邵鵬飛 徐運(yùn)
腦小血管疾病(CSVD)是一類常見的腦血管疾病,其主要通過影響顱內(nèi)的穿孔小動脈、毛細(xì)血管和小靜脈從而引起病理學(xué)、影像學(xué)及臨床表現(xiàn)的一系列改變。 CSVD 是老年人認(rèn)知能力下降、癡呆和功能障礙的主要病因,且約占卒中病因的20%[1]。 CSVD 影響大腦中最小的血管,此類血管通常比醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的分辨率低一個數(shù)量級[2],所以腦小血管病變在一些常規(guī)影像技術(shù)如計(jì)算機(jī)斷層攝影血管造影(CTA)或磁共振血管造影(MRA)檢查中通常難以發(fā)現(xiàn),而腦病理活檢等診斷方法只能在少數(shù)患者中進(jìn)行,但CSVD 又與認(rèn)知能力下降、步態(tài)障礙等臨床癥狀密切相關(guān),因此CSVD 的早期診斷尤為重要,且其臨床診斷高度依賴于神經(jīng)影像技術(shù)。 CSVD 的影像標(biāo)志物包括近期皮質(zhì)下小梗死、假定血管源性的腔隙、假定血管源性的白質(zhì)高信號(WMH)、血管周圍間隙(PVS)、腦微出血、腦萎縮,其反映了繼發(fā)于CSVD 的宏觀腦組織損傷[3]。 近年來隨著神經(jīng)影像尤其是磁共振成像(MRI)技術(shù)的發(fā)展,大家對CSVD 的認(rèn)識得以進(jìn)一步深入。 CSVD 的影像標(biāo)志物大多從標(biāo)準(zhǔn)解剖MRI 上獲取,如T2 加權(quán)像、液體衰減倒置恢復(fù)成像(FLAIR)等。 一些新興影像技術(shù)包括擴(kuò)散張量成像(DTI)、具有動脈自旋標(biāo)記的MR 灌注成像(ASL)、功能性MRI(fMRI)和正電子發(fā)射斷層掃描(PET)等也越來越多地應(yīng)用在CSVD 診斷中[4]。 本文對當(dāng)前一些影像技術(shù)在CSVD 診斷中的應(yīng)用現(xiàn)狀及新興影像技術(shù)在CSVD 診斷中的應(yīng)用前景進(jìn)行綜述。
CSVD 是一組由于腦內(nèi)小血管異常導(dǎo)致的臨床表現(xiàn)與影像表現(xiàn)相近的腦組織局部病變。 解剖學(xué)上,腦內(nèi)小血管病變包括小動脈(直徑100 ~400 μm)、微動脈(直徑<100 μm)、毛細(xì)血管和小靜脈,也是腦組織供血的基本單位,但目前研究的CSVD 主要指腦小動脈及微動脈血管病[5]。 CSVD 患者的典型臨床表現(xiàn)為腔隙綜合征,包括構(gòu)音障礙、運(yùn)動異常綜合征等。 同時,CSVD 患者亦可出現(xiàn)認(rèn)知功能損害的表現(xiàn),且其小血管病變并不局限于腦血管,也可累及其他臟器,出現(xiàn)相應(yīng)的臨床癥狀。
MRI 在CSVD 的診斷中占據(jù)主導(dǎo)位置,臨床診斷中常用的序列包括 T1、T2、FLAIR、擴(kuò)散加權(quán)成像(DWI)、梯度回波成像(GRE)、MRI 敏感加權(quán)成像(SWI)等[6]。
(1)T1:T1 加權(quán)成像技術(shù)有助于檢測皮層下腔隙性梗死灶。 在腔隙性壞死組織中,由于載脂巨噬細(xì)胞、變形蛋白在死亡細(xì)胞中聚集,在受損的皮質(zhì)上可見線性高 T1 信號[2]。
(2)T2 和 FLAIR:T2 和 FLAIR 序列是檢測白質(zhì)病變的敏感工具。 近年來隨著磁共振儀器掃描分辨率的提升,白質(zhì)病變及周圍血管間隙的檢出比例也隨之升高。 在T2 或FLAIR 上觀測到腦室及額頂葉出現(xiàn)白質(zhì)高信號提示脫髓鞘疾病或缺血性改變。 當(dāng)出現(xiàn)這種相同的信號變化時,診斷CSVD 就需要結(jié)合白質(zhì)高信號分布的位置和形狀考慮:脫髓鞘疾病通常呈橢圓形,缺血導(dǎo)致的白質(zhì)高信號形狀則相對不規(guī)則。 與灰質(zhì)相交界的白質(zhì)常受到脫髓鞘疾病的影響,但不受缺血性疾病影響,而深層白質(zhì)的常見病變部位則與之相反[1,7]。
