利用数字化三维模型评估CTA及MRA腹盆腔血管成像特点的研究*

2016-12-16 03:22陈春林李彩霞陈硕臻
重庆医学 2016年33期
关键词:动静脉磁共振盆腔

陈春林,陈 兰,刘 萍△,唐 雷,陈 斌,李彩霞,段 慧,唐 连,陈硕臻

(1.南方医科大学南方医院妇产科,广州 510515;2.南方医科大学人体解剖与组织胚胎教研室,广州 510515;3.南方医科大学南方医院影像科,广州 510515)



利用数字化三维模型评估CTA及MRA腹盆腔血管成像特点的研究*

陈春林1,陈 兰1,刘 萍1△,唐 雷2,陈 斌3,李彩霞3,段 慧1,唐 连1,陈硕臻1

(1.南方医科大学南方医院妇产科,广州 510515;2.南方医科大学人体解剖与组织胚胎教研室,广州 510515;3.南方医科大学南方医院影像科,广州 510515)

目的 通过CT血管造影(CTA)和磁共振血管成像(MRA)原始图像分别构建腹盆腔血管数字化三维模型,用三维模型评估CTA及MRA对腹盆腔血管显示的差异。方法 采集25例健康青年女性的CTA及MRA原始数据集,利用三维重建软件(Mimics 10.01)分别构建腹盆腔动静脉血管的三维模型,观察两类模型中腹主动脉、下腔静脉、髂总动静脉、髂内外动静脉、子宫动脉、闭孔动静脉、臀上下动脉及其分支、阴部内动脉、骶正中动静脉、卵巢动静脉、骶前静脉丛的重建情况。并用卡方检验统计分析两类模型中上述血管显示率是否有差异。结果 两种方法对于腹主动脉、下腔静脉、髂总动静脉、髂内外动静脉、臀上下动脉、子宫动脉几乎均能达到100%显示,CTA模型对于左右闭孔动静脉的显示率分别为92%、80%、44%、32%;MRA模型则分别是84%、72%、36%、44%,二者显示差异无统计学意义(P=0.382、P=0.508、P=0.564、P=0.382)。对于骶前静脉丛,包括骶1横静脉、骶2横静脉、骶3横静脉、骶4横静脉,25例CTA模型的显示率分别是4%、8%、0%、4%;而MRA模型的显示率分别是76%、92%、96%、44%,二者差异具有统计学意义(P<0.01、P<0.01、P<0.01、P=0.01)。结论 基于三维模型的观察,MRA对于腹盆腔四级血管的显示率与CTA差异无统计学意义,且MRA对于骶前血管网的显示优于CTA。

CT血管造影;磁共振血管成像;腹盆腔血管;三维模型

对于腹盆腔系统的疾病,尤其是血管系统的病变,传统的检查方法主要是彩色多普勒超声(彩超)、增强CT血管成像及数字减影血管造影术(digital subtraction angiography,DSA),其中以DSA作为血管成像的金标准,但其为有创性检查,操作复杂,费时费力,对插管者技术要求甚高。增强CT血管成像以其成像速度快、成像范围广等优势逐步应用于临床,已具备良好的人体各部位血管成像的条件和满意的血管成像效果[1],但该项检查具有辐射性,并不利于年轻育龄女性、儿童及体弱患者。磁共振技术因其微创、无辐射及无需对比剂成像等优势迅速受到广大医患的欢迎,但由于腹盆腔血管范围广,易受到腹盆腔脏器蠕动、肠气等因素的干扰,无需对比剂的磁共振血管成像已不能满足临床诊断及治疗的需要。磁共振的超快速增强血管成像技术应运而生,该技术通过注射对比剂和图像后处理技术,增加血管与周围组织的对比度,能清楚显示充盈对比剂的血管。目前三维动态增强磁共振血管成像技术(three-dimensional contrast-enhanced MR angio-graphy,3D CE-MRA)在脑血管、下肢血管成像方面的研究相对较多,并认为CE-MRA是一种有效评价下肢及脑部疾病的方法,其诊断价值可与DSA相媲美[2-4],但是在盆腔血管成像的研究相对较少,尤其是在评价盆腔血管成像效果,能否达到目前大家公认的CT血管造影(CTA)的血管显示效果等方面。本文旨在通过25例健康青年女性的CTA和磁共振血管成像(MRA)三维模型的对比分析,进一步说明磁共振血管成像技术在显示盆腔血管中的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 研究对象为25例健康青年女性,年龄20~26岁,平均(22.3±1.8)岁,身高152~172 cm,平均(160±4)cm;体质量44~60 kg,平均(51±4)kg。所有对象均无妊娠史、手术史及过敏史,本研究已通过南方医科大学南方医院伦理委员会的批准,所有受试者均签署相关知情同意书,在非月经期先行CTA检查,CTA检查后1周内再行MRA检查。

