Визуализация стенок внутричерепных сосудов с помощью 7т мрт
Для диагностики патологических изменений стенок внутричерепных артерий при таких заболеваниях, как атеросклероз или болезнь Мойа-Мойа необходим метод визуализации, позволяющий отобразить эти стенки. При проведении традиционной внутриартериальной цифровой субтракционной ангиографии или магнитно-резонансной ангиографии (МРА) патологические изменения стенок внутричерепных сосудов можно заподозрить только при наличии сужения просвета артерии. Тем не менее, по результатам изучения атеросклероза экстракраниальных сосудов известно, что из-за ремоделирования артерий диаметр просвета может не изменяться даже на фоне прогрессирующего утолщения стенки сосуда. В связи с этим использование основанных на люминографии методов может привести к недооценке наличия патологии внутричерепных артерий. Другим фактором, осложняющим выявление патологических изменений внутричерепных артерий при проведении визуализации с помощью современных методов, является малый диаметр внутричерепных сосудов, составляющий 2–3 мм в проксимальных отделах и менее 1 мм — в дистальных.
Метод визуализации, используемый для выявления аномалий стенок артерий, также должен позволять визуализировать неизмененную сосудистую стенку. Это облегчает дифференцировку между здоровыми и пораженными сосудами. При проведении визуализации с помощью традиционных подходов к МР-диагностике можно обнаружить только патологические состояния, такие как утолщение стенок внутричерепных сосудов при васкулите. На сегодняшний день только в 5 исследованиях были предприняты попытки визуализировать стенку внутричерепных сосудов у здоровых людей и пациентов с помощью МР-сканера с силой поля 3 Тл. В этих исследованиях четко продемонстрировали наличие патологических изменений стенок внутричерепных сосудов, однако при отображении здоровых стенок сосудов возникали затруднения, связанные в основном с отсутствием контраста между окружающими тканями и спинномозговой жидкостью.
Цель настоящего исследования заключалась в разработке метода МР-диагностики для визуализации стенок внутричерепных артерий даже в отсутствии патологических изменений. Для получения изображений высокого разрешения с достаточной чувствительностью МРТ выполняли на сканере при напряженности магнитного поля 7 Тл. Разработанную МР последовательность испытали в пилотном исследовании с участием здоровых добровольцев и пациентов, у которых была велика вероятность обнаружения патологии стенки внутричерепных сосудов.
Материалы и методы
Последовательность для визуализации стенок внутричерепных сосудов
Визуализацию проводили на МРТ сканере для всего тела с силой магнитного поля 7 Тл с 16-канальной приемной катушкой и объемной приемопередающей катушкой для трансмиссии. Разработали волюметрическую 3-D турбо спин-эхо (TSE) последовательность в режиме инверсия-восстановление, в которой импульс инверсии использовали для подавления сигнала спинномозговой жидкости с целью повышения контраста со стенкой сосуда. МР-сигнал от венозной крови регистрировали благодаря сохранению потока спинов между возбуждением и переориентацией в цуге TSE. Применяли специальную, рефокусирующую спины последовательность с низкими и изменяющимся углами импульсов. Углы для последовательности рассчитали в соответствии с подходом, описанным R.F. Busse, оптимизированным для получения постоянного ответного сигнала во время считывания, следовательно, четкой функции точечного рассеяния с низкими углами переориентации. Углы были рассчитаны таким образом, чтобы получить интервал между эхо-сигналами в 4,7 мс, цуга из 116 эхо, со временем T1/T2, составившим 2500/50 мс минимального FA 15 градусов и максимального FA 90 градусов. Использование небольших FA привело к высокой чувствительности к кровотоку, что способствовало визуализации венозной крови. Кроме того, малые FA привели к ограничению удельного коэффициента поглощения при серийной переориентации спинов. Из-за различной ориентации сосудов и ветвей Виллизиева круга, для улучшения качества изображения стенки сосуда, независимо от ориентации сосуда использовали изотропные вокселы. Наконец, для улучшения соотношения “сигнал-шум” при визуализации сосудистой стенки до инверсии выполняли подготовку намагниченности, что приводило к насыщению тканей с короткими временем T2 по сравнению со временем Т2 цереброспинальной жидкости. В отношении тканей последовательность имеет тип “насыщение-восстановление”, а не “инверсия-восстановление”, что, следовательно, увеличивает сигнал от сосудистой стенки при получении изображения.
