颅脑CT灌注研究进展

王 斌 综述 姚振威 审校

随着多排螺旋CT(MDCT)机器的不断更新以及相关软件的相继开发,颅脑CT灌注成像(CT perfusion,CTP)技术日趋成熟,已得到广泛关注和应用,成为一种研究颅脑疾病动态影像及功能影像的极具临床价值的方法。本文对其基本原理、技术方法、适用范围、临床应用及与其他相关成像方法比较等方面综述如下。

CTP基本原理

1.脑灌注成像理论的形成

CT灌注成像的理论基础来源于核医学的放射性示踪剂稀释原理和中央容积定律。示踪剂稀释方法要求取样期间示踪剂始终保持在血管内 (血管外丢失必须被校正),完全与血液混合,并随血流分布,示踪剂不影响观察过程中的机体的生理过程,静脉内注射含碘对比剂能满足以上要求。中心容积法假设对比剂和血液的血流动力学性质相同,而且动脉内或脑组织内对比剂浓度和CT增强值的变化呈线性关系[1-2],即可进行脑灌注测量。Ham berg等[1]认为,使用等渗性对比剂的动态CT增强扫描基本能满足使用示踪剂观察组织灌注的前提条件。Miles等[3-4]也认为由于放射学对比剂与放射性核素的药代动力学非常相似,因此,上述原理也可适用于对比剂,可以进行动态增强CT灌注成像研究。脑CTP的成像原理是将对比剂经静脉团注后,对选定的层面(一般选择病变最大的层面)行连续多次扫描,以获得该层面内对比剂首次通过脑组织每一像素的时间-密度曲线(TDC),根据曲线利用不同的数学模型计算出反映脑组织血液循环动力学的指标,比较各感兴趣区(region of interest,ROI)的TDC,以此来评价组织器官的灌注状态。

2.数学模型的建立

CT灌注成像有非去卷积和去卷积两种数学模型。非去卷积数学模型主要根据Fick原理,假设组织器官中的对比剂蓄积的速度等于动脉流入速度减去静脉流出速度,在某一时间段内组织器官中对比剂的含量等于在该段时间内动脉流入量减去静脉流出量。非去卷积数学模型相对简单,缺点是要求对比剂注射速率大(一般为10m l/s),增加了操作难度和危险性,因为容易造成造影剂外漏,没有考虑到静脉流出,易低估血流量。去卷积数学模型主要反映注射对比剂后组织器官中存留的对比剂随时间的变化量,并不用对组织器官的血流动力学状况预先做人为假设,而是根据实际情况综合考虑了流入动脉和流出静脉进行数学计算处理,因此理论上更能反映组织器官的内部血流情况。去卷积数学模型计算偏差小,注射速率要求不高(一般4～5m l/s),容易被推广使用,这种计算方法适用于血脑屏障完整的脑组织。然而,多数组织的毛细血管具有一定通透性,对比剂在流经组织时必然有一部分会渗入血管外间隙,因此单纯的去卷积模型有其不足之处。1998年Lawrence等在去卷积模型中引入分布参数模型概念,提出一种改良去卷积模型,其优点在于一次CT检查可同时确定多个灌注参数值,能比较全面地反映组织的灌注状况,从而大大拓展了CTP成像的应用范围。反映脑组织血液循环动力学的指标有:脑血容量(cerebral blood volume,CBV)、脑血流量(cerebral blood flow,CBF)、平均通过时间(mean transit time,MTT)、达峰时间(time to peak,TTP)以及表面渗透性(permeability surface,PS)等;其关系是:CBV=CBF×MTT。CBV反映的是ROI内包括大血管和毛细血管在内的血管床容积;CBF反映的是单位时间单位组织内血流量;MTT指的是对比剂通过感兴趣区的平均时间,主要是对比剂通过毛细血管的时间;TTP是对比剂达到峰值所需的时间;PS指的是对比剂经毛细血管内皮进入组织间隙的传递率。

