CT技術在評估急性缺血性腦卒中患者側支循環中的應用

王春堯，章 強，陳慧軍

(清華大學醫學院生物醫學影像研究中心，北京 100084)

·專題·

CT技術在評估急性缺血性腦卒中患者側支循環中的應用

王春堯，章 強，陳慧軍

(清華大學醫學院生物醫學影像研究中心，北京 100084)

腦側枝循環在急性缺血性腦卒中的臨床診療中非常重要，是急性缺血性腦卒中的治療方案選擇的重要依據，也能較好的預測患者的預后，因此使用影像學方法快速準確的確定缺血性腦卒中患者的側枝循環狀態至關重要，本文將系統的回顧目前臨床實踐和研究中常用的CT在缺血性腦卒中患者中評價側枝循環的各種技術及其臨床應用，包括單時相CT血管造影、多時相CT血管造影、以及CT灌注成像技術。

腦血管病小意外；側枝循環; 計算機斷層攝影術，X線計算機

陳慧軍，男，博士，副教授，現任中國卒中學會腦血流與代謝分會委員，中國老年保健醫學研究會精準醫學分會委員，美國放射學會(RSNA)量化影像生物標記物聯盟(QIBA)磁共振灌注擴散和功能成像(PDF-MRI)技術委員會委員，長期從事影像學技術研發和臨床研究，在量化成像技術和后處理技術上有豐富的研究經驗。

1 腦側支循環概述

腦側支循環是指當大腦的供血動脈嚴重狹窄或閉塞時，大腦血流借助其他血管或新生血管吻合，形成旁路，幫助血液到達腦部缺血區域，實現缺血區域的灌注代償[1]。大腦側支循環系統在腦供血中發揮著重要的代償作用，是決定急性缺血性卒中后最終梗死體積的主要因素，也是影響血管內治療和患者最終功能預后的主要因素[2]。

大腦的側枝循環一般分為3級：其一級側支循環為Willis環(大腦基底動脈環)，是腦內最重要、最主要的代償途徑，是顱內各主要動脈之間相互溝通的橋梁，可迅速使左、右大腦半球及前、后循環血流相互貫通。Willis環所連接大腦動脈主要包括大腦前動脈、大腦中動脈和大腦后動脈，其中前動脈和中動脈起始于頸內動脈，后動脈源于基底動脈；左、右腦半球前動脈之間由前交通動脈相連，大腦中動脈與后動脈之間由后交通動脈相連[3]。當Willis環中的一支動脈發生狹窄或閉塞，可通過Willis環上其他血管提供“側支循環”代償，使血液重分配，以維持腦部血液供應，對突發梗死后缺血區域和調節雙側大腦半球的血供起著重要作用[4]。因此，Willis環的結構完整性是發揮其側支循環代償能力的重要前提[2]，而普通人群中Willis環的完整率僅為42%～52%[5]。大多數缺血性腦卒中患者，由于Willis環結構本身不完整，不足以提供良好的側支循環代償，而發生梗死。大腦的二級側支循環主要包括眼動脈和一級軟腦膜側支。當 Willis 環的代償不能滿足供血需求時，一些患者的二級代償通路開始發揮作用[6]。眼動脈是重要的次級側支代償通路，可以溝通頸內動脈與頸外動脈[7-8]。如果頸內動脈在眼動脈發出之前出現慢性嚴重狹窄或閉塞，頸外動脈血流就會經眼動脈逆流以供應頸內動脈[9]。此外，大腦血管皮質支的末梢會在軟腦膜內形成廣泛的血管網，構成二級側支代償的另一通路----軟腦膜吻合支[10-11]。主要有：大腦前動脈與大腦中動脈前分支、大腦后動脈與大腦中動脈下后支的吻合，小腦后下動脈與腦膜中動脈之間的吻合等[1]。而三級側支循環為即新生血管，當次級代償仍不能滿足供血需求時，新生血管成為最終的側支代償途徑。新生血管是指通過血管發生和動脈生成產生的新生血管供血，一般在缺血數天后才能完全建立并實現血流代償[2]，是目前側支循環代償研究熱點[9]。

