3.0 T MRI對中腦導(dǎo)水管腦脊液流動的研究

宋揚，譚曉天，王雪梅

一直以來，腦脊液的定量、定性分析主要依靠腦脊液穿刺，腦脊液造影等有創(chuàng)檢查，但隨著近年來MRI技術(shù)的發(fā)展，MR已經(jīng)成為腦脊液無創(chuàng)檢查的有效手段，本研究通過MR相位對比成像研究正常人及腦積水患者的中腦導(dǎo)水管腦脊液流體動力學特性，以探討其在腦脊液循環(huán)障礙疾病中的診斷價值。

1 材料與方法

1.1 研究對象

所有病例均來自我院2009年至2012年腦積水患者，并建立對照組30人，對照組來自志愿者，均已簽署知情同意書。

梗阻性腦積水組(簡稱腦積水組)16例，男9例，女7例，年齡25～48歲，平均43.1歲。所示病例均為經(jīng)臨床影像檢查綜合確診的患者，其中中腦導(dǎo)水管狹窄3例。入組條件在腦室最大徑MRI層面上測量側(cè)腦室體部中間部分的腦室間徑(V)與雙頂間徑(B)的比值(V/B)均>25%。

對照組30例，男17例，女13例，年齡20～50歲，平均37.8歲。對照組均為志愿者，入組條件無神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)病史、癥狀或體征；MRI檢查未發(fā)現(xiàn)顱腦疾病。

1.2 儀器和設(shè)備

Philips Achieva 3.0 T X-seriesMR掃描儀，八通道頭部相控陣線圈。應(yīng)用外周心電門控設(shè)備。數(shù)據(jù)后處理應(yīng)用MR Extended Workspace R2.6.31作站及配套軟件。

1.3 檢查技術(shù)及參數(shù)

應(yīng)用8通道頭部相控陣線圈。受試者仰臥，平靜呼吸，采用外周心電門控(PPU)，將指脈放置到左手中指。MR圖像采集分別采集顱腦常規(guī)圖像及腦脊液流速分析圖像。頭部常規(guī)圖像包括FSE序列的軸面T1WI、T2WI和矢狀面T2 FLAIR。

腦脊液流量分析應(yīng)用MRI腦脊液相位對比序列(CSF-PCA、CSF-QF序列，矢狀面定位像上，在中腦上、下丘之間選取與導(dǎo)水管垂直的層面作為分析層面。TR、TE取最小值，反轉(zhuǎn)角15o，F(xiàn)OV 15 mm×15 mm，矩陣為256×179，層厚4 mm，速度編碼方向為足端至頭端，編碼速度為12 cm/s；使用流動補償、呼吸補償；采用外周心電門控，R-R間隔重建相位數(shù)為12，掃描時間約5～10 min。

圖1 對照組導(dǎo)水管平面腦脊液流動幅度圖(共12幀) 圖2 對照組導(dǎo)水管平面腦脊液流動相位圖(共12幀)Fig.1 The CFS fl uid magnitude images of compared group. Fig.2 The CFS fl uid phase images of compared group.

1.4 數(shù)據(jù)測量和分析

相位對比法腦脊液流體分析序列掃描可得到腦脊液流動相關(guān)數(shù)據(jù)36幀圖像，其中第1幀至12幀為橫斷面T2WI，第13幀至24幀為幅度圖像(magnitude image)，第25幀至第36幀為相位圖像(phase image)。資料可以傳送到后處理工作站或個人電腦進一步分析。

