脑血管成像技术与进展

李耀东(第一作者)，张永海(通讯作者)

李耀东(青海省人民医院影像中心，青海 西宁 810007)

张永海(青海省人民医院影像中心，青海 西宁 810007)

[摘要] 脑的结构和功能是脑科学研究中最重要的方面，现代影像学新技术的涌现和不断发展使得神经影像在科研和临床工作中的地位日益重要。本文就近年来最重要的脑血管成像技术与发展及其应用进行概述，并概述了用于研究血管生物学的转基因动物模型以及脑图谱。

[关键词] 脑血管疾病；成像；分子影像；脑图谱；CT；PET；MRI；MRA；PAI

脑因其结构和功能的错综复杂几千年以来为世人所瞩目，人类对脑的探索也从未停止。脑的记载最早出现于公元前17世纪古埃及人写的艾德温‧史密斯草文，直至公元前5世纪才出现神经系统概念。1664年Thomas Willis出版了脑解剖一书，做出了开创性工作，对后来两个世纪脑科学的发展产生了深远的影响。脑结构性成像始于伦琴在1895年发现X射线，1927年才由Egas Moniz完成了第一幅人类脑血管成像图。从那时起物理学、数学、计算机科学和临床成像的关键事件与主要技术革新促使了至少下列技术的问世：(1)CT, 由Hounsfield和Cormack发明并在1979年被授予诺贝尔奖；(2)PET；(3)MRI及MRA, Lauterbur和Mansfield因此在2003年被授予诺贝尔奖。上述技术与其他成像方法一起,为我们认识脑血管以及理解复杂的中枢神经系统做出了贡献^[1-2]。

1  计算机断层成像(computed tomography, CT)

1971年10月1日，Hounsfiels和Ambrose在伦敦首次实现对一例脑囊肿患者进行CT扫描，获得了无重叠的脑断层图像。从那时起一系列重要技术的进步使得CT不断发展，到目前可以在几秒之内、并且是辐射量降低的状态下获取成千上万幅体素各向同性的薄层图像。CTA得益于这些发展，在提高诊断效能的同时更拓展了其临床应用范围。彩色编码CTA是一种新型动态脑CTA技术，可以区分顺流和逆流，为研究脑血流动力学提供了额外重要的信息^[3]。CT灌注技术是在静脉注射对比剂后采集系列脑图像，可以快速定性和定量评估脑血管的生理和血液动力学参数，包括测量脑血流量(CBF)和脑血容量(CBV)，已用于中风、脑外伤和脑肿瘤成像，其价值可与MRI灌注相媲美。当前CT灌注成像已被用来评估早期中风发作后药物治疗的疗效，以及预测高级别胶质瘤患者的生存期^[4]。
    显微CT和纳米CT是高分辨断层成像技术，其优势在于高分辨扫描的效率、速度以及相对低成本，可高分辨容积再现啮齿类动物的脑血管结构以及测量CBV。近来显微CT在小鼠脑血管的应用包括采用碘对比剂分析活体成年鼠脑、评估动物模型的脑海绵状血管瘤以及脑肿瘤成像^[5]。

2  正电子发射断层成像(Positron Emission Computed Tomography, PET)与单光子发射断层成像(Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT)

CT的发明很快引出了包括PET在内的其他成像技术。二十世纪50年代初Bromwell制造了第一台能够检测脑肿瘤的简单PET扫描仪，随后Sweet在1975年制造了能够测量血流、更为复杂的PET仪。1991年得到了第一幅小鼠脑PET图像，1995年出现了最早的复杂小PET扫描仪。近年来小动物高分辨PET扫描仪的图像质量快速提高,适合鼠脑成像^[6]。

PET和SPECT通过采用特异的放射性示踪剂来观察和测量活体脑组织的生理活动，是分子成像设备。将PET的功能图像与解剖图像融合、并与成像系统杂交是最有效的方法，如PET/MRI和PET/CT^[7-8]。PET/CT可以提高PET图像的精准性，增强病变的识别和定位，指导临床治疗决策。PET/MRI可以作出更为准确的诊断，最大限度提高患者的生存期。文献^[8]详细讨论了PET/CT的优势和劣势。

当前在临床以及小动物上均已实现多重成像。SPECT/CT又被用来评估啮齿类动物局部脑缺血时脑CBF和BBB异常，针对小动物的三重成像扫描仪PET/SPECT/CT可以从新视角洞察脑功能、显示活体大鼠脑缺血。近来PET已被用于研究缺血性中风时的缺氧和炎性反应，探索急性缺血性中风和Aβ蛋白沉积的可能联系，无创性分析大鼠中风后血管生成过程中VEGF受体的表达^[9]。脑肿瘤PET成像中最常使用的示踪剂是¹¹C-methionine，可以预测胶质瘤的预后，PET或SPECT用于脑血管病的其他方面包括血栓形成、阿尔兹海默病和烟雾病等^[10]。

3   磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)

