相位對比電影-磁共振成像技術(shù)對Chiari畸形I型腦脊液流體力學(xué)的分析研究

程 誠 陶本章 尚愛加 趙水強(qiáng) 唐 紅 杜長生 王建禎*

相位對比電影-磁共振成像(cine phase contrastmagnetic resonance imaging，Cine PC-MRI)技術(shù)是一種無創(chuàng)的流體定量技術(shù)，為研究腦脊液循環(huán)流體力學(xué)提供有效方法，可直觀地觀察腦脊液，了解其生理和病理狀態(tài)，并已廣泛應(yīng)用于腦脊液循環(huán)障礙性疾病的診斷及手術(shù)療效評估[1]。而有研究認(rèn)為：Arnold-Chiari畸形(基底壓跡綜合征)Ⅰ型的臨床癥狀主要與后腦的腦脊液梗阻有關(guān)，而與小腦扁桃體下移程度無明顯關(guān)系[2-3]。目前，該疾病臨床上手術(shù)方案的制定，多為根據(jù)術(shù)者的主觀經(jīng)驗來選擇。本研究采用Cine PC-MRI技術(shù)客觀了解術(shù)前患者腦脊液循環(huán)障礙模式，選擇個體化的手術(shù)治療方案，術(shù)后應(yīng)用該技術(shù)客觀評估腦脊液循環(huán)流體力學(xué)有無變化。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2017年3-11月武警總醫(yī)院神經(jīng)外科收治的19例Arnold-Chiari畸形I型患者，其中男性8例，女性11例；年齡23～65歲，平均年齡(34.92±2.19)歲；病程3個月至10年，平均病程4.3年，其中共13例患者合并脊髓空洞。于術(shù)前24 h及術(shù)后6個月行Cine PC-MRI檢查，所有患者均已簽署知情同意書。

1.2 納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

(1)納入標(biāo)準(zhǔn)：①小腦扁桃體下疝達(dá)≥5 mm；②伴或不伴脊髓空洞；③合并有不同程度臨床癥狀。

(2)排除標(biāo)準(zhǔn)：①扁平顱底、脊髓拴系、寰樞椎脫位、顱底凹陷、腦積水及顱內(nèi)占位等。最常見的癥狀是疼痛，包括頭痛，頸痛和(或)背痛；②后組顱神經(jīng)功能障礙，包括口咽功能障礙，如睡眠呼吸暫停，打鼾和誤吸傾向；③小腦癥狀，包括步態(tài)不穩(wěn)定和共濟(jì)失調(diào)；④與運(yùn)動和感覺障礙等。

1.3 儀器與設(shè)備

采用3.0T Philips超導(dǎo)型磁共振機(jī)(德國Philips公司)，標(biāo)準(zhǔn)頭部線圈，外周門控設(shè)備。

1.4 檢查方法

行常規(guī)頭頸部MRI掃描，包括矢狀位自旋回波(spin echo，SE)序列T1WI、T2WI及軸位T1WI、T2WI掃描，在回顧性心電門控下進(jìn)行頭頸部掃描。掃描參數(shù)：軸位圖像予以測量腦脊液流速，層厚5 mm，重復(fù)時間(repetition time，TR)38～50 ms(根據(jù)患者心率而定)，回波時間(echo time，TE)5.7 ms，采集3次。翻轉(zhuǎn)角20°，矩陣256×238，流速編碼15 cm/s。正中矢狀位圖像用于觀察腦脊液流動的動態(tài)變化，層厚4 mm，TR 75 ms，TE 16 ms，采集2次，翻轉(zhuǎn)角10°。矩陣256×143，流速編碼2 cm/s。在1個心動周期內(nèi)采集32幅圖像，獲得與心臟舒縮相關(guān)的不同信號腦脊液雙向流動圖，高信號代表頭向運(yùn)動，為正值；低信號代表足向運(yùn)動，為負(fù)值。

