用于周围动脉磁共振血管成像的临床新技术及自制USPIO对比剂的初步研究

论文摘要

第一部分大孔径3.0T低剂量钆喷替酸葡甲胺行高分辨周围动脉MRA成像的临床研究目的本研究使用低剂量（0.15mmol/kg）钆喷替酸葡甲胺（Gadopentetate dimeglumine, Gd-DTPA）、高加速因子的并行采集技术在患有周围动脉闭塞性疾病（peripheral arterial occlusive disease, PAOD）的病人中行高分辨周围动脉三维对比剂增强磁共振血管成像（3-dimensional contrast-enhanced magnetic resonance angiography,3D CE MRA）,探讨在大孔径3.0T磁共振仪中,使用该技术方案诊断周围血管病变、降低Gd对比剂用量的可行性。材料与方法1、22例在我院诊断为PAOD的患者被纳入研究,其中临床症状表现为间歇性跛行的病例13例；肢端静息痛或夜间痛的6例；出现足部溃疡或坏疽的3例。2、全部患者皆完成周围动脉CE MRA和数字剪影血管造影（digital subtraction angiography,DSA）检查。周围动脉磁共振血管成像采用自动移床技术,一般分3段进行数据采集,第一段包括腹盆部,第二到三段囊括大腿到小腿的全部血管范围。由于本研究所用磁共振仪单段扫描野磁体长轴方向的覆盖范围为400mm,所以对于部分病人3段式扫描不能完全覆盖周围血管范围,需在足侧加扫第四段,第四段所用磁共振序列参数与第三段完全相同。所用血管成像序列为可供三维重建的快速小角度激发序列（fast low angle shot, FLASH）,各段序列参数为：重复时间（time of repetition, TR）,2.89-3.16ms;回波时间（time of echo,TE）,1.05-1.19ms；盆腔、大腿及小腿段的像素尺寸（voxel size, VS）分别为1.3×1.3×1.3、1.1×1.0×1.1及0.9x0.9x0.9mm3；扫描野（field of view, FOV）分别为362.5×400、362.5×400及350×400 mm2；并行采集技术的加速因子为3-4。对比剂Gd-DTPA用量为0.15mmol/kg。全部病人在完成磁共振检查后根据CE MRA图像进行了单侧下肢动脉病变处的DSA检查。3、CE MRA各FOV的图像质量及信噪比（signal noise ratio, SNR）、对比噪声比（contrast noise ratio, CNR）的评估测量由一名医师独立完成,其中图像质量由低到高分为四级（1,未能显示；2分,部分血管段未能显示；3分,轻度静脉影,不影响诊断；4分,图像质量佳）。当FOV的图像质量被评为1-2分时,FOV内不能诊断的血管段及影响诊断的原因将被记录,这些被记录的血管段将不参与后继的评估。SNR及CNR分别按下述公式计算：SNR=SIa/Sdn和CNR=（SIa-SIm）/Sdn。上述两公式中SIa为增强后每一FOV中央区域动脉的信号强度；SIm为邻近肌肉组织信号,Sdn为体外背景区域内感兴趣区（region of interest,ROI）信号的标准差（ROI大小为40-60像素）。各血管段的病变程度被分成轻度狭窄（<50%）、严重狭窄闭塞（≥50%）两类。若遇同一节段血管有多处病变则记录最严重的病变。CE MRA图像显示的病变由两名年资不等的放射科医师（观察者1和观察者2）分别评估。对有DSA图像的血管段,一名医师按前述血管狭窄程度分级标准对其进行分类。4、根据数据类型及分布情况,各部位的图象质量间的差异选用非参数检验进行比较,而方差分析被用来比较各部位SNR、CNR是否有统计学差异,若有差异则进一步使用最小显著差法进行两两比较。当P值小于0.05时,认为差异具有统计学意义。对于两名医师（观察者1和观察者2）评估动脉病变狭窄程度的一致性,则通过计算Kappa值得到。此外,对DSA和MRA图像皆可用的血管段,比较两种技术显示血管病变的结果,并用Spearman相关系数（Spearma rank correlation coefficient, Rs）判断CE MRA和DSA的相关性。结果1、22例病人完成全部磁共振检查和DSA检查,3例病人使用四段式扫描覆盖全周围血管范围,扫描时间由三段扫描的42s增加至60s。