运用动态增强磁共振成像评估颈动脉粥样斑块稳定性的初步研究

曹 烨， 刘晓晟，葛晓乾， 周 斌

（上海交通大学医学院附属仁济医院放射科，上海 200127）

根据斑块成分和病理生理特征，可将动脉粥样硬化斑块分为稳定和不稳定斑块两大类，不稳定斑块的存在是导致缺血性脑卒中的主要危险因素之一。随着影像技术的发展，基于“黑血”技术的高分辨率磁共振管壁成像 （vessel wall magnetic resonance imaging，VW-MRI）可直接显示颈动脉斑块的形态学特征，且与病理组织学结果间具有高度的一致性。Cai等[1]依据动脉粥样硬化斑块美国心脏协会（American Heart Association，AHA）组织病理分型标准，对颈动脉斑块的MRI形态学特征进行了分类，并制定了MRI-AHA斑块分型。近年来的研究进一步发现，斑块内炎症细胞聚集及新生血管增生完整地参与了动脉粥样硬化的发生、发展，对斑块稳定性起了决定性作用，单纯依靠MRI平扫所示的形态学特征来判断斑块稳定性已不能满足临床需求。 动态增强 （dynamic contrast-enhanced，DCE）-MRI是以目标组织内微血管系统为生理基础，利用药代动力学模型，通过连续快速的动态增强扫描，最终获得能够反映组织微循环功能的各种参数，以评估病变、组织的生理特征的功能成像新技术[2-4]，常被用来评估肿瘤的新生血管情况，但目前该方法用于评估动脉粥样硬化稳定性的报道尚少。本研究拟应用DCE-MRI探究药代动力学参数与不同颈动脉斑块MRI-AHA分型之间的关系，以评估DCEMRI在鉴别稳定与不稳定斑块中的能力，为不稳定斑块的诊断和预警提供更全面的信息。

资料与方法

一、资料

2016年9月至2017年6月连续招募上海交通大学医学院附属仁济医院神经外科收治的颈动脉狭窄患者。入组标准需同时满足以下条件，①颈动脉超声显示颈动脉内膜增厚≥2 mm的患者；②签署知情同意书。排除标准包括：①存在MRI检查禁忌证的患者；②为动脉管壁炎症、放射性损伤等非粥样硬化性疾病导致的颈动脉狭窄；③颈动脉支架术后或颈动脉内膜剥脱术后再狭窄的患者。收集并记录所有研究对象的临床基本特征。

二、方法

1.MRI扫描：

所有入组患者在行颈动脉超声检查后，14 d内完成颈动脉VW-MRI和DCE检查。采用双梯度超导型磁共振扫描仪（Philips InteraArchieva 3.0T TX）和八通道相控阵表面颈动脉线圈。

VW-MRI序列主要包括三维时间飞跃法、四反转恢复T1加权序列、多平面双翻转T2加权序列和三维磁化准备快速梯度回波序列。检查时，受检者取仰卧位，充分暴露颈部并自然伸展，以双侧下颌角为中心放置颈动脉专用线圈，并充分固定，告知受检者扫描时长，嘱其尽量减少甚至避免吞咽、说话、咳嗽等动作，平稳呼吸。将定位线置于颈动脉分叉处，采用快速扫描序列进行标准三平面定位扫描，扫描定位中心颈动脉分叉处。先进行双侧颈动脉时间飞跃-MRI血管成像扫描，用最大密度投影法重建图像后，判断斑块位置、范围及颈动脉分叉处位置，再行VW-MRI序列扫描。以分叉为中心，上下各8层，T1加权序列和T2加权序列各扫描16层图像，磁化准备快速样板回波扫描32层。

VW-MRI序列扫描结束后，立即行DCE-MRI扫描。扫描定位线与上述序列一致，以颈动脉分叉为中心上下6层，20期动态扫描，时间间隔14 s。于第二个动态开始时，使用高压注射器，以1.5 mL/s的速率，经肘静脉注入0.1 mmol/kg的钆对比剂15 mL（马根维显GD-DTPA,Magnevist,Bayer Healthcare,Berlin,Germany），具体扫描参数见表1。

表1 颈动脉VW-MRI和DCE序列的成像参数

三、图像分析

1.图像质量评分：在图像分析前，由一位放射科医师对所有MRI图像进行图像质量评分，借鉴文献[5]中依据图像信号噪声比制定的颈动脉MRI图像分级标准（1～5级，1级最差，5级最佳），≤2级的图像将不纳入统计分析。

