顱腦CT灌注研究進展

王 斌 綜述 姚振威 審校

隨著多排螺旋CT(MDCT)機器的不斷更新以及相關軟件的相繼開發,顱腦CT灌注成像(CT perfusion,CTP)技術日趨成熟,已得到廣泛關注和應用,成為一種研究顱腦疾病動態影像及功能影像的極具臨床價值的方法。本文對其基本原理、技術方法、適用范圍、臨床應用及與其他相關成像方法比較等方面綜述如下。

CTP基本原理

1.腦灌注成像理論的形成

CT灌注成像的理論基礎來源于核醫學的放射性示蹤劑稀釋原理和中央容積定律。示蹤劑稀釋方法要求取樣期間示蹤劑始終保持在血管內 (血管外丟失必須被校正),完全與血液混合,并隨血流分布,示蹤劑不影響觀察過程中的機體的生理過程,靜脈內注射含碘對比劑能滿足以上要求。中心容積法假設對比劑和血液的血流動力學性質相同,而且動脈內或腦組織內對比劑濃度和CT增強值的變化呈線性關系[1-2],即可進行腦灌注測量。Ham berg等[1]認為,使用等滲性對比劑的動態CT增強掃描基本能滿足使用示蹤劑觀察組織灌注的前提條件。Miles等[3-4]也認為由于放射學對比劑與放射性核素的藥代動力學非常相似,因此,上述原理也可適用于對比劑,可以進行動態增強CT灌注成像研究。腦CTP的成像原理是將對比劑經靜脈團注后,對選定的層面(一般選擇病變最大的層面)行連續多次掃描,以獲得該層面內對比劑首次通過腦組織每一像素的時間-密度曲線(TDC),根據曲線利用不同的數學模型計算出反映腦組織血液循環動力學的指標,比較各感興趣區(region of interest,ROI)的TDC,以此來評價組織器官的灌注狀態。

2.數學模型的建立

CT灌注成像有非去卷積和去卷積兩種數學模型。非去卷積數學模型主要根據Fick原理,假設組織器官中的對比劑蓄積的速度等于動脈流入速度減去靜脈流出速度,在某一時間段內組織器官中對比劑的含量等于在該段時間內動脈流入量減去靜脈流出量。非去卷積數學模型相對簡單,缺點是要求對比劑注射速率大(一般為10m l/s),增加了操作難度和危險性,因為容易造成造影劑外漏,沒有考慮到靜脈流出,易低估血流量。去卷積數學模型主要反映注射對比劑后組織器官中存留的對比劑隨時間的變化量,并不用對組織器官的血流動力學狀況預先做人為假設,而是根據實際情況綜合考慮了流入動脈和流出靜脈進行數學計算處理,因此理論上更能反映組織器官的內部血流情況。去卷積數學模型計算偏差小,注射速率要求不高(一般4～5m l/s),容易被推廣使用,這種計算方法適用于血腦屏障完整的腦組織。然而,多數組織的毛細血管具有一定通透性,對比劑在流經組織時必然有一部分會滲入血管外間隙,因此單純的去卷積模型有其不足之處。1998年Lawrence等在去卷積模型中引入分布參數模型概念,提出一種改良去卷積模型,其優點在于一次CT檢查可同時確定多個灌注參數值,能比較全面地反映組織的灌注狀況,從而大大拓展了CTP成像的應用范圍。反映腦組織血液循環動力學的指標有:腦血容量(cerebral blood volume,CBV)、腦血流量(cerebral blood flow,CBF)、平均通過時間(mean transit time,MTT)、達峰時間(time to peak,TTP)以及表面滲透性(permeability surface,PS)等;其關系是:CBV=CBF×MTT。CBV反映的是ROI內包括大血管和毛細血管在內的血管床容積;CBF反映的是單位時間單位組織內血流量;MTT指的是對比劑通過感興趣區的平均時間,主要是對比劑通過毛細血管的時間;TTP是對比劑達到峰值所需的時間;PS指的是對比劑經毛細血管內皮進入組織間隙的傳遞率。

