脑灌注成像原理及其应用

人脑正常的神经生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。1.动态磁敏感对比增强（dynamicsusceptibilityweightedcontrastenhanced，DSC）使用外源性示踪剂，即对比剂首过磁共振灌注成像法。2.动脉自旋标记（arterialspinlabeling，ASL）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，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。DSC为静脉团注对比剂后，采用快速成像序列，获得对比剂首次通过受检组织前、通过中和通过后一段时间内的一系列图像，评价组织血流灌注。顺磁性对比剂（如钆喷酸，Gd-DTPA）进入血管后，血管腔内的磁敏感性增强，在局部产生梯度场，导致磁场不均匀，进而引起邻近氢质子共振频率改变，使质子自旋失相位从而使组织的T2或T2*时间缩短，造成组织T2WI或T2*WI信号的下降。脑组织信号下降幅度与血管内造影剂浓度成正比,反应脑组织的血液动力学状态正常脑组织由于BBB的存在，Gd-DTPA不能通过毛细血管网进入脑组织间隙，不影响组织的T1时间，因此不产生T1增强效应。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（EPI）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注情况。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。核医学的放射性示踪剂稀释原理和中心容积定律（centralvolumeprinciple)MTT=CBV/CBF1.脑血容量（cerebralbloodvolume,CBV)指单位时间内一定脑组织的血容量，根据时间—密度曲线下方封闭的面积计算得出。CBV=K∫△R2*（t）dt。正常为40~60ml/（100g·min）2.脑血流量（cerebralbloodflow,CBF)指在单位时间内流经一定量脑组织血管结构的血流量，CBF越小，意味着脑组织的血流量越低。3.平均通过时间（meantransittime,MTT)主要反映的是对比剂通过毛细血管的时间。4.峰值时间（time-to-peak,TTP）指在时间信号曲线上从对比剂开始出现到对比剂浓度达到峰值的时间。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（EPI），主要有两种SE-EPI、GRE-EPI。SE-EPI：对毛细血管水平的血管内对比剂敏感。GRE-EPI：对较大范围内的血管均敏感。常用顺磁性对比剂Gd-DTPA，它是一种非特异性细胞外间隙顺磁性对比剂。一般采用单倍剂量（0.1mmol/kg）或双倍剂量（0.1mmol/kg）剂量小：对比剂产生的信号下降程度小，易受背景噪声干扰，导致计算结果误差大。剂量大：对比剂由于弹丸效应使对比剂通过脑组织血管时间延长，同时由于二次灌注使信号曲线与实际有明显偏差。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，必须使用高压注射器，注射流率为3-4ml/s。团注速度过慢信号下降程度降低，易导致参数计算错误。CBV图-皮层基底节白质-高信号代表CBV增加，低信号CBV降低MTT图–白质基底节皮层–高信号MTT延长，低信号MTT较短或MTT消失一、短暂性脑缺血发作（transientischemicattacks，TIA）定义：局灶性脑或视网膜缺血造成的短暂的神经功能缺损的发作，临床症状典型的持续小于1h，无任何脑梗死证据。TIA后1月内发生梗死者占4-8%，5年内增至24-29%。从CBF变化过程看，脑血流的下降到急性脑梗死的发生经历了3个时期：1.由于脑灌注压下降引起的脑局部血流动力学异常改变；2.脑循环储备力失代偿性低灌注所造成的神经元功能改变；3.最后，由于CBF下降超过脑代谢储备力才发生不可逆转的神经元形态学改变，即脑梗死。前2个时期称为脑梗死前期，TIA属此期。脑血管病常有较长的潜伏期，而TIA以及临床出现的异常征象是一个十分明显的预警信号。约50%TIA患者在发病12h内的PWI上存在异常灌注区，主要为：1.TTP延长：主要原因是血流速度慢和侧支循环供血。2.MTT延长：提示脑灌注压降低，脑灌注储备受损；3.若①CBV、CBF明显减少，提示组织灌注不足；②CBV增加或接近正常，提示侧支循环形成。二、急性缺血性脑梗死脑缺血由中央的梗死核心区、缺血半暗带（ischemicpenumbra，IP）、血流减少区构成。梗死核心区：不可逆损伤组织。IP：神经元电生理活动停止，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IP的血供。