側支循環的建立受多種因素影響，如側支循環系統的完整性和變異性、側血管管徑、腦血管狹窄程度和狹窄速度，其他相關疾病及遺傳因素等[3]。 Willis環的完整性和變異性是影響一級側支代償的主要因素。有學者將Willis環形態分為4種類型：Ⅰ型-Willis環完整；Ⅱ型-Willis環前循環完整，后循環不完整；Ⅲ型-Willis環后循環完整，前循環不完整；Ⅳ型-Willis環前、后循環均不完整。其中，后交通動脈變異占絕大多數，表現為胚胎型大腦后動脈，發生率為25%～32%[12]。由于一級側支循環先天形成，臨床治療無法干預[10]。而對二三級循環來說，研究發現慢性動脈狹窄更有利于側支循環代償途徑的建立[13]，血管狹窄越嚴重，愈有利于激發新生血管的生成，這也與大腦長期低灌注導致多種促血管生長因子濃度增加，進而導致新生血管增多有關[3]。但缺血性卒中常見的危險因素，如高血壓、高血脂及糖尿病等會影響血管調節和內皮功能，進而阻礙三級側支循環的建立[14-15]。由此可見，患者的側支循環收到很多因素的影像，而且存在很大的個體差異性，因此在臨床實踐中，快速正確的評價患者的側支循環狀態尤為重要。

2 使用CT進行大腦側支循環的影像學評估方法

腦側支循環對缺血性腦卒中維持腦灌注發揮著重要作用，借助數字剪影血管造影(DSA)、磁共振成像(MRI)、CT等醫學影像技術，可以對卒中患者側支循環情況進行微創或者無創的定性和定量評估，有助于醫生開展個性化醫療方案，進行預后評估和卒中風險的分級。其中，CT成像技術具有無創、操作簡便、成像時間短、價格相對便宜等優點，成了大腦側支循環評估的常用手段，通常會使用CT血管造影(CTA)和CT灌注成像(CTP)等技術，可對缺血性腦卒中患者提供豐富的腦部血液動力學信息和側支循環狀況，對預測腦部再灌注情況、出血風險和功能恢復具有重要參考價值，同時對術后出血轉移風險也有很好的預警作用[16]。

2.1 傳統單時相CT血管造影(single-phase CTA) CTA是一種無創的顱內血管成像技術，通過靜脈團注碘造影劑，并使用CT在目標區域造影劑濃度達到峰值時一次連續掃描，得到增強后的單時相三維數據，該數據需要使用薄層重建，常見重建層厚為0.5～1.0 mm之間，再結合圖像后處理技術，對原始數據進行最大密度投影(MIP)或者三維體重建(VR)，可以從多個角度顯示血管結構，較準確的評價血管狹窄程度和側支循環情況[1]，常用于評價一、二級側支循環。

單時相CTA在評估Willis環的解剖變異時準確性較高(敏感性和特異性均大于90%)，但在描述發育不良的結構時存在一定局限性(敏感性52.6%，特異性98.2%)[17]。多項研究表明，CTA技術在評價側支循環完整性和軟腦膜側支結構方面具有重要的臨床參考價值。有研究發現，使用單時相CTA評價的具有較好側支循環的患者，其美國國立衛生研究院卒中量表(National Institute of Health Stroke Scale， NIHSS)分數明顯低于代償較差組，最終梗死面積和梗死擴大也明顯小于較差組[18-20]。劉蓉等[21]回顧性分析60例大腦中動脈M1段閉塞的患者，利用CTA評估側支循環，證明大腦中動脈M1段閉塞后可運用CTA側支循環評分對最終梗死體積進行簡單量化評估，對臨床治療及預后有參考價值。Miteff等[19]利用CTA技術對92例患者腦側支循環狀況的評估結果顯示，較好的側支循環狀況與減小的梗死面積和較好的功能預后具有顯著相關性，側支狀況可作為預測預后恢復的顯著指標。

然而傳統的單時相CTA在側支循環評估方面有一定的局限性。主要是，單時相CTA只能顯示對比增強峰值時期的一個時相結果，而不能提供豐富的血流動力學信息。由于側支循環代償是通過側支血管供血，因此，一般通過側支循環供給腦區的造影劑峰值時間會晚于正常供血的腦區，特別是對于通過二、三級側支循環供血的腦區而言。而且由于個體的側支狀況、心功能等參數存在很大的不同，藥物峰值時間個體差異較大，在實際臨床掃描中很難準確獲得。這些原因導致傳統單時相CTA的掃描時間點很容易錯過通過側支循環供血的腦區的造影劑峰值時間，從而造成對側支循環代償的低估[22]。

