CT技术在评估急性缺血性脑卒中患者侧支循环中的应用

王春尧，章 强，陈慧军

(清华大学医学院生物医学影像研究中心，北京 100084)

·专题·

CT技术在评估急性缺血性脑卒中患者侧支循环中的应用

王春尧，章 强，陈慧军

(清华大学医学院生物医学影像研究中心，北京 100084)

脑侧枝循环在急性缺血性脑卒中的临床诊疗中非常重要，是急性缺血性脑卒中的治疗方案选择的重要依据，也能较好的预测患者的预后，因此使用影像学方法快速准确的确定缺血性脑卒中患者的侧枝循环状态至关重要，本文将系统的回顾目前临床实践和研究中常用的CT在缺血性脑卒中患者中评价侧枝循环的各种技术及其临床应用，包括单时相CT血管造影、多时相CT血管造影、以及CT灌注成像技术。

脑血管病小意外；侧枝循环; 计算机断层摄影术，X线计算机

陈慧军，男，博士，副教授，现任中国卒中学会脑血流与代谢分会委员，中国老年保健医学研究会精准医学分会委员，美国放射学会(RSNA)量化影像生物标记物联盟(QIBA)磁共振灌注扩散和功能成像(PDF-MRI)技术委员会委员，长期从事影像学技术研发和临床研究，在量化成像技术和后处理技术上有丰富的研究经验。

1 脑侧支循环概述

脑侧支循环是指当大脑的供血动脉严重狭窄或闭塞时，大脑血流借助其他血管或新生血管吻合，形成旁路，帮助血液到达脑部缺血区域，实现缺血区域的灌注代偿[1]。大脑侧支循环系统在脑供血中发挥着重要的代偿作用，是决定急性缺血性卒中后最终梗死体积的主要因素，也是影响血管内治疗和患者最终功能预后的主要因素[2]。

大脑的侧枝循环一般分为3级：其一级侧支循环为Willis环(大脑基底动脉环)，是脑内最重要、最主要的代偿途径，是颅内各主要动脉之间相互沟通的桥梁，可迅速使左、右大脑半球及前、后循环血流相互贯通。Willis环所连接大脑动脉主要包括大脑前动脉、大脑中动脉和大脑后动脉，其中前动脉和中动脉起始于颈内动脉，后动脉源于基底动脉；左、右脑半球前动脉之间由前交通动脉相连，大脑中动脉与后动脉之间由后交通动脉相连[3]。当Willis环中的一支动脉发生狭窄或闭塞，可通过Willis环上其他血管提供“侧支循环”代偿，使血液重分配，以维持脑部血液供应，对突发梗死后缺血区域和调节双侧大脑半球的血供起着重要作用[4]。因此，Willis环的结构完整性是发挥其侧支循环代偿能力的重要前提[2]，而普通人群中Willis环的完整率仅为42%～52%[5]。大多数缺血性脑卒中患者，由于Willis环结构本身不完整，不足以提供良好的侧支循环代偿，而发生梗死。大脑的二级侧支循环主要包括眼动脉和一级软脑膜侧支。当 Willis 环的代偿不能满足供血需求时，一些患者的二级代偿通路开始发挥作用[6]。眼动脉是重要的次级侧支代偿通路，可以沟通颈内动脉与颈外动脉[7-8]。如果颈内动脉在眼动脉发出之前出现慢性严重狭窄或闭塞，颈外动脉血流就会经眼动脉逆流以供应颈内动脉[9]。此外，大脑血管皮质支的末梢会在软脑膜内形成广泛的血管网，构成二级侧支代偿的另一通路----软脑膜吻合支[10-11]。主要有：大脑前动脉与大脑中动脉前分支、大脑后动脉与大脑中动脉下后支的吻合，小脑后下动脉与脑膜中动脉之间的吻合等[1]。而三级侧支循环为即新生血管，当次级代偿仍不能满足供血需求时，新生血管成为最终的侧支代偿途径。新生血管是指通过血管发生和动脉生成产生的新生血管供血，一般在缺血数天后才能完全建立并实现血流代偿[2]，是目前侧支循环代偿研究热点[9]。