2.颈动脉VW-MRI图像分析：由2名具有5年以上颈动脉斑块影像学诊断经验的医师，采用盲法，应用颈动脉斑块分析软件（Vessel Mass，Medis，the Netherlands），独立进行颈动脉斑块成分分析，进而对颈动脉斑块进行MRI-AHA分型及斑块定性。观察者按照经MRI修正的颈动脉粥样硬化AHA斑块分型标准[1]，将MRI-AHAⅣ～Ⅴ型及Ⅵ型斑块标记为MRI诊断的不稳定斑块；MRI-AHAⅠ～Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅶ型和Ⅷ型斑块标记为MRI诊断的稳定斑块。

3.颈动脉DCE-MRI图像后处理：用MIStar visualization软件 （MIStar,Apollo Medical Imaging,Melbourne,Australia）对DCE-MRI图像进行后处理。应用Extended Tofts线性模型计算药代动力学参数，包括 Ktrans、kep、ve和 vp。 选择每例患者 AHA 分型最严重的斑块纳入DCE-MRI参数的测量。DCE-MRI参数的测量由2位经验丰富的放射科医师独立完成，手动勾画感兴趣区，感兴趣区应尽量包绕整个斑块，避开管腔及周围组织，不告知2位医医斑块分型和入组者的临床资料。

四、统计学处理

计量资料以均值±标准差、中位数或分数（百分比）表示。采用Cohen′s kappa一致性检验和单项随机的组内相关系数，评估不同测量者在斑块MRIAHA分型及DCE-MRI药代动力学测量的一致程度。 k 值或组内相关系数值为 0．21～0．40 时，为一致性一般；0．41～0．60 为中度一致性；0．61～0．80 为一致性较好，0．81～1．00 为一致性很好。应用 Kolmogorov-Smirnov检验计算DCE-MRI药代动力学参数符合非正态分布。应用Kruskal-Wallis检验和Mann-Whitney U检验，对不同MRI-AHA分型的DCEMRI药代动力学参数进行多重比较，并进行Bonferonni校正。用Spearman秩相关系数评估DCE-MRI药代动力学参数与MRI-AHA分型间的相关性，应用Kruskal-Wallis检验评估MRI诊断的稳定斑块与易损斑块之间DCE-MRI药代动力学参数的差异。应用受试者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲线计算DCE-MRI药代动力学鉴别稳定斑块与易损斑块的灵敏度、特异度。根据约登指数设定参数阈值。采用SPSS 19．0软件包进行统计分析（version 19．0,Chicago,IL,USA）进行统计分析。P＜0．05时被认为具有统计学意义。

结 果

一、基本情况

有70例颈动脉斑块患者进行了VW-MRI检查和DCE检查，其中4例患者因图像质量欠佳而被排除，最终本研究共纳入66例患者，平均年龄为（63±8）岁，其中男性 42例，女性 24 例，每例患者选取1枚斑块进行分析。

二、斑块基本特征

依据MRI-AHA斑块分型标准，共有8个（12．1%）Ⅲ型斑块，23 个（34．8%）Ⅳ～Ⅴ型斑块，32 个（48．5%）Ⅵ型斑块及 3 个（4．5%）Ⅶ型斑块，没有Ⅱ型及Ⅷ斑块。11个（16．7%）斑块标记为稳定斑块，55个（83．3%）斑块标记为不稳定斑块。2位医师对斑块MRI-AHA分型的一致性k值为0．925，一致性很好。2位测量者对DCE-MRI药代动力学参数的 一 致 性 组 内 相 关 系 数 值 为 0．986 （Ktrans）、0．967（kep）、0．949（ve）和 0．959（vp）。

三、斑块DCE-MRI参数与MRI-AHA分型的关系

Ktrans、kep在不同斑块分型组之间的差异均有统计学意义（P 均＜0．001），而 ve、vp在不同斑块分型组之间的差异无统计学意义（P=0．938、0．143）。 DCEMRI参数在不同MRI-AHA分型斑块间的多重比较，Bonferonni校正后P值小于0．008为有统计学差异。其中，Ktrans在Ⅲ型与Ⅵ型斑块、Ⅳ～Ⅴ型与Ⅵ型斑块、Ⅵ型与Ⅶ斑块之间的差异均有统计学意义（P 值分别为＜0．001、＜0．001、0．003）；kep在Ⅲ型与Ⅵ型斑块、Ⅳ～Ⅴ型与Ⅵ型斑块间差异有统计学意义（P 均＜0．001）（见表 2）。

