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磁共振血管造影基础知识

时间:2015-07-08 10:14来源:chinastroke.com 作者:editor 点击:

磁共振血管造影(magnetic resonance angiography,MRA)包括多种成像技术,临床应用十分广泛。MRA具备无创,检查简单安全,成像时间短等优势,并且无需或仅向血管内注射少量对比剂,还可在三维空间或更多方位显影。迄今为止,MRA在颅内管与颅外颈部血管方面的应用很重要。

(一) 原理简介及主要技术参数

磁共振血管造影检查可分为亮血法和黑法两类,通过不同的MR成像原理和技术,分别将管内的血流显示为高信号或低信号,从而显示管形态、血管壁及血管腔内的血流状态变化。

1.亮血法

(1)时间飞跃法(time of flight,TOF:利用血液流动产生的流入性增强效应成像。3D-T0F MRA为目前头颈部MR血管成像中较为常用的方法。TOF MRA成像(图1)包括2D及3D序列,临床通常应用3D序列,可从各种方向重建并旋转观察,推荐扫描参数见表1-3。

图1 正常颅内大血管TOF-MRA图像

 

(2)相位对比法(phase contrast,PC ):利用流动液体的相位效应进行成像。应用双极梯度脉冲,利用血流诱发的相位改变在流动质子和静止组织之间形成对比,减影后形成血管造影图像,是一种比较成熟的血流定量技术,能够提供液体流速、流量和血流方向等多种信息。PC-MR成像得到两组图像:量值图显示所扫描血管的基本形态;相位图中像素信号强度与血流速度成正比,推荐扫描参数见表1-3。PC-MR成像通常应用2D序列。3D序列范围较大,但扫描时间较长。速度编码方向包括单方向或三方向扫描,单方向测量的是通过层面方向的血流速度;三方向扫描可同时对层面内速度进行测定。速度编码值的选择对成像十分重要,应不低于相应方向上最大速度值。

 

3对比增强MR血管造影(contrast en­hancement MRA,CEMRA):利用血管内注射顺磁性对比剂(乳喷替酸葡甲胺,Gd-DTPA缩短血液的 T1值从而使血管显影(图2)。临床上常用三维对比增强MR血管造影3D CEMRA:应高压注射器:速率1.5-3.0ml/s;对比剂用量0.1-0.3mmol/kg。扫描开始时间的确定至关重要,可应用Care bolus或Test bolus技术。推荐扫描参数见表1-3。

图2  正常颈部CE-MRA三维重建图像,显示主动脉弓上到颅内大血管的全貌及走行

2.黑血法  通常应用于对血管壁的显示,动脉粥样硬化斑块病变的成分分析等。

(1)双翻转恢复技术(double inversion re­covery, DIR)。

(2)预饱和技术。

临床常用TSE序列,应用黑血技术对血管壁结构和信号进行显示,在颈动脉粥样硬化病变的显示和成分分析中应用广泛。参考扫描参数见表 1-4。

(二)主要应用领域

1.MR血管成像在头颈部的主要适应证(表1-5)

(1)脑血管病的颅内Willis环显影:缺血性脑管病——检查颅内大血管是否存在狭窄、闭塞;出血性脑血管病——示颅内大血管情况。

(2)蛛网膜下腔出血或其他情况可疑颅内动脉瘤者。

(3)可疑颅内动静脉畸形或其他管畸形者。

(4)可疑颅内静脉窦闭塞者。

(5)颅内肿瘤或其他占位性病变需了解颅内大血管情况者。

(6)可疑颈动脉粥样硬化病变所致颈动脉狭窄或闭塞者。

(7)已知颈动脉粥样硬化病变需了解斑块成分及稳定性者。

(8)需了解颈动脉血流动力学状态者。

2.临床意义

(1)显示颅内Willis环的全貌,显示颅内及颈部各大血管的形态及走行。

(2)颅内动脉瘤的检出,明确动脉瘤的发生部位。

(3)显示动静脉畸形病变畸形血管团,提供其供血动脉和引流静脉信息;

