脑灌注成像原理及其应用ppt课件

MRI脑灌注成像基本原理及应用 1 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。 2 1988年 Villringer等首先报道了 MR血流灌注 成像（ MR perfusion weighted imaging,MR PWI)在脑部的应用。 MR PWI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。 3 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（ dynamic susceptibility weighted contrast enhanced， 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（ arterial spin labeling， 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。 4 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）。 5 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。 6 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。 7 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（ negative enhancement)。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。 8 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。 9 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（ central volume principle) rMTT=rCBV/rCBF 10 参数 1 局部脑血容量（ regional cerebral blood volume rCBV) 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（ regional cerebral blood flow,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） 11 3 局部平均通过时间（ regional mean transit time,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。 12 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。 13 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。 14 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 MR PWI， 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 4060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 2225T/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。 15 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。 16 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。 17 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 0.10.3mmol/kg，应用 1820G静脉穿刺针，穿刺肘前静脉，注射 流率为 510ml/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。 18 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。 19 常规 T2WI 磁共振血管造影 20 CBF CBV 21 ASL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。 22 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。 23 MR脑灌注临床应用 24 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。 25 当脑血流量（ CBF）降低到（ 1020ml） *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。 26 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。 27 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 。 28 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。 29 左侧大脑中动脉闭塞后 3小时行 PWI PWI-CBV 30 2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。 31 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。 32 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。 33 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。 34 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， PET 对鉴别较有帮助，但设备昂贵，不能作为 常规诊断的手段。灌注成像的 CBV图能够 反映肿瘤复发和放射性坏死在血管分布上 的病例差异。 35 2.5脑胶质瘤病 脑胶质瘤病是一种罕见肿瘤，病理特征是 中度多行的胶质细胞沿正常结构内侵润而 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 缺乏血管增生， rCBV甚至低于正常为受累 的脑白质。 36 2.6脑转移瘤 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，但其内 的毛细血管床正常，肿瘤边缘以外无肿瘤细胞侵 润。 孤立实性转移常与原发肿瘤鉴别。两者病灶区 rCBV表现相近，灶周水肿区差异显著，原发肿瘤 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有瘤细胞侵润的 本质差异的反应。 37 2.7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。在诊断上，常规影像有 时很难鉴别脑原发淋巴瘤与多行胶质母细 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 隙扩大。虽然肿瘤细胞可侵犯血管内皮甚 至侵入血管腔内，但新生血管却不明显。 因此脑原发淋巴瘤的 rCBV明显低于多形胶 母的。 38 2.8脑外肿瘤 颅内脑外肿瘤是指起源于颅内非脑实质组织如脑 膜，硬模，颅骨，脑室，脉络膜丛，松果体，垂 体的肿瘤，以脑膜瘤最常见。它们常有丰富的血 管而又无血脑屏障，所以增强显著。一般情况下 常规影像检查鉴别脑内外肿瘤不难，当脑内肿瘤 侵犯硬膜或脑外肿瘤侵犯脑实质时会给定位诊断 造成困难。脑外肿瘤的 rCBV明显高于脑内肿瘤。 值得注意的事由于脑外肿瘤没有血脑屏障，造影 剂很快漏出， rCBV的测量不可靠。灌注曲线特征 是首次通过后基线恢复缓慢。 39 3其他应用 3.1缺血性脑白质疏松症 定量 MR PWI显示缺血性脑白质疏松症病 人脑白质的 rCBF下降 ,而脑灰质的 rCBF却 正常 ,这与低灌注在缺血性脑白质疏松症发 病机制中起的作用是一致的 ,病人灰质和白 质所获得的 CBF的绝对值与以前研究结果 相似 ,进一步说明了定量的 MR PWI技术所 测 rCBF的准确性 40 3.2老年性痴呆 MR PWI在此病早期诊断中有一定的临床作 用 ,颞顶感觉运动及海马皮质区的灌注参数 有统计学上显著的变化 ,其血液动力学改变 是功能和认识损害的表达 。 3.3创伤性脑损伤 脑创伤后 ,脑血管发生改变导致脑缺血和进 一步细胞损害 ,它可导致多种病理变化 ,MR PWI上脑损伤区域都可存在异常的 CBV ,这 种改变在决定临床结果方面可能起着重要 的作用 。 41 3.4脑静脉或硬脑膜窦血栓 MR PWI能显示脑组织的静脉性充血 ,鉴别 累及可恢复组织的病理生理类型 ,CBV正常 ,MTT延长 ,提示受累的脑组织具有可恢复性 ,可指导临床治疗。 3.5肿胀性脱髓鞘病变 TDLs好发于脑白质中央 ,可强化 ,灶周水肿 ,有占位效应和中央坏死。 MR PWI在鉴别 TDLs和颅内肿瘤方面价值较大 ,它可正确诊 断脱髓鞘病变。 42 不同脑灌注成像方法的优缺点比较 PET 和 SPECT 基础研究扎实、深入 ,临床应用较早 ,是 其他灌注成像方法的参考标准 ,但均需要使用放射性同位 素 ,操作程序复杂 ,对绝对灌注量的测量不够准确 ,检查费用 昂贵 ,及存在辐射安全性问题 ,特别是加速器的制药和供药 技术较复杂 ,使其应用受到限制。 Xe2CT 是单参数成像 ,目前只能计算 CBF 值 ,不能反映脑 组织功能状态及细胞活力 ,也不能预测缺血组织的可复性 。 DSC 灌注成像能够进行多层面成像 ,但需使用含钆对比 剂 ,其反映的信号变化不直接等同于对比剂浓度变化 ,因此 上述参数不能在不同个体甚至同一个体的不同检查间进行 直接比较 ,一般采用半定量的分析方法。另外 ,EPI 技术所 产生顺磁性伪影致使颅底成像质量较差 ,受磁场不均一性 影响较大。 43 ASL 可提供较高质量的 CBF 图 ,而且完全无创 ; 其不足之处是信噪比较低 ,尤其在血流低的区域 ,且 对被检者运动高度敏感 ,通过时