3D颅颈联合血管壁成像评估动脉粥样硬化的可重复性研究

沈宓，高培毅,2，杜康，陈硕

1.首都医科大学附属北京天坛医院 放射科，北京 100050；2.北京市神经外科研究所，北京 100050；3.清华大学医学院 生物医学工程系，北京 100084

引言

动脉粥样硬化是缺血性脑卒中的重要致病因素。近年来，多项研究证明磁共振血管壁成像（Vessel Wall Imaging，VWI）分辨率高，组织对比度好，是一种能够准确显示血管壁、评估动脉粥样硬化的影像学检查手段[1-2]。

动脉粥样硬化不是具有靶向性的局限性疾病，而是系统性疾病，常常累及多个血管床。磁共振VWI对颈动脉评估的可靠性已得到多项研究证实，它不仅能够显示血管壁是否存在斑块、斑块形态和斑块成分，还能够观察斑块的动态进展，评估药物、介入以及颈动脉内膜剥脱等治疗方式的疗效[3]。颈动脉磁共振成像和颈动脉斑块组织病理学分析的对照研究表明，VWI能够准确地定性以及定量分析颈动脉斑块大小、斑块形态学和成分特征[4]。然而，仅仅根据颈动脉MRI结果对缺血性卒中患者进行评价是不完全的。近年来，对缺血性卒中患者颅内动脉的VWI评估研究备受关注。多项研究表明，颅内大动脉粥样硬化斑块的分布、大小、是否存在IPH以及血管的重构性等特征与缺血卒中事件的发生密切相关，并已成为脑卒中MR血管成像的研究热点之一[5-8]。另有研究显示，相比于西方人群，中国缺血性卒中患者的责任血管多发生在颅内动脉[8]。这些研究结果提示我们，对我国缺血性脑卒中患者进行颅颈大动脉联合磁共振成像至关重要。

传统的2D VWI技术存在一定的局限性，其扫描时间长、扫描范围局限，无法进行颅颈大动脉联合成像。新一代的3D VWI分辨率高，在同样的扫描时间内能够覆盖较大范围，实现颅颈大动脉联合成像，极具临床应用价值[9-11]。在广泛应用于临床评估之前，3D颅颈联合VWI的可重复性需要进行验证，且到目前为止，尚无此类研究发表。因此，本研究旨在对3D颅颈联合VWI评估大动脉粥样硬化的可重复性进行评估，进一步为其广泛应用于临床奠定基础。

1 材料和方法

1.1 入组对象

入组2017年10月至2018年2月北京天坛医院收治10例患者，其中男性9例，年龄范围27～67岁（中位数57.5岁）。所有患者均满足以下入组标准：① 颅内平扫MRI及临床资料完整；② 经磁共振血管造影（Magnetic Resonance Angiography，MRA）或计算机断层血管造影（Computed Tomography Angiography，CTA）证实一侧颈动脉和/或大脑中动脉M1段存在≥30%狭窄；③ 完成两次颅颈联合血管壁扫描，两次扫描时间间隔不超过一个月，两次扫描颅内动脉及颈动脉3D序列的参数及扫描定位一致，确保重建后的图像能够配准；④ 两次扫描之间无心脑血管事件再次发生；⑤ 两次扫描之间未进行溶栓、桥接治疗、动脉取栓或颈动脉内膜剥脱手术治疗。对10例患者两次扫描的双侧颈动脉及大脑中动脉M1段血管管腔及血管壁进行评估。本研究获得北京天坛医院伦理委员会批准，所有患者均需签署知情同意书。

