[導讀] 随着磁共振管壁成像技術的迅速發展，大量多層次、多維度的圖像數據應運而生。然而在圖像數據的判讀分析、風險預測模型的構建和人群健康管理模式的探索等方面存在諸多挑戰。人工智能和大數據技術可能為腦動脈易損斑塊的精準評估和卒中風險預測帶來新的機遇。

本期清華大數據“應用·創新”系列講座邀請到清華大學生物醫學影像研究中心研究員趙錫海老師與大家分享腦動脈粥樣硬化斑塊磁共振成像的技術研發、臨床轉化和數據挑戰。以下内容經數據派THU根據現場演講内容整理而成。

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趙錫海，數據科學研究院RONG兼職教授，研究員，博士生導師。現任清華大學生物醫學影像研究中心研究員、清華大學附屬北京清華長庚醫院放射科副主任、北京市腦重大疾病研究院兼職教授。主要從事心腦血管病的多模式影像學，尤其是腦血管易損斑塊的高分辨率磁共振成像技術研發及臨床應用研究。

數據派為沒有流量的童鞋整理了圖文版演講實錄：

一、心腦血管疾病人群隊列研究的發展史

1.心腦血管疾病重災區

心腦血管是全球範圍第一位緻死性疾病，每年可導緻1700多萬人死亡，其中歐洲、美國、中國、東南亞、俄羅斯區域都是重災區。中國心腦血管疾病緻死率高達39.2%，也就是接近40%的人是由于心腦血管疾病死亡。

2.中美人群差異

心腦血管疾病中美人群有很大差異，在美國人群中，第一位緻死性疾病是心髒病，腦中風是第四位。中國人群正好相反，緻死率第一位是中風，第四位是心髒病。

3.中國人群心腦血管疾病

在中國人群中，心髒病和腦中風兩種疾病發病率逐年上升，拐點仍未出現。

4. 心腦血管疾病緻病原因

引起心腦血管疾病的因素非常多，不僅包括血壓、血脂，還包括吸煙、飲酒等。

5. 心腦血管疾病預防

疾病最好的治療是預防。心腦血管疾病預防有兩個最大挑戰：第一，高危人群本身不可能貼标簽，我們需要把這群人的特點做數據采集後進行分析；第二，哪些危險因素能夠有效調整和控制來防止未來發生心腦血管疾病。

6. Framingham心髒研究 (FHS)

60年前，美國團隊在麻省一個小鎮開展了一項世界知名的研究，FHS心髒研究。Framingham研究從1948年開始至今，小鎮一共有5000多人幾乎是整群抽樣，第一代、第二代、第三代的居民都參與了這個項目。Framingham研究成果顯著，影響因子20分以上的雜志發表文章40篇，影響因子70多分的新英格蘭雜志發表文章8篇，接近20分的雜志發表文章100多篇。

7. Framingham風險評分 (FRS)

确定跟心腦血管疾病發病風險密切相關的因素，包括年齡，血脂水平，還包括血壓，有無糖尿病等，建立回歸模型進行回歸分析，代入公式形成評分系統。

8. Framingham風險評分 (FRS)的實際效果

FRS評分實際效果不是很理想。它僅能準确預測1/3的心肌梗死，有2/3心肌梗死未成功預測。它有1/4的受試人群在未來沒有發生心腦血管事件，但被劃歸為高危人群。這個評分系統，既表現為高估，也表現為低估。在評分系統公式裡肯定缺少了非常重要的變量和參數。

9. 引起心腦血管疾病真正的病因

引起腦梗死或心肌梗死的主要原因是供應心腦器官的重要血管發生了動脈粥樣硬化，由早期發展到中期晚期，最後不穩定引發破裂形成血栓，血栓脫漏後引起遠端的腦梗死或心肌梗死。

