CT、MRI灌注成像的基本原理及其临床应用

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1、- 0 -复旦大学研究生课程教学讲义功能成像在肿瘤诊断中的应用复旦大学附属肿瘤医院影像中心- 1 -目录1CT、MRI 灌 注 成 像 的 基 本 原 理 及 其 临 床 应 用 - 彭 卫 军 (2) 2. 磁 共 振 弥 散 成 像 的 基 本 原 理 及 临 床 应 用 -顾 雅 佳 (14) 3质 子 磁 共 振 波 谱 基 本 原 理 及 其 在 颅 内 肿 瘤 诊 断 中 的 应 用 - 周 正 荣 (25)4BOLD-fMRI脑 功 能 成 像 -周 良 平 (42)5PET,SPECT在 肿 瘤 诊 断 中 的 应 用 -章 英 剑 (64)- 2 -CT、MRI灌 注 成 像

2、 的 基 本 原 理 及 其 临 床 应 用复 旦 大 学 附 属 肿 瘤 医 院 影 像 中 心 彭 卫 军 吴 斌灌 注 （Perfusion）是 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 。灌 注 成 像 (perfusion imaging) 是 建 立在 流 动 效 应 基 础 上 成 像 方 法 ，与 磁 共 振 血 管 成 像 不 同 的 是 ，它 观 察 的不 是 血 液 流 动 的 宏 观 流 动 ，而 是 分 子 的 微 观 运 动 。利 用 影 像 学 技 术 进行 灌 注 成 像 可 测

3、量 局 部 组 织 血 液 灌 注 ，了 解 其 血 液 动 力 学 及 功 能 变化 ，对 临 床 诊 断 及 治 疗 均 有 重 要 参 考 价 值 。灌 注 成 像 主 要 有 两 个 方 面的 内 容 ，一 是 采 用 对 水 分 子 微 量 运 动 敏 感 的 序 列 来 观 察 人 体 微 循 环的 灌 注 状 况 ，二 是 通 过 造 影 剂 增 强 方 法 来 动 态 的 研 究 器 官 ，组 织 或 病灶 区 微 血 管 灌 注 情 况 。肿 瘤 的 灌 注 研 究 可 以 评 价 肿 瘤 的 血 管 分 布 ，了解 肿 瘤 的 性 质 和 观 察 肿 瘤 对 于 放 射 治

4、 疗 和 /或 化 疗 后 的 反 应 。一 、灌 注 成 像 的 原 理 、技 术 及 相 关 序 列核 医 学 对 局 部 组 织 血 流 灌 注 成 像 的 研 究 较 早 ，CT、MRI灌 注 技 术为 近 年 来 发 展 较 为 迅 速 的 成 像 方 法 。1CT灌 注CT灌 注 （CT perfusion）技 术 最 早 由 Miles于 1991年 提 出 ，并 先 后对 肝 、脾 、胰 、肾 等 腹 部 实 质 性 脏 器 进 行 了 CT灌 注 成 像 的 动 物 实 验 和临 床 应 用 的 初 步 探 讨 。所 谓 CT灌 注 成 像 是 指 在 静 脉 注 射 对 比

5、 剂 同 时 ，对 选 定 层 面 通 过 连 续 多 次 同 层 扫 描 ，以 获 得 该 层 面 每 一 像 素 的 时 间 密 度 （time-density curve，TDC）曲 线 ，其 曲 线 反 映 的 是 对 比 剂 在 该- 3 -器 官 中 映 了 组 浓 度 的 变 化 ，间 接 反 织 器 官 灌 注 量 的 变 化 。根 据 该 曲 线利 用 不 同 的 数 学 模 型 计 算 出 血 流 量 (blood flow, BF)、血 容 量 (blood volume, BV)、对 比 剂 平 均 通 过 时 间 (mean transit time, MTT)、对

