運(yùn)用動態(tài)增強(qiáng)磁共振成像評估頸動脈粥樣斑塊穩(wěn)定性的初步研究

曹 燁， 劉曉晟，葛曉乾， 周 斌

（上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院放射科，上海 200127）

根據(jù)斑塊成分和病理生理特征，可將動脈粥樣硬化斑塊分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定斑塊兩大類，不穩(wěn)定斑塊的存在是導(dǎo)致缺血性腦卒中的主要危險因素之一。隨著影像技術(shù)的發(fā)展，基于“黑血”技術(shù)的高分辨率磁共振管壁成像 （vessel wall magnetic resonance imaging，VW-MRI）可直接顯示頸動脈斑塊的形態(tài)學(xué)特征，且與病理組織學(xué)結(jié)果間具有高度的一致性。Cai等[1]依據(jù)動脈粥樣硬化斑塊美國心臟協(xié)會（American Heart Association，AHA）組織病理分型標(biāo)準(zhǔn)，對頸動脈斑塊的MRI形態(tài)學(xué)特征進(jìn)行了分類，并制定了MRI-AHA斑塊分型。近年來的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，斑塊內(nèi)炎癥細(xì)胞聚集及新生血管增生完整地參與了動脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展，對斑塊穩(wěn)定性起了決定性作用，單純依靠MRI平掃所示的形態(tài)學(xué)特征來判斷斑塊穩(wěn)定性已不能滿足臨床需求。 動態(tài)增強(qiáng) （dynamic contrast-enhanced，DCE）-MRI是以目標(biāo)組織內(nèi)微血管系統(tǒng)為生理基礎(chǔ)，利用藥代動力學(xué)模型，通過連續(xù)快速的動態(tài)增強(qiáng)掃描，最終獲得能夠反映組織微循環(huán)功能的各種參數(shù)，以評估病變、組織的生理特征的功能成像新技術(shù)[2-4]，常被用來評估腫瘤的新生血管情況，但目前該方法用于評估動脈粥樣硬化穩(wěn)定性的報道尚少。本研究擬應(yīng)用DCE-MRI探究藥代動力學(xué)參數(shù)與不同頸動脈斑塊MRI-AHA分型之間的關(guān)系，以評估DCEMRI在鑒別穩(wěn)定與不穩(wěn)定斑塊中的能力，為不穩(wěn)定斑塊的診斷和預(yù)警提供更全面的信息。

資料與方法

一、資料

2016年9月至2017年6月連續(xù)招募上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院神經(jīng)外科收治的頸動脈狹窄患者。入組標(biāo)準(zhǔn)需同時滿足以下條件，①頸動脈超聲顯示頸動脈內(nèi)膜增厚≥2 mm的患者；②簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)包括：①存在MRI檢查禁忌證的患者；②為動脈管壁炎癥、放射性損傷等非粥樣硬化性疾病導(dǎo)致的頸動脈狹窄；③頸動脈支架術(shù)后或頸動脈內(nèi)膜剝脫術(shù)后再狹窄的患者。收集并記錄所有研究對象的臨床基本特征。

二、方法

1.MRI掃描：

所有入組患者在行頸動脈超聲檢查后，14 d內(nèi)完成頸動脈VW-MRI和DCE檢查。采用雙梯度超導(dǎo)型磁共振掃描儀（Philips InteraArchieva 3.0T TX）和八通道相控陣表面頸動脈線圈。

VW-MRI序列主要包括三維時間飛躍法、四反轉(zhuǎn)恢復(fù)T1加權(quán)序列、多平面雙翻轉(zhuǎn)T2加權(quán)序列和三維磁化準(zhǔn)備快速梯度回波序列。檢查時，受檢者取仰臥位，充分暴露頸部并自然伸展，以雙側(cè)下頜角為中心放置頸動脈專用線圈，并充分固定，告知受檢者掃描時長，囑其盡量減少甚至避免吞咽、說話、咳嗽等動作，平穩(wěn)呼吸。將定位線置于頸動脈分叉處，采用快速掃描序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)三平面定位掃描，掃描定位中心頸動脈分叉處。先進(jìn)行雙側(cè)頸動脈時間飛躍-MRI血管成像掃描，用最大密度投影法重建圖像后，判斷斑塊位置、范圍及頸動脈分叉處位置，再行VW-MRI序列掃描。以分叉為中心，上下各8層，T1加權(quán)序列和T2加權(quán)序列各掃描16層圖像，磁化準(zhǔn)備快速樣板回波掃描32層。

