MRI引导下主动脉缩窄（CoA）支架植入的多阶段临床前评估：体外与猪模型研究

《CardioVascular and Interventional Radiology》：Multistage Preclinical Evaluation of MRI-Guided Stenting for Coarctation of the Aorta using in vitro and Porcine Models

　　

目的：本研究采用结构化多阶段临床前评估方案，评估MRI（magnetic resonance imaging，磁共振成像）引导下主动脉缩窄（coarctation of the aorta, CoA）支架植入的技术与程序可行性。材料与方法：在三级方案中评估了一种市售MR Conditional导丝及专用研究原型，包括镍钛合金（nitinol）支架、输送系统和球囊导管。设备可见性在1.5 T和3.0 T标准化水模（water phantom）中评估。在基于聚合物的CoA血管体模（vessel phantom）中，由新手（n = 6）和专家（n = 4）完成10例支架植入，并进行4例单独由专家主导的球囊扩张（balloon dilatation）。随后在五只猪模型中进行MRI引导支架植入。结果：所有设备在两种场强下均可见，导丝横向伪影宽度为5.3–7.8 mm，支架输送系统为20.9–38.5 mm，展开支架为13.1–19.9 mm，球囊导管为17.4–30.5 mm。体模支架植入时间为新手10.2 ± 7.2 mins，专家6.2 ± 2.7 mins。在全部五只动物中成功实施MRI引导支架植入，平均时间为13.6 ± 7.5 mins。在一只动物中，额外进行了球囊后扩张（balloon post-dilatation）作为程序概念验证。结论：在结构化多阶段临床前评估方案内，MRI引导CoA支架植入可行，并支持无辐射血管内治疗（radiation-free endovascular treatment）的进一步临床转化。

研究背景：MRI引导心血管干预可提供无辐射成像，并较透视（fluoroscopy）具有更好的软组织可视化，但其临床实施仍受限于合适血管内设备种类有限和成熟工作流尚未建立。CoA是胸主动脉先天性狭窄，在较大儿童和成人中常通过经导管支架植入（transcatheter stent implantation）和球囊血管成形术（balloon angioplasty）治疗。透视引导会使患者和工作人员暴露于电离辐射，且软组织对比有限，这对需要反复成像和干预的年轻患者尤为重要。既往研究已在动物模型中展示MRI引导CoA支架植入，并在患者中开展球囊血管成形术，但针对完整设备和程序工作流的结构化评估仍然有限。基于此前已建立的MRI引导心内膜心肌活检（endomyocardial biopsy）临床前方案，研究人员通过设备级测试、体模操作和猪体内实验，评估MRI引导支架植入的技术与程序可行性；球囊导管扩张作为次要程序组件进行评价。

研究人员开展了三阶段临床前研究：设备可见性评估（Stage 1）、体模MRI引导干预（Stage 2）和猪体内支架植入（Stage 3）。所用器械包括市售、CE标记的0.035″ MR Conditional导丝，以及非CE标记的研究原型自膨胀镍钛合金支架（12–14 mm）、支架输送系统和球囊导管（13–15 mm）。所有实验未静脉给予钆基对比剂。MRI引导介入工作流由标准透视引导CoA程序经专家咨询和临床观察推导而来，并使用专用介入MRI设置、实时图像显示和室内沟通。静态单次激发bSSFP（balanced steady-state free precession，平衡稳态自由进动）成像用于初始设备可见性评估；非触发单次激发bSSFP序列以连续重复模式用于体模和体内干预中的实时MRI引导导航与设备部署。Stage 1在临床1.5 T和3.0 T MRI系统上进行，设备长轴平行于B₀，置于填充生理盐水（0.9% NaCl）的聚合物测试箱中，采用基于ASTM F2119-07的方法分析伪影范围。Stage 2使用基于人类MRI扫描数据（10岁CoA男孩）构建的患者特异性聚合物基血管体模，其中含模拟CoA的硅胶主动脉模型和预定义狭窄，可经股动脉入路在搏动流条件下进行导丝导航、支架部署和球囊扩张；10例支架植入由新手（n = 6）和专家（n = 4）完成，另有4例专家主导的球囊扩张，并通过结构化问卷评估体模操作。Stage 3纳入五只雌性猪（Sus scrofa domesticus），年龄12–16周，体重34–58 kg，在3.0 T临床MRI系统上由一名具有介入放射学、导管血管干预和介入MRI经验的医师完成MRI引导支架植入；动物经左股动脉入路，扫描前在MRI室外完成穿刺，随后仰卧于扫描床，先以MRI标记工具定义降主动脉目标区域，再推进MR Conditional导丝并定位、部署支架输送系统，其中一只动物额外进行球囊后扩张。所有动物实验均获当地动物伦理委员会和政府动物护理与使用机构批准。