CTP成像技術

1.機器的要求及參數設置

各機器參數不盡相同,一般為80～120kV,150～300mAs,矩陣512×512,層厚5～10mm,掃描速度為1層/s。先進行常規CT平掃,以確定灌注掃描層面,灌注掃描模式為同層連續動態掃描,MSCT為多層同層動態掃描,連續掃描40～50s,即層面不變,而隨時間進行多次掃描。可根據不同器官的血流動力學不同采用不同的間隔時間,不同的數學模型時間間隔要求也不同。

2.對比劑的量

文獻報道[5-6]國人成人的對比劑注射總量不超過50m l,一般為40m l,兒童1m l/kg體重。

3.對比劑的注射速度

非去卷積法計算忽略靜脈流出,是否發生靜脈流出取決于最大初始斜率時間和最短通過時間的長短,一般要求最大初始斜率時間小于最短通過時間。最大初始斜率時間與注射對比劑量、注射速率與患者心排出量有密切關系[7],所以提高對比劑注射速率可以提高此方法的準確性。據K lotz等[8]報道對比劑注射速度一般多為8～9m l/s,最快達20m l/s,這樣雖然可以提高算法的精確度,但卻增加了局部對比劑外漏的危險性,國內CT灌注注射流率多不超過10m l/s。去卷積法注射流率要求較低,一般為 3～5m l/s。K loska等[9]比較了不同濃度下對比劑的用量和注射速度對CTP圖像質量的影響,發現含碘370mg/ml的對比劑在6m l/s速度注入30m l較含碘300mg/ml的對比劑在8m l/s速度注入40m l的圖像質量和信噪比沒有顯著差異,認為較高濃度、較小用量和注射速度的對比劑使用方法更為安全而圖像質量不受影響。

4.圖像后處理

不同CT機器配具有不同功能的perfusion CT或functional CT軟件包對圖像進行處理。首先選擇好輸入動脈和輸出靜脈,在CT腦灌注成像時,要盡量選擇灌注層面中較粗大的健側大腦前、中、后動脈的分支,輸出靜脈選擇上矢狀竇,使動脈TDC曲線的峰值較靜脈TDC曲線出現時間早而峰值低。應仔細劃定ROI,在避開大血管且與組織器官的周邊保持一定距離以減少部分容積效應的情況下,盡量選擇面積大的ROI以減少光子噪聲。還可進行閾值自定義,去除骨、脂肪、空氣等組織的圖像。最后分析所有動態圖像得到一系列CT灌注參數圖,圖像用偽彩顯示,以突出病變區域的對比度。在所得的各灌注圖上可分別測量感興趣區的灌注參數,并進行定量分析。

多層螺旋CT灌注成像的臨床應用

1.腦血管疾病

1.1 急性腦缺血:急性腦梗死占腦卒中患者的50%～80%,致殘和致死率極高,急性腦梗死治療的成功與否,取決于能否在超早期及時建立再灌注,積極搶救缺血半暗帶,不使其繼續發展成為腦梗死,使病變組織功能恢復。動物實驗及臨床研究證明,卒中發病3～4h后,缺血半暗帶將發展成為不可逆的梗死灶。目前腦缺血超早期溶栓時機及用藥情況多根據起病時間或經驗來判定,往往缺乏準確、客觀的依據。因此,如何盡早明確有無缺血區、缺血范圍大小及缺血程度對于臨床合理治療至關重要。然而,對于超早期及早期腦缺血患者,常規CT大多表現正常或僅有輕微改變,假陰性率較高。磁共振成像檢查因所需時間長、金屬材料不能帶入機房、價格昂貴等原因不適合作為急性腦梗死首選檢查方法。而且,對于超急性腦梗死,MRI也會出現假陰性。而腦CT灌注對缺血較為敏感且簡便快速,有研究發現約93%腦梗死的病人灌注改變早于形態學變化。通過CBV 、CBF、MTT、TTP等灌注參數表達腦灌注信息,顯示缺血范圍及缺血半暗帶,反映側支循環及腦血管情況,并通過聯合應用頭頸部血管CTA檢查,在發現顱內病灶的同時可以發現腦缺血的致病原因,進而指導臨床治療。通過隨訪觀察病變區域灌注情況變化,進行臨床治療效果評估。腦CT灌注成像為合理選擇溶栓等治療方法提供了可半定量分析的手段。有研究發現腦缺血側與鏡像健側rCBF比值為0.20是缺血組織存活的最低限度,如果rCBF低于0.20,則腦組織將不能存活,如果rCBF比值在0.20～0.35之間,溶栓治療效果明顯[8]。如果缺血腦組織平均通過時間延長,血容量明顯降低,提示為不可逆損傷;而平均通過時間延長,血容量升高或輕度下降,則提示為可逆損傷。Shih等[10]認為病灶早期灌注情況與臨床預后有關,病灶的峰值強化越高,強化達峰值時間越延遲,臨床預后就越差。

