颅内动脉粥样硬化性狭窄患者脑结构、血流及功能变化的多模态磁共振成像研究

发布时间：2020-07-20 14:56

【摘要】：第一部分探究序列与线圈对脑结构形态学分析测量-重测稳定性的影响目的致力于对磁化准备快速梯度回波(MPRAGE)序列、多回波磁化准备快速梯度回波(MEMPRAGE)序列及磁化准备双快速梯度回波序列(MP2RAGE)三种T1加权结构像序列之间扫描及脑结构分割的可靠性进行分析与比较,同时分别针对总脑结构、总皮层结构、总皮层下结构及任一脑区结构查证三者对比的结果规律是否均保持一致。同时探究射频线圈是否对图像扫描及分割稳定性产生影响。既往研究中,对这三种序列的扫描与分割可靠性比较一直未能得到统一的结论,同时,本实验也是在所有研究中首次将三种序列一起比较,实验有一定的意义与创新性。以及可以对我们之后实验中,进行颅内动脉粥样硬化疾病患者颅内脑体积结构变化的扫描与分析时,所用的序列与线圈的选择进行指导。材料与方法实验前瞻性招募了 24位健康志愿者进行脑结构像扫描,扫描采用的序列为:MPRAGE序列、MEMPRAGE序列及MP2RAGE序列及两种线圈为:20通道头颈线圈及32通道头线圈。完成每个线圈条件下每个序列的扫描后立即进行重复扫描,两次扫描所得的图像分析后用以评估及计算扫描的可重复性。实验一共获得了如下六种组合实验条件:MPRAGE序列-20通道线圈组合,MPRAGE序列-32通道线圈组合,MEMPRAGE序列-20通道线圈组合,MEMPRAGE序列-32通道线圈组合,MP2RAGE序列-20通道线圈组合以及MP2RAGE序列-32通道线圈组合。六种不同组合按不同的先后顺序进行扫描,24个患者被随机分配到不同的扫描顺序。其后以MorphoBox及FreeSurfer两种不同脑结构分割方法分割脑区并得到不同脑区体积。利用两次扫描分割结果计算测试-重测变异度TRV值,高的TRV值意味着低的可靠性。基于不同脑区对比六种不同扫描条件的可靠性并计算统计学差异。同时将所有脑区TRV值放在一起以及根据脑区位置将皮层区域和皮层下区域脑区的TRV值放在一起,分别比较总体情况下六种不同扫描条件的可靠性。结果首先无论利用哪种软件分析,所有组合条件下所有脑区TRV值均不超过16.46%。其次通过MorphoBox分割算法分析结果显示,对于全脑总结构,MEMPRAGE序列-32通道线圈组合的TRV值在数值上比其他组较小,以及无论是在20通道线圈还是32通道线圈条件下,MEMPRAGE序列的TRV值均低于MPRAGE及MP2RAGE序列。对于总皮层下结构,在数值上MP2RAGE序列-32通道线圈组合这一扫描条件的TRV值最小,并且同样的是,无论是20通道线圈还是32通道线圈条件下,MP2RAGE序列的TRV值均低于另外两种序列。与此同时,无论是对于总脑结构还是总皮层下结构,无论与MPRAGE、MEMPRAGE及MP2RAGE三种序列中任意一种联合扫描,32通道线圈的TRV值均比20通道线圈的TRV值要较小。通过FreeSurfer软件分析结果与MorphoBox分析结果相似,并且各扫描条件下TRV值差异更显著。此外根据FreeSurfer皮层分割结果,对于总皮层结构,无论是对于体积还是厚度数据均得到MEMPRAGE-32通、MPRAGE-32通、MEMPRAGE-20通三种组合的TRV值均小于MP2RAGE-32通、MPRAGE-20通及MP2RAGE-20通三种组合,且各组之间差异显著。与此同时对于两种分析方法分割出的单个脑区,也符合对于皮层脑区,MEMPRAGE序列最稳定,对于皮层下脑区,MP2RAGE序列最稳定的规律;但对于32通道线圈与20通道线圈相比较,未发现明确规律。