腦灌注成像原理及其應(yīng)用

1、MRI腦灌注成像基本原理及應(yīng)用,,灌注（Perfusion）,人腦正常的神經(jīng)生理和高級神經(jīng)活動(dòng)要求以一定的血流灌注為基礎(chǔ)，灌注是指血流通過毛細(xì)血管網(wǎng)，將攜帶的氧和營養(yǎng)物質(zhì)輸送給組織細(xì)胞的重要功能，一般等同于血流過程，是以流動(dòng)效應(yīng)為基礎(chǔ)的，存在于正常組織和疾病狀態(tài)，毛細(xì)血管中的血液流動(dòng)使灌注成像成為可能。,灌注（Perfusion）,1988年Villringer等首先報(bào)道了MR血流灌注成像（MR perfusion weighted i

2、maging,MR PWI)在腦部的應(yīng)用。MR PWI用來反映組織的微血管分布和血流灌注情況，可以提供血流動(dòng)力學(xué)方面的信息。具有時(shí)間分辨率（小于2s即可包括全腦）和空間分辨率高，操作簡單，無放射性，可以在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)進(jìn)行，具有良好的臨床應(yīng)用前景。,磁共振灌注技術(shù)的分類,動(dòng)態(tài)磁敏感對比增強(qiáng)（dynamic susceptibility weighted contrast enhanced，DSC）使用外源性示蹤劑，即對比劑首過磁共振灌注

3、成像法。動(dòng)脈自旋標(biāo)記（arterial spin labeling，ASL）使用內(nèi)源性示蹤劑，即利用動(dòng)脈血中的水質(zhì)子作為內(nèi)源性示蹤劑的，由于不需注射對比劑，安全無創(chuàng)，因而有著較強(qiáng)的臨床應(yīng)用潛力。,DSC基本原理,DSC為靜脈團(tuán)注對比劑后，采用快速成像序列，獲得對比劑首次通過受檢組織前、通過中和通過后一段時(shí)間內(nèi)的一系列圖像，評價(jià)組織血流灌注。順磁性對比劑（如釓噴酸，Gd-DTPA）進(jìn)入血管后，血管腔內(nèi)的磁敏感性增強(qiáng)，在局部產(chǎn)生梯度場

4、，導(dǎo)致磁場不均勻，進(jìn)而引起鄰近氫質(zhì)子共振頻率改變，使質(zhì)子自旋失相位從而使組織的T2或T2*時(shí)間縮短，造成組織T2WI 或T2*WI信號的下降。,DSC基本原理,腦組織信號下降幅度與血管內(nèi)造影劑濃度成正比,反應(yīng)腦組織的血液動(dòng)力學(xué)狀態(tài)正常腦組織由于BBB的存在， Gd-DTPA不能通過毛細(xì)血管網(wǎng)進(jìn)入腦組織間隙，不影響組織的T1時(shí)間，因此不產(chǎn)生T1增強(qiáng)效應(yīng)。,基本方法,靜脈團(tuán)注對比劑后，當(dāng)對比劑第一次通過受檢組織之前、之中和之后，采用快速

5、掃描序列（EPI）進(jìn)行連續(xù)的多層面多次成像，從而獲得一系列動(dòng)態(tài)的掃描圖像。對比劑第一次通過期間，主要存在于血管內(nèi)，血管外極少，血管內(nèi)外濃度梯度最大，信號的變化受彌散因素影響小，故能反應(yīng)組織的血液灌注情況。根據(jù)造影劑第一次通過局部腦組織引起的信號強(qiáng)度變化和時(shí)間的關(guān)系，可以繪制信號強(qiáng)度—時(shí)間曲線，根據(jù)信號強(qiáng)度—時(shí)間曲線可獲得部分的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的相對值，并可通過工作站制成各種血流動(dòng)指標(biāo)圖像。,灌注成像的理論基礎(chǔ),核醫(yī)學(xué)的放射性示蹤劑稀釋原

6、理和中心容積定律（central volume principle) MTT=CBV/CBF,參數(shù),腦血容量（cerebral blood volume ,CBV) 指單位時(shí)間內(nèi)一定腦組織的血容量，根據(jù)時(shí)間—密度曲線下方封閉的面積計(jì)算得出。CBV=K∫△R2*（t）dt 。正常為40~60ml/（100g·min） 腦血流量（cerebral blood flow,CBF)指在單

