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CT灌注成像的基本原理及腦部的臨床應用

CT灌注成像的基本原理及腦部的臨床應用

灌注(Perfusion)

血流通過毛細血管

網,將攜帶的氧和營養物質輸送給組織細胞的重要功能。

CT灌注(CT perfusion)技術最早由Miles於1991年提出,並先後對肝、脾、胰、腎等腹部實質性臟器進行了CT灌注成像的動物實驗和臨床應用的初步探討。

灌注成像兩個方面的內容

一、是採用對水分子微量運動敏感的序列來觀察人體微循環的灌注狀況。

二、是通過造影劑增強方法來動態的研究器官

,組織或病灶區微血管灌注情況。腫瘤的灌注研究可以評價腫瘤的血管分佈,了解腫瘤的性質和觀察腫瘤對於放射治療和/或化療后的反應。

CT灌注成像

在靜脈注射對比劑同時,對選定層面通過連續多次同層掃描,以獲得該層面每一像素的時間-密度(time-densitycurve,TDC)曲線,其曲線反映的是對比劑在該器官中映了組濃度的變化,間接反織器官灌注量的變化。

CT灌注成像的理論基礎

核醫學的放射性

示蹤劑稀釋原理和中心容積定律(centralvolume principle):BF=BV/MTT

增強CT所用的碘對比劑基本符合非彌散型示蹤劑的要求,所以可以借用核醫學灌注成像的原理。

參數

根據TDC利用不同的數學模型計算

血容量(bloodvolume, BV):指存在於一定量組織血管結構內的血容量(ml/g)

對比劑平均通過時間(meantransit time, MTT):指血液流經血管結構時,包括動脈、毛細血管、靜脈竇、靜脈,所經過的路徑不同,其通過時間也不同,因此用平均通過時間表示,主要反映的是對比劑通過毛細血管的時間(S) 。

對比劑峰值時間(Transittime to the peak,TTP):TDC上從對比劑開始出現到對比劑達峰值的時間(S)。

血流量(bloodflow, BF):單位時間內流經一定量組織血管結構的血流量(ml/min/ml);

毛細血管通透性/表面通透性:對以上參數進行圖像重建和偽彩染色處理得到上述各參數圖。

CT灌注成像使用的數學方法

非去卷積法:忽略對比劑的靜脈流出,假定在沒有對比劑外滲和消除對比劑再循環的情況下,即對比劑首過現象(對比劑由動脈進入毛細血管到達靜脈之前一段時間內,沒有對比劑進入靜脈再次循環的現象)去計算BF、BV、MTT等參數。

去卷積數學模型:主要反映的是注射對比劑后組織器官中存留的對比劑隨時間的變化量,其並不用對組織器官的血流動力學狀況預先做一些人為的假設,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,因此更真實反映組織器官

的內部情況。

總之,非卷積數學方法概念相對簡單,便於理解,但易低估BF,注射對比劑進要求注射流率大,增加了操作難度和危險性。而去卷積數學方法計算偏差小,注射速度要求不高(一般4~5ml/s),預計去卷積法將會被廣泛應用。

灌注成像的臨床應用

顱腦病變

1.腦缺血性病變

灌注成像分析腦血液動力學改變,通過評價腦血流(cerebralblood flow,CBF)、腦血容量(cerebralblood volume,CBV)及平均通過時間(meantransition time,MTT)來描述早期缺血性腦卒中患者腦血流低灌注區、梗塞區及缺血半暗帶區,由此獲得較完整的早期卒中的診斷信息。

通過綜合分析灌注參數可以掌握組織血液供給的具體情況:

①灌注不足:MTT明顯延長,rCBV減少,rCBF明顯減少。

②側支循環信息:MTT延長,rCBV增加或尚可。

③血流再灌注信息:MTT縮短或正常,rCBV增加,rCBF正常或輕度增加。

④過度灌注信息:rCBV與rCBF均顯著增加。急性腦缺血期病灶中心血流灌注嚴重減少,rCBV的減少是最直觀的指標,它反映單位質量內血容量減少。當腦局部灌注壓下降時,腦組織可以通過一定的自我調節機制使局部血管床擴張以增加血容量來代償。研究表明急性腦缺血發作后,過度灌注和持續的灌注不足可同時存在,且是造成腦組織損傷的原因。灌注成像可通過rCBF和MTT來了解局部組織的灌注情況,有望幫助臨床及時判斷病變進展。

