3D pCASL及Rapid灌注分析对脑动脉搭桥术后脑血流灌注的评价

颜立群，颜 瑾，侯亚平，董倩波，穆晓丹，李晓光

(1.河北医科大学第二医院医学影像科，河北 石家庄 050000；2.天津医科大学临床医学系，天津 300070；3.河北省血液中心成分科，河北 石家庄 050000)

单侧大脑中动脉M1段狭窄在临床上非常常见，对它的治疗手段也比较多，但对于严重的狭窄或闭塞性病变，神经外科常常选择颞浅动脉-大脑中动脉(superficial temporal artery-middle cerebral artery,STA-MCA)搭桥手术进行治疗，但目前对STA-MCA手术的疗效仍存在争议，术前与术后的评估仍局限于临床，医学影像学对其脑血流动力学的量化研究目前多集中在动态磁敏感对比增强灌注成像(dynamic susceptibility contrast enhanced perfusion weighted imaging,DSC-PWI)[1-2]，由于其无法进行全脑精确的血流动力学测量等缺点，仍无法较为精确地评估脑血流动力学的改变。近年来，随着脑结构数字化研究的快速进展及其与医学影像学的深入结合，由此衍生出多种医学影像学成像方法及脑科学分析方法使得对脑部疾病的成像研究进入了新时代。本研究采用两个双标记后延迟时间(post labeling delay,PLD)的3D pCASL成像对大脑中动脉供血区的脑血流进行量化和分类，利用基于Matlab平台的SPM软件进行大脑中动脉供血区血流的测量，对脑动脉搭桥术后的脑血流进行分类评价。

1 资料与方法

1.1一般资料 回顾性分析2019—2020年就诊于我院的28例单侧大脑中动脉M1段狭窄患者的影像与临床资料，入选患者均行STA-MCA搭桥手术，术前3 d内与术后1周以内均进行了MR扫描。患者纳入标准： ①狭窄率>50%的单侧大脑中动脉M1段狭窄，而无其他颅内动脉明显狭窄者；②患者符合STA-MCA手术适应证；③此前未做过溶栓或血管内治疗(如搭桥手术及支架植入等)；④患者无脑出血发生；⑤患者手术无严重并发症。

1.2影像学检查

1.2.1影像学数据采集 所有患者的MR检查均由GE公司1.5T Signa HDxt MR扫描机(8通道头颈线圈)采集，扫描序列主要包括结构像(T1WI和T2 fliar)，DWI序列，双PLD(1 525 ms和2 525 ms)的3D pCASL序列，3D CEMRA序列及灌注扫描序列，每个患者采集时间大约为30 min(图1)。各序列参数如下：弥散加权成像(diffusion-weighted imaging,DWI)序列由单次激发自旋回波序回波平面(echo planar imaging,EPI)序列采集，b值取0和1 000 s/mm2，重复时间(repetition time,TR)=6 500 ms，回波时间(echo time,TE)=81.8 ms，视野(field of view,FOV)=240 mm，矩阵(Matrix)=128×160，激发次数(number of excitations,NEX)=2，层厚=5 mm；T1WI由横轴位的三维稳态毁损梯度回波(three-dimensional spoiled gradient recalled acquisition in steadystate,3D SPGR)序列采集而来，层数128层，FOV=240 mm，矩阵=240×240，层厚=1.2 mm，翻转角=20，采集时间约5 min；T2WI由FSE序列采集，TR=8 500 ms，TE=150 ms，IR=2 100 ms,层厚=5 mm，带宽=27.78 kHz，矩阵=256×224，采集时间约4 min。脂肪及背景抑制3D FSE序列获得3D pCASL数据，TR=4 529 ms(PLD=1 525 ms)/5 224 ms(PLD=2 525 ms)，TE=10 ms，带宽=62.5 kHz，层厚=5 mm，层数=30，PLD=1 525 ms和2 525 ms，采集时间约4 min(PLD=1 525 ms)及5 min(PLD=2 525 ms)，FOV=240 mm，激励次数=3。采用3D SPGR序列采集CEMRA，TR=12 ms，翻转角=20，带宽=25 kHz，层厚=1.2 mm，视野=240 mm，矩阵=288×192，采集时间约4 min。