2.2 多時相CT血管造影(multi-phase CTA，MP-CTA) 近年來，為了克服傳統單時相CTA在評估側支循環上的缺點，有研究者提出了新的MP-CTA，并在各種臨床研究和實踐中逐步推廣，在評價缺血性腦卒中的側支循環方面前景廣闊。

相比于傳統單時相CTA，MP-CTA的主要技術改進就是在多個時間點都獲取CTA數據，除了傳統的動脈峰值期，還會采集靜脈峰值期和靜脈峰值末期的CTA圖像[22]。其中的關鍵掃描技術，是在保證CTA所需的空間分辨率和全腦覆蓋范圍的情況下，滿足多時相采集所需的時間分辨率。因此，需要CT掃描儀的探測器達到一定的寬度。目前臨床使用的多種CT掃描儀，由于它們的CT探測器寬度不同，衍生出多種可以用于MP-CT的掃描技術[23]，包括多層同時技術(toggling-table technique)、搖籃床模式(shuttle mode)和容積掃描模式(volume mode)等。其中，多層同時技術和搖籃床模式都是在CT探測器寬度不夠覆蓋全腦的情況下，通過掃描床的移動(螺旋掃描)來達到全腦覆蓋，但所需掃描時間相對較長，因此對探測器寬度也有一定要求，一般不低于64排的CT掃描儀可以達到所需的時間分辨率[22]。然而，移床有可能帶來圖像偽影和偏移等問題[23]。相對而言，容積掃描模式最為先進，但對掃描儀的探測器寬度要求較高，目前只有少數CT掃描儀具備寬度足以覆蓋全腦尺寸的掃描器，不需要通過搖床等技術達到。更重要的是，通過這種掃描方式可以以非常高的時間分辨率(≤2 s)進行MP-CTA的采集，獲得更多時項的CTA圖像，也被稱為4D-CTA，其高時間分辨率甚至可以滿足CT灌注成像(CTP)的要求，也就是一次掃描實現4D-CTA和CTP的同時采集。MP-CTA的放射性計量也是臨床關注的熱點問題，雖然單次時相采集時輻射劑量小于傳統CTA，但MP-CTA多時相掃描期間的累計輻射劑量還是顯著高于傳統CTA[24]。使用具有寬探測器和先進重建技術的CT掃描儀可以顯著降低MP-CTA的輻射劑量。

在臨床研究上，相比傳統單時相CTA技術，MP-CTA可以更好的評估血栓負荷和發現側支循環以及再生血管。Smit等[25]對40例急性缺血性卒中患者側支循環情況打分發現，相比傳統單時相CTA，利用MP-CTA技術打分的側支循環優良率為84%的，顯著高于單時相CTA側支循環優良的49%，證明了傳統單時相CTA無法準確抓到造影劑峰值所帶來的側支循環低估。Menon等[22]對147例患者研究證實，在預測缺血性卒中的預后方面，MP-CTA評價的側支循環狀態顯示出了出色的可重復性，而且相比與單時相CTA，MP-CTA有更好的ROC曲線。Flores等[26]也證實利用MP-CTA技術評估的側支循環好壞可以獨立預測再灌注療法后惡性大腦中動脈發展情況。Kim等[27]的研究證明，多時相CT技術在預測卒中患者側支循環血流方面，顯示出了和DSA類似的結果，有望成為預測急性缺血性卒中患者側支狀況的新方法。

2.3 CTP CTP可對大腦血流灌注情況進行快速的定量和定性評估，其基本原理是在注射造影劑的情況下，通過動態多時項的圖像采集記錄造影劑進入大腦的過程，再通過對造影劑進入的過程進行數學建模，可計算出一些腦血流參數，進而定量評估腦血流動態灌注情況[28]。CTP可反映腦側支循環、梗死核心區以及缺血半暗帶的相關信息。不同于CTA，CTP可以反映出三級側支循環，因此，目前大部分的研究都是CTP結合CTA，互補兩者的優缺點，更加全面的評估腦側支循環。