PWI能发现早期脑缺血区及其血液动力学改变，能在脑缺血后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。CBV图：异常低灌注区多代表梗死核心，即最终梗死区；CBF图：异常灌注区代表缺血组织，可提供CBV图不能反映的血流动力学改变。MTT和TTP图对组织低灌注最敏感，可最大范围的显示低灌注区。急性缺血PWI参数图异常范围大小顺序：MTTCBFCBV1.灌注不足：MTT明显延长，CBV减少，CBF明显减少。2.侧支循环信息：MTT延长，CBV增加或尚可。3.血流再灌注信息：MTT缩短或正常，CBV增加，CBF正常或轻度增加。4.过度灌注信息：CBV与CBF均显著增加。MTTTTPCBFCBV肿瘤细胞增值活跃，导致细胞内葡萄糖降低和缺氧，诱导血管内皮生长因子（vascularendothelialgrowthfactor，VEGF）生成。新生血管迂曲、结构异常使肿瘤CBV和CBF增加，MTT延长。评价颅内肿块性病变时CBV是最有用的参数。研究表明CBV与肿瘤微血管密度（microvesseldensity，MVD）和VEGF浓度相关。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。常规MRI一般根据肿瘤的强化程度等指标进行术前分级，但胶质瘤作为脑内肿瘤，其强化程度取决于BBB的破坏程度，及肿瘤细胞外间隙大小和肿瘤血供。多项研究表明高级别胶质瘤血管生成明显，较低级别胶质瘤表现更高的CBV。例1abcFLAIRimage(a),contrast-enhancedaxialT1-weightedimage(b),andCBVmap(c)fromapatientaffectedbygliomagradeIV.IntheCBVmap(c)warmercolorsindicatehigherCBVvaluessuggestinghigherperfusionandneovascularization.ComparisonofCBVmap(c)andcontrast-enhancedaxialT1-weightedimagehighlightsamismatcharea(surroundedbythecircle)correspondingtotheextensionofthehighperfusionareaoutsidethecontrast-enhancement:thisindicatesamoreextensiveneovascularizationthanthatshownbyconventionalMRI(a,b).例2胶质母细胞瘤女，22岁(WHOⅣ)例3间变性星形细胞瘤男，59岁(WHOⅢ)例4弥漫性星形细胞瘤男，35岁(WHOⅡ)例5毛细胞型星形细胞瘤男，13岁(WHOⅠ)例6少突胶质细胞瘤女，43岁(WHOⅡ)颅内脑外肿瘤是指起源于颅内非脑实质组织如硬膜，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CBV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，CBV的测量不可靠。灌注曲线特征是首次通过后基线恢复缓慢。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胶质瘤。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CBV明显低于胶母的。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CBV表现相近，灶周水肿区差异显著，原发肿瘤明显高于转移瘤。高级别胶质瘤肿瘤周围区域有肿瘤细胞的浸润,转移瘤肿瘤周围区域的CBV值明显比对侧正常组织小,其原因可能是转移瘤周围区域的血管源性水肿对微循环起到压迫作用导致灌注下降。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。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。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。MRPWI由于它采集速度快，简便易行,时间分辨力高,病变检出敏感性高,无电离辐射,图像质量好,一次可多层成像,并同时覆盖整个颅脑,能评估脑缺血和脑肿瘤微循环血液动力学的变化等许多优点,现已广泛应用于脑缺血及其他脑内和脑外病变的血流动力学研究,除早期显示病变外,还可指导疾病的治疗及判断预后。其缺陷是目前不能进行定量分析,有明显的脑屏障破坏时影响参数值的准确性,其次是颅底、骨-窦腔气体界面病变的显示有磁化率伪影的影响,在一定程度上影响了图像的质量及灌注参数的精确分析。