脑灌注成像技术的应用研究进展

吴拓，李春阳

(1内蒙古医科大学，呼和浩特 010050；2内蒙古医科大学附属医院)



脑灌注成像技术的应用研究进展

吴拓1，李春阳2

(1内蒙古医科大学，呼和浩特 010050；2内蒙古医科大学附属医院)

摘要：脑灌注成像检查对于缺血性脑卒中的评估至关重要，其作用贯穿于缺血性脑卒中的各个时期。不同脑灌注成像检查方法的优缺点各异。CT灌注成像(CTP)具有普及率高、操作简便、扫描时间短、后处理简便、获得数据快等优点，缺点是CTP的各参数阈值没有一个统一指标、扫描层面受限、结果再现性还有待证实、仍有辐射等。氙气增强CT有无创、计算精度高等优点，缺点是结果易受呼吸节律的影响、氙气有麻醉作用。动态磁敏感对比增强磁共振灌注成像的优势是能够进行多层面成像，且获得参数全面，但缺点是需使用含钆对比剂。动脉自旋标记无需注射对比剂，完全无创，可反复检查，但只能获得脑血流量一个参数。正电子发射体层成像、单光子发射计算机断层成像是无创、准确、参数全面的灌注检查，但需要昂贵的检查费用和复杂的操作。多普勒超声造影的优势在于实时、无创、快速、安全，其局限性在于图像分辨率较低。

关键词：脑灌注成像；CT灌注成像；MR灌注成像；超声造影；放射性核素成像

“脑灌注”指的是组织水平的脑血流,可以通过多个参数来描述,主要包括脑血容量(CBV)、脑血流量(CBF)、平均通过时间(MTT)以及达峰时间(TTP)。急性脑卒中患者可以通过脑灌注检查早期筛选并鉴别梗死灶和缺血半暗带,从而通过相应治疗使缺血半暗带能再次恢复血流灌注。这使得脑灌注检查在脑卒中早期显得尤为重要，能指导临床治疗及了解预后。近年来，随着科学技术的进步，越来越多的影像学检查方法被用于脑灌注的检查，新兴的脑灌注成像的主要技术有CT灌注成像(CTP)、动态磁敏感对比增强磁共振灌注成像(DSC)、动脉自旋标记(ASL)法以及多普勒超声造影(CEUS)等，而传统的脑灌注成像的主要技术如正电子发射体层成像(PET)、单光子发射计算机断层成像(SPECT)、氙气增强CT(Xe-CT)等也有所进展。现就这些新兴及传统的脑灌注成像技术的应用研究进展进行综述。

1CTP

CTP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扫描后观察对比剂的动态变化，再利用计算机软件得出每一像素的影像学技术。目前CTP主要应用于急性或超急性缺血性脑卒中的研究，其可以用来区别梗死核心和缺血半暗带。CTP是一个新的功能影像学检查手段，具有普及率高、时间和空间分辨力高、操作简便、检查时间短、后处理简便、获得数据快等优点。同时，进行计算机断层血管造影(CTA)和CTP扫描后,总的扫描时间仅比头颅CT增加大约10 min[1]。这使它成为特别适用于急诊情况的影像学技术[2]。CTP获得的参数较为全面，可以同时获得CBF、CBV、MTT、TTP等参数。但其应用仍有诸多问题，如CTP的各参数阈值没有一个统一指标、扫描层面受限、结果再现性还有待证实、仍有辐射等。相对于磁共振成像(MRI)，CTP在临床中应用更为广泛，并且能比MRI更快地提供病理生理学信息[3]。随着320排容积CT及256层螺旋CT的出现，一站式全脑动态容积CTP-CTA成像的应用使CTP扫描的同时可以得到CTA的信息，扫描可以覆盖全脑，并且缩短了扫描时间，且只需注射一次对比剂，获取更多信息的同时大大降低了患者所受的辐射剂量，患者进行一站式CTP-CTA成像受到的福射剂量仅仅与常规CTP相当,有效辐射剂量约为5 mSv[4]。相信随着技术的发展，CTP成像时间会越来越短，辐射剂量会更低。