结论所有序列与线圈组合的扫描可靠性均较好。对于总脑结构及总皮层脑结构,MEMPRAGE序列的扫描及分割可靠性要优于MPRAGE及MP2RAGE序列。但对于皮层下区域,是MP2RAGE序列的扫描及分割可靠性,要略强于其他两个序列。32通道线圈与20通道线圈的可靠性相比较,规律不十分明显,但从总体来讲,32通道线圈扫描可靠性优于20通道线圈。第二部分单侧大脑中动脉重度狭窄或闭塞患者脑结构与血流变化及二者相关性分析目的对单侧大脑中动脉粥样硬化性重度狭窄或闭塞的患者脑体积变化进行探究,同时利用多回波时间ASL(mTI-ASL)技术,对该类患者的脑灌注水平进行测量。并探究脑体积变化与脑血流灌注变化之间是否有相关关系,脑灌注水平状态是否可能是患者脑体积变化的一个影响因素。本实验创新点主要如下,先前研究中对颅外动脉狭窄患者脑体积变化研究较多,但较少有研究集中于颅内动脉粥样硬化性狭窄患者的脑体积变化。此外先前虽然有研究针对颅内动脉狭窄患者脑灌注变化的研究,但本研究利用了与以往研究中不同的mTI-ASL磁共振技术,该技术不仅可以提供脑血流量数据也可以提供血流到达时间数据,能够更好地了解患者脑灌注信息。材料与方法研究者前瞻性连续纳入单侧大脑中动脉(MCA)粥样硬化性重度狭窄(70%)或闭塞的患者以及年龄、受教育年限相匹配的健康志愿者。并通过患者病史及影像信息将其分为无症状组及TIA症状组两组。利用3D T1加权的多回波磁化准备快速梯度回波序列(MEMPRAGE)进行脑结构成像,并利用基于脑区的形态学测量分析方法MorphoBox算法对受试者进行脑区分割与体积评估。同时利用多反转时间动脉自旋标记成像序列(mTI-ASL)对受试者进行扫描,并通过ROI勾画得到所有受试者双侧脑半球大脑中动脉流经区域内脑血流量CBF值及血流到达时间BAT值。在所有患者中,以其狭窄侧的脑区的绝对体积除以非狭窄侧脑区的绝对体积得到双侧比值(Rvolume)(健康对照者组以左侧除以右侧)。与此同样,在患者组中将病变侧的CBF值除以非病变侧的CBF值得到比值(RCBF)(健康对照者组以左侧除以右侧);并以病变侧BAT值减去非病变侧BAT值计算两侧BAT差值(DBAT)(健康对照者组以左侧减右侧)。进而对于得到的将两组患者组及对照组三组的Rvolume、RCBF、及DBAT值进行单因素ANOVA检验比较三组之间的差异。同时将受试者各脑区的Rvolueme与RCBF、及DBT值进行Pearson相关分析得到其相关关系。结果研究最终纳入38名符合入组标准的单侧大脑中动脉粥样硬化性重度狭窄或闭塞的患者进行分析。分组后无症状组患者15人,TIA症状组23人。同时入组健康志愿者30人。三组之间年龄、性别及高血压状况等基本人口及病史信息均无统计学差异;同时者脑内腔梗灶及脑白质高信号评分之间也并未发现统计学差异;无症状组与健康对照组之间Rvolume值无统计学差异,但TIA症状组相较于其他两组受试者,其狭窄侧额叶灰质、颞叶灰质、顶叶白质、颞叶白质、丘脑、壳核、深部脑白质几个脑区RVolume值显著降低。无症状组患者相对于健康对照组,RCBF降低,DBAT更大,而TIA症状组比无症状组患者相比,RCBF降低,DBAT也更大,差异具有统计学意义。此外,研究者在额叶灰质、顶叶白质、壳核及深部脑白质脑区观察到Rvolume与RCHF及DAT之间的相关性。Rvolume与RCBF呈显著正相关,与DBAT呈显著负相关。结论无症状患者狭窄侧与健康对照组相比脑血流灌注量显著下降,血流到达时间延长。而症状型患者狭窄侧与无症状患者和健康对照组相比,脑血流量下降更为明显,血流到达时间延长更为明显。症状型患者与另两组受试者相比,在大脑中动脉供血区内的几个脑区内体积显著降低。