VW-MRI序列掃描結(jié)束后，立即行DCE-MRI掃描。掃描定位線與上述序列一致，以頸動脈分叉為中心上下6層，20期動態(tài)掃描，時間間隔14 s。于第二個動態(tài)開始時，使用高壓注射器，以1.5 mL/s的速率，經(jīng)肘靜脈注入0.1 mmol/kg的釓對比劑15 mL（馬根維顯GD-DTPA,Magnevist,Bayer Healthcare,Berlin,Germany），具體掃描參數(shù)見表1。

表1 頸動脈VW-MRI和DCE序列的成像參數(shù)

三、圖像分析

1.圖像質(zhì)量評分：在圖像分析前，由一位放射科醫(yī)師對所有MRI圖像進(jìn)行圖像質(zhì)量評分，借鑒文獻(xiàn)[5]中依據(jù)圖像信號噪聲比制定的頸動脈MRI圖像分級標(biāo)準(zhǔn)（1～5級，1級最差，5級最佳），≤2級的圖像將不納入統(tǒng)計分析。

2.頸動脈VW-MRI圖像分析：由2名具有5年以上頸動脈斑塊影像學(xué)診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師，采用盲法，應(yīng)用頸動脈斑塊分析軟件（Vessel Mass，Medis，the Netherlands），獨(dú)立進(jìn)行頸動脈斑塊成分分析，進(jìn)而對頸動脈斑塊進(jìn)行MRI-AHA分型及斑塊定性。觀察者按照經(jīng)MRI修正的頸動脈粥樣硬化AHA斑塊分型標(biāo)準(zhǔn)[1]，將MRI-AHAⅣ～Ⅴ型及Ⅵ型斑塊標(biāo)記為MRI診斷的不穩(wěn)定斑塊；MRI-AHAⅠ～Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅶ型和Ⅷ型斑塊標(biāo)記為MRI診斷的穩(wěn)定斑塊。

3.頸動脈DCE-MRI圖像后處理：用MIStar visualization軟件 （MIStar,Apollo Medical Imaging,Melbourne,Australia）對DCE-MRI圖像進(jìn)行后處理。應(yīng)用Extended Tofts線性模型計算藥代動力學(xué)參數(shù)，包括 Ktrans、kep、ve和 vp。 選擇每例患者 AHA 分型最嚴(yán)重的斑塊納入DCE-MRI參數(shù)的測量。DCE-MRI參數(shù)的測量由2位經(jīng)驗(yàn)豐富的放射科醫(yī)師獨(dú)立完成，手動勾畫感興趣區(qū)，感興趣區(qū)應(yīng)盡量包繞整個斑塊，避開管腔及周圍組織，不告知2位醫(yī)醫(yī)斑塊分型和入組者的臨床資料。

四、統(tǒng)計學(xué)處理

計量資料以均值±標(biāo)準(zhǔn)差、中位數(shù)或分?jǐn)?shù)（百分比）表示。采用Cohen′s kappa一致性檢驗(yàn)和單項(xiàng)隨機(jī)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)，評估不同測量者在斑塊MRIAHA分型及DCE-MRI藥代動力學(xué)測量的一致程度。 k 值或組內(nèi)相關(guān)系數(shù)值為 0．21～0．40 時，為一致性一般；0．41～0．60 為中度一致性；0．61～0．80 為一致性較好，0．81～1．00 為一致性很好。應(yīng)用 Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)計算DCE-MRI藥代動力學(xué)參數(shù)符合非正態(tài)分布。應(yīng)用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)和Mann-Whitney U檢驗(yàn)，對不同MRI-AHA分型的DCEMRI藥代動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行多重比較，并進(jìn)行Bonferonni校正。用Spearman秩相關(guān)系數(shù)評估DCE-MRI藥代動力學(xué)參數(shù)與MRI-AHA分型間的相關(guān)性，應(yīng)用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)評估MRI診斷的穩(wěn)定斑塊與易損斑塊之間DCE-MRI藥代動力學(xué)參數(shù)的差異。應(yīng)用受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲線計算DCE-MRI藥代動力學(xué)鑒別穩(wěn)定斑塊與易損斑塊的靈敏度、特異度。根據(jù)約登指數(shù)設(shè)定參數(shù)閾值。采用SPSS 19．0軟件包進(jìn)行統(tǒng)計分析（version 19．0,Chicago,IL,USA）進(jìn)行統(tǒng)計分析。P＜0．05時被認(rèn)為具有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

一、基本情況

有70例頸動脈斑塊患者進(jìn)行了VW-MRI檢查和DCE檢查，其中4例患者因圖像質(zhì)量欠佳而被排除，最終本研究共納入66例患者，平均年齡為（63±8）歲，其中男性 42例，女性 24 例，每例患者選取1枚斑塊進(jìn)行分析。

