面向脑血管病早期精确诊疗的磁共振血管壁成像研究

发布时间：2020-08-12 02:23

【摘要】：脑血管病是我国发病率、死亡率和致残率最高的疾病,已成为我国医疗支出和社会家庭的严重负担,主要由动脉管壁病变如粥样硬化、血管炎和动脉夹层等所致,其中动脉粥样硬化斑块破裂引发血栓是其主要发病原因。准确识别动脉管壁病变特别是斑块的结构和特性是早期预防和个体化精确治疗的关键。但现有技术无法提供与斑块及其他管壁病变有关的病理信息。磁共振(Magnetic resonance,MR)血管壁成像是目前唯一能够无创、全景显示颅内动脉血管壁和斑块的新型前沿技术,可为颅内动脉斑块提供精确诊断信息。基于颅内动脉的特殊解剖基础,实现具有实际临床诊断意义的颅内动脉MR血管壁成像方法必须同时满足以下技术条件:(1)0.5 mm或以下高空间分辨率且具备充足的图像信噪比;(2)同时抑制动脉血流和脑脊液信号,使血管壁与周围组织形成良好的组织对比度;(3)全脑或者头颈大范围覆盖的各向同性三维采集。本文针对现有MR血管壁成像技术的图像信噪比相对不足、空间分辨率受限及对脑脊液信号抑制不理想等问题,以临床应用为目标,基于西门子3T磁共振成像系统,研究新型成像原理和算法以提高图像信噪比,研究脑脊液信号抑制新方法以提高组织对比度,在此基础上进一步研究多对比MR血管壁成像以提高对动脉粥样硬化斑块成分和稳定性的识别能力,最后通过可靠性研究和初步临床应用研究验证本文提出方法的临床应用价值。本文人体实验获得中国科学院深圳先进技术研究院伦理委员会批准,志愿者和病人均提供书面知情同意书。总体而言,本论文的研究结果和创新之处主要体现在以下几个方面:一、MR血管壁成像序列SPACE(Sampling Perfection with Application-optimized Contrasts by using different flip angle Evolutions)的可变翻转角是决定图像信噪比的基础,本文在现有的“既定回波信号演变”逆解可变翻转角的基础上,提出了对翻转角变化模式施加约束条件,通过迭代寻找优化的方案来计算最佳可变翻转角的新型成像算法,仿真和人体实验结果显示该算法可有效提高图像的信噪比,结合自主研发的高性能32通道头颈联合线圈,可获得具有良好图像信噪比和组织对比度的0.5mm各向同性空间分辨率头颈动脉血管壁图像。二、血流和脑脊髓液信号的压制是获取清晰动脉血管壁图像和多对比斑块成像的关键,本文针对现有血管壁成像技术难以同时抑制流速差异较大的颅内动脉和颈动脉的血流信号以及流速非常缓慢的脑脊液信号等问题,首先研究了黑血成像技术DANTE(Delay Alternating with Nutation for Tailored Excitation)和SPACE对流动信号运动敏感性的相互作用并对其进行了优化,实现了以DANTE为准备脉冲的全脑和头颈联合血管壁成像方法(DANTE-SPACE),有效抑制了颅内脑脊液信号并去除了颈动脉分叉处的血流伪影,提高了图像的组织对比度。在此基础上,提出在T1加权DANTE-SPACE的回波链后使用基于反转脉冲的信号恢复机制来进一步抑制颅内大脑中动脉M2段流速较慢的脑脊液信号,实验结果显示该反转脉冲的使用显著提高了血管壁与脑脊液之间的对比度,同时也提高了图像的T1加权对比,有利于斑块的识别及对其进行定量分析。三、在以上研究的基础上,实现了基于新型成像算法和DANTE及反转脉冲的T1加权全脑和头颈联合MR血管壁成像,在8分钟扫描时间内达到0.5mm各向同性空间分辨率。本文还将DANTE模块与T2加权SPACE和重T1加权的MPRAGE序列结合,实现了DANTE为准备脉冲的多对比头颈MR血管壁成像,以全面提高对动脉粥样硬化斑块成分的分析和稳定性的识别能力。四、通过志愿者和临床脑动脉粥样硬化患者实验验证T1加权SPACE的可靠性以及多对比MR血管壁成像序列在缺血性脑卒中患者头颈动脉病变精确诊断的应用价值。实验结果显示,T1加权的全脑和头颈联合MR血管壁成像用于血管壁及斑块形态学测量的可重复性非常好,与临床参考标准2D TSE的形态学测量结果的一致性也非常好。初步临床应用研究结果显示,本文开发的多对比MR血管壁成像不仅能够识别颅内动脉和颈动脉血管斑块及对其稳定性进行评估,还可以对其他血管壁病变包括动脉夹层、血管炎等做出诊断。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R743;R445.2
【图文】：

