计算机断层扫描灌注成像在急性缺血性脑血管病中的应用

林 青 综述 马琪林 审校

(福建省厦门大学附属第一医院神经内科,厦门 361003)

计算机断层扫描灌注成像(com puterized tom ography perfusion,CTP)是利用动态增强计算机断层扫描(CT)和图像后处理技术来反映组织血管化程度和血流灌注状态,从而提供组织器官血流动力学信息的功能成像方法,能一定程度地反映脑缺血病理生理学改变,已成为评价早期脑梗死时组织灌注状态的重要检查手段,与核磁共振(MR I)灌注成像相比,能在最短时间内评估缺血半暗带并指导溶栓治疗。

1 急性脑梗死的缺血半暗带理论

1977年英国科学家 Astup等[1]发现在狒狒大脑中动脉闭塞脑梗死模型中,局部脑血流量降至15m L/100 g/m in时,感觉诱发电位消失,但细胞外K+活性无变化,此为神经元电生理功能衰竭阈值;当降至 10m L/100 g/m in时,K+活性突然升高,离子泵和能量代谢衰竭为膜功能衰竭阈值。感觉诱发电位消失后,若能及时增加局部脑血流量则诱发电位可再度出现。因此 Astup等首先提出缺血半暗带(ischem ic penumbra)的概念,它是指缺血后组织丧失电活动但仍能维持跨膜离子电位,并能存活一段时间的脑组织。随后,许多学者分别从形态学、能量代谢、电生理、神经影像学等不同角度验证了缺血半暗带的理论。

2 CT灌注成像理论

CTP脑血流测量技术的理论基础是“中心容积原理”和核医学“示踪剂稀释原理”[2]。CTP是应用静脉注入X射线对比剂,经左心室到达靶器官,通过动态扫描以获得该层面内每一像素的时间-密度曲线(tim e-density curve,TDC)。该曲线横坐标为时间,纵坐标为注射对比剂后增加的CT值(一般认为1mg碘可使 1 cm脑组织的 CT值增加 25Hu),其曲线直接反映了对比剂在脑实质中的浓度变化,间接反映了脑组织的灌注量变化。依据曲线,利用不同的数学模型可以计算出相应的血流量(b lood flow,BF)、血容量(b lood volum e,BV)、对比剂平均通过时间(mean transm it tim e,MTT)、峰值时间 (time to peak,TTP)和表面通透性(perm eability o f surface,PS)等参数。对以上参数进行图像重组和伪彩染色处理,可以得到血流灌注图、血容积图、对比剂平均通过时间图和对比剂峰值时间图等,从而评价组织器官的灌注状态。

CTP的常用参数有:①脑血容积(cerebralb lood volum e,CBV)为脑感兴趣区(region of interes,t RO I)大血管和毛细血管的血管床容积,CBV图由 TDC曲线下面积的数学积分算出,单位为m L/100g。②脑血流量(cerebra lb lood flow,CBF)指单位时间单位体积脑组织内的血流量,单位为 m L/100 g/m in。③MTT是脑血液动力学的重要参数,可认为是血液自动脉端流至静脉端的循环时间,因通过的血管路径不同,故时间也不同,所以用平均通过时间表示。上述 3个参数之间的关系符合中心容积定律,可用公式表示:MTT=CBV/CBF。④达峰时间(TTP)指对比剂开始注射至其浓度达到峰值的时间,单位为秒(s)。⑤PS是近年提出的新参数,其数值反映对比剂进入间质(血管外)的量,通过 TDC的斜率即可计算出 PS值,单位为 m L/100 g/m in。