Для этой TSE последовательности в режиме инверсия-восстановление с подготовкой намагниченности (MPIR) использовали следующие параметры сканирования: FOV 220×180×13 мм3 в аксиальной плоскости, разрешение 0,8×0,8×0,8 мм3 (0,5 мкл), турбо-фактор 116 (в т.ч. 4 цикла перезапуска), TR 6050 мс, TI 1770 мс, TE 23 мс, время подготовки намагниченности 250 мс без использования технологии SENSE; выполняли 2 усреднения во избежание артефактов сигнала свободной индукции. Продолжительность сканирования составляла в среднем 12 минут.
Для возможного отображения накопления в зоне поражения всем пациентам вводили гадолинийсодержащий контрастный препарат в дозе 0,1 мл/кг и регистрировали данные о состоянии стенки сосудов до и через 5 минут после введения контраста.
Ангиографическая последовательность
Для подтверждения факта визуализации сосудов на MPIR-TSE изображениях в протокол сканирования добавили 3D-время-пролетную МРА в последовательности быстрое полевое эхо со следующими параметрами: поле зрения 180×180×110 мм3 в аксиальной плоскости, разрешение 0,4×0,5×0,6 мм3, TR 22 мс, TE 2,5 мс, FA 25о, ширина полосы пропускания приемника 202 Гц/пиксель, и продолжительность сканирования ≈ 10 минут.
Постпроцессинг и оценка данных
MPIR-TSE изображения были проанализированы на автономной рабочей станции 2 экспертами, которые пытались визуализировать стенки сосудов основных артерий Виллизиева круга и его ветвей. 3В-формат с изотропным разрешением позволил создать несколько реконструкций в зависимости от ориентации сосуда, которые использовали для оценки стенок сосудов и возможных их повреждений. Данные время-пролетной МРА использовали для подтверждения факта визуализации сосудов на MPIR-TSE изображениях. Для оценки контрастного усиления (локального) стенки сосуда MPIR-TSE изображения после введения гадолиния регистрировали и субтрагировали из них преконтрастные изображения с жестким учетом объема сходной информации с частичной объемной интерполяцией (32 элемента; выборочные факторы: х=4, у=4, z=1).
После получения до- и постконтрастных изображений проводили субтракцию для визуализации только зон с контрастным усилением. После получения субтракционных изображений преконтрастные и постконтрастные изображения вместе с субтракционными изображениями загружали в просмотровую программу, которая позволяла проводить прямое сопоставление зон контрастного усиления и анатомических изображений соответствующих участков сосудистых стенок. Чтобы убедиться в нормальном усилении оценивали степень контрастного усиления воронки гипофиза на изображениях, полученных в результате субтракции.
Выборка исследования
Последовательность протестировали на здоровых добровольцах и пациентах с высокой вероятностью наличия патологических изменений стенок внутричерепных сосудов. Проведенное проспективное исследование было одобрено Комиссией по биомедицинской этике университетского медицинского центра в Утрехт (Нидерланды). Все пациенты дали письменное информированное согласие. Здоровых добровольцев без известных сердечно-сосудистых заболеваний набрали для участия в исследовании с помощью рекламных плакатов, размещенных в университетском медицинском центре в Утрехте в ноябре и декабре 2009 г. В дальнейшем среди всех пациентов, последовательно поступавших на лечение в отделение неврологии Университетского медицинского центра в Утрехте по поводу ишемического инсульта или транзиторной ишемической атаки (ТИА) в каротидном бассейне в период с декабря 2009 по январь 2011 г., проводили скрининг на предмет включения в настоящее исследование. Из исследования исключили пациентов, которым было противопоказано проведение МРТ по причине тяжелого клинического состояния, а также здоровых добровольцев и пациентов с противопоказаниями к проведению МРТ на томографе с силой магнитного поля 7 Тл (клаустрофобия, металлические предметы в или на теле) и пациентов с известной аллергической реакцией на гадолинийсодержащие контрастные препараты или с нарушением функции почек.