7、位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)一定量腦組織血管結(jié)構(gòu)的血流量，CBF越小，意味著腦組織的血流量越低。,參數(shù),平均通過時(shí)間（ mean transit time,MTT) 主要反映的是對比劑通過毛細(xì)血管的時(shí)間。峰值時(shí)間（time-to-peak, TTP）指在時(shí)間信號曲線上從對比劑開始出現(xiàn)到對比劑濃度達(dá)到峰值的時(shí)間。,掃描技術(shù),灌注成像研究的是機(jī)體的動(dòng)態(tài)過程，依賴于快速的磁共振成像技術(shù)，目前常用的是平面回波技術(shù)（EPI），主要有兩種SE-EPI、GRE-

8、EPI。SE-EPI：對毛細(xì)血管水平的血管內(nèi)對比劑敏感。GRE-EPI：對較大范圍內(nèi)的血管均敏感。,對比劑的應(yīng)用,常用順磁性對比劑Gd-DTPA，它是一種非特異性細(xì)胞外間隙順磁性對比劑。一般采用單倍劑量（0.1mmol/kg）或雙倍劑量（ 0.1mmol/kg ）劑量小：對比劑產(chǎn)生的信號下降程度小，易受背景噪聲干擾，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差大。劑量大：對比劑由于彈丸效應(yīng)使對比劑通過腦組織血管時(shí)間延長，同時(shí)由于二次灌注使信號曲線與實(shí)際有明

9、顯偏差。,對比劑的應(yīng)用,為了使對比劑早期居于血管內(nèi)而不進(jìn)入組織，即保證沒有對比劑的再循環(huán)和漏出，對注射對比劑的量及速度有一定的要求，必須使用高壓注射器，注射流率為3-4ml/s。團(tuán)注速度過慢 信號下降程度降低，易導(dǎo)致參數(shù)計(jì)算錯(cuò)誤。,,正常灌注MR表現(xiàn),CBV圖-皮層>基底節(jié)> 白 質(zhì)-高信號代表CBV增加，低信號CBV降低,MTT圖白質(zhì)>基底節(jié)>皮層高信號MTT延長，低信號MTT較短或MTT消失

10、,MR腦灌注臨床應(yīng)用,,1腦缺血性病變,一、短暫性腦缺血發(fā)作（transient ischemic attacks，TIA）定義：局灶性腦或視網(wǎng)膜缺血造成的短暫的神經(jīng)功能缺損的發(fā)作，臨床癥狀典型的持續(xù)小于1h，無任何腦梗死證據(jù)。TIA后1月內(nèi)發(fā)生梗死者占4-8%，5年內(nèi)增至24-29%。,1腦缺血性病變,從CBF變化過程看，腦血流的下降到急性腦梗死的發(fā)生經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)期：由于腦灌注壓下降引起的腦局部血流動(dòng)力學(xué)異常改變；腦循環(huán)儲(chǔ)備力

11、失代償性低灌注所造成的神經(jīng)元功能改變；最后，由于CBF下降超過腦代謝儲(chǔ)備力才發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的神經(jīng)元形態(tài)學(xué)改變，即腦梗死。 前2個(gè)時(shí)期稱為腦梗死前期， TIA 屬此期。腦血管病常有較長的潛伏期，而TIA以及臨床出現(xiàn)的異常征象是一個(gè)十分明顯的預(yù)警信號。,1腦缺血性病變,約50%TIA患者在發(fā)病12h內(nèi)的PWI上存在異常灌注區(qū)，主要為：TTP延長：主要原因是血流速度慢和側(cè)支循環(huán)供血。MTT延長：提示腦灌注壓降低，腦灌注儲(chǔ)備受

12、損；若①CBV、CBF明顯減少，提示組織灌注不足；②CBV增加或接近正常，提示側(cè)支循環(huán)形成。,1腦缺血性病變,二、急性缺血性腦梗死腦缺血由中央的梗死核心區(qū)、 缺血半暗帶（ischemic penumbra， IP）、血流減少區(qū)構(gòu)成。梗死核心區(qū)：不可逆損傷組織。IP：神經(jīng)元電生理活動(dòng)停止，側(cè)支供血僅能維持細(xì)胞膜穩(wěn)定，長期低灌注終將導(dǎo)致梗死，溶栓治療的主要目的是恢復(fù)IP的血供。,1腦缺血性病變,PWI能發(fā)現(xiàn)早期腦缺血區(qū)及其血液

13、動(dòng)力學(xué)改變，能在腦缺血后30min即清楚顯示缺血區(qū)。故目前主要應(yīng)用于急性腦缺血病人（發(fā)病6小時(shí)以內(nèi)）或超級性腦缺血病人（發(fā)病3小時(shí)以內(nèi)）的早期診斷。PWI能直觀的反映腦組織中血流量的相對多少。,1腦缺血性病變,CBV圖：異常低灌注區(qū)多代表梗死核心，即最終梗死區(qū)；CBF圖：異常灌注區(qū)代表缺血組織，可提供CBV圖不能反映的血流動(dòng)力學(xué)改變。MTT和TTP圖對組織低灌注最敏感，可最大范圍的顯示低灌注區(qū)。急性缺血PWI參數(shù)圖異常范圍大小順