1.2 方法

1.2.1 研究方法 根据上述研究对象的CTA、CE-MRA扫描的原始数据集,利用三维重建软件Mimics(Materialise公司,比利时)进行腹盆腔血管的数字化三维重建,获得血管的三维模型,在模型上观察腹盆腔血管的显示情况,如腹主动脉、下腔静脉、髂总动静脉、髂内外动静脉、子宫动脉、闭孔动静脉、臀上下动脉、卵巢动静脉、骶前静脉等。并进一步分析计算臀上下动脉发出的分支数,了解两种成像方式下血管显示的特点。

1.2.2 检查方法 CTA检查:德国西门子公司双源CT(SOMATOM Definition)。扫描条件:管电压120 kV,管电流320 mA,层厚5 mm。检查前禁食4~6 h,未予其他特殊处理。患者取仰卧位,扫描范围从第3腰椎下缘至股骨上段。先行常规平扫(平扫期),经受试者右侧肘正中静脉先以4.0 mL/s(A筒)的速率经高压注射器注射造影剂——碘普罗胺80 mL(商品名优维显,德国先灵广州药业有限公司),再以4.0 mL/s(B筒)注射生理盐水20 mL;应用对比剂示踪法,选择腹主动脉分叉上2 cm的层面为感兴趣区域(region of interest,ROI),并动态监测其CT扫描灰度值(CT值),设定当ROI内CT值达到100 Hu时自动触发扫描(动脉期)。延迟35 s后再重复扫描1次(静脉期),最后将各期图像插值处理至层厚为1.0 mm,并存储备份。

MRA检查:美国GE公司生产的Signa Excite超导型3.0T全身磁共振扫描仪。扫描条件:受试者检查过程中取仰卧位,身体位于床面中央,正中矢状面与床面垂直,双手抱头,双腿并拢伸直。扫描范围从第3腰椎下缘至股骨上段。常规序列扫描后,再行CE-MRA序列冠状位扫描:TR/TE 5.3/1.8 ms,翻转角30°,带宽±50 kHz,矩阵360×224,FOV 39,层厚1.5 mm,经肘静脉以3 mL/s的速度高压注射钆喷酸葡胺对比剂(拜耳公司)18 mL,同样速率追注生理盐水20 mL。采用透视触发技术,在开始注射对比剂后,同时启动超快速二维梯度回波序列,将腹主动脉作为目标血管进行监控,一旦对比剂进入目标血管,立刻切换到CE-MRA序列并启动扫描,可连续无间断描获得多个时相的数据。将所获得的各个时相数据集以DICOM格式保存。

1.2.3 重建方法 CTA数据重建:将上述CTA扫描数据集以DICOM格式导入Mimics软件中。参照刘萍、陈春林等[5-7]的研究,先用平扫期数据集构建出骨盆的三维模型并存为STL格式,再和动脉期数据一起导入Mimics中,通过布尔运算算出动脉血管网的蒙罩,再重建出腹盆腔动脉血管网的三维模型,并存为STL格式供调用。同理,将骨盆和动脉的STL格式文件及静脉期DICOM数据集导入软件中,通过布尔运算计算出静脉血管网的三维模型。