CTP成像一般與CTA一樣使用常見的CT碘造影劑，并通過團注的方式通過靜脈注射給藥[28]。CTP的多時相采集有多種方案[22，29]，一般要求為每個時項的時間分辨率為1～3 s，總采集時間為50～60 s，采集的時項需要覆蓋到造影劑還沒有進入目標腦區、進入和輸出的整個過程。不同于CTA，CTP成像由于需要進行模型分析，對時間分辨率的要求很高；而為了提高分析的穩定性，對圖像的信噪比要求較高，因此薄層重建不常見，而5 mm層厚重建較為常見；在進行腦側支循環評估時，由于主要目標是大腦的缺血區域，并不需要看一二級側支，因此不需要覆蓋全腦。一般探測器不低于64排的CT可以進行CTP的掃描，而前述的寬探測器4D-CTA掃描模式可以實現一次掃描實現4D-CTA和CTP的同時采集，可最小化輻射劑量并獲得豐富的信息。CTP的分析技術主要包括最大斜率法和解卷積法[30]，其中解卷積法有多種算法，如，奇異值分解(SVD)、反相濾波法、調制傳遞函數法等，最終可得到的參數主要為腦血流量(CBF)、腦血容量(CBV)、到達峰值時間(TTP)和平均通過時間(MTT)等反應腦血流的參數。

在臨床研究中，Cortijo等[31]的研究結果證實，較高的相對腦血容量(rCBV)對應較好的側支循環代償，并有可能顯示在急性大腦中動脈缺血性卒中的持續性危險組織的耐受性。Wintermark等[32]的研究證實了CTP是區分卒中梗死組織和半暗帶的重要手段，通過合適的溶栓治療，半暗帶區域有可能得到恢復[33]；而梗死區域無法通過再灌注得到恢復，并在溶栓治療后有可能增加腦出血風險[34]。對于腦灌注參數評估，一般認為梗塞危險區呈現CBF下降、CBV正?；蛏吆蚆TT升高；而梗死區則呈現CBF和CBV的同時下降以及MTT的升高[32，35]。湯文琴等[36]對46例單側MCA閉塞者進行CTA和CTP聯合掃描，結果顯示，相比健康側，患側MCA供血區TTP明顯延長，CBV、CBF略升高，MTT略延長，側支豐富組CBV、CBF、TTP均高于側支減少組，MTT低于側支減少組；證明豐富的側支循環可以有效改善閉塞MCA遠端缺血區腦組織血流灌注。林盛東等[37]的類似研究結果同樣證實：急性缺血性卒中患者中有側支循環者腦灌注代償率高，而且其腦血容量和腦血流量均高于無側支循環者。

側支循環作為腦循環重要代償機制之一，在臨床上正確評價缺血性卒中患者的側支循環對于治療方案的選擇和預后評估發揮著重要作用[2， 12]。CT成像技術，包括CTA和CTP，可以在臨床上進行及時的影像學檢查，并可在短時間內評估患者的側支循環狀況，具有重要的臨床意義。

[1] 李乾露， 楊德雨，劉波，等.腦供血側支循環的影像學評估[J]. 中國卒中雜志，2015，10(2): 175-180.

[2] 黃家星， 林文華，劉麗萍，等.缺血性卒中側支循環評估與干預中國專家共識[J]. 中國卒中雜志， 2013，8(7): 285-293.

[3] Liebeskind DS.Collateral circulation[J]. Stroke， 2003，34(9): 2279-2284.

[4] 吳江. 神經病學[M].2版.北京：人民衛生出版社，2010: 152-158.

[5] Okahara M，Kiyosue H， Mori H，et al. Anatomic variations of the cerebral arteries and their embryology: a pictorial review[J]. Euro Radiol，2002，12(10): 2548-2561.

[6] Lee RM. Morphology of cerebral arteries[J]. Pharmacol Ther， 1995，66(1): 149-173.

[7] 王富鑫，李龍宣. 腦側支循環與缺血性腦卒中[J]. 國際神經病學神經外科學雜志， 2015，42(1): 77-80.

