《JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE IMAGING》：Pulsatility Assessment of Cerebral Perforating Arteries Using Submillimeter-Resolution Dual-VENC Phase-Contrast MRI at 3T
引言
脑小血管病（cSVD）是老年人中常见的一种慢性进行性血管疾病，约占脑卒中的25%和至少40%的痴呆病例。动脉硬化被认为是cSVD的主要血管病理改变，特指脑穿支动脉（如豆纹动脉LSAs）的病理变化。这些穿支动脉在维持大脑深部结构（如基底节区）的代谢活动中起着至关重要的作用。穿支动脉功能障碍可导致腔隙性梗死、基底节出血和深部微出血。因此，直接表征脑穿支动脉的功能障碍可为cSVD的病理机制提供有价值的见解。
由相位对比MRI（PC-MRI）评估的血流速度波形计算的搏动指数（PI）已被认为是血管功能障碍的有用指标。先前研究已证明，使用超高场7T的更高分辨率2D PC-MRI可以可靠地表征脑穿支动脉的血流速度和搏动性。最近的7T研究报道，脑穿支动脉的较高PI与cSVD相关，表明脑小动脉的搏动性可作为cSVD的敏感标志物。然而，7T MRI由于其高昂成本、固有的技术挑战（如B1/B0不均匀性和高比吸收率SAR）尚未在临床广泛使用。为了在临床和研究环境中实现更广泛的应用，开发一种在广泛可及的3T MRI上评估脑穿支动脉血流搏动性的可靠成像技术将具有优势。
最近的研究显示了使用传统3T PC-MRI测量穿支动脉（如LSAs）血流搏动性的可能性。尽管这些发现很有希望，但两项研究都存在信噪比（SNR）相对较低等局限性，导致穿支动脉检测灵敏度降低以及与7T MRI的PI测量结果不一致。最近，双速度编码（dual-VENC）策略被引入，旨在通过提高速度噪声比（VNR）来改善7T PC-MRI对穿支动脉检测和PI测量的灵敏度和可靠性。与传统的单VENC方法相比，dual-VENC提高了VNR，从而增加了小血管检测和血流速度表征的灵敏度，这可能克服3T信噪比较低的限制。本研究假设3T dual-VENC PC-MRI能够提供脑穿支动脉的高保真血流搏动评估。
因此，本研究旨在通过重测复现性、与7T的比较以及研究老年参与者中衰老和血管风险因素的影响，评估在广泛可用的3T系统上使用亚毫米分辨率dual-VENC PC-MRI表征脑穿支动脉血流搏动性的可行性、可靠性和灵敏度。
材料与方法
研究参与者
本研究经当地机构审查委员会批准，所有受试者均签署书面知情同意书。12名健康年轻志愿者（2名女性，24.0±3.99岁）和31名有或无血管风险因素的老年参与者（21名女性，67.7±8.5岁）参与了本研究。所有参与者均在3T MAGNETOM Prisma MRI系统（Siemens Healthcare）上进行扫描。
MRI采集
首先进行3D高分辨率时间飞跃法（TOF）扫描以定位脑穿支动脉。回顾性心电门控的单层2D相位对比MRI（PC-MRI）数据在每个参与者中采集。成像切片垂直于大多数穿支动脉放置，以TOF血管造影作为参考。在每位年轻参与者中，分别采集VENC为20 cm/s（低）和40 cm/s（高）的MRI数据（两次连续扫描）；在每位老年参与者中，两种VENC的数据在一次扫描内交替采集。在头部周围放置泡沫垫以尽量减少扫描过程中的运动。
3T下Dual-VENC与Single-VENC的比较
首先比较了dual-VENC方法与常规单VENC在3T下表征脑穿支动脉血流搏动性的性能。使用表1所列的成像参数，在12名年轻志愿者中评估了dual-VENC测量的PI和检测到的穿支动脉数量（Nperforator），并与单VENC（20和40 cm/s）的测量结果进行比较。
