慢性颈内动脉闭塞患者血管斑块和脑血流动力学评估的MRI研究新进展

梁冬玲, 冯汝静, 邓德茂

慢性颈内动脉闭塞(chronic internal carotid artery occlusion,CICAO)是指颈内动脉闭塞时间>4周的一种血管疾病[1],是缺血性卒中的常见原因之一[2]。研究报道即使接受最佳药物治疗和危险因素得到良好控制,1年中CICAO导致中风的风险仍接近7%[3]。血管内再通术是一种有效治疗CICAO的介入手术,术前血管斑块及脑血流动力学评估与手术指征、手术成功率及术后并发症密切相关。MRI是目前用于颈内动脉血管斑块和脑血流动力学评估的最佳手段,但磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)序列众多且发展迅速,有必要对近年来的研究进展进行综述。

1 CICAO患者的血管(斑块及血栓、闭塞残端类型、闭塞范围)评估

血管斑块是CICAO最主要的初期病理形式,即使斑块达不到血管闭塞或脑灌注障碍程度,但斑块的易损性足以造成急性缺血的严重后果,故血管斑块的易损性评估非常重要。易损性斑块特征有:斑块内出血(intraplaque hemorrhage,IPH)、富含脂质坏死核心(lipid-rich necrotic core,LRNC)、纤维帽(fiber cap,FC)薄或破裂、斑块表面钙化结节及溃疡、斑块炎症等[4]。血管再通术是治疗CICAO的主要方法,可使缺血性脑卒中的发生概率降低80%[5]。介入导丝穿过闭塞处并进入真腔及放置保护装置,是手术成功的关键[6]。而闭塞残端类型及其血栓的新旧则是影响导丝通过的关键因素。Hasan等[7]研究表明,斑块的位置可能与残端类型有关,而近端有残腔的A型和B型比无残腔的C型和D型更适合于再通术,且导丝更容易穿过真腔;闭塞节段长度<5 cm者,再通术成功率为100%,较长者,成功率降为50%,延伸至颅内者,再通效果不佳;近端或远端栓塞保护装置可以避免术中栓子脱落,但要求远端血管直径>3 mm[8],故有效评价闭塞远端血管管径亦是保障血管再通术成功的必要方法。目前用于评估CICAO患者上述血管情况的MRI序列主要有以下几种:

1.1磁共振血管成像(magnetic resonance angiography,MRA)序列 MRA常用的方法有3种:(1)相位对比法MRA(phase contrast MRA,PC-MRA)因无法确定流速编码而不适用于CICAO患者;(2)对比增强法MRA(contrast enhancement MRA,CE-MRA)成像速度快,但其与注射法灌注成像或T1WI-CE有冲突,使用受限;(3)时间飞越法MRA(time-of-flight MRA,TOF-MRA)利用流入性增强效应成像,能显示斑块的轮廓及闭塞处的形态,用于观察与测量狭窄程度、狭窄长度、管腔直径等,较好显示血管树,可对闭塞形态进行分型,缺点是有可能高估闭塞程度[9],也不能显示斑块的内部结构。与PC-MRA和CE-MRA相比,TOF-MRA更适用于CICAO患者。

1.2可变翻转角快速自旋回波(sampling perfection with application optimized contrast using different flip angle evolutions,SPACE)序列 SPACE序列的特点是利用流空效应达到黑血效果,信噪比稳定,可获得软组织对比度高的T1WI、T2WI、质子密度加权像(proton density-weighted imaging,PDWI)图像,利于斑块成像分析。离体标本成像研究显示,3T高分辨率多对比MRI可以识别斑块信号强度,LRNC与FC的对比度在T2WI最强,在PDWI序列上次之,而在T1WI上对比度较差,钙化信号强度在T2WI、PDWI和T1WI图像上最低[10],离体标本经脱水和蛋白质降解后由于成分与活体内斑块不同,对临床应用具有一定的参考意义。有文献表明,T1-SPACE能够更好区分坏死组织、出血、纤维组织等成分信号[11]。然而,SPACE必须经过多次扫描才获得多种对比图像,同时需注射对比剂才能获得斑块炎症血管的高信号,而PDWI则不能实现对比增强[12],所以在SPACE序列实际应用中以T1WI为主,无需施加压脂技术[13],结合压缩感知技术可以大大缩短扫描时间[14]。SPACE序列因存在回波链,组织边界锐利度低,需要其他成像序列来补充。