10. 針對動脈粥樣硬化的隊列研究

美國以FHS心髒研究為基礎，針對動脈粥樣硬化又開展了兩個大的隊列研究，一是ARIC，一是MESA。ARIC研究從1987年開始，在美國共選了4個社區60歲以上的老年人群。MESA研究從1999年開始，在美國選了5個地區，目标人群一共6500例。他把人群分成白種人、歐洲裔的黑人、西班牙裔和亞裔人群四類。冠狀動脈的鈣化積分和頸動脈的斑塊，對于心腦血管疾病的預測風險确實是有改善的作用。

二、磁共振斑塊成像技術與臨床應用

1. 高風險斑塊特征

動脈粥樣硬化斑塊無論發生在頸動脈、冠狀動脈還是其他血管，一旦長到晚期時，會形成一些高危特征，比如大的脂質核、薄的纖維帽、斑塊裡有大量出血、纖維帽有破裂就形成血栓脫落或者炎症反應等，這四個特點的任何一個都代表了這個斑塊容易破裂。

2. 高風險斑塊評估

目前看動脈血管有沒有高風險斑塊的方法是利用各種成像方法：CT、超聲、磁共振，甚至血管成像DSA。

3. 狹窄不等于動脈粥樣硬化

第一，不能簡單把動脈狹窄當成動脈硬化。引起動脈血管狹窄的病變不僅有動脈硬化，還有動脈夾層、血管炎等别的疾病。

第二，血管狹窄程度跟斑塊是否易破裂不能直接劃等号。因為動脈斑塊在早期時，血管并不狹窄。同樣狹窄程度的斑塊，裡面的穩定程度也不一樣。

4. 用CT和超聲識别易損斑塊不是比較好的方法

超聲對于斑塊易損特征的敏感度、特異度非常差，僅21.7%，幾乎沒有任何作用。

CT對斑塊内出血易損特征的識别作用很低。對比有無出血的兩個斑塊的CT值，平均值很接近，标準差也很接近，幾乎沒有顯著性差異。

5. 磁共振識别動脈粥樣硬化

到目前為止，磁共振是在易損斑塊識别中最準的一個成像方法，可以看到斑塊的各種成分特征。鈣化在磁共振上面是黑的，管壁特别高的信号區域就是斑塊出血。大的脂質核、纖維帽、纖維帽破裂在磁共振上也看得非常清楚。

磁共振血管壁成像技術從1994年開始發展到現在已經二十多年的曆史，技術發展非常快。磁共振血管壁成像技術的核心就是兩個字：黑血。就是把管腔裡的血液變黑，把血液信号抑制下去，目的是讓斑塊顯示得更清楚。

6. 磁共振斑塊成像

斑塊成像領域已經從二維成像發展到三維成像的時代。腦血管斑塊二維成像，一層層掃描，效率非常低，掃描範圍小。現在已經發展到三維成像，容積采集，數據量很大，可以非常有效的對目标區域進行三維重建，顯示更加直觀。

7. 磁共振頸動脈斑塊二維成像

頸動脈斑塊成像有四個模塊軟硬件來配置：磁共振；專用的線圈接收信号；相應的成像序列軟件圖像進行采集；一套圖像分析工具進行分析。

掃描時以頸動脈為中心逐層采集，采完後圖像如下：

如圖動脈管壁能看到一個非常大的增厚區域，這就是動脈粥樣硬化斑塊。在不同的序列上能看到有大的脂質核，斑塊已經發展到不穩定狀态，脂質核太薄。

這個斑塊管壁的信号明顯升高，特别亮，斑塊出血，破裂斑塊形成潰瘍，潰瘍的區域不斷形成血栓，會有反複腦缺血發作，經常有症狀，而且時間久了以後還可能形成新的大面積腦梗死，這是一個典型的纖維帽破裂症狀。