Результаты
Семь здоровых добровольцев (трое мужчин, средний возраст 30 лет – от 20 до 55 лет) без известных сердечно-сосудистых заболеваний включили в исследование и провели МРТ с использованием MPIRTSE последовательности. У всех добровольцев визуализировали стенку в дистальном отделе внутренней сонной артерии, основной артерии, M1 сегмента средней мозговой артерии, А1 сегмента передней мозговой артерии, и P1 сегмента задней мозговой артерии на всем их протяжении. Кроме того, у большинства лиц можно было визуализировать сосудистую стенку более мелких A2, M2 и P2 ветвей передней мозговой артерии, средней мозговой артерии и задней мозговой артерии соответственно и проследить ее на всем их протяжении по MPIR-TSE изображениям. Было трудно отличить сосудистую стенку этих мелких ветвей в случае их плотного прилегания к веществу головного мозга. Качество изображения сосудистой стенки не зависело от ориентации сосуда. Признаков грубых артефактов из-за низкого потока крови в серии TSE не было.
Обследование пациентов
В период с декабря 2009 по январь 2011 г. 344 пациента с ишемическим инсультом и 267 пациентов с ТИА в каротидном бассейне были госпитализированы в Университетский медицинский центр в Утрехте, из них 173 пациента исключили из исследования в связи с наличием противопоказаний к проведению МРТ и 226 пациентов – из-за тяжелого клинического состояния. В общей сложности в исследование включили 35 пациентов (18 мужчин, средний возраст 59 лет, диапазон от 26 до 83 лет), из которых у 16 был острый ишемический инсульт и у 19 пациентов — ТИА. Всем пациентам МРТ выполняли в течение 1 недели от момента появления симптомов инсульта. У 6 (17%) пациентов клинически диагностировали отличные от атеросклероза патологические изменения сосудов, лежащие в основе развития неврологического дефицита (болезнь Мойа-Мойа, синдром обратимой вазоконстрикции, другие васкулопатии неизвестной этиологии, фиброзно-мышечная дисплазия, диссекция стенки внутренней сонной артерии – 2 пациента). В 4 случаях не удалось выяснить причину развития ТИА или инсульта. У 3 пациентов из-за артефактов движения результаты МРТ сосудистой стенки были недостаточными для оценки качества.
Из 32 оставшихся пациентов, у которых можно было оценить состояние сосудистой стенки, у 21, а именно: у 10 (59%) из 17 пациентов с ТИА и у 11 (73%) из 15 пациентов с инсультом в последовательности MPIR-TSE выявили патологические изменения сосудистых стенок крупных внутричерепных артерий (передней мозговой артерии, средней мозговой артерии или задней мозговой артерии и их соответствующих крупных ветвей). Семь из 21 пациента имели только единичное локальное патологическое изменение сосудистой стенки, а в остальных 14 случаях обнаружили поражения внутричерепных сосудов множественной локализации; у 4 пациентов выявили 2 поражения, у 5 пациентов — 3 поражения и у 5 пациентов больше 3 поражений, всего – 52 поражения. Зоны поражения чаще всего представляли собой небольшие очаговые или более вытянутые утолщения сосудистой стенки артерий, иногда по всей окружности сосуда, и только в 14 из 52 случаев они приводили к сужению просвета артерии, что было продемонстрировано при проведении традиционной визуализации (время-пролетная МРА). Субтракция из постконтрастных MPIR-TSE изображений показала наличие контрастного усиления в 11 из 52 случаев поражений внутричерепных сосудов. У 14 из 21 пациента с поражениями внутричерепных артерий обнаружили участки поражения именно в той артерии, в бассейне кровоснабжения которой произошло учетное событие.
Обсуждение
В настоящем исследовании разработали 3В MPIRTSE МР последовательность для визуализации сосудистых стенок неизмененных внутричерепных артерий и внутричерепных артерий с возможными патологическими изменениями. На томографе с полем 7 Тл удалось получить изображения с высоким разрешением и достаточной чувствительностью для визуализации сосудистых стенок основных артерий Виллизиева круга у всех лиц, включая здоровых добровольцев.