3T Dual-VENC PC-MRI的重测复现性
为评估3T dual-VENC PC-MRI测量脑穿支动脉Nperforator和PI的复现性，对12名年轻参与者中的10名（1名女性，24.5±4.3岁）进行了重测扫描。在同一成像时段内，使用表1所列的相同成像参数，对每位参与者重复进行高分辨率dual-VENC PC-MRI扫描。
3T与7T Dual-VENC PC-MRI的比较
为评估3T dual-VENC PC-MRI的可靠性，12名健康参与者中的9名（1名女性，24.2±4.6岁）还在Siemens Terra 7T MRI扫描仪上接受了dual-VENC PC-MRI扫描，使用8发射/32接收头部线圈，成像位置和参数与3T紧密匹配。考虑到3T和7T固有的SNR差异和合理的扫描时间，3T采集5次平均，而7T采集3次平均。为尽量减少环境和生理变异，参与者在同一天接受3T和7T扫描。
3T Dual-VENC PC-MRI对衰老的灵敏度评估
为评估3T dual-VENC PC-MRI检测年龄效应的灵敏度，对31名老年参与者使用3T dual-VENC PC-MRI进行了成像。在老年参与者中，采用单次扫描交替VENC采集的方式，其他成像参数与年轻受试者应用的参数紧密匹配。记录每位老年参与者的教育年限、血压、糖尿病、胆固醇水平和吸烟史，并使用蒙特利尔认知评估（MoCA）和简易精神状态检查（MMSE）评估认知功能。考虑了五种血管风险因素：高血压、高胆固醇血症、糖尿病、吸烟史（定义为一生中吸烟>100支）和肥胖（体重指数>30 kg/m2）。每个因素被编码为二元变量（1=存在，0=不存在或遥远），产生一个从0到5的复合血管风险评分（cVRS）以评估整体血管风险负担。根据cVRS评分将老年参与者进一步分为3个亚组（cVRS≤1，cVRS=2，cVRS=3）。
图像处理
后处理由JT（4年经验）使用MATLAB编写的内置软件进行。dual-VENC和单VENC PC-MRI图像的处理均遵循先前研究公布的步骤，包括：（1）从PC-MRI幅度图像跨时相生成最大强度投影（MIP）；对于dual-VENC，MIP从低VENC图像生成；（2）使用K-means聚类在生成的MIP图像上自动生成穿支动脉掩模，然后进行视觉检查；（3）使用连通分量分析计算Nperforator；（4）对于dual-VENC，使用高VENC相位图在像素基础上对低VENC相位图进行抗混叠校正；相比之下，单VENC数据中的抗混叠是在不知晓另一VENC数据的情况下凭经验完成的；（5）从PC-MRI相位图上掩模中检测到的每个LSA穿支动脉提取速度波形；速度曲线显示负值（如静脉）或不一致波形（如不同的峰值心动周期）的穿支动脉被排除在进一步分析之外；（6）将每个穿支动脉的速度除以其平均速度进行归一化；（7）根据公式(2)计算PI，并通过平均所有识别出的穿支动脉的归一化速度得到平均PI。
统计分析
所有统计分析均使用R进行。首先应用Shapiro-Wilk检验评估PI和Nperforator的正态性。根据数据分布，使用配对t检验或Wilcoxon秩和检验比较3T和7T之间的Nperforator和PI值。使用Bland-Altman图评估3T和7T测量值的一致性。使用单因素方差分析（one-way ANOVA）或Kruskal-Wallis H检验比较20和40 cm/s单VENC与dual-VENC之间的PI，以及三个cVRS组之间的PI。使用Bland-Altman分析和变异系数（CV）值评估Nperforator和PI测量的重测复现性。为评估Nperforator和PI与个体血管风险因素的关联，进行了多变量线性回归分析，以Nperforator和PI为因变量，血管风险因素（收缩压和舒张压、高胆固醇血症、糖尿病和吸烟状况）为自变量。为评估PI和Nperforator与认知功能的关系，使用了多元线性回归模型，包括PI和Nperforator作为自变量，连续认知评分作为因变量。所有血管风险模型均根据年龄、性别和教育年限等协变量进行了调整。统计学显著性定义为双侧p值<0.05。