MRA数据重建:在多个CE-MRA扫描时相中,选择动脉期时相,即仅有动脉血管显影,而静脉血管尚未显影的时相,参照陈若兰,陈若兰等[8]的研究,生成动脉蒙罩后进行动脉血管的数字化三维模型的构建,并导出动脉模型的STL格式。在剩下的血管时相中,根据造影剂在体内运行代谢情况,选择动静脉血管同时显影的静脉期时相,新建空白蒙罩,调整阈值后生成包含动、静脉血管同时显示的动静脉蒙罩。将重建好的动脉模型的STL 文件导入,利用布尔运算以动静脉蒙罩减去动脉蒙罩而生成单独的静脉血管网蒙罩,逐层擦除无关边缘噪声及冗余数据,并弥补丢失信号,经三维计算后构建出盆腔静脉血管的数字化三维模型,并同样以STL 的格式导出并保存。

1.3 模型观察与统计 对比观察两种数据集构建的腹盆腔血管数字化三维模型,记录各个模型上述血管的显示情况,并采用配对χ2检验比较两种血管成像方式在不同腹盆腔血管显示方面是否存在差异。

2 结 果

25例研究对象的CTA、CE-MRA数据集均能成功构建腹主动静脉、髂总动静脉、髂内、外动静脉、子宫动脉、闭孔动静脉、臀上下动脉、骶前静脉(图1、2)。在此将腹主血管作为一级血管、髂总血管作为二级血管、髂内外血管作为三级血管,换言之,无论是CTA成像或是CE-MRA成像,三级动静脉血管均可清晰显示,并可完整重建显示其形态走形,显示率为100%。而对于四级或四级以下血管,显示状况不佳,尤其是对静脉血管系统的显示,如四级动脉子宫动脉,两种成像方式显示情况均好,而对于子宫静脉,两种成像方式显示效果均不佳。阴部内动脉基本都能显示,闭孔动静脉显示情况不一,但两种成像方式显示率的差异并没有统计学意义。臀上下动脉干均可显示,但是不同成像方式对于臀上下动脉分支的显示情况不一。骶前静脉的显示情况,CE-MRA成像方式明显优于CTA成像方式。而卵巢动静脉、骶正中动静脉两种方式均未显示。各类血管显示情况,见表1、2。

表1 CTA与MRA模型对腹盆腔血管显示率的比较

续表1 CTA与MRA模型对腹盆腔血管显示率的比较

图1 CTA数字化三维模型

模型分类nLSGARSGALIGASIGACTA2547503836MRA2576816163

3 讨 论

彩色多普勒超声作为传统的评价盆腔血管血流的方法之一,其简便易行,价格低廉,但是容易受到肺部和肠气的干扰,且非常依赖操作者技术的熟练程度,且超声图片专业性强,一般非超声专业的临床医师较难看懂彩超图像上血管血流情况,不利于临床医师对于盆腔血管情况的观察了解。后续的DSA、CTA以及MRA技术,其共通点也是不同于彩超的地方是均需要经静脉注射一定剂量的对比剂,从而提高人体血管的对比度,有利于临床医师对于血管形态走形的辨识和观察分析。

