类内相关系数r集成电路

进一步分析使用tt开始和t结束由两位读者一致得出的值。三维矢量可视化与MPR矢量、流线和粒子迹可视化在ph值相关涡检测方面的一致性计算为Kendall 's τB带更正的领带。对称性采用McNemar检验进行分析。t比较t开始和t结束通过Pearson相关系数r和Bland-Altman分析,对三维矢量、mpr矢量、流线和粒子轨迹可视化进行测量。

t的诊断性能通过受试者工作特征(ROC)曲线分析,研究了不同可视化技术对PH值预测的影响。描述t诊断性能的ROC曲线下的经验面积将MPR向量检测到的流线和颗粒痕迹可视化与描述t诊断性能的经验AUC进行比较通过z检验进行三维矢量可视化检测。t的关系采用相关分析和线性回归分析对mPAP进行分析。mPAP与t的相关系数比较三维矢量、MPR矢量、流线和颗粒迹可视化通过Williams-Hotelling检验确定。

结果

涡流检测的观察者间变率

t测量中的观察者间变异水平从三维矢量、mpr矢量、流线和颗粒痕迹可视化为2% (r集成电路= 0.99), 4% (r集成电路= 0.97), 5% (r集成电路= 0.96)和4% (r集成电路= 0.97)的RR-interval。三维向量(κ = 0.88)和粒子轨迹(κ = 0.87)可视化在ph相关涡患者识别方面的观察者间一致性较高,而MPR向量(κ = 0.48)和流线(κ = 0.59)可视化的一致性较低。

两位观察者在所有的可视化技术中都发现了PH相关的漩涡,因此t开始和t结束ph相关的旋涡血流可以进行比较。t测定中的观察者间变异水平t开始和t结束在PH患者中表现为表2

缩略图
表2。t测定的观察者间变异t开始和t结束来自PH患者不同的血流显像(n = 23)。

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082212.t002

流动可视化技术的比较

t由MPR矢量确定,流线和颗粒痕迹可视化与t强相关由三维矢量表示(r分别为0.98,0.98和0.97)。t从MPR矢量判断,流线和颗粒迹略大于t由三维矢量确定,测量差异的标准偏差为rr -区间的5-6% (图2).

缩略图
图2。涡持续时间的Bland-Altman图(t)由MPR向量(A)、流线(B)和粒子迹(C)可视化确定所有患者(n = 50)均由3D矢量可视化确定。

SD表示测量差异的标准偏差。

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082212.g002

与t的协议相比在3D矢量可视化和各种其他可视化技术之间观察到,3D矢量可视化和MPR矢量、流线和颗粒痕迹之间在识别ph相关漩涡血流患者方面的一致性较弱(τB= 0.71, 0.62, 0.77)。与3D矢量可视化相比,MPR矢量、流线和粒子轨迹可视化分析在更多的受试者中识别出ph相关涡(p分别= 0.005、0.011和0.102)。

t的平均值t开始和t结束在PH患者中的作用表3.如在表4, t之间的相关性不同可视化技术测定的PH值在患者中低于所有患者。此外,t开始和t结束ph相关的旋涡血流对可视化技术的依赖程度较高。

缩略图
表3。t的均值和标准差t开始和t结束来自PH患者的不同血流可视化(n = 23)。

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082212.t003

缩略图
表4。t比较t开始和t结束由mpr矢量、流线和颗粒痕迹可视化确定,与PH患者的三维矢量可视化确定的相同参数(n = 23)。

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082212.t004

基于漩涡持续时间的PH值无创诊断

无创诊断PH的ROC曲线下面积来自不同可视化技术的数值没有显著差异。三维矢量可视化、MPR矢量可视化和粒子轨迹可视化的auc为0.998(95%置信区间[CI], 0.983-1.000),流线可视化的auc为0.999 (95% CI, 0.987-1.000)。图3).t的最佳截断值为了使灵敏度和特异性的总和最大化,在表5