而无症状患者与健康对照者之间体积不存在显著差异。相关分析结果显示血流量的降低和血流到达时间的延长与脑体积变化之间具有相关关系,血流量的下降可能加速了体积的减小。第三部分关于无症状型动脉粥样硬化性大脑中动脉重度狭窄或闭塞患者认知与脑功能网络连接状态的研究目的旨在对于无症状性大脑中动脉粥样硬化性重度狭窄或闭塞的患者的脑认知和功能变化进行实验和分析。探究单独的无症状的大脑中动脉狭窄患者与常人相比,是否会有人脑认知功能的下降,以及人脑功能活动连接性的下降。以往研究中尚未有研究对此类型患者的认知与脑功能进行探讨,实验具有创新性和实际意义。材料与方法研究者前瞻性连续纳入先前无特异性症状的,偶然发现的大脑中动脉(MCA)粥样硬化性重度狭窄或闭塞患者(即重度狭窄(70%)或闭塞)以及年龄、受教育年限相匹配的健康志愿者。利用简易精神状态检查表(MMSE)以及蒙特利尔认知评估表(MOCA)及其他专项评估测验等神经心理学评估方法评估患者及对照者认知及记忆等功能状况,同时利用患者组的测试结果转化为Z分数,用于进一步与所得血流状况进行相关分析。利用静息态功能成像核磁共振(rs-fMRI)获得患者及对照者静息态脑功能信息。并基于Matlab及Python平台进行分析,获得全脑各脑区功能连接的变化情况,并通过基于图论的分析方法,获得四个连通性参数,强度,聚类系数,全局效率和特征路径长度。利用3D T1加权的多回波磁化准备快速梯度回波序列(MEMPRAGE)进行脑结构成像,并利用基于体素的形态学测量(VBM)分析方法进行患者组及对照组脑灰质体积评估。同时利用多反转时间动脉自旋标记成像序列(mTI-ASL)对受试者进行扫描,并通过ROI勾画得到所有受试者双侧脑半球大脑中动脉流经区域内脑血流量CBF值及血流到达时间BAT值。并对患者组及健康对照组的神经心理学评分、脑功能连接及脑灰质体积和血流灌注情况进行统计学分析。结果研究最终纳入了 14名符合入组标准的患者20名年健康志愿者进行分析。患者组与健康志愿者组之间年龄、性别及高血压状况等基本人口及病史信息均无统计学差异;同时两组受试者脑内腔梗灶及脑白质高信号评分及等级状况之间也并未发现统计学差异;神经心理学测试的各项评分在两组之间,也均未发现统计学差异。而基于体素的形态学分析结果也发现,两组之间脑灰质体积不存在显著差异。血流分析发现患者组病变侧CBF值较非病变侧显著降低,且BAT值也较对侧显著延长。对于静息态fMRI图像的分析结果显示,MCA重度狭窄或闭塞患者的全脑功能连接降低。皮质区域之间的功能连接性显着降低,皮质和皮层下核团之间的连接趋于减少。在额叶、颞叶和顶叶表现的最为明显,这与大脑中动脉的血液供应区域一致。基于图论理论分析的四个连通性参数(强度,聚类系数,全局效率和特征路径长度)与正常对照相比在10个不同阈值下显示出显著差异。强度,整体效率和聚类系数显着降低(P0.05),特征路径长度显着增加(P0.05)。结论本实验结果得到无症状大脑中动脉粥样硬化性重度狭窄或闭塞患者,与健康对照者相比,狭窄侧脑灰质体积未发生明显变化,认知功能与健康对照之间也未发生明显降低,可能提示对于此类患者不适宜于进行过于激进的侵入性治疗。但是病变侧脑灌注有所降低,同时在静息态fMRI脑功能分析时,也发现全脑连接性广泛降低,脑功能网络整合效率较低,连通性差,更隔离。由此可得,此类患者与颈内动脉重度狭窄或闭塞患者不同,认知功能未见明显下降;但脑功能连接降低,可能是此类患者脑内早期改变的信号。
【学位授予单位】：北京协和医学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R445.2;R743
【图文】：

