磁共振頸動脈斑塊成像技術的現(xiàn)狀與進展

李睿，陳慧軍，苑純,3

1 簡介

在我國以及世界范圍心腦血管疾病都是首位致死原因[1]，雖然臨床表現(xiàn)可能是卒中、心肌梗死等靶器官的損害，其根源都是動脈粥樣硬化易損斑塊破裂[2]，因此通過影像學方法識別斑塊尤其是易損斑塊成為亟待解決的問題。頸動脈走行迂曲存在分叉是斑塊的易發(fā)部位，而且由于頸動脈貼近人體表面較為容易成像，因此常用來作為檢查動脈粥樣硬化的窗口。

臨床上可以進行頸動脈成像的方法包括超聲（ultrasound，US）、數(shù)字減影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）、計算機斷層掃描（computed tomography，CT）和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）。其中US具有良好的時間分辨率，但是由于散斑噪聲對軟組織的對比分辨力的影響較弱，所以US檢測較大程度依賴于操作人員的經驗和熟練程度。DSA雖然能對血管腔的狹窄進行精確的測量，但是無法評估斑塊的實際大小和成分，并且是一種有創(chuàng)的成像方法。CT用造影劑增強掃描的情況下可以獲得與DSA類似的圖像，但是它同樣無法區(qū)分除鈣化之外的斑塊成分。MRI可以利用其優(yōu)秀的軟組織對比度對斑塊進行高分辨率多對比度的成像，用于判別斑塊的形態(tài)、成分和功能，但是成像時間較長且容易產生偽影。綜合評價以上成像方法，磁共振是進行頸動脈斑塊成像最優(yōu)的解決方案，同時也存在挑戰(zhàn)。

下面將針對斑塊成像分辨率與信噪比、形態(tài)學特征、成分分析和圖像后處理等幾個方面的需求，對磁共振斑塊成像技術進行總結和展望。

2 分辨率與信噪比

在磁共振成像當中分辨率、信噪比和掃描時間三因素永遠是相互矛盾相互制約的，尤其是對于體積非常小的斑塊成像，在可以接受的掃描時間內如何獲得亞毫米分辨率和高信噪比的圖像已成為巨大的挑戰(zhàn)，因此利用高場強磁共振和設計信噪比更高的表面線圈成為技術層面的前提需求。由于頸動脈是最為貼近人體表面的動脈，臨床應用中可以設計8通道頸動脈相控陣線圈[3]對其進行高信噪比的成像從而部分解決分辨率與信噪比的矛盾（圖1）。

3 斑塊形態(tài)學特征

常規(guī)臨床計算機斷層掃描血管造影（computed tomography angiography，CTA）、DSA或MRA僅僅能得到血管的管腔信息，無法獲得斑塊的具體形態(tài)學特征，因此磁共振斑塊成像的關鍵在于對血流信號的抑制，通常將這種技術叫做黑血成像（black-bloodimaging）。由于血液流空效應，自旋回波序列本身就具有一定的血流抑制效果，另一方面也可以在血流流入方向加飽和帶達到血流抑制的目的。然而這兩種常規(guī)方法都需要依靠血液的流動來完成血流抑制而且都未針對黑血成像進行優(yōu)化，效果都不穩(wěn)定。實際應用當中通常通過增加一些預脈沖得到更好的血流抑制效果，這些預脈沖大致可以分為兩大類：流入相關和流入不相關。

3.1 流入相關預脈沖 此類預脈沖中最為常用的是雙反轉恢復預脈沖（double inversion recovery，DIR）[4]，包括非選擇性反轉脈沖和緊隨其后的選擇性反轉脈沖，經過反轉恢復時間TI后進行圖像采集。如果將TI選擇為血液信號過零點，則流入成像平面的血液信號被抑制，而成像平面的靜態(tài)組織由于經歷兩次反轉信號不受影響。由于血液的T1時間較長，因此由公式1計算出來的TI時間足夠使層面外被反轉的血流流入到成像層面。

