慢性頸內動脈閉塞患者血管斑塊和腦血流動力學評估的MRI研究新進展

梁冬玲, 馮汝靜, 鄧德茂

慢性頸內動脈閉塞(chronic internal carotid artery occlusion,CICAO)是指頸內動脈閉塞時間>4周的一種血管疾病[1],是缺血性卒中的常見原因之一[2]。研究報道即使接受最佳藥物治療和危險因素得到良好控制,1年中CICAO導致中風的風險仍接近7%[3]。血管內再通術是一種有效治療CICAO的介入手術,術前血管斑塊及腦血流動力學評估與手術指征、手術成功率及術后并發癥密切相關。MRI是目前用于頸內動脈血管斑塊和腦血流動力學評估的最佳手段,但磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)序列眾多且發展迅速,有必要對近年來的研究進展進行綜述。

1 CICAO患者的血管(斑塊及血栓、閉塞殘端類型、閉塞范圍)評估

血管斑塊是CICAO最主要的初期病理形式,即使斑塊達不到血管閉塞或腦灌注障礙程度,但斑塊的易損性足以造成急性缺血的嚴重后果,故血管斑塊的易損性評估非常重要。易損性斑塊特征有:斑塊內出血(intraplaque hemorrhage,IPH)、富含脂質壞死核心(lipid-rich necrotic core,LRNC)、纖維帽(fiber cap,FC)薄或破裂、斑塊表面鈣化結節及潰瘍、斑塊炎癥等[4]。血管再通術是治療CICAO的主要方法,可使缺血性腦卒中的發生概率降低80%[5]。介入導絲穿過閉塞處并進入真腔及放置保護裝置,是手術成功的關鍵[6]。而閉塞殘端類型及其血栓的新舊則是影響導絲通過的關鍵因素。Hasan等[7]研究表明,斑塊的位置可能與殘端類型有關,而近端有殘腔的A型和B型比無殘腔的C型和D型更適合于再通術,且導絲更容易穿過真腔;閉塞節段長度<5 cm者,再通術成功率為100%,較長者,成功率降為50%,延伸至顱內者,再通效果不佳;近端或遠端栓塞保護裝置可以避免術中栓子脫落,但要求遠端血管直徑>3 mm[8],故有效評價閉塞遠端血管管徑亦是保障血管再通術成功的必要方法。目前用于評估CICAO患者上述血管情況的MRI序列主要有以下幾種:

1.1磁共振血管成像(magnetic resonance angiography,MRA)序列 MRA常用的方法有3種:(1)相位對比法MRA(phase contrast MRA,PC-MRA)因無法確定流速編碼而不適用于CICAO患者;(2)對比增強法MRA(contrast enhancement MRA,CE-MRA)成像速度快,但其與注射法灌注成像或T1WI-CE有沖突,使用受限;(3)時間飛越法MRA(time-of-flight MRA,TOF-MRA)利用流入性增強效應成像,能顯示斑塊的輪廓及閉塞處的形態,用于觀察與測量狹窄程度、狹窄長度、管腔直徑等,較好顯示血管樹,可對閉塞形態進行分型,缺點是有可能高估閉塞程度[9],也不能顯示斑塊的內部結構。與PC-MRA和CE-MRA相比,TOF-MRA更適用于CICAO患者。

1.2可變翻轉角快速自旋回波(sampling perfection with application optimized contrast using different flip angle evolutions,SPACE)序列 SPACE序列的特點是利用流空效應達到黑血效果,信噪比穩定,可獲得軟組織對比度高的T1WI、T2WI、質子密度加權像(proton density-weighted imaging,PDWI)圖像,利于斑塊成像分析。離體標本成像研究顯示,3T高分辨率多對比MRI可以識別斑塊信號強度,LRNC與FC的對比度在T2WI最強,在PDWI序列上次之,而在T1WI上對比度較差,鈣化信號強度在T2WI、PDWI和T1WI圖像上最低[10],離體標本經脫水和蛋白質降解后由于成分與活體內斑塊不同,對臨床應用具有一定的參考意義。有文獻表明,T1-SPACE能夠更好區分壞死組織、出血、纖維組織等成分信號[11]。然而,SPACE必須經過多次掃描才獲得多種對比圖像,同時需注射對比劑才能獲得斑塊炎癥血管的高信號,而PDWI則不能實現對比增強[12],所以在SPACE序列實際應用中以T1WI為主,無需施加壓脂技術[13],結合壓縮感知技術可以大大縮短掃描時間[14]。SPACE序列因存在回波鏈,組織邊界銳利度低,需要其他成像序列來補充。