(3)DWI:DWI 對于深部白質(zhì)、腦干及小腦急性期腦梗死的檢測極其敏感。 由于腔隙性腦梗死病灶很小,1.5 T 或3.0 T 的MRI 可能檢測不到,但部分急性腔隙性腦梗死表現(xiàn)為DWI 高信號、在表觀擴(kuò)散系數(shù)(ADC)上為低信號的直徑1 ~2 mm 的病灶[8-10]。
(4)GRE 和SWI
GRE 成像是檢測微出血的敏感工具,GRE 序列與傳統(tǒng)的T2 加權(quán)成像或回波平面序列不同,GRE 序列可最大化血液成分(如含鐵血黃素、脫氧血紅蛋白和鐵蛋白)的順磁效應(yīng)。 GRE 亦可看到CT 掃描無法檢測到的小鈣化。 SWI 通過圖像后處理將磁共振信號幅度乘以信號脈沖位移,從而增強(qiáng)了傳統(tǒng)T2?GRE 的效果。 與T2?GRE 相比,這提供了更大的對比度,使SWI能夠比GRE 多檢測出50% ~70%的病灶[11-13]。
(5)時間飛躍法核磁共振血管成像(TOF-MRA)
TOF-MRA 的空間分辨率不足以顯示穿支動脈,隨著更高空間分辨率MRI 的應(yīng)用,7.0 T 的TOF-MRA 能直接顯示豆紋動脈及后交通動脈和基地動脈起源的穿支血管,值得注意的是,對比病理研究結(jié)果顯示,7.0 T的TOF-MRA 亦只能顯示部分穿支血管[14-16]。 因此,TOF-MRA 并不能精準(zhǔn)診斷CSVD。
除了MRI,其他一些傳統(tǒng)影像檢查也在CSVD 的診斷中發(fā)揮了部分作用。 CT 和CTA 對CSVD 的診斷價值有限,對基底節(jié)或大腦血管壁鈣化的鑒別診斷較好。 DSA 是診斷中樞神經(jīng)系統(tǒng)血管類疾病的金標(biāo)準(zhǔn),可以顯示較小的動脈,包括穿支動脈。 但病理研究結(jié)果表明,CSVD 累及的穿支動脈直徑通常小于850 μm。因此,部分CSVD 累及的血管并不能清晰地顯示在DSA 上。 且DSA 為有創(chuàng)檢查,并伴有電離輻射,所以DSA 對于CSVD 的診斷價值也是有限的[17-18]。
MRI 于上世紀(jì)80 年代開始投入臨床使用,用于描繪各種解剖區(qū)域并解決各種形態(tài)和功能問題,這種成像方法已成為醫(yī)學(xué)成像中最重要的診斷檢查方法之一。 目前全球大多數(shù)MRI 裝置的磁場強(qiáng)度為1.5 T 或3.0 T[19]。 自上世紀(jì)90 年代以來,在適當(dāng)?shù)膫惱碓S可下,人們一直在探索7.0 T 及更高的磁場強(qiáng)度以用于科學(xué)研究。 1998 年俄亥俄州立大學(xué)首次啟用了8.0 T系統(tǒng),近幾年,超高場強(qiáng)(UHF)MRI 在CSVD 的研究中取得源源不斷的成果[4]。 例如在UHF MRI 上獲取的SWI 和QSM 的高空間分辨率和高對比度可以顯示出既往常規(guī)MRI 難以顯像的各種大腦細(xì)微結(jié)構(gòu)。
