第六章:心脏动脉粥样硬化的定量磁共振分析
书名:Multi-Modality Atherosclerosis (多模态动脉粥样硬化成像与诊断)
作者:Saba 等
出版年份:2013年
章节:第六章 — 定量磁共振分析在心脏疾病评估中的应用
原作者:Erica Maffei, Giancarlo Messalli, Cesare Mantini, Teresa Arcadi, Chiara Martini, Massimo Imbriaco, Filippo Cademartiri
第一节:章节概述
本章系统阐述了心脏磁共振(Cardiac Magnetic Resonance, CMR)在心血管疾病定量评估中的核心技术方法与应用价值。心血管疾病的精确诊断需要对形态学和功能学进行全面评估,而CMR提供了多种采集技术,能够对全心及局部心室功能、血流、心肌灌注(静息态与负荷态)、坏死及瘢痕心肌以及心脏铁负荷进行精准且可重复的定量评估。
本章共分为七个主要部分,涵盖了CMR在心脏影像学评估中的核心应用领域。第一部分介绍全心室功能的定量评估方法,包括左、右心室容积、射血分数及心肌质量的测量;第二部分阐述局部心室功能的评估技术,如心肌壁厚度、收缩期壁增厚及圆周/纵向运动分析;第三部分探讨心脏及大血管血流的定量评估,重点介绍相位对比(Phase Contrast, PC)序列的应用;第四部分讨论静息态与负荷态心肌灌注的评估方法;第五部分介绍坏死及瘢痕心肌的延迟强化CMR(Delayed Enhancement CMR, DE-CMR)分析技术;第六部分阐述组织铁负荷的定量评估;最后一部分对全文进行总结并展望未来发展方向。
全章内容以临床应用为导向,紧密结合最新硬件进展与自动化分析软件的发展成果,展示了CMR技术在心血管疾病诊断、治疗决策及预后评估中的重要临床价值。
第二节:关键问题与研究动机
2.1 核心科学问题
本章围绕以下五个关键科学问题展开深入讨论:
问题一:如何实现心室功能的精准定量评估?
心血管疾病严重程度评估、病变进展追踪、治疗方案选择、手术时机把控以及患者预后分层均依赖于对左、右心室容积、射血分数(Ejection Fraction, EF)及心肌质量的精准定量分析。传统影像学方法(如超声心动图)受限于几何假设和操作者主观性,难以提供足够精准的测量结果。因此,需要一种准确、可重复且独立于几何模型的三维定量评估方法。
问题二:局部心室功能障碍如何定量表征?
不同心室区域对整体心室功能的贡献程度存在差异,准确评估局部功能对于理解心肌缺血、梗死及心肌病等病理状态至关重要。局部心室功能的定量参数包括心肌壁厚度、收缩期壁增厚、圆周缩短及纵向缩短等。这些参数的精准测量对于心肌活力评估和预后判断具有重要临床意义。
问题三:心内及大血管血流如何精确量化?
反流性心脏瓣膜病(如二尖瓣返流、主动脉瓣返流)的定量化诊断需要精确测量反流量及反流分数。相位对比磁共振成像(PC-MRI)能够在不使用对比剂的情况下精确测量血流速度与流量,为心血管血流动力学评估提供了可靠的无创性检查手段。
问题四:心肌灌注缺损如何早期检测与定量化?
冠状动脉疾病(Coronary Artery Disease, CAD)的功能学评估需要在负荷条件下测量冠状动脉血流储备(Coronary Flow Reserve, CFR)或心肌灌注储备指数(Myocardial Perfusion Reserve Index, MPRI)。与核医学显像技术相比,心肌CMR灌注成像具有无电离辐射、空间分辨率更高、可分析心肌血流跨壁差异等显著优势。
问题五:心肌活力与瘢痕组织如何精准识别与定量?