结果
Dual-VENC与Single-VENC在3T下的比较
3T dual-VENC PC-MRI成功检测到所有参与者的脑穿支动脉。图1a显示了一个3T下VENC为20 cm/s的PC-MRI图像示例，展示了成功检测到的脑穿支动脉以及从检测到的穿支动脉提取的跨心动周期的搏动性血流波形。图2显示了低VENC和高VENC之间Nperforator的组间比较。与40 cm/s VENC（Nperforator= 8.1±2.4）相比，使用较低的20 cm/s VENC检测到显著更多的穿支动脉（Nperforator= 14.2±2.1）。跨受试者的平均PI值对于dual-VENC、40 cm/s单VENC和20 cm/s单VENC分别为0.55±0.07、0.49±0.14和0.53±0.09。高VENC的PI值显著低于低VENC和dual-VENC测量的值。虽然低VENC和dual-VENC之间的PI值没有差异（p=0.50），但dual-VENC在PI测量中显示出跨受试者的变异减小。
3T Dual-VENC PC-MRI的重测复现性
图3a,b分别显示了3T dual-VENC PC-MRI测量的Nperforator和PI的线性相关性和Bland-Altman图。观察到PI（r=0.81）和Nperforator（r=0.77）均有强相关性。Bland-Altman图显示Nperforator和PI的一致性界限（LoA）分别为[-5.4, 3.0]和[-0.11, 0.12]，测试间差异的平均标准差分别为2.1和0.06。与dual-VENC相比，两种单VENC在PI测量中显示出较差的复现性，相关性系数降低，重测变异更大（20和40 cm/s VENC的r分别为0.71和0.28；标准差分别为0.07和0.09）。一致地，dual-VENC PI的CV低于20和40 cm/s单VENC（分别为10%、13%和21%），低VENC的NperforatorCV低于高VENC（分别为14%和21%）。
3T与7T Dual-VENC PC-MRI的比较
使用7T dual-VENC PC-MRI成功描绘了脑穿支动脉及其跨心动周期的速度波形。图1b显示了一个7T PC-MRI图像示例以及从与图1a相同的代表性病例中检测到的穿支动脉提取的平均血流波形。观察到3T和7T之间穿支动脉的描绘和血流波形紧密匹配，尽管3T PC-MRI幅度图像看起来略有噪声。图4a,b比较了9名健康年轻受试者中3T和7T的Nperforator和PI。对于3T和7T，平均Nperforator分别为16.9±2.1和18.1±2.1，平均PI分别为0.54±0.07和0.57±0.06。3T和7T dual-VENC PC-MRI测量的Nperforator和PI均未检测到显著差异（p分别为0.16和0.38）。Bland-Altman图（图4c）显示3T和7T之间的Nperforator和PI测量值具有良好一致性，平均偏差分别为1.2和0.03，一致性界限分别为[5.9, 3.5]和[0.15, -0.08]。
3T Dual-VENC PC-MRI测量与衰老和血管风险因素
