颈内动脉重度狭窄或闭塞患者经颅超声造影脑灌注研究

李晨1,何文2,杜丽娟2,宁彬2,张红霞2,程令刚2

1. 北京医院(国家老年医学中心) 超声科,北京 100730;2. 首都医科大学附属北京天坛医院 超声科,北京 100070

[摘 要] 目的 探讨经颅超声灌注成像(Ultrasound Perfusion Imaging,UPI)对于颈内动脉(Internal Carotid Artery,ICA)重度狭窄或闭塞患者颅内低灌注特征及意义。方法 选取单侧ICA重度狭窄或闭塞患者55例,行UPI及CT灌注成像检查。比较双侧基底节区ROI的达峰时间(Time to Peak Enhancement,TPE)、微循环血流速度(β)、微循环血管容积(A)以及局部组织血流量(A×β)。绘制ROC曲线,确定UPI各灌注参数最佳临界点,并计算灵敏度、准确度、阳性及阴性预测值。结果 患健侧基底节区TPE分别为(23.16±4.09)s、(21.07±3.49)s,差异均具有统计学意义(P<0.05);患侧基底节β(1.19±0.87)s-1慢于健侧(1.66±1.18)s-1(P<0.05);患侧A×β(3.21±3.68)dB/s小于健侧(4.83±5.27)dB/s(P<0.05)。β、A×β以及TPE的ROC曲线下面积均大于0.5(P<0.05)。当β<1.07,灵敏度70.9%,准确度66.4%;当TPE>22.10 s,特异度67.3%;当A×β<1.07 dB/s,灵敏度85.5%,阳性预测值74.2%。结论 UPI可定量评价颈内动脉重度狭窄或闭塞患者脑组织血流灌注情况。当达峰时间较对侧延长,微循环血流速度β慢于对侧,局部组织血流量A×β低于对侧,可考虑颅内存在低灌注。

[关键词] 颈内动脉狭窄;经颅超声灌注成像;计算机断层灌注

引言

颈内动脉狭窄或闭塞是缺血性脑卒中最重要的病因及危险因素之一,每年发生率高达20%~30%,而部分颈内动脉狭窄或闭塞患者临床症状并不显著。经颅超声灌注成像(Transcranial Ultrasound Perfusion Imaging,UPI)是一种经颅超声造影检查方法,能够检测颅内微循环血流量,定性或半定量评估脑灌注状态。目前,国内外学者对于颈内动脉重度狭窄或闭塞患者的脑组织血流灌注情况,特别是对于低机械指数的UPI 研究尚少[1-2],而经颅评估脑组织灌注情况甚少[3-6],本研究想要进一步探讨UPI 发现早期颅内低灌注的可行性。

1 对象与方法

1.1 研究对象

随机选择2013 年7 月至2014 年3 月经DSA 证实的无症状性或症状性较轻的一侧颈内动脉重度狭窄或闭塞患者55 例,其中男50 例,女5 例,年龄32~79 岁,平均(59.6±10.7)岁。入选标准[7]:① 经DSA 证实颈内动脉(Internal Carotid Artery,ICA)起始处重度狭窄,狭窄率≥70%,对侧无狭窄或狭窄率<50%;② 所有患者的改良的Rankin 评分(Modified Rankin Scale,mRS)评分≤2;③ 所有接受超声造影的患者均在造影前签署知情同意书。排除标准:① 经DSA 证实颅内动脉狭窄者;② 患有急性脑梗死或既往有陈旧性梗死灶者;③ 伴有颅内动脉瘤、动静脉畸形以及颅内占位性病变;④ 后循环缺血或颈性眩晕者。

1.2 方法

超声检查均由1 名超声医师及1 名护士操作完成,图像分析由另1 名超声医师独立完成,2 名医师均不知情DSA 检查结果。由1 名神经放射医生对基底节层面的CT灌注成像(Computed Tomography Perfusion,CTP)图像进行分析。改医师不知情DSA 及UPI 结果。所有患者行超声造影检查应与CTP 检查相差<24 h。

