应用BOLD-MRI评价正常胎盘和植入胎盘的氧合功能

包雨微，庞颖，孙子燕，李茜，夏黎明

作者单位：

华中科技大学同济医学院附属同济医院放射科，武汉 430030

胎盘(Placenta)作为孕期的一个重要的功能器官，主要维系母体与胎儿之间的物质及血气交换，胎儿健康与胎盘的状态紧密相关。正常胎盘多以圆盘状附着于子宫内壁，在垂直断面上由三层结构构成：近胎儿面是绒毛膜板，近母体面为基板，分别由滋养层和蜕膜构成，中层为实质部分包含绒毛和绒毛间隙，绒毛组织构成其重要的结构基础[1-3]。

随着二胎政策的放开，中国的孕妇数量将大幅增加，随之而来的胎盘病变的产前诊断越来越受关注和重视。孕期胎盘的多种病变都可能给母儿带来致命威胁，如胎盘氧合功能不良将导致胎儿窘迫、胎儿宫内生长受限，甚至死胎[4]。胎盘病变也是造成妊娠并发症的重要原因，如先兆子痫[2，4-5]。胎盘植入属于胎盘病变中极为凶险的病种之一，是指胎盘组织不同程度侵入子宫肌层，是引起产妇产程大出血的主要原因。剖宫产是导致胎盘植入的重要因素，随着近年来剖宫产率的升高又会引起胎盘植入的发病率上升。

超声及磁共振检查是胎盘病变产前诊断的主要手段，均基于胎盘形态学的基础进行评估，可以较清楚地显示胎盘的形态、位置、厚度等信息，但尚无胎盘功能学检查。而胎儿血氧情况主要依赖脐带血穿刺来评估，但这对属于有创检查，具有较高的风险[6]。

胎盘植入常常发生在晚孕期，此时胎儿对血气交换的需求较大。胎盘植入在病理学上属于异常增生性疾病，往往伴随着胎盘增厚、形态失常以及在胎盘-子宫交界面上血管的重构等改变[7]，虽然超声及磁共振在形态学诊断应用已较成熟，胎盘植入伴随的这些改变是否会影响正常绒毛的氧合功能，目前尚无相关研究。

血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent，BOLD)是一个能反映组织血氧水平的磁共振功能学新技术，最早应用于中枢神经系统，但在过去几年已有一些研究者已将其应用在人体或动物胎儿胎盘中[8-12]。基本方法较为一致，即为母体造成高氧或低氧环境，后观察胎儿或胎盘的BOLD信号变化，成像方法稍有不同，但均依据BOLD效应。

本研究基于以上背景和原理，将对人类正常胎盘的氧合功能进行探究。孕妇吸氧后，通过测算胎盘BOLD信号增值百分比半定量评估正常胎盘的氧合水平变化，获得正常胎盘胎儿面及子宫面氧合情况的分布特点，为胎盘氧合功能受损所致的疾病早期评估奠定基础；且初步探究胎盘植入是否会影响胎盘氧合功能，为临床是否对植入者进行干预提供依据。

1 材料与方法

1.1 病例收集

本实验为前瞻性实验，共纳入了25例孕妇，孕妇年龄21～42岁，平均年龄30.1岁，孕周24～36周，平均29周+4 d，所有被检孕妇均已行产前超声检查，提示胎盘植入可疑或胎儿微小畸形。孕妇及其家属均被告知扫描注意事项，并签署知情同意书。

纳入标准：(1)单胎；(2)孕妇无任何妊娠合并症，如糖尿病、心脏病、高血压等；(3)超声提示胎儿发育位于正常水平伴或不伴有胎儿微小异常，如脑室临界值，半椎体畸形等；(4)超声提示脐动脉血流动力学无异常。追踪手术或病理证实的25例孕妇中，9例为胎盘植入，余16例无胎盘植入，伴或不伴有胎儿微小畸形。