1.3磁化準備快速梯度回波(magnetization prepared rapid acquisition gradient echo imaging,MPRAGE)序列 MPRAGE序列的特點是利用反轉恢復脈沖來抑制血液信號達到黑血效果,其圖像組織邊界清晰度優于SPACE序列,有利于斑塊輪廓及閉塞形態的顯示與測量。有文獻表明,MPRAGE圖像在評估頸動脈硬化區域方面具有較高的可靠性[15],尤其是對閉塞起始部位形態診斷與數字減影血管造影(digital subtraction angiography,DSA)結果有較高的一致性[16],能夠準確診斷閉塞的形態學特征,包括斑塊表面潰瘍范圍和表面結節數量。但MPRAGE對斑塊內部結構的分辨率較差,特別是在細長殘余管腔及鈣化灶方面的識別效果不佳[17]。IPH的降解物高鐵血紅蛋白能縮短T1值,易被梯度回波序列檢測到,因此MPRAGE對IPH的敏感性優于SPACE序列[18]。有研究表明在MPRAGE或SPACE序列上,IPH信號強度比(signal intensity ratio,SIR)與同側急性缺血之間沒有直接聯系[19]。與之相反,另一項研究認為IPH的SIR與急性腦梗死相關[20],但是IPH的SIR與急性腦梗死之間的聯系機制尚不清楚,可能受年齡因素影響,也可能是IPH影像包含了IPH和LRNC兩種信號。今后的研究中需要在IPH和LRNC兩種高信號中進一步區分其影響。

1.4同步非對比血管造影和斑塊內出血(simultaneous non-contrast angiography and intraplaque hemorrhage,SNAP)序列 SNAP序列屬于梯度回波序列,適用于出血信號檢測。SNAP對IPH的檢測比MPRAGE更敏感,有報道稱SNAP對IPH的評估無需增加額外的序列[21]。與MPRAGE相比,SNAP的影像表現與組織學的較為一致,特別是微小的IPH變化,是一種新型、有效識別IPH的工具[22]。此外,SNAP還可以用于IPH的定量分析。Qi等[23]通過使用3D黃金角徑向k空間采樣擴展了SNAP技術,開發出3D血管壁T1 mapping序列,在此基礎上提出一種定量T1標測技術,用于表征IPH和監測其變化。

綜上,MPRAGE與SNAP圖像的組織邊界清晰度優于SPACE,適用于閉塞形態的顯示與測量,但對斑塊成分的識別不如SPACE。在識別IPH方面,MPRAGE與SNAP較SPACE有優勢,SNAP更佳,但兩個序列在血液抑制方面有待提高,對LRNC和鈣化的診斷效果有限?？衫枚看呕蕡D(quantitative susceptibility mapping,QSM)區分IPH、LRNC、鈣化,識別易損性斑塊[24]。

2 CICAO患者的腦血流動力學評估

CICAO的腦血流動學變化包含側支循環代償和腦血管儲備(cerebrovascular reserve,CVR)兩方面。側支循環代償是腦組織在缺血狀態下,通過開放旁路血管給缺血腦組織供血的能力。CVR也叫血管反應性,是指在缺血狀態下,機體通過自身調節使小動脈和毛細血管擴張或收縮,維持腦血流的穩定。分為4期:一期為側支循環儲備期,腦血流量(cerebral blood flow,CBF)、腦血容量(cerebral blood volume,CBV)、氧攝取分數(oxygen extraction fraction,OEF)正常;二期為腦血流儲備期,灌注壓(cerebral perfusion pressure,CPP)、CBF、OEF正常,而CBV升高;三期為腦代謝儲備期,大腦自身調節能力耗盡,CBF下降,而CBV、OEF上升,在MRI圖像上表現為半暗帶;四期為腦梗死期,CPP持續下降,CBF、CBV下降,而OEF進一步升高,在MRI圖像上表現為梗死核心區[25]。目前用于評估腦血流動力學序列分述如下:

2.1灌注加權成像(perfusion-weighted imaging,PWI)序列 PWI是獲得CBV、CBF、平均通過時間(mean transit time,MTT)、達峰時間(time to peak,TTP)等毛細血管灌注參數的一種成像技術,適用于無創評估CVR。PWI分為動態磁敏感對比(dynamic susceptibility contrast,DSC)和動脈自旋標記(arterial spin labeling,ASL)兩種。其中DSC是通過靜脈注射外源性對比劑,用快速成像序列檢測得T2*衰減的時間-信號曲線,再經后處理計算出灌注參數的一種成像技術,是最早應用于腦灌注評估的成像方法。Songsaeng等[26]用DSC和血氣水平依賴成像(blood oxygen level-dependent,BOLD)評估CBF,其研究結果表明基于DSC和CVR變化的治療方案對高風險CICAO有效,但預測復發性缺血性梗死的發生率尚不明確。DSC優點是信噪比穩定,組織結構成像清晰,可定量分析,但需注射對比劑,不適用于腎功能不全患者。ASL通過用射頻脈沖對血液進行標記,將血液用作內源性對比劑,不需要外源性對比劑,可適用于腎功能不全患者。早期研究表明,ASL可以用于評估超急性缺血患者,得出的PWI/擴散加權成像(diffusion-weighted imaging,DWI)不匹配與DSC相當[27],然而標記后延遲時間(post-label delay,PLD)值不同,則CBF值也不同:當PLD<動脈傳遞時間(arterial transmit time,ATT)時,CBF被低估,出現動脈通過偽影(arterial transit artifact,ATA)。因此,在評估血液延遲流入大腦,應注意ATA導致低估腦灌注,夸大半暗帶。然而,有研究表明ATA的出現提示側支循環開放,在遠端軟腦膜側支循環評估結果與DSA相一致[28]。原因是側支循環血管流速較慢,延遲到達相應的血管分布區域,在ASL上表現為高信號。也有學者利用ATA評估CICAO患者近期癥狀及預后的關系,區分癥狀性和無癥狀性狹窄,結果表明ATA與頸動脈狹窄患者近期出現缺血癥狀相關[29]。

2.2BOLD序列 BOLD最早是在1990年由Ogawa等[30]提出,可反映局部腦組織氧代謝,通過可逆性橫向弛豫率測量可得到腦感興趣區域OEF值,獲得腦灌注信息。韓建秀等[31]研究結果表明,TTP與BOLD信號延遲的相關性最高,BOLD信號延遲可以評估缺血性腦卒中患者的灌注結果。Little等[32]基于大鼠模型的研究結果表明,在評估半暗帶方面,DWI-OEF不匹配比DWI-CBF不匹配更準確?？赡艿脑蚴腔贐OLD得出的OEF值不受水腫或炎癥因素干擾,說明BOLD在半暗帶的界定有臨床應用價值。Khalil等[33]研究表明再通術前后的病變區中BOLD延遲與TTP有較高的一致性,BOLD可以無創監測腦血流動力學的縱向變化。與DSC相比,BOLD不需要對比劑,評估半暗帶效果也較佳,有可能成為DSC的替代方案,但BOLD容易受自發性神經元活動、頭部運動、呼吸和心功能、血液CO2的波動影響。

2.3體素內不相干運動成像(intravoxel incoherent motion,IVIM)序列與彌散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)序列 IVIM概念最早由Le Bihan[34]提出,用來解釋毛細血管中血流的運動,稱為偽擴散運動,其代表水分子在血管中的灌注。標準的IVIM是一個雙e指數模型,同時考慮了細胞間隙中水分子的布朗運動和血管中水分子的灌注,其參數有真彌散系數(D)、假彌散系數(D*)和灌注分數(f)。IVIM參數與PWI參數有較好的相關性,一項前瞻性研究表明,IVIM的fD*和PWI的CBF顯示出很好的一致性,D*和f可以用于灌注評估,也可用于缺血核心與缺血半暗帶的鑒別[35]。日本學者通過IVIM與單光子發射計算機斷層掃描(single photon emission computed tomography,SPECT)對比研究[36],結果表明f可以評估單側頸動脈狹窄患者的CVR受損,具有較高靈敏度和特異度。b值的設置是IVIM成像的關鍵因素,b值個數多,精度提高,但成像時間也會增加。目前行業內b值的數量和范圍尚未形成標準化,需要更多的研究進一步規范。關于再通術后出血預測的研究較少,如果未來的IVIM研究能夠在這方面取得突破,將對提高CICAO患者的生存率和降低致殘率起到很大的作用。DKI不僅量化了擴散率,還量化了偏離高斯擴散曲線的程度,不僅能區分壞死核心區和半暗帶,還能細化半暗帶的內邊界[37],平均峰度系數(mean kurtosis,MK)/平均彌散率(mean diffusivity,MD)錯配區有可能是半暗帶,而非核心區,有可能是可挽救的缺血性病變[38]。目前DKI在缺血性病變的研究還存在掃描時間長、信噪比低等局限性,需要更多的研究驗證,對缺血半暗帶重新認識。

