2023年03月13日发布 | 176阅读

基于MRI的新型血流评价工具

李龙

首都医科大学宣武医院

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本文来源于公众号:宣武脑血运重建CRC


01

何为脑血流动力学?



脑血流动力学( cerebral hemodynamics )是指血液脑血管系统中流动的力学,主要研究血流量、血流阻力、血压以及它们之间的相互关系


想了解他们的相互关系。先要了解血流动力学的定义。


广义的脑血流动力学包括:


脑灌注:

CBF

CBV

MTT、TTP

侧支代偿的量化/可视化

…………


脑代谢:

CMRO2  脑氧代谢率

CMRGlu  脑葡萄糖代谢率

OEF        氧摄取分数

GEF         糖摄取分数


计算流体力学:

压力

流速

WSS  壁面剪切应力

螺旋流参数

…………


血流变:

血液成分

血浆粘度

红细胞刚性指数

…………


Tips:

脑灌注跟脑代谢主要跟靶器官即脑组织相关;


血流变主要与血液的成分、粘弹性等相关;


计算流体力学关注病变对于整个的血流以及脑组织带来的影响。


狭义的脑血流动力学包括:脑灌注和计算流体力学。


02

各方向的评价手段



脑灌注:

Xe-CT

CTP

PWI

ASL


脑代谢:

PET

SPECT

BOLD-MRI


计算流体力学:


边界条件+血管模型

(速度场)+(解剖结构)

TCD/假定条件+CTA/MRA

PC-MRA

DSA


Tips:


具备边界条件和血管模型,即可做CFD分析,边界条件提供速度场包括入口以及出口,血管模型提供解剖结构。例如,以TCD或者是正常人群中的假定条件提供出入口边界,用CTA/MRA/DSA等提供血管模型,计算流体力学。


另一个重要的方法是PC-MRA,又叫相位对比磁共振血管成像。


血流变:


血常规

全血粘稠度

血小板聚集力

…………


应用目的:构建评价指标与缺血事件的关系,更好的风险分层。


03

基于MRI的血流评价工具



一、脑灌注


PWI ( Perfusion Weighted Imaging,灌注加权成像)


动态磁敏感对比增强磁共振成像


成像对象:含造影剂的血液(短T2*)


常用造影剂:钆喷酸葡甲胺盐Gd-DTPA(马根维显)(例如:我们平时给PET核磁的病人开一支马根维显。)


--不能透过完整的血脑屏障——可提示BBB破坏(如果透过去了,证明血脑屏障被破坏了)

--不具有组织特异性——用量大

--较安全——1.5-2.5%副作用发生率(头晕、一过性头痛、恶心呕吐、皮疹)


半定量计算CBV、CBF、MTT等


ASL ( Arterial Spin Labeling,动脉自旋标记)


成像对象:动脉血中水质子作为内源性示踪剂——完全无创、可重复性好;


对于有出血、钙化或者位于颅底的病变,优于PWI——受伪影影响小;


时间和空间分辨率差,受PLD(标记后延迟时间)影响极大——个体差异不易把控。



上图为在颈动脉的起始段,给水质子打一个标记,或者持续性地打标记。就涉及到不同的成像技术,包括尾连续、连续、间断、单一等等,我们在观察收集时发现,中间标记后的延迟时间,采集间隔不同,得到的信号也不一样。即个体差异较大,且差异不易被把控。



现在常用的技术是多PLD,意为当一个时间点收集不准时,就收集多个时间点,它的临床意义是可以定量的计算CBF。


定量计算CBF,后处理可得ATT(动脉到达时间)、CBV


二、脑代谢/灌注


BOLD MRI(blood oxygen level dependent,血氧饱和水平检测)


功能磁共振成像的一种(经常跟fMRI一起做)


成像对象:脑皮层局部去氧血红蛋白作为内源性示踪剂——完全无创、可重复性好


时间和空间分辨率相对较好(常用于脑肿瘤或癫痫灶的边界测定)


必要时,需结合刺激试验;



推算CVR(脑血管反应型)、区域CBV/CBF等。


三、计算流体力学


PC MRA(Phase-Contrast Magnetic Resonance Imaging,相位对比磁共振成像)


成像对象:脑组织(静止)、血液(运动)中的质子——无需对比剂


作用原理:双极梯度磁场,大小、持续时间相同,方向相反——两次扫描相减:就会得到运动中的血液的显像。


具体技术包括2D PC、3D PC以及4D flow(结合心电门控技术)——信息丰富。


缺点也明显:

       参数选择复杂,受VENC(流速编码)影响大

       空间分辨率差,需结合TOF MRA或CTA、DSA等

        检查时间长,必须按坐标系三方向作三次采集


提供解剖结构+血液流速、流量、方向,推算压力、WSS等。


Tips:


流速编码类似于窗宽窗位,当CT当中要观察某一个区域或者是某一段流速时,需要设定一个窗宽,而窗宽受个体的影响较大。


04

别人的研究方向及思路



Quantitative Magnetic Resonance Angiography (QMRA)


商品名NOVA(Noninvasive Optimal Vessel Analysis,无创最佳血流分析系统)


NOVA是一个软件的名称,代表的是QMRA定量的磁共振血管分析。


NOVA系统


2015年,Fady作为Nova的发明者之一来我们医院做过交流。


Fady Charbel 发明者之一


我们组的马妍老师,也用NOVA做了一些研究。


这里要重点介绍一个人:


Sepideh Amin-Hanjani 芝加哥 伊利诺伊大学医院


Sepideh Amin-Hanjani在二三十年里,致力于用NOVA做后循环血流定量的测量,所以她本人是VERiTAS研究的主PI。


NOVA本质其实是基于2D PC MRA技术的脑血流定量测量。


一、定量颅内主要动脉正常血流量


在下面这项研究当中,先做颅内主要动脉的正常血流量的定量,将颅内主要动脉的血流量以毫升/分钟为单位血流量,构建出Willis环系统内的血流的分布图,以及年龄、性别对血流的分布的比较图。



二、选定临床问题,构建相关性



症状性椎基底动脉缺血患者


选择原因:

1、后循环灌注现有方法不准确;(受颅骨影响,后循环脑组织致密,空间小,所以CTP、PWI等等测量不准确)


2、后循环多穿支梗死和血流障碍,A-A栓塞少见;


3、双椎互补,即便一侧闭塞,也不一定引起远端血流降低。   


前瞻性行NOVA检查,人为定义血流量降低>20%为血流障碍,有临床意义:


BA<120cc/min; PCA <40cc/min


平均随访28个月


回顾性分析NOVA判定的血流障碍与随访期间终点事件发生之间的关系。


结论:


NOVA判定的血流量是后循环卒中复发的独立预测指标。


三、前瞻性验证——试验设计



关键词:


前瞻性、多中心、盲法、观察队列研究


2008-2014年,北美,5家中心,6年时间,纳入50个病人,能用于分析有47例


症状性椎基底动脉>50%至闭塞患者


QMRA/NOVA检查,把数值设定为基底动脉120,大脑后动脉40


随访12-24个月


观察基线血流量与缺血事件发生关系。


三、前瞻性验证——初步结果


NOVA与狭窄度评价体系的关系


主要动脉内的血流量与最窄管径及串联病变密切相关;


远端脑组织血流(BA/PCA血流量是否下降>20%)与狭窄度、狭窄部位无关。



以后观察此类型图,以45度角为准,45度角即证明密切相关,其他角度则证明无关。


三、前瞻性验证——主要结果



上图所示,研究结果发表在JAMA Neurology,从流程图可以看到,筛选200例病人,最终纳入72例,其中低血流量组与正常血流量组分别是18例和54例。



12个月终点事件

    低血流组78% vs 正常血流组96%


24个月终点事件

    低血流组70% vs 正常血流组87%


OR 11.55 (95% CI, 1.88–71.00; P = .008)


血流量对于后循环的终点事件的预测作用非常明确。


05

我们的研究方向及思路



NOVA:特殊病变具体应用



这是我们团队马妍老师主导的特殊病变的具体应用:症状性长节段椎动脉闭塞,复合再通前后BA血流变化。


通过观察病人手术前后以及随访6个月的血流变化,最终得出阳性结果,证明干预非常有效。


另辟蹊径:基于MRI的无创脑FFR研发


FFR:Fractional Flow Reserve,脑血流储备分数。定义为:狭窄冠脉支配区域心肌实际最大血流量与理论上无狭窄时的最大血流量的比值。



1995年,荷兰 Nico Pijls教授首次提出FFR,FFR提出最早源于冠脉,提出后有一个理论,即血管内的压力比就等于血流比。



我们把FFR概念运用到脑血流当中,用有创的压力导丝测量狭窄远近端的压力值,继而计算它的压力比值,以及跨狭窄的压力差值,这是一个完整的测量过程。


有创FFR评价指标


      血管内测压相关参数:病变远、近端平均血管内压力,分别记做Pd、Pa;计算跨狭窄压力比值(Pd/Pa)及跨狭窄压力差值(Pa-Pd)