1.2 检查方法

采用Siemens Skyra 3.0 T磁共振扫描设备和18通道腹部相控阵线圈。孕妇采用仰卧位或侧卧位，双手上举置于头两侧，无镇静剂及对比剂注射，全程戴呼吸面罩(Pacific Medical Materials Co.，Ltd.，Sumiao，Taiwan，一次性)。先以胎盘为中心行HASTE序列三平面(横轴面、矢状面和冠状面)定位扫描，观察胎盘的形态、位置及信号状况，然后再以胎盘最厚处为中心行轴位BOLD序列扫描。扫描前孕妇戴好吸氧面罩，前3 min吸入空气，后7 min持续吸入纯度约90%、流速12 L O2/min的氧气，嘱孕妇自然平静呼吸，吸气同时持续扫描10 min，10 min内每一层均各采集72帧动态周期图。HASTE序列扫描参数：层厚4 mm，间距4.8 mm，TR 1100 ms，TE 87 ms，DFOV 70 cm×40 cm，矩阵320×256，层数22，激励次数1。BOLD序列扫描参数：层厚6 mm，间距4.8 mm，TR 8000 ms，TE 30 ms，DFOV 220 cm×150 cm，矩阵128×128，层数22，FA 90°，激励次数1。

表1 入组病例资料Tab. 1 Data of enrolled cases

表2 至曲线平台期(7-10 min)后各对比组△BOLD%结果Tab. 2 The results of △BOLD% in control groups during 7 to 10min (the Platform period)

1.3 图像分析及分析方法

获得BOLD图像后，由1名胎盘诊断经验丰富的医师，使用西门子工作站Mean-curve软件，手动勾画ROI，选取每位孕妇胎盘显示较好的两个层面(植入者选取植入部位所在的层面)分别勾划三个ROI：完整胎盘(Nor-p)、胎盘胎儿侧(Nor-f，靠近胎儿侧的约1/2面积的胎盘)及胎盘子宫侧(Nor-u，靠近子宫侧的约1/2面积的胎盘)。成人肾脏内血量相对丰富，我们将母体肾脏作为母体血液氧合变化的代表勾画ROI。选取孕妇的肾脏显示较好的层面分别勾划2个ROI (Pre-r)如图1。以上每个ROI都避开胎盘明显的钙化、血窦、纤维化部位。采用手动逐层校准由于孕妇呼吸所致的运动位移；分别得到勾画区的72个随时间变化的信号(SI)值，以前3 min (前24个值) SI值的平均值作为基线标准值，求取所有SI值在BOLD扫描过程中的增值百分比[△BOLD%=(SI-平均SI前3 min)/平均SI前3 min×100%]，使用SPSS 24.0绘制各组ROI的△BOLD%-时间曲线。

通过对比观察曲线走形趋势，选取后3 min作为稳定平台期，分别计算得到正常胎盘(Nor-p)及植入胎盘(Imp-p)的平台期的△BOLD%，进行独立样本t检验检验其统计学差异；以及正常胎盘及植入胎盘的胎儿面(Nor-f/Imp-f)和子宫面(Nor-u/Imp-u)平台期的△BOLD%，使用配对t检验分别检验胎盘两侧的统计学差异。

图1 ROI勾画示意图。A: Nor-p；B：Nor-f；C：Nor-u；D：Pre-rFig. 1 Schematic diagram of ROI. A: Nor-p. B: Nor-f. C: Nor-u. D: Pre-r.

图2 △BOLD%-时间曲线。横坐标为时间(共包含72个采集点)，纵坐标为△BOLD%。每条曲线均表示随时间变化的所有同名ROI△BOLD%平均值，Nor-p/Imp-p：正常/植入胎盘全层。Pre-r：孕妇肾脏；Nor-f/Nor-u：正常胎盘胎儿面/子宫面；Imp-f/Imp-u：植入胎盘胎儿面/子宫面。箭所指处表示吸氧开始点Fig. 2 △BOLD%-time curve. The Abscissa is the time (including 72 collection points) and the ordinate is the △BOLD%. Each curve represents the BOLD% average value of all ROIs with the same name over time. Nor-p/Imp-p: normal/implanted placenta of the global-layer. Pre-r: the renals of pregnant women. Nor-f/Nor-u: fetal/uterine side in the normal placenta. Imp-f/Imp-u: fetal/uterine side in the implanted placenta. The arrow refers to the starting point of oxygen inhalation.