CTP成像技术

1.机器的要求及参数设置

各机器参数不尽相同,一般为80～120kV,150～300mAs,矩阵512×512,层厚5～10mm,扫描速度为1层/s。先进行常规CT平扫,以确定灌注扫描层面,灌注扫描模式为同层连续动态扫描,MSCT为多层同层动态扫描,连续扫描40～50s,即层面不变,而随时间进行多次扫描。可根据不同器官的血流动力学不同采用不同的间隔时间,不同的数学模型时间间隔要求也不同。

2.对比剂的量

文献报道[5-6]国人成人的对比剂注射总量不超过50m l,一般为40m l,儿童1m l/kg体重。

3.对比剂的注射速度

非去卷积法计算忽略静脉流出,是否发生静脉流出取决于最大初始斜率时间和最短通过时间的长短,一般要求最大初始斜率时间小于最短通过时间。最大初始斜率时间与注射对比剂量、注射速率与患者心排出量有密切关系[7],所以提高对比剂注射速率可以提高此方法的准确性。据K lotz等[8]报道对比剂注射速度一般多为8～9m l/s,最快达20m l/s,这样虽然可以提高算法的精确度,但却增加了局部对比剂外漏的危险性,国内CT灌注注射流率多不超过10m l/s。去卷积法注射流率要求较低,一般为 3～5m l/s。K loska等[9]比较了不同浓度下对比剂的用量和注射速度对CTP图像质量的影响,发现含碘370mg/ml的对比剂在6m l/s速度注入30m l较含碘300mg/ml的对比剂在8m l/s速度注入40m l的图像质量和信噪比没有显著差异,认为较高浓度、较小用量和注射速度的对比剂使用方法更为安全而图像质量不受影响。

4.图像后处理

不同CT机器配具有不同功能的perfusion CT或functional CT软件包对图像进行处理。首先选择好输入动脉和输出静脉,在CT脑灌注成像时,要尽量选择灌注层面中较粗大的健侧大脑前、中、后动脉的分支,输出静脉选择上矢状窦,使动脉TDC曲线的峰值较静脉TDC曲线出现时间早而峰值低。应仔细划定ROI,在避开大血管且与组织器官的周边保持一定距离以减少部分容积效应的情况下,尽量选择面积大的ROI以减少光子噪声。还可进行阈值自定义,去除骨、脂肪、空气等组织的图像。最后分析所有动态图像得到一系列CT灌注参数图,图像用伪彩显示,以突出病变区域的对比度。在所得的各灌注图上可分别测量感兴趣区的灌注参数,并进行定量分析。

多层螺旋CT灌注成像的临床应用

1.脑血管疾病

1.1 急性脑缺血:急性脑梗死占脑卒中患者的50%～80%,致残和致死率极高,急性脑梗死治疗的成功与否,取决于能否在超早期及时建立再灌注,积极抢救缺血半暗带,不使其继续发展成为脑梗死,使病变组织功能恢复。动物实验及临床研究证明,卒中发病3～4h后,缺血半暗带将发展成为不可逆的梗死灶。目前脑缺血超早期溶栓时机及用药情况多根据起病时间或经验来判定,往往缺乏准确、客观的依据。因此,如何尽早明确有无缺血区、缺血范围大小及缺血程度对于临床合理治疗至关重要。然而,对于超早期及早期脑缺血患者,常规CT大多表现正常或仅有轻微改变,假阴性率较高。磁共振成像检查因所需时间长、金属材料不能带入机房、价格昂贵等原因不适合作为急性脑梗死首选检查方法。而且,对于超急性脑梗死,MRI也会出现假阴性。而脑CT灌注对缺血较为敏感且简便快速,有研究发现约93%脑梗死的病人灌注改变早于形态学变化。通过CBV 、CBF、MTT、TTP等灌注参数表达脑灌注信息,显示缺血范围及缺血半暗带,反映侧支循环及脑血管情况,并通过联合应用头颈部血管CTA检查,在发现颅内病灶的同时可以发现脑缺血的致病原因,进而指导临床治疗。通过随访观察病变区域灌注情况变化,进行临床治疗效果评估。脑CT灌注成像为合理选择溶栓等治疗方法提供了可半定量分析的手段。有研究发现脑缺血侧与镜像健侧rCBF比值为0.20是缺血组织存活的最低限度,如果rCBF低于0.20,则脑组织将不能存活,如果rCBF比值在0.20～0.35之间,溶栓治疗效果明显[8]。如果缺血脑组织平均通过时间延长,血容量明显降低,提示为不可逆损伤;而平均通过时间延长,血容量升高或轻度下降,则提示为可逆损伤。Shih等[10]认为病灶早期灌注情况与临床预后有关,病灶的峰值强化越高,强化达峰值时间越延迟,临床预后就越差。