1.2.1 经颅超声造影检查

采用PHILIP IU22 彩色超声诊断仪,经颅探头S5-1,频率1.5~3.0 MHz。患者呈仰卧位,头转向一侧,将探头紧贴于颞窗轴向扫查,显示第三脑室平面。该标准切面可清晰显示同侧基底节(包括豆状核和尾状核头部)以及丘脑等深部脑组织区。选定最佳标准切面后进入超声造影模式,选用随机附置的TCD-Contrast 灌注成像技术,MI 设定为0.17,帧频为15 Hz,经肘静脉团注造影剂2.5 mL/次,立即注入10 mL 生理盐水,注射造影剂的同时启动超声仪内置计时器,观察45 s,触发高MI 连续重复10 次爆破(MI设为1.32)瞬间完全破坏受检区内脑组织内造影剂微泡,仪器自动转换为低MI 实时超声造影状态,继续观察15 s,显示受检区脑组织内造影剂微泡的再充盈过程[8]。所有受试者先观察一侧颅内组织血流灌注情况,15 min 后待造影剂在脑微循环中代谢后,应用相同方法观察对侧颅内灌注情况。超声造影完成后,将高MI 连续爆破的图像作为本底图像,选取双侧的标准切面下相同部位所显示的基底节作为感兴趣区(Region of Interest,ROI),手动包绕并将爆破前45 s 和爆破后15 s 分别绘制时间-强度曲线,重复勾画两次基底节区,获取双侧ROI 的超声灌注参数[达峰时间(Time to Peak Enhancement,TPE)、造影剂局部充填速度(β)、局部蓄积最大微泡量(A)以及局部组织血流量(A×β)]的平均值[9-10],并对双侧的ROI 参数值进行定量分析。采用内置QLAB-ROI 时间-强度曲线分析软件自动描记,将每帧静态图时间、灰度值输入EXCEL,绘制两侧时间-强度曲线。

1.2.2 CTP检查

采用西门子SOMATOM Sensation 16 多层螺旋CT 机或GE Discovery CT750HD64 排螺旋CT 机。选取与UPI 中的ROI 范围一致的ROI。采用镜像对称方法测量患侧和对侧的脑血容量(Cerebral Blood Volume,CBV)、脑血流量(Cerebral Blood Flow,CBF)、平均通过时间(Mean Transit Time,MTT)的平均值。重复勾画2 次ROI,取灌注参数的平均值,并对选取ROI 的参数值进行分析。

1.2.3 UPI与CTP参数之间的关系

UPI 补给动力学再灌注的成像原理是将造影剂微气泡作为示踪剂,通过分析微循环血管容积(A)以及微循环血流速度(β)来评价组织局部微循环血流量(A×β),因此UPI 参数中A、β 以及A×β 均与CTP 参数中CBF 相对应,CTP 参数MTT 主要反映对比剂通过ROI 毛细血管的时间,UPI 参数TPE 代表造影剂达到观察区域内的造影剂强度达到最大的时间间期,二者参数基本对应[11]

1.3 统计学分析

采用SPSS 19.0 统计分析软件。正态分布计量资料以均数±标准差(x-±s)来表示,采用配对样本t 检验比较UPI 获得患侧与健侧参数。对UPI 各灌注参数绘制ROC 曲线,分析确定最佳临界点,并计算准确度、灵敏度、特异度、阳性预测值以及阴性预测值。检验显著性取α=0.05,P<0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 UPI结果

患侧基底节区达峰时间较健侧平均延长2.09 s,差异具有统计学意义(P<0.05);患侧基底节ROI 微循环血流速度β 慢于健侧,患侧的局部组织血流量A×β 小于健侧,两者差异均具有统计学意义,P<0.05。患侧与健侧的微循环血管容积A 差异无统计学意义,P>0.05(表1 和图1)。

表1 UPI检查中患侧与健侧基底节区参数比较

部位 达峰时间 (s) A (dB) B (s-1) A×β (dB/s)患侧 23.16±4.09 2.57±2.23 1.19±0.87 3.21±3.68健侧 21.07±3.49 2.93±2.22 1.66±1.18 4.83±5.27 t 7.201 -1.721 -4.583 -2.779 P 0.001 0.091 0.001 0.007

2.2 UPI对颅内血流灌注检查的ROC曲线分析

以CTP 作为参考标准[11-12],将UPI 各参数采用ROC曲线分析UPI 这种检查方法对颅内血管灌注检查的应用价值,分析确定最佳临界点,并计算最佳临界点下各参数的准确度、灵敏度、特异度、阳性预测值以及阴性预测值(图2)。

图1 UPI中患侧与健侧时间-强度曲线

注:a. 高MI连续爆破的图像作为本底图像,选取双侧的标准切面下相同部位所显示的基底节作为ROI;b. 爆破前45 s的UPI中患侧与健侧的时间-强度曲线比较(患侧与健侧的ROI曲线,健侧脑组织为绿色曲线,患侧脑组织为红色曲线):患侧的达峰时间为23.03 s,健侧的达峰时间为19.97 s,患侧较健侧延长3.06 s,达到峰值后,患侧洗出曲线较为平坦,患侧造影剂较健侧洗出缓慢;c. 爆破后15 s的UPI中患侧与健侧的时间-强度曲线比较(患侧与健侧的ROI曲线,健侧脑组织为绿色曲线,患侧脑组织为红色曲线。超声造影强度随着灌注时间的延长而增强,直至达到一个稳定的平台强度):患侧的局部微循环血流速度β为0.87 s-1,明显低于健侧β的2.00 s-1,健侧的平台期的局部微循环血管容积A明显高于患侧。