1.5 手術(shù)方法

患者采用后顱窩重建術(shù)和枕大池重建術(shù)兩種手術(shù)方式。

(1)后顱窩重建術(shù)，也稱為后顱窩減壓加硬腦(脊)膜成形術(shù)，手術(shù)中首先進(jìn)行廣泛的顱后窩減壓，保持蛛網(wǎng)膜完整，顯微鏡下“Y”形切口切開硬腦膜，以自體筋膜擴(kuò)大修補(bǔ)切口，懸吊3～4針形成斗篷狀以保持腦脊液通暢。

(2)枕大池重建術(shù)，行小范圍骨性減壓，切開硬腦膜和蛛網(wǎng)膜，于軟腦膜下切除部分小腦扁桃體，或電凝扁桃體使之?dāng)伩s至枕骨大孔上方，然后擴(kuò)大修補(bǔ)、縫合硬腦膜。骨性減壓范圍小，手術(shù)過程趨向微創(chuàng)化。經(jīng)過優(yōu)化及微創(chuàng)化后，皮膚切口僅2 cm左右，小范圍骨性減壓為0.50～1.50 cm，并保留寰椎后弓[5]。

(3)根據(jù)掃描結(jié)果基于梗阻部位的不同，將腦脊液循環(huán)障礙分為3種類型[4]：①I型C腦脊液梗阻部位在小腦延髓池(C)；②Ⅱ型B+C四腦室和中腦導(dǎo)水管(B)，小腦延髓池(C)同時發(fā)生腦脊液梗阻；③Ⅲ型A+B+C腦干腹側(cè)(A)，四腦室和中腦導(dǎo)水管(B)，小腦延髓池(C)同時發(fā)生腦脊液梗阻(如圖1所示)。

圖1 腦脊液流動路徑成像圖

(4)枕大池重建術(shù)適用于Arnold-Chiari畸形I型腦脊液循環(huán)障礙的Ⅲ型，后顱窩重建術(shù)適用于I型，對于Ⅱ型需要術(shù)中超聲輔助下選擇采用哪種術(shù)式。在后顱窩減壓后，若行超聲探查腦脊液流動無改善，則行進(jìn)一步的蛛網(wǎng)膜下腔操作，松解粘連，電凝或切除扁桃體等手術(shù)操作。

1.6 療效評價指標(biāo)

(1)定性分析，通過后顱窩重建術(shù)，后顱窩的所有腦脊液流動路徑都被成像，包括中央導(dǎo)水管、枕骨大孔、第四腦室及其出口以及小腦和扁桃體后方腦池。

表2 手術(shù)前后測量層面腦脊液的定量參數(shù)(±s)

表2 手術(shù)前后測量層面腦脊液的定量參數(shù)(±s)

注：表中MF為平均流量；SV為每搏輸出量；RF為反流分?jǐn)?shù)；Vumax為頭向最大峰值流速；Vdmax為足向最大峰值流速。

參數(shù)指標(biāo) 中腦導(dǎo)水管 腦橋腹側(cè) C3腹側(cè) F值 P值術(shù)前24 h 術(shù)后6個月 術(shù)前24 h 術(shù)后6個月 術(shù)前24 h 術(shù)后6個月MF(ml/s) 0.021±0.005 0.041±0.007 0.048±0.007 0.062±0.004 0.020±0.006 0.031±0.003 2.792 0.002 SV(ml) 0.019±0.007 0.038±0.006 0.042±0.008 0.060±0.003 0.016±0.005 0.027±0.005 3.561 0.001 RF(%) 75.36±14.52 78.71±16.31 87.22±13.56 82.41±15.33 79.81±16.22 76.52±13.45 1.312 0.201 Vdmax(cm/s) 7.97±2.39 5.61±1.62 9.79±1.93 5.81±2.12 7.28±2.23 4.25±1.35 3.305 0.002 Vumax(cm/s) 5.12±1.72 3.35±1.53 7.84±2.32 3.76±1.45 4.13±1.35 2.53±0.62 2.362 0.003