2 结果

表1为两组病例胎儿胎盘由磁共振结合超声后的最终诊断及随访结果资料，正常胎盘组除了3例为前置胎盘，其余提示胎儿为单器官微小畸形/异常。使用独立样本t检验得到正常组及植入组间孕周(gestational week，GW)无明显统计学差异(P＜0.01)，孕妇年龄正常组(31岁)较植入组(29.6岁)稍大。图2所得曲线可见孕妇在前3 min呼吸空气时，△BOLD%基本保持稳定，吸氧后，在第4～7 min期间，除了孕妇的肾脏，各组ROI所得曲线均有明显的上升趋势，自7～10 min均趋于稳定，进入平台期。表2显示了各组于平台期的平均△BOLD%值，可见，无论是勾画哪一部分，植入组均较正常组高，有明显统计学差异(P＜0.01)；Nor-f/Imp-f分别较Nor-u/Imp-u高，有明显统计学意义(P＜0.01)。

3 讨论

3.1 △BOLD%在胎盘中的应用原理

BOLD-MRI是一种基于BOLD效应的功能MRI，而BOLD效应主要依赖于组织的血氧饱和度：组织中脱氧血红蛋白具有逆磁性可缩短T2/T2*值，即组织内脱氧血红蛋白降低将导致T2WI/T2*WI信号增高，反之氧合血红蛋白具有轻微的顺磁性效应。所以组织内最终的信号值高低取决于氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的比值，组织中氧合血红蛋白/脱氧血红蛋白越高，组织T2WI/T2*WI信号越高[13-14]。但据研究表明，BOLD绝对信号值除了氧饱和影响之外，还受到了其他因素的影响，比如物理学因素上如距离射频线圈的距离、磁场均匀性、序列参数如回波时间，以及生理学因素如血红蛋白的浓度、血细胞比容等，所以仅仅测量BOLD信号值，个体差异较大。相比较而言，△BOLD%较稳定[9]。所以本研究采用以每个个体相对于呼吸空气的氧合水平作为基准线计算△BOLD%来半定量评估胎盘的氧和水平变化而不是直接使用BOLD信号值，此法可重复性较高[10]。

3.2 正常胎盘特有的氧合机制

子宫动脉通过胎盘的绒毛间隙将母体的动脉血氧交换给绒毛血管，后绒毛血管汇合至脐静脉以供氧给胎儿。正常孕妇动脉血氧分压约100 mm Hg(约98%)，而绒毛血管内氧分压约等于胎儿的静脉血，正是由于氧分压差的存在，氧气由绒毛间隙运输至绒毛血管得以实现[3，13，15-17]。胎盘由于绒毛结构的存在，其生理范围在0～60 mm Hg (约60%)，所处氧饱和水平使其氧-血红蛋白解离曲线呈线性关系[3]。所以，胎盘相对于母体，其血氧水平有一个快速上升的空间和潜力。也由于胎盘血管网密集，具有丰富的绒毛血管，其氧合水平波动会对孕妇供氧表现得十分敏感，当孕妇血氧增加，氧气在高压差下可迅速通过胎盘转运至胎血。既往BOLD研究结果显示，人类胎盘于孕妇吸氧下△BOLD%约(6.5±1.6)%至(15.2±3.2)%[8-10]。本研究中，孕妇吸氧后正常胎盘的△BOLD%约(14.38±1.2)%，造成数值差异的影响因素可能包括扫描条件如吸氧浓度、孕妇吸氧配合情况等，以及△BOLD%计算方法包括基线值的选取等等。但无论如何，吸氧后，△BOLD%-时间曲线的明显上升后趋于平稳的趋势都直观地反映了正常胎盘的氧合功能，如果胎盘的△BOLD%上升缓慢甚至下降，都可能表明胎盘的氧合功能不足，为临床干预及预后判断提供支持。

