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1、2023神经血管影像技术在脑血管病中的应用进展（全文）【摘要】目前越来越多新的、开创性的影像学技术用于脑血管病的临床 诊治，如多时相CTA （ mCTA 能谱CT成像、MR血管成像（MRA ） 高分辨血管壁成像（HR-VWI 基于MRI的静脉成像及人工智能（AI） 技术等。随着超高场强（7.0 T ） MR的应用,满足了超高分辨率成像的需 求，为颅内微小血管的成像带来了突破性的进展。本文就最新的脑血管（动、 静脉）的成像技术及其研究进展予以总结和评析，以期为脑血管病的防治 提供更多帮助。【关键词】神经血管影像；能谱CT ;高分辨血管壁成像；磁敏感加权成 像；人工智能脑血管病是造成全世界人类死亡
2、和致残的主要原因1 o目前急剧增高的脑 血管病发病率已成为我国面临的一项重大卫生健康问题2。随着人们生活 习惯的改变，社会压力的增加，脑血管病的发病年龄趋于年轻化。因此, 利用无创的影像学方法进行头颈部血管成像和评估对脑血管病的早期防 治有重要作用。目前，常用于临床的无创成像方法主要为CT血管成像 （CT angiography, CTA MR 血管成像（MR angiography, MRA ）和 高分辨血管壁成像（high-resolution vessel wall imaging, HR-VWI）等 技术，而基于MRI的静脉成像及人工智能（artificial intelligence
3、 ,AI） 技术也在逐步发展。近年来，超高强（7.0 T ） MRI技术从基础研究逐渐 同时，AI存在黑匣子的特征，AI模型决策过程的可解释性存在缺失，无 法提供给临床医生和病人可以理解的决策过程，这种固有特征的存在也限 制了 AI在临床中的应用。总之，未来更需要的是利用AI辅助临床，而 不是AI决定临床。6总结与展望随着CT和MRI新技术的不断涌现，尤其是7.0T MRI应用于临床，神 经血管影像的研究取得了长足进步，限于文章篇幅，有很多优秀的研究在 此未能一列举。新的血管成像技术的应用也为脑血管病的诊断与危险分 层提供了循证医学的依据；而快速的血管成像技术、毫米级别的微小血管 的成像方法及
4、自动分割并提供初步诊断意见的软件开发是脑血管病诊断 领域发展的主流方向。此外，多模态、多参数的联合成像，并对多个设备 成像结果进行统一诊断，从而实现影像信息的互补、完善与统一，这也是 未来大影像趋势。相信通过中国医学影像人的不懈努力，充分利用好宝贵的影像数据，进行 大数据、医工交叉等方向的研究，开发出具有独立知识产权的软件和成像 技术，让中国的软件和成像技术走到世界舞台的中央，在脑血管病影像领 域发出自己的声音。向临床应用过渡，其稳定的超高场强带来的超高信噪比(signal to noise, SNR )使影像具备更高的空间分辨力和对比度，对微小血管的检查能力显 著高于常规的3.0TMRI3o
5、本文对最新神经血管影像领域的技术革新予 以评析，并展望未来的发展前景，以期对脑血管疾病的诊疗和防治提供帮 助。1、CTA在脑血管病中的应用CTA是评估急性缺血性脑卒中(acute ischemic stroke, AIS )等头颈血 管相关病变的重要方法，随着技术设备的不断更新，CT扫描速度明显提 高，能够通过一次扫描获得病人更多的信息。其中，多时相CTA (multiphase CTA, mCTA )能够在外周静脉团注对比剂后采集动脉峰值 期、静脉峰值期及静脉晚期3个时相的影像，依据脑血液循环时间设置 各期采集时间间隔为816s4omCTA是一种具有时间分辨力的颅内血 管成像技术，广泛用于评