2、MRA图像质量评分为3.52±0.61,不能评估的8段血管均来自小腿段。盆腔、大腿及小腿各扫描段进行图像质量比较时,未见明显统计学差异（P=0.27,>0.05）。3名采用4段式扫描完成检查的病例,各FOV图像质量均达诊断标准（评分为3或4分）。SNR和CNR分别为148.11±60.07及133.18±57.48。各扫描段间SNR及CNR的差异具有统计学意义（P=0.04和0.02,P<0.05）,进行两两比较时,盆腔及大腿段SNR和CNR无明显统计学差异（P=0.95和0.78,>0.05）,而小腿段SNR和CNR皆低于其余两段。3、两名医师分别对498段血管进行病变狭窄程度的评估,两者的评估结果在489段（489/498,98.19%）中达到一致,具有极佳的一致性（Kappa=0.96）。4、181段血管的DSA及CE MRA图像均达诊断要求。观察者1的评估结果中161段（88.95%）检查结果与DSA相符,CE MRA与DSA之间具有明显的相关性（Rs=0.78,P=0.00<0.05）；观察者2对CE MRA的评判结果中160段（88.40%）与DSA相符,两之间具有明显的相关性（Rs=0.76,P=0.00<0.05）。结论1、虽然大孔径3.0T扫描仪磁体长轴覆盖范围较短,可能需要额外的扫描段来覆盖全下肢范围,但由于高加速因子的并行采集技术大大缩短单段FOV扫描时间,所以使用本方案注入对比剂后,可迅速完成3-4段的CE MRA扫描,故在此类高场磁共振仪中,仍可使用低剂量Gd-DTPA完成高分辨率的周围动脉CE MRA成像。2、使用高加速因子的并行采集技术后,本研究所得CE MRA图像质量好,空间分辨率高,对病变程度判定的观察者间一致性佳,且CE MRA结果与DSA检查密切相关。3、与盆腔及大腿段相比,小腿段SNR和CNR较低且仍有静脉重叠影响观察；在后继研究中可联合其他新技术,进一步提高小腿段的图像质量。第二部分3.0T磁共振新鲜血成像和对比剂增强技术膝下动脉成像的自身对照研究目的在3.0 T磁共振仪中,使用新的非对比剂增强磁共振血管成像（unenhanced magnetic resonance angiography, UE MRA）技术---新鲜血成像（fresh blood imaging, FBI）技术进行膝下动脉成像,分析评估的图像质量、显示病变程度及可见的开放血管长度,并以CE MRA及DSA的结果作为标准,进行自身对照研究,以对该FBI技术的临床可行性进行探讨。材料与方法1、共入组64例因怀疑患有PAOD被推荐进行周围动脉CE MRA检查的病例。有8例病例合并心率失常,余心率皆齐（78.77次/分±13.69）。2、在3.0T磁共振仪上按下述顺序进行了MRA检查：小腿段UE MRA、小腿段时间分辨率对比剂增强磁共振血管成像（time-resolved CE MRA, TCE）及周围动脉区域团注追踪对比剂增强磁共振血管成像（bolus-chase CE MRA, BCE）。其中FBI技术使用序列为可进行三维重建的心电门控部分傅立叶快速自旋回波（electrocardiography-gated partial-fourier fast spin echo sequence, ECG-gated FSE）序列,由于在此序列图像中动脉血流信号呈周期性变化,故分别采集的舒张期和收缩期周围动脉血流数据,然后运用剪影技术可去除背景信号,获得高分辨且无静脉污染的动脉图像。3、完成全部MRA检查后,分别对各段血管图像质量、病变程度及可见血管长度进行评估。其中图像质量由低到高分为四级（1分,未显示任何血管；2分,能部分显示,但诊断信心不足；3分,显示清晰；4分,质量佳）,评分为1、2分者不能参与其后评估。将血管病变情况分为正常、轻度狭窄（狭窄程度小于50%）、重度狭窄（51%—99%）及闭塞四类,而可见的开放血管长度分为三类：可见血管长度为预期正常血管长度的50%-100%；可见血管长度为预期血管的1%-49%和评估区域未显示任何血管。所有磁共振序列的图像以盲法进行评估,评估由两名放射科医师共同完成,如两人意见不统一,第三名医师将参与读片,以达成共识。当BCE图像质量不足以判断局部动脉病变时,将结合TCE的图像判断血管病变和可见血管长度。