独家｜磁共振斑块成像的技术研发、案例与数据挑战

[导读] 随着磁共振管壁成像技术的迅速发展，大量多层次、多维度的图像数据应运而生。然而在图像数据的判读分析、风险预测模型的构建和人群健康管理模式的探索等方面存在诸多挑战。人工智能和大数据技术可能为脑动脉易损斑块的精准评估和卒中风险预测带来新的机遇。

本期清华大数据“应用·创新”系列讲座邀请到清华大学生物医学影像研究中心研究员赵锡海老师与大家分享脑动脉粥样硬化斑块磁共振成像的技术研发、临床转化和数据挑战。以下内容经数据派THU根据现场演讲内容整理而成。

后台回复关键词“1017”，下载赵锡海老师完整版PPT。

赵锡海，数据科学研究院RONG兼职教授，研究员，博士生导师。现任清华大学生物医学影像研究中心研究员、清华大学附属北京清华长庚医院放射科副主任、北京市脑重大疾病研究院兼职教授。主要从事心脑血管病的多模式影像学，尤其是脑血管易损斑块的高分辨率磁共振成像技术研发及临床应用研究。

数据派为没有流量的童鞋整理了图文版演讲实录：

一、心脑血管疾病人群队列研究的发展史

1.心脑血管疾病重灾区

心脑血管是全球范围第一位致死性疾病，每年可导致1700多万人死亡，其中欧洲、美国、中国、东南亚、俄罗斯区域都是重灾区。中国心脑血管疾病致死率高达39.2%，也就是接近40%的人是由于心脑血管疾病死亡。

2.中美人群差异

心脑血管疾病中美人群有很大差异，在美国人群中，第一位致死性疾病是心脏病，脑中风是第四位。中国人群正好相反，致死率第一位是中风，第四位是心脏病。

3.中国人群心脑血管疾病

在中国人群中，心脏病和脑中风两种疾病发病率逐年上升，拐点仍未出现。

4. 心脑血管疾病致病原因

引起心脑血管疾病的因素非常多，不仅包括血压、血脂，还包括吸烟、饮酒等。

5. 心脑血管疾病预防

疾病最好的治疗是预防。心脑血管疾病预防有两个最大挑战：第一，高危人群本身不可能贴标签，我们需要把这群人的特点做数据采集后进行分析；第二，哪些危险因素能够有效调整和控制来防止未来发生心脑血管疾病。

6. Framingham心脏研究 (FHS)

60年前，美国团队在麻省一个小镇开展了一项世界知名的研究，FHS心脏研究。Framingham研究从1948年开始至今，小镇一共有5000多人几乎是整群抽样，第一代、第二代、第三代的居民都参与了这个项目。Framingham研究成果显著，影响因子20分以上的杂志发表文章40篇，影响因子70多分的新英格兰杂志发表文章8篇，接近20分的杂志发表文章100多篇。

7. Framingham风险评分 (FRS)

确定跟心脑血管疾病发病风险密切相关的因素，包括年龄，血脂水平，还包括血压，有无糖尿病等，建立回归模型进行回归分析，代入公式形成评分系统。

8. Framingham风险评分 (FRS)的实际效果

FRS评分实际效果不是很理想。它仅能准确预测1/3的心肌梗死，有2/3心肌梗死未成功预测。它有1/4的受试人群在未来没有发生心脑血管事件，但被划归为高危人群。这个评分系统，既表现为高估，也表现为低估。在评分系统公式里肯定缺少了非常重要的变量和参数。

9. 引起心脑血管疾病真正的病因

引起脑梗死或心肌梗死的主要原因是供应心脑器官的重要血管发生了动脉粥样硬化，由早期发展到中期晚期，最后不稳定引发破裂形成血栓，血栓脱漏后引起远端的脑梗死或心肌梗死。

10. 针对动脉粥样硬化的队列研究

美国以FHS心脏研究为基础，针对动脉粥样硬化又开展了两个大的队列研究，一是ARIC，一是MESA。ARIC研究从1987年开始，在美国共选了4个社区60岁以上的老年人群。MESA研究从1999年开始，在美国选了5个地区，目标人群一共6500例。他把人群分成白种人、欧洲裔的黑人、西班牙裔和亚裔人群四类。冠状动脉的钙化积分和颈动脉的斑块，对于心脑血管疾病的预测风险确实是有改善的作用。

二、磁共振斑块成像技术与临床应用

1. 高风险斑块特征

动脉粥样硬化斑块无论发生在颈动脉、冠状动脉还是其他血管，一旦长到晚期时，会形成一些高危特征，比如大的脂质核、薄的纤维帽、斑块里有大量出血、纤维帽有破裂就形成血栓脱落或者炎症反应等，这四个特点的任何一个都代表了这个斑块容易破裂。

