时间移位分析与动态磁敏感对比增强在慢性脑缺血灌注评估中的对比研究

邵明冉，张冰，周飞，青钊，乔彤，倪玲，张鑫*

1.南京大学医学院附属鼓楼医院医学影像科，江苏南京 210008；2.南京大学医学院附属鼓楼医院血管外科，江苏南京 210008；*通讯作者 张鑫 zhangxin@njglyy.com

约85%的脑卒中由脑缺血引起[1]。慢性脑缺血常不引起症状，但由其导致的血流灌注不足是卒中和血管性痴呆的重要风险因素[1]。因此，慢性脑缺血患者的脑血流灌注评估对于预防卒中及血管性痴呆具有重要意义。

动态磁敏感对比增强灌注加权成像（dynamic susceptibility contrast-enhanced perfusion weighted imaging，DSC-PWI）和CT 灌注成像（CT perfusion，CTP）是目前临床检测脑灌注的常用方法，但两者均需要静脉高速注射对比剂，存在对比剂不良反应的风险。CTP 扫描带来的电离辐射也限制了其在慢性脑缺血患者中的应用。基于血氧水平依赖信号（blood oxygenation level-dependent，BOLD）静息态功能磁共振（resting-state fMRI，rs-fMRI）是一种无创的功能磁共振方法。既往研究利用rs-fMRI 高时间分辨率的特性，应用时间移位分析（time-shift analysis，TSA）检测BOLD 信号连续低频振动的时间延迟，从而评估脑血流灌注变化[2]。在脑卒中患者中，TSA 方法检测的时间延迟区域可与DSC-PWI 的平均通过时间（mean transit time，MTT）或达峰时间（time to peak，TTP）分布进行类比[3]。本研究纳入单侧重度颈动脉狭窄（carotid artery stenosis，CAS）的无症状患者，分析TSA 与DSC-PWI 评估脑血流灌注的一致性，比较基于rs-fMRI 的TSA 方法与DSC-PWI 的诊断能力。

1 资料与方法

1.1 研究对象 纳入2017年4月—2019年3月于南京大学医学院附属鼓楼医院血管外科就诊的无症状单侧重度CAS 患者31例。所有患者均经颈动脉超声或CT 颈动脉成像确诊，狭窄程度参考北美症状性颈动脉内膜切除术试验协作组标准[4]。纳入标准：①年龄55～85岁；②单侧重度CAS，动脉内径缩小程度70%～99%；③既往6个月内无短暂性脑缺血发作、卒中或其他相关神经症状；④无MRI检查禁忌证。排除标准：①脑内有新发及陈旧性脑梗死；②脑内有其他病灶。所有患者均自愿参加本研究，并签署知情同意书。本研究经南京大学医学院附属鼓楼医院伦理委员会批准（编号2017-105-01）。

1.2 MRI检查 使用Philips Achieva 3T TX Medical Systems 进行MR 扫描，采用8 通道头线圈。扫描过程中用配套泡沫垫固定头部，扫描序列包括rs-fMRI、DSC-PWI、T1WI、T2WI、扩散加权成像（DWI）。

rs-fMRI 序列采用平面回波成像在横断位上进行采集，层数35层，TR 2000 ms，TE 40 ms，采集矩阵64×64，视野24 cm×24 cm，层厚3 mm，层间距1 mm，翻转角90°，扫描时间约6 min。扫描过程中患者保持清醒、放松状态，闭目且尽可能维持不思考状态。

DSC-PWI 序列采用梯度平面回波成像在横断位上进行采集，层数34层，TR 2000 ms，TE 40 ms，采集矩阵96×96，视野24 cm×24 cm，层厚3 mm，翻转角90°，共采集40个动态，扫描时间约88 s。

T2WI 序列采用快速自旋回波在横断位上进行采集，层数18层，TR 2332 ms，TE 80 ms，采集矩阵288×100，视野24 cm×24 cm，层厚6 mm，翻转角90°，扫描时间约55 s；T1WI 序列采用自旋回波在横断位上进行采集，层数18层，TR 181 ms，TE 1.6 ms，采集矩阵288×100，视野24 cm×24 cm，层厚6 mm，翻转角80°，扫描时间约50 s；DWI 序列采用平面回波成像在横断位上进行采集，层数18层，TR 2139 ms，TE 81 ms，采集矩阵144×113，视野24 cm×24 cm，层厚6 mm，翻转角90°，扫描时间约80 s。