完成MRA检查后,有10例病人进行了单侧下肢DSA的检查,全部DSA的图像由一名医师进行评估,在这些病人中,以DSA作为金标准,将显示的血管病变分成轻度狭窄（狭窄程度<50%）、严重狭窄闭塞（≥50%）,分别计算对比剂增强和非对比剂增强磁共振检查结果的敏感度、特异度、阳性预期值（positive predictiove value, PPV）和阴性预期值（negative predictiove value, NPV）。4、对UE MRA和BCE的图像质量使用配对秩和检验进行比较；计算Kappa值以判断UE MRA和BCE/TCE显示的动脉病变狭窄程度及可见开放血管长度的一致性；以DSA为金标准,分别计算UE MRA和BCE/TCE的敏感度、特异度、PPV和NPV,使用确切概率法比较两种技术间敏感度和特异度的差异。当P<0.05时,差异具有统计学意义。结果1、64例病例中有6I例完成全部磁共振检查,对于UE MRA,960段评估血管中有852段血管（88.75%）的图像质量达到诊断要求,与BCE相比,两者图像质量没有统计学差异（P=0.054>0.05）。在8例患有心率不齐的病例中,仅有21段（17.5%）血管图像质量低于诊断标准,其他血管段图像质量均较好（评分为3-4分）。2、共852段血管参与病变狭窄程度和开放血管长度的评估,UE MRA和BCE/TCE显示结果的一致性均好（Kappa值分别为0.77,0.75）。如以BCE/TCE作为标准,有98段（11.50%）血管病变被UE MRA过高估计；而在可见血管长度的评估中,CE MRA在59段（6.92%）血管段中显示了更长的开放血管。3、DSA检查共提供了63段小腿段血管图像, UE MRA检查中有55段（87.31%）的显示结果与DSA相符,其敏感性、特异性、PPV和NPV分别为91.89%、80.77%、87.18%和87.50%。对于以DSA为标准计算的敏感度和特异度,非对比剂增强和对比剂增强技术组间无明显统计学差异（P值分别为0.63和1；P>0.05）。结论1、在3.0T磁共振中,可使用最新的FBI技术对膝下动脉进行高分辨率成像。此技术成像时无需外源性对比剂,所获图像质量与CE MRA相近,能可靠地显示各类狭窄闭塞性动脉病变及开放的血管,同时具有较高的敏感度和NPV。2、由于该非对比剂增强技术在成像过程中需依赖血流信号在心动周期内的节律性变化,所以与CE MRA相比较,在患有严重周围血管病变及快速心率失常的病例中,其成功率仍有待提高。3、FBI技术无需额外剂量的对比剂,并能提供高分辨率且无静脉干扰的纯动脉图像,目前,在行周围动脉CE MRA时可作为小腿段动脉成像的补充,也可用于PAOD及肾源性系统性硬化（nephrogenic systemic fibrosis,NSF）高危人群血管病变的筛查。目的在1.5T及3.0Tl临床磁共振仪上测量并计算两种自制超微超顺磁氧化铁（ultrasmall superparamagnetic iron oxide, USPIO）粒子的纵向弛豫率（longitudinal relaxivity, R1）及横向弛豫率（transverse relaxivity, R2）,并与Gd-DTPA、SH U 555 C相比较,探讨在不同磁场下各对比剂弛豫率的变化特点。材料及方法1、Gd-DTPA及SH U 555 C均购自拜耳先灵公司。两种自制USPIO中,一种为使用新的微波多元醇合成法制成的聚丙烯酸包覆的氧化铁磁性纳米粒子（poly acrylic acid coated Fe3O4 magnetite nanoparticles, PM）,其粒径小而均一,毒性小,另一种为将PM经过两性离子表面修饰后所得到的两性离子化的纳米粒子（zwitterionic magnetite nanoparticles, ZM）。修饰后粒子ZM的等电点在PH=8附近,而PM的等电点低于3.5,PH在7.34-7.45时,PM的Zeta电位大于-17.5,而ZM表面仅带有少量的正电荷,2小时内不易被巨噬细胞吞噬。2、将Gd-DTPA、SH U 555 C和两种自制USPIO粒子制成不同浓度的纯水溶液,室温下在1.5及3.0T磁共振仪中进行扫描,两磁场内所用测定弛豫时间的序列完全相同。