(4)显示颅内大静脉及静脉窦的形态及走行。

(5)显示颅内肿瘤或其他占位性病变所引起 的颅内大血管受压、移位或受侵。

(6)显示颈动脉粥样硬化病变所致的血管狭窄或闭塞。

(7)检查颈动脉粥样硬化斑块病变,分析斑块组织成分,测定斑块体积及受累血管狭窄率。

(8)测定动脉血流速度、血流率等血流动力学参数,评估动脉局部血流动力学状态。

(三)准确性评价

颅内大血管的MRA检查现已经成为临床的常规检査项目之一,3D-TOF法最为常用。一般认为,MRA显示颅内大血管的清晰度较好。但由于TOF法MRA主要依靠血液流入产生信号强度,它不仅与血液流速有关,而且与质子密度、T1、T2等因素有关,易受到血流状态的影响。当血液流动不规则时,易出现MR信号的减弱缺失或出现伪影。另外,当血管与扫描层面平行或夹角较小时容易导致流动的血液层内饱和,从而导致血管显影欠佳,多个扫描层面采集还会导致出现暗带伪影。这使得这种方法对于细小动脉的显影欠佳,并且对于动脉狭窄的程度有较多的假阳性和夸大效应。对重度颈动脉狭窄显示欠佳。在显示血管病灶的解剖范围方面仍比不上常规或DSA血管造影。由于血管狭窄远端产生的快速血流和涡流会使流动的氢质子明显失相,近端产生的慢速血流又会降低氢质子的对比度,结果使管信号对市,狭窄范围扩大失真。

PC法MRA可直接观察血管解剖形态,同时提供血流量测定等功能方面信息。研究显示,在应用合理的扫描技术和参数的条件下,PC-MR流量测定是非常准确的,其定量测定误差小于10%,是临床应用可接受的。但由于在PC法的应用中,流信号与流引起的移动自旋质子的相位变化密切相关,在血管分叉处或由于血流搏动产生的湍流或涡流会产生相位弥散,使得信号强度明显丧失。这种技术对慢速流的敏感性较差。血管偏斜、层面较厚以及兴趣的不正确选择及扫描参数的不当选择都会导致测量结果错误。有研究示cine PC-MR法准确性受磁场RF、体素内速率的弥散分布方向、部分容积效应等多种因素的影响。

相对于TOF MRA和PC MRA,3D CEMRA成像与血液流动无关,可以更真实地反映血管腔的情况。由于使用静脉内团注对比剂的方法,这种技术可以使用更短的T1值和更大的反转角,获得MR信号更强,背景信号也压制的更好。3D CEMRA扫描范围大,一次扫描可以将从主动脉弓上到颈内动脉颅内段全部显示(图2)。扫描时间短,而且对于小血管的显示较好。另外一个很大的优势在于可以实现维成像,在后处理像上可以任意方位、任意角度地旋转并观察每一支血管,并可通过后处理技术分离各支管,避免因动脉重叠造成的漏诊。但与DSA相比,3D CEMRA的分辨率较低,显示非常细小的管较差。

四)进展

MR血管成像方面的发展主要集中于快速成像序列和一些特殊序列的应用,以及对图像后处理技术的改进。如利用磁化传递对比magnetization transfer contrast,MTC脉冲,减少背景信号,以突出血管影像,多重叠薄层采集(multiple overlapping thin slice acquisitions, MOTSA)方法和后处理技术以改善MRA图像等。颈动脉成像方面,通过改变不同的翻转角度实现SPACEsampling perfection with appli­cation optimized contrasts by using different flip an­gle evolutions)技术,可实现黑血效应,清晰示血管壁和血管腔内的情况。

