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高分辨率磁共振成像技术评估颅内动脉瘤破裂风险的研究进展

辐射成像 磁共振成像技术
发布:2021-03-22 14:40:43     来源:中南大学学报

颅内动脉瘤(intracranial aneurysm,IA)的发病机制复杂,导致其破裂的确切生物力学过程尚不明确。普通人群中的发病率为2%~4%,大多数未破裂动脉瘤(unruptured intracranial aneurysm,UIA)的患者常常无临床症状。IA一旦破裂(每年约有1%),其所致蛛网膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage,SAH)的病残率及病死率极高。

如何精准有效地评估IA的破裂风险成为临床医生对UIA患者进行手术治疗或保守治疗的关键所在。以往主要通过计算机断层扫描血管成像(computed tomography angiography,CTA)、磁共振血管造影(magnetic resonance angiograhpy,MRA)、数字减影血管造影(digital subtraction angiography,DSA)等获取血管腔的特点,对血管壁及瘤壁缺乏有效的检查,临床上大致以IA的大小、位置、形态、破裂史、高血压及种族等指导治疗和预测未来IA破裂的风险。

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)作为一种安全、无创、无辐射的影像学检查手段,能有效地检测血管腔内的结构、血流方式和速度特征、瘤壁的厚度及强化等情况,对于临床IA的诊断和治疗策略的制订具有重要的意义。近年来随着技术的进步,设备磁场强度的逐渐增高,特殊造影剂及分子对比剂的发明,高分辨率磁共振成像(high resolution magnetic resonance imaging,HRMRI)可以更有效地反映血管壁的信息,在评估IA破裂风险方面发挥越来越重要的作用。

1.HR-MRI评估动脉瘤壁厚度

动脉瘤壁很薄,为0.02~0.50mm。因动脉瘤壁的重塑过程导致了瘤壁进行性变薄,最终可引起IA破裂出血,故测量动脉瘤壁的厚度可能对破裂风险的评估起到一定的作用;但动脉瘤壁纤薄,且以往可用的成像技术分辨率有限,使得壁厚成像具有挑战性。研究发现:动脉瘤壁与邻近脑实质或脑脊液的界限模糊,难以准确测量其厚度。Sherif等使用3.0TMRI血管壁序列对实验兔动脉瘤壁的厚度进行测量,结果显示组织学测量的厚度与MRI测量的厚度存在差异。这可能与成像分辨率阈值有关。

研究表明:当动脉瘤壁厚超过了成像空间分辨率时,高分辨率技术就可以准确地测量壁厚。近年来,MRI技术得到了进一步发展。新兴的7.0TMRI具有更高信号噪声比和更高对比噪声比,这使动脉瘤壁厚度的研究成为可能。Kleinloog等使用7.0TMRI研究了33例UIA患者,观察到28例患者的动脉瘤壁和信号强度有变化。

值得注意的是,由于部分体积效应,作者使用各向同性体素而不是高平面分辨率来推断体内MRI的壁厚变化,并通过楔形体模和体外研究来验证他们的发现。体外MRI显示动脉瘤壁的信号强度变化与体内成像相似。两个动脉瘤壁标本的信号强度与壁厚呈线性相关(Pearson相关系数分别为0.85和0.86)。

Matsushige等使用7.0T时间飞跃磁共振血管成像(time of flight magnetic resonance angiography,TOF-MRA)和磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging,SWI)来识别7个巨型UIA患者血管壁的三层微结构。这项研究的高空间分辨率使活体微结构可视化成为可能。此外,两个标本的组织病理学分析显示铁在外膜和平滑肌层内均匀沉积。由于SWI在超高磁场强度下的强晕染效应,动脉瘤壁厚度较TOF-MRA高估约1.5倍,与组织病理学测量结果具有极好的相关性。