测定纵向弛豫时间（longitudinal relaxation time, T1）时,使用序列为反转恢复（inversion-recovery turbo spin-echo, IR TSE）序列,此序列TR和TE固定,而反转时间（time to inversion, TI）不断改变（分别为50,100,200,300,400,500,600,800,1000,1200,1400,1800,2000,2200ms）,完成扫描后,可使用不同TI得到各对比剂溶液图像,其后在每一试管区画制的55-65像素的ROI,测量不同TI序列条件下各浓度对比剂溶液的信号。横向弛豫时间（transverse relaxation time, T2）使用FSE序列测定,扫描时TR固定,而TE不断改变（10.2,20.4,30.6,40.8,51,61.2,71.4,81.6,91.8,102,112.2,122.4,132.6,142.8,153,163.2 ms）,经扫描后,可得到不同TE时间的图像。3、不同浓度对比剂的T1时间的计算如下：使用IR FSE序列时,纵向弛豫时间与TI及相应TI所获对比剂溶液的信号间关系如下列方程所示：M （TI）=A*（1-B*exp（-TI/T1）+exp（-TR/T1））TI为反转时间,M（TI）为不同TI时对比剂溶液的信号强度,A、B为常数,A、B及T1均由数学软件Mathcad 15 （PTC, Needham, USA）拟合获得。不同对比剂浓度所对应的T2可通过磁共振仪自带软件获得,具体方法如下：使用磁共振自带T2图软件处理不同TE时间的图像,可获得T2图,测量T2图中每一试管区的值,即可直接获得各浓度对比剂的T2。4、以对比剂的浓度为横坐标,相应浓度对比剂溶液的弛豫时间的倒数为纵坐标,进行直线回归分析,所得回归系数即为R1和R2。结果1、在1.5T磁场中,Gd-DTPA的R1在四种对比剂中最低（3.12 mM·s-1）；余三种铁剂的R2由低到高依次为ZM（9.29 mM·s-1）、PM（9.85 mM·s-1）及SH U 555 C（10.31mM·s-1）,而R2及R2/R1比值由低到高的顺序与R1的顺序一致。2、在3.0T磁场中,纵向和横向弛豫率由高到低的顺序为PM、ZM、SH U 555C及Gd-DTPA,而R2/R1比值以SH U 555 C对比剂最高,ZM、PM次之,而Gd-DTPA最低为1.14 mM·s-1。3、与1.5T相比,3.0T中四种对比剂的R1皆下降,但Gd-DTPA下降程度最较小；ZM的R2在3T中略升高,而余三种对比剂的R2皆随场强上升而下降,SH U555 C下降最明显；关于R2/RI比值,与1.5T相比,3.0T中除Gd-DTPA下降外,余三种USPIO类对比剂的比值都上升。结论1、经测定,Gd-DTPA虽然R1较低,但其R2/R1最小,同时,随磁场上升R2/R1下降,所以与1.5T相比,Gd-DTPA在3.0T中更具优势。2、与1.5T相比,SH U 555 C在高场中,R1值下降,R2/R1值上升,自制微波多元醇合成法所获磁性铁颗粒粒子（PM与ZM）体外弛豫率在两磁场内有与之相同的变化趋势。3、本研究显示,在两磁场中,自制USPIO的R1比同类USPIO对比剂（SH U555 C）高,而R2/R1较SH U 555 C低,其体外弛豫特性使其更适合在1.5及3.0T中成像；同时,其他研究者提供的数据显示,与PM相比,经过两性离子表面修饰后的ZM更不易被巨噬细胞清除,这一特点可延长ZM的血液半衰期。结合上述因素,由于ZM同时具有良好的体外弛豫特性和低巨噬细胞吞噬率的特征,所以具有重大的潜在应用价值,可进一步用于行动物体内成像研究。二1.5T、3.0T Gd-DTPA.SH U 555 C和两性离子修饰后USPIO粒子兔体内首过及平衡期血管成像研究目的在1.5及3.0T下,将自行研制的血池型纳米铁颗粒对比剂ZM注入兔体内后进行首过及平衡期血管成像,并与Gd-DTPA.SH U 555 C在兔体内的成像效果相比较。材料及方法1、Gd-DTPA及SH U 555 C均购自拜耳先灵公司。将使用新的微波多元醇合成法制成的PM后,对PM进行表面修饰即可得到ZM。修饰后粒子ZM的等电点在PH=8附近,PH在7.34-7.45时,ZM表面仅带有少量的正电荷,2小时内不易被巨噬细胞吞噬。2、雄性新西兰大白兔18只,采用随机数字法将其分为三组：Gd-DTPA对照组（剂量为0.2mmol/kg）；SHU 555 C组（40μmol Fe/kg）；修饰后粒子（ZM）组（40μmol Fe/kg）。