二、斑塊基本特征

依據(jù)MRI-AHA斑塊分型標(biāo)準(zhǔn)，共有8個（12．1%）Ⅲ型斑塊，23 個（34．8%）Ⅳ～Ⅴ型斑塊，32 個（48．5%）Ⅵ型斑塊及 3 個（4．5%）Ⅶ型斑塊，沒有Ⅱ型及Ⅷ斑塊。11個（16．7%）斑塊標(biāo)記為穩(wěn)定斑塊，55個（83．3%）斑塊標(biāo)記為不穩(wěn)定斑塊。2位醫(yī)師對斑塊MRI-AHA分型的一致性k值為0．925，一致性很好。2位測量者對DCE-MRI藥代動力學(xué)參數(shù)的 一 致 性 組 內(nèi) 相 關(guān) 系 數(shù) 值 為 0．986 （Ktrans）、0．967（kep）、0．949（ve）和 0．959（vp）。

三、斑塊DCE-MRI參數(shù)與MRI-AHA分型的關(guān)系

Ktrans、kep在不同斑塊分型組之間的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P 均＜0．001），而 ve、vp在不同斑塊分型組之間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0．938、0．143）。 DCEMRI參數(shù)在不同MRI-AHA分型斑塊間的多重比較，Bonferonni校正后P值小于0．008為有統(tǒng)計學(xué)差異。其中，Ktrans在Ⅲ型與Ⅵ型斑塊、Ⅳ～Ⅴ型與Ⅵ型斑塊、Ⅵ型與Ⅶ斑塊之間的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P 值分別為＜0．001、＜0．001、0．003）；kep在Ⅲ型與Ⅵ型斑塊、Ⅳ～Ⅴ型與Ⅵ型斑塊間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P 均＜0．001）（見表 2）。

Ktrans、kep分別與 MRI-AHAⅢ～Ⅵ分型斑塊間存在顯著正相關(guān) （ρ=0．532,P＜0．001;ρ=0．409,P＜0．001）（見圖 2），而 ve、vp與 MRI-AHA Ⅲ～Ⅵ分型斑塊間沒有統(tǒng)計學(xué)相關(guān)性 （ρ=0．040,P=0．754、ρ=0．179、P=0．158）。圖 3 顯示了 Ktrans、kep偽彩圖在Ⅲ～Ⅵ分型斑塊間的差異，Ⅵ型斑塊的Ktrans、kep值顯著高于Ⅲ型斑塊。

圖 2 Ktrans（A）、kep（B）與 MRI-AHA Ⅲ ～ Ⅵ分型斑塊間的相關(guān)性散點(diǎn)圖

表2 DCE-MRI參數(shù)在不同MRI-AHA斑塊分型之間的比較

圖3 不同類型斑塊的 T1加權(quán)、Ktrans和Kep偽彩圖

四、斑塊DCE-MRI參數(shù)與斑塊穩(wěn)定性間的關(guān)系

MRI診斷不穩(wěn)定斑塊組的Ktrans和kep平均值均顯著 高于穩(wěn) 定斑塊組 [（0．088±0．056）/min 比（0．029 ±0．011）/min，P＜0．001；（1．483±1．322）/min 比（0．554±0．410）/min，P＜0．001）]，而 ve、vp的平均值在 2 組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義 [（9．035±7．789）%比（6．767±3．932），P=0．612；（5．671±4．341）比 （4．285±4．823），P=0．056）]。 圖 4 示 斑 塊 DCE-MRI 參 數(shù)Ktrans、kep、ve、vp區(qū)分穩(wěn)定斑塊與易損斑塊的 ROC 曲線下面積分別為 0．883、0．816、0．549、0．684。

圖4 DCE-MRI參數(shù)區(qū)分穩(wěn)定斑塊與易損斑塊的ROC曲線

Ktrans區(qū)分穩(wěn)定斑塊與易損斑塊的閾值為0．043/min，其診斷靈敏度為83%，特異度為100%；kep區(qū)分兩者的閾值為0．741/min時，靈敏度為77%，特異度為91%。

討 論

一、本研究的主要發(fā)現(xiàn)

本研究發(fā)現(xiàn)，DCE-MRI檢查的藥代動力學(xué)參數(shù)Ktrans和kep值隨著頸動脈粥樣硬化斑塊的進(jìn)展而逐漸增高，不穩(wěn)定斑塊組的Ktrans、kep值顯著高于穩(wěn)定斑塊組，DCE-MRI檢查在鑒別易損斑塊與穩(wěn)定斑塊方面具有較高的靈敏度和特異度，其中Ktrans和kep可作為斑塊危險性分層的新影像學(xué)標(biāo)志物。

