磁共振弹性成像测量脑血管生物力学特性研究

汪灵杰 马盛元 冯 原 朱 默 胡春洪

血管的生物力学特性与发育、衰老和血管疾病密切相关［1］。对于颅内血管而言，其血管弹性随着弹性蛋白与胶原比例的减少而降低，从而导致脑血管破裂或动脉瘤的发生概率显著增加。磁共振成像技术已被用来研究颅内血管壁和血管病变［2-3］，而颅内血管生物力学特性用常规方法难以获得，其体内测量在很大程度上仍未被探索。本研究创新应用3D区域生长算法、三维反演算法，使磁共振血管成像（MRA）图像数据与磁共振弹性成像（MRE）图像数据相配准后再测量颅内血管的生物力学特性，从而为脑血管疾病的诊断提供依据。

方 法

1.临床资料

在2018年至2020年间招募61例患者和63名健康志愿者。这61例患者全部被诊断为腔隙性脑梗死，其中包括28名男性和33名女性，年龄为28～89岁。63名健康志愿者包括33名男性和30名女性，年龄为23～80岁。

2.检查方法

采用3T磁共振（Skyra，西门子，Erlangen，德国）扫描仪。MRA：使用三维时间飞跃（TOF）MRA序列［重复时间（TR）/回波时间（TE）=21 ms/3.4 ms；平面内分辨率=0.3 mm×0.3 mm；层厚=0.7 mm］获得。MRE：使用一种带有软枕驱动器的气动执行器（Resoundant；罗切斯特，MN，美国）用来在大脑中产生剪切波；驱动频率为50 Hz，每波周期采样8个时间点；使用平面回波成像（EPI）序列获取MRE数据（TR/TE=6 720 ms/65 ms；视野=240 mm； 层 厚=3 mm； 体 素 大 小=3 cm×3 cm×3 mm）。本研究得到了苏州大学伦理审查委员会的批准，所有参与者都签署了书面知情同意书。

3.数据处理

配准MRA与MRE图像数据，获得脑血管的弹性模量即生物力学特性。具体数据处理分为3个阶段：首先使用3D区域生长算法获取脑血管掩码（图1A）；采用三维反演算法计算脑组织的储能模量G’、损耗模量G”、复杂剪切模量G*（G*=G’+IG”，其中I为常量）［4］和绝对剪切模量|G*|（图1B）。然后在MRA、MRE图像上选取大脑相同层面（通过相同的Z轴坐标确定相同层面），并抠出两者的mask图（图1C），使用mask图来配准MRA和MRE的图像数据。MRA图像上血管亮度在MRE图像上对应点阵进行分割，MRA图像上的血管层面被映射到基于兴趣区域的对应MRE图像中，即第一步获得的脑血管掩码配准到MRE数据中。最后从MRE应用于大脑弹性图的血管掩码中获得脑血管的生物力学特性（图1D）。

图1 图像数据处理流程

4.统计学分析

分析性别、年龄、血管疾病与脑血管生物力学特性的关系。正态分布的计量数据以均值±标准差形式表示。采用Pearson相关性分析研究健康组年龄与脑血管生物力学特性的关系。Studentt检验被用来确定性别的影响。对于腔隙性脑梗死组，采用Studentt检验和双向方差分析（ANOVA）研究年龄和梗死对脑血管生物力学性能的影响。

结 果

1.患者和健康志愿者脑血管生物力学特性

腔隙性脑梗死组G’和|G*|值分别为（458±58）Pa和（482±61）Pa；健康对照组G’和|G*|值分别为（490±59）Pa和（529±60）Pa（图2）。2组间G’和|G*|的差异有统计学意义（P＜0.05）。Studentt检验对G’（P=0.02）和|G*|（P=0.02）均有显着性差异。说明梗死组和健康组脑血管生物力学特性差异有明显统计学意义。

图2 健康对照组和腔隙性脑梗死组的储存模量（A）和绝对剪切模量（B）方框图

2.脑血管生物力学特性的年龄差异

对于健康对照组，Pearson相关分析结果（图3）显示，年龄与G’和|G*|的相关系数（r）分别-0.229（P=0.092）和-0.239（P=0.078），表明健康组年龄差异对于生物力学结果的影响不明显，似乎与年龄和血管生物力学特性呈负相关这一结论相矛盾，这可能是由健康对照组的年龄分布跨度较大、病例数量不足、分析误差等因素引起。对于梗死组，由于存在多个变量，实验结果均无明显统计学意义。

图3 年龄与储存模量（A）或绝对剪切模量（B）之间的Pearson回归分析结果

3.脑血管生物力学特性的性别差异

使用正态分布函数来拟合基于G’或|G*|值的每一组。男性和女性G’值分别为（468±68）Pa和（509±56）Pa（图4A），|G*|分别为（496±65）Pa和（529±67）Pa（图4B）。Studentt检验显示，健康组中男性和女性的G’（P=0.18）或|G*|（P=0.39）差异无统计学意义，表明性别差异对脑血管生物力学结果无明显影响