(2)由于椎管內(nèi)蛛網(wǎng)膜下腔的解剖結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，影響腦脊液循環(huán)流動的因素很多，感興趣區(qū)(region of interest，ROI)注意要在避開大血管的前提下，應(yīng)盡可能包括完整的蛛網(wǎng)膜下腔，以反映腦脊液的整體流動情況。最終診斷需要2名神經(jīng)影像學(xué)醫(yī)師審核確定，根據(jù)Cine PC-MRI的發(fā)現(xiàn)，評估和確認(rèn)腦脊液流動通暢性。流動信號不存在和減少被認(rèn)為是異常。

(3)定量分析，使用Q-flow軟件進(jìn)行腦脊液流體力學(xué)研究，層面選擇為中腦導(dǎo)水管層面、腦橋腹側(cè)平面和C3腹側(cè)平面。指標(biāo)包括：①平均流量(mean flux，MF)；②每搏輸出量(stroke volume，SV)；③反流分?jǐn)?shù)(regurgitant fraction，RF)；④最大峰值流速(Vmax)，分為頭向最大峰值流速(Vumax)和足向最大峰值流速(Vdmax)。

(4)預(yù)后評估應(yīng)用芝加哥Chiari結(jié)果量表(Chicago Chiari outcome scale，CCOS)評分，所有患者均從疼痛癥狀、非疼痛癥狀、功能和手術(shù)并發(fā)癥4方面進(jìn)行評分。每方面得分范圍0～4分。患者最后分值4～10分表明預(yù)后不佳，可能需要2次手術(shù)，11～16分表明預(yù)后良好，可以繼續(xù)觀察暫不進(jìn)行手術(shù)干預(yù)。

1.7 統(tǒng)計學(xué)方法

使用SPSS 24.0進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，各計量資料數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(x-±s)表示，手術(shù)前后測量值的比較采用配對樣本t檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 基于Cine PC-MRI技術(shù)結(jié)果及其手術(shù)方式

采用Cine PC-MRI技術(shù)對19例Arnold-Chiari畸形I型患者檢查，其結(jié)果為腦脊液梗阻I型3例，Ⅱ型7例，Ⅲ型9例，梗阻以Ⅱ型及Ⅲ型多見；在超聲證實(shí)的腦脊液梗阻3種類型中，其手術(shù)方式多數(shù)Ⅱ型患者(1∶6)需要行枕大池重建術(shù)；1例Ⅱ型患者行后顱窩重建術(shù)后，超聲探查提示腦脊液流動良好，遂未進(jìn)行蛛網(wǎng)膜下腔探查，見表1。

表1 腦脊液梗阻3種類型患者例數(shù)及手術(shù)方式(例)

2.2 手術(shù)前后測量層面腦脊液的定量參數(shù)比較

在中腦導(dǎo)水管、腦橋腹側(cè)和C3腹側(cè)的3個測量層面，Vdmax和Vumax均明顯減緩，SV和MF較術(shù)前均有增加，C3腹側(cè)層面較為明顯。手術(shù)前后各測量層面MF、SV、Vdmax和Vumax的差異比較有統(tǒng)計學(xué)意義(F=2.792，F(xiàn)=3.561，F(xiàn)=3.305，F(xiàn)=2.362；P＜0.05)，而RF差異無統(tǒng)計學(xué)意義(F=1.312，P＞0.05)，見表2。

2.3 并發(fā)癥及隨訪結(jié)果

(1)并發(fā)癥情況。在19例Arnold-Chiari畸形I型患者中1例枕大池重建術(shù)患者傷口發(fā)生腦脊液漏，給予腰大池引流1周后傷口愈合良好，順利出院。

(2)隨訪結(jié)果。采集19例Arnold-Chiari畸形I型患者術(shù)后6個月的隨訪資料及CCOS評分。術(shù)后CCOS評分均高于11分，平均得分13分，最低評分12分，滿分16分，患者均無需進(jìn)行二次手術(shù)。常規(guī)MRI提示，10例脊髓空洞顯著縮小，2例脊髓空洞稍有縮小，1例脊髓空洞未見明顯改變。術(shù)后所有患者枕大池成形良好，小腦扁桃體下疝情況減輕，四腦室出口腦脊液流動通暢。