該方法是目前磁共振成像設備中的常規(guī)的血流抑制方法，然而它存在較長的TI時間且只能進行單層面采集，因此效率很低。

為解決雙反轉預脈沖采集效率低的問題，可以采用多層面雙反轉恢復預脈沖（multislice DIR）[5-6]，將選擇性反轉脈沖的選擇層面加厚覆蓋整個成像區(qū)域，并在一個重復時間當中穿插采集所有成像平面，通過Bloch方程的計算所獲得的TI時間比DIR要短很多，由此可以提高采集速度，尤其適用于長重復時間（time of repetition，TR）的T2加權圖像采集，但血流抑制效果會由于選擇層面的增厚而降低。

圖1 8通道頸動脈線圈及其原理圖

另一方面可以加入兩組DIR并設計反轉恢復時間獲得對增強前后血流抑制效果都良好的四反轉恢復預脈沖（quatruple inversion recovery，QIR）[7-8]，通過比較增強前后圖像的差異，區(qū)分斑塊當中的纖維帽和脂質核。

此類方法的優(yōu)勢在于實現(xiàn)簡單、效果穩(wěn)定，但是只能抑制垂直于成像平面的血流并且成像的效率較低。

3.2 流入不相關預脈沖 此類預脈沖不依靠流入效應，較為常見的是運動敏感驅動平衡預脈沖（motion-sensitized driven-equiblibrium，MSDE）[9]。這種預脈沖的方法在常規(guī)的反轉角為90°-180°-90°的T2準備脈沖的基礎上加入對稱的運動敏感梯度，該梯度對靜態(tài)組織沒有影響而對運動的血流信號加入附加相位，通過優(yōu)化運動敏感梯度的M1值使血流信號相互抵消獲得血流抑制效果。

該方法的優(yōu)點在于可以抑制成像平面內的血流信號，但同時它也會給成像帶來不必要的T2加權和彌散加權。該預脈沖與三維快速梯度回波采集相結合形成三維黑血成像序列（three dimension motion sensitized driven equiblibrium rapid gradient echo，3D-MERGE）進行冠狀位高分辨率等體素成像可以獲得任意平面的重建圖像如圖2所示[10]，從而在較大范圍清晰地顯示斑塊的形態(tài)。

4 斑塊成分分析

通過頸動脈斑塊剝脫術所獲得的標本與多對比度磁共振成像序列對照研究發(fā)現(xiàn)，T1加權像、質子密度（proton density，PD）加權像和T2加權像可以用來區(qū)分斑塊內包括壞死脂質核、纖維帽、出血和鈣化等成分，同時由于時間飛躍（time of flight，TOF）成像有助于顯示管腔的形態(tài)也將其加入到多對比度成像序列當中，典型的磁共振成像參數(shù)可以參考表1[11]，其中第一行給出了這些成像序列所應用的黑血預脈沖，利用多對比度圖像判別斑塊成分的方法可以參見文獻12。

如圖3所示為通過多對比度序列分析獲得的斑塊成分與病例對照結果[12]，各種成分與病理完美匹配。

以上這些序列僅僅形成了最基本的多對比度成像方案，為提高判別的準確度還會加入其他對比度序列。例如為更好地區(qū)分纖維帽和壞死脂質核可以利用造影劑增強后的

圖2 三維黑血成像序列軸位、冠狀位和矢狀位的重建圖像[10]

圖3 頸動脈分叉附近的多對比度磁共振圖像與病理對照結果（其中紅色輪廓為管腔，青色為外管壁，黃色為壞死脂質核，黑色為鈣化，橙色為出血）[12]

T1加權成像進行區(qū)分，還可以加入對斑塊內出血非常敏感的重T1加權磁化強度預備梯度回波序列（magnetization prepared rapid gradient-echo sequence，MPRAGE）[13]或同時非增強血管造影和斑塊內出血成像序列（simultaneous noncontrast angiography and intraplaque hemorrhage，SNAP）[14]成像來判斷高危斑塊特征。