图4 每个性别群体的储存模量（A）和绝对剪切模量（B）分布

双向方差分析显示，对于|G*|，关于年龄（P=0.02）和腔隙脑性梗死（P=0.02）方面均有显著性差异。对于G’，年龄和腔隙性脑梗死方面没有发现显著差异。损失剪切模量G”的方差大于其平均值，所有组差异均无显著性（腔隙性脑梗死组差异：P=0.69；健康组性别差异：P=0.93；衰老效应：PearsonP=0.27）。因此，G”值没有被进一步考虑，在本研究中只考虑了G’和|G*|值。

讨 论

1.血管生物力学特性测量

早期用超声来表征脑血管生物力学特性，可是其只能提供脑血管的定性估计。近年来展开的对血管刚度的测量，是通过变化一定血压的血管管腔横截面积的方法，仅是对脉搏波速度的替代测量［5］，技术的局限限制了其临床应用。目前临床使用的CT血管成像（CTA）为有创检查，能显示管腔的通畅与狭窄的程度，但不能直接估计组织性质。

MRE是一种新的能直观显示和量化组织弹性（或硬度）的无创成像方法，使“影像触诊”成为可能，可以测量包括脑血管在内的软组织性质［6］。以往的研究［7-10］表明，MRE也可用于诊断各种神经和退行性疾病。最近一项使用螺旋读出方法获得心脏门控稳态MRE的研究［11］表明，大脑组织在大脑收缩过程中软化。这是第一次有研究表明MRE可能有助于检测脑血管疾病。也有研究［12］表明，灌注影响脑组织的黏弹性，虽然全脑的生物力学特性可能与脑血管的变化有关，但仍然需要对脑血管生物力学特性进行具体的测量。

2.本研究的创新与结论

本研究探讨了一种用MRE测量体内脑血管生物力学特性的方法。从MRA图像数据中分割脑血管，再将其映射到MRE数据中，从而实现了对其生物力学特性的准确测量。通过对MRA的映射，能够测量脑血管区域的局部生物力学特性，为临床提供了一个更直接的评估方法。同时本研究考虑了脑血管生物力学特性与脑血管疾病、年龄及性别的相关关系。结果显示，梗死脑组织的绝对剪切模量|G*|显著降低，同时年龄与|G*|之间也呈现负相关性。

本研究表明，腔隙性脑梗死患者血管区的绝对剪切模量明显低于无梗死的健康志愿者。由于梗死后血脑屏障被破坏，与血管僵硬有关的平滑肌细胞（SMC）和细胞外基质（ECM）的结构可能被破坏［1］。推测受到影响的SMC和ECM导致了梗死后绝对剪切模量的降低。先前对年轻人和老年人脑组织的全脑和区域差异的测量［9］显示，随着年龄的增长，剪切模量降低。在阿尔茨海默病等疾病中也观察到剪切模量降低［8］。本研究通过分析特定区域脑血管的弹性模量，提高了脑血管生物力学特性测量的准确度，与全脑测量相似，区域脑血管|G*|值随年龄的增加而降低。虽然动脉壁的直径和厚度随着年龄的增长而增加，但内部弹性膜变得更加脆弱，这可能是导致脑血管弹性模量降低的原因。在对比健康组内的实验数据时，没有观察到年龄的显著影响，在考虑健康组和梗死组的同时，观察到年龄的显著影响。事实上，整个样本组的年龄与梗死组的Pearson相关系数的计算结果显示差异无统计学意义。这一似乎相互矛盾的结果表明，老年人梗死可能有更高的发病率。

研究［13］还表明，两性之间没有发现大脑生物力学特性的显著差异。其他研究［7］发现，大脑组织的生物力学特性的性别差异仅存在于枕叶和颞叶。在本研究中，对脑血管的区域分析也没有显示出性别之间的差异。

本研究尚有某些局限性：由于脑血管壁相对较薄，因此仅选取颅内主干血管来测算生物力学特性；需要较高的配准精度，因此优化了扫描条件及图像后处理，选用了第三方软件辅助配准。同时，改进的MRE成像分辨率也将改善区域血管的性质估计［14］。基于使用MRE数据测量脑血管的生物力学特性，并没有考虑血流的潜在影响，用测量的区域血管平均值来反映脑血管的生物力学特性存在一定的误差可能。

综上所述，脑血管的生物力学特性与脑血管疾病密切相关。随着年龄的增长，腔隙性脑梗死的发生率呈现正相关趋势。不同性别间的脑血管生物力学特性无显著差异。通过配准的MRE和MRA图像数据，获得脑血管的生物力学特性，可能为腔隙性脑梗死等脑血管疾病的诊断和预后提供新的参考价值。