图2 UPI检查各参数的ROC曲线图

注:a. β的ROC曲线所得的曲线下面积AUC=0.681,P=0.001;b. A的ROC曲线所得的AUC=0.561,P=0.269;c. A×β的ROC曲线所得的AUC=0.626,P=0.023;d. TPE的ROC曲线所得的AUC=0.646,P=0.008。

参数β 所得的ROC 曲线中曲线下面积(Area Under the Curve,AUC)为0.681,所得的最佳临界点为1.07 时,准确度为66.4%,灵敏度为70.9%,特异度为61.8%,阳性预测值68.0%,阴性预测值65.0%(表2)。

表2 UPI检查各参数的ROC曲线分析

ROC曲线 临界点 准确度(%)灵敏度(%)特异度 (%)阳性预测值 (%)阴性预测值 (%)β 1.07 66.4 70.9 61.8 68.0 65.0 A 3.37 58.2 46.8 78.2 55.8 65.6 A×β 1.07 63.6 85.5 41.8 74.2 59.5 TPE 22.10 65.5 63.6 67.3 66.0 64.9

参数TPE 所得的ROC 曲线中AUC 为0.646,最佳临界点为22.10 时,准确度为65.6%,灵敏度为63.6%,特异度为67.3%,阳性预测值66.0%,阴性预测值64.9%。参数A×β 所得的ROC 曲线中AUC 为0.626,最佳临界点为1.07,灵敏度为85.5%,特异度为41.8%,阳性预测值为74.2%。参数A 的ROC 曲线所得的AUC 为0.561(P>0.05),最佳临界点为3.37,特异度为78.2%,灵敏度为41.8%。

3 讨论

本研究显示,爆破后再灌注成像无法明确分辨脑组织低灌注区。分布于脑表面和脑实质的微动脉、微静脉和毛细血管共同构成了微血管密度。脑表面的血管网不仅形式多变,而且具有丰富的吻合支,这些吻合支往往直接来源于脑表面的中动脉和小动脉,如软脑膜吻合支是大脑中动脉、大脑前动脉及大脑后动脉皮层末梢在软脑膜内形成的血管网。与心肌相似,脑组织微循环中毛细血管占了很大比例(约为1000/mm3[13]。由于微动脉具有平滑肌,能够及时进行肌源性反应调节,随着微动脉阻力的不断变化,使得毛细血管的压力保持恒定[14-15]。毛细血管无舒缩功能,因此无论毛细血管数量多少,只能通过征募或去征募的方式,来调节毛细血管的密度增大或减少。造影剂微泡经爆破后再灌注的过程中,直径较大的侧裂血管较毛细血管的再充盈过程更为迅速,因此微血管密度的变化与局部毛细血管的数量或血管直径均有直接关系。而爆破增强再灌注成像实际上代表了血容量的增强的变化而非流速的变化,流速与灌注关系更为密切,当血管发生狭窄时,进入组织中的血流量减慢,当组织中的血管床被完全充填时,就很难鉴别双侧的差别。

Bolognese 等[8]研究表明,在鉴别颅内低灌注和正常脑组织之间,参数β 与弹丸动力学中的参数达峰时间同样敏感。Rim 等[16]通过行犬颅骨钻孔术后研究发现,参数微循环血管容积A 和微循环血流速度β 均与CBF 密切相关[17]。本研究中参数β 和局部组织血流量A×β 均得到了较为一致的结果,但双侧的参数A 未见明显差异。经CTP 证实,本研究中CBV 的变化不一,多数患者CBF 呈正常或轻度升高,部分CBF 减低,当CBV 变化时,脑组织内的毛细血管则通过招募或非招募的方式使得毛细血管密度进行相应的变化,即微血管密度A 会随着CBV 的变化而发生细微的改变,因此,即使排除两侧颅骨的厚度不同所导致的双侧透声窗不一致,双侧的微血管容积A 可能仍无差异。