До настоящего времени только в нескольких исследованиях удавалось отобразить сосудистые стенки внутричерепных сосудов с использованием МРТ. K. Niizuma и соавт. визуализировали сосудистую стенку средней мозговой артерии на томографе с полем 3 Тл у 3 пациентов, но не у здоровых людей. R.H. Swartz и соавт. выявили особенности контрастного усиления при различных патологических состояниях, таких как атеросклероз и воспаление стенок внутричерепных артерий на 3 Tл томографе в группе пациентов с более сложными патологическими изменениями, что могло привести к снижению вероятности визуализации здоровой стенки сосуда. C.W. Ryu и соавт. обнаружили, что в режиме “черная кровь” с различной взвешенностью на 3 Тл МРТ возможно охарактеризовать атеросклеротические бляшки. M.L. Li и соавт. и W.H. Xu и соавт. дифференцировали утолщение стенки, ремоделирование артерий и атеросклеротические бляшки на МР-томографе с силой поля 3 Тл на Т2-взвешенных изображениях у симптомных и асимптомных пациентов со стенозом средней мозговой артерии. Они использовали сравнительно толстые (2 мм) срезы, располагали их перпендикулярно ходу сосуда, что затрудняло визуализацию всего Виллизиева круга. Ни в одном из этих исследований не использовали подавление сигнала цереброспинальной жидкости для улучшения контраста с сосудистой стенкой и для предотвращения возможного истолкования сигнала от цереброспинальной жидкости, окружающей сосуд, как сигнала от сосудистой стенки.
В дальнейшей разработке последовательности с целью визуализации сосудистой стенки использовали томограф с силой поля 7 Тл. Отношение “сигналшум” при силе поля 7 Tл выше, чем при более низкой силе поля, однако визуализация сосудистых стенок внутричерепных сосудов остается сложной задачей. Сосуды Виллизиева круга расположены в разных плоскостях, что исключает использование толстых срезов перпендикулярно оси сосуда, которые, как правило, используют при визуализации стенки сонных артерий. Во-вторых, неоднородность поля при его силе в 7 Тл приводит к уменьшению угла поворотов спинов в затылочной и височной долях головного мозга, затрудняя обнаружение небольших артерий, расположенных на периферии. Тем не менее этот факт не был сдерживающим для визуализации сосудов Виллизиева круга. В-третьих, для 7 Тл системы не существует передающих катушек для тела, поэтому нельзя использовать неселективный инвертирующий импульс в последовательности “черная кровь” с двойной инверсией.
В последовательности MPIR-TSE мы использовали эффект восприимчивости к притекающим спинам на TSE для визуализации крови в режиме “black blood” ввиду сохранения тока крови между возбуждающим и рефокусирующим импульсами в цуге TSE. Результаты настоящего исследования демонстрируют возможность визуализации поражений сосудистых стенок и неизмененных стенок внутричерепных сосудов при использовании последовательности MPIR-TSE. Мы добились лучшей визуализации артерий, окруженных спинномозговой жидкостью, таких как основные ветви Вилизиева круга, в связи с применением в этой последовательности подавления сигнала от цереброспинальной жидкости. Это особенно полезно у пожилых людей, поскольку при атрофии головного мозга большее количество цереброспинальной жидкости окружает артерии. У большинства (66%) пациентов в настоящем исследовании выявили ≥1 поражения крупных внутричерепных артерий. Согласно результатам традиционной время-пролетной МРА, только 27% поражений (14/52) привели к стенозу сосудов. Таким образом, большинство поражений, наверное, не удалось бы обнаружить при использовании методов, основанных на люминографии. У некоторых пациентов обнаружили поражения сосудистых стенок артерий, контралатеральных относительно артерии, поражение которой привело к появлению неврологических симптомов. Это означает, что повреждения не всегда напрямую связаны с ишемическим событием. Большое количество патологических изменений внутричерепных сосудов, вероятно, отражает наличие и тяжесть более генерализованного поражения сосудистых стенок. Высказано предположение, что представленный метод позволит изучить связь между патологическими изменениями сосудистых стенок внутричерепных артерий и ТИА или ишемическим инсультом, например в клинических продольных исследованиях. В связи с этим последовательность MPIR-TSE также можно использовать в качестве минимально инвазивного дополнения к современным диагностическим методам визуализации для выявления патологических изменений сосудистых стенок внутричерепных артерий, таких как атеросклероз или болезнь Мойа-Мойа.