2DSC

DSC是通过MRI快速重复采集感兴趣区在推注钆造影剂前后的组织信号，并通过平面回波自由感应衰减序列(EPI)的信号变化引起T1或T2的弛缓变化，其与灌注的强度成正比[5]，由此得出对比剂浓度与时间的变化曲线。DSC灌注成像的优势是能够进行多层面成像，并能得出MTT、局部CBV、局部CBF(rCBF)及TTP等参数，但缺点是需使用外源性含钆示踪剂，并且是否预推对比剂将对结果有显著的影响，对放射科医生要求较高，因此一般采用半定量的分析方法，且受磁场不均一性的影响较大。3.0T MR成像系统的T2*值小，MTT在大多数商业软件中使用简单的反卷积计算[6]或更先进的贝叶斯卷积计算，来获得更高的精确度[7～9]，同时贝叶斯重构提高了信噪比以减少对比剂的用量，并且对比剂的用量减少使推注时间缩短，这也提高了DSC灌注参数定量的准确度[10]。

3ASL

ASL灌注成像是一种非侵入性MRI技术，不需要使用任何外源性的造影剂。它采用电磁动脉标记血液中的水为内源性示踪剂。因此ASL可在任何情况下使用，尤其是在被限制使用外源性的应用造影剂或放射性示踪剂的时候。ASL无需对比剂注射，完全无创，可反复检查，但只能获得CBF一个参数。传统的双平面回波成像技术(EPI)序列ASL信噪比较低，尤其在血流低的区域[11]。随着ASL技术理论的发展,目前的共识是,伪连续式ASL(pCASL)技术是在科学研究和临床应用中最佳的标记策略[12～15]。pCASL较长的标记时间(即标记的血液容量加大)提供了最好的信噪比，并能减少T1衰减反向脉冲之间固有的时间来缩短图像采集。三维(3D)ASL技术是pCASL类型的标记方式。而在图像读取中，新型的3D成像序列使用背景抑制技术，即抑制静态组织信号，以减少噪音和运动的不稳定性。ASL信号较小，并且需要信号积累，运动和其他的不稳定性可以降低灌注图像的质量，pCASL克服了传统脉冲式标记存在的信噪比低、灌注效果不均匀等缺点。在最先进的ASL图像技术出现之前，背景抑制可以进一步提高图像参数灵敏度和可重复性[15]。随着MRI设备硬件和软件的不断提高，尤其是高场强和3D采集技术的应用，ASL的缺点将会得到改善，其完全无创、可重复操作、绝对数值的优点将得到更大的展现。

4CEUS

CEUS是通过声学造影剂六氟化硫微泡来量化组织灌注的成像技术。通过专门的软件对灌注造影剂后组织的背向散射信号和灌注造影剂之前的组织进行对比度增强的程度准确量化计算[16]。通过测量造影剂在不同时间脑组织内背向散射信号的强度绘制时间-强度曲线来获得峰值强度、曲线面积以及TTP参数。CEUS的优势在于实时，无创，快速，安全无辐射，造影剂代谢快，可重复进行，便携性好，甚至可以为重症患者进行床旁检查，非常适用于无法搬运移动但又急需了解脑内灌注情况的患者。其局限性在于图像分辨率较低，因此对操作者的依赖程度较高。且由于CEUS需要通过颅骨的声窗进行检查，部分声窗过厚的患者无法进行该项检查。CEUS的发展十分迅速，造影剂谐波成像、脉冲反向造影剂谐波成像、能量多普勒成像、能量脉冲反向造影剂谐波成像、微泡破坏成像等技术的发展拓宽了超声在组织血流灌注测量方面的应用[17]。3D颅骨打印将会帮助CEUS更加方便地找到声窗，拓展CEUS的适用范围。