散点图,血流量,到达时间,血流

两两均有显著差异。与此同样的是，三组的Ｒｃｂｐ及三组的Ｄｂａｔ之间也存在统计学逡逑差异，Ｐ〈０．邋００１，且事后检验得到，三组间两两比较均存在显著差异。以上数据逡逑及统计学检验结果见表４。此外，图３示三组患者Ｒｃｓｒ与Ｄｍｔ数据的散点图显示，逡逑可以看出三组之间血流量和血流到达时间的差距。无症状组患者相对与健康对照逡逑组，病变侧血流量低，血流到达时间长，而ＴＩＡ症状组与无症状组患者相比，病逡逑变侧血流量更低，到达时间也更长。逡逑４７逡逑

脑血流量,灰质,额叶,相关关系

与深部脑白质（相关系数ｒ＝－０．６４０，邋Ｐ值＜０．００１）呈中度负相关关系。各体积有逡逑减小的脑区的ＲＴＯｌｌＴＯ与Ｒｃ＾Ｄｈａｔ的相关系数和Ｐ值列于表５。在有相关关系的脑区，逡逑义。１＿与Ｒｏｔ的相关关系图不见图４ａ，Ｒｖ（）ｌｕＭｅ与ＤｂａＴ的相关关系图本见图４ｂ。逡逑脑区逦＜邋ｌ邋＼邋Ｐ值邋ｆ邋＾逦Ｐ值逡逑（ＲｖｄＩｕｍ邋与邋ＲｃＢＦ）逦（邋Ｒｒｏｌｕｍｅ邋与邋ＤｂＡＴ邋）逡逑额叶灰质（ｆｒｏｎｔａｌ邋ｌｏｂｅ邋ＧＭ）逦０．邋３８９逦０．邋００６＊逦－0．邋５１１逦〈０．邋００１＊逡逑颞叶灰质（ｔｅｍｐｏｒａｌ逦ｌｏｂｅ逦ＧＭ）逦０．逦０３０逦０．邋８３６逦０．逦１９７逦０．１７１逡逑顶叶白质（ｐａｒｉｅｔａｌ逦ｌｏｂｅ逦ＷＭ）逦０．逦２９８逦０．邋０３８＊逦－0．逦４９７逦０．邋００１＊逡逑颜叶白质（ｔｅｍｐｏｒａｌ逦ｌｏｂｅ逦ＷＭ）逦０．逦０８６逦０．邋５５９逦－０．逦０５６逦０．邋６９７逡逑丘脑（ｔｈａｌａｍｕｓ）逦０．１５６逦０．２８６逦－0．逦１１３逦０．４３６逡逑壳核（ｐｕｔａｍｅｎ）逦０．６１１逦＜０．００１＊逦－０．７４７逦〈０．００１＊逡逑深部脑白质（Ｄｅ印邋ＷＭ）逦０．５１７逦＜０．邋００１＊逦－0．邋６４０逦〈０．邋００１＊逡逑表５．脑体积变化ＯＵ＾ｅ）与脑血流灌注变化（ＲｃＢＰ、Ｄｗ）之间相关分析的结果。逡逑狭窄侧即病变侧的脑区的绝对体积除以非狭窄侧即非病变侧脑区的绝对体逡逑积

到达时间,半球,脑血流,壳核

图４ｂ．脑体积变化（Ｒｒａｌ＿）与脑血流灌注到达时间变化（Ｄｂａｔ）在Ａ．额叶灰质，逡逑Ｂ．顶叶白质，Ｃ？壳核，及Ｄ？深部脑白质的相关关系图示。ＲＶ（）ｌｕｍｅ：狭窄侧即病变逡逑侧的脑区的绝对体积除以非狭窄侧即非病变侧脑区的绝对体积，或健康对照者中，逡逑则以其左侧半球各脑区脑体积除以右侧半球各脑区脑体积得到双侧比值。Ｄｂａｔ：逡逑患者组中以病变侧ＢＡＴ值减去非病变侧ＢＡＴ值或对照者组中以左侧ＢＡＴ值减去右逡逑侧ＢＡＴ值计算的两侧差值。图示四个脑区中，可以观察到脑血流到达时间ＢＡＴ逡逑的长短与脑体积大小成负相关关系。逡逑５２逡逑

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