Blankena等使用7.0T磁化准备反转恢复快速自旋回波(magnetization-prepared inversion-recovery turbo spin-echo,MPIR-TSE)序列来关联11个UIAs的壁厚和壁切应力,发现表观壁厚与壁切应力之间存在负相关(r=−0.35,P<0.05),这表明7.0TMPIR-TSE可用于评估与IA生长和破裂等病理生理过程相关的空间壁厚变化。尽管7.0TMRI仍处于发展阶段,但它对动脉瘤壁厚度有良好的显示效果,提示在未来的研究中,动脉瘤壁厚度的变化可作为IA破裂的一个危险因素。

2.HR-MRI评估动脉瘤壁炎症

越来越多的研究表明:IA是一种炎症性疾病,其发生、发展及破裂的过程与炎症有不可分割的联系。Virchow在1847年首次提出炎症是IA的病因。其他可能导致IA形成血管壁炎症的间接原因包括血管壁的癌性浸润,如黏液瘤性动脉瘤,或由于微生物的存在而形成的霉菌性动脉瘤。Chyatte等报道炎症和免疫反应是UIAs的共同特征。动脉瘤壁上的补体,IgG,IgM,巨噬细胞和T淋巴细胞水平高于正常血管。之后,一些研究提出了IA形成和破裂的特异性免疫通路和介质。持续的炎症变化可能导致持续的壁重构,最终导致低密度脂蛋白的积累和动脉粥样硬化的改变。

大多数IA的破裂发生在瘤顶,瘤壁通常被炎性细胞浸润,并有纤维化改变。由于炎症介质和细胞因子的作用,巨噬细胞浸润血管壁,表达并释放基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)。MMPs分解动脉壁的细胞外基质和胶原蛋白,进而导致其他炎症细胞的聚集,增加额外蛋白酶的表达,并使动脉壁迅速退化。这些过程通常受正反馈调节和炎症因子共同作用,最终导致IA的形成。进一步的炎症可严重影响动脉壁的结构,引发IA破裂和SAH。

Aoki等的组织学研究表明巨噬细胞在IA的发生、发展与破裂中起至关重要的作用。巨噬细胞还可表达髓过氧化物酶(myeloperoxidase,MPO),破坏血管壁,使得血管壁变薄破裂。Chu等通过小鼠实验证实MPO在IA的形成和破裂中起重要作用。针对浸润的巨噬细胞可表达MPO的特性,DeLeo等应用MPO特异性MRI对比剂检测动物模型颈总动脉瘤壁的炎性改变,结果发现:在炎性动脉瘤模型中,MPO特异性对比剂较非特异性对比剂在体内清除延时,据此可以利用MRI结果检测评估IA的炎性改变。

另一种针对炎症细胞的成像技术是使用纳米氧化铁(ferumosytol)作为对比剂的MRI。纳米氧化铁是一种超小超顺磁性纳米颗粒,通过巨噬细胞吞噬来清除,可以用作造影剂和炎症标志物。研究表明:纳米氧化铁增强MRI可以对IA破裂风险进行个体化分层。Hasan等研究表明:注入纳米氧化铁后,IA管壁24h内摄取纳米氧化铁可能预示着在未来6个月内IA不稳定和破裂。

此外,Hasan等还进一步研究得出:纳米氧化铁增强MRI可进一步显示阿司匹林对颅内动脉瘤壁巨噬细胞的作用,动脉瘤壁的炎症进程可被抗炎药物抑制。未来需要进一步的研究来验证这些结果。

3.HR-MRI评估动脉瘤壁强化

正常的血管壁有完整的内皮屏障,钆剂不能透过,当出现IA或者其管壁炎症进展及病理性滋养血管增生时,钆剂渗入,影像学表现为瘤壁局部信号影增强。1995年,Aoki等首次通过MRI评估颅内血管壁的强化程度,发现随着年龄的增长,血管壁强化的程度有增加的趋势,并认为与动脉粥样硬化进展有关。