1.2 MR影像检查

所有患者均行常规头颅MR扫描及3D颅颈联合磁共振血管壁成像，扫描采用西门子3.0 T磁共振（Trio,Siemens Healthcare, Erlangen, Germany）及标准8通道头线圈和8通道颈动脉线圈完成。颅内3D血管成像序列包括：三维时间飞跃法磁共振血管造影（3D-TOF MRA）、T1加权三维快速自旋回波血管壁成像序列（T1W SPACE）[12]以及重T1加权相位敏感反转恢复序列（PSIR）[13]。颈动脉3D血管成像序列包括：3D-TOF MRA、T1W SPACE以及重T1加磁化准备快速梯度回波序列（MPRAGE）。血管壁成像序列主要扫描参数包括：颅内T1 SPACE序列，轴位扫描，TR 800 ms，TE 22 ms，空间分辨率0.8 mm×0.8 mm×0.8 mm，视野（FOV）180 mm×180 mm，扫描时间5'2''；颅内PSIR序列，轴位扫描，TR为一个心动周期，TE 2.3 ms，空间分辨率0.8 mm×0.8 mm×0.8 mm，FOV 180 mm×180 mm，扫描时间4'38''；颈动脉T1 SPACE序列，冠状位扫描，TR 800 ms，TE 22 ms，空间分辨率0.8 mm×0.8 mm×0.8 mm，FOV 180 mm×170 mm，扫描时间4'21''；颈动脉MPRAGE序列，轴位扫描，TR 8.8 ms，TE 5.3 ms，空间分辨率0.8 mm×0.8 mm×0.8 mm，FOV 140 mm×140 mm，扫描时间3'19''。

扫描定位方法如下。颅内3D血管壁成像：首先使用快速2D-TOF定位序列进行扫描，再以Willis环为中心进行轴位3D-TOF MRA，T1W SPACE以及PSIR序列的定位，扫描范围包括大脑中动脉M1段及颅内颈动脉段。颈动脉3D血管壁成像：首先使用快速2D-TOF定位序列进行扫描，再以双侧颈动脉分叉水平的中心层面为扫描中心进行轴位3D-TOF MRA，MPRAGE及冠状位T1W SPACE序列的定位，扫描范围包括颈总动脉到颅底范围的整个颅外颈动脉。

1.3 影像评估

所有图像均屏蔽临床信息，使用随机盲法进行分析。入组患者左右两侧血管均纳入分析，所有图像均使用开源软件（Horos 2.1）进行后处理，并由两名具有3年以上MR VWI图像判读经验的放射诊断医师完成，当判读结果有争议时，由两名医师协商解决。

1.3.1 3D颅颈联合VWI影像质量评估

本研究将3D颅颈联合VWI影像质量分为3个等级，分级标准如下：1级=好，所有序列血管壁显示清晰，无伪影；2级=中，1个序列能清晰显示血管壁，其他序列有伪影；3级=差，所有序列均无法清晰显示血管壁，有明显伪影。1级及2级影像可使用，3级影像排除。

1.3.2 颅颈大动脉评估

本研究将颅颈动脉分为颈总动脉段（Common Carotid Artery，CCA）、劲动脉窦段（Bulb）、颈内动脉 C1段（C1）、颈内动脉C2～C7段和大脑中动脉M1段（M1）5部分进行分析。颈动脉CCA、Bulb、C1、C2～C7分析的主要特征包括斑块存在、管腔面积（Lumen Area，LA）、管壁面积（Wall Area，WA）、最大管壁厚度（Maximum Wall Thickness，MWT）、斑块内出血（Intraplaque Hemorrhage，IPH）存在、钙化存在、溃疡存在。当所分析节段存在斑块时，上述指标于血管最狭窄处测量；当所分析节段无斑块时，CCA指定于颈动脉分叉以下10 mm处测量，Bulb指定于颈动脉分叉处测量，C1指定于颈动脉分叉以上10 mm处测量，C2～C7于C7段起始处测量。并且，每侧颈动脉于最狭窄处测量其狭窄程度。大脑中动脉M1段分析的主要特征包括斑块存在、狭窄程度、斑块分布节段、斑块分布象限、斑块长度、最大管壁厚度、最大斑块面积、正常管腔直径、IPH。具体分析方法：将大脑中动脉M1段根据长度等分为3段，由近端至远端分别标记为1、2、3段，根据斑块的节段位置进行分类计数。斑块分布象限测量方法参照Xu等[14]的研究，将大脑中动脉M1横断面分为上壁、下壁、前壁、后壁，根据斑块主体的截面分布进行分类计数。对于M1段无斑块的患者，于M1段分叉近端测量正常管腔直径以及最大管壁厚度。