与 PET及氙气-CT金标准相比,从 CTP测得到的 CBF值显示了非常高的准确度[3,4]。M ayer等[5]研究发现,CBF参数图对脑缺血程度判断的敏感性为 93%,特异性为 98%。A viv等[6]认为 CBV对急性脑梗死预测最后梗死范围和临床转归的敏感性、特异性、阳性预测值、阴性预测值分别为 60%、100%、100%、45%。M urphy等[7]研究表明,CBV ×CBF的交互作用半暗带判断的对敏感度、特异度准、确度分别为 97.0%、97.2%、97.1%,比单独应用 CBF或CBV评价缺血状态显示了更好的结果,说明 CBV阈值随 CBF的变化而不同。Koen ig等[8]认为由于人脑组织的血流灌注量因年龄、心血管生理状态、显影剂等的不同,测得数值可有差异,CBF与CBV绝对值不能准确反映缺血组织的灌注状态,应用对侧半球镜像区域作为参照的半定量数值可以弥补这些不足。MTT延长是急性脑梗死最常观察到的改变,特异性较低,敏感性较高,是 CBF良好的辅助诊断指标。Grandin等[9]认为MTT对区分正常脑组织和缺血脑组织非常敏感,但对缺血损害的程度以及发生脑梗死危险性的评价上不如 rCBF和 rCBV。目前,对参数 PS的研究较少,从 PS图的产生机制来看,PS值反映的是血脑屏障破坏的情况。脑梗死后血脑屏障破坏可以导致 PS值升高。全冠民等[10]在血栓性脑缺血兔模型中,通过 PS参数变化连续观察脑缺血 6 h内微血管通透性变化,结果 PS图上缺血区为斑片状或斑点状通透性增大,提示 PS值有效地显示脑缺血超急性期微血管通透性的变化。

3 CTP在急性缺血性卒中的应用

脑组织对灌注压的变化有自动调节机制。当灌注压下降时,通过小动脉的扩张,可一定程度上维持正常的脑血流量,此时表现为 CBV、MTT增加,CBF保持不变。随着灌注压的进一步下降,CBV、CBF进一步降低,MTT进一步延长,此时能量供应不足以维持正常细胞的功能,出现缺血半暗带。最终,严重的灌注压不足导致 CBV、CBF降低,MTT延长,造成不可逆性脑梗死[11]。Sparacia等[12]对 30例发病 3 h内的急性脑梗死患者进行 CTP检查,根据MR I复查结果确定最终梗死体积,发现梗死区、半暗带、对侧对照区平均 MTT分别为 9.8 s、5.1 s、3.4 s;平均CBF的相对值(rCBF)分别为 24.6m L/100 g/m in,64.8m L/100 g/m in,70.8m L/100 g/m in;平均 CBV的相对(rCBV)分别为 3.5m L/100 g、3.9m L/100 g、2.9m L/100 g。认为缺血脑组织的CBF及CBV下降提示为不可逆损伤(即梗死),而 CBF下降、MTT延长、CBV正常或轻度增加则提示为可逆性损伤(即缺血半暗带)。MTT延长＜5.1 s为半暗带,MTT＞6.05 s为梗死。梗死区 MTT阈值 6.05 s的敏感性84.6%,特异性 100%,准确度 92.3%。K oenig等[7]的研究结果显示 rCBF为 0.48和 rCBV为 0.6是区分梗死区和半暗带的相对阈值。而 K lotz等[13]认为rCBF为 0.20作为缺半暗带的最低限,如果 rCBF比值＜0.20,无论采取何种治疗方法脑组织都无法存话;如果 rCBF比值在 0.20～0.35之间,溶栓治疗的效果明显。

高培毅[14]根据 CTP脑血流量情况,将脑梗死前期分为两期 4个亚型:①Ⅰ期:脑血流动力学发生异常变化,脑血流灌注压在一定范围内波动,机体可以通过小动脉和毛细血管平滑肌的代偿性扩张或收缩来维持脑血流相对稳定;Ⅰa期:脑血流速度发生变化,脑局部微血管尚无代偿性扩张,灌注成像可见TTP延长,MTT、CBF和 CBV正常;Ⅰb期:脑局部微血管代偿性扩张,灌注成像见TTP和MTT延长,CBF正常或轻度下降,CBV正常或升高。②Ⅱ期:脑循环储备力失代偿,CBF达电衰竭值以下,神经元的功能出现异常,机体通过脑储备力来维持神经元代谢的稳定;Ⅱa期:CBF下降,由于脑缺血造成局部星形细胞足板肿胀,并开始压迫局部微血管,灌注成像见TTP、MTT延长以及 CBF下降,CBV正常或轻度下降;Ⅱb期:星形细胞足板明显肿胀,并造成脑局部微血管受压变窄或闭塞局部微循环障碍,灌注成像见TTP、MTT延长 CBF和 CBV下降。如果 CBF和 CBV明显下降提示进入脑梗死阶段。