Ktrans、kep分别与 MRI-AHAⅢ～Ⅵ分型斑块间存在显著正相关 （ρ=0．532,P＜0．001;ρ=0．409,P＜0．001）（见图 2），而 ve、vp与 MRI-AHA Ⅲ～Ⅵ分型斑块间没有统计学相关性 （ρ=0．040,P=0．754、ρ=0．179、P=0．158）。图 3 显示了 Ktrans、kep伪彩图在Ⅲ～Ⅵ分型斑块间的差异，Ⅵ型斑块的Ktrans、kep值显著高于Ⅲ型斑块。

图 2 Ktrans（A）、kep（B）与 MRI-AHA Ⅲ ～ Ⅵ分型斑块间的相关性散点图

表2 DCE-MRI参数在不同MRI-AHA斑块分型之间的比较

图3 不同类型斑块的 T1加权、Ktrans和Kep伪彩图

四、斑块DCE-MRI参数与斑块稳定性间的关系

MRI诊断不稳定斑块组的Ktrans和kep平均值均显著 高于稳 定斑块组 [（0．088±0．056）/min 比（0．029 ±0．011）/min，P＜0．001；（1．483±1．322）/min 比（0．554±0．410）/min，P＜0．001）]，而 ve、vp的平均值在 2 组间差异无统计学意义 [（9．035±7．789）%比（6．767±3．932），P=0．612；（5．671±4．341）比 （4．285±4．823），P=0．056）]。 图 4 示 斑 块 DCE-MRI 参 数Ktrans、kep、ve、vp区分稳定斑块与易损斑块的 ROC 曲线下面积分别为 0．883、0．816、0．549、0．684。

图4 DCE-MRI参数区分稳定斑块与易损斑块的ROC曲线

Ktrans区分稳定斑块与易损斑块的阈值为0．043/min，其诊断灵敏度为83%，特异度为100%；kep区分两者的阈值为0．741/min时，灵敏度为77%，特异度为91%。

讨 论

一、本研究的主要发现

本研究发现，DCE-MRI检查的药代动力学参数Ktrans和kep值随着颈动脉粥样硬化斑块的进展而逐渐增高，不稳定斑块组的Ktrans、kep值显著高于稳定斑块组，DCE-MRI检查在鉴别易损斑块与稳定斑块方面具有较高的灵敏度和特异度，其中Ktrans和kep可作为斑块危险性分层的新影像学标志物。

二、DCE-MRI参数鉴别稳定和不稳定斑块的可能原因

DCE-MRI技术是显影颈动脉管壁外膜滋养血管、斑块内新生血管和炎症的有效检查方法[2-4]。不同的DCE-MRI参数可反映斑块内微环境的不同信息，Ktrans是对比剂从血管内向血管外细胞外间隙渗透的转移常数，可反映斑块内新生血管数量及管壁通透性，其与斑块内巨噬细胞数量也显著相关；kep是血管外细胞外间隙内对比剂向血管回流的转移常数；ve是血管外细胞外间隙占单位体积的比例；vp则是每单位体积血浆容积。

Sun等[6]发现，存在出血斑块的颈动脉外膜Ktrans值较无出血斑块组显著升高。根据MRI-AHA斑块分型进一步将颈动脉斑块细分为不同类型，发现DCE-MRI参数在不同成分和稳定性的斑块之间也有相似的显著差异。从病理生理角度可解释为，斑块易损性的病理生理机制可能与新血管形成及炎症反应的相互作用有关[2]。斑块内的新生血管主要来源于外膜的滋养血管增生。斑块形成早期，平滑肌细胞等多种细胞增生使管壁内营养物质及氧气需要量增加，管壁内产生缺氧的情况，进而刺激多种血管源性生长因子及细胞因子产生并释放，血管增生逐渐增多，并向斑块内部迁移，由于增生的毛细血管管壁通透性大，新生血管则成为了外来炎性细胞和有害可溶性物质进入内膜的重要通道，加剧了斑块内炎症反应，外来脂质沉积导致脂质核心增大，甚至发生原位斑块内出血[7]。斑块内炎症反应的加剧亦进一步导致斑块纤维帽中胶原基质溶解，使纤维帽变薄，当受到管腔内血流冲击时，纤维组织破裂形成表面溃疡，最终导致易损斑块形成[8]。