磁共振管壁成像的信息是非常豐富而且精準的。

8. 磁共振頸動脈斑塊三維成像

三維成像技術能夠一次掃描把整個頸動脈的區域全覆蓋。

三維成像技術現在已經很成熟。如圖：頸動脈分杈的地方，斑塊光滑，脂質斑塊，斑塊表面已經明顯破裂形成潰瘍，斑塊裡有高信号出血，管腔狹窄。

這個圖像如果拿給病人和病人家屬，沒有任何醫學背景的人，隻要把箭頭标上去，都會看到病長在什麼地方，病變的特點是什麼。未來醫學影像發展的方向，不是把圖像做的越複雜越好，而是做得越簡單越好。

第二個技術是專門看斑塊出血。就是隻要有出血的地方，信号就特别高，然後我們利用圖像後處理辦法把它染上紅色就能看得非常清楚。

我們利用三維成像技術，不同序列圖像擺在一起，就可以對一個斑塊的特征進行全面分析。這三個成像方法，每一個成像序列掃描隻需要5分鐘，加起來20分鐘，比原來的40分鐘時間大大縮短，采集效率高，覆蓋範圍廣。

9. 磁共振顱内斑塊三維成像

顱内斑塊成像需要一些相應的軟硬件配置，線圈可以用标準的圖像圈。二維成像時代顱内圖像識别非常困難，一個顱内的動脈血管，圖像特别不好看。

三維成像能把顱内動脈管壁顯示得非常清楚，顱内動脈血管非常小，直徑大一點的在3毫米到4毫米，小一點的在2毫米到3毫米。

顱内斑塊利用三維成像技術看得很清楚。有無出血，能看到非常亮的信号。所以磁共振技術就能夠幫助找到一些非常高風險的斑塊，位置在哪，風險有多高，基本上都能夠精準識别出來。

10. 磁共振頸動脈顱内斑塊一次成像

理論上一次掃描把顱内和顱外動脈全包括是可以實現的，從成像方法來說，仍需要努力。

在成像技術方面我們做了大量的努力，接收線圈上我們也發展了第一代、第二代、第三代的線圈，目前第三代線圈已進入市場，得到非常好的圖像。

我們利用線圈和成像技術序列得到了大範圍的圖像，能夠非常清楚地從頸動脈一直看到顱内血管。而且掃描時間上每一個序列5分鐘就能采完，沒有增加時間，掃描範圍更大。

11.斑塊成像臨床應用

• 有助于尋找責任病變

一個人一旦發病或者有症狀，我們首先要找到他的責任病變在哪，在醫學上稱責任斑塊。如圖，左側大腦半球有陳舊性和新鮮腦梗死，陳舊性腦梗死顯示的是黑色區域，高信号就是新發的急性腦梗死，從這個圖像上能看到是新老病竈都有，說明是反複發作。

左側頸總動脈區域看到一個非常巨大的斑塊，而且斑塊有大面積的出血，斑塊表面有大面積潰瘍，真正的管腔就是一個小白點，特别窄。這個人最後做了内膜剝脫手術，斑塊整體剝除以後，血管變得通暢。這就是磁共振成像有助于尋找責任病變，然後進行有效的幹預來防止複發。

• 有助于臨床決策

這個圖像，兩側的頸動脈都有一個出血性斑塊，這種斑塊是很危險的，尤其是右側的斑塊特别大，管腔狹窄比較重。這個人最後建議做了内膜剝脫手術，管壁的斑塊被剝除了，右側的血管問題解決。但是左側的斑塊沒有建議處理，因為左側的狹窄20%都不到。我們通過磁共振成像看到病變的特點，有助于幫助臨床決策。同樣一個病人，左右兩側的斑塊大小形态有差異，那麼處理原則是不一樣的，來自于我們圖像上的表現特點。