存活心肌与坏死/瘢痕心肌的准确区分对于缺血性心脏病患者的血运重建决策至关重要。延迟强化CMR技术能够清晰显示心肌坏死的范围与透壁程度,为心肌活力评估、治疗方案制定及预后判断提供重要参考。
2.2 研究动机与临床需求
心血管疾病是全球首位致死病因,其精准诊断与评估对于改善患者预后、降低医疗负担具有重要意义。本章的研究动机源于以下几方面临床需求:
首先,临床实践迫切需要客观、准确的定量评估指标来指导心血管疾病的诊断与治疗决策。传统的视觉评估方法存在显著的主观性和可变性,难以满足精准医学时代对客观定量指标的迫切需求。
其次,CMR硬件技术的持续进步(包括更高场强磁共振系统、更快速采集序列、多通道相控阵线圈等)与自动化/半自动化图像分析软件的快速发展,显著提高了图像质量并缩短了成像时间,使得CMR定量分析技术从科研走向临床应用成为可能。
再次,左心室EF虽是临床最常用的心功能指标,但其对局部心肌病变的敏感性较低,难以准确反映局部心肌损伤的程度。越来越多的证据表明,局部心室功能参数的定量测量(如壁增厚分析)比传统左心室EF更能预测心血管事件风险。
最后,CMR是目前唯一能够无创性定量评估心肌铁负荷的影像学技术,对于铁过载性心肌病(Iron Overload Cardiomyopathy, IOC)的早期诊断和治疗监测具有不可替代的临床价值。
第三节:主要公式与推导
3.1 全心室功能评估核心公式
全心室功能评估基于Simpson's法则(叠加法),通过对心室短轴多层图像进行逐层描记和容积积分,实现心室容积的精确测量。
每搏输出量(Stroke Volume, SV)定义为舒张末期容积(End-Diastolic Volume, EDV)与收缩末期容积(End-Systolic Volume, ESV)之差:
射血分数(Ejection Fraction, EF)定义为每搏输出量与舒张末期容积的比值,以百分比表示:
心输出量(Cardiac Output, CO)为每搏输出量与心率(Heart Rate, HR)的乘积:
左心室质量(Left Ventricular Mass, LVM)通过对心室外膜轮廓所包围的心肌体积进行积分,并乘以心肌密度(1.05 g/cm³)得到:
在临床实践中,所有心功能参数通常需要根据体表面积(Body Surface Area, BSA)进行指数化校正,以消除个体间体型差异的影响。
3.2 局部心室功能评估
局部心肌壁厚度(Wall Thickness, WT)在舒张末期和收缩末期均可测量。收缩期壁增厚(Systolic Wall Thickening, SWT)的计算公式为:
或采用相对增厚率表示:
中心线法(Centerline Method)是评估局部壁增厚的标准方法。在短轴图像上,将心肌壁沿径向等分为若干段,通过测量各段中心线在舒张末期和收缩末期的长度变化,获得局部心肌增厚数据。
3.3 血流定量评估
相位对比磁共振成像(PC-MRI)基于流动编码梯度引起的质子相位偏移来测量血流速度。通过对感兴趣区(Region of Interest, ROI)内所有像素的空间平均速度与已知面积的乘积,计算瞬时血流量:
其中 \(\bar{v}\) 为ROI内平均速度,A为ROI面积。
反流分数(Regurgitant Fraction, RF)的计算公式为:
根据反流分数可将反流严重程度分为三级:轻度(15–20%)、中度(20–40%)、重度(>40%)。
肺循环与体循环血流量比值(Qp/Qs)在正常人应为1,该比值异常提示存在心内分流:
3.4 心肌灌注评估
心肌灌注成像通过追踪静脉注射钆对比剂首次通过心肌时的信号强度(Signal Intensity, SI)变化来评估心肌血流量(Myocardial Blood Flow, MBF)。时间-信号强度曲线的主要半定量参数包括:
- 最大增强值:对比剂首次通过后心肌SI的最大增幅
- 达峰时间:SI达到最大值所需时间
- 曲线下面积:反映对比剂总量通过心肌的积分
- 初始斜率(Upslope):SI-时间曲线初始部分的斜率,反映对比剂进入心肌的速率