1946年Bloth和Purcell发现了磁共振现象，25年后才用于医学诊断，在这期间MR仅被用于物质结构的分析。MRI的巨大优势是使用电磁作用而非电离辐射来成像。从上世纪80年代初开始，MRI硬件和软件得到飞速发展，扫描时间十倍级缩短，而且图像质量优异。MRI的图像对比有三个不同参数，即PD(质子密度),自旋-晶格/纵向弛豫T1和自旋-自旋/横向弛豫T2/T2^*。PD图像主要对γ旋磁比敏感，T1WI与T2WI则分别对T1和T2弛豫时间敏感。并且采用不同的对比剂(即对比增强MRI)可以丰富MRI的信号，文献^[11]详细综述了近十年脑血管MRI的关键发展、并与其他成像技术进行了比较，这些新的成像技术有助于提高诊断能力和制定治疗计划、可以作为疾病诊断、判断预后以及监测疗效的工具，例如近来已提出血管直径分析可作为肿瘤的生物学标志。包括4D流动MRI、磁共振黑血血栓成像技术(MRBTI)^[12-13]等新技术正在研究中，可无创性评价脑血流动力学。

3.1 磁共振扩散加权成像(DWI-MRI)与灌注加权成像(PWI-MRI)

DWI针对水分子的随机运动进行成像，ADC(表观扩散系数)可对水分子在组织内的扩散幅度进行定量。PWI是利用内源性示踪剂的方法以获取各种血液动力学参数。DWI和PWI可定量特定的病理生理参数，在临床中的地位日益重要，二项技术的结合对早期检测和评估中风尤其有前景^[14]，能对脑肿瘤进行更准确分级以及评估预后^[15]。

3.2 磁敏感加权成像(SWI)

SWI利用不同组织之间的磁敏感性差异来增强图像对比，已逐步成为常规脑MRI检查方案的一部分。SWI对检测血液代谢产物超级敏感，能够区分动脉与静脉血管、区分钙化与血液的代谢产物。目前SWI被用于多种病理状态下的成像，包括：出血、外伤、中风、肿瘤、多发性硬化等。该技术的重要缺陷是不能够进行定量分析，但随着近来新技术如QSM(磁敏感定量成像)及STI(磁敏感张量成像)的发展，该缺陷正被克服^[16]。

3.3 磁敏感定量成像(QSM)

QSM可以准确地区分钙化与出血性病变、同时显示脑的解剖，有望在临床起到越来越重要的作用。该技术不仅可获得有价值的、用来反映脑老化的成分变化信息，而且对众多神经变性疾病的诊断有价值。QSM已经用于监测脑海绵状血管畸形(CCM)的进展和铁沉积疾病、颅内出血、测定血肿体积以及鉴别出血与钙化^[16]。目前已经采用QSM来研究大鼠脑，获得了10um高分辨率的脑微结构图像[17]。

3.4 磁共振血管成像(MRA)

MRA是在MRI基础上对血管进行成像的技术，可以分为两类：即使用对比剂的MRA和不使用对比剂的MRA。1994年Prince提出的首过对比增强MRA已被广泛接受，文献^[18]详细描述了该技术的物理学原理与临床应用。MRA可用来观察脑血管的分布、评估血管狭窄和阻塞、动脉瘤和其他血管畸形^[18]。
3.5颅内血管壁成像(IVWI)

与其他成像技术如CTA、MRA及DSA相比，近来出现的高分辨IVMI可以直接显示血管管壁，在缺血性卒中以及脑出血等疾病中有非常大的应用潜力。IVMI不仅是诊断工具，而且可以指导治疗方案的选择，从而改善患者的预后。IVM在技术层面的限度来自于直径小的血管以及颅内血管的扭曲。美国神经放射学会血管壁成像研究小组对IVMI目前的临床实践提出了专家共识及建议^[19]，应用该技术评估颅内血管病理，如动脉硬化性疾病、中枢神经系统血管炎、脑动静脉畸形、烟雾病、脑动脉瘤和颅内动脉夹层的时代即将到来。

4   数字减影血管造影(digital subtraction angiography, DSA)

DSA技术出现在上世纪80年代，可以实时2D减影去除骨骼及软组织的干扰，直接观察人体内部的血管结构，现逐步发展成为包括3D和4D-DSA在内的技术，具有里程碑的意义^[20]。DSA的简要原理可归纳为：首先采用X线或MRI采集目标组织的第一组图像(即蒙片)，然后在对比剂注入血管后采集第二组图像，最后从第二组对比增强的图像中减去第一组图像，从而可以观察血管结构而不受周围组织的影响。DSA可用来观察颅内血管结构，评估血管异常如动静脉畸形、动脉瘤、颈动脉狭窄、烟雾病的分级以及急性大脑中动脉闭塞时的侧枝血流^[20]。
5   经颅多普勒超声(trans-cranial Doppler, TCD)

1982年Rune Aaslid发现了可无创性检测脑底动脉血流的TCD技术。TCD采用低频(≤2 MHz)传感器探头来接收颅骨相对薄的特定部位的超声波，透过完整头颅可以获得颅内主要血管的图像，时间分辨率高、可以监测血液流速以及血管的搏动。文献^[21]详细叙述了TCD在脑血管疾病中的高级应用。

6   光声成像(photoacoustic imaging, PAI)

