磁共振彈性成像測量腦血管生物力學(xué)特性研究

汪靈杰 馬盛元 馮 原 朱 默 胡春洪

血管的生物力學(xué)特性與發(fā)育、衰老和血管疾病密切相關(guān)［1］。對于顱內(nèi)血管而言，其血管彈性隨著彈性蛋白與膠原比例的減少而降低，從而導(dǎo)致腦血管破裂或動脈瘤的發(fā)生概率顯著增加。磁共振成像技術(shù)已被用來研究顱內(nèi)血管壁和血管病變［2-3］，而顱內(nèi)血管生物力學(xué)特性用常規(guī)方法難以獲得，其體內(nèi)測量在很大程度上仍未被探索。本研究創(chuàng)新應(yīng)用3D區(qū)域生長算法、三維反演算法，使磁共振血管成像（MRA）圖像數(shù)據(jù)與磁共振彈性成像（MRE）圖像數(shù)據(jù)相配準(zhǔn)后再測量顱內(nèi)血管的生物力學(xué)特性，從而為腦血管疾病的診斷提供依據(jù)。

方 法

1.臨床資料

在2018年至2020年間招募61例患者和63名健康志愿者。這61例患者全部被診斷為腔隙性腦梗死，其中包括28名男性和33名女性，年齡為28～89歲。63名健康志愿者包括33名男性和30名女性，年齡為23～80歲。

2.檢查方法

采用3T磁共振（Skyra，西門子，Erlangen，德國）掃描儀。MRA：使用三維時間飛躍（TOF）MRA序列［重復(fù)時間（TR）/回波時間（TE）=21 ms/3.4 ms；平面內(nèi)分辨率=0.3 mm×0.3 mm；層厚=0.7 mm］獲得。MRE：使用一種帶有軟枕驅(qū)動器的氣動執(zhí)行器（Resoundant；羅切斯特，MN，美國）用來在大腦中產(chǎn)生剪切波；驅(qū)動頻率為50 Hz，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(shù)據(jù)（TR/TE=6 720 ms/65 ms；視野=240 mm； 層 厚=3 mm； 體 素 大 小=3 cm×3 cm×3 mm）。本研究得到了蘇州大學(xué)倫理審查委員會的批準(zhǔn)，所有參與者都簽署了書面知情同意書。

3.數(shù)據(jù)處理

配準(zhǔn)MRA與MRE圖像數(shù)據(jù)，獲得腦血管的彈性模量即生物力學(xué)特性。具體數(shù)據(jù)處理分為3個階段：首先使用3D區(qū)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(fù)雜剪切模量G*（G*=G’+IG”，其中I為常量）［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(biāo)確定相同層面），并摳出兩者的mask圖（圖1C），使用mask圖來配準(zhǔn)MRA和MRE的圖像數(shù)據(jù)。MRA圖像上血管亮度在MRE圖像上對應(yīng)點陣進行分割，MRA圖像上的血管層面被映射到基于興趣區(qū)域的對應(yīng)MRE圖像中，即第一步獲得的腦血管掩碼配準(zhǔn)到MRE數(shù)據(jù)中。最后從MRE應(yīng)用于大腦彈性圖的血管掩碼中獲得腦血管的生物力學(xué)特性（圖1D）。

圖1 圖像數(shù)據(jù)處理流程

4.統(tǒng)計學(xué)分析

分析性別、年齡、血管疾病與腦血管生物力學(xué)特性的關(guān)系。正態(tài)分布的計量數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差形式表示。采用Pearson相關(guān)性分析研究健康組年齡與腦血管生物力學(xué)特性的關(guān)系。Studentt檢驗被用來確定性別的影響。對于腔隙性腦梗死組，采用Studentt檢驗和雙向方差分析（ANOVA）研究年齡和梗死對腦血管生物力學(xué)性能的影響。

結(jié) 果

1.患者和健康志愿者腦血管生物力學(xué)特性

腔隙性腦梗死組G’和|G*|值分別為（458±58）Pa和（482±61）Pa；健康對照組G’和|G*|值分別為（490±59）Pa和（529±60）Pa（圖2）。2組間G’和|G*|的差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。Studentt檢驗對G’（P=0.02）和|G*|（P=0.02）均有顯著性差異。說明梗死組和健康組腦血管生物力學(xué)特性差異有明顯統(tǒng)計學(xué)意義。

圖2 健康對照組和腔隙性腦梗死組的儲存模量（A）和絕對剪切模量（B）方框圖

2.腦血管生物力學(xué)特性的年齡差異

對于健康對照組，Pearson相關(guān)分析結(jié)果（圖3）顯示，年齡與G’和|G*|的相關(guān)系數(shù)（r）分別-0.229（P=0.092）和-0.239（P=0.078），表明健康組年齡差異對于生物力學(xué)結(jié)果的影響不明顯，似乎與年齡和血管生物力學(xué)特性呈負相關(guān)這一結(jié)論相矛盾，這可能是由健康對照組的年齡分布跨度較大、病例數(shù)量不足、分析誤差等因素引起。對于梗死組，由于存在多個變量，實驗結(jié)果均無明顯統(tǒng)計學(xué)意義。

