高分辨全脑MR血管壁成像技术的可重复性研究

赵均雄，张 娜 （.中山大学附属第八医院影像科，广东深圳 58033；.中国科学院深圳先进院生物医学成像研究中心，广东深圳 58055）

颅内动脉粥样硬化病(intracranial atherosclerotic disease，ICAD)是导致脑血管事件发生的主要原因之一[1-2]，近年来临床使用高分辨率磁共振(MR)血管壁成像技术可直接显示血管壁并对与脑血管事件密切相关的斑块特征进行评估[3-6]，由高分辨MR血管壁成像获得的几种斑块形态学测量值，例如平均血管壁厚度、斑块负荷和血管壁重构指数等，可以作为评估临床疗效的成像标志物[7-9]。然而，3D MR血管壁成像要满足这一临床需求的先决条件是基于该成像获得的血管壁形态学测量值是具有可重复性的。因此，本研究拟在健康志愿者队列中评估基于IR-SPACE序列的全脑覆盖MR血管壁成像方法用于血管壁形态学测量的可重复性。

1 材料和方法

1.1 研究对象

本研究得到中山大学附属第八医学伦理委员会的批准。所有参与者均签署书面知情同意书。研究共招募了32名没有脑血管疾病的健康志愿者，其中男22名，女10名，年龄31～66岁，平均47.65岁，对于MR扫描无禁忌证。

1.2 方法

1.2.1 图像采集 在西门子3T MR系统(型号：Verio)上进行2次重复的全脑MR血管壁扫描，使用商用32通道头部线圈接收信号。所有志愿者均采用仰卧位头先进方式，使用泡沫衬垫来防止头部运动。在完成第1次全脑MR血管壁扫描之后，志愿者下床进行短暂休息再重新定位进行第2次扫描。相关成像参数如下：矢状位扫描，重复时间(TR)/回波时间(TE)=900/15 ms，接收带宽= 488赫兹/像素，成像视野=170×170×(110-127) mm3，空间分辨率= 0.53×0.53×0.53 mm3，回波链长= 52，并行成像(GRAPPA)加速因子=2，扫描时间= 7 min 10 s～8 min 10 s(取决于头部尺寸)。

1.2.2 图像分析 所有图像首先被传输到西门子高性能工作站进行层面重建，由一名经验丰富的MR技术人员使用工作站自带的图像配准软件将2次扫描的图像进行配准，在两组图像的相同位置处，通过多层面重建(multiplane reconstruction，MPR)重建出连续3层2 mm厚度的血管横截面。共对颅内的5个主要动脉血管进行了上述血管横截面重建，包括远端基底动脉(basilar artery，BA)、远端椎动脉(vertebral artery，V4)、远端颈内动脉(internal carotid artery,ICA)床突上段(C4)、近端大脑中动脉(middle cerebral artery, MCA)M1段和近端大脑前动脉(anterior cerebral artery，ACA)。

使用商业血管软件VesselMass对MPR重建的横截面图像进行测量，包括血管腔和血管壁体积、标准化血管壁指数、平均和最大血管壁厚度。手动沿血管腔和血管内壁的分界以及血管外壁和周围组织的分界勾画两条轮廓界线，VesselMass软件基于手动勾画的这两条轮廓线自动计算出血管腔体积为内轮廓线所包绕的体积，血管壁体积为外轮廓线所包绕的体积(总血管体积)减去血管腔体积，标准化血管壁指数定义为血管壁体积除以总血管体积的比值，平均和最大血管壁厚度为两条轮廓线之间的平均距离和最大距离。对于每一根动脉节段，所有测量值均取连续3层面的平均值。由两名有丰富经验的神经放射学专家分别独立地对从第1次MR扫描重建的图像进行以上的形态学测量。间隔两周时间后，由其中一名放射学专家对这第1次的图像进行第二轮测量，另一名放射学专家则对从第2次MR扫描重建的图像进行以上相同的形态学测量。

1.3 统计学处理

使用SPSS 25.0对测量的数据进行统计分析。使用组内相关系数(intra-class correlation coefficient,ICC)和变化系数(coefficient of variation, CV)来评估全脑MR血管壁成像在量化颅内动脉血管壁形态学测量值的可重复性，包括2次扫描之间的可重复性、一个观察者2次测量之间的可重复性和2个观察者之间的可重复性。统计学标准为：ICC值<0.4被认为可重复性差，ICC值≥0.4且<0.75被认为可重复性良好，ICC值≥0.75被认为可重复性非常好。此外，使用Bland-Altman分析来评估重复扫描之间的一致性。

2 结果

32名志愿者均成功完成了2次MR扫描，共计获得160组成对的动脉节段用于可重复性评估。2次重复的全脑MR血管壁成像均获得了满意的图像质量，2次采集的图像均能清晰显示5根主要颅内动脉的血管壁。表1-3总结了所有形态学测量值的均值(即血管腔和血管壁体积、标准化血管壁指数、平均和最大血管壁厚度)及其相应的ICC和CV值。所有形态学测量值的ICC均>0.75，显示出2次扫描之间(表1)、2次测量之间(表2)以及2个观察者之间(表3)均具有非常好的可重复性。

