肝细胞癌血液流变学改变与CT灌注成像技术

李杨 综述 孟令平 审校

肝细胞癌(Hepatocellular Carcinoma, HCC)是临床常见的恶性肿瘤, 大多数患者有慢性肝炎及肝硬化病史。肝硬化常伴肝脏的增生结节, 部分增生结节可演变为小肝癌[1]。应用CT灌注成像探讨原发性肝癌与肝硬化的血液流变学特点, 可为原发性肝癌的早期诊断、甚至癌灶形成之前的诊断提供参考依据。

1 肝细胞癌的血液流变学特点和机制

肝癌患者的全血比粘度、血浆比粘度、反映红细胞变形性的全血还原粘度、血沉和反映红细胞聚集性的血沉K值均显著高于正常人。随肿瘤进展, 血液流变学的改变更为明显, 血循环变慢, 体积大而增殖旺盛的癌细胞迅速增加血液有形成分, 使血粘度增高,血流变慢, 轴心流动的红细胞聚集, 红细胞与单个癌细胞聚集。当红细胞聚集增多时, 血流所携带的癌细胞, 从血管轴心处向管壁处转移[2-5]。

肝癌Ⅱ期和Ⅲ期患者全血粘度、血浆比粘度、血沉明显高于肝硬化患者和正常人, 红细胞压积和纤维蛋白原含量显著高于肝硬化患者; 而后者全血比粘度,血浆比粘度, 红细胞压积较正常人下降, 仅血沉较正常升高。肝癌病人全血粘度、红细胞压积、纤维蛋白原等指标较肝硬化升高, 说明随肿瘤性质改变, 血液流变学随之发生改变, 血液流变学指标测定有助于肝癌与肝硬化的鉴别及肝硬化恶变的预测[6-8]。

肝细胞癌患者全血粘度、血浆粘度、全血还原粘度、血沉和血沉K值显著高于正常人, 肿瘤细胞通过释放前列腺素E2（PGE2）、血栓素A2(TXA2)等生物活性物质, 引起血小板聚集和血流缓慢、淤滞, 从而有利于浸润入血的癌细胞生长和向组织侵袭, 并且血小板聚集时释放TXA2、血小板聚集素等产物, 使机体TXA2/PGI2平衡失调, 进一步促使血小板聚集和癌栓形成及潴留, 导致肝癌门静脉血栓形成和肝内外血行转移的发生[3,9]。

肝癌组织的生长导致机体产生一系列血液流变学变化, 集中表现在以下几个方面: (1)肝癌细胞生长导致单核巨噬细胞的浸润, 而单核巨噬细胞又产生多种细胞因子, 这些物质通过增加血浆蛋白的浓度而导致血液粘度的增加。(2)癌细胞产生释放具有促凝性质的组织因子: ① 癌细胞在生长过程中产生优球蛋白, 通过增加血浆蛋白浓度和加强血浆蛋白之间的桥联作用直接增加全血或血浆粘度以及红细胞的聚集性, 抑制纤维蛋白原转化为纤维蛋白, 纤维蛋白原的增加又进一步增加全血或血浆粘度。②干细胞分泌纤溶抑制物,此蛋白使纤维蛋白原的浓度升高。③肝癌细胞还释放前列腺素E2(PGE2), 血栓素A2(TXA2)等生物活性物质, 引起血小板聚集, 血流缓慢、淤滞, 而血小板聚集又释放TXA2、血小板聚集素等产物, 进一步加重血液粘滞度。④其他物质, 如肝癌细胞释放肿瘤标志物-甲胎蛋白, 癌细胞表面某些物质如碱性磷酸酶等脱入血液, 也会增加血浆蛋白的浓度而致血浆粘度的升高。(3)肝癌大多来源于肝硬化, 肝硬化病人红细胞膜中胆固醇含量增高, 使红细胞变形能力下降, 红细胞表面负电荷减少, 电泳率下降, 血沉加快, 血液粘度升高,必然影响肝微循环的血液灌注和氧供应, 导致肝细胞进一步损害, 造成恶性循环。

