時間移位分析與動態(tài)磁敏感對比增強在慢性腦缺血灌注評估中的對比研究

邵明冉，張冰，周飛，青釗，喬彤，倪玲，張鑫*

1.南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，江蘇南京 210008；2.南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院血管外科，江蘇南京 210008；*通訊作者 張鑫 zhangxin@njglyy.com

約85%的腦卒中由腦缺血引起[1]。慢性腦缺血常不引起癥狀，但由其導(dǎo)致的血流灌注不足是卒中和血管性癡呆的重要風(fēng)險因素[1]。因此，慢性腦缺血患者的腦血流灌注評估對于預(yù)防卒中及血管性癡呆具有重要意義。

動態(tài)磁敏感對比增強灌注加權(quán)成像（dynamic susceptibility contrast-enhanced perfusion weighted imaging，DSC-PWI）和CT 灌注成像（CT perfusion，CTP）是目前臨床檢測腦灌注的常用方法，但兩者均需要靜脈高速注射對比劑，存在對比劑不良反應(yīng)的風(fēng)險。CTP 掃描帶來的電離輻射也限制了其在慢性腦缺血患者中的應(yīng)用?；谘跛揭蕾囆盘枺╞lood oxygenation level-dependent，BOLD）靜息態(tài)功能磁共振（resting-state fMRI，rs-fMRI）是一種無創(chuàng)的功能磁共振方法。既往研究利用rs-fMRI 高時間分辨率的特性，應(yīng)用時間移位分析（time-shift analysis，TSA）檢測BOLD 信號連續(xù)低頻振動的時間延遲，從而評估腦血流灌注變化[2]。在腦卒中患者中，TSA 方法檢測的時間延遲區(qū)域可與DSC-PWI 的平均通過時間（mean transit time，MTT）或達(dá)峰時間（time to peak，TTP）分布進(jìn)行類比[3]。本研究納入單側(cè)重度頸動脈狹窄（carotid artery stenosis，CAS）的無癥狀患者，分析TSA 與DSC-PWI 評估腦血流灌注的一致性，比較基于rs-fMRI 的TSA 方法與DSC-PWI 的診斷能力。

1 資料與方法

1.1 研究對象 納入2017年4月—2019年3月于南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院血管外科就診的無癥狀單側(cè)重度CAS 患者31例。所有患者均經(jīng)頸動脈超聲或CT 頸動脈成像確診，狹窄程度參考北美癥狀性頸動脈內(nèi)膜切除術(shù)試驗協(xié)作組標(biāo)準(zhǔn)[4]。納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡55～85歲；②單側(cè)重度CAS，動脈內(nèi)徑縮小程度70%～99%；③既往6個月內(nèi)無短暫性腦缺血發(fā)作、卒中或其他相關(guān)神經(jīng)癥狀；④無MRI檢查禁忌證。排除標(biāo)準(zhǔn)：①腦內(nèi)有新發(fā)及陳舊性腦梗死；②腦內(nèi)有其他病灶。所有患者均自愿參加本研究，并簽署知情同意書。本研究經(jīng)南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)（編號2017-105-01）。

1.2 MRI檢查 使用Philips Achieva 3T TX Medical Systems 進(jìn)行MR 掃描，采用8 通道頭線圈。掃描過程中用配套泡沫墊固定頭部，掃描序列包括rs-fMRI、DSC-PWI、T1WI、T2WI、擴散加權(quán)成像（DWI）。

rs-fMRI 序列采用平面回波成像在橫斷位上進(jìn)行采集，層數(shù)35層，TR 2000 ms，TE 40 ms，采集矩陣64×64，視野24 cm×24 cm，層厚3 mm，層間距1 mm，翻轉(zhuǎn)角90°，掃描時間約6 min。掃描過程中患者保持清醒、放松狀態(tài)，閉目且盡可能維持不思考狀態(tài)。

DSC-PWI 序列采用梯度平面回波成像在橫斷位上進(jìn)行采集，層數(shù)34層，TR 2000 ms，TE 40 ms，采集矩陣96×96，視野24 cm×24 cm，層厚3 mm，翻轉(zhuǎn)角90°，共采集40個動態(tài)，掃描時間約88 s。