缩略图
图3。利用涡旋持续时间(t)由三维矢量、MPR矢量、流线和粒子轨迹可视化确定。

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082212.g003

缩略图
表5所示。t的截止值通过三维矢量、mpr矢量、流线和颗粒痕迹可视化确定PH值,用于无创诊断。

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082212.t005

tPH与mPAP的相关性较强(3D向量r = 0.96, MPR向量r = 0.93,流线向量r = 0.95,颗粒痕迹可视化r = 0.92),相关性无显著差异。mPAP与t之间的线性回归曲线从三维矢量、MPR矢量流线和粒子轨迹可视化得到的值显示在图4

缩略图
图4。mPAP与涡持续时间(t)通过三维向量(A)、MPR向量(B)、流线(C)和颗粒迹(D)可视化来确定PH患者(n = 23)。

回归方程以毫米汞柱为单位来理解。SD为与回归线的标准差。

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082212.g004

讨论

本研究显示,3D矢量、MPR矢量、流线和颗粒痕迹可视化技术在3D PC-MRI上分析肺动脉主动脉PH相关的旋涡血流,都可以非常准确地诊断PH值和估计mPAP升高。然而,涡识别的观察者间变异性在三维矢量可视化中最小。

之前的一项研究使用PC-MRI数据的3D矢量场表示,建立了肺动脉主动脉ph相关的旋涡血流与mPAP升高之间的线性关系[3].与早期研究的结果一致,本研究发现涡流检测的观察者间变异性较低,基于t的PH诊断具有较高的敏感性和特异性涡,与t有很强的线性相关以及三维矢量可视化提升mPAP。此外,ROC分析允许对t的最佳截断值进行规范= 15%的非侵入性诊断PH (mPAP≥25 mmHg)。

t从MPR矢量、流线和颗粒痕迹可视化中确定的值与从3D矢量表示中得出的值具有很强的相关性,mPAP升高与t之间存在相关性三维矢量、MPR矢量、流线和粒子轨迹可视化得到的数值没有显著差异。在所有可视化技术中,预测mPAP升高的截止值、线性回归方程和标准偏差相当相似(图4),表明所有测试的技术都适用于PH的非侵入性诊断。

ph相关涡的患者数量,以及t使用MPR矢量、流线和粒子轨迹可视化技术时,数值比使用3D矢量可视化时要大。此外,t的观察者间可变性前三种可视化技术比三维矢量分析的效果更好。这些差异可以通过特定可视化技术显示和分离复杂动态血流模式的不同能力来解释,如瓣膜旋涡、分叉相关、螺旋和ph相关的旋涡血流[18]- - - - - -[21]

在MPR矢量可视化中,观察者之间对ph相关漩涡血流存在的一致性最低。MPR向量可以在体积上的任意图像方向上进行重新格式化,这有助于优化RVOT视图,但由于重构的角度依赖于观察者,导致可视化模式的变异性更高。此外,甚至更重要的是,MRP矢量可视化,表示二维平面内速度投影到解剖图像上,忽略了三维速度的通平面分量,阻碍了螺旋和旋涡血流的区分。在健康志愿者和患者中常见的肺动脉螺旋血流与右心室和流出道的解剖结构、曲度和收缩特征有关[20][22][23].如图5在MPR矢量可视化中,这些流动模式可能导致将螺旋型血流误解为ph相关的漩涡型血流。此外,从收缩期晚期开始,血液的螺旋运动不会严重影响t的定义开始但会阻碍t的识别结束因此限制了t的有效性从MPR矢量可视化(表2而且4).

