三维准连续动脉自旋标记在糖尿病相关足部灌注的研究

王文生，贾卫伟*，孟玉莲，王瑞芳，李春志

1.中国中医科学院西苑医院放射科，北京 100091；2.武警辽宁省总队医院医学影像科，辽宁 沈阳 110034；*通信作者 贾卫伟 xyfsk@vip.sina.com

糖尿病是威胁我国人民生命健康的严重疾病，其导致的各类并发症给患者带来极大的痛苦和经济负担。糖尿病足作为糖尿病的足部灌注、压力、神经调节紊乱相关的严重并发病之一，是影响糖尿病患者生活质量的重要因素。在糖尿病足中，血流灌注异常通常比典型症状骨髓炎[1]更早出现，局部灌注受损会导致氧气、营养物质和对伤口愈合至关重要的细胞（巨噬细胞和其他白细胞）的输送减少，也是50%足部溃疡患者溃疡形成的主要原因。轻度灌注异常患者会出现间歇性跛行，而严重的总血流量阻塞患者会出现坏疽和截肢[2-3]。通过改善灌注受损和血糖控制能够改善手术的预后[4]，故对于糖尿病足的预测和预防，测量灌注的方法是有用的。

目前临床上有很多测量骨骼肌血流灌注的方法，如CT、MRI、超声造影等[5]，但由于CT会产生辐射损伤，而磁共振增强（如动态增强）、超声造影都需要额外引入造影剂，均对其临床应用造成了阻碍。动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）作为一种不需要造影剂的磁共振灌注技术，近年得到极大的推广和应用，在颅脑方面已经实现临床化。虽然近年ASL在骨骼肌灌注方面有所探索，但大部分研究应用二维方式采集且操作复杂，临床应用有所局限。本研究主要探讨三维准连续动脉自旋标记（three-dimensional pseudo-continuous arterial spin labeling，3D pCASL）技术应用于足部的可行性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 前瞻性收集2019年3月—2021年2月在中国中医科学院西苑医院就诊的非糖尿病志愿者30例（A组），糖尿病患者30例，其中病程≤10年者14例（B组），病程＞10年者16例（C组）。所有研究对象均未确诊糖尿病足，并通过超声检查或者CT血管成像排除大血管闭塞或狭窄。纳入标准：年龄40～75岁，心肾功能无异常。各组纳入标准为：A组：既往健康，血糖、血压、血脂未见异常，体重指数在正常范围内。B组和C组：既往临床确诊2型糖尿病，血糖控制可。排除标准：心脏起搏器或严重幽闭恐惧症等MRI绝对禁忌证，有其他基础病如下肢血管狭窄及闭塞等血管疾病。各组排除标准为：A组：既往有足部手术、外伤、骨折等。B组和C组：确诊糖尿病足及合并感染者。本试验通过本院伦理委员会批准（批号：2019XLA041-2），所有研究对象均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用GE Discovery750 3.0T超导型磁共振扫描仪，足踝专用8通道相控阵线圈。研究对象扫描前30 min不要进行剧烈运动，仰卧位，足先进，分别进行T1解剖像（3D Ax FSPGR）及5次3D pCASL扫描，标记后延迟时间（post label delay time，PLD）分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 s，扫描时舒适摆放体位，嘱其保持不动，扫描参数：3D FSPGR：横轴位扫描，TR 7.3 ms，TE 3.5 ms，矩阵320×224，视野260 mm，翻转角15°，激励次数1，带宽31.25 kHz，层厚4 mm，扫描时间1 min 13 s。3D pCASL：横轴位扫描，TR 4 346 ms，TE 10.5 ms，螺旋臂条数6，每条臂采样点512，视野260 mm，翻转角90°，激励次数2，带宽62.5 kHz，层厚4 mm，根据PLD的不同，扫描时间分别为：2 min 19 s、2 min 27 s、2 min 34 s、2 min 49 s、2 min 57 s。