溶栓是急性脑梗死最有效的治疗方法。但目前的溶栓治疗指南基于严格的 4.5 h时间窗,而没有充分考虑梗死后的病理生理和半暗带的存在。而在MR I灌注成像(PW I)和弥散成像(DW I)指导下的急性脑梗死溶栓研究,证实即使超过时间窗,只要缺血半暗带存在,溶栓仍然有效,且出血的风险并无增加[15,16]。尽管MR I评估缺血半暗带有优势,但耗时和增加费用却是不利的因素,因此利用 CTP来评估和指导溶栓治疗应该是方向之一。Jakubow ska等[17]报道对 1例 68岁右侧偏瘫(N IHSS评分 20分)的大脑中动脉(MCA)闭塞的男性患者,症状发生后 7.5 h CTP显示存在半暗带,9 h后进行重组组织型纤溶酶原激活剂(rt-PA)动脉溶栓;溶栓 1 h后重新扫描显示MCA再通;随访MR I显示仅梗死中心区轻度出血转化;18 d后患者N IHSS降为 5分而出院。因此,如果 CTP显示缺血半暗带确切存在,颈内动脉系统的溶栓治疗可以在发病 6～9 h内进行。CTP还可作为动脉狭窄内支架成形术后临床转归的客观评价指标[18]。

多模式 CT成像包括全脑普通 CT平扫、CTP和CT血管成像(CTA),在评估半球梗死患者是否接受rt-PA治疗时已显示出明显的优越性。CTA能够评估患者血管闭塞的部位,同时评估脑血管的总体状况,而CTP则能够评估脑组织血流灌注缺损的范围以及严重程度。CTP联合 CTA评估还有助于剔除存在高度出血性转化风险的患者。CTA显示的血管闭塞是影像溶栓决策的重要因素。Parsons[19]推荐多模式 CT成像指导溶栓的标准是:①高的获益:小的中心区梗死-大面积的半暗带-血管闭塞;②良好的获益:中等大小的中心区梗死-中度面积的半暗带、或小的中心区梗死-小面积的半暗带、大面积的半暗带-CTA显示没有血管阻塞;③低的获益:没有半暗带、大的梗死区伴有或没有半暗带、临床症状提示半球缺血但无灌注异常区或血管闭塞。还有待更多试验证实。

4 CTP在短暂性缺血发作(T IA)中的应用

TIA的传统定义是基于推测性的时间限定,受到巨大的挑战。T IA研究组的A lbers等[20]提出了 T IA的新定义,在一定程度上强调了影像学证据。研究发现,超过 1 h的 TIA可存在脑实质损伤,常规MRI也证实了这一点。DW I研究显示,半数符合传统定义的T IA患者 DW I图像存在缺血病灶。Lu等[21]对20例 TIA患者进行 CT、CTP和 TCD检查,结果发现20例 CT正常而 13例与临床符合的 CTP改变显示TTP延长持续的异常,与对侧相比TTP平均延长 2.8 s。CTP能提供血液动力信息及灌注异常区域。雷静等[22]对 24例临床诊断为椎动脉粥样硬化狭窄所致的椎基底动脉系统T IA的患者行数字减影血管造影术(DSA)和后循环脑组织的 CTP检查。结果发现患者中DSA所显示的椎动脉中-重度狭窄达为 60%～100%,头颅 CT平扫则未发现与临床症状相对应的病灶,而其中 13例患者 CTP检出与临床症状相对应的低灌注区,其中 2例患者整个后循环供血区较同层面前循环供血区TTP明显延迟。