典型病例:大脑中动脉狭窄血管造影结构参数测量及有创血管内测压过程



我们也将有创的指标跟现有的狭窄度的评价体系,做了一个相关分析:



有创FFR与狭窄度评价体系的关系


血管内压力梯度与血管造影结构参数之间存在显著相关性,相关程度弱到中度。


其中,Pa-Pd与最小管腔直径间的相关性最强(相关系数:0.507)


无论是最小管腔直径还是狭窄度,都只能部分反映血流动力学状态


接下来我们利用临床的诊断性研究,寻找颅内动脉狭窄血流动力学障碍的界值。



术前、术后动脉自旋标记-脑血流量(ASL-CBF)的计算测量,

沿皮层连续划定直径约为2cm的圆形ROI区域,每侧大脑半球的大脑中动脉灌注区勾画4-6个ROI,保持双侧数目和位置对称。按侧别记录每个ROI区的CBF绝对值,最终取每侧的平均值纳入最后分析。


层面1  基底节层面


层面2  半卵圆中心层面


将病变对侧视为正常侧,定义相对脑血流量比值(relative cerebral blood flow, rCBF)=患侧CBF/对侧CBF。


有创FFR/血管内压力梯度对于预测ICAS血流动力学障碍的界值。


图1:术前、术后Pd/Pd、Pa-Pd散点图


图2:血管内压力梯度对于预测ICAS血流动力学障碍的ROC曲线


静息状态下,有创压力导丝血管内测压跨狭窄压力比值Pd/Pa<0.81;或跨狭窄压力差值Pa-Pd>8mmHg,对判定血流动力学障碍具有诊断意义。


从有创到无创——基于2D、3D PC MRA的无创MRI-FFR研发。



内部验证——算法校正——外部验证——临床队列研究验证


经过内部验证,有创FFR与无创FFR数值比较,进而进行算法调整,提高精度,然后进行算法校正,再入组一轮病人来进行外部验证,最终拿到无创MRI FFR,进入临床队列研究进行验证。


MR-FFR=0.91


有创-FFR=0.89


06

他山之玉:其他基于MRI的血流评价指标




香港中文大学冷心怡以及黄家兴教授团队。对于颅内动脉狭窄患者,用3D TOF影像研究得出,狭窄远近端 SIR(信号强度比值)与解剖狭窄度无关,与随访1年重点事件发生率有关。


07

研究思路小结




研究思路总结:


科学问题:颅内动脉狭窄患者的危险分层不明确


新的研究工具包括:NOVA、有创FFR、无创FFR、SIR(信号强度比)


方法:在NOVA的研究当中,人为规定界值后直接跟终点事件相关;SIR未规定界值,与终点事件做相关;有创FFR研究思路是有求出界值,有创和无创做一致性分析,无创再与终点事件相关。


在算法上,FFR与SIR的算法,都是狭窄远近端的这种信号的强度比,而SIR跟NOVA的方法一致,都是直接与临床终点事件挂钩,最终实现新型的临床指标或影像指标,对颅内动脉狭窄患者分层起到预测作用。


07

总结



技术/工具均是为了还原疾病病生理变化的过程;


MRI序列丰富、迭代快速,发展潜力巨大;


脑血流评价涉及广泛,瞎子摸象,关键在摸。


08

作者简介





李 龙


首都医科大学宣武医院神经外科

住院医师,医学博士

学习经历:首都医科大学医学博士毕业,导师凌锋教授和焦力群教授

研究方向:颅内动脉狭窄的新型评价手段(光学相干断层成像OCT、血管内压力测量FFR)

科研经历:主持国家自然科学基金青年项目和国家卫健委继续教育“青年科学家”项目1项,作为项目骨干参与“十三五”国家重点研发计划等项目5项。迄今以第一或共一作者于JAMANeurology等高影响力杂志发表SCI文章8篇,中文核心期刊各1篇;参与编写缺血性脑血管病相关专著、译著各1本;获得软件著作权1项。曾获2021CFITN“创新大赛”一等奖,2021年第二届“京津冀医学研究生学术论坛”优秀论文大赛一等奖,2020第二届“全球显微吻合大赛”-WFNS站第二名。




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