MR Extended Workspace R2.6.3工作站及配套軟件可以對導(dǎo)水管內(nèi)腦脊液流動進行定性與定量分析。定性分析時，在矢狀位及橫斷位的幅度圖和相位圖上調(diào)整窗寬、窗位，使中腦導(dǎo)水管內(nèi)腦脊液清晰顯示，運行電影(cine)模式觀察，可使12幀幅度圖及12幀相位圖像連續(xù)播放，直觀顯示導(dǎo)水管內(nèi)腦脊液的流動速度與方向。定量分析需要運行CSF-QFClear軟件，在橫斷位T2WI上調(diào)整窗位、窗寬，清晰顯示中腦導(dǎo)水管并在導(dǎo)水管區(qū)畫出感興趣區(qū)ROI，計算機自動對每一幅圖像中感興趣區(qū)中的數(shù)據(jù)進行分析，并得出每幀圖像感興趣區(qū)中一個心動周期內(nèi)腦脊液向頭側(cè)或足側(cè)的平均流量、向頭側(cè)或足側(cè)的平均流速及流動曲線等，最后以數(shù)據(jù)和圖形兩種形式顯示腦脊液的流動特征。

1.5 統(tǒng)計學分析

本研究應(yīng)用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件包。對腦脊液流量、流速等進行正態(tài)檢驗。結(jié)果采用均數(shù)加標準差的形式表示。組間比較采用獨立樣本的t檢驗。組間的腦脊液流動類型采用χ2檢驗。P<0.05(雙側(cè))具有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 中腦導(dǎo)水管平面PC法腦脊液流動定性分析

2.1.1 腦脊液流動幅度圖與相位圖

應(yīng)用CSF-QF序列一個心動周期內(nèi)可得到腦脊液流動圖像36幀。其中第13～24幀為幅度圖(圖1)，第25～36幀為相位圖(圖2)。

2.1.2 腦脊液流量及流速曲線圖

以R-R間期為橫坐標，腦脊液流量或流速為縱坐標，腦脊液分析軟件會自動生成腦脊液流量與流速的變化曲線和圖表兩種形式(圖3，表1)。因流量與流速變化曲線圖形態(tài)基本一致，故每例流動曲線類型只記錄1次，本次研究記錄流量曲線圖。

表1 不同組別導(dǎo)水管平面腦脊液流量曲線類型(例)Tab.1 two groups CFS flow velocity curve types at aqueduct of the midbrain (case)

根據(jù)流量曲線的平滑度及形態(tài)，流量曲線可分為平滑倒“U”形及不規(guī)則波浪形2個類型(圖4)。

2.2 中腦導(dǎo)水管平面PC法腦脊液流動定量分析

具體見表2。

表2 導(dǎo)水管平面腦脊液流量值和流速值(ml/s，cm/s)Tab.2 Two groups CFS flow velocity value at aqueduct of the midbrain (ml/s,cm/s)

3 討論

3.1 相位對比法流體成像原理

目前應(yīng)用較成熟的MR流體成像測量技術(shù)有時間飛躍法(TOF)和相位對比法(PC)。時間飛躍法主要用于流速較快的動脈成像，如血管成像，相位對比法對流速較慢的流體成像較敏感，并可測量流體流動的速度和方向。故本研究采用相位對比法研究腦脊液的流動特性。

相位對比法的特點是以流速為編碼，以相位變化作為圖像對比的特殊成像技術(shù)，圖像分為相位圖像和幅度圖像。相位對比電影成像通過相位對比技術(shù)與心電門控技術(shù)相結(jié)合,使得流動液體的相位位移與時間相結(jié)合,可以獲得有關(guān)流動液體如血流、腦脊液流動的波形、速率及流量的全面定量資料。