本研究中,参数β、A、A×β 以及TPE 的ROC 曲线所得的AUC 分别为0.681、0.561、0.626、0.646,其中A 的ROC 曲线的AUC 较小,与AUC=0.5 比较,无统计学意义,即参数A 无诊断意义。而其他三个参数的曲线下面积与AUC=0.5 比较,均具有统计学意义,即β、A×β 以及TPE 这三个参数均具有诊断意义。其中参数β 的准确度最高为66.4%,阴性预测值也较高为65.0%,参数A×β 的灵敏度最高为85.5%,阳性预测值也较高为74.2%,参数TPE的特异度最高为67.3%,但实际上,这三个参数的AUC 均小于0.7,表示其诊断的准确性较低。与采用相同灌注方法对16 例急性缺血性卒中的研究相比,Kern 等[11]研究显示,β 以及TPE 的ROC 曲线中的AUC 分别为0.86 和0.79,均大于0.7,该差异考虑可能与样本量过小以及研究对象的不同有关,而后Bolognese 等[8]继该研究扩大样本量后,β 和TPE 的ROC 曲线中的AUC 分别为0.7 和0.66,与本研究中这两个参数所得的AUC 均相近。有研究表明[18-19],60%颈动脉狭窄所导致的缺血性卒中是由于血流动力学障碍引起的,而颈动脉狭窄只是引起脑血流动力学异常的一个诱因,是否会发生血流动力学损害,还取决于侧支循环建立的情况,因此即使是完全闭塞,若有充分的侧支循环,血流动力学也可保持正常。超声造影剂是通过血池显像的,即红细胞所在的地方,造影剂微泡就能够到达,并且可在血管内完整存留而不易外渗入血管间隙,这是超声造影剂以及超声造影的优势,而CTP 的碘造影剂是通过高压注射器注射的,需要一定的压力和注射流率,并且存在着容易外渗入血管间隙的缺陷,引起造影剂的损耗,当颈内动脉伴有重度狭窄或闭塞时,远段颅内血管所供应部分脑组织的血流较为缓慢,由于远段压力过低,导致造影剂可能无法完全进入细小的血管[20],即当CTP 表现为颅内的低灌注区时,UPI 所表现的相应部位的颅内低灌注区可能并不明显。因此,从这一点来看,对于发现颅内低灌注区,CTP可能会比UPI 更加敏感,但CTP 是否会高估颅内低灌注,还有待今后进一步证实。从这一点来看UPI 各参数对于诊断颅内低灌注的准确性就受到了一定程度的影响。

综上所述,UPI 可定量评价颈内动脉重度狭窄或闭塞患者的脑组织血流灌注情况,达峰时间较对侧延长,微循环血流速度β 慢于对侧,局部组织血流量A×β 低于对侧,考虑颅内粗在低灌注;当β<1.07/s,或A×β<1.07 dB/s,或TPE>22.10 s 时,提示存在低灌注。

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Research on Transcranial Ultrasound Perfusion Imaging in Patients with Severe Internal Carotid Artery Stenosis or Occlusion

LI Chen1, HE Wen2, DU Lijuan2, NING Bin2, ZHANG Hongxia2, CHENG Linggang2
1. Department of Ultrasound, Beijing Hospital (National Center of Gerontology), Beijing 100730, China;2. Department of Ultrasound, Beijing Tiantan Hospital Affiliated to Capital Medical University, Beijing 100070, China

Abstract: Objective To explore the characteristics and significance of transcranial ultrasound perfusion imaging (UPI) in assessing the cerebral perfusion in patients with internal carotid artery (ICA) severe stenosis or occlusion. Methods A total of 55 patients with severe unilateral ICA stenosis or occlusion were erolled in this study. All the patients received UPI and computed tomography perfusion (CTP). The time to peak enhancement (TPE), microcirculation blood flow velocity (β), microcirculation blood volume (A) and local cerebral blood flow (A×β) of bilateral basal ganglia ROI were compared between bilateral basal ganglia. ROC was employed to determine the threshold value and calculate the accuracy, sensitivity, positive predictive value and negative predictive value. Results The TPE in the basal ganglia of the affected side and the healthy side were (23.16±4.09) s and (21.07±3.49) s, respectively, and the difference was statistically significant (P<0.05). β-values in the affected side (1.19±0.87) s-1 was slower than that in the healthy side (1.66±1.18) s-1 (P<0.05). A×β in the affected side (3.21±3.68) dB/s was lower than that in the healthy side (4.83±5.27) dB/s (P<0.05). The AUC of β, A×β and TPE was significantly higher than 0.5 (P<0.05). When β<1.07, the sensitivity was 70.9%, and the accuracy was 66.4%. When TPE>22.10 s, the specificity was 67.3%. When A×β<1.07 dB/s, the sensitivity was 85.5%, and the positive predictive value was 74.2%. Conclusion UPI can quantitatively evaluated the perfusion of patients’ brain tissue with unilateral severe ICA stenosis or occlusion. When the TPE is longer than that of the contralateral, the velocity of microcirculation blood flow β is slower than that of the contralateral, and the local tissue blood flow A×β is lower than that of the contralateral, we can consider the existence of intracranial hypoperfusion.

Key words: internal carotid artery stenosis; transcranial ultrasound perfusion imaging; computed tomography perfusion

[中图分类号] R743.3

[文献标识码] A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2020.02.022

[文章编号] 1674-1633(2020)02-0090-04

收稿日期:2019-10-21

通信作者:何文,主任医师,博士生导师,主要研究方向为血管超声与介入超声。

通信作者邮箱:hewen168@sohu.com