1.3磁化准备快速梯度回波(magnetization prepared rapid acquisition gradient echo imaging,MPRAGE)序列 MPRAGE序列的特点是利用反转恢复脉冲来抑制血液信号达到黑血效果,其图像组织边界清晰度优于SPACE序列,有利于斑块轮廓及闭塞形态的显示与测量。有文献表明,MPRAGE图像在评估颈动脉硬化区域方面具有较高的可靠性[15],尤其是对闭塞起始部位形态诊断与数字减影血管造影(digital subtraction angiography,DSA)结果有较高的一致性[16],能够准确诊断闭塞的形态学特征,包括斑块表面溃疡范围和表面结节数量。但MPRAGE对斑块内部结构的分辨率较差,特别是在细长残余管腔及钙化灶方面的识别效果不佳[17]。IPH的降解物高铁血红蛋白能缩短T1值,易被梯度回波序列检测到,因此MPRAGE对IPH的敏感性优于SPACE序列[18]。有研究表明在MPRAGE或SPACE序列上,IPH信号强度比(signal intensity ratio,SIR)与同侧急性缺血之间没有直接联系[19]。与之相反,另一项研究认为IPH的SIR与急性脑梗死相关[20],但是IPH的SIR与急性脑梗死之间的联系机制尚不清楚,可能受年龄因素影响,也可能是IPH影像包含了IPH和LRNC两种信号。今后的研究中需要在IPH和LRNC两种高信号中进一步区分其影响。

1.4同步非对比血管造影和斑块内出血(simultaneous non-contrast angiography and intraplaque hemorrhage,SNAP)序列 SNAP序列属于梯度回波序列,适用于出血信号检测。SNAP对IPH的检测比MPRAGE更敏感,有报道称SNAP对IPH的评估无需增加额外的序列[21]。与MPRAGE相比,SNAP的影像表现与组织学的较为一致,特别是微小的IPH变化,是一种新型、有效识别IPH的工具[22]。此外,SNAP还可以用于IPH的定量分析。Qi等[23]通过使用3D黄金角径向k空间采样扩展了SNAP技术,开发出3D血管壁T1 mapping序列,在此基础上提出一种定量T1标测技术,用于表征IPH和监测其变化。

综上,MPRAGE与SNAP图像的组织边界清晰度优于SPACE,适用于闭塞形态的显示与测量,但对斑块成分的识别不如SPACE。在识别IPH方面,MPRAGE与SNAP较SPACE有优势,SNAP更佳,但两个序列在血液抑制方面有待提高,对LRNC和钙化的诊断效果有限。可利用定量磁化率图(quantitative susceptibility mapping,QSM)区分IPH、LRNC、钙化,识别易损性斑块[24]。

2 CICAO患者的脑血流动力学评估

CICAO的脑血流动学变化包含侧支循环代偿和脑血管储备(cerebrovascular reserve,CVR)两方面。侧支循环代偿是脑组织在缺血状态下,通过开放旁路血管给缺血脑组织供血的能力。CVR也叫血管反应性,是指在缺血状态下,机体通过自身调节使小动脉和毛细血管扩张或收缩,维持脑血流的稳定。分为4期:一期为侧支循环储备期,脑血流量(cerebral blood flow,CBF)、脑血容量(cerebral blood volume,CBV)、氧摄取分数(oxygen extraction fraction,OEF)正常;二期为脑血流储备期,灌注压(cerebral perfusion pressure,CPP)、CBF、OEF正常,而CBV升高;三期为脑代谢储备期,大脑自身调节能力耗尽,CBF下降,而CBV、OEF上升,在MRI图像上表现为半暗带;四期为脑梗死期,CPP持续下降,CBF、CBV下降,而OEF进一步升高,在MRI图像上表现为梗死核心区[25]。目前用于评估脑血流动力学序列分述如下:

2.1灌注加权成像(perfusion-weighted imaging,PWI)序列 PWI是获得CBV、CBF、平均通过时间(mean transit time,MTT)、达峰时间(time to peak,TTP)等毛细血管灌注参数的一种成像技术,适用于无创评估CVR。PWI分为动态磁敏感对比(dynamic susceptibility contrast,DSC)和动脉自旋标记(arterial spin labeling,ASL)两种。其中DSC是通过静脉注射外源性对比剂,用快速成像序列检测得T2*衰减的时间-信号曲线,再经后处理计算出灌注参数的一种成像技术,是最早应用于脑灌注评估的成像方法。Songsaeng等[26]用DSC和血气水平依赖成像(blood oxygen level-dependent,BOLD)评估CBF,其研究结果表明基于DSC和CVR变化的治疗方案对高风险CICAO有效,但预测复发性缺血性梗死的发生率尚不明确。DSC优点是信噪比稳定,组织结构成像清晰,可定量分析,但需注射对比剂,不适用于肾功能不全患者。ASL通过用射频脉冲对血液进行标记,将血液用作内源性对比剂,不需要外源性对比剂,可适用于肾功能不全患者。早期研究表明,ASL可以用于评估超急性缺血患者,得出的PWI/扩散加权成像(diffusion-weighted imaging,DWI)不匹配与DSC相当[27],然而标记后延迟时间(post-label delay,PLD)值不同,则CBF值也不同:当PLD<动脉传递时间(arterial transmit time,ATT)时,CBF被低估,出现动脉通过伪影(arterial transit artifact,ATA)。因此,在评估血液延迟流入大脑,应注意ATA导致低估脑灌注,夸大半暗带。然而,有研究表明ATA的出现提示侧支循环开放,在远端软脑膜侧支循环评估结果与DSA相一致[28]。原因是侧支循环血管流速较慢,延迟到达相应的血管分布区域,在ASL上表现为高信号。也有学者利用ATA评估CICAO患者近期症状及预后的关系,区分症状性和无症状性狭窄,结果表明ATA与颈动脉狭窄患者近期出现缺血症状相关[29]。

2.2BOLD序列 BOLD最早是在1990年由Ogawa等[30]提出,可反映局部脑组织氧代谢,通过可逆性横向弛豫率测量可得到脑感兴趣区域OEF值,获得脑灌注信息。韩建秀等[31]研究结果表明,TTP与BOLD信号延迟的相关性最高,BOLD信号延迟可以评估缺血性脑卒中患者的灌注结果。Little等[32]基于大鼠模型的研究结果表明,在评估半暗带方面,DWI-OEF不匹配比DWI-CBF不匹配更准确。可能的原因是基于BOLD得出的OEF值不受水肿或炎症因素干扰,说明BOLD在半暗带的界定有临床应用价值。Khalil等[33]研究表明再通术前后的病变区中BOLD延迟与TTP有较高的一致性,BOLD可以无创监测脑血流动力学的纵向变化。与DSC相比,BOLD不需要对比剂,评估半暗带效果也较佳,有可能成为DSC的替代方案,但BOLD容易受自发性神经元活动、头部运动、呼吸和心功能、血液CO2的波动影响。

2.3体素内不相干运动成像(intravoxel incoherent motion,IVIM)序列与弥散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)序列 IVIM概念最早由Le Bihan[34]提出,用来解释毛细血管中血流的运动,称为伪扩散运动,其代表水分子在血管中的灌注。标准的IVIM是一个双e指数模型,同时考虑了细胞间隙中水分子的布朗运动和血管中水分子的灌注,其参数有真弥散系数(D)、假弥散系数(D*)和灌注分数(f)。IVIM参数与PWI参数有较好的相关性,一项前瞻性研究表明,IVIM的fD*和PWI的CBF显示出很好的一致性,D*和f可以用于灌注评估,也可用于缺血核心与缺血半暗带的鉴别[35]。日本学者通过IVIM与单光子发射计算机断层扫描(single photon emission computed tomography,SPECT)对比研究[36],结果表明f可以评估单侧颈动脉狭窄患者的CVR受损,具有较高灵敏度和特异度。b值的设置是IVIM成像的关键因素,b值个数多,精度提高,但成像时间也会增加。目前行业内b值的数量和范围尚未形成标准化,需要更多的研究进一步规范。关于再通术后出血预测的研究较少,如果未来的IVIM研究能够在这方面取得突破,将对提高CICAO患者的生存率和降低致残率起到很大的作用。DKI不仅量化了扩散率,还量化了偏离高斯扩散曲线的程度,不仅能区分坏死核心区和半暗带,还能细化半暗带的内边界[37],平均峰度系数(mean kurtosis,MK)/平均弥散率(mean diffusivity,MD)错配区有可能是半暗带,而非核心区,有可能是可挽救的缺血性病变[38]。目前DKI在缺血性病变的研究还存在扫描时间长、信噪比低等局限性,需要更多的研究验证,对缺血半暗带重新认识。