1.4 统计学分析

采用MedCalc1 5.8软件对数据进行统计分析。计量资料以（±s）表示，采用组内相关系数（Intraclass Correlation Coefficient，ICC）评价两次扫描测量结果的可重复性，ICC＞0.75认为一致性良好，检验水平为0.05。使用Bland-Altman方法评价2次扫描测量参数的差异。同时，计算两次扫描的变异系数（Coefficient of Variation，CV）。采用Kohen Kappa分析评价两次扫描测量的分类资料的一致性，并计算Kappa值，Kappa≥0.8时认为一致性极好；0.8＞Kappa≥0.6时认为一致性较高；0.6＞Kappa≥0.4时认为一致性一般；Kappa＜0.4时认为一致性很差。

2 结果

2.1 一般情况

共计10例患者完成两次颅颈联合血管壁成像，其中1例因图像质量差无法满足判读要求被排除。共有18根血管，72个颈动脉节段和18个大脑中动脉节段被纳入统计分析，其中26个颈动脉节段和8个大脑中动脉节段发现存在斑块。颈动脉斑块共14个，大脑中动脉斑块共8个（图1）；6根（33.33%）血管出现颅颈共存斑块（其中2根于颈动脉Bulb段和C2～C7段存在2个独立斑块），颈动脉单独存在斑块血管6根（33.33%），MCA单独存在斑块血管2根（11.11%），4根（22.22%）血管颅颈动脉均无斑块。

2.2 定性分析

在检测出斑块的26个颈动脉节段中，CCA有6个节段（23.08%），Bulb有9个节段（34.62%），C1有5个节段（19.23%），C2～C7有6个节段（23.08%）。对于斑块检出率，两次扫描完全一致（Kappa=1.00）。第一次扫描共检出颈动脉8个节段（11.11%）存在IPH，10个节段（13.89%）存在钙化，2个节段（2.78%）存在溃疡；第一次扫描共检出颈动脉7个节段（9.72%）存在IPH，9个节段（12.5%）存在钙化，2个节段（2.78%）存在溃疡。对于颈动脉斑块IPH（Kappa=0.78，95% CI：0.53～1.00）识别的一致性较高，对于钙化（Kappa=0.82，95% CI：0.62～1.00）的识别一致性极好，对于颈动脉溃疡的识别完全一致（Kappa=1.00）。两次扫描对于大脑中动脉斑块分布节段、分布象限、IPH的判断完全一致（k=1.00）；在8个大脑中动脉斑块中，4个斑块位于下壁，1个位于前壁，1个位于后壁，2个呈环形增厚；2个斑块位于大脑冲动脉 M1近段，3个位于M1中段，3个位于M1远段；2个斑块表现为T1高信号，被判断为IPH。

图1 两次颅颈联合血管壁扫描典型图像

2.3 定量分析

定量分析结果（表1）表明颈动脉CCA、Bulb、C1、C2～C7及颅内大脑冲动脉段各参数均具有良好的一致性（ICC＞0.75），且无统计学差异（P＞0.05）。各参数的变异系数范围为4.22%～14.36%。Bland-Altman图显示颈动脉各节段管腔面积、管壁面积、最大管壁厚度、狭窄程度，以及大脑中动脉管腔直径、最大管壁厚度、斑块长度、斑块最大面积、狭窄程度等参数绝大部分点均位于95%一致性界限内（图2），表明两次扫描测量结果一致，可重复性好。

3 讨论

本研究首次评价3D序列进行颅颈联合大血管壁成像的可重复性，评估其对血管管腔及管壁显示情况，包括斑块是否存在、斑块负荷、斑块成分以及血管狭窄程度的一致性。结果显示3D颅颈联合血管壁成像可重复性好。

3D VWI成像因使用变角度快速自旋回波序列能够增加回波链长度，提高扫描效率，并保证图像锐利度[15]。此外，3D VWI为各向同性分辨率扫描，扫描图像可以进行任意方位重建。在判读时结合多个方位的图像，有利于识别血流伪迹，并避免血管走行复杂区域部分容积效应导致的误差，从而准确判定斑块的存在。另外，由于成像范围大，可以结合冠状位或轴位图像准确测量血管狭窄程度。因黑血成像对血流的抑制不依赖于血液的流入流出效应，VWI对血流的依赖性低于TOF-MRA，所以根据成像原理黑血测量血管狭窄程度准确率较高[16]，其准确性应高于TOFMRA。同时，也是最重要的方面即可以进行斜矢状位重建，斑块负荷、斑块截面分布以及斑块成分在斜矢状位图像评估最为准确。