侧支循环的建立受多种因素影响，如侧支循环系统的完整性和变异性、侧血管管径、脑血管狭窄程度和狭窄速度，其他相关疾病及遗传因素等[3]。 Willis环的完整性和变异性是影响一级侧支代偿的主要因素。有学者将Willis环形态分为4种类型：Ⅰ型-Willis环完整；Ⅱ型-Willis环前循环完整，后循环不完整；Ⅲ型-Willis环后循环完整，前循环不完整；Ⅳ型-Willis环前、后循环均不完整。其中，后交通动脉变异占绝大多数，表现为胚胎型大脑后动脉，发生率为25%～32%[12]。由于一级侧支循环先天形成，临床治疗无法干预[10]。而对二三级循环来说，研究发现慢性动脉狭窄更有利于侧支循环代偿途径的建立[13]，血管狭窄越严重，愈有利于激发新生血管的生成，这也与大脑长期低灌注导致多种促血管生长因子浓度增加，进而导致新生血管增多有关[3]。但缺血性卒中常见的危险因素，如高血压、高血脂及糖尿病等会影响血管调节和内皮功能，进而阻碍三级侧支循环的建立[14-15]。由此可见，患者的侧支循环收到很多因素的影像，而且存在很大的个体差异性，因此在临床实践中，快速正确的评价患者的侧支循环状态尤为重要。

2 使用CT进行大脑侧支循环的影像学评估方法

脑侧支循环对缺血性脑卒中维持脑灌注发挥着重要作用，借助数字剪影血管造影(DSA)、磁共振成像(MRI)、CT等医学影像技术，可以对卒中患者侧支循环情况进行微创或者无创的定性和定量评估，有助于医生开展个性化医疗方案，进行预后评估和卒中风险的分级。其中，CT成像技术具有无创、操作简便、成像时间短、价格相对便宜等优点，成了大脑侧支循环评估的常用手段，通常会使用CT血管造影(CTA)和CT灌注成像(CTP)等技术，可对缺血性脑卒中患者提供丰富的脑部血液动力学信息和侧支循环状况，对预测脑部再灌注情况、出血风险和功能恢复具有重要参考价值，同时对术后出血转移风险也有很好的预警作用[16]。

2.1 传统单时相CT血管造影(single-phase CTA) CTA是一种无创的颅内血管成像技术，通过静脉团注碘造影剂，并使用CT在目标区域造影剂浓度达到峰值时一次连续扫描，得到增强后的单时相三维数据，该数据需要使用薄层重建，常见重建层厚为0.5～1.0 mm之间，再结合图像后处理技术，对原始数据进行最大密度投影(MIP)或者三维体重建(VR)，可以从多个角度显示血管结构，较准确的评价血管狭窄程度和侧支循环情况[1]，常用于评价一、二级侧支循环。

单时相CTA在评估Willis环的解剖变异时准确性较高(敏感性和特异性均大于90%)，但在描述发育不良的结构时存在一定局限性(敏感性52.6%，特异性98.2%)[17]。多项研究表明，CTA技术在评价侧支循环完整性和软脑膜侧支结构方面具有重要的临床参考价值。有研究发现，使用单时相CTA评价的具有较好侧支循环的患者，其美国国立卫生研究院卒中量表(National Institute of Health Stroke Scale， NIHSS)分数明显低于代偿较差组，最终梗死面积和梗死扩大也明显小于较差组[18-20]。刘蓉等[21]回顾性分析60例大脑中动脉M1段闭塞的患者，利用CTA评估侧支循环，证明大脑中动脉M1段闭塞后可运用CTA侧支循环评分对最终梗死体积进行简单量化评估，对临床治疗及预后有参考价值。Miteff等[19]利用CTA技术对92例患者脑侧支循环状况的评估结果显示，较好的侧支循环状况与减小的梗死面积和较好的功能预后具有显著相关性，侧支状况可作为预测预后恢复的显著指标。

然而传统的单时相CTA在侧支循环评估方面有一定的局限性。主要是，单时相CTA只能显示对比增强峰值时期的一个时相结果，而不能提供丰富的血流动力学信息。由于侧支循环代偿是通过侧支血管供血，因此，一般通过侧支循环供给脑区的造影剂峰值时间会晚于正常供血的脑区，特别是对于通过二、三级侧支循环供血的脑区而言。而且由于个体的侧支状况、心功能等参数存在很大的不同，药物峰值时间个体差异较大，在实际临床扫描中很难准确获得。这些原因导致传统单时相CTA的扫描时间点很容易错过通过侧支循环供血的脑区的造影剂峰值时间，从而造成对侧支循环代偿的低估[22]。