14、序： MTT>CBF>CBV,1腦缺血性病變,灌注不足：MTT明顯延長，CBV減少，CBF明顯減少。側(cè)支循環(huán)信息：MTT延長，CBV增加或尚可。血流再灌注信息：MTT縮短或正常，CBV增加，CBF正?；蜉p度增加。過度灌注信息：CBV與CBF均顯著增加。,MTT,TTP,CBF,CBV,2顱內(nèi)占位性病變,腫瘤細(xì)胞增值活躍，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)葡萄糖降低和缺氧，誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothe

15、lial growth factor，VEGF）生成。新生血管迂曲、結(jié)構(gòu)異常使腫瘤CBV和CBF增加，MTT延長。評價(jià)顱內(nèi)腫塊性病變時(shí)CBV是最有用的參數(shù)。研究表明CBV與腫瘤微血管密度（microvessel density，MVD）和VEGF濃度相關(guān)。測量CBV作為輔助指標(biāo)有助于評判腦腫瘤的新生血管程度，分級和惡性度，鑒別腫瘤樣病變，監(jiān)測治療效果等。血管形態(tài)和新生程度是區(qū)分顱內(nèi)腫瘤類型，確定其生物學(xué)侵襲程度的重要依據(jù)。反映血管化程

16、度的活體CBV圖，可用以間接評判腫瘤新生血管。,2.1原發(fā)性膠質(zhì)瘤,常規(guī)MRI一般根據(jù)腫瘤的強(qiáng)化程度等指標(biāo)進(jìn)行術(shù)前分級，但膠質(zhì)瘤作為腦內(nèi)腫瘤，其強(qiáng)化程度取決于BBB的破壞程度，及腫瘤細(xì)胞外間隙大小和腫瘤血供。多項(xiàng)研究表明高級別膠質(zhì)瘤血管生成明顯，較低級別膠質(zhì)瘤表現(xiàn)更高的CBV。,例1,a,b,c,2.1原發(fā)性膠質(zhì)瘤,FLAIR image (a),contrast-enhanced axial T1-weighted image (b

17、), and CBV map (c) from a patient affected by glioma grade IV. In the CBV map (c) warmer colors indicate higher CBV values suggesting higher perfusion and neovascularization. Comparison of CBV map (c) and contrast-enhanc

18、ed axial T1-weighted image highlights a mismatch area (surrounded by the circle) corresponding to the extension of the high perfusion area outside the contrast-enhancement: this indicates a more extensive neovascularizat

19、ion than that shown by conventional MRI (a, b).,例2,膠質(zhì)母細(xì)胞瘤 女，22歲(WHO Ⅳ),2.1原發(fā)性膠質(zhì)瘤,例3,2.1原發(fā)性膠質(zhì)瘤,間變性星形細(xì)胞瘤 男，59 歲(WHOⅢ),例4,2.1原發(fā)性膠質(zhì)瘤,彌漫性星形細(xì)胞瘤男，35歲(WHOⅡ),例5,2.1原發(fā)性膠質(zhì)瘤,毛細(xì)胞型星形細(xì)胞瘤 男，13 歲(WHOⅠ),例6,2.1原發(fā)性膠質(zhì)瘤,少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤 女，43 歲(WHOⅡ),2

20、.2腦外腫瘤,顱內(nèi)腦外腫瘤是指起源于顱內(nèi)非腦實(shí)質(zhì)組織如硬膜，顱骨，腦室，脈絡(luò)膜叢，松果體，垂體的腫瘤，以腦膜瘤最常見。它們常有豐富的血管而又無血腦屏障，所以增強(qiáng)顯著。一般情況下常規(guī)影像檢查鑒別腦內(nèi)外腫瘤不難，當(dāng)腦內(nèi)腫瘤侵犯硬膜或腦外腫瘤侵犯腦實(shí)質(zhì)時(shí)會(huì)給定位診斷造成困難。腦外腫瘤的CBV明顯高于腦內(nèi)腫瘤。值得注意的事由于腦外腫瘤沒有血腦屏障，造影劑很快漏出，CBV的測量不可靠。灌注曲線特征是首次通過后基線恢復(fù)緩慢。,2.2腦外腫瘤,2.3

