脑灌注成像原理及其应用

MRI脑灌注成像基本原理及应用龚丽云高志远灌注（Perfusion）•人脑正常的神经心理和高级神经活动要求以一定的血流灌注为基础，灌注是指血流通过毛细血管网，将携带的氧和营养物质输送给组织细胞的重要功能，一般等同于血流过程，是以流动效应为基础的，存在于正常组织和疾病状态，毛细血管中的血液流动使灌注成像成为可能。•1988年Villringer等首先报道了MR血流灌注成像（MRperfusionweightedimaging,MRPWI)在脑部的应用。•MRPWI用来反映组织的微血管分布和血流灌注情况，可以提供血流动力学方面的信息。具有时间分辨率（小于2s即可包括全脑）和空间分辨率高，操作简单，无放射性，可以在短时间内重复进行，具有良好的临床应用前景。磁共振灌注技术的分类•1使用外源性示踪剂，即对比剂首过磁共振灌注成像法，以动态磁敏感对比增强（dynamicsusceptibilityweightedcontrastenhanced，DSC）灌注成像最常用。•2使用内源性示踪剂，即利用动脉血中的水质子作为内源性示踪剂的动脉自旋标记（arterialspinlabeling，ASL）法，由于不需注射对比剂，安全无创，因而有着较强的临床应用潜力。•注：本文主要说明DSC的原理及应用。DSC基本原理•MR脑灌注成像是通过静脉快速团注顺磁性对比剂立即进行快速MR扫描。一般用非弥散性对比剂Gd-DTPA。其带有较多不成对电子，一进入毛细血管床便在毛细血管内外建立起多个小的局部磁场，即形成一定的磁敏感性差别，在首过灌注时不仅使组织质子所经历的磁场均匀性降低，而且导致质子相位相干的损失，即加速了质子的失相位过程，从而使组织的T1，T2时间均缩短（注），造成组织信号的下降（磁化率效应）。•注举例解释下T1时间为何缩短：•在射频脉冲的激发下，人体组织内氢质子吸收能量处于激发状态。射频脉冲终止后，处于激发状态的氢质子恢复其原始状态，这个过程称为弛豫。在弛豫过程中，氢质子将其吸收的能量释放到周围环境中，若质子及所处晶格中的质子也以与Larmor频率相似的频率进动，那么氢质子的能量释放就较快，组织的T1弛豫时间越短，T1加权像其信号强度就越高。•T1弛豫时间缩短者有3种情况：其一为结合水效应；其二为顺磁性物质；其三为脂类分子。•顺磁性物质的特点是含有不成对的电子，常见的有铁、铬、钆、锰等金属、稀土元素及自由基。在磁场中顺磁性物质的磁进动与组织内质子进动相互作用，产生一个随机变化的局部微小磁场，这个微小磁场的变化频率与Larmor频率接近，从而使T1弛豫时间缩短。•这时使用T2*敏感序列进行测量，即可观察到组织信号的显著减少，即所谓的负性增强（negativeenhancement)。增强后的相应的T2WI或T2*WI上的信号会一过性降低，信号降低程度与局部对比剂浓度成正比。通过测量局部脑区域的信号改变就可以得到血流动力学参数来描述局部微循环信息。•如果用T1时间敏感的序列检查，则表现为组织的正性增强，但是局限性较大。•多层动态的T2*首过MR灌注成像能较全面的反应肿瘤的微血管灌注。基本方法•静脉团注对比剂后，当对比剂第一次通过受检组织之前之中和之后，采用快速扫描序列进行连续的多层面多次成像，从而获得一系列动态的扫描图像。•对比剂第一次通过期间，主要存在于血管内，血管外极少，血管内外浓度梯度最大，信号的变化受弥散因素影响小，故能反应组织的血液灌组情况。根据造影剂第一次通过局部脑组织引起的信号强度变化和时间的关系，可以绘制信号强度—时间曲线，根据信号强度—时间曲线可获得部分的血流动力学参数的相对值，并可通过工作站制成各种血流动指标图像。灌注成像的理论基础•核医学的放射性示踪剂稀释原理和中心容积定律（centralvolumeprinciple)••rMTT=rCBV/rCBF参数•1局部脑血容量（regionalcerebralbloodvolumerCBV)指存在于一定量脑组织血管结构内的血容量，根据时间—密度曲线下方封闭的面积计算得出。