对比剂采用0.5 mmol/ml 钆双胺注射液（欧乃影）经肘正中静脉注射，速度4.0 ml/s，用量10 ml。

1.3 数据处理 rs-fMRI 数据使用REST-Time Shift Analysis 工具包（https://github.com/K-Z-W/Time_ Shift_Analysis）进行处理。预处理包括：①去除前10个时间点以保证纵向磁化达到稳定状态，使患者适应扫描产生的噪声；②时间层校正；③头动校正；④空间平滑，使用半高宽为6 mm 的高斯核处理；⑤去线性漂移；⑥去协变量；⑦滤波（0.01～0.08 Hz）。1名患者因头部移动过大（平动＞3 mm 或转动＞3°）被剔除。使用全脑平均序列的均值作为参考时间序列，提取每个体素的时间序列，并将这个时间序列分别向前、后移动3个TR（-6 s、-4 s、-2 s、2 s、4 s、6s）。每移动一个TR，计算相应时间序列与参考时间序列的相关值。确定最大的相关值，并将其分配到对应的体素，获得全脑体素的TSA 参数图。

分别由1位神经影像专业副主任医师及1位主治医师对所有患者的TTP 参数图和TSA 结果图进行双盲判读和感兴趣区（ROI）勾画。以TTP 参数图上同一层面大脑中线两侧对称区域为标准，将患者分为非缺血组与缺血组，并以所有ROI 内两侧TTP 的差值是否＜2 s进行验证[5]：ΔTTP＜2 s 者纳入非缺血组；ΔTTP≥2 s 者纳入缺血组。对于非缺血组患者，参照ASPECT评分，在侧脑室体层面分别勾画大脑前动脉皮层区（A区）、大脑中动脉M1 段上方前皮质区（M1区）、大脑中动脉M2 段上方前皮质区（M2区）和大脑中动脉M3段上方前皮质区（M3区）作为ROI，补充ROI 的形状及大小，提取ROI 的TTP 平均值和TSA 延迟时间平均值，并分别与对侧同一脑区相减，得到ΔTTP 和ΔTSA 延迟时间（均为绝对值）[6]。对于缺血组患者，以幕上脑所有层面灌注延迟区域作为ROI，提取ROI的TTP 平均值和TSA 延迟时间平均值，并分别与对侧同一脑区相减，得到ΔTTP 和ΔTSA 延迟时间（均为绝对值）。

1.4 统计学方法 应用SPSS 22.0 软件，计量资料以x±s表示。各组患者年龄比较采用独立样本t检验；患者性别和颈动脉狭窄侧别差异比较采用χ2检验。所有患者 ΔTTP 和 ΔTSA 延迟时间的相关性采用Spearman 相关分析。P＜0.05表示有统计学意义。

2 结果

2.1 临床特征 非缺血组患者平均年龄（66±7）岁，男12例、女5例，左、右侧颈动脉狭窄分别有8例、9例；缺血组患者平均年龄（69±9）岁，男12例、女2例，左、右侧颈动脉狭窄均7例。两组患者年龄、性别和颈动脉狭窄侧别比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。

2.2 脑血流灌注分析 17例（54.8%）未在TTP 参数图上发现明显缺血，14例（45.2%）发现明显缺血。非缺血组中，A区、M2区和M3区的ΔTTP 与ΔTSA 延迟时间呈正相关（r＞0.5，P＜0.05），其中M3区相关程度最高（r=0.678，P=0.003）。缺血组中，缺血区ΔTTP与ΔTSA 延迟时间呈正相关（r=0.641，P=0.013；表1、图1）。

图1 非缺血组与缺血组各脑区ΔTTP值与ΔTSA值的相关性分析。A～D分别为非缺血组A区、M1区、M2区、M3区，E为缺血组

表1 非缺血组与缺血组各脑区ΔTTP值与ΔTSA值及相关性

2.3 典型病例 典型非缺血患者（图2）A区、M1区、M2区和M3区的ΔTTP延迟时间分别为0.07 s、0.50 s、0.16 s和0.11 s，对应脑区ΔTSA值分别为0 TR、0.32 TR、0.06 TR和0.06 TR。典型缺血患者（图3）缺血区包含7568个体素，ΔTTP为3.34 s，ΔTSA延迟时间为1.84 TR。

图2 男，70岁，非缺血患者，右颈内动脉狭窄，狭窄程度约80%。A为感兴趣区；B.TTP 参数图上未见明显的灌注延迟区，TSA 结果图灌注延迟区近似对称分布于脑室周围及白质区域，符合健康人脑的延迟分布