1.3 图像后处理及测量 将扫描图像导入AW 4.6后处理工作站，使用Functool后处理程序进行处理，为了精确勾画感兴趣区，低分辨率的血流量伪彩图需要与显示解剖结构良好的3D FSPGR进行融合，在融合图上分别对足底内侧肌群、中间肌群、外侧肌群进行血流量值测量，并对各肌群血流量取平均值，感兴趣区大小为100 mm2，放置位置避开血管骨骼等部位。每例研究对象都选择相同的解剖层面，每个感兴趣区测量2次求平均值作为原始血流量值，见图1。

图1 使用Functool后处理程序得到伪彩的定量图。A、B均为功能图与解剖图融合后的伪彩图；圈1、2、3分别为足部内侧肌群、中间肌群、外侧肌群的感兴趣区

1.4 统计学分析 使用SPSS 17.0软件，对3个研究组的一般资料和足底各肌群血流量进行正态检验和方差齐性检验，计量资料以或M（Q1，Q3）表示，对结果进行单因素方差分析或Kruskal-Wallis秩和检验，并对有差异的组进行两两比较；计数资料以例数表示，组间比较采用χ2检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般情况 3组受试者年龄、性别差异无统计学意义（均P＞0.05），见表1。

表1 3组研究对象一般资料比较

2.2 3组间足底肌群血流量比较 所有受试者均顺利完成检查，图像质量满意。PLD=1.0 s时，3组中间肌群的血流量差异有统计学意义，C组高于B肌组（P=0.015）；外侧肌群的血流量3组间差异有统计学差异，C组高于A组（P=0.001）。PLD=1.5 s时，内侧肌群、中间肌群、外侧肌群及平均值的血流量3组间差异均有统计学意义，且均为C组高于A组（P=0.018、0.013、0.005、0.002），见图2。PLD=2.0 s、2.5 s和3.0 s时，内侧肌群、中间肌群、外侧肌群及平均值的血流量3组间差异均无统计学意义，见表2。

图2 PLD=1.5 s时，3组患者足底肌群的灌注图。A.男，62岁，非糖尿病志愿者；B.男，59岁，糖尿病病程≤10年；C.男，63岁，糖尿病病程＞10年；C组灌注图血流量明显高于A组，而B组与A组差异不大

表2 3组间不同PLD各足底肌群血流量比较（ml/100g）

3 讨论

3.1 糖尿病足的微循环特点及检测方法 糖尿病足是糖尿病的严重并发症，也是糖尿病致残的重要原因。糖尿病下肢微血管病变在糖尿病足的发生、发展中起着至关重要的作用，并且足部微血管病变的发生通常早于下肢中小血管，是糖尿病足的早期病理改变。因此，早期发现糖尿病足部微血管病变对糖尿病足的预防和治疗具有重要的临床及科研价值。

充分的微循环血流供应是实现组织代谢和物质交换的前提和保证。组织或病变的微循环灌注的影像学表现能够反映出其代谢状态。灌注成像采用特定的技术来获取组织微循环灌注信息。常规的CT灌注需要使用大量造影剂，且存在重复扫描带来的超高辐射剂量，很大地限制了其在临床上的应用。磁共振灌注成像是磁共振功能成像的一个重要部分，分为3类：①依赖于外源性示踪剂的灌注成像，如动态磁敏感对比成像、动态增强对比成像；②使用内源性示踪剂即动脉血中水分子的ASL；③利用扩散或血氧饱和度等组织特性探测灌注或血管通透性，如体素内不相干运动、血氧水平依赖等。

3.2 ASL的检测优势及在足部的应用 ASL无需引入外源性对比剂，是一种非对比剂增强的脑灌注成像技术，其利用血液作为内源性示踪剂，目前已成为研究生理和病理状态下血流变化的重要方法。ASL能在常规序列了解形态学特征的基础上检测局部血流，最早应用于脑部血流量检查[6-8]，也有在肿瘤[9]、心肌[10]和肾脏[11]方面的应用。ASL完全无创，必要时可重复进行。本研究使用的pCASL采用准连续式标记和螺旋K空间采集技术，基于快速自旋回波的信号进行读取，可以有效克服传统ASL技术采用EPI采集受磁敏感伪影干扰的缺点进行全脑三维容积采集，得到分辨率较高的灌注图像。