二、DCE-MRI參數(shù)鑒別穩(wěn)定和不穩(wěn)定斑塊的可能原因

DCE-MRI技術(shù)是顯影頸動脈管壁外膜滋養(yǎng)血管、斑塊內(nèi)新生血管和炎癥的有效檢查方法[2-4]。不同的DCE-MRI參數(shù)可反映斑塊內(nèi)微環(huán)境的不同信息，Ktrans是對比劑從血管內(nèi)向血管外細(xì)胞外間隙滲透的轉(zhuǎn)移常數(shù)，可反映斑塊內(nèi)新生血管數(shù)量及管壁通透性，其與斑塊內(nèi)巨噬細(xì)胞數(shù)量也顯著相關(guān)；kep是血管外細(xì)胞外間隙內(nèi)對比劑向血管回流的轉(zhuǎn)移常數(shù)；ve是血管外細(xì)胞外間隙占單位體積的比例；vp則是每單位體積血漿容積。

Sun等[6]發(fā)現(xiàn)，存在出血斑塊的頸動脈外膜Ktrans值較無出血斑塊組顯著升高。根據(jù)MRI-AHA斑塊分型進(jìn)一步將頸動脈斑塊細(xì)分為不同類型，發(fā)現(xiàn)DCE-MRI參數(shù)在不同成分和穩(wěn)定性的斑塊之間也有相似的顯著差異。從病理生理角度可解釋為，斑塊易損性的病理生理機(jī)制可能與新血管形成及炎癥反應(yīng)的相互作用有關(guān)[2]。斑塊內(nèi)的新生血管主要來源于外膜的滋養(yǎng)血管增生。斑塊形成早期，平滑肌細(xì)胞等多種細(xì)胞增生使管壁內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)及氧氣需要量增加，管壁內(nèi)產(chǎn)生缺氧的情況，進(jìn)而刺激多種血管源性生長因子及細(xì)胞因子產(chǎn)生并釋放，血管增生逐漸增多，并向斑塊內(nèi)部遷移，由于增生的毛細(xì)血管管壁通透性大，新生血管則成為了外來炎性細(xì)胞和有害可溶性物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)膜的重要通道，加劇了斑塊內(nèi)炎癥反應(yīng)，外來脂質(zhì)沉積導(dǎo)致脂質(zhì)核心增大，甚至發(fā)生原位斑塊內(nèi)出血[7]。斑塊內(nèi)炎癥反應(yīng)的加劇亦進(jìn)一步導(dǎo)致斑塊纖維帽中膠原基質(zhì)溶解，使纖維帽變薄，當(dāng)受到管腔內(nèi)血流沖擊時，纖維組織破裂形成表面潰瘍，最終導(dǎo)致易損斑塊形成[8]。

本研究發(fā)現(xiàn)，血漿體積分?jǐn)?shù)參數(shù)vp在不同分型斑塊之間的差異并沒有統(tǒng)計學(xué)意義，這與以往在體研究結(jié)果一致[6]。Dong等[9]的對于采用他汀藥物治療的頸動脈斑塊患者進(jìn)行隨訪性研究發(fā)現(xiàn)，治療1年時與基線水平進(jìn)行比較，vp值減低的趨勢并不明顯。vp可反映斑塊內(nèi)新生血管的數(shù)量，但與通透性無關(guān)。本研究認(rèn)為，vp與斑塊類型之間缺乏相關(guān)性的可能原因是，微血管通透性比微血管密度對斑塊易損性的作用更大，是影響斑塊穩(wěn)定性的更重要因素。本研究也發(fā)現(xiàn)，ve與頸動脈斑塊的不同分型之間沒有相關(guān)性。既往研究主要關(guān)注于斑塊內(nèi)新生血管的定量，而極少有研究報道反映斑塊間質(zhì)環(huán)境的參ve。未來需要通過組織學(xué)研究及縱向的在體研究，進(jìn)一步探究參數(shù)ve在不同性質(zhì)斑塊中的意義。