2.2 多时相CT血管造影(multi-phase CTA，MP-CTA) 近年来，为了克服传统单时相CTA在评估侧支循环上的缺点，有研究者提出了新的MP-CTA，并在各种临床研究和实践中逐步推广，在评价缺血性脑卒中的侧支循环方面前景广阔。

相比于传统单时相CTA，MP-CTA的主要技术改进就是在多个时间点都获取CTA数据，除了传统的动脉峰值期，还会采集静脉峰值期和静脉峰值末期的CTA图像[22]。其中的关键扫描技术，是在保证CTA所需的空间分辨率和全脑覆盖范围的情况下，满足多时相采集所需的时间分辨率。因此，需要CT扫描仪的探测器达到一定的宽度。目前临床使用的多种CT扫描仪，由于它们的CT探测器宽度不同，衍生出多种可以用于MP-CT的扫描技术[23]，包括多层同时技术(toggling-table technique)、摇篮床模式(shuttle mode)和容积扫描模式(volume mode)等。其中，多层同时技术和摇篮床模式都是在CT探测器宽度不够覆盖全脑的情况下，通过扫描床的移动(螺旋扫描)来达到全脑覆盖，但所需扫描时间相对较长，因此对探测器宽度也有一定要求，一般不低于64排的CT扫描仪可以达到所需的时间分辨率[22]。然而，移床有可能带来图像伪影和偏移等问题[23]。相对而言，容积扫描模式最为先进，但对扫描仪的探测器宽度要求较高，目前只有少数CT扫描仪具备宽度足以覆盖全脑尺寸的扫描器，不需要通过摇床等技术达到。更重要的是，通过这种扫描方式可以以非常高的时间分辨率(≤2 s)进行MP-CTA的采集，获得更多时项的CTA图像，也被称为4D-CTA，其高时间分辨率甚至可以满足CT灌注成像(CTP)的要求，也就是一次扫描实现4D-CTA和CTP的同时采集。MP-CTA的放射性计量也是临床关注的热点问题，虽然单次时相采集时辐射剂量小于传统CTA，但MP-CTA多时相扫描期间的累计辐射剂量还是显著高于传统CTA[24]。使用具有宽探测器和先进重建技术的CT扫描仪可以显著降低MP-CTA的辐射剂量。

在临床研究上，相比传统单时相CTA技术，MP-CTA可以更好的评估血栓负荷和发现侧支循环以及再生血管。Smit等[25]对40例急性缺血性卒中患者侧支循环情况打分发现，相比传统单时相CTA，利用MP-CTA技术打分的侧支循环优良率为84%的，显著高于单时相CTA侧支循环优良的49%，证明了传统单时相CTA无法准确抓到造影剂峰值所带来的侧支循环低估。Menon等[22]对147例患者研究证实，在预测缺血性卒中的预后方面，MP-CTA评价的侧支循环状态显示出了出色的可重复性，而且相比与单时相CTA，MP-CTA有更好的ROC曲线。Flores等[26]也证实利用MP-CTA技术评估的侧支循环好坏可以独立预测再灌注疗法后恶性大脑中动脉发展情况。Kim等[27]的研究证明，多时相CT技术在预测卒中患者侧支循环血流方面，显示出了和DSA类似的结果，有望成为预测急性缺血性卒中患者侧支状况的新方法。

2.3 CTP CTP可对大脑血流灌注情况进行快速的定量和定性评估，其基本原理是在注射造影剂的情况下，通过动态多时项的图像采集记录造影剂进入大脑的过程，再通过对造影剂进入的过程进行数学建模，可计算出一些脑血流参数，进而定量评估脑血流动态灌注情况[28]。CTP可反映脑侧支循环、梗死核心区以及缺血半暗带的相关信息。不同于CTA，CTP可以反映出三级侧支循环，因此，目前大部分的研究都是CTP结合CTA，互补两者的优缺点，更加全面的评估脑侧支循环。

