高分辨全腦MR血管壁成像技術(shù)的可重復(fù)性研究

趙均雄，張 娜 （.中山大學(xué)附屬第八醫(yī)院影像科，廣東深圳 58033；.中國科學(xué)院深圳先進(jìn)院生物醫(yī)學(xué)成像研究中心，廣東深圳 58055）

顱內(nèi)動脈粥樣硬化病(intracranial atherosclerotic disease，ICAD)是導(dǎo)致腦血管事件發(fā)生的主要原因之一[1-2]，近年來臨床使用高分辨率磁共振(MR)血管壁成像技術(shù)可直接顯示血管壁并對與腦血管事件密切相關(guān)的斑塊特征進(jìn)行評估[3-6]，由高分辨MR血管壁成像獲得的幾種斑塊形態(tài)學(xué)測量值，例如平均血管壁厚度、斑塊負(fù)荷和血管壁重構(gòu)指數(shù)等，可以作為評估臨床療效的成像標(biāo)志物[7-9]。然而，3D MR血管壁成像要滿足這一臨床需求的先決條件是基于該成像獲得的血管壁形態(tài)學(xué)測量值是具有可重復(fù)性的。因此，本研究擬在健康志愿者隊列中評估基于IR-SPACE序列的全腦覆蓋MR血管壁成像方法用于血管壁形態(tài)學(xué)測量的可重復(fù)性。

1 材料和方法

1.1 研究對象

本研究得到中山大學(xué)附屬第八醫(yī)學(xué)倫理委員會的批準(zhǔn)。所有參與者均簽署書面知情同意書。研究共招募了32名沒有腦血管疾病的健康志愿者，其中男22名，女10名，年齡31～66歲，平均47.65歲，對于MR掃描無禁忌證。

1.2 方法

1.2.1 圖像采集 在西門子3T MR系統(tǒng)(型號：Verio)上進(jìn)行2次重復(fù)的全腦MR血管壁掃描，使用商用32通道頭部線圈接收信號。所有志愿者均采用仰臥位頭先進(jìn)方式，使用泡沫襯墊來防止頭部運動。在完成第1次全腦MR血管壁掃描之后，志愿者下床進(jìn)行短暫休息再重新定位進(jìn)行第2次掃描。相關(guān)成像參數(shù)如下：矢狀位掃描，重復(fù)時間(TR)/回波時間(TE)=900/15 ms，接收帶寬= 488赫茲/像素，成像視野=170×170×(110-127) mm3，空間分辨率= 0.53×0.53×0.53 mm3，回波鏈長= 52，并行成像(GRAPPA)加速因子=2，掃描時間= 7 min 10 s～8 min 10 s(取決于頭部尺寸)。

1.2.2 圖像分析 所有圖像首先被傳輸?shù)轿鏖T子高性能工作站進(jìn)行層面重建，由一名經(jīng)驗豐富的MR技術(shù)人員使用工作站自帶的圖像配準(zhǔn)軟件將2次掃描的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，在兩組圖像的相同位置處，通過多層面重建(multiplane reconstruction，MPR)重建出連續(xù)3層2 mm厚度的血管橫截面。共對顱內(nèi)的5個主要動脈血管進(jìn)行了上述血管橫截面重建，包括遠(yuǎn)端基底動脈(basilar artery，BA)、遠(yuǎn)端椎動脈(vertebral artery，V4)、遠(yuǎn)端頸內(nèi)動脈(internal carotid artery,ICA)床突上段(C4)、近端大腦中動脈(middle cerebral artery, MCA)M1段和近端大腦前動脈(anterior cerebral artery，ACA)。

使用商業(yè)血管軟件VesselMass對MPR重建的橫截面圖像進(jìn)行測量，包括血管腔和血管壁體積、標(biāo)準(zhǔn)化血管壁指數(shù)、平均和最大血管壁厚度。手動沿血管腔和血管內(nèi)壁的分界以及血管外壁和周圍組織的分界勾畫兩條輪廓界線，VesselMass軟件基于手動勾畫的這兩條輪廓線自動計算出血管腔體積為內(nèi)輪廓線所包繞的體積，血管壁體積為外輪廓線所包繞的體積(總血管體積)減去血管腔體積，標(biāo)準(zhǔn)化血管壁指數(shù)定義為血管壁體積除以總血管體積的比值，平均和最大血管壁厚度為兩條輪廓線之間的平均距離和最大距離。對于每一根動脈節(jié)段，所有測量值均取連續(xù)3層面的平均值。由兩名有豐富經(jīng)驗的神經(jīng)放射學(xué)專家分別獨立地對從第1次MR掃描重建的圖像進(jìn)行以上的形態(tài)學(xué)測量。間隔兩周時間后，由其中一名放射學(xué)專家對這第1次的圖像進(jìn)行第二輪測量，另一名放射學(xué)專家則對從第2次MR掃描重建的圖像進(jìn)行以上相同的形態(tài)學(xué)測量。