5 圖像處理方法

磁共振斑塊成像的最終目的是獲取定性的或者定量的斑塊指標來對斑塊的診斷、風險評估和治療提供依據(jù)，如斑塊負荷和斑塊的成分特征。斑塊負荷測量中有多種量化指標，其中目前臨床最為常見的是狹窄程度測量，國際上常用的標準包括北美癥狀性頸動脈內膜剝脫試驗（North American Symptomatic Carotid Endarterectomy Trial，NASCET）[15]和無癥狀頸動脈粥樣硬化（Asymptomatic Carotid Atherosclerosis Study，ACAS）[16]標準。然而由于動脈粥樣硬化疾病中存在的血管壁重構現(xiàn)象[17]，狹窄程度測量很多時候并不能反映該疾病的嚴重程度[18]。因此，出現(xiàn)了針對斑塊大小而非狹窄的斑塊負荷評價方法，其中包括管壁厚度和管壁面積、體積等方法[19]，其中“標準化管壁指數(shù)（normalized wall index，NWI）”[20]成為逐漸被接受的量化指標。另一方面，斑塊內成分信息也逐漸成為評估斑塊危險性的重要指標[21]，如：脂質/壞死核、斑塊內出血、鈣化等。其中斑塊內出血和大的脂質/壞死核是目前臨床研究中公認的主要危險因素[21-22]。

圖像處理方法的主要任務就是從蘊含大量信息的多對比度圖像中提取斑塊負荷指標和斑塊的成分特征。斑塊負荷的測量通常需將血管管腔和管壁分割出來；而斑塊成分分析由于需要多對比度圖像來確定，考慮到患者在掃描過程中可能存在移動等因素，首先要配準多對比度圖像，再進行成分的分割。不管在黑血或亮血圖像中，管腔的對比度都較好，分割方法可使用自動的主動輪廓方法[23]。分割管壁主要在黑血圖像上進行，由于其對比度較差，并且不同斑塊成分導致的不連續(xù)，需要在自動分割時使用更加復雜的算法，如有形狀約束的主動形狀模型[19]，并考慮更多的人工介入。由于血管周圍組織在多對比度圖像中可能存在較大形變和位移，如附近靜脈的壓縮或患者的移動，而動脈粥樣硬化的管壁本身不易形變，多對比度圖像的配準常常在管腔分割的基礎上進行。在只考慮平移的基礎上，直接配準管腔分割結果和每個對比度的圖像通?？梢詽M足要求[23]。最后進行的管壁成分分割主要需要判斷每個像素在多對比度圖像上的信號符合哪種成分的特點，同時考慮相鄰像素的相似性。由于在實際多對比度圖像中信號的復雜度，通常使用基于模式識別的分割方法。Liu等[24]中提出在圖像信號的基礎上添加距離特征的分割方法取得了良好的分割效果，并在多組數(shù)據(jù)中被證明了有效性[25]。目前，已有實驗性圖像處理軟件可以進行上述的管腔、管壁和成分分割，也可對斑塊負擔和其成分特點進行定性、定量的評估[23]，使用其進行的多個研究已經證明了斑塊成像和量化分析的可靠性和可重復性[26-27]。

表1 常規(guī)多對比度磁共振斑塊成像參數(shù)[11]

6 總結與展望

磁共振斑塊成像和處理技術在全球多個科研團隊的推進下經過近20年的發(fā)展已經較為成熟地應用于頸動脈血管床，然而從技術的角度來講，斑塊成像依然充滿了挑戰(zhàn)。

成像血管床方面，成像范圍從頸動脈二維成像向顱內血管[28-29]、主動脈[30]、下肢動脈[31]三維各向同性高分辨率成像發(fā)展；血流抑制技術方面，從依靠血液流入的垂直于成像平面的黑血技術向層面內的不依靠血流[14，32]的黑血技術發(fā)展；多對比度成像方面，從常規(guī)的形態(tài)學評估向特異性更強[14]和功能評估[33]的方向發(fā)展；圖像處理方面，正從簡單的二維圖像處理向有著巨量數(shù)據(jù)的三維圖像處理發(fā)展[34]，從手動半自動的斑塊分析方法向全自動的分析方法[35]發(fā)展。

總之，磁共振斑塊成像技術目前已經進入臨床轉化階段并且新技術的研發(fā)依然活躍，該技術的提升將為臨床高危斑塊的篩查、診斷、治療和轉歸提供更有效和直接的證據(jù)。

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