CTP成像一般与CTA一样使用常见的CT碘造影剂，并通过团注的方式通过静脉注射给药[28]。CTP的多时相采集有多种方案[22，29]，一般要求为每个时项的时间分辨率为1～3 s，总采集时间为50～60 s，采集的时项需要覆盖到造影剂还没有进入目标脑区、进入和输出的整个过程。不同于CTA，CTP成像由于需要进行模型分析，对时间分辨率的要求很高；而为了提高分析的稳定性，对图像的信噪比要求较高，因此薄层重建不常见，而5 mm层厚重建较为常见；在进行脑侧支循环评估时，由于主要目标是大脑的缺血区域，并不需要看一二级侧支，因此不需要覆盖全脑。一般探测器不低于64排的CT可以进行CTP的扫描，而前述的宽探测器4D-CTA扫描模式可以实现一次扫描实现4D-CTA和CTP的同时采集，可最小化辐射剂量并获得丰富的信息。CTP的分析技术主要包括最大斜率法和解卷积法[30]，其中解卷积法有多种算法，如，奇异值分解(SVD)、反相滤波法、调制传递函数法等，最终可得到的参数主要为脑血流量(CBF)、脑血容量(CBV)、到达峰值时间(TTP)和平均通过时间(MTT)等反应脑血流的参数。

在临床研究中，Cortijo等[31]的研究结果证实，较高的相对脑血容量(rCBV)对应较好的侧支循环代偿，并有可能显示在急性大脑中动脉缺血性卒中的持续性危险组织的耐受性。Wintermark等[32]的研究证实了CTP是区分卒中梗死组织和半暗带的重要手段，通过合适的溶栓治疗，半暗带区域有可能得到恢复[33]；而梗死区域无法通过再灌注得到恢复，并在溶栓治疗后有可能增加脑出血风险[34]。对于脑灌注参数评估，一般认为梗塞危险区呈现CBF下降、CBV正常或升高和MTT升高；而梗死区则呈现CBF和CBV的同时下降以及MTT的升高[32，35]。汤文琴等[36]对46例单侧MCA闭塞者进行CTA和CTP联合扫描，结果显示，相比健康侧，患侧MCA供血区TTP明显延长，CBV、CBF略升高，MTT略延长，侧支丰富组CBV、CBF、TTP均高于侧支减少组，MTT低于侧支减少组；证明丰富的侧支循环可以有效改善闭塞MCA远端缺血区脑组织血流灌注。林盛东等[37]的类似研究结果同样证实：急性缺血性卒中患者中有侧支循环者脑灌注代偿率高，而且其脑血容量和脑血流量均高于无侧支循环者。

侧支循环作为脑循环重要代偿机制之一，在临床上正确评价缺血性卒中患者的侧支循环对于治疗方案的选择和预后评估发挥着重要作用[2， 12]。CT成像技术，包括CTA和CTP，可以在临床上进行及时的影像学检查，并可在短时间内评估患者的侧支循环状况，具有重要的临床意义。

[1] 李乾露， 杨德雨，刘波，等.脑供血侧支循环的影像学评估[J]. 中国卒中杂志，2015，10(2): 175-180.

[2] 黄家星， 林文华，刘丽萍，等.缺血性卒中侧支循环评估与干预中国专家共识[J]. 中国卒中杂志， 2013，8(7): 285-293.

[3] Liebeskind DS.Collateral circulation[J]. Stroke， 2003，34(9): 2279-2284.

[4] 吴江. 神经病学[M].2版.北京：人民卫生出版社，2010: 152-158.

[5] Okahara M，Kiyosue H， Mori H，et al. Anatomic variations of the cerebral arteries and their embryology: a pictorial review[J]. Euro Radiol，2002，12(10): 2548-2561.

[6] Lee RM. Morphology of cerebral arteries[J]. Pharmacol Ther， 1995，66(1): 149-173.

[7] 王富鑫，李龙宣. 脑侧支循环与缺血性脑卒中[J]. 国际神经病学神经外科学杂志， 2015，42(1): 77-80.

[8] 群森，吴君仓. 脑侧支循环与缺血性卒中的研究进展[J]. 中华脑科疾病与康复杂志:电子版， 2016，6(2): 93-96.