6、估AIS病人的侧支循环，对预测病人的预后具 有重要的意义。mCTA可以通过后处理软件获得各个时相的最大密度投影(maxium intensity projection, MIP )影像并生成不同颜色的汇总图,从而反映血管中对比剂强化的时间和程度，获得病人颅内动脉血流动力学及软脑膜代偿的完整信息，有利于临床医生直观地观察AIS病人的侧支 代偿情况。2021年韩等5利用mCTA评估卢页内动脉闭塞病人的低灌注 区容积和侧支循环的关系，结果发现，相比中动脉闭塞，颈内动脉闭塞表 现为更大的低灌注缺损且侧支循环更差。mCTA还可以用于鉴别大动脉狭 窄的成因，当动脉出现多节段狭窄时，提示心源性栓塞的可能，有
7、助于排 除动脉粥样硬化狭窄，便于治疗方案的选择6。能谱CT这一新的评估脑血管功能CT成像方法可以实现40140 keV 的瞬时切换，能够从同一幅影像中获得101幅不同能量的影像，通过选 择最佳能量的影像，可以更加清晰地显示临床上需要观察的解剖结构和病 变，并有效降低辐射剂量和对比剂摄入量刀。能谱CT的应用有助于克 服传统CTA成像过程中所遇到的壁垒，可减少支架对血管管腔狭窄程度 判断的影响。Chen等的研究表明，采用能谱CT可重建出虚拟平扫 影像，然后通过减影可去除支架的影响，从而准确识别支架内管腔的形态, 评估是否出现支架内再狭窄。止矽卜，传统CT成像仅能获得以血管形态为 主的影像信息，而能
8、谱CT还能够对血管壁斑块进行分析。由于斑块组织 成分具有多样性，能谱CT通过获得斑块的能谱曲线，可以对斑块进行全 面的综合分析，有效评估斑块组织成分、斑块形状、血管整体形态以及血 管狭窄程度等。2022年Li等8比较了能谱CTA对斑块的分析结果和 组织病理学结果，发现能谱CTA在判定非钙化动脉斑块成分方面具有重 要价值，尤其对于脂质成分的识别具有很高的敏感性、特异性和准确性； 但其对纤维和疏松结缔组织的鉴别诊断价值有限，对不同时期出血成分的 鉴别也还需要进一步的研究。未来可以进一步利用能谱CTA识别高危斑 块，从而推动能谱CTA在脑血管病领域的广泛应用。2、MRA在脑血管病中的应用 时间飞跃法
9、 MR 血管成像(time of flight MR angiography,TOF-MRA ) 是目前最常用的非对比增强MRA技术。其最大的优势为利用血液的流动 增强效应成像，无需使用对比剂，对于诊断血管狭窄的敏感性和特异性均 很高，但成像效果略逊于CTA。这是因为TOF-MRA技术容易受到血液 流动状态的影响，当血流速度加快、减慢或呈湍流的时候都会出现相应的 伪影，且有夸大血管狭窄程度的现象9。随着7.0 T MRI应用于临床， TOF-MRA的影像信噪比明显提高，可以观察到常规3.0 T MRI无法显 示的豆纹动脉，从而通过测量豆纹动脉的曲率、长度、曲折度等对微小血 管进行定量分析。Ka
10、ng等10利用7 T TOF-MRA技术发现高血压病人 豆纹动脉的主干和远端分支数量明显减少，这一发现为高血压病人的健康 管理提供了新方向。在对烟雾病等血管畸形类病人的评估中，7.0 T TOF-MRA技术可以发现其中更多的新生毛细血管以及容易忽视的微小 动脉瘤；当病人出现较多的微小动脉瘤时，应进行积极手术治疗11。除了对血管形态的分析和评估，相位对比MRA( phase contrast MRA , PC-MRA )技术可以进一步评估血流速度。PC-MRA是在TOF-MRA技 术基础上，加上一个流动编码梯度，通过对流速编码梯度场的调整来观察 流动质子的相位变化，从而检测出流动质子的流动方向、
11、流速和流量12。 目前，PC-MRA技术也已经实现了 7.0 T MR成像。2022年，Sun等 13采用TOF-MRA和PC-MRA相结合的成像方法，评估了常染色体显 性遗传性脑动脉病(cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy , CADASIL )病人颅内 豆纹动脉的形态和血流动力学改变，发现豆纹动脉的血流速度、数量和病 情密切相关，其中流速的减慢和数量的减少是CADASIL病人执行功能障 碍的危险因素。除了常规的TOF-MRA和PC-MRA方法，也有