缩略图
图5。在MPR矢量表示中,肺动脉主动脉的螺旋血流模拟ph相关的螺旋血流(A)。

在三维矢量可视化中,相同的视角不能解释为显示ph值相关的漩涡(B)。视角的旋转(C)表明血液流动的螺旋特征。RV:右心室,PV:肺动脉瓣,MPA:肺动脉主干。

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082212.g005

在目前的研究中,流线可视化的观察者间变异性是适度的;此外,在确定哪些患者有ph相关涡时,流线可视化与3D矢量可视化的一致性比任何其他可视化技术都要低。这两个结果都可以用速度矢量的概念曲线(即概念流线)受到某种视觉过滤的事实来解释:单个封闭的流线,或一些同心计算的流线,可能已经被分配为与ph值相关的漩涡血流,在矢量表示中通常不会被注意到。这也解释了更大的t价值观和后来的t结束与矢量可视化相比,流线中发现的值。事实是t开始流线通常比矢量可视化更晚被检测到,这与流线的典型行为有关:即均匀分布的播种点在高速区域不会形成均匀间隔的流线,而是形成簇状,在低速区域出现低密度[5][24].由于ph相关的旋涡血流通常始于收缩期(表3)在肺动脉主干的高速血流中,很容易发生封闭流线的小区域被阻塞或表现不足,因此被遗漏。t的一个例子开始在流线中比在三维矢量可视化中更晚被检测到图6

缩略图
图6。在连续两个心脏收缩期,PH值呈流线(a, B)和三维矢量可视化(C, D)的患者肺动脉主动脉血流模式。

垂直血流开始t开始流线(B)的定义晚于三维矢量可视化(C)。RV:右心室,PV:肺动脉瓣,MPA:肺动脉主动脉。

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082212.g006

由于在特定心脏阶段观察到的粒子轨迹是在先前时间播种的粒子轨迹,它们不一定与时变速度场中的流线重合[12][25][26].t之间的强相关性首先,我们证实了肺动脉主动脉中面向rvot的环形血液循环(颗粒痕迹可视化中ph相关漩涡的定义)对应于矢量和流线可视化中观察到的ph相关漩涡。在颗粒痕迹中检测到的ph值相关涡与在3D矢量可视化中检测到的涡之间的显著区别是,在颗粒痕迹可视化中,旋涡血流的开始和结束基本上是在较晚的时间被识别出来的。这一结果可以解释为以下事实:1)粒子在第一个时间框架内被定义为零长度,2)种子粒子需要一些时间来覆盖足够长的距离以被识别为环形粒子痕迹(特别是当速度较低时),3)在非常高的mPAP下观察到的长寿命涡旋可能会持续到下一个心脏周期,这在当前的粒子痕迹实现中没有考虑到。高t所示值图4 d因此可能被略微低估了。

在目前的研究中,在数据采集和可视化方面存在局限性,需要解决。由于t的低估,粒子迹分析的高mPAP值被低估可以通过循环粒子播种来预防,但没有实施。一般来说,流线和粒子轨迹的结果仅限于采用的4D Flow原型软件提供的标准3D积分曲线可视化,其他技术如不透明度、照明或拓扑传递播种策略可能会进一步提高无创mPAP估计[5]- - - - - -[7][24].为了在合理的成像时间内覆盖肺动脉主干,PC-MRI数据的切片厚度为6mm,测量的时间分辨率为89 ms。虽然空间插值,流线和粒子轨迹的计算可能受到限制,由于各向异性的三维速度场获得。适度的时间分辨率可能进一步影响了计算粒子迹线的精度。最后,由于所选成像与ph相关涡旋转平面的重合,使得三维矢量可视化的性能得到了极大的提高。

综上所述,时间分辨的肺动脉主动脉三维PC-MRI数据的三维矢量、MPR矢量、流线和颗粒迹可视化可用于准确的基于漩涡的PH诊断和mPAP升高的估计。由于所有可视化都有优点和缺点,它们的联合使用可能有助于更好地理解和建立自动提取肺动脉主干血流模式的拓扑特征。

致谢

作者们感谢Ada Muellner女士对手稿的编辑。

作者的贡献

构思和设计实验:UR GR GK HO MF。执行实验:UR GR GK。分析数据:UR GR。贡献试剂/材料/分析工具:UR GR AFS MAG AG。撰写论文:UR GR GK AFS MAG AG HO MF。

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