6、比 剂峰 值 时 间 （Transit time to the peak，TTP、毛 细 血 管 通 透 性 等 参 数 ，对以 上 参 数 进 行 图 像 重 建 和 伪 彩 染 色 处 理 得 到 上 述 各 参 数 图 。CT灌 注成 像 的 理 论 基 础 为 核 医 学 的 放 射 性 示 踪 剂 稀 释 原 理 和 中 心 容 积 定 律(central volume principle)：BF= BV/MTT。BF指 在 单 位 时 间 内 流 经 一定 量 组 织 血 管 结 构 的 血 流 量 (ml/min/ml)；BV指 存 在 于 一 定 量 组 织 血管 结 构 内

7、的 血 容 量 (ml/g)；MTT指 血 液 流 经 血 管 结 构 时 ,包 括 动 脉 、毛细 血 管 、静 脉 窦 、静 脉 ，所 经 过 的 路 径 不 同 ，其 通 过 时 间 也 不 同 ，因 此用 平 均 通 过 时 间 表 示 ，主 要 反 映 的 是 对 比 剂 通 过 毛 细 血 管 的 时 间 (S)；TTP指 TDC上 从 对 比 剂 开 始 出 现 到 对 比 剂 达 峰 值 的 时 间 (S)。增 强 CT所 用 的 碘 对 比 剂 基 本 符 合 非 弥 散 型 示 踪 剂 的 要 求 ，所 以 可 以 借 用 核医 学 灌 注 成 像 的 原 理 。CT灌 注

8、 成 像 使 用 的 数 学 方 法 主 要 有 两 种 ：非 去卷 积 法 和 去 卷 积 法 。前 者 忽 略 对 比 剂 的 静 脉 流 出 ，假 定 在 没 有 对 比 剂外 渗 和 消 除 对 比 剂 再 循 环 的 情 况 下 ，即 对 比 剂 首 过 现 象 （对 比 剂 由 动脉 进 入 毛 细 血 管 到 达 静 脉 之 前 一 段 时 间 内 ，没 有 对 比 剂 进 入 静 脉 再次 循 环 的 现 象 ）去 计 算 BF、BV、MTT等 参 数 。而 去 卷 积 数 学 模 型 概 念复 杂 ，主 要 反 映 的 是 注 射 对 比 剂 后 组 织 器 官 中 存 留

9、的 对 比 剂 随 时 间的 变 化 量 ，其 并 不 用 对 组 织 器 官 的 血 流 动 力 学 状 况 预 先 做 一 些 人 为的 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 更 真 实 反 映 组 织 器 官 的 内 部 情 况 。总 之 ，非 卷 积 数- 4 -学 方 法 概 念 相 对 简 单 ，便 于 理 解 ，但 易 低 估 BF，注 射 对 比 剂 进 要 求 注射 流 率 大 ，增 加 了 操 作 难 度 和 危 险 性 。而 去 卷 积 数 学 方 法 计 算 偏 差 小

10、，注 射 速 度 要 求 不 高 （一 般 4 5ml/s），预 计 去 卷 积 法 将 会 被 广 泛 应 用 。CT灌 注 是 最 早 应 用 的 影 像 学 功 能 成 像 方 法 之 一 ，1983年 Axel首 次利 用 动 态 CT扫 描 技 术 和 对 比 剂 团 注 射 法 获 得 了 脑 的 CBF和 CBV定 量数 值 。由 于 受 当 时 CT扫 描 速 度 原 因 的 限 制 ，此 项 技 术 没 有 在 临 床 应 用 。经 数 十 年 的 发 展 ，目 前 此 项 技 术 已 经 较 为 成 熟 。随 着 多 排 CT的 推 广 应用 ，CT灌 注 已 经 从 单

11、层 面 的 灌 注 发 展 到 多 层 面 灌 注 ，大 大 提 高 了 时 间及 空 间 分 辨 率 。2磁 共 振 灌 注 成 像 （Perfusion-weighted MR imaging，PWI）磁 共 振 灌 注 成 像 是 指 用 来 反 映 组 织 的 微 血 管 灌 注 分 布 及 血 流 灌注 情 况 的 磁 共 振 检 查 技 术 。目 前 依 据 其 成 像 原 理 可 大 致 分 为 二 种 类型 ，即 对 比 剂 首 过 灌 注 成 像 、动 脉 血 质 子 自 旋 标 记 技 术 。对 比 剂 首 过 灌 注 成 像 属 于 动 态 增 强 磁 共 振 成 像 （