3.2 導(dǎo)水管平面腦脊液流動定性分析

3.2.1 導(dǎo)水管平面腦脊液流動幅度圖與相位圖

本研究幅度圖與相位圖顯示對照組正常人導(dǎo)水管平面腦脊液的流速與流動方向大致隨心動周期呈節(jié)律性變化，支持既往腦脊液基礎(chǔ)與臨床研究提出的腦脊液流動與心臟或血管搏動有關(guān)的團流理論[1-5]。Florez等[3]用MR研究了心臟收縮期及舒張期顱內(nèi)血流量的變化及其腦脊液的流動情況后認為：顱內(nèi)及椎管內(nèi)腦脊液流動的主要驅(qū)動力是腦血管收縮期引起的腦膨脹，它是動脈血、毛細血管血、靜脈血和腦脊液四種因素共同作用的結(jié)果。心臟收縮時，流入顱內(nèi)的血液總量增加，引起腦膨脹，顱內(nèi)壓相對增高。腦室系統(tǒng)受壓，使腦脊液向下流入椎管。心臟舒張時，顱內(nèi)靜脈血流出顱內(nèi)，腦內(nèi)血液總量減少，顱內(nèi)壓相對降低，腦脊液向上流入顱內(nèi)。本試驗顯示，中腦導(dǎo)水管中腦脊液向下流動的最大速度約在1～2階，0%～10%。正處在心臟心室的收縮期，向上流動的最大速度在9～10階或75%～83%之間，處于心臟的心房收縮期。這提示腦脊液流動方向的改變稍晚于心臟的收縮或舒張活動，這可能與心臟射血開始至血液到達顱內(nèi)需要經(jīng)過動脈流動而耗時有關(guān)。但是，幅度圖與相位圖均以黑白灰階評價其變化，目測難以準確定量，也不利評價不同組別之間的差異。因此，本研究不同組別之間的比較主要使用流動曲線與流量、流速。

圖3 腦脊液流量變化曲線和流量、流速數(shù)據(jù)表 圖4 導(dǎo)水管平面腦脊液流量曲線圖。A：對照組倒“U”形曲線圖；B：腦積水組“波浪形”曲線圖Fig.3 CFS fl ow velocity curve and data chart. Fig.4 CFS fl ow velocity curve and data chart.A:Control group inverse “U” type curve.B:Hydrocephalus group wave type curve.

3.2.2 導(dǎo)水管平面腦脊液流動曲線圖

腦脊液流速與流動方向變化曲線圖能直觀顯示腦脊液在一個心動周期內(nèi)的流速及流動方向變化節(jié)律，有利于比較研究不同疾病的腦脊液流動節(jié)律差異。該曲線圖橫軸為觀察的時間(一般為一個心動周期)，縱軸分別為某一時間點腦脊液的流量或流速。根據(jù)公式F=V×A，流量等于流速與感興區(qū)面積的乘積，感興區(qū)面積是在同一個個體是不變量，所以導(dǎo)水管平面腦脊液流量與流速曲線圖是基本相同的。故本研究只選擇分析流量曲線圖。既往研究顯示正常中腦導(dǎo)水管腦脊液流量曲線具有“正弦波”形、“U”形、倒“U”形三種不同類型。對比觀察不同作者的檢查參數(shù)，筆者發(fā)現(xiàn)，其他參數(shù)一致時，使用心電門控、重建相位16、流速編碼足側(cè)向頭側(cè)者，所產(chǎn)生的曲線呈先流向頭側(cè)的大致的“正弦波”形曲線。使用心電門控、重建相位30或60、流速編碼從足側(cè)向頭側(cè)時，所產(chǎn)生的曲線呈“U”形曲線。使用外周心電門控、重建相位12或16、流速編碼從足側(cè)向頭側(cè)者，所產(chǎn)生曲線呈先流向足側(cè)的倒“U”形曲線。本研究結(jié)果即為第三種類型，倒“U”形曲線。通過對比分析三種曲線類型，筆者發(fā)現(xiàn)通過改變重建相位或流速編碼方向等參數(shù)，“U”形曲線可變?yōu)榈埂癠”形曲線，或正弦波曲線。雖然不同設(shè)備得到的不同類型的腦脊液流動曲線，但都反映了相同的腦脊液流動特性，即在一個心動周期內(nèi)正常人中腦導(dǎo)水管平面的腦積液流動呈向頭側(cè)與向足側(cè)的雙向節(jié)律性流動，兩種方向的流量、流速呈逐漸、平滑的變化。這一結(jié)果支持多名學者提出的腦脊液循環(huán)團流理論[1-6]。本研究與Florez等[3]的結(jié)果相一致。對比本研究兩組病例導(dǎo)水管平面腦脊液流動曲線圖，筆者發(fā)現(xiàn)對照組多為平滑倒“U”形，腦積水組多為波浪形，其流量與流動方向變化突然且不規(guī)則；梗阻性腦積水患者肯定有腦脊液循環(huán)障礙，本研究結(jié)果提示其腦脊液流動曲線與正常對照組不同，呈波浪形、變化突然。這一方面驗證了PC法腦脊液流動分析是可行的，能夠發(fā)現(xiàn)腦脊液循環(huán)異常。