3 討論

3.1 Cine PC-MRI技術(shù)的原理及其臨床應(yīng)用

Cine PC-MRI技術(shù)是一種可無創(chuàng)化顯示流體流速及流向的技術(shù)，最初應(yīng)用于血流的研究，20世紀(jì)80年代首次應(yīng)用于腦脊液的研究。其獲得的圖像分為相位圖像和速度圖像，將兩次成像的相位位移進(jìn)行減法處理，即除去背景靜止組織，僅保留流動質(zhì)子的相位變化，通過重建獲得流動液體的圖像。速度圖像的信號強(qiáng)度僅與流速有關(guān)，流速越大，產(chǎn)生的相位位移越大，信號越強(qiáng)。而相位圖像中像素的信號強(qiáng)度不僅與流速有關(guān)，還具有流動方向信息，當(dāng)液體流動方向與流動編碼梯度方向一致時，顯示為高信號，反之則為低信號。相位對比技術(shù)與心電門控技術(shù)相結(jié)合，使流動液體的相位位移與時間相結(jié)合，通過流動分析軟件處理，從而獲得相關(guān)流動液體運(yùn)動的速率、流量等定量資料，為目前臨床上唯一無創(chuàng)最先進(jìn)全面的定量研究流體分析的技術(shù)。神經(jīng)外科領(lǐng)域已應(yīng)用于腦積水、蛛網(wǎng)膜囊腫、Arnold-Chiari畸形等與腦脊液循環(huán)障礙相關(guān)疾病的研究中[6-7]。

3.2 Arnold-Chiari畸形I型臨床診斷、手術(shù)策略及爭議

Arnold-Chiari畸形I型多以小腦扁桃體下疝低于枕骨大孔平面5 mm作為診斷標(biāo)準(zhǔn)，但隨著影像技術(shù)的發(fā)展，下移5 mm或更多不再是診斷的唯一標(biāo)準(zhǔn)[8]。Tubbs[9]認(rèn)為，形成扁桃體下疝的原因很多，稱其為“畸形”的術(shù)語表達(dá)并不準(zhǔn)確，單純的依靠MRI矢狀位中線的影像結(jié)果是不全面的，具有檢查過程中呼吸的影響、是否做Valsalva屏氣試驗、枕骨大孔的形態(tài)與骨質(zhì)厚度以及小腦扁桃體在矢狀位上本身成對但并不對稱等因素。此外，患者因腦積水、顱縫早閉等繼發(fā)出現(xiàn)的小腦扁桃體下疝，可以通過手術(shù)干預(yù)治療，而將其也定義為下疝“畸形”是不恰當(dāng)?shù)模驗樾纬蓹C(jī)制并不相同。“年齡”因素對扁桃體予枕骨大孔水平有非常大的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，兒童和成年人小腦扁桃體低位要比老年人概率顯著增加；隨著年齡增加，扁桃體的位置也會上移；性別因素，女性較男性有較高的發(fā)病率[10-11]。本研究中的受檢者中發(fā)現(xiàn)扁桃體下疝但無癥狀，或者有個體未達(dá)到下疝低于枕骨大孔水平5 cm的標(biāo)準(zhǔn)，但有臨床癥狀，同時有腦脊液循環(huán)異常和枕骨大孔內(nèi)組織擁擠。如Arnold-Chiari畸形0型，其發(fā)病機(jī)制可能為枕骨大孔處腦脊液動力學(xué)改變所致，也證明單純的“機(jī)械卡壓”并不是Arnold-Chiari畸形發(fā)生發(fā)展的唯一病理生理機(jī)制。現(xiàn)有證據(jù)證實(shí)，約有14%普通患者的小腦扁桃體超出枕骨大孔。此外，Chiari畸形Ⅰ型患者中小腦扁桃體下疝畸形的程度與癥狀的嚴(yán)重程度并不一致。