• 監測動脈粥樣硬化斑塊通過藥物治療的效果

這是我們發表的一篇綜述，總結了國際上12個他汀藥物治療斑塊的藥物試驗，全是用磁共振來監測的。最後發現能夠用磁共振有效監測其效果。

如圖，基線這一行斑塊很大，裡面有大的脂質核，用他汀藥物治療三年以後，斑塊明顯縮小，斑塊的脂質核不見了，斑塊由不穩定變成穩定，所以這是一個直接證據，可以監測臨床治療的效果。

• 預測未來中風的發病風險

利用磁共振斑塊成像看到的特征能夠預測未來中風的發病風險，國際上在這個領域做了一系列前瞻性的隊列研究。

利用磁共振斑塊的一些特征，比如纖維帽破裂FCR，對于未來腦中風預測的獨立的預測值已經接近6，這是任何傳統危險因素做不到的。傳統危險因素值也就是一點多，二點多，現在能夠做到6。還有斑塊内出血獨立預測值能達到4.59。脂質核也比傳統危險因素高，能達到3。

所以經過斑塊成像找到的這些易損斑塊特征，對于未來腦中風的發病風險的預測價值，遠遠高于我們傳統的一些危險因素的預測價值。

三、基于磁共振斑塊成像的人群隊列研究

1. 國外研究

我們把磁共振斑塊成像用到人群隊列研究當中去，能否提升未來對心腦血管疾病風險的預測。這方面有三個代表性的研究，第一個是HRP，第二個是加拿大的CAIN，第三個是荷蘭的PaRisk。

2. 中美人群差異

中國人跟美國人、歐洲人不同。中國人的頸動脈斑塊更多的是脂質，美國人的斑塊鈣化比較多，兩者差異很大。所以不能簡單的把歐美的研究結果拿到中國人群來用。

3. 中國CARE（Chinese Atherosclerosis Risk Evaluation）研究

中國開展的CARE研究在2011年開始啟動，到現在已經六年時間。

我們在1047個病人中用高分辨率磁共振成像發現，這些中風的患者，易損斑塊的發病率是28%，而用傳統的方法看他狹窄程度隻有19%。因此對于高危易損斑塊的識别來說，磁共振比其他的單純看狹窄程度的方法要更準确。

4. CAMERA項目

天壇醫院跟我們聯合發起在清華大學社區開展的camera項目，主要是一個質量的控制，包括疾病發病風險的監測研究。

項目總體設計，1000人采集臨床信息樣本，頭部腦血管磁共振成像、頸動脈超聲成像、一些血液标志物的檢測，進行五年随訪。整個研究方案的設計裡已融合大數據和人工智能的想法。所以這些數據獲得之後，将來确實有機會同大家合作一起挖掘裡面的數據信息。

四、心腦血管疾病研究領域數據分析面臨的挑戰

這麼多人群隊列研究，有臨床數據，也有影像數據，還有遺傳學數據，利用傳統統計學方法，我們隻用到裡面非常少的一些有效信息，還有大量的有效信息沒有挖掘出來。

第一，毫無疑問，磁共振斑塊成像是一個非常有效的工具，它能夠對心腦血管疾病的發病風險進行有效分層。但是将來怎麼利用這個技術來做人群隊列研究，就是未來需要開展的課題。

第二，在斑塊圖像分析方面，原來都是用手工去勾劃，将來可以利用人工智能技術，把勞動力解放出來，提高診斷的效率和診斷的準确度。

第三，腦血管斑塊成像現在擁有的數據已經非常多，而且我們還有一些機會能拿到國際同行在國際不同的領域所開展的一些隊列研究數據，把它整合到一起，這方面需要做一些數據挖掘。

第四，在整個心腦血管疾病的風險預測模型構建方面，突破原始的模型構建，包括危險因素，包括統計學的一些模型，利用大數據的辦法看是否有改善。尤其重要的是要基于中國人群來開展這方面研究，而不是永遠把美國和歐洲的統計模型搬到中國人群來用。

因此，上述四件事可以在将來逐步開展，希望跟各位同仁一起合作努力。

感謝大家聆聽，謝謝。

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