Данное исследование имеет некоторые ограничения. Во-первых, выполнили МРТ только небольшому числу здоровых добровольцев. Проведение обследования бoльшему числу лиц без известных сердечно-сосудистых заболеваний позволит лучше распознавать патологические изменения сосудистой стенки и нормальную стенку сосуда и облегчит определение необходимого референсного стандарта толщины сосудистой стенки. У пожилых здоровых добровольцев стенки сосудов более четко визуализировались, чем у более молодых добровольцев. На основании современных данных невозможно точно определить, является ли это следствием нормального старения стенки сосуда или бессимптомной патологией сосудистой стенки. Во-вторых, в повседневной клинической практике широкому использованию МРТ в магнитном поле 7 Тл, по-прежнему, мешают строгие правила безопасности, в связи с чем в настоящее время последовательность MPIR-TSE можно применять только у ограниченного числа пациентов. В данном исследовании только немногим пациентам можно было выполнить сканирование из-за этих правил техники безопасности. Можно предположить, что с техническими усовершенствованиями, такими как увеличение числа принимающих элементов в катушке для головы при более низкой силе магнитного поля можно будет добиться улучшения отношения “сигнал-шум” до такого уровня, что в будущем при силе магнитного поля в 1,5 Тл и 3,0 Тл появится разрешение, необходимое для визуализации сосудистой стенки с использованием MPIR-TSE или других последовательностей. В-третьих, в исследовании использовали МРТ последовательность с малым покрытием (т.е. поперечные срезы 13 мм) и относительно продолжительным временем сканирования (≈12 минут). Из-за малого покрытия не всегда удавалось визуализировать мелкие ветви основных артерий Виллизиева круга на всем их протяжении. Увеличение покрытия приводит к удлинению периода обследования, продлевая время, в течение которого пациенты должны лежать неподвижно. Тем не менее большинство пациентов хорошо перенесли обследование с минимальным числом артефактов движения. Более того, даже при небольшом охвате крупные внутримозговые артерии Виллизиева круга будет возможно оценить в полном объеме.
Выводы
В заключение, у здоровых добровольцев и у пациентов с ишемическим инсультом и ТИА при проведении МР-томографии на сканере с силой магнитного поля 7 Тл в последовательности MPIR-TSE можно визуализировать стенки внутричерепных сосудов и их патологические изменения. Использование этой последовательности при нейровизуализации позволяет более подробно изучить роль патологических изменений стенок внутричерепных сосудов при инсульте и ТИА.
Источник
2. Stiel G.M., Stiel L.S., Schofer J., Donath K., Mathey D.G. Impact of compensatory enlargement of atherosclerotic coronary arteries on angiographic assessment of coronary artery disease. Circulation. 1989;80:1603–1609.
3. Kiechl S., Willeit J. The natural course of atherosclerosis. Part II: vascular remodeling Bruneck Study Group. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 1999;19:1491–1498.
4. Chimowitz M.I., Lynn M.J., Howlett-Smith H., Stern B.J., Hertzberg V.S., Frankel M.R., et al. Comparison of warfarin and aspirin for symptomatic intracranial arterial stenosis. N Engl J Med. 2005;352:1305–1316.
5. Bash S., Villablanca J.P., Jahan R., Duckwiler G., Tillis M., Kidwell C., et al. Intracranial vascular stenosis and occlusive disease: evaluation with CT angiography, MR angiography, and digital subtraction angiography. AJNR Am J Neuroradiol. 2005;26:1012–1021.
6. Kasner S.E., Chimowitz M.I., Lynn M.J., Howlett-Smith H., Stern B.J., Hertzberg V.S., et al. Predictors of ischemic stroke in the territory of a symptomatic intracranial arterial stenosis. Circulation. 2006;113:555–563.