12、dynamic contrast enhanced MRI，DCE MRI）范 畴 。动 态 增 强 磁 共 振 成 像 技 术 的 方 法 与CT增 强 扫 描 方 法 大 致 相 同 ，所 不 同 的 是 注 入 顺 磁 性 造 影 剂 如 Gd-DTPA。顺 磁 性 的 钆 剂 一 进 入 毛 细 血 管 床 便 在 毛 细 血 管 内 外 建 立 起 多个 小 的 局 部 磁 场 ，即 形 成 一 定 的 磁 敏 感 性 差 别 ，类 似 于 在 毛 细 管 与 组织 间 建 立 了 无 数 小 梯 度 磁 场 ，这 样 不 仅 使 组 织 质 子 所 经 历 的 磁 场 均匀 性 降

13、 低 ，而 且 导 致 质 子 相 位 相 干 的 损 失 ，即 加 速 了 质 子 的 失 相 位 过程 ，从 而 使 组 织 的 T1、T2时 间 均 缩 短 。这 时 使 用 T2*敏 感 序 列 进 行 测 量 ，即 可 观 察 到 组 织 信 号 的 显 著 减 小 ，即 所 谓 的 “负 性 增 强 （negative - 5 -enhancement）”；如 果 用 对 T1时 间 敏 感 的 序 列 检 查 ，则 表 现 为 组 织 的正 性 增 强 。这 种 方 法 能 综 合 评 价 组 织 灌 注 ，血 容 量 以 及 血 管 的 渗 透 率 。虽 然 这 种 方 法 简

14、 便 ，实 用 ，但 也 有 其 局 限 性 ：首 先 ，顺 磁 性 造 影 剂 对 T1和 T2时 间 都 有 影 响 ，其 浓 度 与 增 强 的 程 度 不 成 线 性 关 系 ，所 以 不 能 像CT那 样 进 行 定 量 的 评 价 ；其 次 ，现 在 临 床 使 用 的 磁 共 振 机 器 的 空 间 和时 间 分 辨 率 都 不 够 ，以 前 多 选 择 T1-动 态 增 强 最 强 的 部 分 层 面 进 行 单层 面 T2* 首 过 灌 注 ，但 T1动 态 增 强 与 多 种 因 素 有 关 ，如 肿 瘤 组 织 的T1值 、肿 瘤 的 灌 注 情 况 、肿 瘤 间 质 的

15、 T1值 、毛 细 血 管 密 度 及 毛 细 血 管的 渗 透 性 等 。有 时 不 能 完 全 反 映 整 个 肿 瘤 的 微 血 管 灌 注 特 征 。只 在 肿瘤 中 一 个 感 兴 趣 层 面 进 行 动 态 扫 描 ，从 而 片 面 地 反 映 肿 瘤 的 整 体 情况 。当 然 ，新 型 磁 共 振 扫 描 仪 及 EPI等 快 速 成 像 序 列 的 出 现 ，使 得 对 整个 肿 瘤 的 首 过 灌 注 成 像 已 成 为 可 能 。EPI以 一 连 串 梯 度 回 波 为 特 征 ，单 次 激 发 EPI仅 激 发 1次 即 可 完 成 K空 间 的 信 号 采 集 。因

16、此 在 提 高 时 间分 辨 率 的 同 时 又 保 证 了 高 的 空 间 分 辨 率 。多 层 动 态 的 T2*首 过 MR灌 注成 像 （Dynamic sussuptibility contrast T2*-weighted imaging）能 较 全 面的 反 映 肿 瘤 的 微 血 管 灌 注 。第 二 种 是 流 入 法 ，具 体 的 技 术 有 动 脉 自 旋 标 记 法 （artery spin-labeling），将 血 液 水 分 子 作 为 内 在 的 弥 散 标 记 物 ，磁 化 标 记 成 像 层 面上 游 的 动 脉 血 液 内 水 分 子 ，然 后 观 察 它 弥 散 进 入 组 织 的 效 应 ，具 体 做法 是 在 感 兴 趣 的 层 面 之 前 即 用 反 转 或 预 饱