[8] 群森，吳君倉. 腦側支循環與缺血性卒中的研究進展[J]. 中華腦科疾病與康復雜志:電子版， 2016，6(2): 93-96.

[9] 王雁，孫曉明，張晨.缺血性腦卒中與側支循環[J]. 臨床神經病學雜志，2011，24(2): 158-159.

[10] 杜鵑，趙紅如. 腦側支循環與缺血性卒中[J]. 國際腦血管病雜志，2012，20(9): 701-705.

[11] Christoforidis GA，Mohammad Y， Kehagias D， et al.Angiographic assessment of pial collaterals as a prognostic indicator following intra-arterial thrombolysis for acute ischemic stroke[J]. Am J Neuroradiol， 2005，26(7): 1789-1797.

[12] Romero JR，Pikula A， Nguyen TN，et al. Cerebral collateral circulation in carotid artery disease[J]. Curr Cardiol Rev，2009，5(4): 279-288.

[13] Kitagawa K，Yagita Y， Sasaki T，et al. Chronic mild reduction of cerebral perfusion pressure induces ischemic tolerance in focal cerebral ischemia[J]. Stroke， 2005，36(10): 2270-2274.

[14] Iadecola C，Davisson RL.Hypertension and cerebrovascular dysfunction[J]. Cell Metab，2008，7(6): 476-484.

[15] Omura-Matsuoka E，Yagita Y， Sasaki T，et al. Hypertension impairs leptomeningeal collateral growth after common carotid artery occlusion: restoration by antihypertensive treatment[J]. J Neurosci Res，2011，89(1): 108-116.

[16] Lin M，Liebeskind D. Imaging of ischemic stroke[J]. Continuum (Minneap Minn)， 2016，22(5，Neuroimaging): 1399-1423.

[17] Hoksbergen AW，Fülesdi B， Legemate DA，et al. Collateral configuration of the circle of willis. Transcranial color-coded duplex ultrasonography and comparison with postmortem anatomy[J]. Stroke， 2000，31(6): 1346-1351.

[18] Tan IY，Demchuk AM， Hopyan J，et al. CT Angiography clot burden score and collateral score: correlation with clinical and radiologic outcomes in acute middle cerebral artery infarct[J]. Am J Neuroradiol，2009，30(3): 525-531.

[19] Miteff F，Levi CR， Bateman GA，et al. The independent predictive utility of computed tomography angiographic collateral status in acute ischaemic stroke[J]. Brain， 2009，132(8): 2231-2238.

[20] Angermaier A，Langner S， Kirsch M，et al. CT-angiographic collateralization predicts final infarct volume after intra-arterial thrombolysis for acute anterior circulation ischemic stroke[J]. Cerebrovasc Dis，2011，31(2): 177-184.

[21] 劉蓉，朱江濤，龔建平，等.利用CTA的側支循環評分預測大腦中動脈M1段閉塞后腦梗死體積及分布情況[J]. 放射學實踐， 2016，31(10): 919-923.

[22] Menon BK，d′Esterre CD， Qazi EM，et al. Multiphase CT angiography: a new tool for the imaging triage of patients with acute ischemic stroke[J]. Radiol，2015，275(2): 510-520.

[23] Kortman HG，Smit EJ， Oei MT，et al. 4D-CTA in neurovascular disease: a review[J]. Am J Neuroradiol，2015，36(6): 1026-1033.

[24] Yang CY， Chen YF， Lee CW，et al. Multiphase CT angiography versus single-phase CT angiography: comparison of image quality and radiation dose[J]. Am J Neuroradiol，2008，29(7): 1288-1295.

[25] Smit EJ，Vonken EJ，van Seeters ST， et al. Timing-invariant imaging of collateral vessels in acute ischemic stroke[J]. Stroke， 2013，44(8): 2194-2199.

[26] Flores A，Seró L，Rubiera M. Response to letter regarding “poor collateral circulation assessed by multiphase computed tomographic angiography predicts malignant middle cerebral artery evolution after reperfusion therapies”[J]. Stroke， 2015，46(11): 3149-3153.