2 CT灌注成像技术

2.1 原理: 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。利用影像学技术进行灌注成像可测量局部组织血液灌注, 了解其血流动力学及功能变化。CT灌注成像最早于1991年由Miles等提出, 并先后对肝、胰、脾、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[10]。

CT灌注成像是指在静脉注射对比剂的同时对选定的层面进行连续多次同层扫描, 以获得该层面内每一像素的时间-密度曲线, 然后根据曲线利用不同的数学模型计算出血流量、血容量、平均通过时间、肝动脉灌注指数、毛细血管通透性等参数, 以此评价组织器官的灌注状态, 在显示形态学变化的同时又能反映活体的血流动力学变化并进行定量与半定量分析。其理论基础是类似于核医学的放射性示踪剂稀释原理及中心容积原理(central volume principle)[11-15], 注入对比剂后动脉及组织时间-密度曲线(TDC)的横坐标为时间, 纵坐标为注药后增加的CT值, 其变化反映的是对比剂在该器官中的浓度变化, 即碘聚集量的变化, 从而反映了组织灌注量的变化。在CT图像上由于1mg/ml组织的CT值增加25Hu, 因此注入对比剂的量可用Hu×ml表示, 通过测定局部组织的碘聚集量, 即可获得局部组织的血液灌注量。计算应用的模型主要包括非去卷积模型和去卷积模型。非去卷积模型主要根据Fick原理, 认为组织中对比剂蓄积的速度等于动脉流入速度减去静脉流出速度, 因此, 在某一时间内组织器官中对比剂的含量等于在该短时间内动脉流入量减去静脉流出量。优点是简单便于理解, 但由于利用此模型的进一步计算, 常需进行各种与实际情况不完全相符的假设, 而造成BF值偏高或偏低的情况。去卷积模型概念复杂, 根据实际情况综合考虑了流入动脉和流出静脉的血液进行数学计算处理, 主要反映注射对比剂后组织器官中存留对比剂随时间的变化量, 比较真实反映了组织器官内部血流动力学情况。此种模型计算偏差小, 但对噪声很敏感, 已被广泛应用。近来,有学者提出标准化灌注值(SPV), 可以校正病人体重和心输出量等影响因素, 获得相应的灌注值参数, 是评估血管生成较为合适的指标[12]。

2.2 扫描方法及扫描参数: 患者平卧, 先行常规CT全肝扫描, 层厚10mm或8mm, 层间距10mm或8mm, 螺距1-1.5, 扫描速度为1层/s。然后选择靶层面, 病灶存在时以病灶为中心, 无病灶时以第一肝门为中心, 如有可能脾脏应包括在所选层面中。在对比剂首过前、中及其后按照一定时间设计动态同层扫描。文献报道扫描程序并不相同。Miles[10]等在注入对比剂后0、7、10、13、16、21、26、31、37.5、44s各扫描一次, 共十次。李家平[14]等先平扫一次作为基线层面, 注射完对比剂7s之后每1s扫描1次, 共30次。范光明[22]等规定扫描时间0.75s, 间隔时间2s, 共扫30次。多层螺旋CT为固定多层的连续动态扫描, 层厚5mm～10mm, 同一层面连续扫描35-40次, 管电流150mA～300mA, 管电压120kV。为保证图像质量与计算的准确性, 扫描时要求患者屏气或保持平稳呼吸。CT灌注成像肝脏灌注参数包括: (1)肝动脉灌注量(HAP), 单位ml/min/100g,指单位时间内流经肝动脉组织的血容量。(2)门静脉灌注量(PVP,单位ml/min/100g)指单位时间内流经门静脉组织的血容量。(3)总肝灌注量(TLP, 单位ml/min/100g)为肝动脉灌注量与门静脉灌注量之和, 即TLP=HAP+PVP。(4)肝动脉灌注指数(HPI), 表示肝动脉灌注量在总肝灌注量中所占的百分比, 即HPI=HAP/TLP。(5)血容量(HBV, 单位ml/min/100g）表示局部区域的血流量, 根据中心容积定律, BV=BF×MTT。(6)平均通过时间(MTT), 单位秒)为对比剂通过感兴趣区,(ROI)毛细血管网所耗费的时间。(7)表面通透性(PS,单位ml/min/100g)指对比剂由毛细血管内皮进入细胞间隙的单向传输速率。