2. 高风险斑块评估

目前看动脉血管有没有高风险斑块的方法是利用各种成像方法：CT、超声、磁共振，甚至血管成像DSA。

3. 狭窄不等于动脉粥样硬化

第一，不能简单把动脉狭窄当成动脉硬化。引起动脉血管狭窄的病变不仅有动脉硬化，还有动脉夹层、血管炎等别的疾病。

第二，血管狭窄程度跟斑块是否易破裂不能直接划等号。因为动脉斑块在早期时，血管并不狭窄。同样狭窄程度的斑块，里面的稳定程度也不一样。

4. 用CT和超声识别易损斑块不是比较好的方法

超声对于斑块易损特征的敏感度、特异度非常差，仅21.7%，几乎没有任何作用。

CT对斑块内出血易损特征的识别作用很低。对比有无出血的两个斑块的CT值，平均值很接近，标准差也很接近，几乎没有显著性差异。

5. 磁共振识别动脉粥样硬化

到目前为止，磁共振是在易损斑块识别中最准的一个成像方法，可以看到斑块的各种成分特征。钙化在磁共振上面是黑的，管壁特别高的信号区域就是斑块出血。大的脂质核、纤维帽、纤维帽破裂在磁共振上也看得非常清楚。

磁共振血管壁成像技术从1994年开始发展到现在已经二十多年的历史，技术发展非常快。磁共振血管壁成像技术的核心就是两个字：黑血。就是把管腔里的血液变黑，把血液信号抑制下去，目的是让斑块显示得更清楚。

6. 磁共振斑块成像

斑块成像领域已经从二维成像发展到三维成像的时代。脑血管斑块二维成像，一层层扫描，效率非常低，扫描范围小。现在已经发展到三维成像，容积采集，数据量很大，可以非常有效的对目标区域进行三维重建，显示更加直观。

7. 磁共振颈动脉斑块二维成像

颈动脉斑块成像有四个模块软硬件来配置：磁共振；专用的线圈接收信号；相应的成像序列软件图像进行采集；一套图像分析工具进行分析。

扫描时以颈动脉为中心逐层采集，采完后图像如下：

如图动脉管壁能看到一个非常大的增厚区域，这就是动脉粥样硬化斑块。在不同的序列上能看到有大的脂质核，斑块已经发展到不稳定状态，脂质核太薄。

这个斑块管壁的信号明显升高，特别亮，斑块出血，破裂斑块形成溃疡，溃疡的区域不断形成血栓，会有反复脑缺血发作，经常有症状，而且时间久了以后还可能形成新的大面积脑梗死，这是一个典型的纤维帽破裂症状。

磁共振管壁成像的信息是非常丰富而且精准的。

8. 磁共振颈动脉斑块三维成像

三维成像技术能够一次扫描把整个颈动脉的区域全覆盖。

三维成像技术现在已经很成熟。如图：颈动脉分杈的地方，斑块光滑，脂质斑块，斑块表面已经明显破裂形成溃疡，斑块里有高信号出血，管腔狭窄。

这个图像如果拿给病人和病人家属，没有任何医学背景的人，只要把箭头标上去，都会看到病长在什么地方，病变的特点是什么。未来医学影像发展的方向，不是把图像做的越复杂越好，而是做得越简单越好。

第二个技术是专门看斑块出血。就是只要有出血的地方，信号就特别高，然后我们利用图像后处理办法把它染上红色就能看得非常清楚。

我们利用三维成像技术，不同序列图像摆在一起，就可以对一个斑块的特征进行全面分析。这三个成像方法，每一个成像序列扫描只需要5分钟，加起来20分钟，比原来的40分钟时间大大缩短，采集效率高，覆盖范围广。

9. 磁共振颅内斑块三维成像

颅内斑块成像需要一些相应的软硬件配置，线圈可以用标准的图像圈。二维成像时代颅内图像识别非常困难，一个颅内的动脉血管，图像特别不好看。

三维成像能把颅内动脉管壁显示得非常清楚，颅内动脉血管非常小，直径大一点的在3毫米到4毫米，小一点的在2毫米到3毫米。

颅内斑块利用三维成像技术看得很清楚。有无出血，能看到非常亮的信号。所以磁共振技术就能够帮助找到一些非常高风险的斑块，位置在哪，风险有多高，基本上都能够精准识别出来。

10. 磁共振颈动脉颅内斑块一次成像

理论上一次扫描把颅内和颅外动脉全包括是可以实现的，从成像方法来说，仍需要努力。

在成像技术方面我们做了大量的努力，接收线圈上我们也发展了第一代、第二代、第三代的线圈，目前第三代线圈已进入市场，得到非常好的图像。

我们利用线圈和成像技术序列得到了大范围的图像，能够非常清楚地从颈动脉一直看到颅内血管。而且扫描时间上每一个序列5分钟就能采完，没有增加时间，扫描范围更大。

11.斑块成像临床应用

• 有助于寻找责任病变

一个人一旦发病或者有症状，我们首先要找到他的责任病变在哪，在医学上称责任斑块。如图，左侧大脑半球有陈旧性和新鲜脑梗死，陈旧性脑梗死显示的是黑色区域，高信号就是新发的急性脑梗死，从这个图像上能看到是新老病灶都有，说明是反复发作。