表2列出了老年参与者的人口统计学信息，包括年龄、性别、认知测试结果和血管风险因素。图5显示了年轻和老年参与者之间dual-VENC PC-MRI测量值的组间比较。与年轻参与者（14.2±2.1）相比，老年参与者（6.7±2.4）的Nperforator显著减少（图5a）。老年组的平均PI值（0.86±0.22）也显著高于年轻组（0.55±0.07）（图5b）。在老年参与者中，PI随年龄增长显著增加，而Nperforator与年龄无显著相关（p=0.17）（图6）。在PI或Nperforator中均未观察到显著的性别依赖性效应（p分别为0.28和0.064）。
在老年参与者中，较高的PI值与MoCA评分测量的较差认知表现相关（图7a），而Nperforator与MoCA之间未发现显著关联（p=0.365）。PI、Nperforator与MMSE之间均未发现显著相关性（p=0.761, 0.114）。与cVRS<2的个体相比，在cVRS≥2的老年个体中观察到PI显著增加（图7b）。较高的PI与较高的脉压和高胆固醇血症的存在显著相关（表3），而PI与收缩压、吸烟史或糖尿病之间未观察到显著关联（p=0.153, 0.242, 0.732）。所有血管风险因素均未显示与Nperforator有显著关系（p=0.313, 0.345, 0.847, 0.476, 0.564）。
讨论
本研究证明了使用广泛可及的3T高分辨率dual-VENC PC-MRI表征脑穿支动脉血流搏动性的可行性和可靠性。通过重测复现性研究和与7T的比较，证明了3T dual-VENC PC-MRI的可行性和可靠性。与传统的单VENC PC-MRI相比，dual-VENC PC-MRI在3T下对脑穿支动脉的PI评估显示出更好的复现性。3T和7T dual-VENC PC-MRI在穿支动脉检测和PI测量方面无显著差异。因此，3T dual-VENC PC-MRI有潜力提供脑穿支动脉的高保真搏动性评估。3T dual-VENC PC-MRI作为研究衰老的成像工具的灵敏度也在一个老年队列中进行了评估。PI增高与衰老、认知障碍和整体血管风险负担以及个体血管风险因素（包括脉压和高胆固醇血症）显著相关，但与Nperforator无关。这些发现表明，dual-VENC PC-MRI可能是一种有前景的技术，可在广泛可及的3T MRI上评估老年成人脑穿支动脉的搏动性血流功能障碍。这些发现具有重要的临床意义，因为在广泛可及的3T磁体上开发可靠、灵敏的脑小血管成像生物标志物可能促进其在临床中的更广泛应用。
在以往研究中，由于脑穿支动脉血管尺寸小，其形态学和血流动力学主要使用超高场7T高分辨率MRI技术进行评估。在传统场强3T扫描仪上可靠地表征这些小动脉具有挑战性，因为SNR较低。先前研究已探索了在参考7T的情况下，使用单VENC为20 cm/s的2D PC-MRI在3T上成像搏动性的可能性。然而，观察到3T和7T MRI在Nperforator和PI判定方面存在不一致，这可能归因于3T固有的SNR降低以及单VENC抗混叠校正不可靠。脑穿支动脉的尺寸从0.1到1.28毫米不等。这些血管内和跨心动周期的速度可能变化巨大。因此，dual-VENC可能是成像脑穿支动脉的理想技术，因为与单VENC相比，它可以提供更好的VNR，从而改善具有更宽速度范围的血管的血流速度动态描绘。本研究中3T dual-VENC PC-MRI测量的PI值与先前研究报道的一致。与先前7T发现一致，低VENC比高VENC检测到显著更多的穿支动脉，并且dual-VENC测量的PI显示出跨受试者的变异减小。本研究中，高VENC的PI显著低于低VENC和dual-VENC，推测原因是高VENC对表征某些较小穿支动脉的灵敏度降低。然而，考虑到两种单VENC测量的PI值存在较大变异，对此发现的解释需谨慎，需要更大样本量的进一步评估。Dual-VENC在PI测量中显示出改善的重测复现性。凭借dual-VENC，3T穿支动脉检测和PI测量有潜力达到与7T相当的性能，为使用常规3T而非高成本、临床可及性有限的7T研究脑穿支动脉的血流动力学功能障碍提供了机会。