3 CT灌注成像在肝癌诊断与鉴别诊断中的应用

CT灌注成像可反映活体内肿瘤血管生成的微血管变化, 能对肿瘤的微血管生理情况和组织的代谢功能做出量化评价, 对肿瘤的分期、分级及肿瘤的疗效监测具有重要价值。无论原发还是继发性肝癌都由肝动脉供血, 其HAP增加一般大于0.25mL/min/mL。HAP的增加对诊断肝脏恶性肿瘤的敏感性为82%, 特异性62%。而肝硬化的HAP也增加, 但多伴脾脏灌注的增加[14-18]。

单纯性肝硬化结节为非肿瘤性病变, 在出现不典型增生前为门静脉供血, 不典型增生结节与早期肝细胞肝癌常含残留的汇管区, 提示它们由动脉及门静脉同时供血。而多数研究认为典型肝癌为肝动脉供血,且引流血管为包膜周围的门静脉[19-20]。肝硬化时, 虽然肝血管阻力增加, 门静脉灌注减少, 但肝脏自身对肝血流量的内在调节及肝血管特有的代偿机能共同维持肝总血流量的相对稳定, 当门静脉灌注减少时可通过增加肝动脉灌注而进行缓冲, 从而使肝脏动脉灌注量增加。肝硬化时PVP, THBF下降, HPI有所增加, 提示肝动脉灌注对肝脏血流灌注的贡献增大, 但常不能阻止肝脏总灌注量下降, 肝硬化肝脏的PVP较正常肝脏可下降50%。

Tajima等[21]比较不典型增生结节、高分化肝细胞肝癌、中低分化肝细胞肝癌病灶的血管含量比, 发现随病变进展, 结节内动脉增多, 门静脉减少, 其中动脉变化能更早提示恶变。肝癌组织HAF、HAP明显高于癌旁组织与正常肝组织。但是PS只与其他部位肿瘤不同, 肝癌组织、癌旁组织、正常肝组织PS值差异不明显, 是否与肝脏双重血供特点、CT灌注成像方法及其影响因素等有关, 还需要进一步研究[14]。肝脏灌注参数BF、HAF、HAP最能评价肿瘤血流状态与供血比例, 对肿瘤恶性程度的评价和鉴别癌组织与正常组织有重要意义。癌旁组织的灌注也发生类似癌灶的改变,而远离癌灶的肝叶基本保持正常肝脏灌注特点, 提示常规CT显示正常的肝组织, 尤其在肿瘤临近部分, 实际上可能已经受到癌细胞的浸润, 由于尚未出现形态学的改变而常规中未能检出。癌旁组织、正常组织各灌注参数无明显差异, 表明肝肿瘤区的发生肝总血流量影响不大, 整个肝脏的血供保持在相对平衡状态。边缘清晰的病灶其瘤周肝组织的灌注参数与远处肝组织类似, 而边缘模糊的病灶其瘤周肝组织的HAP和HPI明显升高, 达到远处肝组织的2倍以上, PVP则显著降低, TLP无明显变化[22-24,26]。

TDC反映组织注射对比剂后聚碘量随时间而发生的动态变化, 是灌注计算的基础。注射对比剂后组织的衰减取决于组织的血流量和血管外液量。ROI的TDC早期改变与单位组织的血流量有关, 肝脏TDC动脉期上升非常缓慢, 而门静脉期上升较快, 并达峰值,与肝脏的门静脉供血远多于肝动脉供血有关。动脉期从肝动脉来的对比剂被4倍的无对比剂的门静脉血所稀释, 因此其强化较少, 而门静脉期对比剂不仅大量来自门静脉, 而且还有经肝动脉循环的对比剂, 因此强化明显。肝细胞癌的TDC呈明显上升段和明显下降段, 与恶性肿瘤主要由肝动脉供血, 与肝细胞三期增强扫描的特点一致, 动脉期病灶呈明显不均匀强化,门静脉期可见对比剂排出。因此, 通过TDC形态, 可在一定程度上判断组织血供特点[23-24]。