1.2.2数据后处理 采用GE AW4.6图形工作站对双PLD灌注数据进行处理，得到彩色ASL灌注图和脑血流(cerebral blood flow ,CBF)图。采用基于Matlab2013b软件平台的SPM8对灌注数据做包括头部校正、空间标准化、数据归一化和平滑等多种后处理得到标准化的CBF图。参考Kim的方法[3]，从自动解剖标记(automated antomical labeling,AAL)模板中提取的双侧大脑中动脉供血区的脑区图(包括大脑皮层、软脑膜及岛叶的皮层)作为蒙片，并应用于上述CBF图计算得到CBF值。参考Lyu等[4]的方法将PLD 1.5 s得到的CBF图定义为早期到达流(即顺向血流)灌注图，而PLD 2.5 s得到的CBF图是早期到达血流、晚期到达血流和晚期到达逆向血流灌注的组合。PLD 1.5 s时的平均CBF值代表早期到达血流的灌注值，晚期到达逆向血流灌注值 =(病灶侧平均PLD 2.5 s的CBF-病变侧PLD 1.5 s的平均CBF)-(对侧PLD 2.5 s的CBF-对侧PLD 1.5 sD的CBF)，晚期到达逆向血流灌注值/正常侧PLD 2.5s的平均CBF×100% = 晚期到达逆向血流比率(late-arriving retrograde flow proportion，LARFP)，LARFP代表侧支血流代偿能力；而患侧PLD 1.5 s的CBF值/正常侧PLD 2.5 s的平均CBF×100% =早期到达血流比率(early-arriving flow proportion,EAFP)。

使用自动图像后处理系统(iSchemaView RAPID)计算MRI弥散和灌注扫描的缺血体积[5-6]。基于推注造影剂后从近端血管最大程度显影到脑组织最大程度显影的延迟时间(Tmax)，系统自动计算出Tmax值不同的低灌注区域的体积，包括Tmax>4 s、Tmax>6 s、Tmax>8 s和Tmax>10 s，并自动获得低灌注指数比(hypoperfusion intensity ratio,HIR)(HIR定义为Tmax>10 s/Tmax>6 s)，其代表低血区域内的低灌注强度，是预测侧支血流和脑梗死进展的指标[7-8](图1)。

图1 患者STA-MCA搭桥前后MRI扫描序列示意图A.DWI或T2flair序列显示患者脑结构及确定梗死灶;B.CEMRA确定患者大脑中动脉M1段病变(箭头)及其狭窄率;C.经由GE AW4.6图形工作站后处理得到的

1.3血管狭窄率确定 本研究采用Owen法[9]测量病变侧MCA的M1段狭窄率：血管狭窄率=(1-狭窄段直径/正常段直径)×100。其中狭窄段直径是指狭窄大脑中动脉M1段管腔最窄部分的直径，正常段直径代表病变侧大脑中动脉M1段正常部分管腔的直径。

1.4神经功能评分 无论此前是否做过神经功能评分，在MR检查前的当日为患者记录美国国立卫生研究院卒中量表(National Institutes of Health Stroke Scale,NIHSS)评分。

1.5统计学方法 应用SPSS 25.0统计软件分析数据，对患者的四个指标(EAFP、LARFP、HIR及NIHSS评分)进行配对样本t检验，所有数据均行Shapiro-Wilk正态性检验，对服从正态分布的数据进行配对t检验，对不服从正态分布的数据进行Wilcoxon符号秩检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

搭桥术前及搭桥术后的EAFP、LARFP、HIR及NIHSS评分差异均有统计学意义(P<0.05)，见表1，图2。

表1 患者搭桥手术前、后EAFP、LARFP、HIR及NIHSS评分

图2 从AAL模板中提取的全脑双侧MCA区域蒙片的示意图

3 讨 论

多PLD的3D pCASL成像可以无创地将颅内的血流进行分类，量化主要受血管狭窄影响的顺向血流和主要受侧支循环影响的侧支血流，而且可重复性强，这种量化血流的研究方法特别适合研究脑血流侧支循环的状态。STA-MCA手术是一种通过颅外动脉分支吻合颅内动脉狭窄主干远端动脉分支，进而对颅内动脉供血区进行颅外-颅内血流代偿的手术模式，研究报道，它可以使严重血流动力学失调患者的卒中风险降低54%[10]。使用如本研究中的多PLD的3D pCASL成像，来量化大脑中动脉M1段狭窄患者STA-MCA手术前、后的血流动力学变化是一个新的尝试，可以发现搭桥手术对目标供血区脑组织顺向与侧支血流灌注产生的影响，进而对搭桥手术为患者脑血流动力学的改善带来的收益进行精细的量化。

EAFP可以评估目标脑区内的早期到达血流的比率，单侧大脑中动脉M1段严重狭窄对下游血流灌注所造成的最直接影响就是顺向血流的减少，通过溶栓或者支架植入等直接改善狭窄的治疗方式可以直接改善顺向血流，但是在本研究中发现搭桥术中远端分支血管的吻合同样也会改善顺向血流，本研究采用的两个PLD分别是1.5 s和2.5 s，PLD 1.5 s时流入目标脑区的血流由于M1段的严重狭窄，会明显减少，搭桥术后随着远端吻合动脉的开通，高流量的颅外动脉血流逆向流入大脑中动脉供血的目标脑区，虽然流速比M1段正常流入的血流速要低，流量要少，但是一部分血流也会在1.5 s以前经颅外动脉吻合支进入大脑中动脉供血区，所以会表现为EAPF的明显增加，这与部分开通了M1段的狭窄管腔效果类似，只不过进入脑区的血流方向不同，更准确的说与正常的大脑中动脉供血方式比较这部分血流应该叫做以逆向流动方式早期流入供血区脑实质内的顺向血流，当然，对这部分血流需要做进一步的研究来明确这种形式的顺向血流与正常M1段的顺向血流的差别。