[27] Kim SJ，Noh HJ，Yoon CW，et al. Multiphasic perfusion computed tomography as a predictor of collateral flow in acute ischemic stroke: comparison with digital subtraction angiography[J]. Eur Neurol， 2012，67(4): 252-255.

[28] Hoeffner EG，Case I， Jain R，et al. Cerebral perfusion CT: technique and clinical applications[J]. Radiology， 2004，231(3): 632-644.

[29] Moraff A， Heit J， Wintermark M. Stroke/cerebral perfusion CT: technique and clinical applications// Medical radiology[M]. Berlin: Springer， 2017: 1-11.

[30] Kudo K，Sasaki M， Yamada K， et al. Differences in CT perfusion maps generated by different commercial software: quantitative analysis by using identical source data of acute stroke patients[J]. Radiol， 2010，254(1): 200-209.

[31] Cortijo E，Calleja AI，García-Bermejo P，et al. Relative cerebral blood volume as a marker of durable tissue-at-risk viability in hyperacute ischemic stroke[J]. Stroke， 2014，45(1): 113-118.

[32] Wintermark M，Maeder P， Thiran JP，et al. Quantitative assessment of regional cerebral blood flows by perfusion CT studies at low injection rates: a critical review of the underlying theoretical models[J]. Eur Radiol， 2001，11(7): 1220-1230.

[33] Shetty SK，Lev MH. CT perfusion in acute stroke[J]. Neuroimag Clin N Am， 2005，15(3): 481-501.

[34] Koenig M，Klotz E， Luka B，et al. Perfusion CT of the brain: diagnostic approach for early detection of ischemic stroke[J]. Radiol， 1998，209(1): 85-93.

[35] Nabavi DG，Cenic A， Craen RA，et al. CT Assessment of cerebral perfusion: experimental validation and initial clinical experience[J]. Radiol， 1999，213(1): 141-149.

[36] 湯文琴， 黎紅華，陳信堅，等. 大腦中動脈閉塞患者側支循環與腦灌注研究[J]. 中風與神經疾病， 2016，33(6): 517-520.

[37] 林盛東， 黎紅華，陳信堅，等. 大腦中動脈狹窄或閉塞患者側支循環320排計算機斷層掃描血管成像聯合腦灌注成像研究[J]. 中國卒中雜志， 2015，10(1): 56-60.

讀者·作者·編者

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例1：期刊：[序號] 作者姓名( 列出前3 位作者，余者加“等”)。題名[文獻類型標志]?？? 外文期刊可縮寫)，出版年，卷號(期號)：起止頁碼。

[1] 崔煒.2015心血管病學重要臨床進展[J].臨床薈萃，2016，31(2)：123-130.

[2] Zeng Z， Xu W， Jia L，et al. Clinical outcomes of single-level minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion with tube work channel system[J]. Zhonghua Yi Xue Za Zhi，2016 ，96(11):874-878.

例2：專著：[序號] 作者姓名( 列出前3 位作者，余者加"等")。書名[文獻類型標志].版本(第1版不標注).出版地：出版者，出版年：起止頁碼.

[1] 何禮贊. 實用內科學[M].14 版. 北京：人民衛生出版社，2013:1775.

(本刊編輯部)

CT in evaluating cerebral collateral circulation of acute ischemic stroke patients

Wang Chunrao， Zhang Qiang， Chen Huijun
CenterofBiologicalMedicalImage，MedicalSchool，TsinghuaUniversity，Beijing100034，China

ChenHuijun，Email:chenhj_cbir@mail.tsinghua.edu.cn

Cerebral collateral circulation is important in the treatment of acute ischemic stroke. Collateral circulation is a major aspect that physicians would consider to decide the treatment of acute ischemic stroke and a good indicator of patient prognosis. Thus， it is important to accurately evaluate collateral circulation of acute ischemic stroke patients. This paper will review the techniques and clinical applications of CT in collateral circulation assessment， including single-phase CT angiography， multi-phase CTA， and CT perfusion.

cerebrovascular disorders; collateral circulation; tomography， X-ray computed

陳慧軍，Email: chenhj_cbir@mail.tsinghua.edu.cn

R743.3

A

1004-583X(2017)09-0747-05

10.3969/j.issn.1004-583X.2017.09.003

2017-08-14 編輯:武峪峰