13年后,Küker等采用多维高分辨率T1加权成像重新研究,发现大多数脑血管炎患者的血管壁出现增厚和强化。该技术可用于描述颅内血管病变,包括脑血管炎、脑动脉粥样硬化和IA等。最近的研究表明HR-MRI可以鉴别不稳定或破裂的囊状动脉瘤。Edjlali等研究表明:在不稳定动脉瘤中,动脉瘤壁环形强化(circumferential aneurysmal wall enhancement,CAWE)的发生率高于稳定动脉瘤。上述观察结果支持动脉壁增强可以作为血管壁炎症的间接标志,也可以作为动脉瘤不稳定的潜在标志。

Nagahata等运用MRI血管壁成像MSDE-3D-TSE序列对IA患者进行检测,发现在破裂动脉瘤中明显强化者占73.8%,中度强化者占24.6%,无强化者占1.6%;在未破裂动脉瘤中明显强化者占4.8%,中度强化者占13.3%,无强化者占81.9%。这表明瘤壁强化通常发生在破裂动脉瘤中,动脉瘤壁的强化可能是IA破裂的标志。

随着MRI技术的不断发展,越来越多的学者投入到颅内动脉瘤HRMRI瘤壁的研究,其中多数学者认为HR-MRI中瘤壁的增强可以预测颅内囊状动脉瘤的不稳定状态。但HR-MRI中瘤壁增强对于UIA的临床意义仍然存在争议,在将颅内血管壁MRI应用于常规临床实践之前,需要更多的前瞻性队列研究来跟踪可能不稳定的动脉瘤,以确定CAWE在预测不稳定性方面的临床价值。

4.HR-MRI评估动脉瘤壁渗透率

对比剂可渗透动脉瘤壁,其对比剂的渗透率(transfer constant,Ktrans)可评估血管壁的完整性和由血流动力学压力等相关环境因素所导致的病灶血管退化。因此,准确检测颅内动脉瘤壁的Ktrans对于评估IA破裂风险具有重要的意义。Vakil等对UIA患者进行动态对比增强磁共振成像(dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging,DCE-MRI),发现临床定义的高破裂风险UIA邻近区域的Ktrans较高,提示Ktrans可能是预测动脉瘤破裂风险的独立指标。

Cantrell等报道了IA扩散补偿渗透性建模的第1个证据,并提出了Ktrans扩散效应的参数。测量数据与模拟数据的比较表明对比剂渗漏发生在动脉瘤壁上,并认为扩散补偿壁渗透率(Ktrans-Ktrans DC)可以提供一个额外的生物成像标志物来表征IA的破裂风险。Qi等探讨了UIA的DCE-MRI中动脉瘤壁通透性与造影后血管壁MRI中动脉瘤壁增强的关系,结果发现DCE-MRI显示IA邻近区的Ktrans增加,与血管壁MRI后动脉瘤壁强化无关,并认为Ktrans的增加可能代表着动脉瘤壁渗透性的增加,这为IA风险评估提供了新的信息,且与动脉瘤壁强化提供的信息不同。未来有必要进一步探讨其与IA破裂风险的相关性。

5.HR-MRI评估血流动力学相关破裂危险因素

血流动力学异常一直被认为是诱发IA形成、破裂的重要危险因素,其主要包括IA周围血流动力学及IA内部血流动力学。Karmonik等运用相位对比MRI(phase contrast magnetic resonance imaging,pcMRI)评估计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法模拟IA血流动力学的可靠性。结果显示:应用2DpcMRI计算的与CFD模拟的IA内流速曲线具有较好的一致性。这为分析IA的血流动力学提供了一种可能,也为临床上IA患者的个体化评估与诊治提供了新思路。

Schnell等运用4DflowMRI对体内不同IA的血流动力学及其与大小、形态的关系进行了综合分析,包括量化IA三维表面的体积时空速度分布、涡度和壁切变应力(wall shear stress,WSS)。结果显示IA大小和形态对IA血流动力学有影响。这提示4D flow MRI可能有助于对单个IA进行分类。