T2WI 序列采用快速自旋回波在橫斷位上進(jìn)行采集，層數(shù)18層，TR 2332 ms，TE 80 ms，采集矩陣288×100，視野24 cm×24 cm，層厚6 mm，翻轉(zhuǎn)角90°，掃描時間約55 s；T1WI 序列采用自旋回波在橫斷位上進(jìn)行采集，層數(shù)18層，TR 181 ms，TE 1.6 ms，采集矩陣288×100，視野24 cm×24 cm，層厚6 mm，翻轉(zhuǎn)角80°，掃描時間約50 s；DWI 序列采用平面回波成像在橫斷位上進(jìn)行采集，層數(shù)18層，TR 2139 ms，TE 81 ms，采集矩陣144×113，視野24 cm×24 cm，層厚6 mm，翻轉(zhuǎn)角90°，掃描時間約80 s。

對比劑采用0.5 mmol/ml 釓雙胺注射液（歐乃影）經(jīng)肘正中靜脈注射，速度4.0 ml/s，用量10 ml。

1.3 數(shù)據(jù)處理 rs-fMRI 數(shù)據(jù)使用REST-Time Shift Analysis 工具包（https://github.com/K-Z-W/Time_ Shift_Analysis）進(jìn)行處理。預(yù)處理包括：①去除前10個時間點以保證縱向磁化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，使患者適應(yīng)掃描產(chǎn)生的噪聲；②時間層校正；③頭動校正；④空間平滑，使用半高寬為6 mm 的高斯核處理；⑤去線性漂移；⑥去協(xié)變量；⑦濾波（0.01～0.08 Hz）。1名患者因頭部移動過大（平動＞3 mm 或轉(zhuǎn)動＞3°）被剔除。使用全腦平均序列的均值作為參考時間序列，提取每個體素的時間序列，并將這個時間序列分別向前、后移動3個TR（-6 s、-4 s、-2 s、2 s、4 s、6s）。每移動一個TR，計算相應(yīng)時間序列與參考時間序列的相關(guān)值。確定最大的相關(guān)值，并將其分配到對應(yīng)的體素，獲得全腦體素的TSA 參數(shù)圖。

分別由1位神經(jīng)影像專業(yè)副主任醫(yī)師及1位主治醫(yī)師對所有患者的TTP 參數(shù)圖和TSA 結(jié)果圖進(jìn)行雙盲判讀和感興趣區(qū)（ROI）勾畫。以TTP 參數(shù)圖上同一層面大腦中線兩側(cè)對稱區(qū)域為標(biāo)準(zhǔn)，將患者分為非缺血組與缺血組，并以所有ROI 內(nèi)兩側(cè)TTP 的差值是否＜2 s進(jìn)行驗證[5]：ΔTTP＜2 s 者納入非缺血組；ΔTTP≥2 s 者納入缺血組。對于非缺血組患者，參照ASPECT評分，在側(cè)腦室體層面分別勾畫大腦前動脈皮層區(qū)（A區(qū)）、大腦中動脈M1 段上方前皮質(zhì)區(qū)（M1區(qū)）、大腦中動脈M2 段上方前皮質(zhì)區(qū)（M2區(qū)）和大腦中動脈M3段上方前皮質(zhì)區(qū)（M3區(qū)）作為ROI，補充ROI 的形狀及大小，提取ROI 的TTP 平均值和TSA 延遲時間平均值，并分別與對側(cè)同一腦區(qū)相減，得到ΔTTP 和ΔTSA 延遲時間（均為絕對值）[6]。對于缺血組患者，以幕上腦所有層面灌注延遲區(qū)域作為ROI，提取ROI的TTP 平均值和TSA 延遲時間平均值，并分別與對側(cè)同一腦區(qū)相減，得到ΔTTP 和ΔTSA 延遲時間（均為絕對值）。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法 應(yīng)用SPSS 22.0 軟件，計量資料以x±s表示。各組患者年齡比較采用獨立樣本t檢驗；患者性別和頸動脈狹窄側(cè)別差異比較采用χ2檢驗。所有患者 ΔTTP 和 ΔTSA 延遲時間的相關(guān)性采用Spearman 相關(guān)分析。P＜0.05表示有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 臨床特征 非缺血組患者平均年齡（66±7）歲，男12例、女5例，左、右側(cè)頸動脈狹窄分別有8例、9例；缺血組患者平均年齡（69±9）歲，男12例、女2例，左、右側(cè)頸動脈狹窄均7例。兩組患者年齡、性別和頸動脈狹窄側(cè)別比較，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