5 CTP在动物实验中的研究

有关CTP明确半暗带组织的动物实验正在积极开展。Nabavi等[23]利用兔 MCA闭塞模型行颅脑CTP,并与病理切片对照研究,提出 rCBF＜10m L/100 g/m in及MTT延迟超过 6 s是缺血组织转变为梗死组织的有效预测值。此结果与正电子发射体层摄影(PET)、单光子发射计算机化断层显像(singlephoton em ission com puted tom ography,SPECT)等其他核素检查结果相似。M urphy等[24]在兔MCA闭塞模型中发现梗死区的 CBV和 CBF均显著下降,半暗带CBF显著下降＜25m L/100 g/m in,而 CBV仍接近正常值,logistic回归分析显示 CBV×CBF交互作用对梗死区预测的敏感性和特异性分别为 90.6%和93.3%。

6 CTP优势、存在问题和展望

多模式 CT和MR I扫描均能显示低灌注区,但对于溶栓治疗,大多数医疗机构能更快完成 CTP检查,就为溶栓治疗赢得了宝贵的时间。对于有MR I检查禁忌证的患者,如心脏起搏器或其他电子装置及其他体内金属异物植入者、幽闭恐惧症患者应首选CTP。对怀疑脑干梗死的患者则应考虑MR I。

CTP在急性缺血性脑血管病中的应用尚存在以下问题:①技术方面:CTP要求快速团注对比剂,需要高压注射器和准确掌握扫描时间。图像在每一成像期间只能做一次(首过效应)技术要求较高,一次检查中不能重复。②CTP评价脑梗死的不足:首先CTP的感兴趣区及感兴趣点需要人为选择,因此需放射诊断医师与临床医师密切合作,才能提高诊断准确性。其次由于 CTP成像需双侧对比,故在大脑双侧均有病变时或后循环病变时其敏感性下降。此时结合 CTA可部分弥补该不足。全脑 CT灌注结合血管造影可提高对缺血区检出的敏感度。CTA比MRA可更准确地评估血管阻塞部位。CTP显示有半暗带但 CTA没有明显阻塞的患者溶栓的效果目前还不清楚。MCA的M2段以上阻塞在 CTA上不能观察到,如果有半暗带存在,可能从溶栓获益。另一方面,大范围灌注缺失指示MCA近端阻塞,但 CTA没有显示阻塞,可能是血管自发性再通,从溶栓治疗获益就小。③对 CTP参数的评价尚未统一,联合 CTA指导溶栓治疗的标准还有待确立。④造影剂所致过敏反应和肾损害尽管并不常见,但少数后果严重。

尽管如此,CTP具有无创、简便和快速的特点,能判断脑血流灌注异常、急性脑梗死的梗死核心和缺血半暗带,必将有广泛的临床应用前景。

[1]Astrup J,Symon L,B ranston NM,et a.l Cortical evoked poten tial and extracellu larK+andH+atcritica l levelsofbrain ischem ia[J].Stroke,1977,8:51-57.

[2]Kön igM,K lotz E,H euser L.Cereb ral perfusion CT: theoretical aspects,m ethod ical imp lem entation and clin ical experien ce in the diagnosisof ischem ic cereb ral infarction[J].Rofo,2000,172:210-218.

[3]W interm arkM,Th iran JP,MaederP,eta.l Sim u ltaneousm easu rem en tof regional cereb ralb lood flow by perfusion CT and stable xenon CT:a va lidation study[J].Am JNeu rorad io,l 2001,22:905-914.

[4]KudoK,Terae S,Katoh C,eta.l Quantitative cereb ralb lood flow m easu rem entw ith dynam ic perfusion CT using the vascu lar-pixel elim inationm ethod:com parison w ith H2(15)O positron em ission tom ography[J].Am JNeurorad io,l 2003,24:419-426.

[5]M ayer TE,H am annGF,Baran czyk J,eta.l Dynam ic CT perfusion im aging ofacute stroke[J].Am JN euroradio,l 2000,21:1441-1449.