光声效应由Bell在1880年报道，应用于生物医学始于1970年代，但一直发展缓慢，直至上世纪最后十年该状况才得以改变。PAI作为一种杂交技术，是基于光声效应来检测组织的光吸收，重建出组织的光吸收分布图，可实现活体50mm深的组织成像。其检测对象是内源性发光团或外源性对比剂，如化学染料、纳米颗粒和报告基因。PAI已在动物实验中显示出很大的潜力。血液中血红蛋白(Hb)和脱氧血红蛋白(dHb)比周围组织的光吸收率高，能产生足够的内源性对比，因此PAI对观察活体血液尤其有价值。PAI已被成功地用于测定小动物模型的脑CBF，最近研制的可穿戴系统可以无创性进行脑血管成像^[22]，同时PAI是研究中风、脑肿瘤、脑水肿、癫痫、创伤性脑损伤和炎症等脑疾病的新方法。过去十年光声技术的发展令人激动、产生了多种技术，尤其是光声断层PAT(即断面或三维PAI)^[23]。根据采用的空间分辨率不同，PAT可分为光学分辨光声显微成像(OR-PAM),声学分辨光声显微成像(AR-PAM)，光声计算机断层成像(PACT)和光声内镜成像(PAE),可用于研究包括从细胞器到整个器官等多种结构^[23]。PAT技术目前仍在发展中，尚未用于临床实践，其临床应用主要受限于颅骨的厚度，最近的研究显示该技术可用于无创性脑功能成像^[23]。

7   血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)分子成像

神经血管单位(NVU)是维持中枢神经功能的重要因素，由多种类型的细胞，包括神经元、血管细胞(内皮细胞、平滑肌细胞和周围细胞)和胶质细胞(星型胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞)共同构成。NVU中内皮细胞组成血脑屏障，限制物质进入脑以维持内环境稳态和正常功能。常见中枢神经系统疾病如中风、脑水肿、PD、AD以及癫痫的共同特点是BBB功能异常。文献^[24]详细描述了BBB转运系统和细胞功能图谱、基于蛋白质和RNA表达的数据以及测量生理学参数。内皮细胞的关键分子组分构成了BBB，是BBB的功能结构基础，包括：大分子转运物如葡萄糖转运物GLUT1；主要的促进物超家族支配蛋白2a(MFSD2a)；紧密结合复合体如Occuldin、以及结合性粘附分子C(JAM-C)。这些结构的作用在病理状态下改变了脑血管的完整性，现已经成为BBB分子成像的感兴趣靶点^[24]。评价BBB完整性所最广泛采用的成像方法是动态对比增强磁共振成像(DCE-MRI)，一直被用来评估病理状态下，包括脑外伤、血管性认知损害、多发性硬化、AD、脑肿瘤和中风时BBB的通透性^[25]。未来的研究重点是研发更新、更先进的神经成像技术和分子标记物，以阐明其是否可以作为BBB功能异常状态下可靠的诊断和/或预后工具。

8  转基因动物模型的血管生物学

近年来成像技术的进步与组织清理方法相结合，促进了不需要切层的容积成像技术的发展，能以足够的分辨率获得动物在发育和疾病状态下的器官血管甚至整个动物的活体成像数据。对于新的显微成像技术而言，必须对转基因动物模型发育过程中的特定蛋白质或血管细胞进行荧光标记。活体血管成像迄今为止最适合的动物模型是斑马鱼。通过检测用荧光探针标记的几个转基因小鼠株系的血管细胞，包括内皮细胞、淋巴内皮细胞以及周围细胞，极大地提高了我们对血管腔形成、血管生成发芽、重塑、细胞增殖以及血细胞循环等关键血管生理过程的认识。此外还发展了其他转基因株系用来观察不同的细胞器或亚细胞结构。除了荧光报告小鼠以外，还有联合的研究，如针对中枢神经系统基因表达的类型进行成像的基因表达神经系统图谱(GENSAT)项目，目前已经建立了一些转基因小鼠株系^[26-27]。

9   脑图谱

目前脑图谱有印刷版、电子版、网络版，一些甚至出现在移动平台，脑图谱可用于神经科学的研究、教育及临床等所有领域。全球实验室每天产生大量脑成像数据，这些数据通过很多途径已列入公共数据库，可以找到全球最新的脑研究方法。近年来技术的进步，如样本制备、光学技术、定量2D和3D分析、以及高性能计算等，促进了脑成像新方法的发展，并陆续出版了小鼠、成人和胚胎期人脑的基因表达图谱、以及产前和产后恒河猴脑发育的高分辨转录图谱^[28]。

综上所述，一些现代影像学技术可以在单个分子、血管到全部脑组织水平来研究脑，具有前所未有的潜力。其中大多数技术是无创性的，可动态监测脑血管异常、评估BBB完整性、理解疾病过程以及评估不同治疗方法的效果，已成为科研及临床工作中越来越重要的工具。但每一项技术在费用、可靠性、时间和空间分辨率以及限度等方面都有其优势和劣势。认识这些成像技术有助于我们更好地理解正常和病理状态下脑的结构与功能。

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