2.2 腦血流灌注分析 17例（54.8%）未在TTP 參數(shù)圖上發(fā)現(xiàn)明顯缺血，14例（45.2%）發(fā)現(xiàn)明顯缺血。非缺血組中，A區(qū)、M2區(qū)和M3區(qū)的ΔTTP 與ΔTSA 延遲時間呈正相關(guān)（r＞0.5，P＜0.05），其中M3區(qū)相關(guān)程度最高（r=0.678，P=0.003）。缺血組中，缺血區(qū)ΔTTP與ΔTSA 延遲時間呈正相關(guān)（r=0.641，P=0.013；表1、圖1）。

圖1 非缺血組與缺血組各腦區(qū)ΔTTP值與ΔTSA值的相關(guān)性分析。A～D分別為非缺血組A區(qū)、M1區(qū)、M2區(qū)、M3區(qū)，E為缺血組

表1 非缺血組與缺血組各腦區(qū)ΔTTP值與ΔTSA值及相關(guān)性

2.3 典型病例 典型非缺血患者（圖2）A區(qū)、M1區(qū)、M2區(qū)和M3區(qū)的ΔTTP延遲時間分別為0.07 s、0.50 s、0.16 s和0.11 s，對應(yīng)腦區(qū)ΔTSA值分別為0 TR、0.32 TR、0.06 TR和0.06 TR。典型缺血患者（圖3）缺血區(qū)包含7568個體素，ΔTTP為3.34 s，ΔTSA延遲時間為1.84 TR。

圖2 男，70歲，非缺血患者，右頸內(nèi)動脈狹窄，狹窄程度約80%。A為感興趣區(qū)；B.TTP 參數(shù)圖上未見明顯的灌注延遲區(qū)，TSA 結(jié)果圖灌注延遲區(qū)近似對稱分布于腦室周圍及白質(zhì)區(qū)域，符合健康人腦的延遲分布

圖3 男，65歲，缺血患者，右頸內(nèi)動脈狹窄，狹窄程度約85%。A為感興趣區(qū)；B.TTP 參數(shù)圖可見右側(cè)大腦半球廣泛低灌注，TSA 結(jié)果圖顯示缺血區(qū)域和程度與TTP 相比均有較好的相關(guān)性

3 討論

在由缺血引起的腦卒中病例中，約20%由顱外動脈狹窄引起，以頸動脈狹窄最常見[7]。頸動脈狹窄所致顱內(nèi)腦血流灌注減低不僅是缺血性卒中的危險因素，也是血管性癡呆的重要病因[8-9]。PWI和CTP是目前臨床常用的評估腦血流灌注的方法，均需要注射對比劑；而且CTP 受電離輻射的限制，往往影響對慢性腦血流低灌注患者進(jìn)行早期有效的干預(yù)。本研究利用rs-fMRI 的時間特性，通過TSA 方法對rs-fMRI 進(jìn)行處理和分析，驗證其與PWI 的一致性，探究無對比劑使用、無電離輻射的前提下評估腦血流灌注的可行性。