图1 正常肝脏CT灌注TDC图一般观察到3个阶段: 基线、缓慢升段、水平段

图2 原发性肝癌CT灌注TDC图可以观察到明显上升段和明显下降段

对比肝癌病灶与周围肝实质的血管分布, 发现随肝癌进展, 病灶内动脉比例增加, 但正常动脉及门静脉的比例减少。肝癌血供丰富, 病灶中心及边缘BF,BV, HAP, PS均较正常肝脏组织明显升高, MTT变短, 这是因为肝癌内部富含新生血管, 血流丰富, 流速较快, 血管内皮细胞结构不完整, 基底膜稀疏且易于泄露[22,23,25]。病灶中心BF/BV较边缘高, MTT更短, 说明肝细胞癌中心部位血管较边缘丰富; 其中心HAP较边缘高, 是由于较大的肝细胞癌中心主要由肝动脉供血, 不参与生长, 而瘤体边缘是生长活跃部位, 需要高度营养, 往往由肝动脉及门静脉双重供血所致。原发性肝癌大多由肝动脉供血, 其HAP增加可大于0.25ml/min, 而良性肿瘤HAP正常。在肝脏良恶性肿瘤鉴别方面HAP的敏感性为79%～91%, 特异性为58%～71%[17]。因此HAP在肝脏良恶性肿瘤鉴别方面具有重要价值,再结合CT灌注成像的其他指标, 能对肝硬化和早期肝癌作出鉴别, 具有广阔的临床应用前景。

4 CT灌注成像的不足与展望

CT灌注成像的参数和图像质量受扫描条件、对比剂量、注射速度、原始图像重建、算法、运动伪影、部分容积效应、患者心输出量等多种因素影响。进行图像分析时,由于选取ROI的人为差异, 会造成分析曲线及灌注参数数值的变化, 给定量分析带来困难。单层面扫描时不利于显示器官或病变的全貌, 易漏诊, 扫描局部接受的放射性剂量较高。病人移动或呼吸运动时易产生伪影, 导致测量结果不准确[14,16,26]。随着CT灌注成像软件的开发、对比剂的改进, CT灌注成像技术必将越来越成熟, 有可能在肝脏肿瘤形态学变化之前进行诊断, 较为客观评价各种治疗手段对肿瘤血流动力学的影响。

1.Hussain H K, Syed I, Nghiem H V, e tal.T2-Weighted MR imaging in the assessment of cirrhotic liver[J].Radiology, 2004,230(3): 637-644

2.李彬先, 李瑞琨.恶性肿瘤病人血液流变学指标检测的临床价值[J].中国血液流变学杂志, 2005, (15)4: 596-597

3.王小侠, 周剑影, 郭晓葵等.伴有远处转移的恶性肿瘤患者血液流变学研究[J].中国血液流变学杂志, 2002, (12)3: 238-239

4.Kakkar A K, Williamson RCN.Thromboprophylaxis in malignant disease[J].Br J Surg,1995, 82: 724-725

5.Karabanov GN, Karimov AL, Gantsev KSh.Validation and approaches to correction of hemorheologic disorders in patients with gastrointestinal cancer[J].Radiologic Clinics of North America, 2001, (5): 47-50

6.王传新, 杨晓静, 王谦.肝癌患者血液流变学指标检测分析[J].中国微循环, 2002, 6(5): 293-294

7.毛志东.100例晚期癌症患者24小时血液流变学变化的观察[J].中国血液流变学杂志, 2003, 13(1): 65-67

8.Tsu-Te Liu, Wen-Jang Wong, Ming-Chih Hou, et al.Hemorheology in patients with liver cirrhosis:special emphasis on its relation to severity of esophageal variceal bleeding[J].Journal of Gastroenterology and Hepatology, 2006, 21: 908-913