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理

使用SPSS 25.0對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。使用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intra-class correlation coefficient,ICC)和變化系數(shù)(coefficient of variation, CV)來評估全腦MR血管壁成像在量化顱內(nèi)動脈血管壁形態(tài)學(xué)測量值的可重復(fù)性，包括2次掃描之間的可重復(fù)性、一個觀察者2次測量之間的可重復(fù)性和2個觀察者之間的可重復(fù)性。統(tǒng)計學(xué)標(biāo)準(zhǔn)為：ICC值<0.4被認(rèn)為可重復(fù)性差，ICC值≥0.4且<0.75被認(rèn)為可重復(fù)性良好，ICC值≥0.75被認(rèn)為可重復(fù)性非常好。此外，使用Bland-Altman分析來評估重復(fù)掃描之間的一致性。

2 結(jié)果

32名志愿者均成功完成了2次MR掃描，共計獲得160組成對的動脈節(jié)段用于可重復(fù)性評估。2次重復(fù)的全腦MR血管壁成像均獲得了滿意的圖像質(zhì)量，2次采集的圖像均能清晰顯示5根主要顱內(nèi)動脈的血管壁。表1-3總結(jié)了所有形態(tài)學(xué)測量值的均值(即血管腔和血管壁體積、標(biāo)準(zhǔn)化血管壁指數(shù)、平均和最大血管壁厚度)及其相應(yīng)的ICC和CV值。所有形態(tài)學(xué)測量值的ICC均>0.75，顯示出2次掃描之間(表1)、2次測量之間(表2)以及2個觀察者之間(表3)均具有非常好的可重復(fù)性。

圖1-3分別展示了5個形態(tài)學(xué)測量值2次掃描之間、2次測量之間以及2個觀察之間的Bland-Altman圖。結(jié)果顯示為隨機(jī)誤差散射圖，并且差異對平均值不存在依賴性。

對于2次掃描之間的可重復(fù)性，所有形態(tài)學(xué)測量值的ICC均≥0.86，CV范圍為4.8%～9.1%。對于2次測量之間的可重復(fù)性，所有形態(tài)學(xué)測量值的ICC均≥0.87，CV范圍為4.9%～7.0%。對于2個觀察者之間的可重復(fù)性，除標(biāo)準(zhǔn)化血管壁指數(shù)的ICC為0.76外，其余形態(tài)學(xué)測量值的ICC均≥0.83，CV范圍為7.0%～16.6%。對于每一個形態(tài)學(xué)測量值，2次測量之間的ICC均高于2次掃描之間以及2個觀察者之間的ICC。對于每一種可重復(fù)性，標(biāo)準(zhǔn)化血管壁指數(shù)的CV均最低。

表1 2次掃描之間的可重復(fù)性評估結(jié)果 (n=32)

表2 2次測量之間的可重復(fù)性評估結(jié)果 (n=32)

表3 2個觀察者之間的可重復(fù)性評估結(jié)果 (n=32)

