磁共振彈性成像測量腦血管生物力學特性研究

發布時間：2021-04-25所屬分類：醫學職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 【摘要】目的：探討測量腦血管生物力學特性，為腦血管疾病診斷提供重要信息。方法：于2018年至2020年共招募61例腔隙性腦梗塞患者和63名健康志愿者，均行3T磁共振掃描，分別獲取MRE和MRA的圖像數據。在MRA圖上選取興趣層面對腦血管進行分割，并在MRE和MRA圖像

　　【摘要】目的：探討測量腦血管生物力學特性，為腦血管疾病診斷提供重要信息。方法：于2018年至2020年共招募61例腔隙性腦梗塞患者和63名健康志愿者，均行3T磁共振掃描，分別獲取MRE和MRA的圖像數據。在MRA圖上選取興趣層面對腦血管進行分割，并在MRE和MRA圖像配準后在MRE上繪制血管層面圖，再計算腦血管的儲能模量和絕對剪切模量，從而得到腦血管的生物力學特性。年齡、性別和腔隙性腦梗塞對腦血管生物力學特性的影響采用Pearson相關性、學生t檢驗和方差分析。結果：腔隙性腦梗塞組的絕對剪切模量與健康對照組相比，明顯低于健康對照組(P=0.02)。性別差異方面與腦血管絕對剪切模量之間沒有顯著的相關性(P=0.39)。年齡差異方面，綜合樣本數據分析，絕對剪切模量隨年齡的增加而減小(P=0.02)。結論：腦血管的生物力學特性與腦梗塞疾病有密切相關性。腦血管特性的體內測量可為腦梗塞的表征和診斷提供更多實用價值。

　　【關鍵詞】磁共振彈性成像;磁共振血管成像;生物力學;腔隙性腦梗塞;彈性

　　血管的生物力學特性與發育、衰老和血管疾病密切相關[1]。對于顱內血管，血管彈性隨著彈性蛋白與膠原比例的降低而降低，從而導致腦血管破裂或動脈瘤的發生機率顯著增加。磁共振成像技術已被用來研究顱內血管壁和血管病變[2、3]，而顱內血管生物力學特性用常規方法難以獲得，其體內測量在很大程度上仍未被探索。本研究創新應用3D區域生長算法、三維反演算法，使MRA圖像數據與MRE圖像數據相配準后再測量顱內血管的生物力學特性，從而為腦血管疾病的診斷提供依據。

　　1方法

　　1.1臨床資料在2018年至2020年間招募61名患者和63名健康志愿者。這61名患者全部被診斷為腔隙性腦梗塞，其中包括28名男性和33名女性，年齡在28歲至89歲之間。63名健康志愿者包括33名男性和30名女性，年齡在23至80歲之間。

　　1.2檢查方法采用3T磁共振(Skyra，西門子，Erlangen，德國)掃描儀。磁共振血管成像，使用三維時間飛躍(TOF)MRA序列(TR/TE=21/3.4ms;平面內分辨率=0.3mmx0.3mm;層厚=0.7mm)獲得。磁共振彈性成像，使用一種帶有軟枕驅動器的氣動執行器(Resoundant;羅切斯特，MN，美國)用來在大腦中產生剪切波。驅動頻率為50Hz，每波周期采樣8個時間點。使用平面回波成像(EPI)序列獲取MRE數據(TR/TE=6720/65ms;視野=240mm;層厚=3mm;體素大小=(3x3x3)mm3)。本研究得到了蘇州大學審查委員會的批準，所有參與者都簽署了書面知情同意書。