3.3 導(dǎo)水管平面腦脊液流動定量分析

正常人中腦導(dǎo)水管腦脊液流速的定量測量結(jié)果各家報道有較大差異。腦脊液向頭側(cè)的平均流速從1.01 cm/s到6.4 cm/s，腦脊液向尾側(cè)的平均流速從1.267 cm/s到8.263 cm/s。這有兩種情況，一是不同地區(qū)、人種的導(dǎo)水管平面腦脊液流速可能本身存在差異；二是，由于不同作者使用的MRI設(shè)備、成像參數(shù)不同，掃描層面位置與掃描方向差異，正常對照組入組條件不同而使測量參數(shù)出現(xiàn)較大變異。這就需要首先建立起本地區(qū)、本臺設(shè)備的腦脊液流量、流速的正常標準，并采取使用較大樣本量、規(guī)范測量參數(shù)、嚴格對照組入組條件等措施，使對照標準更加客觀、準確。從不同組別的腦脊液流速測量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，腦脊液向足側(cè)(下方)的流速大于向頭側(cè)(上方)的流速。腦脊液的凈流量及凈流方向是向下足側(cè)的。這從另一方面支持腦脊液從導(dǎo)水管平面以上分泌并向下方流動的團流理論。這也可以解釋中腦導(dǎo)水管阻塞時，腦室系統(tǒng)會擴大的原因。本研究中發(fā)現(xiàn)梗阻性腦積水患者導(dǎo)水管平面腦脊液的頭側(cè)及足側(cè)平均流量、流速均小于對照組(P<0.05)。這與朱曉黎等[7]測量的梗阻性腦積水腦脊液搏出量下降一致。本研究設(shè)置梗阻性腦積水組的目的一是觀察其腦脊液流動變化特點，為梗阻性腦積水尋找可能的新的診斷或分度分級指標。從本研究的小樣本量數(shù)據(jù)觀察，梗阻性腦積水組腦脊液的頭側(cè)與足側(cè)平均流量與流速均是正常對照組數(shù)據(jù)的約30%；該組數(shù)據(jù)的另一特點是其離散趨勢較大，標準差均大于平均值，這與其腦脊液流動曲線呈突然不規(guī)則變化一致。梗阻性腦積水的此兩個特點是否能作為其診斷指標尚需較大樣本量的研究數(shù)據(jù)支持。本研究設(shè)置梗阻性腦積水組的另一目的是將其作為一對照組，用于檢驗PC法腦脊液流動測量的準確性。從現(xiàn)有數(shù)據(jù)看，梗阻性腦積水的數(shù)據(jù)變化規(guī)律與既往文獻一致[7-15]，提示本研究所用PC法是可行的。

3.4 結(jié)論

MRI PC cine法是一種無創(chuàng)且準確的腦脊液檢查分析方法，能顯示導(dǎo)水管平面腦脊液的流動節(jié)律，并測量腦脊液的流量與流速。本研究對照組、梗阻性腦積水組腦脊液流動節(jié)律、頭側(cè)及足側(cè)的腦脊液平均流量、流速均不同。腦脊液分析的結(jié)果初步建立了本臺3.0 T MR掃描儀正常腦脊液流量、流速的參考值，并初探了梗阻性腦積水腦脊液的流動特性，為可能引起腦脊液產(chǎn)生、循環(huán)、吸收異常的相關(guān)疾病提供一種新的研究或檢查手段。

本研究樣本量尚未足夠大，流速與流量正常值的確定、相關(guān)疾病的定量診斷標準有待進一步研究。

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