7. Nguyen-Huynh M.N., Wintermark M., English J., Lam J., Vittinghoff E., Smith W.S., et al. How accurate is CT angiography in evaluating intracranial atherosclerotic disease? Stroke. 2008;39:1184–1188.
8. Muhlenbruch G., Das M., Mommertz G., Schaaf M., Langer S., Mahnken A.H., et al. Comparison of dual-source CT angiography and MR angiography in preoperative evaluation of intra- and extracranial vessels: a pilot study. Eur Radiol. 2010;20:469–476.
9. Aoki S., Hayashi N., Abe O., Shirouzu I., Ishigame K., Okubo T., et al. Radiation-induced arteritis: thickened wall with prominent enhancement on cranial MR images report of five cases and comparison with 18 cases of Moyamoya disease. Radiology. 2002;223:683–688.
10. Lam W.W., Wong K.S., So N.M., Yeung T.K., Gao S. Plaque volume measurement by magnetic resonance imaging as an index of remodeling of middle cerebral artery: correlation with transcranial color Doppler and magnetic resonance angiography. Cerebrovasc Dis. 2004;17:166–169.
11. Klein I.F., Lavallee P.C., Touboul P.J., Schouman-Claeys E., Amarenco P. In vivo middle cerebral artery plaque imaging by highresolution MRI. Neurology. 2006;67:327–329.
12. Kuker W., Gaertner S., Nagele T., Dopfer C., Schoning M., Fiehler J., et al. Vessel wall contrast enhancement: a diagnostic sign of cerebral vasculitis. Cerebrovasc Dis. 2008;26:23–29.
13. Niizuma K., Shimizu H., Takada S., Tominaga T. Middle cerebral artery plaque imaging using 3-Tesla high-resolution MRI. J Clin Neurosci. 2008;15:1137–1141.
14. Swartz R.H., Bhuta S.S., Farb R.I., Agid R., Willinsky R.A., Terbrugge K.G., et al. Intracranial arterial wall imaging using high-resolution 3-tesla contrast-enhanced MRI. Neurology. 2009;72:627–634.
15. Ryu C.W., Jahng G.H., Kim E.J., Choi W.S., Yang D.M. High resolution wall and lumen MRI of the middle cerebral arteries at 3 tesla. Cerebrovasc Dis. 2009;27:433–442.
16. Li M.L., Xu W.H., Song L., Feng F., You H., Ni J., et al. Atherosclerosis of middle cerebral artery: evaluation with high-resolution MR imaging at 3T. Atherosclerosis. 2009;204:447–452.
17. Xu W.H., Li M.L., Gao S., Ni J., Zhou L.X., Yao M., et al. In vivo high-resolution MR imaging of symptomatic and asymptomatic middle cerebral artery atherosclerotic stenosis. Atherosclerosis. 2010;212:507–511.
18. Busse R.F., Hariharan H., Vu A., Brittain J.H. Fast spin echo sequences with very long echo trains: design of variable refocusing flip angle schedules and generation of clinical T2 contrast. Magn Reson Med. 2006;55:1030–1037.
19. Visser F., Zwanenburg J.J., Hoogduin J.M., Luijten P.R. High-resolution magnetization-prepared 3D-FLAIR imaging at 7.0 Tesla. Magn Reson Med. 2010;64:194–202.
20. Maes F., Collignon A., Vandermeulen D., Marchal G., Suetens P. Multimodality image registration by maximization of mutual information. IEEE Trans Med Imaging. 1997;16:187–198.
21. Ay H., Furie K.L., Singhal A., Smith W.S., Sorensen A.G., Koroshetz W.J. An evidence-based causative classification system for acute ischemic stroke. Ann Neurol. 2005;58:688–697.
22. Watanabe Y., Nagayama M. MR plaque imaging of the carotid artery. Neuroradiology. 2010;52:253–274.
23. Weintraub H.S. Identifying the vulnerable patient with rupture-prone plaque. Am J Cardiol. 2008;101:3F–10F.
24. Homma S., Hirose N., Ishida H., Ishii T., Araki G. Carotid plaque and intima-media thickness assessed by b-mode ultrasonography in subjects ranging from young adults to centenarians. Stroke. 2001;32:830–835.