[9] 王雁，孙晓明，张晨.缺血性脑卒中与侧支循环[J]. 临床神经病学杂志，2011，24(2): 158-159.

[10] 杜鹃，赵红如. 脑侧支循环与缺血性卒中[J]. 国际脑血管病杂志，2012，20(9): 701-705.

[11] Christoforidis GA，Mohammad Y， Kehagias D， et al.Angiographic assessment of pial collaterals as a prognostic indicator following intra-arterial thrombolysis for acute ischemic stroke[J]. Am J Neuroradiol， 2005，26(7): 1789-1797.

[12] Romero JR，Pikula A， Nguyen TN，et al. Cerebral collateral circulation in carotid artery disease[J]. Curr Cardiol Rev，2009，5(4): 279-288.

[13] Kitagawa K，Yagita Y， Sasaki T，et al. Chronic mild reduction of cerebral perfusion pressure induces ischemic tolerance in focal cerebral ischemia[J]. Stroke， 2005，36(10): 2270-2274.

[14] Iadecola C，Davisson RL.Hypertension and cerebrovascular dysfunction[J]. Cell Metab，2008，7(6): 476-484.

[15] Omura-Matsuoka E，Yagita Y， Sasaki T，et al. Hypertension impairs leptomeningeal collateral growth after common carotid artery occlusion: restoration by antihypertensive treatment[J]. J Neurosci Res，2011，89(1): 108-116.

[16] Lin M，Liebeskind D. Imaging of ischemic stroke[J]. Continuum (Minneap Minn)， 2016，22(5，Neuroimaging): 1399-1423.

[17] Hoksbergen AW，Fülesdi B， Legemate DA，et al. Collateral configuration of the circle of willis. Transcranial color-coded duplex ultrasonography and comparison with postmortem anatomy[J]. Stroke， 2000，31(6): 1346-1351.

[18] Tan IY，Demchuk AM， Hopyan J，et al. CT Angiography clot burden score and collateral score: correlation with clinical and radiologic outcomes in acute middle cerebral artery infarct[J]. Am J Neuroradiol，2009，30(3): 525-531.

[19] Miteff F，Levi CR， Bateman GA，et al. The independent predictive utility of computed tomography angiographic collateral status in acute ischaemic stroke[J]. Brain， 2009，132(8): 2231-2238.

[20] Angermaier A，Langner S， Kirsch M，et al. CT-angiographic collateralization predicts final infarct volume after intra-arterial thrombolysis for acute anterior circulation ischemic stroke[J]. Cerebrovasc Dis，2011，31(2): 177-184.

[21] 刘蓉，朱江涛，龚建平，等.利用CTA的侧支循环评分预测大脑中动脉M1段闭塞后脑梗死体积及分布情况[J]. 放射学实践， 2016，31(10): 919-923.

[22] Menon BK，d′Esterre CD， Qazi EM，et al. Multiphase CT angiography: a new tool for the imaging triage of patients with acute ischemic stroke[J]. Radiol，2015，275(2): 510-520.

[23] Kortman HG，Smit EJ， Oei MT，et al. 4D-CTA in neurovascular disease: a review[J]. Am J Neuroradiol，2015，36(6): 1026-1033.

[24] Yang CY， Chen YF， Lee CW，et al. Multiphase CT angiography versus single-phase CT angiography: comparison of image quality and radiation dose[J]. Am J Neuroradiol，2008，29(7): 1288-1295.

[25] Smit EJ，Vonken EJ，van Seeters ST， et al. Timing-invariant imaging of collateral vessels in acute ischemic stroke[J]. Stroke， 2013，44(8): 2194-2199.

[26] Flores A，Seró L，Rubiera M. Response to letter regarding “poor collateral circulation assessed by multiphase computed tomographic angiography predicts malignant middle cerebral artery evolution after reperfusion therapies”[J]. Stroke， 2015，46(11): 3149-3153.

[27] Kim SJ，Noh HJ，Yoon CW，et al. Multiphasic perfusion computed tomography as a predictor of collateral flow in acute ischemic stroke: comparison with digital subtraction angiography[J]. Eur Neurol， 2012，67(4): 252-255.

