ct灌注成像的基本原理及脑部的临床应用

CT灌注成像的基本原理灌注成像的基本原理及脑部的临床应用及脑部的临床应用 赤峰市赤峰市 医医 院院灌注（灌注（ Perfusion）血流通过毛细血管网，将携带的氧和营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。养物质输送给组织细胞的重要功能。CT灌注（灌注（ CT perfusion）技术最早由）技术最早由Miles于于 1991年提出，并先后对肝、脾、胰、年提出，并先后对肝、脾、胰、肾等腹部实质性脏器进行了肾等腹部实质性脏器进行了 CT灌注成像的灌注成像的动物实验和临床应用的初步探讨。动物实验和临床应用的初步探讨。 灌注成像两个方面的内容灌注成像两个方面的内容n 一是采用对水分子微量运动敏感的序列来一是采用对水分子微量运动敏感的序列来观察人体微循环的灌注状况观察人体微循环的灌注状况n 二是通过造影剂增强方法来动态的研究器二是通过造影剂增强方法来动态的研究器官，组织或病灶区微血管灌注情况。肿瘤官，组织或病灶区微血管灌注情况。肿瘤的灌注研究可以评价肿瘤的血管分布，了的灌注研究可以评价肿瘤的血管分布，了解肿瘤的性质和观察肿瘤对于放射治疗和解肿瘤的性质和观察肿瘤对于放射治疗和 /或化疗后的反应。或化疗后的反应。CT灌注成像灌注成像在静脉注射对比剂同时，对选定层在静脉注射对比剂同时，对选定层面通过连续多次同层扫描，以获得该面通过连续多次同层扫描，以获得该层面每一像素的时间密度（层面每一像素的时间密度（ time-density curve， TDC）曲线，其曲线反）曲线，其曲线反映的是对比剂在该器官中映了组浓度映的是对比剂在该器官中映了组浓度的变化，间接反织器官灌注量的变化的变化，间接反织器官灌注量的变化。 CT灌注成像的理论基础灌注成像的理论基础核医学的放射性示踪剂稀释原理和核医学的放射性示踪剂稀释原理和中心容积定律中心容积定律 (central volume principle)：BF= BV/MTT 增强增强 CT所用的碘对比剂基本符合非弥散型示所用的碘对比剂基本符合非弥散型示踪剂的要求，所以可以借用核医学灌注成像的踪剂的要求，所以可以借用核医学灌注成像的原理。原理。 参数参数根据根据 TDC利用不同的数学模型计算：利用不同的数学模型计算：n 血容量血容量 (blood volume, BV)指存在于一定量组织血管结构内的血容量指存在于一定量组织血管结构内的血容量 (ml/g) n 对比剂平均通过时间对比剂平均通过时间 (mean transit time, MTT）指血液流经血管结构时指血液流经血管结构时 ,包括动脉、毛细血管、包括动脉、毛细血管、静脉窦、静脉，所经过的路径不同，其通过时静脉窦、静脉，所经过的路径不同，其通过时间也不同，因此用平均通过时间表示，主要反间也不同，因此用平均通过时间表示，主要反映的是对比剂通过毛细血管的时间映的是对比剂通过毛细血管的时间 (S) n 对比剂峰值时间（对比剂峰值时间（ Transit time to the peak， TTP）TDC上从对比剂开始出现到对比剂达峰值的上从对比剂开始出现到对比剂达峰值的时间时间 (S) n 血流量血流量 (blood flow, BF)单位时间内流经一定量组织血管结构的血流单位时间内流经一定量组织血管结构的血流量量 (ml/min/ml)；n 毛细血管通透性毛细血管通透性 /表面通透性表面通透性对以上参数进行图像重建和伪彩染色处理得对以上参数进行图像重建和伪彩染色处理得到上述各参数图。到上述各参数图。 CT灌注成像使用的数学方法灌注成像使用的数学方法n 非去卷积法非去卷积法 忽略对比剂的静脉流出，假定在没有对忽略对比剂的静脉流出，假定在没有对比剂外渗和消除对比剂再循环的情况下，比剂外渗和消除对比剂再循环的情况下，即对比剂首过现象（对比剂由动脉进入毛即对比剂首过现象（对比剂由动脉进入毛细血管到达静脉之前一段时间内，没有对细血管到达静脉之前一段时间内，没有对比剂进入静脉再次循环的现象）去计算比剂进入静脉再次循环的现象）去计算 BF、 BV、 MTT等参数。等参数。 