本研究發(fā)現(xiàn)，Ktrans和kep值可鑒別頸動脈粥樣硬化斑塊中的穩(wěn)定斑塊與不穩(wěn)定斑塊，具有較高的診斷靈敏度和特異度。Ktrans值大于 0．043/min、kep值大于0．741/min的斑塊易損性較高，有發(fā)生破裂的風(fēng)險?？梢?，DCE-MRI檢查參數(shù)可對斑塊穩(wěn)定性進(jìn)行量化評估，實(shí)現(xiàn)了在體客觀地評估斑塊性質(zhì)，為臨床風(fēng)險評估提供量化依據(jù)，也可應(yīng)用于隨訪性或藥物療效評估等相關(guān)研究。同時，本研究結(jié)果也進(jìn)一步證明了斑塊內(nèi)的新生血管與炎癥細(xì)胞浸潤促進(jìn)了易損斑塊的形成病理生理過程，這也與既往的病理組織研究結(jié)果相一致[10]。

三、DCE模型和對比劑的選擇

既往有研究認(rèn)為，與其他藥代動力學(xué)模型相比，Patlak模型最適合用于計算頸動脈斑塊DCEMRI強(qiáng)化特征，重復(fù)性較高[11]。然而，Patlak模型忽略了血管外細(xì)胞外間隙向微血管內(nèi)的反流，這可能會導(dǎo)致DCE-MRI在反映微血管及間質(zhì)狀態(tài)與斑塊易損性方面產(chǎn)生偏差。為此，本研究選擇了Extended Tofts模型，該模型提供了另外2個參數(shù)——kep和ve[12]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，kep與頸動脈粥樣硬化斑塊的進(jìn)展過程顯著相關(guān) (Ⅲ～Ⅵ型)，kep值隨著斑塊的進(jìn)展而逐漸增加，提示血管外細(xì)胞外間隙向新生血管內(nèi)的反流在進(jìn)展期斑塊中更為明顯，且不可忽視。

本研究使用常規(guī)的細(xì)胞外對比劑釓噴酸葡胺，這種小分子對比劑可通過血管內(nèi)皮（血腦屏障完整時除外），進(jìn)入血管外細(xì)胞外間隙，但無法穿過細(xì)胞膜。因此，在進(jìn)行DCE-MRI檢查時所采集到的信號強(qiáng)度動態(tài)變化過程主要是對比劑與血管相互滲透的過程。本研究的結(jié)果尚需使用其他對比劑（如血管內(nèi)對比劑或與白蛋白結(jié)合能力弱的對比劑）進(jìn)一步驗(yàn)證。

四、本研究的局限性

然而，本研究也存在以下局限性，①樣本量相對較少，需要進(jìn)一步擴(kuò)大并進(jìn)行前瞻性的研究；②僅利用影像學(xué)診斷斑塊特征，沒有組織病理標(biāo)本對照，MRI表現(xiàn)與組織病理學(xué)之間沒有相關(guān)性；③本研究應(yīng)用了“亮血”DCE-MRI技術(shù)，高信號的管腔與強(qiáng)化的管壁邊界欠清晰，因此本研究選擇了管壁增厚至少2 mm的斑塊入組，以避免附近管腔內(nèi)血流信號的影響，但這也導(dǎo)致無法分析研究早期斑塊。近年發(fā)展的“黑血”DCE-MRI技術(shù)為動脈粥樣硬化的早期病變評估提供了較好的工具[13]。④不同場強(qiáng)的MRI設(shè)備、不同廠商的MRI序列及參數(shù)、不同藥代動力學(xué)模型，所獲得的區(qū)分穩(wěn)定斑塊與易損斑塊的Ktrans、kep的臨界值會有所不同。本研究采用的 MRI儀器是 Philips Intra Archieva 3．0T TX，DCE分析軟件是MIStar visualization，采用的是Extended Tofts線性模型。⑤斑塊成分復(fù)雜，包含脂質(zhì)、鈣化、出血等。本研究在進(jìn)行DCE-MRI參數(shù)的測量時ROI包繞的是整個斑塊，因此DCE參數(shù)定量評估是整個斑塊ROI顯示的值，這其中包括了斑塊內(nèi)的乏血供成分和新生血管及炎癥的富血供成分，雖然本研究結(jié)果顯示了不穩(wěn)定斑塊整體ROI的Ktrans和kep顯著高于穩(wěn)定斑塊，但仍有待進(jìn)一步細(xì)化。

總之，DCE-MRI所獲得的 Ktrans和 kep參數(shù)，能夠活體監(jiān)測頸動脈斑塊從中期發(fā)展到進(jìn)展期斑塊內(nèi)新生血管和炎癥細(xì)胞浸潤逐漸增加的動態(tài)變化，并能鑒別MRI診斷易損斑塊和穩(wěn)定斑塊。Ktrans和kep可作為臨床患者斑塊特征和危險分層的影像學(xué)標(biāo)志物。