12、动物实验研究14采用 MRI引导下纳米探针技术对AIS动物模型的侧支循环进行了可视化评 估。另外，动脉自旋标记(arterial spin labeling, ASL )灌注成像技术目 前也已常规用于临床。ASL无需注射对比剂,而是通过射频脉冲标记内源 性氢质子完成MR灌注成像，既往大部分研究利用该技术评估病人颅脑 的灌注情况15-16。近年来，ASL技术也已逐步用于脑血管的评估，主 要反映脑血流动力学的特征，可通过采集多个标记点的影像动态显示血管, 反映血液逐渐流入组织的过程,从而获得动态血管成像17-18。 ASL-MRA不仅可以提供时间维度的信息，还避免了因血流速度和湍流因 素对血管狭窄
13、程度的误判。Hadizadeh等19将ASL-MRA序列应用在 动静脉畸形(arteriovenous malformation , AVM )的评估中,评估病 人的脑血流动态流动方式，生成了类数字减影血管造影(DSA )影像，给 颅内血管成像提供了时间维度的信息。Shao等20利用7 T ASL- MRA 技术评估了 AVM病人颅内动态血流特征,结果发现了常规1.5 T 和3.0TMRA未能发现的最终引流静脉。3、HR-VWI在脑血管病中的应用HR-VWI是一种能够无创显示管腔及管壁病变的MRI技术，不仅可以弥 补传统成像对管腔显示的不足，还因具有较高的软组织分辨力，对斑块的 显示也明显优于
14、超声、CT等检查21。2019年脑血管病影像规范化应 用中国指南正式发布，在缺血性脑血管疾病的一级预防和二级预防中明 确提到HR-VWI技术的应用价值22。由于TOF-MRA对慢血流有饱和 效应，导致小动脉成像受到影响，通常不能很好地显示，而利用HR-VWI 技术可精确观察颅内穿支动脉的形态。Zhang等23发现3.0 T HR- VWI 序列对豆纹动脉的显示，尤其对起始段和近段血管的显示与7.0 T TOF-MRA的基本一致;Ma等24研究发现,无论是常规3.0 T ,还是 7.0T的HR- VWI成像，健康人群豆纹动脉的数量和长度均随着年龄的 增加而减少。在对血管管壁的评估方面,3.0 T
15、 HR-VWI已经广泛应用于颈部血管及颅内大动脉的一级分支，本文不再赘述。而7.0 T的HR-VWI能在亚毫米级水平上评估颅内微小血管，如显示豆纹动脉、穿支动脉及颅内主干动脉 的远端分支，对这些微小穿支动脉的评估更加有助于探索疾病的发病机制 和预后信息。Kong等25利用7.0 T HR-VWI观察豆纹动脉的开口，将 豆纹动脉划分为上壁、下壁、腹侧及背侧共4个部位，上壁若存在斑块 并恰好位于豆纹动脉开口处，即使斑块很小也没有引起动脉狭窄，但依然 可造成穿支动脉的病变，这也可能是基底节区的腔隙梗死的发病病因之一。在烟雾病的评估中,Funaki等26利用7.0 T HR-VWI观察烟雾病病人 的豆
16、纹血管的吻合支,并进行了亚型分型，从而对烟雾病病人进行危险分 层。Xu等27也利用了超高场强HR-VWI对烟雾病和动脉粥样硬化等脑 血管病进行鉴别，并进一步通过豆纹动脉或者吻合支的评估预测病人的预 后。这些研究均在超高场下采用HR-VWI观察豆纹动脉，对脑血管病的 致病机制、临床分型及预后评估均有重要意义。在3.0 T和7.0 T的HR-VWI对比研究中，Harteveld等28发现两 者对血管壁上较大病灶的发现基本一致，但是在增强7.0 T HR-VWI上会 发现更多管壁强化的病灶，对整体的颅内动脉粥样硬化负荷的评估更加敏 感。综上，超高场的HR-VWI成像具有明显优势，但是较长的扫描时间