9.戚利勇, 邹利光, 王细文.原发性肝癌合并门静脉癌栓血液动力学变化的多层螺旋CT灌注成像研究[J].肿瘤学杂志, 2007,13(3): 204-207

10.Miles KA, HayballMP, Dixon AK.Colour perfusion imaging: a new application of computed tomography[J].Lancet, 1991, 337:643-645

11.K A Miles.Functional Computed Tomography in Oncology[J].European Journal of Cancer, 2002, 38: 2079-2084

12.Miles K A,Griffiths M R, Standardized perfusion value:universal CT contrast enhancement scale that correlates with FDG-PET in lung nodules[J].Radiology, 2001, 220: 548-553

13.Sahani, DV, Holalkere, NS, Mueller, PR, et al.Advanced hepatocellular carcinoma: CT perfusion of liver and tumor tissue- Initial experience[J].Radiology, 2007, 243(3): 736-743

14.李家平, 杨建勇, 江 利, 等.运用CT动态灌注成像技术测定肝脏血流量的临床研究[J].临床放射性杂志, 2004, 23(2): 130-134

15.Joe Hoon Lim, Dongil choi,Seung Hoon Kirn,et al.Detection of hepacocellular Carcinoma:value of adding delayed phase imaging to dualphase helical CT[J].AJR, 2002, 179: 67-69

16.张媛, 孙永光, 高树明等.肝脏的CT灌注成像及其研究进展.CT理论与应用研究[J], 2007, 16(1): 70-76

17.Ippolito, D, Sironi, S, Pozzi, M, et al.Hepatocellular carcinoma in cirrhotic liver disease: Functional computed tomography with perfusion imaging in the assessment of tumor vascularization[J].Academic Radiology, 2008, 15(7): 919-927

18.Kim, Y, Chung, JW, Park, JH, et al.Multiphase contrastenhanced CT imaging in hepatocellular carcinoma: Correlation with immunohistochemical angiogenic activities[J].Academic Radiology, 2007, 14(9): 1084-1091

19.Xiao Zhou Ma,Anthony E Samir,Nagaraj-Setty Holalkere.Optional Arterial Phase Imaging for Detection of Hypervascular Hepatocellular Carcinoma Determined by Continuous Image Capture on 16-MDCT[J].AJR, 2008, 191: 772-777

20.Tsurusaki, M, Sugimoto, K, Fujii, M, et al.Combination of CT during arterial portography and double-phase CT hepaticarteriography with multi-detector row helical CT for evaluation of hypervascular hepatocellular carcinoma[J].Clinical Radiology,2007, 62(12): 1189-1197

21.Tajima T,Honda H, Taguchi K,et al.Sequential hemodynamic change in hepatocellular carcinoma and dysplastic nodules: CT angiography and pathologic correlation[J].AJR, 2002, 178(4):885-897

22.范光明, 郭启勇, 沈金丹等.肝细胞癌的CT灌注成像研究[J].中国医学影像技术, 2006, 22(11): 1707-1709

23.王艳英, 张在人, 王丹.肝细胞癌和肝海绵状血管瘤16层螺旋CT灌注成像的临床应用[J].放射学实践 , 2008, 23(6): 632-635

24.Xiaoli Sun,Cheng Liu,Changhu Liang, et al.Hepatocellular Carcinomas:Correlation between time to peak hepatocellular carcinomas enhancement and time to peak aortic enhancement[J].Comput Med Imaging and Graphics, 2009, (33): 312-316

25.Lee Ty, Purdie T G, Stewart E.CT imaging of angiogenesis[J].Q J Nucl Med, 2003, 47(3): 171-187

26.Pari V.Pandharipande, Glenn A.Krinsky, Henry Rusinek.Perfusion imaging of the liver: Current challenges and future goals[J].Radiology, 2005, 234: 661-673