图3 男，65岁，缺血患者，右颈内动脉狭窄，狭窄程度约85%。A为感兴趣区；B.TTP 参数图可见右侧大脑半球广泛低灌注，TSA 结果图显示缺血区域和程度与TTP 相比均有较好的相关性

3 讨论

在由缺血引起的脑卒中病例中，约20%由颅外动脉狭窄引起，以颈动脉狭窄最常见[7]。颈动脉狭窄所致颅内脑血流灌注减低不仅是缺血性卒中的危险因素，也是血管性痴呆的重要病因[8-9]。PWI和CTP是目前临床常用的评估脑血流灌注的方法，均需要注射对比剂；而且CTP 受电离辐射的限制，往往影响对慢性脑血流低灌注患者进行早期有效的干预。本研究利用rs-fMRI 的时间特性，通过TSA 方法对rs-fMRI 进行处理和分析，验证其与PWI 的一致性，探究无对比剂使用、无电离辐射的前提下评估脑血流灌注的可行性。

TSA 方法是近年来应用rs-fMRI 高时间分辨率的特性，测量大脑灌注并定量计算脑组织灌注延迟的方法，其基本原理是，计算全脑时间序列的均值作为参考时间序列，提取每一个体素的时间序列，并以TR为单位分别将其向前和向后移动，找出相关性最大的对应的TR，并将其分配到该体素上，以得到全脑的TSA 结果图。如果移位值小于0，提示该体素的BOLD信号存在延迟，反之则存在提前[10]。秦勤[11]研究表明，健康人脑存在BOLD 信号的生理性延迟，主要对称分布于脑室附近及白质区域，且脑脊液的延迟值大于白质，与本研究结果相符。

Ni 等[12]研究发现，TSA 方法可以替代DSC-PWI评估亚急性卒中患者的脑血流灌注。TSA 延迟结果与TTP 具有良好的相关性。本研究重点关注慢性脑缺血患者，以TTP 参数图作为标准，将31例慢性颈动脉狭窄分为非缺血组和缺血组。ΔTTP值和ΔTSA值在计算过程中均以患者自身作为参照（ΔTTP值以对侧脑区、ΔTSA值以全脑平均时间序列），在很大程度上消除了患者个体之间的差异，使得非缺血组和缺血组患者之间的数值具有可比性，即缺血组患者缺血区的ΔTTP值和ΔTSA值均显著高于非缺血组的所有脑区。由于非缺血组患者不存在明显的灌注异常区，本研究参照ASPECT评分，在侧脑室体层面分别选取A区、M1区、M2区和M3区作为ROI。临床上常以对称脑区TTP 增高作为判断灌注延迟的依据，因此对TSA 结果进行了类似的处理，使其在临床意义上与TTP 保持一致。结果发现，在非缺血组中，A区、M2区和M3区的ΔTTP 与ΔTSA 延迟时间呈正相关，其中M3区相关程度最高；在缺血组中，缺血区ΔTTP值与ΔTSA值呈正相关。TSA 延迟时间与TTP 间存在较强的相关性，提示TSA 结果可以用于评估颈动脉狭窄患者颅脑血流的灌注情况，与Khalil 等[13]的研究结果类似。M1区和M2区ΔTTP 与ΔTSA 延迟时间的相关性相对较低，而A区和M3区的相关性较高，可能与ROI 的大小及位置有关。当ROI 面积较小，且更靠近大脑皮层时，其结果更容易受皮层血管影响[14]。同时，由于低灌注区域的体积和延迟程度不同，其对全脑平均时间序列贡献的权重也有所不同，可能会使得低灌注区在TSA 延迟时间数值上出现波动[15]。

TSA 与DSC-PWI 比较具有明显的优势：①TSA方法基于rs-fMRI 技术，其成像无需高速静脉团注对比剂，避免了潜在的对比剂外渗及过敏风险；②TSA结果以患者自身的全脑平均时间序列作为参考，消除了由于循环功能不全所致对比剂分布偏差。Kroll 等[16]的研究发现，rs-fMRI 通过描述功能性和非功能性的神经网络有助于进一步解释缺血性卒中的病理生理学机制。

本研究也存在一些局限性：①样本量仍然较小；②仅纳入单侧颈动脉狭窄患者。今后的研究将在加大样本量的同时，纳入双侧缺血病例，以检测TSA评估复杂脑缺血的价值。

总之，本研究通过2种方法比较颈动脉狭窄患者脑血流灌注评估效果发现，基于BOLD-fMRI 的TSA方法与DSC-PWI 的TTP 参数具有良好的相关性，可以用于评估颈动脉狭窄致慢性脑缺血患者的早期脑血流灌注。