17、使其应用受限，尤其是对于存在慢性病变的病人，故在保证较高分辨力的 同时，提高扫描速度是未来的发展方向之一。vanderKolk等29改进了 7.0 T HR-VWI技术,尽管损失了部分影像分辨率，但提高了血管壁的对 比度和诊断敏感度，这也是未来7.0T技术的发展方向之一。4、静脉成像在脑血管病中的应用大动脉粥样硬化是我国人群卒中的主要原因，因此大多数研究将动脉血管 的显示和评估列为首位。而静脉系统是脑内循环不可或缺的一部分，占脑 血容量的70%80%，参与调节卢页内压和脑脊液循环，对维持血脑屏障的 完整性有重要作用。卢页内的静脉系统根据其解剖和生理特点，分为硬脑膜 静脉窦、浅静脉和深静脉30-
18、31。CT 静脉成像(computed tomography venography, CTV)是目前评估 颅内静脉血管的主要方法，但存在一定的局限性，如需要专门的技术人员 进行影像后处理才能提取静脉影像，尽管有成熟的软件支持，但是对微小 静脉的显示欠佳；其次，卢页内静脉成像的最佳时间点受操作人员的经验影 响，也受到病人个体差异的影响，因此限制了临床对颅内较小的浅静脉和 深静脉的评估。目前临床上用于颅内静脉显示的MRI技术包括常规MR静脉成像(MR venography, MRV )和磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging , SWI),其中，SWI是一种
19、利用不同物质之间磁敏感性提供增 强对比的无创快速MRI技术29。静脉血中的脱氧血红蛋白会引起磁场 的不均匀性，这种磁敏感性之间的差异使SWI在显示脑内小静脉上具有 无可比拟的优势，所以SWI序列起初也被称为高分辨血氧水平依赖MR静脉血管成像。3.0 T场强下SWI序列对静脉的评估方法局限在半定量评分层面，例如张等33采用SWI评价了不对称皮质静脉征 (asymmetrical cortical vein sign , ACVS )和不对称髓质静脉征 (asymmetrical medullary vein sign , AMVS )与 AIS 长期临床预后 的关联;Zhang等34利用SWI序
20、列重建得出的相位图将脑室周围层 面划分为6个区域，在5个连续层面计算深部髓质静脉(deep medullary vein ,DMV )总得分 评估DMV与脑小血管病(cere原bral small vessel disease, CSVD )负荷之间的关联。在更进一步的研究中， Zhang等35利用SWI序列提出了梗死同侧静脉充盈缺损的概念，认为 其代表梗死侧目标静脉的引流不畅，有此征象的病人预示急性梗死后脑水 肿持续进展,且预后会较差。当采用7.0 T场强行SWI扫描时，影像质 量得到显著改善，对静脉的评估可从常规半定量评定提高到定量评估。Kuijf等36在2016年利用了 7.0 T MR
21、I技术对DMV进行自动分割 并定量评估DMV的数量；Shaaban等37在2017年对CSVD病人 脑室周围的静脉的曲度和长度进行了定量分析。这些研究预示，SWI序列 上的静脉成像可以成为脑卒中管理和预防中一个新的影像学标记。5、AI在脑血管成像中的应用鉴于脑血管走行复杂、CT成像有辐射危害，而MRI有复杂和特殊性, 因此快速低剂量的血管成像、准确分割目标血管是今后临床实践中脑血管 成像的目标，也是对脑血管病变进行诊断的前提条件。目前AI在脑血管 病方面的研究日趋深入和广泛，如Lareyre等38利用深度学习（deeplearning ,DL ）方法建立一个具有较高准确性的自动分割动脉血管的程序;Wang等39利用DL方法自动提取AIS病人侧支循环的信息，快速自动分割病人侧支血管为临床筛选再灌注治疗病人提供依据；Duan等40 采用一种复值卷积神经网络从K空间重建了高质量的SWI序列影像, 允许加速采集的SWI影像质量与全采样SWI影像具有相同的诊断效能, 从而为后续提高成像速度打下理论基础。当今脑血管影像AI发展也面临诸多挑战，如模型的建立依赖大量数据的 训练，很多研究仅仅基于单一数据来源，存在数据偏移和分布不均等问题；