圖3 年齡與儲存模量（A）或絕對剪切模量（B）之間的Pearson回歸分析結(jié)果

3.腦血管生物力學(xué)特性的性別差異

使用正態(tài)分布函數(shù)來擬合基于G’或|G*|值的每一組。男性和女性G’值分別為（468±68）Pa和（509±56）Pa（圖4A），|G*|分別為（496±65）Pa和（529±67）Pa（圖4B）。Studentt檢驗顯示，健康組中男性和女性的G’（P=0.18）或|G*|（P=0.39）差異無統(tǒng)計學(xué)意義，表明性別差異對腦血管生物力學(xué)結(jié)果無明顯影響

圖4 每個性別群體的儲存模量（A）和絕對剪切模量（B）分布

雙向方差分析顯示，對于|G*|，關(guān)于年齡（P=0.02）和腔隙腦性梗死（P=0.02）方面均有顯著性差異。對于G’，年齡和腔隙性腦梗死方面沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異。損失剪切模量G”的方差大于其平均值，所有組差異均無顯著性（腔隙性腦梗死組差異：P=0.69；健康組性別差異：P=0.93；衰老效應(yīng)：PearsonP=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。

討 論

1.血管生物力學(xué)特性測量

早期用超聲來表征腦血管生物力學(xué)特性，可是其只能提供腦血管的定性估計。近年來展開的對血管剛度的測量，是通過變化一定血壓的血管管腔橫截面積的方法，僅是對脈搏波速度的替代測量［5］，技術(shù)的局限限制了其臨床應(yīng)用。目前臨床使用的CT血管成像（CTA）為有創(chuàng)檢查，能顯示管腔的通暢與狹窄的程度，但不能直接估計組織性質(zhì)。

MRE是一種新的能直觀顯示和量化組織彈性（或硬度）的無創(chuàng)成像方法，使“影像觸診”成為可能，可以測量包括腦血管在內(nèi)的軟組織性質(zhì)［6］。以往的研究［7-10］表明，MRE也可用于診斷各種神經(jīng)和退行性疾病。最近一項使用螺旋讀出方法獲得心臟門控穩(wěn)態(tài)MRE的研究［11］表明，大腦組織在大腦收縮過程中軟化。這是第一次有研究表明MRE可能有助于檢測腦血管疾病。也有研究［12］表明，灌注影響腦組織的黏彈性，雖然全腦的生物力學(xué)特性可能與腦血管的變化有關(guān)，但仍然需要對腦血管生物力學(xué)特性進行具體的測量。

2.本研究的創(chuàng)新與結(jié)論

本研究探討了一種用MRE測量體內(nèi)腦血管生物力學(xué)特性的方法。從MRA圖像數(shù)據(jù)中分割腦血管，再將其映射到MRE數(shù)據(jù)中，從而實現(xiàn)了對其生物力學(xué)特性的準(zhǔn)確測量。通過對MRA的映射，能夠測量腦血管區(qū)域的局部生物力學(xué)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(xué)特性與腦血管疾病、年齡及性別的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果顯示，梗死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(xiàn)負相關(guān)性。

本研究表明，腔隙性腦梗死患者血管區(qū)的絕對剪切模量明顯低于無梗死的健康志愿者。由于梗死后血腦屏障被破壞，與血管僵硬有關(guān)的平滑肌細胞（SMC）和細胞外基質(zhì)（ECM）的結(jié)構(gòu)可能被破壞［1］。推測受到影響的SMC和ECM導(dǎo)致了梗死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(qū)域差異的測量［9］顯示，隨著年齡的增長，剪切模量降低。在阿爾茨海默病等疾病中也觀察到剪切模量降低［8］。本研究通過分析特定區(qū)域腦血管的彈性模量，提高了腦血管生物力學(xué)特性測量的準(zhǔn)確度，與全腦測量相似，區(qū)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(nèi)部彈性膜變得更加脆弱，這可能是導(dǎo)致腦血管彈性模量降低的原因。在對比健康組內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)時，沒有觀察到年齡的顯著影響，在考慮健康組和梗死組的同時，觀察到年齡的顯著影響。事實上，整個樣本組的年齡與梗死組的Pearson相關(guān)系數(shù)的計算結(jié)果顯示差異無統(tǒng)計學(xué)意義。這一似乎相互矛盾的結(jié)果表明，老年人梗死可能有更高的發(fā)病率。

研究［13］還表明，兩性之間沒有發(fā)現(xiàn)大腦生物力學(xué)特性的顯著差異。其他研究［7］發(fā)現(xiàn)，大腦組織的生物力學(xué)特性的性別差異僅存在于枕葉和顳葉。在本研究中，對腦血管的區(qū)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(nèi)主干血管來測算生物力學(xué)特性；需要較高的配準(zhǔn)精度，因此優(yōu)化了掃描條件及圖像后處理，選用了第三方軟件輔助配準(zhǔn)。同時，改進的MRE成像分辨率也將改善區(qū)域血管的性質(zhì)估計［14］。基于使用MRE數(shù)據(jù)測量腦血管的生物力學(xué)特性，并沒有考慮血流的潛在影響，用測量的區(qū)域血管平均值來反映腦血管的生物力學(xué)特性存在一定的誤差可能。

綜上所述，腦血管的生物力學(xué)特性與腦血管疾病密切相關(guān)。隨著年齡的增長，腔隙性腦梗死的發(fā)生率呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢。不同性別間的腦血管生物力學(xué)特性無顯著差異。通過配準(zhǔn)的MRE和MRA圖像數(shù)據(jù)，獲得腦血管的生物力學(xué)特性，可能為腔隙性腦梗死等腦血管疾病的診斷和預(yù)后提供新的參考價值。