关键技术与方法概述（不超过250字）：研究采用三阶段临床前评估：Stage 1在1.5 T与3.0 T MRI上，以生理盐水体模和ASTM F2119-07方法评估设备被动可见性；Stage 2使用基于10岁CoA男孩MRI扫描数据构建的聚合物基硅胶主动脉体模，含预定义狭窄与搏动流，由新手（n = 6）和专家（n = 4）完成10例支架植入及4例球囊扩张；Stage 3在五只雌性猪（Sus scrofa domesticus，12–16周，34–58 kg）中于3.0 T MRI下完成支架植入。关键技术包括实时非触发单次激发bSSFP导航、MR Conditional导丝、研究原型镍钛合金支架/输送系统/球囊导管及被动磁化率标记。

研究结果：Stage 1: MR Visibility of Devices for MRI-Guided CoA Intervention。所有评估设备在1.5 T和3.0 T均通过磁化率相关伪影（susceptibility-related artifacts）被动可视化。MR Conditional导丝产生局部“珍珠串”样伪影，远端间距逐渐减小，可在两种场强下识别其远端。支架输送系统和球囊导管带有近端和远端磁化率标记，产生blooming artifacts和弧状畸变。展开的镍钛合金支架表现为相对轻度的blooming artifacts，无明显径向畸变。伪影尺寸方面，导丝横向伪影宽度为5.3–7.8 mm，支架输送系统为20.9–38.5 mm，展开支架为13.1–19.9 mm，球囊导管为17.4–30.5 mm；所有设备的比例伪影覆盖范围为41.3–91.5%，最大值为镍钛合金支架。

Imaging Workflow for MRI-Guided CoA Intervention。该工作流总结了Stage 2和Stage 3中进行的介入步骤与MRI引导任务。股动脉入路和血管闭合在扫描室外完成。概念性临床工作流包括与透视引导的比较。

Stage 2: In vitro Phantom-based CoA Interventions。体模可实现对降主动脉的探查、支架输送系统沿导丝定位和可重复支架植入。共完成10例支架植入程序和4例单独由专家主导的球囊扩张程序。体模仅由非金属和非导电材料制造，适合MR环境使用。MRI可显示狭窄和导丝标记，从而在探查过程中连续监测。输送系统标记可实现定位和支架部署。展开支架产生矩形伪影，妨碍管腔可视化，但未遮蔽周围结构。被动标记可实现球囊定位，并使用钆填充球囊扩张狭窄段。基于问卷的新手（n = 6）和经验介入医师（n = 4）评估确认，该体模适合MRI引导CoA训练和设备测试。体模中MRI引导支架植入平均时间为新手10.2 ± 7.2 mins，专家6.2 ± 2.7 mins，测量自MR Conditional导丝插入至支架植入后移除支架输送系统。

Stage 3: In vivo MRI Testing。体内干预中成功植入五枚支架。MR Conditional导丝呈现珍珠串样被动伪影，可在整个干预过程中跟踪。支架植入前，使用MRI标记工具选择合适部署区域；测量主动脉管腔，并按标准临床方案以1-mm oversizing选择支架直径。被动MR标记可实现支架输送系统在选定目标区域内的定位和部署。支架在MRI上产生圆柱形伪影，妨碍管腔可视化，但未遮蔽周围解剖结构。球囊导管通过被动MR标记定位。在一只动物中额外进行球囊后扩张，作为程序概念验证。体内模型中MRI引导支架植入平均时间为13.6 ± 7.5 mins（n = 5），测量自MR Conditional导丝插入至支架植入后移除支架输送系统。首次干预程序时间最长，但在后续程序中并未持续下降。