左侧颈总动脉区域看到一个非常巨大的斑块，而且斑块有大面积的出血，斑块表面有大面积溃疡，真正的管腔就是一个小白点，特别窄。这个人最后做了内膜剥脱手术，斑块整体剥除以后，血管变得通畅。这就是磁共振成像有助于寻找责任病变，然后进行有效的干预来防止复发。

• 有助于临床决策

这个图像，两侧的颈动脉都有一个出血性斑块，这种斑块是很危险的，尤其是右侧的斑块特别大，管腔狭窄比较重。这个人最后建议做了内膜剥脱手术，管壁的斑块被剥除了，右侧的血管问题解决。但是左侧的斑块没有建议处理，因为左侧的狭窄20%都不到。我们通过磁共振成像看到病变的特点，有助于帮助临床决策。同样一个病人，左右两侧的斑块大小形态有差异，那么处理原则是不一样的，来自于我们图像上的表现特点。

• 监测动脉粥样硬化斑块通过药物治疗的效果

这是我们发表的一篇综述，总结了国际上12个他汀药物治疗斑块的药物试验，全是用磁共振来监测的。最后发现能够用磁共振有效监测其效果。

如图，基线这一行斑块很大，里面有大的脂质核，用他汀药物治疗三年以后，斑块明显缩小，斑块的脂质核不见了，斑块由不稳定变成稳定，所以这是一个直接证据，可以监测临床治疗的效果。

• 预测未来中风的发病风险

利用磁共振斑块成像看到的特征能够预测未来中风的发病风险，国际上在这个领域做了一系列前瞻性的队列研究。

利用磁共振斑块的一些特征，比如纤维帽破裂FCR，对于未来脑中风预测的独立的预测值已经接近6，这是任何传统危险因素做不到的。传统危险因素值也就是一点多，二点多，现在能够做到6。还有斑块内出血独立预测值能达到4.59。脂质核也比传统危险因素高，能达到3。

所以经过斑块成像找到的这些易损斑块特征，对于未来脑中风的发病风险的预测价值，远远高于我们传统的一些危险因素的预测价值。

三、基于磁共振斑块成像的人群队列研究

1. 国外研究

我们把磁共振斑块成像用到人群队列研究当中去，能否提升未来对心脑血管疾病风险的预测。这方面有三个代表性的研究，第一个是HRP，第二个是加拿大的CAIN，第三个是荷兰的PaRisk。

2. 中美人群差异

中国人跟美国人、欧洲人不同。中国人的颈动脉斑块更多的是脂质，美国人的斑块钙化比较多，两者差异很大。所以不能简单的把欧美的研究结果拿到中国人群来用。

3. 中国CARE（Chinese Atherosclerosis Risk Evaluation）研究

中国开展的CARE研究在2011年开始启动，到现在已经六年时间。

我们在1047个病人中用高分辨率磁共振成像发现，这些中风的患者，易损斑块的发病率是28%，而用传统的方法看他狭窄程度只有19%。因此对于高危易损斑块的识别来说，磁共振比其他的单纯看狭窄程度的方法要更准确。

4. CAMERA项目

天坛医院跟我们联合发起在清华大学社区开展的camera项目，主要是一个质量的控制，包括疾病发病风险的监测研究。

项目总体设计，1000人采集临床信息样本，头部脑血管磁共振成像、颈动脉超声成像、一些血液标志物的检测，进行五年随访。整个研究方案的设计里已融合大数据和人工智能的想法。所以这些数据获得之后，将来确实有机会同大家合作一起挖掘里面的数据信息。

四、心脑血管疾病研究领域数据分析面临的挑战

这么多人群队列研究，有临床数据，也有影像数据，还有遗传学数据，利用传统统计学方法，我们只用到里面非常少的一些有效信息，还有大量的有效信息没有挖掘出来。

第一，毫无疑问，磁共振斑块成像是一个非常有效的工具，它能够对心脑血管疾病的发病风险进行有效分层。但是将来怎么利用这个技术来做人群队列研究，就是未来需要开展的课题。

第二，在斑块图像分析方面，原来都是用手工去勾划，将来可以利用人工智能技术，把劳动力解放出来，提高诊断的效率和诊断的准确度。

第三，脑血管斑块成像现在拥有的数据已经非常多，而且我们还有一些机会能拿到国际同行在国际不同的领域所开展的一些队列研究数据，把它整合到一起，这方面需要做一些数据挖掘。

第四，在整个心脑血管疾病的风险预测模型构建方面，突破原始的模型构建，包括危险因素，包括统计学的一些模型，利用大数据的办法看是否有改善。尤其重要的是要基于中国人群来开展这方面研究，而不是永远把美国和欧洲的统计模型搬到中国人群来用。

因此，上述四件事可以在将来逐步开展，希望跟各位同仁一起合作努力。

感谢大家聆听，谢谢。

更多精彩，微信公众号后台回复关键词“1017”，下载赵锡海老师完整版PPT。