圖1 2次掃描之間的Bland-Altman圖

圖2 2次測量之間的Bland-Altman圖

圖3 2個觀察者之間的Bland-Altman圖

3 討論

腦動脈粥樣硬化一直臨床研究熱點，其狹窄程度評判金標(biāo)準(zhǔn)是血管造影，但無法觀察斑塊情況，超高端螺旋CT也只能辨別鈣化斑塊與非鈣化斑塊，對于斑塊重要成份顯示、斑塊形態(tài)特征無能為力，常規(guī)磁共振雖對軟組織分辨率高；但對于腦血管而言，其空間分辨率有限，信噪比低。本研究采用磁共振SPACE序列[10-11]，與傳統(tǒng)的二維(two dimensional, 2D)TSE成像方法相比，3D SPACE成像方法實現(xiàn)了更大的空間覆蓋范圍、更高的圖像空間分辨率和信噪比(signal to noise ratio，SNR)。此外，3D圖像可進(jìn)行任意方位重建，這對顯示細(xì)小迂曲、且被腦組織和腦脊液包繞的顱內(nèi)動脈提供了技術(shù)優(yōu)勢[12-16]，我們優(yōu)化后可在7～8 min內(nèi)完成全腦空間覆蓋和各向同性0.5 mm空間分辨率的顱內(nèi)血管壁的掃描，并創(chuàng)新性通過將反轉(zhuǎn)恢復(fù)(inversion recovery，IR)準(zhǔn)備脈沖與SPACE序列有效結(jié)合。在本研究中，32名健康志愿者應(yīng)用IR-SPACE的高分辨全腦MR血管壁成像，該技術(shù)在回波鏈的最后使用反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖來有效抑制顱內(nèi)流速緩慢的腦脊液信號，可以更好地顯示血管壁的外壁與周圍組織的邊界。因此血管總體積、血管壁體積和血管壁厚度的測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。此外，該技術(shù)使用非選擇性激發(fā)脈沖有助于顯著減少回波時間，從而增強(qiáng)了圖像的SNR和T1加權(quán)對比度，這兩者都有利于血管形態(tài)學(xué)特征的定量測量。

然而，MR血管壁成像要滿足臨床需求的先決條件是基于該成像獲得的血管壁形態(tài)學(xué)測量值是具有可重復(fù)性。本研究中，5個形態(tài)學(xué)測量值2次掃描之間、同一觀察者2次測量之間以及2個觀察者之間的ICC均分別大于0.86、0.87和0.76，顯示出非常好的一致性，均高于觀察者間和掃描間的可重復(fù)性，2次掃描之間、2次測量之間以及2個觀察者之間的可重復(fù)性與先前研究的結(jié)果非常接近甚至更好[17]。血管腔和血管壁體積的ICC略高于標(biāo)準(zhǔn)化血管壁指數(shù)、平均和最大血管壁厚度的ICC，這與最近公布的顱內(nèi)動脈研究結(jié)果一致[17]。掃描間、觀察者內(nèi)和觀察者間的測量值平均差異(用CV表示)均分別低于Qiao等[17]研究報道的差異。本組數(shù)據(jù)獲得的ICC和CV均與頸動脈研究中報道的結(jié)果相當(dāng)[18-19]。可見，基于IR-SPACE的高分辨MR血管壁成像用于顱內(nèi)血管壁形態(tài)學(xué)測量具有高的可重復(fù)性，可以潛在地用于監(jiān)測動脈粥樣硬化進(jìn)展和對治療的反應(yīng)，更重要的是，越高的可重復(fù)性保證臨床療效性試驗研究需要更少的參與者，從而降低了研究成本。

與其他形態(tài)學(xué)定量指標(biāo)相比，標(biāo)準(zhǔn)化血管壁指數(shù)的ICC略低，掃描間、觀察者內(nèi)和觀察者間的ICC分別為0.86、0.87和0.76，但是他們?nèi)匀痪哂泻芎玫目芍貜?fù)性(ICC都高于0.75)。該指數(shù)與其他定量指標(biāo)相比具有最小的平均差異，掃描間、觀察者內(nèi)和觀察者之間的CV分別為4.8%、4.9%和7.0%，這一結(jié)果與Qiao等[17]最近的研究結(jié)果一致，表明標(biāo)準(zhǔn)化血管壁指數(shù)對于ICAD的臨床縱向隨訪更為可取。

本研究還存在一些局限性。我們只在健康志愿者中評估了MR血管壁成像用于顱內(nèi)動脈血管壁形態(tài)學(xué)測量的可重復(fù)性，還需要進(jìn)一步在臨床ICAD患者中評估該技術(shù)用于顱內(nèi)動脈斑塊特征定量的可重復(fù)性。此外，本研究是在單中心進(jìn)行，2次掃描在同一個MR掃描儀上進(jìn)行，因此無法評估掃描儀之間的差異，并且由于檢查時間也限制了2次掃描之間的間隔時間有限。