(1)UHF MRI 與微出血及腔隙性梗死:腦微出血是CSVD 影像學(xué)的典型標(biāo)志之一,常位于皮質(zhì)-皮質(zhì)交界處、大腦半球的深部灰質(zhì)和白質(zhì)及腦干、小腦,在順磁敏感的序列如T2 加權(quán)梯度回波或SWI 序列上表現(xiàn)為小的低信號病變。 近幾年對CSVD 中微出血的影像學(xué)研究主要集中在發(fā)展新的MRI 檢測技術(shù),以期通過提高檢測的精確度來得到對其影像學(xué)定義的標(biāo)準(zhǔn),從而獲得更加精確的微出血數(shù)據(jù)資料。 由于血液中的成分及其副產(chǎn)物(血鐵蛋白、高鐵血紅蛋白)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的順磁敏感性,因此即使是很微量的出血也可以被SWI 和QSM 序列敏感地檢測到。 近兩年國內(nèi)外的眾多研究結(jié)果表明,7.0 T 磁場強(qiáng)度下比1.5 T 或3.0 T時在其他相同條件下檢測出更多的大腦微出血灶。 血管起源的腔隙性梗死一直是CSVD 研究的熱點(diǎn),已被證明與認(rèn)知能力下降有關(guān)。 大量尸檢研究發(fā)現(xiàn),這些小梗死可在43%的非癡呆老年人的大腦皮層和皮層下區(qū)域中被發(fā)現(xiàn)。 盡管患病率很高,但由于其體積小,常規(guī)的1.5 T 或3.0 T MRI 檢查難以被發(fā)現(xiàn)。 新興的7.0 T MRI 具有更高的信噪比和對比度,分辨率更高,從而能夠精確地檢測到大腦皮質(zhì)的小梗死[20]。 國外SMART 研究小組于2017 年進(jìn)行了在7.0 T 磁場強(qiáng)度下評估尾狀核腔隙性梗死的研究,結(jié)果顯示,在90 例有癥狀的動脈粥樣硬化患者中,7 T MRI 掃描相比于1.5 T MRI 掃描檢測出小面積梗死的患者數(shù)量增加了1 倍。 隨著7T 及更高磁場強(qiáng)度 MRI 在 CSVD 研究中的深入,小梗死的影像學(xué)標(biāo)準(zhǔn)也隨之改變,這些成像標(biāo)準(zhǔn)可用于將來的研究,以提供有關(guān)CSVD 病理生理的新思路[21]。
(2)UHF 與血管成像:根據(jù)2012 年發(fā)布的國際指南,確立了CSVD 在MRI 上的6 種標(biāo)志物,分別為近期皮質(zhì)下小梗死、假定血管源性的腔隙灶、白質(zhì)高信號、血管周圍間隙、腦微出血及腦萎縮。 這6 種標(biāo)志物均與腦小血管有著密不可分的關(guān)系,因此CSVD 研究的重點(diǎn)是如何精確地觀察到患者的顱內(nèi)腦小動脈及微動脈血管的病變。 過去的幾十年中,多項(xiàng)研究已證明依賴血管流量的成像技術(shù)對于可視化大血管疾病有效,然而對于腦小血管由于缺乏檢測靈敏度始終無法獲得清晰的顯影。 最近,有學(xué)者應(yīng)用UH MRA 及ASL 觀察大腦微血管[22]。 與使用1.5 T 或3.0 T 的臨床 MRA圖像相比,UHF MRA 在微血管的可視化方面顯示出強(qiáng)大的優(yōu)越性。 與其他侵入性血管造影方法如CTA或DSA 相比,MRA 可以在不使用造影劑的情況下更好地診斷周圍血管疾病和(或)CSVD,如動靜脈畸形、動脈瘤和狹窄等[23]。 最近有研究已經(jīng)在7.0 T MRI上測量了穿透動脈的血流速度。 然而,為了獲得令人滿意的MRA 圖像,MR 序列和相應(yīng)線圈同樣應(yīng)該面向7.0 T MRI 環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化,如具有多通道配置的相控陣線圈由于其高靈敏度、低不均勻性和易于獲得高分辨率成像結(jié)果用于超高頻磁共振成像[24]。 此外,開發(fā)如3D 血管分割這樣的后處理技術(shù),對于圖像的定量分析也必不可少,對于可見度較差的微血管可以獲得其長度、半徑、曲率等信息[25]。