我们的研究结果显示，使用3T dual-VENC PC-MRI发现了与年龄相关的PI增加。这一观察结果与先前研究一致，表明衰老伴随着动脉硬化和整个脑血管系统动脉搏动性增加。与先前一项7T研究相反，本研究中3T dual-VENC PC-MRI检测到老年参与者与年轻参与者相比Nperforator显著减少。这种差异可能是由于在固有SNR较低的3T上检测流速慢得多的较小穿支动脉面临挑战。另一种可能的解释是，本研究采用了基于K-means聚类的自动穿支动脉检测，而非先前研究中使用的手动选择，可能提高了穿支动脉检测的准确性和可靠性。
血管风险因素，如高血压、糖尿病、高胆固醇和吸烟，可通过导致脑小血管功能障碍或永久性血管壁损伤而引起脑卒中、认知障碍和痴呆。在我们的研究中，脑穿支动脉的较高PI与增加的总体血管风险负担和较高的个体血管风险因素（如脉压和高脂血症）相关。然而，未发现PI与糖尿病或吸烟状况之间存在显著相关性，与先前研究一致。PI值较高的老年人在MoCA上表现出显著较差的认知表现。有趣的是，Nperforator与年龄、血管风险因素和认知均无显著关联。这部分可能是因为参与本研究的绝大多数老年人认知正常或仅有轻度认知障碍，尚未达到脑小血管功能障碍或损伤的阈值。或者，这可能表明血流动力学功能障碍（如PI增加）与老年个体的血管风险因素和认知障碍联系更紧密。因此，我们从老年参与者组中获得的结果凸显了3T dual-VENC PC-MRI作为评估脑穿支动脉早期血管功能障碍或损伤的有前景工具的潜力。尽管这些发现令人鼓舞，但3T dual-VENC在表征脑穿支动脉方面的灵敏度和可靠性在应用于患有cSVD和轻度认知障碍的患者时，尤其是那些可能出现血管狭窄和流速显著降低的区域性梗死和白质高信号患者，需要进一步评估。
局限性
首先，3T与7T的比较仅在一个小规模健康年轻成人队列中进行。需要进行包含更大样本量和更广泛人群（根据年龄和种族/民族）的全面评估以获得稳健结果。其次，在所有年轻参与者中采集的是两次连续的单VENC数据，而非单次交替的dual-VENC采集，这可能易受扫描间运动影响。为减轻此影响，本研究仔细在头部周围放置了泡沫垫以尽量减少运动；我们在后处理前也彻底检查了数据。在年轻受试者的两个VENC数据集之间未发现明显运动。第三，本研究目前的dual-VENC方法依赖于基本的相位解缠绕算法。结合更先进的去噪和相位校正技术可以进一步提高速度和搏动性测量的准确性。第四，目前的扫描时间范围为6至8分钟。未来的工作可以探索使用不同的k-t加速策略来进一步提高采集效率。最后，我们的衰老研究主要关注穿支动脉PI与衰老、血管风险因素和认知测量之间的关系。正如先前研究表明，脑穿支动脉PI增加可能促进cSVD病理，未来的研究将调查脑穿支动脉血流搏动性与已建立的cSVD神经影像标志物（如扩大的血管周围间隙和白质高信号）以及阻尼因子之间的关系，这可能为了解脑穿支动脉功能障碍在cSVD中的作用提供进一步见解。
结论
3T dual-VENC 2D相位对比MRI可以成为一种可行且可靠的方法，用于表征脑穿支动脉的血流搏动性，其良好的重测复现性和与7T dual-VENC PC-MRI的一致性提供了支持。脑穿支动脉的PI与年龄、认知和血管风险因素显著相关，而与检测到的穿支动脉数量无显著关系。这些发现表明，3T dual-VENC PC-MRI可以为研究脑穿支动脉的血管功能障碍提供一种有前景且易于获取的途径。
资助
美国国立卫生研究院（NIH）基金R01NS118019, RF1AG072490, RF1NS139370，以及BrightFocus基金会A20201411S。
