腦灌注成像原理及其應用

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

2、maging,MR PWI)在腦部的應用。MR PWI用來反映組織的微血管分布和血流灌注情況，可以提供血流動力學方面的信息。具有時間分辨率（小于2s即可包括全腦）和空間分辨率高，操作簡單，無放射性，可以在短時間內重復進行，具有良好的臨床應用前景。,磁共振灌注技術的分類,動態(tài)磁敏感對比增強（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。動脈自旋標記（arterial spin labeling，ASL）使用內源性示蹤劑，即利用動脈血中的水質子作為內源性示蹤劑的，由于不需注射對比劑，安全無創(chuàng)，因而有著較強的臨床應用潛力。,DSC基本原理,DSC為靜脈團注對比劑后，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間內的一系列圖像，評價組織血流灌注。順磁性對比劑（如釓噴酸，Gd-DTPA）進入血管后，血管腔內的磁敏感性增強，在局部產生梯度場

4、，導致磁場不均勻，進而引起鄰近氫質子共振頻率改變，使質子自旋失相位從而使組織的T2或T2*時間縮短，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造影劑濃度成正比,反應腦組織的血液動力學狀態(tài)正常腦組織由于BBB的存在， Gd-DTPA不能通過毛細血管網進入腦組織間隙，不影響組織的T1時間，因此不產生T1增強效應。,基本方法,靜脈團注對比劑后，當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）進行連續(xù)的多層面多次成像，從而獲得一系列動態(tài)的掃描圖像。對比劑第一次通過期間，主要存在于血管內，血管外極少，血管內外濃度梯度最大，信號的變化受彌散因素影響小，故能反應組織的血液灌注情況。根據造影劑第一次通過局部腦組織引起的信號強度變化和時間的關系，可以繪制信號強度—時間曲線，根據信號強度—時間曲線可獲得部分的血流動力學參數的相對值，并可通過工作站制成各種血流動指標圖像。,灌注成像的理論基礎,核醫(yī)學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,腦血容量（cerebral blood volume ,CBV) 指單位時間內一定腦組織的血容量，根據時間—密度曲線下方封閉的面積計算得出。CBV=K∫△R2*（t）dt 。正常為40~60ml/（100g·min） 腦血流量（cerebral blood flow,CBF)指在單

7、位時間內流經一定量腦組織血管結構的血流量，CBF越小，意味著腦組織的血流量越低。,參數,平均通過時間（ mean transit time,MTT) 主要反映的是對比劑通過毛細血管的時間。峰值時間（time-to-peak, TTP）指在時間信號曲線上從對比劑開始出現(xiàn)到對比劑濃度達到峰值的時間。,掃描技術,灌注成像研究的是機體的動態(tài)過程，依賴于快速的磁共振成像技術，目前常用的是平面回波技術（EPI），主要有兩種SE-EPI、GRE-

8、EPI。SE-EPI：對毛細血管水平的血管內對比劑敏感。GRE-EPI：對較大范圍內的血管均敏感。,對比劑的應用,常用順磁性對比劑Gd-DTPA，它是一種非特異性細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?。簩Ρ葎┊a生的信號下降程度小，易受背景噪聲干擾，導致計算結果誤差大。劑量大：對比劑由于彈丸效應使對比劑通過腦組織血管時間延長，同時由于二次灌注使信號曲線與實際有明

9、顯偏差。,對比劑的應用,為了使對比劑早期居于血管內而不進入組織，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。團注速度過慢 信號下降程度降低，易導致參數計算錯誤。,,正常灌注MR表現(xiàn),CBV圖-皮層>基底節(jié)> 白 質-高信號代表CBV增加，低信號CBV降低,MTT圖白質>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：局灶性腦或視網膜缺血造成的短暫的神經功能缺損的發(fā)作，臨床癥狀典型的持續(xù)小于1h，無任何腦梗死證據。TIA后1月內發(fā)生梗死者占4-8%，5年內增至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)生經歷了3個時期：由于腦灌注壓下降引起的腦局部血流動力學異常改變；腦循環(huán)儲備力

11、失代償性低灌注所造成的神經元功能改變；最后，由于CBF下降超過腦代謝儲備力才發(fā)生不可逆轉的神經元形態(tài)學改變，即腦梗死。 前2個時期稱為腦梗死前期， 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)的異常征象是一個十分明顯的預警信號。,1腦缺血性病變,約50%TIA患者在發(fā)病12h內的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支循環(huán)供血。MTT延長：提示腦灌注壓降低，腦灌注儲備受