STA-MCA手术的重要目标就是改善缺血脑区的脑血流储备(cerebralvascular reserve,CVR)顺向血流及侧支血流的改善是CVR的改善的重要组成部分，但是目前还没有很好的方法来准确地量化CVR的改善，本研究通过3D pCASL量化了顺向和侧支血流，通过Lyu的方法测量得到了LARFP，可以近似代表侧支血流的状态，本研究显示，STA-MCA手术前后的LARFP有了明显的改善，值得一提的是，对于单侧大脑中动脉或者颈内动脉严重狭窄患者病变血管下游的脑组织具有一定的代偿能力，这种代偿能力的强弱及构成比较复杂，它可能与先天发育、血管狭窄病变形成的时间及脑血管病变的类型等等因素有关[11-12]。参照Lyu的方法，将病变侧的血流分为早期到达血流，早期到达顺向血流和晚期到达逆向血流，LARFP反映的就是其中的晚期到达逆向血流的比率，这一部分血流在理论上属于纯侧支血流，STA-MCA术后LARFP的明显提升完全来自PLD 1.5 s到2.5 s之间的这部分侧支血流，这样就量化了手术后患者的侧支血流提高的比重。这部分血流与患者脑血管的先天发育情况及手术桥血管的部位也会存在一定的关系，但通过本研究表明，STA-MCA手术对提升患者病变脑区的侧支血流具有重要意义。

除了采用Lyu的方法，本研究还使用Rapid自动灌注分析软件对患者术前和术后的血流进行了量化比较。Rapid灌注分析软件是目前唯一被美国食品药物监督管理局批准的用于评估脑梗死进展及评价脑血流储备的全自动分析软件，它可以对颅内血流进行自动量化分类，并进行多个指标的测量分析，基于上述技术及相关的背景，本研究将3D pCASL与Rapid灌注分析软件相结合来分析脑动脉搭桥术前后患者脑血流的改变。脑血管狭窄下游的脑组织并非完全按照程序化的模式进入脑损伤过程，研究表明很多患者无论是急性还是慢性脑缺血发生后会有自发的再灌注过程，这个过程也是侧支血流及患者临床预后的重要因素。HIR是预测缺血后脑组织的侧支血流、缺血半暗带及脑梗死损伤进展的指标，也是判断治疗风险的指标[13-16]，本研究中手术前、后HIR的显著差异表明无论是否存在核心的梗死区，术后Tmas>6 s的低血流灌注的脑区体积都较术前有所减少，STA-MCA手术降低了脑缺血进一步进展为脑梗死的风险。当然，Rapid灌注分析更多地应用在溶栓治疗及其疗效的评价中[17-18]，但是通过研究表明对于很多慢性动脉血管闭塞的患者，仍然适合，但这种应用有一定的局限性，如对于存在血流动力学异常的慢性闭塞或狭窄患者，血流指标可能会超过Tmax的阈值，这有高估低灌注状态的风险。但是针对本研究中患者的自身对照结果，HIR的改善足可以说明患者侧支血流的改善和梗死进展风险的减低，这也是STA-MCA搭桥手术的收益所在。

通过EAFP、LARFP和HIR这三个指标的改善，患者的临床症状得到了明显的改善，NIHSS评分也在术前与术后有了不同程度的好转，综上所述，STA-MCA手术对单侧大脑中动脉M1段狭窄患者脑血流灌注的改善是非常明显的。

本研究的局限性：①样本量小；②因为对诸如STA-MCA手术产生出血及再灌注损伤的研究还存在争议，所以术后脑出血和高灌注综合征的患者未纳入本研究；③如前所述个体脑血流灌注存在差异，基于文献的量化计算方法存在一定的局限性，PLD 1.5 s也可能包含一部分侧支血流，而PLD 2.5 s测量的CBF并不完全为侧支血流；另外，定量方法是假定病变侧大脑中动脉供血区理想灌注状态与患者正常侧相同，但是患者正常侧的血流灌注也可能存在变化；④部分患者病变血管下游脑血流缓慢造成的动脉到达伪影(artery transmit artifact，ATA)可能会影响兴趣区的CBF值测量。

尽管仍需要进一步更大规模的研究，但通过本研究的数据表明，采用这种分类量化颅内动脉狭窄下游脑区的脑血流的方法，可能会作为对诸如STA-MCA手术这样的针对颅内动脉狭窄或闭塞患者治疗方法进行较为准确评估的手段，为临床治疗和患者预后的评价做重要的参考。