　　1.3數據處理配準MRA與MRE圖像數據,獲得腦血管的彈性模量即生物力學特性。具體數據處理分為三個階段，首先使用3D區域生長算法獲取腦血管掩碼(圖1a);采用三維反演算法計算腦組織的儲能模量G’、損耗模量G”、復雜剪切模量G*=G’+IG”[4]和絕對剪切模量|G*|(圖1b)。然后在MRA、MRE圖像上選取大腦相同層面(通過相同的Z軸坐標確定相同層面)，并摳出兩者的mask圖(圖1c)，使用mask圖來配準MRA和MRE的圖像數據。MRA圖像上血管亮度在MRE圖像上對應點陣進行分割，MRA圖像上的血管層面被映射到基于興趣區域的對應MRE圖像中，即第一步獲得的腦血管掩碼配準到MRE數據中。最后從MRE應用于大腦彈性圖的血管掩碼中獲得腦血管的生物力學特性(圖1d)。

　　1.4統計學分析分析性別、年齡、血管疾病與腦血管生物力學特性的關系。采用Pearson相關性研究健康組年齡與腦血管生物力學特性的關系。學生t檢驗被用來確定性別的影響。對于腔隙性腦梗塞組，采用學生t檢驗和雙向方差分析(ANOVA)研究年齡和梗塞對腦血管生物力學性能的影響。

　　2結果

　　2.1患者和健康志愿者腔隙性腦梗塞組G’和|G*|值的均值和標準差分別為(458±58)Pa和(482±61)Pa(單位/Pa)。健康對照組G’和|G*|值分別為(490±59)Pa和(529±60)Pa(圖2)。兩組間G’和|G*|的差異有統計學意義(P<0.05)。學生t檢驗對G’(P=0.02)和|G*|(P=0.02)均有顯著性差異。說明梗塞組和健康組腦血管生物力學特性差異有明顯統計學意義。

　　2.2年齡差異對于健康對照組，Pearson相關分析顯示，G’(r=-0.22;P=0.08)和|G*|(r=-0.23;P=0.07)(圖3)。表明健康組年齡差異對于生物力學結果的比較影響不明顯，似乎與年齡和血管生物力學特性呈負相關這一結論相矛盾，可能由于對照組的年齡分布跨度較大、病例數量不足、分析誤差等因素引起。對于梗塞組，存在多個變量，實驗結果均無明顯統計學意義。

　　2.3性別差異使用正態分布函數來擬合基于G’或|G*|值的每一組。男性和女性G’的均值和標準差分別為(468±68)Pa和(509±56)Pa(圖4)。|G*|分別為(496±65)Pa和(529±67)Pa。學生t檢驗顯示，健康組中男性和女性的G’(P=0.18)或|G*|(P=0.39)。表明性別差異對于腦血管生物力學比較無統計學意義。

　　雙向方差分析顯示，對于|G*|，關于年齡(P=0.02)和腔隙腦性梗塞(P=0.02)方面均有顯著性差異。對于G’，年齡和腔隙性腦梗塞方面沒有發現顯著差異。損失剪切模量G”的方差大于其平均值，所有組均無顯著差異(腔隙性腦梗塞組差異：P=0.69;健康組性別差異：P=0.93;衰老效應：Pearson-P=0.27)。因此，G”值沒有被進一步考慮，在本研究中只考慮了G’和|G*|值。

　　3討論

　　3.1血管生物力學特性測量早期用超聲來表征腦血管生物力學特性，可是只能提供腦血管的定性估計。近年來血管剛度的測量，是通過變化固定血壓的血管管腔橫截面積的方法，僅是脈搏波速度的替代測量[5]，技術限制了其臨床應用。目前臨床使用的CT血管造影(CTA)為有創檢查，能顯示官腔的通暢與狹窄的程度，不能直接估計組織性質。

　　磁共振彈性成像,即MRE是一種新的能直觀顯示和量化組織彈性(或硬度)的無創成像方法，使“影像觸診”成為可能，可以測量包括腦血管在內的軟組織性質[6]。以往的研究表明，MRE也可被用于診斷各種神經和退行性疾病[7,8,9,10]。最近一項使用螺旋讀出的心臟門控穩態MRE的研究表明，大腦組織在大腦收縮過程中軟化[11]。這是第一項研究表明MRE可能有助于檢測腦血管疾病。