各组均需在1.5及3.0T磁共振仪上进行扫描,扫描范围包括腹主动脉全径,所用的血管成像序列皆为FLASH序列,采用相同的扫描野（162.5×2001mm2）及矩阵（192×192）,以达到一致的空间分辨率（1×1×1 mm3）。进行血管成像时,各组先进行平扫,其后注入对比剂,同时启动MRA扫描,然后分别再在0s,19s,38s,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,60,90,120分钟时进行扫描。3、进行图像分析时,分别按下述公式计算腹主动脉的SNR及CNR:SNR= SIa/Sdn和CNR=（SIa-SIm）/Sdn。上述两式中式中SIa为增强前及增强后各时间点动物腹主动脉的信号强度,测量时需在左肾血管水平上下1cm范围内的选取腹主动脉中心层面,并重复测量两次,取均值作为SIa；SIm为相邻背部肌肉组织信号；此外,在体外背景区域画取40-60像素大小的ROI测量信号,取其背景噪声的标准差作为Sdn的值。4、对于同一对比剂不同磁场各时间的SNR、CNR比较进行配对t检验；对同一磁场,各个时间点对比剂组间SNR、CNR差异的比较使用方差分析,若有差异则进一步使用最小显著差法进行两两比较。当P值小于0.05认为有统计学差异。结果1、在1.5T,注入对比剂后,首过动脉期Gd-DTPA. SHU 555 C及ZM组间SNR及CNR无明显统计学差异（P=0.258及0.314,>0.05）,从第10分钟开始至2小时为止的各时间点,三个对比剂组的SNR和CNR分别进行比较时,P值均小于0.05。对这些具有统计学差异的时间点,再进行对比剂组两两比较发现,从15分钟开始,ZM组SNR和CNR远高于其余两组。2、在3.0T,注入对比剂后,各时间点三个对比剂组的SNR和CNR皆存在明显统计学差异（P皆<0.05）。对这些具有统计学差异的时间点的分别进行两两比较发现,在前三个时相的SNR及CNR排列顺序由高到低为：Gd-DTPA组>ZM组,而ZM组大于或等于SHU 555 C组,从第5分钟开始至2小时为止的各时间点,ZM组SNR及CNR高于其余两组（P皆<0.05）。3、比较两个不同磁场内的SNR和CNR,随磁场上升,Gd-DTPA的SNR、CNR明显升高（P=0.02及0.002,<0.05）,ZM组SNR、CNR亦明显升高（P=0.000及0.000,小于0.05）,而SHU 555 C在不同场强下无明显统计学差异（P=0.61及0.82,>0.05）。结论1、本研究所用的铁磁颗粒核心经微波多元醇法合成,并经表面修饰,弛豫率高,在所用剂量仅为40μmol/kg,1.5T首过成像时,ZM与Gd-DTPA及SHU 555C的SNR和CNR无明显统计学差异,3.0T,ZM的SNR和CNR较Gd-DTPA低,但仍优于SHU 555 C。2、经两性离子修饰后的ZM等电点PH略大于8,巨噬细胞吞噬率低,故在1.5及3.0T内,ZM注入体内后,平衡期的SNR和CNR高于Gd-DTPA及SHU 555 C组,2小时靶血管仍可显示。3、与1.5T比较,自制对比剂ZM在3.0T中SNR和CNR皆有上升,可得到更好的血管内强化效果,而SHU 555 C未见到明显改善,说明与SHU 555 C相比,ZM更适于3.0T磁场成像。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 前言
• 第一部分 大孔径3.0T低剂量钆喷替酸葡甲胺行高分辨周围动脉MRA成像的临床研究
• 材料与方法
• 结果
• 讨论
• 小结
• 参考文献
• 图例说明
• 第二部分 3.0T磁共振新鲜血成像和对比剂增强技术膝下动脉成像的自身对照研究
• 材料与方法
• 结果
• 讨论
• 小结
• 参考文献
• 图例说明
• 第三部分 自制USPIO体外弛豫率测定及动物体内血管成像的初步研究
• 一 1.5T、3.0T自制USPIO对比剂体外弛豫率测定
• 材料与方法
• 结果
• 讨论
• 小结
• 参考文献
• 图例说明
• 二 1.5T、3.0T Gd-DTPA、SHU 555C和两性离子修饰后USPIO粒子兔体内首过及平衡期血管成像研究
• 材料与方法
• 结果
• 讨论
• 小结
• 参考文献
• 图例说明
• 综述
• 全身3D CE MRA技术及临床应用
• 参考文献
• 超微超顺磁氧化铁对比剂在心血管MRI成像中的研究及应用
• 参考文献
• 英文缩略词表
• 致谢
• 论文发表情况