rCBV=K∫△R2*（t）dt•2局部脑血流量（regionalcerebralbloodflow,rCBF)指在单位时间内流经一定量脑组织血管结构的血流量，脑血流量值越小，意味着脑组织的血流量越低。rCBF=Cmax(曲线最大高度）•3局部平均通过时间（regionalmeantransittime,rMTT)开始注射对比剂到时间—密度曲线下降至最高强化值一半时的时间，主要反映的是对比剂通过毛细血管的时间（s）。•4峰值时间（TTP）指在TDC上从对比剂开始出现到对比剂浓度达到峰值的时间。TP值越大，意味着最大对比剂团峰值到达脑组织的时间越晚。•MTT是脑血液研究的重要参数，其长短明确反映了脑组织血液微循环的通畅情况，当平均通过时间较长时，说明血液在局部组织内停留时间较长，多数情况是由于病理状态造成的微循环不畅。扫描技术•灌注成像研究的是机体的动态过程，依赖于快速的磁共振成像技术，目前常用的是平面回波技术。其基本方法是在一个强的预备脉冲后施加一系列快速振荡的梯度脉冲链，同时采集信号。平面回波技术依靠梯度脉冲获取信号，对磁场的不均匀性很敏感，在主磁场均匀稳定的条件下，顺磁性对比剂所造成的局部小磁场的不均匀使其图像的信号减弱。•MR灌注各数值的测量，必须在团注对比剂前，注射中和注射后得到一系列时间间隔约1s的图像。较长的时间间隔会使信号强度-时间曲线的测量不精确。快速梯度回波成像可以获得每秒两层T1WI图像，但对于较大的不均质肿瘤通常是不足以完全覆盖，而平面回波成像序列能每秒进行10层MR扫描，是动态成像的理想选择。•理论上任何能进行平面回波成像且安装灌注软件的MR扫描仪均可进行MRPWI，EPI具有极高的时间和空间分辨力，它能够大约100s内产生图像，同时进行多层扫描，覆盖整个大脑，每层动态扫描40~60次，且全脑的时间分辨率都较高。•从发表的研究成果看，基本都采用1.5T超导型，梯度场强为22~25T/m。根据预备脉冲的不同可分为SE-EPI,FID-EPI,GRE-EPI，临床上常用的事GRE-EPI序列。•EPI：脂肪抑制预扫描后行平面回波灌注成像。对比剂的应用•磁共振对比剂按其磁性特征分为顺磁性对比剂和超顺磁性对比剂，按其强化机制可分为质子弛豫增强和T2弛豫增强，按其生物学分布特征可分为非特异性和特异性，非特异性对比剂又可分为细胞外间隙型和血池型。•常用对比剂为顺磁性对比剂Gd-DTPA，它是一种非特异性细胞外间隙顺磁性对比剂，含有多个不成对电子，与原子核质子作用形成偶极子，具有较大的磁矩，约为质子磁矩的657倍，它存在时，形成质子偶极子-电子偶极子，其运动频率与Lamor频率接近，形成弛豫增强，明显缩短T1时间。•为了使对比剂早期居于血管内而不进入组织，即保证没有对比剂的再循环和漏出，对注射对比剂的量及速度有一定的要求，所以必须使用高压注射器，静脉团注Gd-DTPA，剂量为0.1~0.3mmol/kg，应用18~20G静脉穿刺针，穿刺肘前静脉，注射流率为5~10ml/s，接着以同样流率注射20ml生理盐水以冲洗存留在注射器内的对比剂，注射对比剂与扫描同时进行。图像资料的后处理•将扫描获得的原始图像输入离线工作站。在实际工作中，通常首先获得的事时间-信号强度曲线，然后通过工作站计算机的处理进而得到相对脑血容量，相对脑血流量及平均通过时间图，确定兴趣区（ROI）以获得相应的数据。常规T2WI磁共振血管造影CBFCBVASL技术•与外源性示踪剂方法比较，内源性示踪剂技术图像的信噪比，空间分辨率较低，没有DSC可获得的灌注层面多；可获得的数据较少，仅有CBF；对被检者运动的高度敏感，易受到影响。•但由于其不需要注射对比剂，具有无创性，可重复性高及组织对比度较好的优点，因而有较强的临床应用潜力。比如近期发现ASL灌注图像对高，低胶质瘤的鉴别诊断有重要意义。