rs-fMRI 是讓受試者在靜息狀態(tài)下進(jìn)行全腦MRI掃描,檢測基線狀態(tài)下腦區(qū)的自發(fā)神經(jīng)元活動,判斷功能相關(guān)腦區(qū)之間的網(wǎng)絡(luò)連接情況,反映基礎(chǔ)狀態(tài)下自發(fā)腦功能活動。 fMRI 旨在通過識別血流和氧合的變化來測量大腦活動。 與健康對照組相比,CSVD 患者在rs-fMRI 激活模式上存在差異,這可能有助于CSVD的早期診斷。 目前rs-fMRI 在CSVD 中的研究有限,樣本量相對較小,缺乏縱向的研究數(shù)據(jù),但rs-fMRI 作為一種無創(chuàng)性探測腦功能的影像學(xué)技術(shù),在CSVD 的診斷中還有很大潛能[26-28]。
CSVD 是血管性認(rèn)知障礙和血管性癡呆的主要原因,其MRI 影像學(xué)特征包括腔隙性梗死、白質(zhì)高信號和腦微出血等,使用先進(jìn)的MRI 技術(shù)尤其是DTI,可以觀察到這些圖像中的白質(zhì)異常[29]。 然而,DTI 在常規(guī)臨床實(shí)踐中并不容易進(jìn)行,如今可以使用常規(guī)MRI 評估白質(zhì)損壞的一種指標(biāo)是基于T1 和FLAIR 相衍生出的紋理分析(TA)。 TA 是一種新興的評估診斷CSVD的方法,描述了相鄰像素強(qiáng)度之間的關(guān)系,特別適用于如白質(zhì)之類的組織。 TA 對白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的敏感性可能不如DTI,但其優(yōu)勢在于可產(chǎn)生大量高度相關(guān)的參數(shù),對大型臨床試驗(yàn)而言,使用常規(guī)序列(T1、FLAIR)就可以完成數(shù)據(jù)采集,這無疑是非常方便的。 大量研究結(jié)果表明,CSVD 患者與對照組之間的幾種紋理參數(shù)(TP)有顯著差異。 在CSVD 患者中,TP 與其他MRI參數(shù)(大腦體積、白質(zhì)病變體積、腔隙計(jì)數(shù))高度相關(guān)。在控制年齡、性別等參數(shù)后,TP 與基線時的執(zhí)行功能和整體功能相關(guān),并可預(yù)測癡呆。 有研究結(jié)果顯示,TP 可能成為 CSVD 的標(biāo)志物[30]。
白質(zhì)高信號是CSVD 的影像標(biāo)志之一,與注意力、執(zhí)行功能和信息處理速度方面的認(rèn)知障礙密切相關(guān)。一些患者在缺乏MRI 上廣泛的WML 的情況下,仍可能患有嚴(yán)重的認(rèn)知功能障礙,其原因之一就是白質(zhì)中的微結(jié)構(gòu)完整性喪失。 而DTI 是一種可以觀察白質(zhì)微結(jié)構(gòu)組織變化的MRI 序列,其通過水?dāng)U散措施檢測超微結(jié)構(gòu)損傷,最常見的測量方法是分?jǐn)?shù)各向異性(FA)和平均擴(kuò)散率(MD),這兩種方法均是基于髓鞘和軸突膜在單個方向上促進(jìn)擴(kuò)散的原理。 FA 描述了擴(kuò)散的方向性,而MD 是在所有空間方向上平均擴(kuò)散的量度。 WML 中典型的擴(kuò)散變化模式包括FA 減小和MD增大[31]。 DTI 在CSVD 及認(rèn)知方面的分析工作已經(jīng)開展很多,其中大量的初步工作在伴皮質(zhì)下梗死和白質(zhì)腦病的常染色體顯性遺傳性腦動脈病 (CADASIL)中進(jìn)行。 但是由于標(biāo)記大腦感興趣區(qū)方法中的主觀操作錯誤,DTI 廣泛應(yīng)用仍存在一些局限性。 最近,有學(xué)者提出了通過DTI 參數(shù)評估CSVD 的方法,這些參數(shù)使用大腦白質(zhì)骨架來測量大腦中平均擴(kuò)散率的峰寬,新的成像標(biāo)記稱為骨架化平均擴(kuò)散峰寬(PSMD)[32],PSMD 比CSVD 的其他神經(jīng)影像標(biāo)記物(如WMH 和腔隙的數(shù)量、體積)表現(xiàn)更好。 該方法消除了腦脊液污染的誤差可能,并提高了CSVD 相關(guān)變化的敏感性。 相應(yīng)研究也證明WML 患者比對照組具有更高的PSMD和較差的認(rèn)知表現(xiàn)。 該結(jié)果為WML 患者認(rèn)知障礙的病理生理學(xué)提供了新的見解,并確立了PSMD 可能是疾病進(jìn)展的替代指標(biāo)這一觀點(diǎn)。