1.2 脑出血:对于脑出血患者,避免或缓解脑血肿继发性损伤是临床治疗的关键。动物实验及SPECT研究表明,血肿周围组织有低灌注表现,而认为血肿周围存在缺血半暗带。MRI及PET研究均在急性期血肿周围发现代谢率降低的证据[11]。研究报道血肿周围低灌注的形成原因复杂,一般认为有缺血使血流量减少、血肿占位效应引起的毛细血管床容积缩小、血流灌注减少以及血管外的血液成分及分解产物引起脑组织损伤使局部组织代谢率降低而导致灌注下降[12-13]等原因。国内学者周剑等[14]及马春等[15]研究发现,脑血肿周围组织的CBF和CBV值均较对侧正常组织低,而MTT则升高,表明血肿周围确实存在低灌注区;而且研究结果表明低灌注值低于一般认为的缺血性脑梗死阈值20m l/(100g·min),且在两周内此低灌注状态变化不大,所以认为脑血肿周围不存在缺血半暗带,缺血并非这种低灌注形成的主要原因,血肿的占位效应及其代谢产物引起的该区域代谢降低才是这种低灌注状态的主要成因。CT灌注成像能迅速准确地显示血肿周围血流灌注状态,虽然缺血半暗带可能并不存在,但是通过了解血肿周围组织的低灌注状态,可以反映血肿周围组织的损伤程度及损伤范围,并可初步判断其愈后,为临床治疗提供有价值的信息。

2.脑肿瘤

研究表明,肿瘤血管的生长是肿瘤生长、浸润的形态学基础。所以,无论良性或是恶性肿瘤、原发或转移肿瘤,新生血管的形成都是肿瘤的一个重要特征,从而使该区血流灌注增加。而且,肿瘤血管内皮细胞之间无紧密连接,基膜不完整,缺乏外皮细胞和平滑肌,血管的管径变化较大,因此,肿瘤血管具有较高的通透性。Nabavi等[16]、Cenic等[17]分别进行动物试验及临床研究,并与公认的核医学放射性微球方法做了比较,结果表明两者CBF具有良好的相关性,肿瘤区CBF、CBV、表面透过性明显高于正常的组织,即病灶血供的差异能够通过CT灌注测量值表达出来。CT灌注能够很好地区别肿瘤组织、肿瘤周围组织与正常组织,精确勾勒肿瘤的大小、范围及周围浸润情况,为临床确定治疗方案及预后评价提供有利依据。肿瘤恶性程度与血流灌注呈正相关,恶性肿瘤相对良性肿瘤具有更高血流量,Zoran等[18]研究发现CT灌注的M TT图可以很好地将两者区别开;血脑屏障破坏情况可以通过PS图准确反映,根据脑肿瘤之间PS值的不同,可以鉴别脑瘤恶性程度。因此,CTP可望成为一种无创性术前病理分级的方法。脑外肿瘤因不受血脑屏障约束,血供相对脑内肿瘤丰富,CBF、CBV值以及PS值相对升高,而表现为相对高灌注;脑胶质瘤多表现为高CBF、中等PS值;脑膜瘤多表现为高CBF、高PS值;脑转移瘤则表现为中等CBF、中等PS值。其中,PS值在脑瘤定性诊断中更具价值。国内学者徐剑锋等[19]通过对13例脑膜瘤及10转移瘤的CT灌注比较,发现脑膜瘤的rCBV值及rCBF值明显高于转移瘤。凌华威等[20]研究认为CT灌注成像可以用于脑膜瘤诊断分型。Cenic等[17]动物试验研究表明肿瘤新生物相对肿瘤坏死组织在CBF上表现为高流量灌注,而放射性坏死和手术疤痕往往呈低灌注表现,有文献报道强化病灶的rCBV值与正常脑组织rCBV值的比值大于2.6时提示肿瘤复发,所以CT灌注可以将肿瘤坏死组织与肿瘤残留或复发很好区别开来,用于肿瘤化疗或放疗后评估。CT灌注可以明确肿瘤周围组织的血供情况,从而为制定放疗野、精确指导肿瘤穿刺活检部位提供引导。