绝对MBF的定量测量涉及复杂的数学模型,包括水交换速率、对比剂分布容积及SI与对比剂浓度之间的关系等参数假设。
3.5 坏死/瘢痕心肌与心肌挽救指数
心肌挽救指数(Myocardial Salvage Index, MSI)定义为心肌风险区(Area at Risk, AAR)内未发生梗死的心肌比例:
梗死面积可表示为左心室质量的百分比:
第四节:关键算法与建模方法
4.1 双室功能定量分析算法
全心室功能分析的标准流程包括以下关键步骤:
数据采集:采用多层面二维平衡稳态自由进动(balanced Steady-State Free Precession, b-SSFP)电影序列,在30个心动周期时相内采集8–12层平行于房室瓣的左、右心室短轴图像(层厚8 mm,层间距2 mm)。b-SSFP序列基于T2/T1弛豫特性,血池呈高信号而心肌呈低信号,形成良好的对比度,便于心内膜边界的清晰显示。
图像后处理:在舒张末期和收缩末期时相手动或半自动描记心内膜轮廓。 trabeculations和乳头肌应包含在心腔内(肥厚型心肌病患者除外)。 Simpson's法则通过逐层叠加每层心内膜轮廓所包围的面积与层距的乘积来计算心室容积。
功能参数计算:基于EDV和ESV计算SV、EF等参数。心外膜轮廓描记用于计算心肌体积和左心室质量。
4.2 局部功能分析算法
局部心室功能分析主要采用中心线法进行壁厚度和壁增厚的定量评估。该方法的核心算法步骤如下:
- 在短轴图像上沿心内膜和心外膜轮廓绘制中心线
- 从中心线向心室壁径向发出多条等间距采样线,覆盖整个心肌
- 测量各采样线在舒张末期和收缩末期的长度
- 采样线长度即为局部壁厚度,收缩末期与舒张末期长度之差为局部壁增厚
心肌标记(Myocardial Tagging)技术是评估局部心肌变形的更先进方法。该技术在标准SSFP序列上施加垂直于图像平面的射频预脉冲,在图像上形成暗饱和线条网格。通过专用计算机算法追踪标记线交点在心动周期中的运动轨迹,定量分析心肌应变(Strain)和变形。
4.3 相位对比血流定量算法
PC-MR血流定量分析的核心算法包括:
- 在目标血管(如主动脉根部、肺动脉干)的近似垂直平面进行PC序列采集
- 每帧图像生成两组数据:幅度图像(用于解剖定位)和相位图像(像素灰度值代表该体素的速度信息)
- 在相位图像上绘制ROI,测量ROI内像素的平均速度
- 对心动周期内所有帧的瞬时血流量进行积分,得到每搏血流量
流速编码窗(Velocity Encoding, VENC)的设置需要尽量接近最大流速以减少aliasing伪影,同时保持对血流量测量的敏感性。
4.4 首过心肌灌注分析算法
首过心肌灌注分析的标准流程为:
- 在负荷(如多巴酚丁胺、潘生丁或腺苷注射)或静息条件下采集T1加权快速梯度回波序列的短轴首过图像
- 手动或自动描记心内膜和心外膜轮廓,将心肌分为6–8个节段
- 提取各节段的时间-SI曲线
- 计算半定量参数(upslope、最大增强、达峰时间等)
- 或通过定量模型计算绝对MBF(mL/min/g)
4.5 延迟强化CMR分析算法
DE-CMR分析的关键步骤包括:
- 在静脉注射钆对比剂后10–30分钟采集相位敏感反转恢复(Phase-Sensitive Inversion Recovery, PSIR)或抑制相位反转恢复(Inversion Recovery, IR)T1加权图像
- 手动或自动描记延迟强化区域(高信号区)的边界
- 计算梗死面积占心肌壁总面积或左心室质量的百分比
- 对于微血管阻塞(Microvascular Obstruction, MO),描记强化区内低信号区(暗区)
- 在T2加权图像上描记心肌风险区(AAR),计算MSI
4.6 T2*定量心肌铁负荷算法
心肌铁负荷的CMR定量评估采用多回波T2*序列:
- 在单次屏气期间采集多个回波时间(Echo Time, TE)的梯度回波图像
- 在室间隔区域绘制ROI,测量不同TE下的SI值
- 将SI值与TE进行指数衰减拟合:\(SI(TE) = SI_0 \times e^{-TE/T2*}\)