全自動擴(kuò)散張量圖像分割技術(shù)(DSEG)[33]是一種全自動技術(shù),可提供一種從DTI 角度評估CSVD 患者腦微結(jié)構(gòu)損傷的準(zhǔn)確方法。 DSEG-θ 是鑒定CSVD 患者罹患癡呆癥風(fēng)險(xiǎn)的重要工具,并可能成為判斷CSVD嚴(yán)重程度的臨床指標(biāo)。 研究發(fā)現(xiàn),DSEG-θ 的變化還與CSVD 的常規(guī)成像標(biāo)志物的變化有關(guān),包括WMH 負(fù)荷、GM 萎縮、腔隙性梗死和腦微出血。 因此,DSEG-θ是一種可以基于單個成像參數(shù)(DTI)評估CSVD 嚴(yán)重程度的合適生物標(biāo)志物,而不是依賴于手動分割的幾種不同成像模式的信息。 DSEG-θ 可用于準(zhǔn)確分類CSVD 患者。 有研究發(fā)現(xiàn),DSEG-θ 可作為臨床前標(biāo)志物,用于識別CSVD 中有患癡呆癥風(fēng)險(xiǎn)的個體,并可作為測量疾病進(jìn)展率及其對認(rèn)知影響的預(yù)后工具。 此外,DSEG-θ 還可以成功預(yù)測會繼續(xù)發(fā)展成為癡呆癥的人群。 DSEG-θ 在判別分析中的表現(xiàn)可與Barnes 等提出的方法相媲美,后者預(yù)測阿爾茨海默病(AD)的準(zhǔn)確性為88%[34]。 DSEG 的優(yōu)勢在于,所有分析都在原始DTI 空間中進(jìn)行,且不需要其他預(yù)處理步驟。 因此,DSEG 為評估CSVD 嚴(yán)重程度提供了一種快速可靠的替代方法,可以在臨床環(huán)境中便捷應(yīng)用而無需使用高級預(yù)處理。 該技術(shù)的局限性在于DSEG-θ 度量需通過將每例患者的掃描結(jié)果與單個健康對照的掃描結(jié)果進(jìn)行比較計(jì)算[35]。
PWI 是一類用于反映組織的微血管分布和血流灌注情況、提供血流動力學(xué)方面信息的磁共振功能成像技術(shù),對CSVD 的診斷具有較大潛力。 其常用的序列包括動態(tài)磁敏感對比增強(qiáng)(DSC)灌注成像和動脈自旋標(biāo)記(ASL)磁共振成像[36-37]。 ASL 此前已應(yīng)用于評估大血管疾病,近年來也越來越多地應(yīng)用于CSVD 的研究中。 在顱外動脈標(biāo)記血液的兩種主要技術(shù)是連續(xù)標(biāo)記(CASL)和脈沖標(biāo)記(PASL)。 近來第三種技術(shù)偽連續(xù)動脈自旋標(biāo)記(PCASL)獲得普及,現(xiàn)已成為臨床研究的推薦技術(shù)。 其使用已經(jīng)標(biāo)記或未標(biāo)記磁性的圖像之間的信號差,并通過考慮變量(如磁性標(biāo)記效率)的模型將其轉(zhuǎn)換為CBF。 超高場強(qiáng)下的ASL 與造影劑增強(qiáng)MRI 表現(xiàn)出良好的一致性,被認(rèn)為是測量腦血流量(CBF)的可靠方法。 但該技術(shù)同樣有局限性,包括對運(yùn)動偽影的敏感性較低等[38]。