[28] Hoeffner EG，Case I， Jain R，et al. Cerebral perfusion CT: technique and clinical applications[J]. Radiology， 2004，231(3): 632-644.

[29] Moraff A， Heit J， Wintermark M. Stroke/cerebral perfusion CT: technique and clinical applications// Medical radiology[M]. Berlin: Springer， 2017: 1-11.

[30] Kudo K，Sasaki M， Yamada K， et al. Differences in CT perfusion maps generated by different commercial software: quantitative analysis by using identical source data of acute stroke patients[J]. Radiol， 2010，254(1): 200-209.

[31] Cortijo E，Calleja AI，García-Bermejo P，et al. Relative cerebral blood volume as a marker of durable tissue-at-risk viability in hyperacute ischemic stroke[J]. Stroke， 2014，45(1): 113-118.

[32] Wintermark M，Maeder P， Thiran JP，et al. Quantitative assessment of regional cerebral blood flows by perfusion CT studies at low injection rates: a critical review of the underlying theoretical models[J]. Eur Radiol， 2001，11(7): 1220-1230.

[33] Shetty SK，Lev MH. CT perfusion in acute stroke[J]. Neuroimag Clin N Am， 2005，15(3): 481-501.

[34] Koenig M，Klotz E， Luka B，et al. Perfusion CT of the brain: diagnostic approach for early detection of ischemic stroke[J]. Radiol， 1998，209(1): 85-93.

[35] Nabavi DG，Cenic A， Craen RA，et al. CT Assessment of cerebral perfusion: experimental validation and initial clinical experience[J]. Radiol， 1999，213(1): 141-149.

[36] 汤文琴， 黎红华，陈信坚，等. 大脑中动脉闭塞患者侧支循环与脑灌注研究[J]. 中风与神经疾病， 2016，33(6): 517-520.

[37] 林盛东， 黎红华，陈信坚，等. 大脑中动脉狭窄或闭塞患者侧支循环320排计算机断层扫描血管成像联合脑灌注成像研究[J]. 中国卒中杂志， 2015，10(1): 56-60.

读者·作者·编者

本刊关于参考文献著录要求

论著、综述类文章参考文献不少于20条。仅限作者亲自阅读过的近期主要文献，未发表的观察资料和个人通讯一般不作为参考文献。示例如下：

例1：期刊：[序号] 作者姓名( 列出前3 位作者，余者加“等”)。题名[文献类型标志]。刊名( 外文期刊可缩写)，出版年，卷号(期号)：起止页码。

[1] 崔炜.2015心血管病学重要临床进展[J].临床荟萃，2016，31(2)：123-130.

[2] Zeng Z， Xu W， Jia L，et al. Clinical outcomes of single-level minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion with tube work channel system[J]. Zhonghua Yi Xue Za Zhi，2016 ，96(11):874-878.

例2：专著：[序号] 作者姓名( 列出前3 位作者，余者加"等")。书名[文献类型标志].版本(第1版不标注).出版地：出版者，出版年：起止页码.

[1] 何礼赞. 实用内科学[M].14 版. 北京：人民卫生出版社，2013:1775.

(本刊编辑部)

CT in evaluating cerebral collateral circulation of acute ischemic stroke patients

Wang Chunrao， Zhang Qiang， Chen Huijun
CenterofBiologicalMedicalImage，MedicalSchool，TsinghuaUniversity，Beijing100034，China

ChenHuijun，Email:chenhj_cbir@mail.tsinghua.edu.cn

Cerebral collateral circulation is important in the treatment of acute ischemic stroke. Collateral circulation is a major aspect that physicians would consider to decide the treatment of acute ischemic stroke and a good indicator of patient prognosis. Thus， it is important to accurately evaluate collateral circulation of acute ischemic stroke patients. This paper will review the techniques and clinical applications of CT in collateral circulation assessment， including single-phase CT angiography， multi-phase CTA， and CT perfusion.

cerebrovascular disorders; collateral circulation; tomography， X-ray computed

陈慧军，Email: chenhj_cbir@mail.tsinghua.edu.cn

R743.3

A

1004-583X(2017)09-0747-05

10.3969/j.issn.1004-583X.2017.09.003

2017-08-14 编辑:武峪峰