血流动力学成像方面,快速成像技术的应用可解决扫描时间过长的问题,在高梯度磁场系统应用K空间填充梯度回波平面成像序列的实时PC-MR法(real-time PC-MR)可明显缩短扫描时间,成像可不需心电门控技术。设计特殊序列可在一个心动周期内根据血流速度值自动改变速度编码值,提高舒张期的图像信噪比,为动脉血流动力学方面的应用奠定基础。

1.颈动脉磁共振成像  需高分辨MRI及专用颈动脉相控阵表面线圈。同时完成双侧颈动脉成像,涵盖颈动脉分叉上下4cm长度,体素达到0.25mm╳0.25mm╳2.0mm。能区別不同的软组织影,获得动脉横断面和3D立体成像,针对颈动脉粥样斑块常含有复杂成分,采用多序列对比不同的信号特点来确定不同成分,其中斑块内脂质核、纤维组织、钙化以及出血均可以通过平扫PDWI, TIWI,T2WI以及TOF像的信号特点来对比确定。离体的动脉硬化标本MRI成像,对脂质坏死核心、出血和钙化的敏感性和特异性达84%-100%。同时应用顺磁性对比剂(Gd-DTPA)增加不同组织之间的对比,使平扫不易确定的斑块成分如纤维帽、新生血管区明确显示,有助于确定其稳定性。CEMRI对斑块肩部新生血管诊断的敏感性76%,特异性79%。平扫MR直接血栓成像方法(MRDTI)可以显示卒中患者颈动脉血栓。有研究发现USPIOs可以 增强动脉血栓MR信号。近期文献报道采用一种亲纤维素的钆增强剂EP-1242可以选择性地增强颈动脉血栓的信号。靶向性增强剂的引入为MRI深入分析斑块成分提供了新依据。

动脉硬化易损斑块的结构特点是:大的脂质坏死核心,面积>1.Omm2,占斑块而积的25%以上;纤维帽较薄,厚度<72±15µm,纤维帽内有大量的炎细胞浸润,平滑肌细胞成分较少;形成薄弱的肩部;斑块的肩部及基底部有较多新生的微血管。

2.磁共振检测血管剪切力  动脉粥样硬化常发生血管分叉或弯曲部位,被认为与局部的血流动力学因素有关。血流动力学指标包括血流速度、流动形式、血管壁的张应力、剪切力等。目前认为剪切力与动脉粥样硬化的发生、发展关系最为密切,研究多集中在剪切力方面。剪切力是血流与血管壁之间的摩擦力。磁共振检查以其无创伤性、无放射性,以及良好的组织分辨率和可重复性,在剪切力的计算中发挥重要作用。

(1)磁共振检测剪切力的基本原理:流体力学中用τw表示壁剪切力,单位为Pa(或dyne/cm2)。血管壁剪切力矢量的方向是由邻近血管壁血流速度矢量方向决定的,大小可通过壁剪切率与局部液黏度的乘积计算。剪切率是在相邻两个流体层之间流体移动的相对速率,壁剪切率用γw表 示,单位为S-1。血管壁剪切力的基本公式如公式所示:

τw=ηγw

利用磁共振技术检测剪切力需要血管结构及血流速度。磁共振成像(MRI)可以示血管的结构。而相位对比(PC血流定量测量利用速度-相位这一固有关系,即在双极梯度场方向自旋质子获得的相位移位与自旋质子的速度成比例。PC-MR的像素强度代表的是相位差和相位移位,故信号强度和血流速度成比例。磁共振成像与PC血流速度的测量,为在体计算剪切力提供了可能。

(2)不同计算方法检测剪切力的评价:由于在体血流状态十分复杂,在休计算WSS尚处在研究阶段,根据数学模型的不同,有多种计算方法有。简单线性法,在血管半径方向上获取靠近管壁的2-3个像素点的速度值,用简单直线或抛物线性拟合速度分布,求出速度梯度作为管壁剪切率。简单公式法,假设管为圆形刚性直管,血流形态为完全发展的层流状态,通过泊肃叶公式计算平均血管壁剪切力。这些方法或者由于计算误差大,或者由于不符合实际,临床意义较少。而维抛物面模型拟合方法和计算流体力学的方法,由于接近了实际状态,发展潜力较大。