n 去卷积数学模型去卷积数学模型主要反映的是注射对比剂后组织器主要反映的是注射对比剂后组织器官中存留的对比剂随时间的变化量，官中存留的对比剂随时间的变化量，其并不用对组织器官的血流动力学状其并不用对组织器官的血流动力学状况预先做一些人为的假设，而是根据况预先做一些人为的假设，而是根据实际情况综合考虑了流入动脉和流出实际情况综合考虑了流入动脉和流出静脉进行数学计算处理，因此更真实静脉进行数学计算处理，因此更真实反映组织器官的内部情况。反映组织器官的内部情况。总之，非卷积数学方法概念相对简单，总之，非卷积数学方法概念相对简单，便于理解，但易低估便于理解，但易低估 BF，注射对比剂进要，注射对比剂进要求注射流率大，增加了操作难度和危险性求注射流率大，增加了操作难度和危险性。而去卷积数学方法计算偏差小，注射速。而去卷积数学方法计算偏差小，注射速度要求不高（一般度要求不高（一般 4 5ml/s），预计去卷积），预计去卷积法将会被广泛应用。法将会被广泛应用。灌注成像的临床应用灌注成像的临床应用 （一）颅脑病变（一）颅脑病变1脑缺血性病变脑缺血性病变 灌注成像分析脑血液动力学改变，通灌注成像分析脑血液动力学改变，通过评价脑血流（过评价脑血流（ cerebral blood flow， CBF）、脑血容量、脑血容量 (cerebral blood volume， CBV)及及平均通过时间平均通过时间 (mean transition time， MTT)来来描述早期缺血性脑卒中患者脑血流低灌注描述早期缺血性脑卒中患者脑血流低灌注区、梗塞区及缺血半暗带区，由此获得较区、梗塞区及缺血半暗带区，由此获得较完整的早期卒中的诊断信息。完整的早期卒中的诊断信息。通过综合分析灌注参数可以掌握组通过综合分析灌注参数可以掌握组织血液供给的具体情况：织血液供给的具体情况：n 灌注不足：灌注不足： MTT明显延长，明显延长， rCBV减减少，少， rCBF明显减少明显减少n 侧支循环信息：侧支循环信息： MTT延长，延长， rCBV增增加或尚可加或尚可n 血流再灌注信息：血流再灌注信息： MTT缩短或正常缩短或正常， rCBV增加，增加， rCBF正常或轻度增加正常或轻度增加n 过度灌注信息：过度灌注信息： rCBV与与 rCBF均显著增加均显著增加。急性脑缺血期病灶中心血流灌注严重减。急性脑缺血期病灶中心血流灌注严重减少，少， rCBV的减少是最直观的指标，它反映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。灌注成像可通过成脑组织损伤的原因。灌注成像可通过rCBF和和 MTT来了解局部组织的灌注情况，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。有望帮助临床及时判断病变进展。2颅内占位性病变颅内占位性病变 评价颅内肿块性病变时评价颅内肿块性病变时 CBV是最有用的参数。是最有用的参数。测量测量 CBV作为辅助指标有助于评判脑肿瘤的新生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。肿瘤类型、确定其生物学侵袭程度的重要依据。反映肿瘤血管化程度的活体反映肿瘤血管化程度的活体 CBV图，可用以间接图，可用以间接评判肿瘤新生血管。研究表明，灌注成像测量的评判肿瘤新生血管。研究表明，灌注成像测量的rCBV与常规血管造影的肿瘤血管染色及组织病理与常规血管造影的肿瘤血管染色及组织病理新生血管的测量相关性好。新生血管的测量相关性好。n 原发胶质瘤原发胶质瘤 胶质瘤的血管增生程度是决定病理学分级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，其微血准，随着胶质瘤恶性程度的提高，其微血管密度也在提高。而从总体上看，管密度也在提高。而从总体上看， 肿瘤恶肿瘤恶性程度越高性程度越高 rCBV值越大，即多形胶母值越大，即多形胶母 间变间变性星形细胞瘤性星形细胞瘤 低级别胶质瘤，低级别胶质瘤， 灌注成像能灌注成像能够在活体上快速而几乎无创地量化反映组够在活体上快速而几乎无创地量化反映组织的血管生成及分布情况，从而达到对胶织的血管生成及分布情况，从而达到对胶质瘤分级的目的。