- 计算T2值,T2 < 20 ms提示存在心肌铁过载
第五节:主要结论与研究发现
5.1 全心室功能评估的临床结论
CMR已被公认为评估左、右心室容积和心肌质量的参考标准(Reference Standard),具有准确度高、可重复性好、独立于几何模型等显著优势。多项研究证实,b-SSFP序列在血池-心肌对比度方面优于传统梯度回波序列,能够更清晰地显示心内膜边界。
对于左、右心室功能的定量评估,以下参数具有重要临床意义: - EDV和ESV:反映心室容积状态 - EF:反映心室泵功能 - SV:反映每次心跳的输出量 - CO:反映全身灌注状态 - LVM:反映心肌肥厚或萎缩程度
所有参数均应报告绝对值和体表面积指数化校正值,以利于不同体型患者间的比较。
5.2 局部功能评估的主要发现
局部心室功能分析的主要结论包括:
壁厚度与壁增厚的临床意义:保留的壁厚度是慢性心肌梗死区域存活心肌的重要指标;壁增厚分析在检测功能障碍心肌方面比壁运动分析更敏感。研究表明,局部收缩功能的定量测量比左心室EF具有更好的预后判断价值。
中心线法的应用价值:该方法能够客观、定量地评估局部心肌增厚,为心肌缺血和梗死的早期诊断提供了敏感指标。
心肌标记技术的进展:心肌标记技术实现了对心肌应变的高可重复性定量评估,包括圆周应变(circumferential strain)和纵向应变(longitudinal strain),为深入理解心肌力学提供了有力工具。
5.3 血流定量评估的关键结论
PC-MR血流定量技术的主要应用价值和结论包括:
反流定量分析:PC-MR能够准确测量反流量(绝对值)和反流分数,为心脏瓣膜反流性疾病提供无创性定量评估。文献数据支持将PC-MR作为评估心室功能的参考标准。
心输出量测量:通过PC-MR测量主动脉根部或肺动脉干的血流量,可以间接评估左、右心室搏出量,二者应大致相等(Qp/Qs ≈ 1)。
分流定量:对于先天性心脏病患者,Qp/Qs比值异常能够精确定量心内分流程度,指导治疗决策。
5.4 心肌灌注评估的核心发现
心肌CMR灌注成像的主要结论:
诊断效能:Meta分析显示,定性和半定量CMR灌注成像用于冠状动脉疾病诊断的总体敏感度为91%,特异度为81%,与定量冠状动脉造影相比表现优异。
技术优势:与核医学技术相比,心肌CMR灌注成像具有以下优势: - 无电离辐射 - 空间分辨率更高,可分析心肌血流的跨壁差异(从心内膜到心外膜) - 无乳腺或肥胖相关的衰减伪影
定量MBF测量的可靠性:在健康志愿者中,CMR测量的MBF值与基于有创和无创方法(包括正电子发射断层扫描PET)发表的数据一致,血流异质性程度与PET相当。
5.5 坏死/瘢痕心肌评估的重要结论
DE-CMR技术的主要发现和临床价值:
梗死面积与预后:延迟强化的透壁程度与血运重建后功能恢复的可能性呈负相关;无延迟强化的患者功能恢复的可能性最高。研究表明,DE-CMR测量的梗死面积在预测陈旧性心肌梗死患者长期死亡风险方面优于左心室EF和收缩末期容积指数。
微血管阻塞的预后意义:合并MO的梗死患者预后较差,MO是独立于EF的预后不良预测因子。
心肌挽救指数的临床价值:CMR-derived MSI是ST段抬高型心肌梗死患者左心室不良重塑的最强预测因子,独立于MO、梗死透壁程度和基线EF等传统预后因素。
5.6 铁负荷评估的核心结论
心肌铁过载CMR评估的主要结论:
T2*技术的临床应用:CMR是唯一能够无创性定量心肌铁负荷的影像学技术。多回波T2*序列通过测量心肌信号随TE的衰减曲线,能够准确评估心肌铁过载程度。
诊断阈值:T2值 < 20 ms提示存在心肌铁过载;T2值 > 20 ms通常表示无明显心肌铁沉积。肝铁过载患者应定期进行心肌T2*评估,以早期发现IOC并进行干预治疗。
第六节:挑战与开放问题
6.1 全心室功能评估的现存挑战
尽管CMR已成为心室功能评估的参考标准,但仍存在以下挑战:
图像后处理耗时:手动描记心内膜和心外膜轮廓是一项耗时的操作,虽然自动化和半自动化软件有所进展,但在某些复杂病例(如心肌致密化不全、室壁瘤)中自动分割的准确性仍有待提高。