讨论部分总结：所有评估设备在1.5 T和3.0 T均产生磁化率相关伪影，从而支持被动可视化。过度磁化率相关信号丢失可能遮蔽MRI引导血管干预中的重要解剖标志；blooming可能降低定位准确性，尤其在大血管分支附近或主动脉弓内，但本研究未量化这种潜在定位误差。伪影表现在1.5 T和3.0 T采集之间不同，但不能仅归因于磁场强度，因为读出方向相对设备长轴及其他序列参数在不同采集间存在差异。磁化率伪影的几何形态和相对于实际设备的位置还受频率编码方向影响，伪影范围取决于设备相对于B₀的方向；本研究中所有设备仅在平行于B₀的单一方向评估，因此未系统评估方向依赖性伪影行为。总体而言，Stage 1证明了所有评估设备的被动MR可见性，但不构成对研究原型的全面MR安全测试或正式MR分类。支架输送和球囊导管标记产生的大伪影可能遮蔽相邻解剖，突出标记显眼性与伪影范围之间的权衡。未来迭代可能受益于印刷电路板（printed circuit board, PCB）谐振标记。该成像工作流将程序步骤与MRI特定引导任务相连接，可能支持更广泛的实施框架。与此前MRI引导球囊血管成形术工作流相比，本研究工作流明确分离MRI特定成像任务，提高程序透明度和可重复性。硅胶体模可在不使用活体动物的情况下进行MRI引导CoA程序评估，符合3R原则。新手对股动脉穿刺和鞘置入等基础步骤评价积极，而专家指出解剖真实性和触觉反馈有限。CoA特定步骤，包括导丝导航、支架定位和部署，专家评价更积极。两组均支持将其用于程序训练和设备测试，这与模拟介入放射学训练的已知益处一致。体内实验中五枚镍钛合金支架均成功递送；一只动物额外进行球囊后扩张。在3.0 T干预中，所有评估设备产生的磁化率相关伪影足以支持连续可视化，实现可靠导航、定位和部署。设备可见性取决于切片定位和方向，强调实时引导中需仔细选择成像平面。MRI适配工作流支持程序定向和序列准备。总体而言，这些发现证明生理条件下的可行性。MRI引导体内支架植入平均时间13.6 ± 7.5 mins处于已报道CoA支架植入透视时间范围内（14 ± 6 mins和中位11.4 mins）；尽管这些测量并不直接等价，因为本研究的测量覆盖整个支架植入间隔而非透视束开启时间，但二者数量级相似。本研究存在若干局限性：参与者和实验重复次数有限，限制统计功效并妨碍评估操作者学习曲线，反映单次使用原型系统和经验丰富介入医师可用性有限。临床前体模和猪模型不能完全复制人类心血管解剖，尤其儿科CoA，或血栓形成、夹层等生物学并发症。因此，MRI引导下此类并发症的检测和管理仍需专门研究。此外，体内未手术诱导病理性狭窄，设备在患病血管条件下的性能可能不同于临床场景。迂曲或钙化解剖以及支架相关信号丢失可能进一步限制设备定位和术中并发症检测。未来发展可能关注谐振支架概念，在保留设备可见性的同时允许管腔可视化。由于球囊导管扩张仅在单独专家主导的体模实验中评估，且球囊后扩张仅在一只动物中实施，这些程序的可行性和可重复性无法从本研究中独立评估。伪影表征在特定成像条件下、使用选定MRI系统和序列配置进行。靶向准确性未量化；未来研究应评估预期与最终支架位置之间的偏差。未来研究还应考虑设备安全方面，如射频（radiofrequency, RF）诱导加热，该问题已在CoA支架MRI和磁粒子成像（magnetic particle imaging, MPI）等新兴方式中评估。还需要慢性体内模型评估长期可行性和程序稳健性。临床转化还应考虑环境方面。尽管MRI避免电离辐射，但其大量能量需求意味着若无专门评估，不能假定其较透视具有环境优势。此外，本研究无需静脉钆，但其潜在临床使用会增加环境考量。MRI引导支架植入的临床实施需要预定义紧急工作流、合适的MR兼容急救设备、救援路径以及多学科介入团队专门培训，包括紧急和疏散场景模拟。

研究结论翻译：本研究证明，在结构化临床前框架内，使用市售MR Conditional导丝和专用研究原型，MRI引导CoA支架植入具有技术和程序可行性。血管体模使猪实验确认成功设备操作和生理条件下可视化之前能够进行设备和工作流评估。球囊后扩张作为次要程序概念验证得到展示。总体而言，该框架支持MRI引导CoA干预的进一步转化，而临床实施将需要进一步安全验证、合适的MR兼容设备、专门团队培训和优化工作流。