21、腦原發(fā)淋巴瘤,腦原發(fā)淋巴瘤的治療依靠聯(lián)合大劑量化療和放療而非手術(shù)。在診斷上，常規(guī)影像有時(shí)很難鑒別腦原發(fā)淋巴瘤與膠質(zhì)瘤。灌注成像顯示腫瘤新生血管特征的能力有助于鑒別兩者。腦原發(fā)淋巴瘤組織病理上的一個(gè)顯著特征就是以血管為中心生長，形成多層環(huán)形結(jié)節(jié)并使血管周圍間隙擴(kuò)大。雖然腫瘤細(xì)胞可侵犯血管內(nèi)皮甚至侵入血管腔內(nèi)，但新生血管卻不明顯。因此腦原發(fā)淋巴瘤的CBV明顯低于膠母的。,2.3腦原發(fā)淋巴瘤,2.4腦轉(zhuǎn)移瘤,腦轉(zhuǎn)移瘤多為血行轉(zhuǎn)移，在其生長中產(chǎn)

22、生無屏障的新生血管網(wǎng)，瘤周常伴不同程度水腫，但其內(nèi)的毛細(xì)血管床正常，腫瘤邊緣以外無腫瘤細(xì)胞侵潤。孤立實(shí)性轉(zhuǎn)移常與原發(fā)腫瘤鑒別。兩者病灶區(qū)CBV表現(xiàn)相近，灶周水腫區(qū)差異顯著，原發(fā)腫瘤明顯高于轉(zhuǎn)移瘤。高級別膠質(zhì)瘤腫瘤周圍區(qū)域有腫瘤細(xì)胞的浸潤,轉(zhuǎn)移瘤腫瘤周圍區(qū)域的CBV值明顯比對側(cè)正常組織小,其原因可能是轉(zhuǎn)移瘤周圍區(qū)域的血管源性水腫對微循環(huán)起到壓迫作用導(dǎo)致灌注下降。,2.4腦轉(zhuǎn)移瘤,3立體定向引導(dǎo)活檢,活檢是確定腫瘤類型和級別的最后方法，但

23、只有從腫瘤惡性度最高處采樣才能準(zhǔn)確分級。常規(guī)增強(qiáng)CT或MRI所顯示的增強(qiáng)區(qū)域只代表血腦屏障破壞而并不一定是腫瘤最惡性部分。CBV圖能顯示血管分布增多區(qū)，對于常規(guī)檢查不增強(qiáng)的腫瘤，更是一個(gè)有效的補(bǔ)充。,4評價(jià)治療效應(yīng),抗血管生成藥物的進(jìn)展使其能夠主動(dòng)選擇性分離破壞腫瘤血管，可附加于腦腫瘤化療方案中。膠質(zhì)瘤手術(shù)，放療，化療后均需要影像檢查評價(jià)腫瘤活性，但常規(guī)CT或MRI增強(qiáng)并不能準(zhǔn)確顯示腫瘤進(jìn)程及腫瘤血管。在一組附加了抗血管生成藥物化療患者

24、的治療過程中，系列rCBV的測量與增強(qiáng)MRI相比能更好反映患者臨床狀況的變化。,5鑒別膠質(zhì)瘤腫瘤復(fù)發(fā)和治療性壞死,鑒別腫瘤復(fù)發(fā)和放射性壞死對治療方案選擇很重要，常規(guī)影像和臨床檢查常常很難鑒別，在病理上兩者表現(xiàn)迥異，放射性壞死為廣泛血管損傷和組織缺氧，而腫瘤復(fù)發(fā)為血管新生。在所有影像學(xué)方法中，PET對鑒別較有幫助，但設(shè)備昂貴，不能作為常規(guī)診斷的手段。灌注成像的CBV圖能夠反映腫瘤復(fù)發(fā)和放射性壞死在血管分布上的病例差異。,小結(jié),MR PWI

25、由于它采集速度快，簡便易行 ,時(shí)間分辨力高 ,病變檢出敏感性高 ,無電離輻射 ,圖像質(zhì)量好 ,一次可多層成像 ,并同時(shí)覆蓋整個(gè)顱腦 ,能評估腦缺血和腦腫瘤微循環(huán)血液動(dòng)力學(xué)的變化等許多優(yōu)點(diǎn) ,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于腦缺血及其他腦內(nèi)和腦外病變的血流動(dòng)力學(xué)研究 ,除早期顯示病變外 ,還可指導(dǎo)疾病的治療及判斷預(yù)后。其缺陷是目前不能進(jìn)行定量分析 ,有明顯的腦屏障破壞時(shí)影響參數(shù)值的準(zhǔn)確性 ,其次是顱底、骨-竇腔氣體界面病變的顯示有磁化率偽影的影響 ,在一定