綜上,DSC成像快速,應用廣泛,但需要對比劑;ASL不需要對比劑,但需要注意設置PLD值,在評估血流量較低且ATT較長的白質的CBF時,需注意區分良性缺血和梗死區;DSC和ASL均依賴于動脈輸入功能,易受大血管信號的影響;BOLD是MRI中唯一能監測到OEF值的序列;IVIM一次掃描可得到彌散及灌注信息,且信號幾乎全部來源于毛細血管,不受大血管信號的影響,但b值設定尚未形成行業標準化;DKI可以細化半暗帶內邊界,但掃描時間長,信噪比低。未來需要更多的研究來完善這些成像技術的不足。

2.4側支循環評估序列 側支循環代償可增加半暗帶,在再通術的指征評估中扮演著重要的角色。Connolly等[39]認為Willis環的前、后交通動脈為主要的側支循環通路,郝曉勇等[40]研究發現Willis動脈環的完整性與CBF值密切相關。缺乏有效側支循環代償,CICAO患者亞群的卒中復發風險明顯高于總體水平[41-43]。且側支循環影響急性腦卒中患者的靜脈溶栓療效及預后[44]。TOF-MRA可以評估Willis環的完整性,但對眼動脈及軟腦膜血管網的顯示能力較差,需要結合其他序列征象及灌注參數。用于評估側支循環的特殊征象有高信號血管征(hyperintense vessel sign,HVS)和不對稱皮質靜脈征(asymmetrical cortical vein sign,ACVS)兩種,其中HVS是指在液體衰減反轉恢復(fluid attenuated inversion recovery,FLAIR)序列圖像上出現幾個連續水平的蛇形或斑點狀高信號,與側支循環的開放有關,最先由Cosnard等[45]提出。后續有研究認為HVS與臨床預后之間的關系不一致[46],可能在研究中忽略了灌注衰竭因素。Zhang等[47]將T2-FLAIR結合ASL評估側支循環,結果表明HVS水平越高,側支循環越多,但不等于側支循環有效。由此得出,有效循環評估除了關注HVS,還需結合灌注參數。ACVS表現為在磁敏感加權成像(susceptibility-weighted imaging,SWI)圖像上缺血側大腦皮質靜脈信號多于和(或)大于健側靜脈信號,常見于血管嚴重狹窄的患者。ACVS反映了腦灌注不足,可作為評估軟腦膜側支循環的可靠指標[48]?？傊?HVS及ACVS對軟腦膜側支循環的評估有一定作用,但需要結合灌注參數,才能準確評估側支循環的有效性。一般認為軟腦膜側支循環可以防止慢性微結構缺血組織損傷,但有學者使用T2 mapping和DSC評估軟腦膜側支循環保護作用的有效性,用CBF/CBV替代CPP,結果表明,軟腦膜側支血管豐富度增加,不足以補償慢性缺血性微結構皮質組織損傷[49]。Zarrinkoob等[49]用四維相位對比MRI(four dimensional phase contras,4DPCMRI)結合T2 mapping評估側支循環路徑,結果表明通過血流速度可區分腦動脈和眼動脈,從而追蹤眼動脈路徑。然而,大腦表面軟腦膜血管網分布復雜,常用的MRI序列很難追蹤其路徑,4DPCMRI與T2 mapping有望在追蹤軟腦膜側支循環路徑方面顯露優勢。

3 小結

SPACE、MPRAGE、SNAP序列已經廣泛應用于CICAO患者的血管斑塊評估中,各有優缺點,單一序列無法準確區分斑塊成分,需要多種序列綜合分析,掃描時間長。期望在更高的場強平臺上出現新的成像技術,優化掃描協議,提高診斷準確性。關于再通術后出血預測,需要進行更深入探索。腦血流動力學評估側重于區分半暗帶與梗死核心區,PWI/DWI不配率是目前較理想的方法,但仍存在錯配。雖然BOLD、IVIM、DKI序列在界定半暗帶上的準確性得到改善,但需要更多的研究驗證,尤其后處理軟件與人工智能相結合的研究還有待開展。