Kimura等回顾性分析了IA生长前的原始数据,将IA的TOF-MRA数据转换为三维血管几何数据,展示了IA生长过程中的实际血流动力学情况;并开发了一个特殊的CFD工具,可运用晶格玻尔兹曼方法计算流线、WSS、振荡剪切指数3项血流动力学指标,对两组进行定量比较。结果发现:在6个生长中的动脉瘤中,局部动脉瘤囊的WSS在心脏收缩的高峰期出现暂时性增加。

相比之下,6个稳定动脉瘤中有3个的WSS在心脏周期的任何时候都没有增加。两组间WSS峰值差异有统计学意义。这表明收缩期WSS的局部增高可能是近期动脉瘤扩大的危险因素。但这些研究尚不能评估UIA局部血流动力学与其破裂风险之间的关系。

6.HR-MRI在IA破裂后的相关研究

准确的非侵入性识别出血的来源是靶向治疗多发动脉瘤伴急性SAH患者的关键所在。以往判断IA破裂的标准有出血的分布,IA的形态(大小、位置、形状、颈圆顶比),充盈的特征,局灶性血管痉挛的存在,症状和体征的定位等。Matouk等首次在5名急性SAH患者中应用血管壁MRI,发现所有患者都有较厚的动脉瘤壁强化,其中3例患者存在多发动脉瘤,而在未破裂的动脉瘤壁中均未见强化。

在Nagahata等的一系列病例中,15例患者在IA的顶点或瘤泡处可见强化,其中7例接受了显微外科手术,这些病例的破裂点都与增强相关。研究表明:多达30%的患者可能有较小的IA破裂。Kondo等报道了1例急性SAH患者,其有4.2mm的前交通动脉瘤和5.8mm的基底动脉尖动脉瘤。

HR-MRI显示较小的前交通动脉瘤增强。随后在显微外科手术中证实前交通动脉瘤破裂。颅内多发动脉瘤破裂的鉴别也可以指导血管痉挛的临床处理。HR-MRI有可能成为一种预测工具,用于判断在血管痉挛的情况下诱导血压升高的安全性。Mossa-Basha等对29例30个IA(22个破裂,8个未破裂)患者进行了3.0THR-MRI检查。

与预期一样,破裂IA的强化程度明显高于UIAs。此外,在控制出血等级的情况下,管壁强化与随后的血管造影时血管痉挛显著相关,提示破裂动脉瘤的管壁强化可能与血管造影时血管痉挛的发展有关。

7.结语

不同类型IA的生物学行为差异很大,这在很大程度上取决于血管壁病理的差异,包括炎症、新生血管、壁内出血、肿瘤植入和物理破坏等。HR-MRI有潜力识别这些血管壁特征的成像替代物,从而识别动脉瘤行为的成像生物标志物。目前关于HR-MRI在IA患者中临床应用的证据有限。尽管存在一些关于IA的HR-MRI的数据,但远不如用常规MRI或组织病理学对许多类型的IA进行描述的数据丰富。

大多数的研究并没有对UIA患者进行纵向随访。前瞻性验证数据的缺乏限制了HRMRI在UIAs治疗决策中的临床应用。此外,IA的不稳定性没有准确的定义。破裂是IA不稳定的终点,不能用来验证HR-MRI。研究间用于评估IA的HRMRI序列和方案存在明显差异。切片厚度、翻转角度、重复/回波时间、场/矩阵/体素大小和扫描时间尚未标准化,限制了其在日常实践中的再现性。因此,需要建立具有标准化和经过验证的成像协议,以便更好地指导当前的临床实践和未来的研究。

HR-MRI作为一种新兴的影像学检查技术,弥补了传统影像学检查对于IA显示的不足,可对IA厚度、形态、血流动力学等特征进行有效的评估。有理由相信,随着人工智能、多参数机器学习的兴起,大量影像学数据的自动分析及预测建模或可为IA的发病机制、诊断及治疗提供新的见解。

来源:郭炳忠,李毅锋,姜维喜,杨顺,李不言,袁盾.高分辨率磁共振成像技术评估颅内动脉瘤破裂风险的研究进展[J].中南大学学报(医学版),2020,45(12):1476-1482.

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