[6]Av iv R I,M andelcorn J,Chakraborty S,et a.l A lberta Stroke Program Early CT Scoring ofCT perfusion in early stroke visualization and assessm en t[J].Am JNeu rorad io,l 2007,28:1975-1980.

[7]M urphy BD,FoxA J,LeeDH,eta.l Identification ofpenumb ra and in farct in acute ischem ic stroke using compu ted tomography perfusion-derived b lood flow and b lood vo lum e m easu rem en ts[J].Stroke,2006,37:1771-1777.

[8]Koen igM,K rausM,Theek C,eta.l Quan titative assessm entof the ischem icb rain bym eansofperfusion-related param etersderived from perfusion CT[J].Stroke,2001,32:431-437.

[9]G rand in CB,Duprez TP,Sm ith AM,et a.l U sefu lness ofm agnetic resonan ce-derived quantitativem easu rem ents of cereb ral b lood flow and vo lum e in p red iction of in farct grow th in hyperacu te stroke[J].Stroke,2001,2:1147-1153.

[10]全冠民,刘怀军,袁涛,等.CT灌注成像对脑缺血超急性期血管通透性连续观察的实验研究[J].放射学实践,2008,8:855-858.

[11]H oeffnerEG.Cerebralperfusion imaging[J]. JN euroophthalm o,l 2005,25:313-320.

[12]SparaciaG,Iaia A,Assad iB,et a.l Perfusion CT in acu te stroke:pred ictive value of perfusion param eters in assessing tissue viab ility versus infarction[J].R ad iolM ed,2007,112:113-122.

[13]K lotz E,Kön ig M. Perfusion m easurem en ts of the brain: using dynam ic CT for the quantitative assessm en t of cerebral ischem ia in acute stroke[J].Eu r JRad io,l 1999,30:170-184.

[14]高培毅.脑梗死前期脑局部低灌注的CT灌注成像表现及分期[J].中国卒中杂志,2008,2:45-47.

[15]毕敏,马琪林,童绥君,等.不同动脉供血区急性脑梗死患者不同时间窗动脉溶栓的疗效观察[J].临床神经病学杂志,2007,20:343-345.

[16]张艺丹,马琪林,童绥君,等.MR灌注影像指导下大脑中动脉供血区急性脑梗死的 rt-PA静脉溶栓治疗研究[J].神经病学与神经康复学,2007,4:1-3.

[17]Jakubow skaMM,M ichelsP,Müller-Jensen A,eta.l Endovascu lar treatm en t in proxim aland intracran ial carotid occ lusion 9 hou rs after symp tom onset[J].N euroradio,l 2008,50:599-604.

[18]周丽红,王嗣欣,赵亮,等.症状性颅内外动脉狭窄内支架成形术后脑灌注CT成像以及与临床疗效的关系[J].中国神经精神疾病杂志,2007,33:51-53.

[19]ParsonsMW.Perfusion CT: is it c lin ically usefu?l [J]. Int J Stroke,2008,3:41-50.

[20]A lbersGW,Cap lan LR,Easton JD,et a.l T ransient ischem ic attack-proposal fora new defin ition[J].N Engl JM ed,2002,347:1713-1716.

[21]Lu J,LiKC,H ua Y.Prim ary study on im ag ing in transien t ischem ic attacks[J].Ch inM ed J,2005,118:1812-1816.

[22]雷静,高培毅,林燕,等.椎基底动脉系统短暂性脑缺血患者后循环 CT灌注研究[J].中华老年心血管病杂志,2008,10:198-201.

[23]Nabav iDG,Cen ic A,H enderson S,eta.l Perfusionm app ing using com puted tom ography allow s accurate pred iction of cereb ral in farction in experim en ta lbrain ischem ia[J].Stroke,2001,32:175-183.

[24]Mu rphy BD,Chen X,Lee TY.Serialchanges in CT cerebralb lood volum e and flow after4 hoursofm idd le cerebralocc lusion in an an im alm odel of embolic cereb ral ischem ia[J].Am JN euroradio,l 2007,28:743-749.