表1 颈动脉及大脑中动脉各节段形态学参数可重复性

图2 颈动脉及大脑中动脉斑块定量参数Bland-Altman比较图

当患者配合良好，成像的图像质量能够满足判读要求时，血管壁成像的可重复性主要取决于三方面：扫描的可重复性、评估层面选择的可重复性和测量标记的可重复性。本研究中，患者扫描均采用标准化流程，扫描定位、扫描范围、线圈使用、序列参数均能保证统一，这是进行MR成像可重复性验证的基础，也是进一步对动脉粥样硬化定性及定量评估的保障。评估层面的选择在本研究中遵从以下原则：

（1） 建立统一的图像后处理标准，颈动脉均采用水平位、斜矢状位重建，大脑中动脉均垂直于M1段血管走行方向重建，重建层厚均为0.8 mm，与扫描的空间分辨率一致。

（2）根据已发表的脑血管分段方法，并结合动脉粥样硬化斑块的分布特点，本研究采用统一的简化的分段测量方法。

（3）对每一节段评估层面的选择进行了明确的规定：当所分析的节段存在斑块时，定性及定量测量均于血管最狭窄处进行；当所分析的节段无斑块时，指定CCA于颈动脉分叉以下10 mm处测量，Bulb于颈动脉分叉处测量，C1于颈动脉分叉以上10 mm处测量，C2～C7于C7段起始处测量，M1段于分叉近端测量。

（4）所有选择的层面均放大4倍后进行测量。层面选择完毕之后，测量标记的可重复性依赖于图像判读医生丰富的经验。本研究中参与判读的两名医生均经过美国华盛顿大学西雅图血管成像实验室以及清华大学生物医学影像研究中心的培训，并具有多年的判读经验。因此，经过严格执行上述原则，本研究同一患者的两次扫描结果、正常颅颈大动脉以及病变血管的两次扫描结果均具有非常好的可重复性。上述结果既能够说明3D颅颈联合血管壁成像序列扫描的稳定性好，更能证明其评估动脉粥样硬化（包括斑块是否存在、斑块负荷、斑块成分、血管狭窄程度）的可重复性好。

本研究中颈动脉IPH的可重复性尽管也非常好（Kappa=0.78），但是仍低于其它定性及定量指标。根据之前发表过的研究，IPH定义为重T1WI序列显示斑块内高信号强度比同层面灰质（颅内动脉）/胸锁乳突肌（颈动脉）信号强度大于1.5倍，因此客观的测量标准能够保证IPH测量的可重复性。但由于每名患者两次扫描的时间间隔不一致，分别为1～28天不等（中位数6天），其间，虽然均未经过溶栓、机械取栓、桥接治疗或CEA治疗，但症状性脑梗死患者均需进行常规的保守治疗。因此，两次扫描时间间隔不统一，使得治疗有可能对斑块成分造成影响，导致信号表现不一致。之前的研究表明，斑块内出血可以保持多年[17-20]，目前尚无IPH信号在短期内发生剧烈变化的研究报告。因此，本研究入组标准规定的两次扫描时间间隔为1个月是合理的，不但充分考虑了同一患者进行两次颅颈联合大血管成像的可行性，同时也结合了斑块成分演变的规律。但仍出现两次扫描IPH的差异，提示重度狭窄（70%＜狭窄率≤99%）的病变血管，其信号强度变化大的高信号，有可能代表重度狭窄之后血栓形成，并非IPH。血栓形成于斑块表面，而IPH位于斑块内，这两者的信号演变规律可能存在差异。另外，之前关于IPH的研究均基于2D VWI，本研究采用3D血管壁成像，其分辨率更高，对斑块成分的评价也更为真实客观。

本研究发现颈动脉CCA、Bulb、C1、C2～C7及大脑中动脉M1段均有斑块发生，并且33.33%的颅颈血管存在共存斑块。这反映出进行大范围斑块成像和颅颈联合斑块成像的必要性。本研究建立的3D颅颈联合血管壁成像序列能够在20分钟内完成所有的序列，能够满足广泛在临床使用的需求。与之前的2D成像相比，本研究的成像方案缩短了近40%～50%的扫描时间。

综上所述，3D颅颈联合血管壁成像可重复性好，能够准确评估颅颈动脉斑块的形态、负荷及成分等性质，有望成为临床实践以及流行病学筛查的常规工具。

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