MRA是一种新的血管成像技术,近年来发展迅速,国内外临床已将此项技术广泛应用于全身大部分血管检查,并取得了较好的成像效果[9]。但对于盆腔血管的研究,大部分还是集中于腹主动脉、下腔静脉、门静脉、髂总动静脉等大血管,对于盆腔的四级血管的研究还是不多。由于盆腔血管具有纤细迂曲,分布密度大,血流方向多样等特点,因此盆腔血管的MR成像技术必须具有高空间分辨率以显示迂曲的血管,同时还需对各个方向血流信号的高敏感性以显示整体血管,必须尽可能具有动脉和静脉分别显示的能力,以减少显示的血管的密度、减少重叠。CT血管成像技术目前已被广泛应用于各个科室,其成像速度快,成像范围广,空间分辨率高,一个患者从双肾动脉扫描至股动脉上段的动脉期成像也只需要15 s左右;而MRA成像所需时间相对较长,空间分辨率相对较低,但是MRA安全、无辐射;CTA显示血管细节必须采用薄层扫描,大范围的薄层扫描增加辐射剂量,不利于儿童和体弱患者,而MRA则可以多次重复扫描了解造影剂的代谢情况;且MRA使用的是顺磁性造影剂,安全性更高,几乎无肾脏毒性,肾衰的患者也能安全使用,发生过敏反应的概率也低,文献报道碘的重度过敏反应发生率为0.157%[10],而顺磁性造影剂的不良反应率仅为0.07%[11]。而CTA碘造影剂用量较大,发生过敏反应概率相对偏高,且具有肾脏毒性,致使高危人群不能行此检查。正是由于MRA所特有的优势,其在妇产科的应用前景将更为广阔,妇产科疾病患者大多为育龄女性,卵巢功能均需要保护,她们更乐意接受无辐射的MRA检查,即使MRA的费用相对更高一些。近年来,国内外关于MRA研究的相关报道也逐渐增多,Naguib等[12]利用MRI增强扫描三维重建血管成像技术重建了49例行子宫动脉栓塞术治疗的患者的盆腔动脉血管网,重建的三维动脉血管网可以显示大部分髂内动脉的分支及其起源,其中与UAE密切相关的子宫动脉的显示率为97%(95支)。因此,其认为MRI增强扫描三维重建血管成像技术是一种可以在UAE术前清楚显示盆腔动脉血管网的好方法,可以很好地实现对UAE的个性化指导。其在随后的另一项研究中,利用术前MRI增强扫描血管成像技术计算出的最佳球管倾斜角度指导子宫动脉栓塞术,可以有效地减少患者的X线辐射剂量、曝光时间以及造影剂剂量[13]。

CTA、MRA作为现在影像学上最常用的两种血管成像技术,各有优势。在成像效果和成像质量上各有特点。CTA扫描是以多层螺旋CT扫描为基础,通过血管注射对比剂以达到显示全身各部位血管为目的的一项无创性血管显示技术。其在靶血管内对比剂充盈的高峰期进行连续的原始数据容积采集,然后利用计算机的后处理功能重建靶血管,形成血管影成像。传统MRA多采用二维时间飞跃法,该法是利用流动血液的流入增强效应成像,最大的缺点是平行于扫描层面的血流和缓慢血流容易饱和致信号减弱,如横断面扫描时锁骨下动静脉、肾动静脉显示差。而3D-CEMRA不依赖流空效应,避免了涡流和湍流影,不受血流流速和方向的影响,对平行于扫描层面的血管、血管分叉及扭曲的血管均能清晰显示。本研究结果发现,由于CTA及MRA成像原理的差异,加之CTA扫描方向是横断面扫描,而MRA主要是冠状面扫描,对不同走行方向的血管显示情况不一样,根据原始数据所得重建模型显示效果也不一样。两种成像方式对于一到四级动脉血管的显示率并无太大差异,但CTA成像速度快,成像范围较MRA广,能一次显示全身动脉血管,对于巨大的盆腔包块、卵巢肿瘤,需要在术前了解包块血供来源从而评估手术时,CTA成像则是首选。而对于静脉系统的显示CTA常常仅显示到髂内外静脉,对于子宫静脉及髂内外静脉的其他分支则显示不佳,对于骶前静脉几乎不显影。CE-MRA不仅能同等程度的显示1~4级的动脉血管,而且对于能显示更多的臀上下动脉的分支,且能够显示更为丰富的静脉血管,尤其是骶前静脉的显影,对于像妇科盆底手术需要术前了解骶前区血管网的情况,CE-MRA成像则是首选。除此,CE-MRA是在MRI检查的基础上成像,鉴于MRI对于软组织的高分辨率,对于子宫肌瘤、子宫腺肌病、子宫内膜癌等盆腔疾病的诊断,或者是血管内介入治疗前后的评估,从四级血管的显示效果而言,MRA基本能达到CTA显示血管的效果,从盆腔脏器、病灶等软组织的显示效果而言,MRI是明显优于CT的。