手術(shù)方式目前也有爭議，常用的方法有后顱窩減壓術(shù)、后顱窩重建術(shù)、枕大池重建術(shù)等，爭議的地方有減壓骨窗的大小，硬腦(脊)膜的處理，小腦扁桃體下疝的處理等。Zhao等[12]通過系統(tǒng)回顧分析相關(guān)文獻(xiàn)，且結(jié)合術(shù)中超聲已經(jīng)證實(shí)，認(rèn)為單純的骨性減壓不能達(dá)到充分的后顱窩減壓，手術(shù)效果有限。本研究中的患者基于Cine PC-MRI檢查結(jié)果，并使用術(shù)中超聲探查減壓窗，采用了后顱窩重建術(shù)及枕大池重建術(shù)兩種術(shù)式。

3.3 腦脊液流體力學(xué)病理生理特點(diǎn)

在19例Arnold-Chiari畸形I型患者的Cine PCMRI顯示，患者腦脊液流動呈典型的雙向流動，與心臟舒縮活動同步。心臟收縮時腦脊液從顱內(nèi)流向脊髓蛛網(wǎng)膜下腔，即從頭側(cè)向尾側(cè)，其動脈壓力是腦脊液流動的原始動力，腦脊液呈高信號；心臟舒張時，腦脊液從脊髓蛛網(wǎng)膜下腔流至顱內(nèi)，即從尾側(cè)向頭側(cè)，腦脊液呈低信號。

脊髓空洞內(nèi)的相位信號和周圍蛛網(wǎng)膜下腔的腦脊液信號類似，提示空洞內(nèi)同樣發(fā)生了類似的往復(fù)運(yùn)動，這也反映證實(shí)了空洞腔和脊髓蛛網(wǎng)膜下腔相同，但是無明確漏口存在。枕大池的腦脊液信號極弱，而腦橋腹側(cè)及中腦導(dǎo)水管的腦脊液信號變化迅速，可呈噴射樣流動，持續(xù)時間較心臟收縮時間較短，流速峰值較高。

目前，基于Cine PC-MR技術(shù)對Arnold-Chiari畸形Ⅰ型患者手術(shù)是最有效的治療方法，其目的就是在顱頸交界區(qū)減壓，釋放出足夠的空間以恢復(fù)后顱窩及上頸段的腦脊液流動，但是無客觀的評價標(biāo)準(zhǔn)。磁共振靜態(tài)解剖成像技術(shù)的應(yīng)用，在此是有限的，通過Cine PCMRI技術(shù)定性及定量分析發(fā)現(xiàn)，該疾病腦脊液的部分病理生理特征為：①符合雙向流動模式，與心臟的舒縮密切相關(guān)，心臟收縮時腦脊液從頭側(cè)向尾側(cè)流動是影像上呈高信號，心臟舒張時腦脊液從尾側(cè)向頭側(cè)呈低信號；②脊髓蛛網(wǎng)膜下腔整體狹窄，枕大池消失，即縮短了其有效蛛網(wǎng)膜下腔長度，減少了脊髓蛛網(wǎng)膜下腔對于壓力梯度的緩解能力；③枕骨大孔區(qū)及高位脊髓蛛網(wǎng)膜下腔腦脊液流體力學(xué)異常，絕大多數(shù)腦脊液流速增快，甚至噴射樣流動，但流量減少，術(shù)后可見流量明顯增大；④脊髓空洞內(nèi)液體隨著心臟搏動與脊髓蛛網(wǎng)膜下腔腦脊液信號呈同步改變，可證實(shí)空洞腔與脊髓蛛網(wǎng)膜下腔相通，但未查出明確瘺口。

4 結(jié)語

Cine PC-MRI技術(shù)是一種非侵入性的安全的流體定量技術(shù)，可為研究腦脊液流體力學(xué)提供有效方法。后顱窩重建術(shù)和枕大池重建術(shù)是安全可靠的手術(shù)操作方法，可改善大多數(shù)患者的臨床癥狀，縮小脊髓空洞，提高CCOS評分。但本研究樣本量較小，隨訪時間較短，需要進(jìn)一步增加樣本例數(shù)，建立多中心的聯(lián)合對比研究，以量化Arnold-Chiari畸形I型病情分級及手術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選擇。

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