ASL基本成像步骤•1利用翻转脉冲对流入成像层面的动脉血进行标记•2流入毛细血管区的血液与组织水中的质子进行交换引起局部组织纵向弛豫时间T1的变化•3图像与没有标识的图像相减得到灌注图像•4通过动力学模式定量测量脑血流量。MR脑灌注临床应用1脑缺血性病变•脑缺血区血流动力学变化•1脑缺血发生后，由于局部神经生化的改变，导致脑血管代偿性的扩张，血管循环阻力下降，以利于维持正常的局部脑血流量，早期局部脑血流量与平均通过时间增加。2局部脑动脉灌注压继续下降，血管扩张已经达到最大限度，局部脑血流量达到最大后开始下降。3脑组织缺血时间超过6小时，脑组织的血液供应进一步下降，脑血管扩张失代偿，脑血管塌陷，局部脑血流量，局部脑血容积下降，不足以维持正常的细胞代谢与功能，缺血脑组织将产生不可逆转的损伤。•当脑血流量（CBF）降低到（10~20ml）*100/g/min或皮层CBF降低到正常的40%，白质CBF降低到正常的35%时，就引起脑组织的缺血反应。•目前公认，脑缺血由中央的梗死区和周围的由侧支循环供血的半暗带区构成，后者神经元电活动停止，侧支供血仅能维持细胞膜稳定，长期低灌注终将导致梗死，溶栓治疗的主要目的是恢复脑缺血半暗带区的血供。•灌注成像技术能发现早期脑缺血区及其血液动力学改变，能再脑缺血后30min即清楚显示缺血区。故目前主要应用于急性脑缺血病人（发病6小时以内）或超级性脑缺血病人（发病3小时以内）的早期诊断。•PWI能直观的反映脑组织中血流量的相对多少，高信号区域提示为血流灌注丰富部分，低信号区为血流灌注减少区。•PWI可以提供必要的血液动力学参数。•1灌注不足：MTT明显延长，rCBV减少，rCBF明显减少。•2侧支循环信息：MTT延长，rCBV增加或尚可。•3血流再灌注信息：MTT缩短或正常，rCBV增加，rCBF正常或轻度增加。•4过度灌注信息：rCBV与rCBF均显著增加。•急性脑缺血期病灶中心血流灌注严重减少，rCBV的减少是最直观的指标，它反映单位质量内血容量减少，当脑局部灌注压下降时，脑组织可以通过一定的自我调节机制使局部血管床扩张以增加血容量来代偿。•研究表明急性脑缺血发作后，过度灌注和持续的灌注不足可同时存在，且是造成脑组织损伤的原因。灌注成像可通过rCBF和MTT来了解局部组织的灌注情况，有望帮助临床及时判断病变进展。左侧大脑中动脉闭塞后3小时行PWIPWI-CBV2颅内占位性病变•评价颅内肿块性病变时CBV是最有用的参数。测量CBV作为辅助指标有助于评判脑肿瘤的新生血管程度，分级和恶性度，鉴别肿瘤样病变，监测治疗效果等。血管形态和新生程度是区分颅内肿瘤类型，确定其生物学侵袭程度的重要依据。反映血管化程度的活体CBV图，可用以间接评判肿瘤新生血管。2.1原发性胶质瘤•胶质瘤的血管增生程度是决定病理学分级的重要参数之一，目前临床上采用微血管密度计数作为评价胶质瘤血管生成的金标准，随着胶质瘤恶性程度的提高，其微血管密度也在提高。从总体上看，肿瘤恶性程度越高rCBV值越大，即多行胶母间变性星型细胞瘤低级别胶质瘤，灌注成像能够在活体上快速而几乎无创的量化反映组织的血管生成及分布情况，从而达到对胶质瘤分级的目的。2.2立体定向引导活检•活检是确定肿瘤类型和级别的最后方法，但只有从肿瘤恶性度最高处采样才能准确分级。常规增强CT或MRI所显示的增强区域只代表血脑屏障破坏而并不一定是肿瘤最恶性部分。CBV图能显示血管分布增多区，对于常规检查不增强的肿瘤，更是一个有效的补充。2.3评价治疗效应•抗血管生成药物的进展使其能够主动选择性分离破坏肿瘤血管，可附加于脑肿瘤化疗方案中。胶质瘤手术，放疗，化疗后均需要影像检查评价肿瘤活性，但常规CT或MRI增强并不能准确显示肿瘤进程及肿瘤血管。在一组附加了抗血管生成药物化疗患者的治疗过程中，系列rCBV的测量与增强MRI相比能更好反映患者临床状况的变化。2.4鉴别胶质瘤肿瘤复发和治疗性坏死•鉴别肿瘤复发和放射性坏死对治疗方案选择很重要，常规影像和临床检查常常很难鉴别，在病理上两者表现迥异，放射性坏死为广泛血