发病机制,血栓形成,缺血性脑卒中,完全闭塞

破裂引发血栓形成导致局部或远处血管完全闭塞发病机制。tic plaque rupture and thrombosis is the main pathog粥样硬化及其他相关病变的影像检查仍然断和治疗的标准[9-13]。然而，研究发现发生正性重构（positive remodeling）（图1的严重狭窄[14]，50%的心脑血管疾病发生证实，因脑动脉粥样硬化斑块引起脑卒中，并指出仅以管腔狭窄程度作为评判指标表明，心脑血管疾病的发生与管腔狭窄程血栓形成是心脑血管疾病的主要发病机制

血管壁,心脑血管疾病,管腔狭窄

目前临床上对动脉粥样硬化及其他相关病变的影像检查仍然以血管造影为主，并以管腔的狭窄程度>50%为诊断和治疗的标准[9-13]。然而，研究发现在动脉粥样硬化的发生发展过程中，动脉管壁会发生正性重构（positive remodeling）（图1.2），导致很大部分的粥样硬化斑块并不引起管腔的严重狭窄[14]，50%的心脑血管疾病发生在轻度管腔狭窄的人群中[15]。一项尸检研究证实，因脑动脉粥样硬化斑块引起脑卒中的实际死亡人数明显高于脑血管造影的诊断结果，并指出仅以管腔狭窄程度作为评判指标会漏诊许多致命的血管病变[14-16]。进一步研究表明，心脑血管疾病的发生与管腔狭窄程度并没有直接关系，动脉粥样硬化斑块破裂引发血栓形成是心脑血管疾病的主要发病机制[5,16]。图1.2 血管壁正性重构。Figure 1.2 Vessel wallpositive remodeling

血管壁,头颈,图像,动脉

面向脑血管病早期精确诊疗的磁共振血管壁成像研究4图1.3 传统的头颈动脉MR血管造影图像（左侧）和MR血管壁图像。Figure 1.3 MR angiography and MR vessel wall images of intra- and extracranial arteries由于颅内动脉的特殊解剖结构，导致其MR血管壁成像面临着几个独有的技术挑战：第一，颅内动脉细小、血管壁非常薄且位于深部脑组织的包埋之中，能检测到的MR信号强度有限；第二，颅内动脉浸泡在脑脊液中，由于脑脊液的MR信号远高于血管壁的信号，导致血管壁的分辨非常困难；第三，颅内动脉走形迂曲，血管分支多且分布广泛，对扫描的覆盖范围提出了很高的要求。因此，实现具有实际临床诊断意义的颅内及头颈联合动脉血管壁成像方法必须同时满足以下技术条件：（1）同时抑制动脉血流和脑脊液信号，使血管壁与周围的组织形成良好的对比度或对比度噪声比（contrast-to-noise ratio, CNR）；（2）高分辨率（像素大小在0.5 mm或以下）且具备充足的图像信噪比（signal-to-noise ratio,SNR）；（3）三维采集且各向同性（三个方向上的空间分辨率一致）；（4）多种加权成像以分辨斑块成份及其稳定性。因此

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