1.2 腦出血:對于腦出血患者,避免或緩解腦血腫繼發性損傷是臨床治療的關鍵。動物實驗及SPECT研究表明,血腫周圍組織有低灌注表現,而認為血腫周圍存在缺血半暗帶。MRI及PET研究均在急性期血腫周圍發現代謝率降低的證據[11]。研究報道血腫周圍低灌注的形成原因復雜,一般認為有缺血使血流量減少、血腫占位效應引起的毛細血管床容積縮小、血流灌注減少以及血管外的血液成分及分解產物引起腦組織損傷使局部組織代謝率降低而導致灌注下降[12-13]等原因。國內學者周劍等[14]及馬春等[15]研究發現,腦血腫周圍組織的CBF和CBV值均較對側正常組織低,而MTT則升高,表明血腫周圍確實存在低灌注區;而且研究結果表明低灌注值低于一般認為的缺血性腦梗死閾值20m l/(100g·min),且在兩周內此低灌注狀態變化不大,所以認為腦血腫周圍不存在缺血半暗帶,缺血并非這種低灌注形成的主要原因,血腫的占位效應及其代謝產物引起的該區域代謝降低才是這種低灌注狀態的主要成因。CT灌注成像能迅速準確地顯示血腫周圍血流灌注狀態,雖然缺血半暗帶可能并不存在,但是通過了解血腫周圍組織的低灌注狀態,可以反映血腫周圍組織的損傷程度及損傷范圍,并可初步判斷其愈后,為臨床治療提供有價值的信息。

2.腦腫瘤

研究表明,腫瘤血管的生長是腫瘤生長、浸潤的形態學基礎。所以,無論良性或是惡性腫瘤、原發或轉移腫瘤,新生血管的形成都是腫瘤的一個重要特征,從而使該區血流灌注增加。而且,腫瘤血管內皮細胞之間無緊密連接,基膜不完整,缺乏外皮細胞和平滑肌,血管的管徑變化較大,因此,腫瘤血管具有較高的通透性。Nabavi等[16]、Cenic等[17]分別進行動物試驗及臨床研究,并與公認的核醫學放射性微球方法做了比較,結果表明兩者CBF具有良好的相關性,腫瘤區CBF、CBV、表面透過性明顯高于正常的組織,即病灶血供的差異能夠通過CT灌注測量值表達出來。CT灌注能夠很好地區別腫瘤組織、腫瘤周圍組織與正常組織,精確勾勒腫瘤的大小、范圍及周圍浸潤情況,為臨床確定治療方案及預后評價提供有利依據。腫瘤惡性程度與血流灌注呈正相關,惡性腫瘤相對良性腫瘤具有更高血流量,Zoran等[18]研究發現CT灌注的M TT圖可以很好地將兩者區別開;血腦屏障破壞情況可以通過PS圖準確反映,根據腦腫瘤之間PS值的不同,可以鑒別腦瘤惡性程度。因此,CTP可望成為一種無創性術前病理分級的方法。腦外腫瘤因不受血腦屏障約束,血供相對腦內腫瘤豐富,CBF、CBV值以及PS值相對升高,而表現為相對高灌注;腦膠質瘤多表現為高CBF、中等PS值;腦膜瘤多表現為高CBF、高PS值;腦轉移瘤則表現為中等CBF、中等PS值。其中,PS值在腦瘤定性診斷中更具價值。國內學者徐劍鋒等[19]通過對13例腦膜瘤及10轉移瘤的CT灌注比較,發現腦膜瘤的rCBV值及rCBF值明顯高于轉移瘤。凌華威等[20]研究認為CT灌注成像可以用于腦膜瘤診斷分型。Cenic等[17]動物試驗研究表明腫瘤新生物相對腫瘤壞死組織在CBF上表現為高流量灌注,而放射性壞死和手術疤痕往往呈低灌注表現,有文獻報道強化病灶的rCBV值與正常腦組織rCBV值的比值大于2.6時提示腫瘤復發,所以CT灌注可以將腫瘤壞死組織與腫瘤殘留或復發很好區別開來,用于腫瘤化療或放療后評估。CT灌注可以明確腫瘤周圍組織的血供情況,從而為制定放療野、精確指導腫瘤穿刺活檢部位提供引導。