盡管CT 和MRI 能夠檢測出CSVD 的形態(tài)學(xué)病變,但無法確定潛在的病理變化,而PET 可以檢測并定量評估這些病理改變[39]。 有病理學(xué)研究結(jié)果顯示,混合性癡呆的發(fā)病率較高,部分患者同時具有類似于AD的血管改變和退行性病理改變。 僅應(yīng)用MRI 進(jìn)行診斷時會導(dǎo)致診斷不明確,而通過PET 進(jìn)行的分子成像可能在區(qū)分血管性和退化性認(rèn)知障礙中起重要作用。PET 在定位和量化方面的獨(dú)特潛力使其成為近年來研究CSVD 的熱門工具[40]。 總而言之,PET 研究可以揭示患者個體的病理生理機(jī)制,并且在此過程中進(jìn)行反復(fù)檢查可能反映病情進(jìn)展,并有助于提出新的治療策略。 但是,由于缺乏完整的PET 設(shè)備(包括回旋加速器等),目前PET 相關(guān)的科研工作并不十分順利。 隨著將更多的臨床PET 攝像機(jī)作為衛(wèi)星安裝到18F-氟脫氧葡萄糖(FDG)中央生產(chǎn)單元上(這一概念已經(jīng)在腫瘤學(xué)成像中獲得成功),更多的CSVD 患者可以從改進(jìn)的診斷成像中受益。
除了以上技術(shù)外,其他一些新興影像技術(shù)與后處理方法也在 CSVD 的診斷中發(fā)揮積極作用。 Nasel等[41]對動態(tài)磁化率對比增強(qiáng)磁共振成像(DSC-MRI)的峰時(TTP)直方圖進(jìn)行分析,稱其為“TTP 分布曲線(TDC)”,以檢測血流動力學(xué)有意義的變化。 由于TDC 對這些血管段內(nèi)觸發(fā)的血流動力學(xué)改變非常敏感,因此可能用于識別早期有腦小血管疾病風(fēng)險(xiǎn)的患者。 Fisse 等[42]開發(fā)了一種在大腦中動脈多普勒超聲檢查過程中生成歸一化平均流譜的技術(shù),即計(jì)算加速度曲線及最大正加速度和負(fù)加速度的絕對量,計(jì)算結(jié)果稱為“TCD 輪廓系數(shù)(TPC)”,證實(shí)了TCD 圖譜對評估腦微血管病的適用性。 Zhang 等[43]使用體素不相干運(yùn)動成像技術(shù)(一種擴(kuò)散加權(quán)磁共振成像技術(shù),旨在同時確定微血管灌注和微結(jié)構(gòu)完整性)來確定CSVD患者認(rèn)知與微血管灌注和微結(jié)構(gòu)完整性之間的關(guān)系,也可用于CSVD 的早期診斷。 目前尚無有效、特異的療法可以阻止CSVD 的影像學(xué)或臨床進(jìn)展[44]。 CSVD與大血管動脈粥樣硬化性血管疾病和正常衰老不同的觀點(diǎn)也只在近幾年才被廣泛接受。 先進(jìn)的神經(jīng)影像技術(shù)發(fā)展是加強(qiáng)對CSVD 診斷和治療的關(guān)鍵,但該方法必須對患者及科研工作者而言是可靠、可重復(fù)、可耐受且易于使用的。 本文中我們對近幾年國際上新興的用于診斷CSVD 的影像學(xué)方法進(jìn)行介紹,期待隨著科技的進(jìn)步可以發(fā)現(xiàn)并使用更敏感的高級影像學(xué)指標(biāo)。 但是目前許多方法仍不成熟[45],例如使用DCE-MRI 評估血腦屏障漏血以探討CSVD 病理機(jī)制的方法,這是一種非常難于成像的技術(shù),因?yàn)榫徛┭鸬男盘栕兓苄?,采集時間較長,通常具有與噪聲、偽影及儀器或生物信號漂移水平相當(dāng)?shù)姆萚46]。 其次,各研究者對CSVD 影像學(xué)表現(xiàn)的定義常有不同,且短期內(nèi)很難達(dá)成一致。 因此,CSVD 研究者應(yīng)將每種表現(xiàn)的具體定義、掃描方法及后處理方法進(jìn)行詳細(xì)描述;在同一個中心的研究中,也要注意隨訪前后影像學(xué)判定標(biāo)準(zhǔn)保持一致,盡量減少誤差,這樣才有助于對CSVD 展開更加深入的研究。