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)構成。梗死核心區(qū)：不可逆損傷組織。IP：神經元電生理活動停止，側支供血僅能維持細胞膜穩(wěn)定，長期低灌注終將導致梗死，溶栓治療的主要目的是恢復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、動力學改變，能在腦缺血后30min即清楚顯示缺血區(qū)。故目前主要應用于急性腦缺血病人（發(fā)病6小時以內）或超級性腦缺血病人（發(fā)病3小時以內）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力學改變。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顱內占位性病變,腫瘤細胞增值活躍，導致細胞內葡萄糖降低和缺氧，誘導血管內皮生長因子（vascular endothe

15、lial growth factor，VEGF）生成。新生血管迂曲、結構異常使腫瘤CBV和CBF增加，MTT延長。評價顱內腫塊性病變時CBV是最有用的參數。研究表明CBV與腫瘤微血管密度（microvessel density，MVD）和VEGF濃度相關。測量CBV作為輔助指標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)分顱內腫瘤類型，確定其生物學侵襲程度的重要依據。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)性膠質瘤,常規(guī)MRI一般根據腫瘤的強化程度等指標進行術前分級，但膠質瘤作為腦內腫瘤，其強化程度取決于BBB的破壞程度，及腫瘤細胞外間隙大小和腫瘤血供。多項研究表明高級別膠質瘤血管生成明顯，較低級別膠質瘤表現(xiàn)更高的CBV。,例1,a,b,c,2.1原發(fā)性膠質瘤,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,膠質母細胞瘤 女，22歲(WHO Ⅳ),2.1原發(fā)性膠質瘤,例3,2.1原發(fā)性膠質瘤,間變性星形細胞瘤 男，59 歲(WHOⅢ),例4,2.1原發(fā)性膠質瘤,彌漫性星形細胞瘤男，35歲(WHOⅡ),例5,2.1原發(fā)性膠質瘤,毛細胞型星形細胞瘤 男，13 歲(WHOⅠ),例6,2.1原發(fā)性膠質瘤,少突膠質細胞瘤 女，43 歲(WHOⅡ),2

20、.2腦外腫瘤,顱內腦外腫瘤是指起源于顱內非腦實質組織如硬膜，顱骨，腦室，脈絡膜叢，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，所以增強顯著。一般情況下常規(guī)影像檢查鑒別腦內外腫瘤不難，當腦內腫瘤侵犯硬膜或腦外腫瘤侵犯腦實質時會給定位診斷造成困難。腦外腫瘤的CBV明顯高于腦內腫瘤。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。在診斷上，常規(guī)影像有時很難鑒別腦原發(fā)淋巴瘤與膠質瘤。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顯著特征就是以血管為中心生長，形成多層環(huán)形結節(jié)并使血管周圍間隙擴大。雖然腫瘤細胞可侵犯血管內皮甚至侵入血管腔內，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腦轉移瘤,腦轉移瘤多為血行轉移，在其生長中產

22、生無屏障的新生血管網，瘤周常伴不同程度水腫，但其內的毛細血管床正常，腫瘤邊緣以外無腫瘤細胞侵潤。孤立實性轉移常與原發(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)腫瘤明顯高于轉移瘤。高級別膠質瘤腫瘤周圍區(qū)域有腫瘤細胞的浸潤,轉移瘤腫瘤周圍區(qū)域的CBV值明顯比對側正常組織小,其原因可能是轉移瘤周圍區(qū)域的血管源性水腫對微循環(huán)起到壓迫作用導致灌注下降。,2.4腦轉移瘤,3立體定向引導活檢,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確分級。常規(guī)增強CT或MRI所顯示的增強區(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)檢查不增強的腫瘤，更是一個有效的補充。,4評價治療效應,抗血管生成藥物的進展使其能夠主動選擇性分離破壞腫瘤血管，可附加于腦腫瘤化療方案中。膠質瘤手術，放療，化療后均需要影像檢查評價腫瘤活性，但常規(guī)CT或MRI增強并不能準確顯示腫瘤進程及腫瘤血管。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MRI相比能更好反映患者臨床狀況的變化。,5鑒別膠質瘤腫瘤復發(fā)和治療性壞死,鑒別腫瘤復發(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，而腫瘤復發(fā)為血管新生。在所有影像學方法中，PET對鑒別較有幫助，但設備昂貴，不能作為常規(guī)診斷的手段。灌注成像的CBV圖能夠反映腫瘤復發(fā)和放射性壞死在血管分布上的病例差異。,小結,MR PWI

25、由于它采集速度快，簡便易行 ,時間分辨力高 ,病變檢出敏感性高 ,無電離輻射 ,圖像質量好 ,一次可多層成像 ,并同時覆蓋整個顱腦 ,能評估腦缺血和腦腫瘤微循環(huán)血液動力學的變化等許多優(yōu)點 ,現(xiàn)已廣泛應用于腦缺血及其他腦內和腦外病變的血流動力學研究 ,除早期顯示病變外 ,還可指導疾病的治療及判斷預后。其缺陷是目前不能進行定量分析 ,有明顯的腦屏障破壞時影響參數值的準確性 ,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