3.腦外傷

顱腦外傷病人,普通CT及MRI常能顯示較嚴重的腦挫傷及水腫帶,而對于輕度腦損傷、腦血腫周圍腦組織損傷情況以及術后手術區腦組織血供情況不能進行評價。由于病情關系,顱腦外傷病人一般不行CT灌注檢查,但對于病情允許或是腦外傷術后病情穩定患者,可以行CT灌注檢查,以了解病灶中心區、周圍水腫區或是手術區的灌注情況,來評價腦外傷預后或術后情況。國內學者宋同均等[21]對12例腦外傷病人在術后6～20h內行常規CT和CT灌注成像檢查發現,常規CT對缺血發現率為41.67%,而CT灌注發現率達91.67%,CT灌注在重型顱腦損傷術后早期顯示腦組織異常灌注部位、范圍及缺血程度,確定腦梗死的存在及灌注情況,并可進行定量研究,對臨床早期選擇預防腦梗死治療方案具有一定的指導價值。

CT灌注與其他灌注成像方法的比較

灌注技術不僅能顯示形態學的變化,而且能同時反映組織的生理學功能改變,因此,也被稱之為功能影像學(functional imaging),目前已越來越受到廣泛關注?，F在灌注成像方法很多,如Xe-CT、正電子發射斷層顯像(PET)、單光子發射體層成像(SPECT)、MRI灌注和CT灌注等。

Xe-CT是應用惰性氣體Xe作為彌散示蹤劑,用于腦灌注已有幾十年的歷史,它的優點是硬件及軟件相對其他成像設備便宜,且至今文獻報道對于許多疾病的人和動物實驗作了深入研究,技術方法成熟。但它操作繁瑣,檢查結果受呼吸頻率的改變影響大,所用氙氣有潛在的麻醉等不良反應,而且僅能測一個參數腦血流量(CBF),目前應用較少。SPECT、PET均屬放射性核素顯像,在心肌存活測定、腦功能測定及受體成像具有明顯優勢。但SPECT空間分辨率低,操作程序復雜,檢查時間長且不能計算絕對血流量。PET被認為是體外測量rCBF、rCBV和腦代謝的腦血流活體檢查的“金標準”,尤其是與分子生物學的結合,不僅可進行灌注成像,還可進行其他功能成像,如分子顯像、基因顯像,甚至可以做基因介入治療。但PET檢查費用昂貴,難以作為常規檢查,目前僅在一些大醫院應用于臨床。MR灌注成像因軟組織分辨率高,有彌散、波譜及灌注等多種顯像方法,可區分已梗死腦組織和缺血腦組織,目前已廣泛應用于臨床。但檢查設備軟、硬件都比較昂貴,檢查時間較長,且有金屬植入物或金屬監視器械患者不適用,且該技術可產生順磁性偽影,不能計算血流量的絕對值,所以應用受到一定限制。

CT灌注具有經濟實用、設備相對簡單、檢查快速無創、時間和空間分辨率高、屬于定量研究等優點,目前已廣泛應用于臨床。尤其是近年來隨著多層螺旋CT機器和后處理軟件的不斷升級,大大促進了CT灌注成像技術的開展。尤其是64排以上CT多層同層技術的運用,增大了Z軸掃描范圍及時間分辨率,可以一次性整個器官成像,薄層重建降低了容積效應,能夠顯示更為細微的結構。通過CTP與頭頸CTA聯合檢查,不僅發現灌注異常,還可以尋找病因。因此,CT灌注成像將有著更大的臨床價值和應用前景。

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