本研究发现，血浆体积分数参数vp在不同分型斑块之间的差异并没有统计学意义，这与以往在体研究结果一致[6]。Dong等[9]的对于采用他汀药物治疗的颈动脉斑块患者进行随访性研究发现，治疗1年时与基线水平进行比较，vp值减低的趋势并不明显。vp可反映斑块内新生血管的数量，但与通透性无关。本研究认为，vp与斑块类型之间缺乏相关性的可能原因是，微血管通透性比微血管密度对斑块易损性的作用更大，是影响斑块稳定性的更重要因素。本研究也发现，ve与颈动脉斑块的不同分型之间没有相关性。既往研究主要关注于斑块内新生血管的定量，而极少有研究报道反映斑块间质环境的参ve。未来需要通过组织学研究及纵向的在体研究，进一步探究参数ve在不同性质斑块中的意义。

本研究发现，Ktrans和kep值可鉴别颈动脉粥样硬化斑块中的稳定斑块与不稳定斑块，具有较高的诊断灵敏度和特异度。Ktrans值大于 0．043/min、kep值大于0．741/min的斑块易损性较高，有发生破裂的风险。可见，DCE-MRI检查参数可对斑块稳定性进行量化评估，实现了在体客观地评估斑块性质，为临床风险评估提供量化依据，也可应用于随访性或药物疗效评估等相关研究。同时，本研究结果也进一步证明了斑块内的新生血管与炎症细胞浸润促进了易损斑块的形成病理生理过程，这也与既往的病理组织研究结果相一致[10]。

三、DCE模型和对比剂的选择

既往有研究认为，与其他药代动力学模型相比，Patlak模型最适合用于计算颈动脉斑块DCEMRI强化特征，重复性较高[11]。然而，Patlak模型忽略了血管外细胞外间隙向微血管内的反流，这可能会导致DCE-MRI在反映微血管及间质状态与斑块易损性方面产生偏差。为此，本研究选择了Extended Tofts模型，该模型提供了另外2个参数——kep和ve[12]。结果发现，kep与颈动脉粥样硬化斑块的进展过程显著相关 (Ⅲ～Ⅵ型)，kep值随着斑块的进展而逐渐增加，提示血管外细胞外间隙向新生血管内的反流在进展期斑块中更为明显，且不可忽视。

本研究使用常规的细胞外对比剂钆喷酸葡胺，这种小分子对比剂可通过血管内皮（血脑屏障完整时除外），进入血管外细胞外间隙，但无法穿过细胞膜。因此，在进行DCE-MRI检查时所采集到的信号强度动态变化过程主要是对比剂与血管相互渗透的过程。本研究的结果尚需使用其他对比剂（如血管内对比剂或与白蛋白结合能力弱的对比剂）进一步验证。

四、本研究的局限性

然而，本研究也存在以下局限性，①样本量相对较少，需要进一步扩大并进行前瞻性的研究；②仅利用影像学诊断斑块特征，没有组织病理标本对照，MRI表现与组织病理学之间没有相关性；③本研究应用了“亮血”DCE-MRI技术，高信号的管腔与强化的管壁边界欠清晰，因此本研究选择了管壁增厚至少2 mm的斑块入组，以避免附近管腔内血流信号的影响，但这也导致无法分析研究早期斑块。近年发展的“黑血”DCE-MRI技术为动脉粥样硬化的早期病变评估提供了较好的工具[13]。④不同场强的MRI设备、不同厂商的MRI序列及参数、不同药代动力学模型，所获得的区分稳定斑块与易损斑块的Ktrans、kep的临界值会有所不同。本研究采用的 MRI仪器是 Philips Intra Archieva 3．0T TX，DCE分析软件是MIStar visualization，采用的是Extended Tofts线性模型。⑤斑块成分复杂，包含脂质、钙化、出血等。本研究在进行DCE-MRI参数的测量时ROI包绕的是整个斑块，因此DCE参数定量评估是整个斑块ROI显示的值，这其中包括了斑块内的乏血供成分和新生血管及炎症的富血供成分，虽然本研究结果显示了不稳定斑块整体ROI的Ktrans和kep显著高于稳定斑块，但仍有待进一步细化。

总之，DCE-MRI所获得的 Ktrans和 kep参数，能够活体监测颈动脉斑块从中期发展到进展期斑块内新生血管和炎症细胞浸润逐渐增加的动态变化，并能鉴别MRI诊断易损斑块和稳定斑块。Ktrans和kep可作为临床患者斑块特征和危险分层的影像学标志物。