TSA 方法是近年來應(yīng)用rs-fMRI 高時間分辨率的特性，測量大腦灌注并定量計算腦組織灌注延遲的方法，其基本原理是，計算全腦時間序列的均值作為參考時間序列，提取每一個體素的時間序列，并以TR為單位分別將其向前和向后移動，找出相關(guān)性最大的對應(yīng)的TR，并將其分配到該體素上，以得到全腦的TSA 結(jié)果圖。如果移位值小于0，提示該體素的BOLD信號存在延遲，反之則存在提前[10]。秦勤[11]研究表明，健康人腦存在BOLD 信號的生理性延遲，主要對稱分布于腦室附近及白質(zhì)區(qū)域，且腦脊液的延遲值大于白質(zhì)，與本研究結(jié)果相符。

Ni 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，TSA 方法可以替代DSC-PWI評估亞急性卒中患者的腦血流灌注。TSA 延遲結(jié)果與TTP 具有良好的相關(guān)性。本研究重點關(guān)注慢性腦缺血患者，以TTP 參數(shù)圖作為標(biāo)準(zhǔn)，將31例慢性頸動脈狹窄分為非缺血組和缺血組。ΔTTP值和ΔTSA值在計算過程中均以患者自身作為參照（ΔTTP值以對側(cè)腦區(qū)、ΔTSA值以全腦平均時間序列），在很大程度上消除了患者個體之間的差異，使得非缺血組和缺血組患者之間的數(shù)值具有可比性，即缺血組患者缺血區(qū)的ΔTTP值和ΔTSA值均顯著高于非缺血組的所有腦區(qū)。由于非缺血組患者不存在明顯的灌注異常區(qū)，本研究參照ASPECT評分，在側(cè)腦室體層面分別選取A區(qū)、M1區(qū)、M2區(qū)和M3區(qū)作為ROI。臨床上常以對稱腦區(qū)TTP 增高作為判斷灌注延遲的依據(jù)，因此對TSA 結(jié)果進(jìn)行了類似的處理，使其在臨床意義上與TTP 保持一致。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在非缺血組中，A區(qū)、M2區(qū)和M3區(qū)的ΔTTP 與ΔTSA 延遲時間呈正相關(guān)，其中M3區(qū)相關(guān)程度最高；在缺血組中，缺血區(qū)ΔTTP值與ΔTSA值呈正相關(guān)。TSA 延遲時間與TTP 間存在較強的相關(guān)性，提示TSA 結(jié)果可以用于評估頸動脈狹窄患者顱腦血流的灌注情況，與Khalil 等[13]的研究結(jié)果類似。M1區(qū)和M2區(qū)ΔTTP 與ΔTSA 延遲時間的相關(guān)性相對較低，而A區(qū)和M3區(qū)的相關(guān)性較高，可能與ROI 的大小及位置有關(guān)。當(dāng)ROI 面積較小，且更靠近大腦皮層時，其結(jié)果更容易受皮層血管影響[14]。同時，由于低灌注區(qū)域的體積和延遲程度不同，其對全腦平均時間序列貢獻(xiàn)的權(quán)重也有所不同，可能會使得低灌注區(qū)在TSA 延遲時間數(shù)值上出現(xiàn)波動[15]。

TSA 與DSC-PWI 比較具有明顯的優(yōu)勢：①TSA方法基于rs-fMRI 技術(shù)，其成像無需高速靜脈團注對比劑，避免了潛在的對比劑外滲及過敏風(fēng)險；②TSA結(jié)果以患者自身的全腦平均時間序列作為參考，消除了由于循環(huán)功能不全所致對比劑分布偏差。Kroll 等[16]的研究發(fā)現(xiàn)，rs-fMRI 通過描述功能性和非功能性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有助于進(jìn)一步解釋缺血性卒中的病理生理學(xué)機制。

本研究也存在一些局限性：①樣本量仍然較??；②僅納入單側(cè)頸動脈狹窄患者。今后的研究將在加大樣本量的同時，納入雙側(cè)缺血病例，以檢測TSA評估復(fù)雜腦缺血的價值。

總之，本研究通過2種方法比較頸動脈狹窄患者腦血流灌注評估效果發(fā)現(xiàn)，基于BOLD-fMRI 的TSA方法與DSC-PWI 的TTP 參數(shù)具有良好的相關(guān)性，可以用于評估頸動脈狹窄致慢性腦缺血患者的早期腦血流灌注。