总而言之,面对多种影像学检查,应根据诊断病情的需要,结合评估疾病侧重点的差异,为患者选择最佳的检查方式,既要考虑减轻患者的医疗费用,不能什么检查都做,但又要满足诊断评估病情的需要,则需要深入了解各类检查的侧重点,优劣势等特点。

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Using digitized 3D model for assessing characteristics of pelvic and abdominal vessel imaging of CTA and MRA*

ChenChunlin1,ChenLan1,LiuPing1△,TangLei2,ChenBin3,LiCaixia3,DuanHui1,TangLian1,ChenShuozhen1

(1.DepartmentofObstetricsandGynecology,NanfangHospital,SouthMedicalUniversity,Guangzhou,Guangdong510515,China;2.TeachingandResearchingSectionofHumanAnatomyandHistoembryology,SouthMedicalUniversity,Guangzhou,Guangdong510515,China;3.DepartmentofRadiology,NanfangHospital,SouthMedicalUniversity,Guangzhou,Guangdong510515,China)

Objective To construct the digitalized 3 dimensional(3D)model by using the CTA and MRA original images and to assess the differences in the pelvic and abdominal vessel display between CTA and MRA.Methods The original data set in 25 healthy youth female cases of CTA and MRA were collected.The datasets,reconstructed the 3D models of arteries and venous on 3D reconstruction software Mimics10.0 was used to construct the 3D model of pevic and abdominal vessels.The reconstruction situation of abdominal aorta,inferior vena cava,common iliac artery and common iliac venous,internal and external iliac artery and iliac venous,uterine artery,obturator artery and obturator venous,hip artery and its branches,internal pudendal artery,middle sacral artery and venous,ovarian artery and venous and sacral venous plexus were observed.Moreover the chi-square test was used to analyze whether the above vessel display rate having differences between the two kinds of model.Results The abdominal aorta,inferior vena cava,common iliac artery and common iliac venous,internal and external iliac artery and iliac venous and uterine artery almost reached 100%display.The display rates of CTA model for right and left obturator artery and venous were 92%,80%,44%and 32%respectively,while which of MRA model were 84%,72%,36%and 4%respectively,the difference was not statistically significant(P=0.382,P=0.508,P=0.564,P=0.382).The sacral venous plexus,including S1,2,3,4 transverse vein,the display rates in 25 cases of CTA 3D models were 4%,8%,0%and 4%respective,while which of MRA models were 76%,92%,96%and 44%respectively,the differences between them were statistically significant(P<0.01,P<0.01,P<0.01,P=0.01).Conclusion Based on the observation of 3D models,the displaying rate of grade 4 pelvic and abdominal vessels has no statistical difference between MRA imaging technology and currently widely used CTA technology,moreover the MRA technology is superior to the CTA technology in presacral vessel net display.

MRA,;CTA;pelvic and abdominal blood vessels;3D models

��·临床研究

10.3969/j.issn.1671-8348.2016.33.012

国家自然科学基金资助项目(81370736,81571422);国家自然科学基金重大项目(61190120 61190122);南方医科大学南方医院高层次匹配课题(2013020);南方医科大学南方医院院长基金(2012Z010)。 作者简介:陈春林(1963-),教授/主任医师,主要从事宫颈癌做创治疗与妇产科数字医学方面的研究。△

R445.4

A

1671-8348(2016)33-4646-04

2016-03-12

2016-06-26)

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