3.脑外伤

颅脑外伤病人,普通CT及MRI常能显示较严重的脑挫伤及水肿带,而对于轻度脑损伤、脑血肿周围脑组织损伤情况以及术后手术区脑组织血供情况不能进行评价。由于病情关系,颅脑外伤病人一般不行CT灌注检查,但对于病情允许或是脑外伤术后病情稳定患者,可以行CT灌注检查,以了解病灶中心区、周围水肿区或是手术区的灌注情况,来评价脑外伤预后或术后情况。国内学者宋同均等[21]对12例脑外伤病人在术后6～20h内行常规CT和CT灌注成像检查发现,常规CT对缺血发现率为41.67%,而CT灌注发现率达91.67%,CT灌注在重型颅脑损伤术后早期显示脑组织异常灌注部位、范围及缺血程度,确定脑梗死的存在及灌注情况,并可进行定量研究,对临床早期选择预防脑梗死治疗方案具有一定的指导价值。

CT灌注与其他灌注成像方法的比较

灌注技术不仅能显示形态学的变化,而且能同时反映组织的生理学功能改变,因此,也被称之为功能影像学(functional imaging),目前已越来越受到广泛关注。现在灌注成像方法很多,如Xe-CT、正电子发射断层显像(PET)、单光子发射体层成像(SPECT)、MRI灌注和CT灌注等。

Xe-CT是应用惰性气体Xe作为弥散示踪剂,用于脑灌注已有几十年的历史,它的优点是硬件及软件相对其他成像设备便宜,且至今文献报道对于许多疾病的人和动物实验作了深入研究,技术方法成熟。但它操作繁琐,检查结果受呼吸频率的改变影响大,所用氙气有潜在的麻醉等不良反应,而且仅能测一个参数脑血流量(CBF),目前应用较少。SPECT、PET均属放射性核素显像,在心肌存活测定、脑功能测定及受体成像具有明显优势。但SPECT空间分辨率低,操作程序复杂,检查时间长且不能计算绝对血流量。PET被认为是体外测量rCBF、rCBV和脑代谢的脑血流活体检查的“金标准”,尤其是与分子生物学的结合,不仅可进行灌注成像,还可进行其他功能成像,如分子显像、基因显像,甚至可以做基因介入治疗。但PET检查费用昂贵,难以作为常规检查,目前仅在一些大医院应用于临床。MR灌注成像因软组织分辨率高,有弥散、波谱及灌注等多种显像方法,可区分已梗死脑组织和缺血脑组织,目前已广泛应用于临床。但检查设备软、硬件都比较昂贵,检查时间较长,且有金属植入物或金属监视器械患者不适用,且该技术可产生顺磁性伪影,不能计算血流量的绝对值,所以应用受到一定限制。

CT灌注具有经济实用、设备相对简单、检查快速无创、时间和空间分辨率高、属于定量研究等优点,目前已广泛应用于临床。尤其是近年来随着多层螺旋CT机器和后处理软件的不断升级,大大促进了CT灌注成像技术的开展。尤其是64排以上CT多层同层技术的运用,增大了Z轴扫描范围及时间分辨率,可以一次性整个器官成像,薄层重建降低了容积效应,能够显示更为细微的结构。通过CTP与头颈CTA联合检查,不仅发现灌注异常,还可以寻找病因。因此,CT灌注成像将有着更大的临床价值和应用前景。

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