综上,DSC成像快速,应用广泛,但需要对比剂;ASL不需要对比剂,但需要注意设置PLD值,在评估血流量较低且ATT较长的白质的CBF时,需注意区分良性缺血和梗死区;DSC和ASL均依赖于动脉输入功能,易受大血管信号的影响;BOLD是MRI中唯一能监测到OEF值的序列;IVIM一次扫描可得到弥散及灌注信息,且信号几乎全部来源于毛细血管,不受大血管信号的影响,但b值设定尚未形成行业标准化;DKI可以细化半暗带内边界,但扫描时间长,信噪比低。未来需要更多的研究来完善这些成像技术的不足。

2.4侧支循环评估序列 侧支循环代偿可增加半暗带,在再通术的指征评估中扮演着重要的角色。Connolly等[39]认为Willis环的前、后交通动脉为主要的侧支循环通路,郝晓勇等[40]研究发现Willis动脉环的完整性与CBF值密切相关。缺乏有效侧支循环代偿,CICAO患者亚群的卒中复发风险明显高于总体水平[41-43]。且侧支循环影响急性脑卒中患者的静脉溶栓疗效及预后[44]。TOF-MRA可以评估Willis环的完整性,但对眼动脉及软脑膜血管网的显示能力较差,需要结合其他序列征象及灌注参数。用于评估侧支循环的特殊征象有高信号血管征(hyperintense vessel sign,HVS)和不对称皮质静脉征(asymmetrical cortical vein sign,ACVS)两种,其中HVS是指在液体衰减反转恢复(fluid attenuated inversion recovery,FLAIR)序列图像上出现几个连续水平的蛇形或斑点状高信号,与侧支循环的开放有关,最先由Cosnard等[45]提出。后续有研究认为HVS与临床预后之间的关系不一致[46],可能在研究中忽略了灌注衰竭因素。Zhang等[47]将T2-FLAIR结合ASL评估侧支循环,结果表明HVS水平越高,侧支循环越多,但不等于侧支循环有效。由此得出,有效循环评估除了关注HVS,还需结合灌注参数。ACVS表现为在磁敏感加权成像(susceptibility-weighted imaging,SWI)图像上缺血侧大脑皮质静脉信号多于和(或)大于健侧静脉信号,常见于血管严重狭窄的患者。ACVS反映了脑灌注不足,可作为评估软脑膜侧支循环的可靠指标[48]。总之,HVS及ACVS对软脑膜侧支循环的评估有一定作用,但需要结合灌注参数,才能准确评估侧支循环的有效性。一般认为软脑膜侧支循环可以防止慢性微结构缺血组织损伤,但有学者使用T2 mapping和DSC评估软脑膜侧支循环保护作用的有效性,用CBF/CBV替代CPP,结果表明,软脑膜侧支血管丰富度增加,不足以补偿慢性缺血性微结构皮质组织损伤[49]。Zarrinkoob等[49]用四维相位对比MRI(four dimensional phase contras,4DPCMRI)结合T2 mapping评估侧支循环路径,结果表明通过血流速度可区分脑动脉和眼动脉,从而追踪眼动脉路径。然而,大脑表面软脑膜血管网分布复杂,常用的MRI序列很难追踪其路径,4DPCMRI与T2 mapping有望在追踪软脑膜侧支循环路径方面显露优势。

3 小结

SPACE、MPRAGE、SNAP序列已经广泛应用于CICAO患者的血管斑块评估中,各有优缺点,单一序列无法准确区分斑块成分,需要多种序列综合分析,扫描时间长。期望在更高的场强平台上出现新的成像技术,优化扫描协议,提高诊断准确性。关于再通术后出血预测,需要进行更深入探索。脑血流动力学评估侧重于区分半暗带与梗死核心区,PWI/DWI不配率是目前较理想的方法,但仍存在错配。虽然BOLD、IVIM、DKI序列在界定半暗带上的准确性得到改善,但需要更多的研究验证,尤其后处理软件与人工智能相结合的研究还有待开展。