1)三维抛物面模型拟合方法:三维抛物面模型拟合方法能够反映血管壁剪切力的空间分布和时间变化。方法:虽然维抛物线拟合的方法复杂,但较计算流体力学简单,获取的数据较为准确。根据离体试验与在体试验之间的比较,利用三维抛物面的方法计算管壁剪切力,误差小于7%。 但只适用于圆形或椭圆形血管,在动脉分叉、血管弯曲处等,应用受到限制。

2)计算流体力学(CFD)方法:医学成像技术的分辨率和质量有了显著提高,计算机辅助像分析技术取得了长足进步,现在重建个体特异性的血管模型用于CFD分析已经成为可能。这种方法的原理是从个体血管的MR1图像中重建真实的几何模型,采用经PC测得入口流速度(也可根据情况选颅多普勒获取颈部血管的速度波形)。通过复杂的计算公式,对动脉流场方式,血管壁剪切力分布,以及二次流进行了分析。

计算流体力学通常采用个体特异性的几何结构及个体化的生理参数,使真实反应复杂血管形态的剪切力大小成为可能,也是今后发展的方向之一。但是,由于几何形态的细微改变就可以显著影响血流场,那么对个体真实的血管结构同血流动力学参数直接进行比较研究就显得尤为重要,目前这种方法的准确性还有待进一步评估。血管重建到计算模拟需要涉及医学影像、流体力学、计算理论等多学科知识,目前尚不容易被临床人员掌握,用计算时耗时较长,不易推广。在计算过程中,把血管壁视为刚性血管,而血管壁的顺应性对血流动力学有影响,数值模拟时将血流同弹性管相耦合可能更加准确。

3.在体计算剪切力的临床意义  剪切力是动脉粥样硬化的重要因素。计算剪切力,有可能预测动脉粥样硬化发生的部位及动脉粥样硬化斑块的性质。

判断动脉粥样硬化的形成部位:目前的学说多支持低剪切力或剪切力震荡学说,在低剪切力条件下,有利于血管壁对氧化低密度脂蛋白的摄取,特别是在血流不均一条件下,剪切力的大小与血管平滑肌的细胞的密度呈反比。因此普遍认为,低剪应力和震荡剪切力是动脉疾病最危险的血流动力学因素,而高剪切力的区域相对不宜发生动脉粥样斑块。

判断动脉粥样硬化性斑块的性质:血流动力学对斑块性质的影响研究较少,Cardine Cheng等模拟颈动脉,尽管低的剪切力及震荡的剪切力都能导致斑块的成。但是低的剪切力诱导出斑块含脂质成分较多,更易形成易损斑块,而震荡的剪切力诱导出的斑块含纤维化物质成人较多,更易形成稳定斑块。另外,对单个的病例研究发现,斑块破裂发生在剪切力高的部位, 提示机械性刺激促进斑块破裂。斑块破裂与高剪切力有着密切的关系,斑块溃疡发生在血管狭窄的上游,随着血管狭窄的严重程度的增加, 斑块溃疡发生的比例也在增加,虽然局部低剪切力有利于动脉粥样斑块的形成,但随着斑块的进展,局部剪切力也逐渐增加,狭窄前端过高的剪切力使血小板源性长长因子减少,血管平滑肌细胞蛋内合成受到抑制,细胞凋亡增加,斑块易于破裂。

预防药物的研发:动脉粥样硬化的启动和发展与剪切力有关,研究在体剪切力的变化,有助于深入理解内皮细胞对低剪切力或波动性剪切力的反应。有助于开发出新型的药物阻断或延缓粥样硬化的发生发展。在动脉狭窄支架术后,局部剪切力发生一系列变化,研究剪切力与斑块再发之间的关系,有助于理解再狭窄的原,为设计更好的支架以及更好的药物预防提供依据。

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