由于绒毛血管是胎儿脐动脉的树枝状分支形成的，含有胎儿静脉血，主要近胎儿侧，相反，绒毛间隙内为来自子宫螺旋动脉及其分支的母血，大部分近子宫侧[3]。绒毛及绒毛间隙之间有绒毛血管膜即胎盘屏障相隔，血液在各自的封闭管道内进行循环，互不相混[3，18-19]。所以，胎盘内有着母体和胎儿两部分血液，它们的大体分布存在差异，表现为胎盘内氧合水平及氧合潜力的分布具有差别，具体而言即胎儿侧氧合水平较低，氧合上升潜力较大，而子宫侧反之。有研究显示胎盘的胎儿侧(32.1±9.3)%较子宫侧(5.4±3.5)%明显高[9]，本研究相比两侧差别较小，可能因为两侧面积选择较大，均包含了中层较多交错存在的绒毛血管和绒毛间隙，从而减小了两侧信号增值的差异，但本研究之所以选择较大的面积，是因为这使所得结果相对更稳定。肾脏血流灌注较多，将其作为母血的代表，动态曲线显示其于吸氧后并无明显的上升趋势，这也进一步佐证了吸氧后母血氧合水平较稳定，上升潜力小。

3.3 植入胎盘氧合反应机制

以往有多个研究表明，胎盘植入除了胎盘绒毛组织的侵入性生长，常伴有邻近胎盘及子宫交界面的血管重塑，多为子宫螺旋动脉的分支重塑，具体包括血管的增生、扩张及异型性等[7，19-21]，本研究探索发现植入胎盘与正常胎盘相比，氧合潜力的分布基本表现一致，即胎儿侧及子宫侧均较正常组高，说明胎盘植入并未影响到胎盘的整体构相，因而其与正常胎盘具有相似的氧合潜力分布特点，且植入组胎盘整体、胎盘胎儿面、胎盘子宫面的△BOLD%均分别较正常组为高，说明植入的胎盘保持了良好的氧合功能。植入部位发生在子宫面，伴随着邻近血管重塑，子宫面的血管重塑可使邻近子宫侧胎盘处于一个相对较高的灌注状态，当孕妇吸氧后，重塑血管的氧分压迅速升高，子宫面胎盘氧分压迅速升高，胎儿面胎盘绒毛毛细血管的氧分压随之升高。所以，从病生理角度，胎盘植入之所以表现出了更高的氧合反应可能与其伴随的植入部血流灌注增加，对高氧反映更为敏感有关，这有待于更进一步的研究。

3.4 实验方法讨论

Sinding等[22]的研究结果表明孕周不同对胎盘的成熟度会有一定的影响，并且△BOLD%可能受胎盘基础情况的影响。本研究入组病例排除了可能会导致胎盘功能不良的妊娠并发症病例，如孕妇高血压、糖尿病等。并对正常胎盘组及植入组的孕周进行了独立样本t检验，结果并无明显统计学差异，基本可排除孕周的影响。孕妇年龄于正常组较植入组稍低，而至今尚无明确研究表明其会对胎盘功能有所影响，所以本研究忽略其影响的可能。由于扫描时间较长，孕妇的吸氧配合情况会影响结果，扫描前需向孕妇详细交代注意事项；胎盘母体侧及胎儿侧的差异还与ROI直接相关，每个孕妇均选取了两到三个层面求取均值，并勾画较大面积，一定程度上避免了由于胎盘不均等因素造成的误差。如果统一了扫描和分析条件，基于胎盘垂直断面的三层解剖结构和胎儿及母体血循环分布特点、氧饱和差异，在孕妇吸氧后，BOLD信号值的变化可以半定量评估孕妇胎盘的氧合功能。

本研究纳入病例数相对较少，具有一定的局限性，但入组病例标准严格，均有手术或病理支持，并且研究组与对照组孕周分布无明显统计学差异，基本可忽略孕周的影响，所以研究结果可靠。

总之，本研究证实了MRI-BOLD在孕妇吸氧条件下，所获得的△BOLD%可以半定量评估胎盘的氧合功能，正常胎盘的氧合情况的分布的差异性从一定意义上反应了正常胎盘的生理结构及氧合机制。所以，BOLD-MRI具有半定量评估胎盘氧合功能的潜能，为产科由于胎盘各种原因导致胎盘氧合功能不足的早期诊断奠定基础。同时本研究首次通过BOLD得到胎盘氧合功能并不会因为植入而受损，这对于临床是否对植入者供氧干预提供了参考依据。

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