目前足部灌注尤其是MRI方面的研究较少，体素内不相干运动在骨骼肌中已有所应用[12]，可对现有研究提供指导意义。ASL除了在下肢骨骼肌的应用[13-15]外，Wu等[16]对连续式ASL进行初步探讨，证明了其应用于四肢骨骼肌的可行性；其余大部分研究应用FAIR法进行二维采集[17]；Pohmann等[18]最早对大鼠的骨骼肌相关研究，证明了该方法的可行性。Edalati等[19]对7名健康者和10名糖尿病足伴溃疡患者研究发现，两者的运动灌注值和储备值都有差异；而在Zheng等[20-21]研究中，基于angiosome分区的糖尿病足与健康者的灌注表现亦有显著差异。而准连续式的ASL相关研究目前鲜有报道。

3D pCASL既往主要应用于灌注量较大的脑部，由于兼顾了连续式和脉冲式标记的优点，具有较高的标记效率，并且兼容现有的射频系统，已成为ASL中的首选技术。该技术可以不通过注射外源性对比剂进行脑血流量的定量测定，已成为临床上尤其是脑卒中成熟的临床应用。但由于ASL信号衰减非常快，如果本身灌注较慢，很难成功成像，而静息状态下足部灌注不高，故目前ASL大部分应用于高灌注器官，如脑、肾、肝等。另外，pCASL非常依赖大血管的标记，如果上游大血管出现动脉粥样硬化导致狭窄甚至堵塞，会对pCASL的标记效率产生很大影响，进而导致灌注测量的失真。虽然本研究排除了大血管狭窄和堵塞的病例，但由于标记效率和低灌注组织特性，仍然面临比较大的挑战。

3.3 本研究结果的解释与价值 孟利民等[22]通过注射外源性对比剂的方式探讨糖尿病足的血流灌注情况，发现在干性坏疽和湿性坏疽的糖尿病足中会出现血流灌注量增加，尤其是湿性坏疽和混合型坏疽，说明糖尿病患者足部血流量的紊乱是糖尿病足的重要早期征象，本研究的结果与之一致。

本研究结果显示，在短PLD（1.0 s和1.5 s）时，短病程的糖尿病患者与非糖尿病志愿者相比，血流量没有明显差异，但长病程的糖尿病患者比志愿者的血流量增加，可能是因为病史长的糖尿病会引起足底肌肉血流量灌注紊乱，这种紊乱也是糖尿病足的前兆症状之一。而PLD=1.0 s时，中间肌群和外侧肌群血流量之间的差异可能与angiosome分区有关[23]，这同样提示了足底肌肉血流灌注的紊乱和分布不均。由于足部灌注的成像区域较小和血流的速度等原因，在短PLD时血流量图更多地代表灌注行为，更有利于探测血流量灌注的差异。而在长PLD时血流量图更多地代表灌注结果，随着时间延长血液弛豫加快，导致标记像和控制像之间的差异变小，再加上探测精度限制和本身血流量的紊乱，组间差异很难表现出统计学意义；如果想进一步体现组间差异，需要进一步设计实验，尝试提高标记效率和扩大样本量。

3.4 本研究的不足与展望 本研究存在以下不足：①样本量较小，未来应该加大样本量以减少偏倚。②由于pCASL的标记效率问题，应该在后续的研究中再次尝试其他标记方法的可行性，尤其是FAIR法，能较好地避免由于PLD长短及血流速度差异带来的探测精准度的差异。③由于血流量值的计算公式是针对脑部的，很多参数表征的是脑部血流量的特点和特性，会影响到足部血流量值的准确度。④有必要引入糖尿病足的患者进入本试验，以探索确诊不同时期的糖尿病足在血流量和微循环方面的改变，有利于加深对糖尿病足的发病机制和病理进展的认识。

总之，本研究发现短PLD的ASL对糖尿病导致的足部血流量紊乱有敏感性，且不需要引入造影剂，作为无创评价足部灌注的手段，具有早期预测糖尿病足的潜在价值，值得进一步研究和探讨。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突