呼吸运动伪影:屏气能力较差的患者(如心衰晚期患者)难以获得高质量的短轴电影图像,呼吸导航技术虽有所改善但增加了扫描时间。
右心室评估的复杂性:右心室形态复杂,呈新月形,基底部与流出道不在同一平面,精确评估右心室容积仍具挑战性。
6.2 局部功能评估的技术局限
视觉评估vs定量分析:日常临床实践中,壁运动通常采用视觉评估方法,虽然简单快捷但主观性强、定量精度有限。
中心线法的标准化问题:不同研究采用的采样间隔和段数不统一,影响了研究结果的可比性。
心肌标记技术的普及障碍:心肌标记技术需要专用序列和后处理软件,目前仅在少数大型中心常规开展,其临床标准化和应用推广仍需努力。
6.3 血流定量的问题与局限
VENC设置的优化:选择合适的流速编码值是一个实际挑战。VENC设置过高会降低速度测量的精度,设置过低则可能导致aliasing伪影。
血流与心功能的相互影响:PC-MR测量的是血管截面处的流速,不能直接反映整个心动周期中心室的血流动力学变化。
三维血流的限制:2D PC-MR只能测量垂直于成像平面的血流分量,对于湍流或复杂血流(如主动脉瓣返流Jet)的定量存在固有局限。
6.4 心肌灌注成像的待解决问题
绝对MBF定量的复杂性:虽然定量MBF测量在研究中得到广泛应用,但其临床推广仍面临挑战。不同对比剂注射方案、成像序列及定量模型的选择影响了测量结果的一致性。
负荷方案的优化:不同负荷药物(腺苷、双嘧达莫、多巴酚丁胺)的效应机制和安全性特征各异,选择最佳负荷方案仍存在争议。
微血管功能障碍的评估:CMR灌注成像在评估微血管功能障碍(如X综合征)方面的价值尚需更多研究验证。
6.5 DE-CMR技术的现存问题
梗死边界的不均匀强化:部分梗死区域呈现不均匀强化(内部存在低信号区),给精确描记带来困难。
小梗死灶的检测敏感性:对于小于5%左心室质量的微小心肌梗死,DE-CMR的检测敏感性可能受限。
对比剂注射与成像时机的优化:最佳对比剂剂量、注射速率及延迟强化成像时机仍需进一步标准化。
6.6 铁负荷评估的开放问题
T2*测量的可重复性:不同扫描仪品牌、不同线圈类型之间的T2*测量一致性仍需提高。
铁过载的纵向随访:对于铁过载患者治疗效果的动态监测,最佳随访间隔和T2*变化阈值尚未统一。
心肌铁与其他组织铁的关系:心肌铁负荷与肝脏、骨髓铁负荷之间的关系复杂,部分患者可能表现为选择性心肌铁过载。
第七节:个人思考与批判性分析
7.1 作者研究方法论评析
本章内容体现了CMR技术在心血管疾病定量评估领域的系统性和前沿性。作者团队由经验丰富的放射科医师组成,紧密围绕临床实际问题展开论述,展示了基础研究向临床应用转化的清晰路径。
从方法论角度看,本章具有以下显著优点:首先,各项技术的介绍均紧密结合临床场景,强调了定量参数的临床意义和预后价值;其次,文中引用了大量文献来支持各项技术的准确性和可重复性,证据链完整;再者,对每种技术都提供了典型病例的影像学图片,便于读者直观理解;最后,各部分内容均讨论了技术局限性和未来发展方向,体现了严谨的学术态度。
然而,本章也存在一些不足之处。例如,对于某些定量技术的具体实施方案(如具体参数设置、扫描序列选择)着墨较少,可能无法满足读者直接开展相关研究的需求。此外,本章主要聚焦于技术方法的描述,对各项技术在具体心血管疾病(如不同类型心肌病、先天性心脏病)中的应用指征和诊断流程讨论不够深入。
7.2 数学模型的简化与近似
CMR定量分析涉及多种数学模型,其中许多模型基于简化假设:
Simpson's法则的层厚假设:该方法假设每层图像之间的心室结构是均匀的,层厚和层间距会影响测量精度。对于形态不规则的心室(如室壁瘤患者),该假设可能引入误差。
绝对MBF定量的复杂性假设:定量MBF模型需要假设水交换速率、对比剂分布容积及SI-浓度关系等参数,这些假设在不同患者条件下可能不成立。
T2*衰减的单指数假设:实际情况下,T2*衰减可能并非完美的单指数过程,组织中同时存在多种弛豫机制。
7.3 临床转化的启示
本章内容对临床研究实践具有重要启示:
定量评估的重要性:从主观视觉评估向客观定量测量的转变是心血管影像学发展的重要趋势。局部壁增厚的定量测量比左心室EF更能反映局部心肌功能状态,这一认识对于临床试验设计和个体化医疗具有重要意义。
多模态融合的价值:CMR在形态学和功能学评估中的综合优势使其成为心血管疾病影像学评估的核心技术之一。将CMR与CT冠状动脉造影、核医学显像等技术相结合,能够实现解剖与功能评估的完美融合。
自动化技术的发展前景:随着机器学习和人工智能技术的发展,CMR图像的自动分割和定量分析将进一步提高效率和准确性,有望将CMR定量评估推广至更广泛的临床应用场景。
7.4 对未来研究的展望
基于本章内容的分析,我认为以下几个方向值得进一步深入研究:
特征追踪技术的发展:与传统的心肌标记技术相比,基于电影图像的特征追踪(Feature Tracking)技术无需特殊序列,更便于临床推广,但其准确性和可重复性需要更多验证研究。
4D血流成像的应用:四维相位对比磁共振(4D Flow MRI)能够全面评估三维血流的时空调控,有望克服2D PC-MR的固有局限,但数据量大、后处理复杂是其临床应用的主要障碍。
对比剂-free灌注成像:利用动脉自旋标记(Arterial Spin Labeling, ASL)技术进行无对比剂心肌灌注成像,将消除对比剂相关风险(如NSF风险、肾功能限制),具有重要临床价值。
CMR与分子影像的结合:将CMR解剖/功能成像与靶向对比剂(如纤维化靶向对比剂、炎症靶向对比剂)的分子影像技术相结合,有望实现心血管疾病的更早期、更精准诊断。
公式汇总
| # | 名称 | 形式 | 物理意义 | 类型 |
|---|---|---|---|---|
| (6.1) | 每搏输出量 | \(SV = EDV - ESV\) | 舒张末期容积减去收缩末期容积,反映每次心跳的泵血量 | (T) |
| (6.2) | 射血分数 | \(EF = \frac{SV}{EDV} \times 100\) | 每搏输出量占舒张末期容积的百分比,反映心室泵功能 | (T) |
| (6.3) | 心输出量 | \(CO = SV \times HR\) | 单位时间内心室的泵血总量,反映全身灌注状态 | (T) |
| (6.4) | 收缩期壁增厚 | \(SWT = WT_{systole} - WT_{diastole}\) | 收缩末期与舒张末期壁厚度之差,反映局部心肌收缩功能 | (T) |
| (6.5) | 瞬时血流量 | \(Q = \bar{v} \times A\) | ROI内平均速度与面积的乘积,反映即时血流状态 | (T) |
| (6.6) | 反流分数 | \(RF = \frac{\text{反流量}}{\text{前向血流量}} \times 100\) | 反流量占前向血流量的百分比,评估瓣膜反流严重程度 | (T) |
| (6.7) | 肺体循环血流量比值 | \(\frac{Q_p}{Q_s} = \frac{\text{肺动脉血流量}}{\text{主动脉血流量}}\) | 评估心内是否存在分流,正常值为1 | (T) |
| (6.8) | 心肌挽救指数 | \(MSI = \frac{AAR - \text{梗死面积}}{AAR} \times 100\) | 心肌风险区内心肌挽救的比例,评估再灌注治疗效果 | (E) |
| (6.9) | 左心室质量 | \(LVM = \text{心肌体积} \times 1.05\) | 心肌体积乘以心肌密度,反映心肌总量 | (T) |
| (6.10) | 梗死面积百分比 | \(\text{梗死面积}\% = \frac{\text{梗死体积} \times 1.05}{LVM} \times 100\) | 梗死质量占左心室质量的百分比,评估梗死范围 | (T) |
注:(T)=理论推导公式,(E)=经验公式
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本章笔记完成日期:2026年5月11日
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