2.顱內佔位性病變

評價顱內腫塊性病變時CBV是最有用的參數。測量CBV作為輔助指標有助於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,監測治療效果等。血管形態和新生程度是區分顱內腫瘤類型、確定其生物學侵襲程度的重要依據。反映腫瘤血管化程度的活體CBV圖,可用以間接評判腫瘤新生血管。研究表明,灌注成像測量的rCBV與常規血管造影的腫瘤血管染色及組織病理新生血管的測量相關性好。

原髮膠質瘤

膠質瘤的血管增生程度是決定病理學分級的重要參數之一,目前臨床上採用微血管密度計數作為評價膠質瘤血管生成的金標準,隨著膠質瘤惡性程度的提高,其微血管密度也在提高。而從總體上看,腫瘤惡性程度越高rCBV值越大,即多形膠母>間變性星形細胞瘤>低級別膠質瘤,灌注成像能夠在活體上快速而幾乎無創地量化反映組織的血管生成及分佈情況,從而達到對膠質瘤分級的目的。

立體定向引導活檢

活檢是確定腫瘤類型和級別的最後方法,但只有從腫瘤惡性度最高處採樣才能準確分級。常規增強CT或MRI所顯示的增強區域只代表血腦屏障破壞而並不一定是腫瘤最惡性部分。CBV圖能顯示血管分佈增多區,對於常規檢查不增強的腫瘤,更是一個有效的補充。

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,可附加於腦腫瘤化療方案中。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CT或MRI增強並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的治療過程中,系列rCBV的測量與增強MRI相比能更好地反映患者臨床狀況的變化。

鑒別膠質瘤腫瘤複發和治療性壞死

鑒別腫瘤複發和放射性壞死對治療方案選擇很重要,常規影像和臨床檢查常常很難鑒別遲發放射性壞死和腫瘤複發。在病理上兩者表現迥異,放射性壞死為廣泛血管損傷和組織缺氧,而腫瘤複發為血管新生。在所有影像學方法中,PET對鑒別較有幫助;但設備昂貴,不能作為常規診斷手段。灌注成像的CBV圖能夠反映腫瘤複發和放射性壞死在血管分佈上的病理差異。

腦膠質瘤病

腦膠質瘤病是一種罕見腫瘤,病理特徵是中度多形的膠質細胞沿正常結構內浸潤而不破壞它,病變區細胞數量增多但無腦實質破壞和新生血管。灌注成像顯示病變區缺乏血管增生,rCBV甚至低於正常、未受累的腦白質。

腦轉移瘤

腦轉移瘤多為血行轉移,在其生長中產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浸潤。孤立、實性轉移常需與原發腫瘤鑒別。兩者病灶區rCBV表現相近,灶周水腫區差異顯著;原發腫瘤的rCBV明顯高於轉移瘤,這可能就是轉移瘤周圍僅僅是單純水腫而原發腫瘤除水腫外還有瘤細胞浸潤的本質差異的反映。

腦原發淋巴瘤

腦原發淋巴瘤的治療依靠聯合大劑量化療和放療而非手術。在診斷上,常規影像有時很難鑒別腦原發淋巴瘤與多形膠質母細胞瘤。灌注成像顯示腫瘤新生血管特徵的能力有助於鑒別兩者。腦原發淋巴瘤組織病理上的一個顯著特徵就是以血管為中心生長、形成多層環形結節並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。因此腦原發淋巴瘤的rCBV明顯低於多形膠母的rCBV值。腦原發淋巴瘤有可能出現常規T1WI增強明顯強化而rCBV較低。有時與腫塊性脫髓鞘斑塊鑒別困難,兩者比較總體上腦原發淋巴瘤的rCBV較高。

腦外腫瘤

顱內腦外腫瘤是指起源於顱內非腦實質組織如腦膜、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rCBV明顯高於腦內腫瘤。值得注意的是由於腦外腫瘤沒有血腦屏障,造影劑很快漏出,rCBV的測量不可靠。灌注曲線特徵是首次通過後基線恢復緩慢。

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