图1-3分别展示了5个形态学测量值2次扫描之间、2次测量之间以及2个观察之间的Bland-Altman图。结果显示为随机误差散射图，并且差异对平均值不存在依赖性。

对于2次扫描之间的可重复性，所有形态学测量值的ICC均≥0.86，CV范围为4.8%～9.1%。对于2次测量之间的可重复性，所有形态学测量值的ICC均≥0.87，CV范围为4.9%～7.0%。对于2个观察者之间的可重复性，除标准化血管壁指数的ICC为0.76外，其余形态学测量值的ICC均≥0.83，CV范围为7.0%～16.6%。对于每一个形态学测量值，2次测量之间的ICC均高于2次扫描之间以及2个观察者之间的ICC。对于每一种可重复性，标准化血管壁指数的CV均最低。

表1 2次扫描之间的可重复性评估结果 (n=32)

表2 2次测量之间的可重复性评估结果 (n=32)

表3 2个观察者之间的可重复性评估结果 (n=32)

图1 2次扫描之间的Bland-Altman图

图2 2次测量之间的Bland-Altman图

图3 2个观察者之间的Bland-Altman图

3 讨论

脑动脉粥样硬化一直临床研究热点，其狭窄程度评判金标准是血管造影，但无法观察斑块情况，超高端螺旋CT也只能辨别钙化斑块与非钙化斑块，对于斑块重要成份显示、斑块形态特征无能为力，常规磁共振虽对软组织分辨率高；但对于脑血管而言，其空间分辨率有限，信噪比低。本研究采用磁共振SPACE序列[10-11]，与传统的二维(two dimensional, 2D)TSE成像方法相比，3D SPACE成像方法实现了更大的空间覆盖范围、更高的图像空间分辨率和信噪比(signal to noise ratio，SNR)。此外，3D图像可进行任意方位重建，这对显示细小迂曲、且被脑组织和脑脊液包绕的颅内动脉提供了技术优势[12-16]，我们优化后可在7～8 min内完成全脑空间覆盖和各向同性0.5 mm空间分辨率的颅内血管壁的扫描，并创新性通过将反转恢复(inversion recovery，IR)准备脉冲与SPACE序列有效结合。在本研究中，32名健康志愿者应用IR-SPACE的高分辨全脑MR血管壁成像，该技术在回波链的最后使用反转恢复脉冲来有效抑制颅内流速缓慢的脑脊液信号，可以更好地显示血管壁的外壁与周围组织的边界。因此血管总体积、血管壁体积和血管壁厚度的测量结果更加准确。此外，该技术使用非选择性激发脉冲有助于显著减少回波时间，从而增强了图像的SNR和T1加权对比度，这两者都有利于血管形态学特征的定量测量。

然而，MR血管壁成像要满足临床需求的先决条件是基于该成像获得的血管壁形态学测量值是具有可重复性。本研究中，5个形态学测量值2次扫描之间、同一观察者2次测量之间以及2个观察者之间的ICC均分别大于0.86、0.87和0.76，显示出非常好的一致性，均高于观察者间和扫描间的可重复性，2次扫描之间、2次测量之间以及2个观察者之间的可重复性与先前研究的结果非常接近甚至更好[17]。血管腔和血管壁体积的ICC略高于标准化血管壁指数、平均和最大血管壁厚度的ICC，这与最近公布的颅内动脉研究结果一致[17]。扫描间、观察者内和观察者间的测量值平均差异(用CV表示)均分别低于Qiao等[17]研究报道的差异。本组数据获得的ICC和CV均与颈动脉研究中报道的结果相当[18-19]。可见，基于IR-SPACE的高分辨MR血管壁成像用于颅内血管壁形态学测量具有高的可重复性，可以潜在地用于监测动脉粥样硬化进展和对治疗的反应，更重要的是，越高的可重复性保证临床疗效性试验研究需要更少的参与者，从而降低了研究成本。

与其他形态学定量指标相比，标准化血管壁指数的ICC略低，扫描间、观察者内和观察者间的ICC分别为0.86、0.87和0.76，但是他们仍然具有很好的可重复性(ICC都高于0.75)。该指数与其他定量指标相比具有最小的平均差异，扫描间、观察者内和观察者之间的CV分别为4.8%、4.9%和7.0%，这一结果与Qiao等[17]最近的研究结果一致，表明标准化血管壁指数对于ICAD的临床纵向随访更为可取。

本研究还存在一些局限性。我们只在健康志愿者中评估了MR血管壁成像用于颅内动脉血管壁形态学测量的可重复性，还需要进一步在临床ICAD患者中评估该技术用于颅内动脉斑块特征定量的可重复性。此外，本研究是在单中心进行，2次扫描在同一个MR扫描仪上进行，因此无法评估扫描仪之间的差异，并且由于检查时间也限制了2次扫描之间的间隔时间有限。