　　也有研究表明，灌注影響腦組織的粘彈性[12]，雖然全腦的生物力學特性可能與腦血管的變化有關，但仍然需要對腦血管生物力學特性進行具體的測量。

　　3.2本研究的創新與結論

　　本研究探討了一種用MRE測量體內腦血管生物力學特性的方法。從MRA圖像數據中分割腦血管，再將其映射到MRE數據中，從而提供了其生物力學特性的準確測量。通過對MRA的映射，能夠測量腦血管區域的局部生物力學特性，為臨床提供了一個更直接的評估方法。同時本研究考慮了腦血管生物力學特性與腦疾病、年齡及性別的相關關系。結果顯示，梗塞腦組織的絕對剪切模量|G*|顯著降低，同時年齡與|G*|之間也呈現負相關性。

　　實驗表明，腔隙性腦梗塞患者血管區的絕對剪切模量明顯低于無梗塞的健康志愿者。由于梗塞后血腦屏障被破壞，導致血管僵硬的平滑肌細胞(SMC)和額外細胞基質(ECM)的結構可能被破壞[1]。推測受影響的SMC和ECM導致了梗塞后絕對剪切模量的降低。先前對年輕人和老年人腦組織的全腦和區域差異的測量顯示，隨著年齡的增長，剪切模量降低[9]。在阿爾茨海默病等疾病中也觀察到剪切模量降低[8]。本實驗分析特定區域腦血管的彈性模量，提高了測量腦血管生物力學特性的準確度，與全腦測量相似，區域腦血管|G*|值隨年齡的增加而降低。雖然動脈壁的直徑和厚度隨著年齡的增長而增加，但內部彈性膜變得更加脆弱，這可能是導致腦血管彈性模量降低的原因。在對比健康組內的實驗數據時，沒有觀察到年齡的顯著影響，在考慮健康組和梗塞組的同時，觀察到年齡的顯著影響。事實上，整個樣本組的年齡與梗塞組的Pearson相關系數的計算結果無統計學意義。這一似乎相互矛盾的結果表明，老年人梗塞可能有更高的發病率。

　　研究還表明，兩性之間沒有發現大腦生物力學特性的顯著差異[13]。其他研究發現，大腦組織的生物力學特性的性別差異僅存在于枕葉和顳葉[7]。在本研究中，對腦血管的區域分析也沒有顯示出性別之間的差異。

　　本研究尚有某些局限性：由于腦血管壁相對較薄，因此僅選取顱內主干血管來測算生物力學特性;需要較高的配準精度，因此優化了掃描條件及圖像后處理，選用了第三方軟件輔助配準。同時,改進的MRE成像分辨率也將改善區域血管的性質估計[14]�；�于使用MRE數據測量腦血管的生物力學特性，并沒有考慮血流的潛在影響，用測量的區域血管平均值來反映腦血管的生物力學特性存在一定的誤差可能。

　　綜上所述，腦血管的生物力學特性與腦血管疾病密切相關。隨著年齡的增長，腔梗的發生率呈現正相關趨勢。不同性別對腦血管生物力學特性無顯著差異。通過配準的MRE和MRA圖像數據，獲得腦血管的生物力學特性，可能為腔隙性腦梗塞等腦血管疾病的診斷和預后提供新的參考價值。——論文作者：汪靈杰1，馬盛元2，馮原3，朱默4

　　相關期刊推薦：《中國醫學計算機成像雜志》創刊于1995年,現主管單位中華人民共和國教育部.主辦單位為復旦大學上海醫學院,復旦大學附屬華山醫院和第二軍醫大學附屬長征醫院。主要欄目：神經影像學、頭頸部影像學、胸部影像學、腹部影像學、骨骼肌內影像學、兒科影像學、介入放射學、核醫學。