质瘤分级的目的。n 立体定向引导活检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只有从肿瘤恶性度最高处采样才能准确分级。常规增强级。常规增强 CT或或 MRI所显示的增强区域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只代表血脑屏障破坏而并不一定是肿瘤最恶性部分。恶性部分。 CBV图能显示血管分布增多区，图能显示血管分布增多区，对于常规检查不增强的肿瘤，更是一个有对于常规检查不增强的肿瘤，更是一个有效的补充。效的补充。 n 评价治疗效应 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，但常规要影像检查评价肿瘤活性，但常规 CT或或MRI增强并不能准确显示肿瘤进程及肿瘤血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，系列者的治疗过程中，系列 rCBV的测量与增强的测量与增强MRI相比能更好地反映患者临床状况的变化相比能更好地反映患者临床状况的变化。n 鉴别胶质瘤肿瘤复发和治疗性坏死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迟发放射要，常规影像和临床检查常常很难鉴别迟发放射性坏死和肿瘤复发。在病理上两者表现迥异，放性坏死和肿瘤复发。在病理上两者表现迥异，放射性坏死为广泛血管损伤和组织缺氧，而肿瘤复射性坏死为广泛血管损伤和组织缺氧，而肿瘤复发为血管新生。在所有影像学方法中，发为血管新生。在所有影像学方法中， PET对鉴对鉴别较有帮助；但设备昂贵，不能作为常规诊断手别较有帮助；但设备昂贵，不能作为常规诊断手段。灌注成像的段。灌注成像的 CBV图能够反映肿瘤复发和放射图能够反映肿瘤复发和放射性坏死在血管分布上的病理差异。性坏死在血管分布上的病理差异。n 脑胶质瘤病 脑胶质瘤病 脑胶质瘤病是一种罕见肿瘤，病理特征是脑胶质瘤病是一种罕见肿瘤，病理特征是中度多形的胶质细胞沿正常结构内浸润而中度多形的胶质细胞沿正常结构内浸润而不破坏它，病变区细胞数量增多但无脑实不破坏它，病变区细胞数量增多但无脑实质破坏和新生血管。灌注成像显示病变区质破坏和新生血管。灌注成像显示病变区缺乏血管增生，缺乏血管增生， rCBV甚至低于正常、未受甚至低于正常、未受累的脑白质。累的脑白质。n 脑转移瘤 脑转移瘤 脑转移瘤多为血行转移，在其生长中产生无屏脑转移瘤多为血行转移，在其生长中产生无屏障的新生血管网；瘤周常伴不同程度水肿，但其障的新生血管网；瘤周常伴不同程度水肿，但其内的毛细血管床正常；肿瘤边缘以外无肿瘤细胞内的毛细血管床正常；肿瘤边缘以外无肿瘤细胞浸润。孤立、实性转移常需与原发肿瘤鉴别。两浸润。孤立、实性转移常需与原发肿瘤鉴别。两者病灶区者病灶区 rCBV表现相近，灶周水肿区差异显著；表现相近，灶周水肿区差异显著；原发肿瘤的原发肿瘤的 rCBV 明显高于转移瘤，这可能就是转明显高于转移瘤，这可能就是转移瘤周围仅仅是单纯水肿而原发肿瘤除水肿外还移瘤周围仅仅是单纯水肿而原发肿瘤除水肿外还有瘤细胞浸润的本质差异的反映。有瘤细胞浸润的本质差异的反映。n 脑原发淋巴瘤 脑原发淋巴瘤 脑原发淋巴瘤的治疗依靠联合大剂量化疗和放疗而非手术脑原发淋巴瘤的治疗依靠联合大剂量化疗和放疗而非手术。在诊断上。在诊断上 ,常规影像有时很难鉴别脑原发淋巴瘤与多形胶常规影像有时很难鉴别脑原发淋巴瘤与多形胶质母细胞瘤。灌注成像显示肿瘤新生血管特征的能力有助质母细胞瘤。灌注成像显示肿瘤新生血管特征的能力有助于鉴别两者。脑原发淋巴瘤组织病理上的一个显著特征就于鉴别两者。脑原发淋巴瘤组织病理上的一个显著特征就是以血管为中心生长、形成多层环形结节并使血管周围间是以血管为中心生长、形成多层环形结节并使血管周围间隙扩大。虽然肿瘤细胞可侵犯血管内皮甚至侵入血管腔内隙扩大。虽然肿瘤细胞可侵犯血管内皮甚至侵入血管腔内，但新生血管却不