5PET

PET是涉及注射或吸入放射性标记的15O同位素的核成像技术。这种同位素通常以H215O或C15O的形式存在。放射性核素衰变并发射正电子，其用电子碰撞导致湮灭。该反应在相反的方向释放出两个511 kV的正电子，随后可以被PET扫描仪检测到。最后，扫描相关的CT图像，以提供解剖学参考[18]。PET同位素的半衰期是122.1 s，且采集图像时间还不到3 min[19]。PET被认为是脑灌注参数的金标准，包括CBF、脑代谢率、CBV、氧提取因子、MTT[18]。PET是一项无创、准确、参数全面的灌注检查。但PET有几个限制：检查麻烦，需要昂贵的检查费用和复杂的操作；H215O和C15O都是非脂质可溶性示踪剂，记录CBF值具有不精确性；示踪剂的辐射问题。因此PET在实际临床上未被广泛应用。随着18F-脱氧葡萄糖等新放射性示踪剂的使用，以及多模式医学影像技术结合的PET/CT的应用，Cho等[20]通过头骨剥离CT模板创建了一个新的以CT为基础的空间标准化方法，其提供了更可靠的灌注参数结果，并降低了成本，避免示踪剂的结构失真。目前，PET与分子生物学结合不但可以进行灌注成像，还可以进行分子显像、基因显像等功能显像。

6SPECT

SPECT是通过评估放射性示踪剂的衰变释放出纯粹的γ光子摄取测量rCBF的核成像技术[21]。最常用的示踪剂是99mTc耦合到一个亲脂性化合物，其在静脉注射后很容易通过血脑屏障，并转换为可以保留很长时间(24～48 h)的亲水形式[18]。这使得SPECT可以允许延迟显像，而亲脂性失踪剂转换为亲水性失踪剂可以防止其再次通过血脑屏障进入循环。SPECT的优势是无创、较便宜、方便、放射性药物制剂的制作相对简单、锝伽马发射器临床应用广泛[22]。SPECT能够可靠地检测组织灌注的早期变化，常被其他灌注方法当作参考标准，但临床应用仍存在争议[23]。在临床紧急的情况下不能快速注入失踪剂，因此SPECT无法应用于急诊中。此外，SPECT的分辨率相对较低，常需与其他成像方式耦合以提高分辨率[5]。并且SPECT有辐射，采集时间也较长，因此不能短时间重复进行[19]。然而，由于SPECT对rCRF的相对性，因此重复测量进行对比又是必要的[24]。由于SPECT提供的rCRF半定量数据是与“正常”区域进行对比的相对值，因此其rCRF的绝对值可能并不准确。随着分子影像学技术的发展，多模式医学影像技术结合的SPECT/CT的应用，以及硬件设备SPECT探头技术的成熟，SPECT脑灌注成像的采集速度大大加快，空间分辨率极大改善，有更强大的多核素显像能力，图像质量已接近甚至超过PET成像，固定模式采集避免了运动伪影[25]。

7Xe-CT

Xe-CT检查是让患者吸入能够在血流中迅速均衡的氙气，然后再在短时间内获得多个重复CT图像，绘制信号密度曲线，并计算出一个像素的CBF。Xe-CT有无创、可以准确检测出CBF、方法计算精度高、过程简单、安全、10 min内即可得到初步结果、检测费用低等优点。Ingvar等[26]通过动物实验研究发现，Xe-CT与作为定量金标准的放射性核素成像技术测出的CBF间的相关系数为0.92,而且在血流值上也非常吻合，这说明Xe-CT量化的rCBF准确度相当高。但由于Xe-CT是单参数成像，目前只能计算CBF值，而无其他参数，且其结果易受呼吸节律的影响，加上氙气的麻醉作用等缺陷限制了Xe-CT的广泛应用。近年来，由于CT技术的改进，氙气的吸入浓度由32%下降到28%，Carlson等[27]发现在此浓度下行Xe-CT的不良事件风险性非常低。相信随着CT技术的不断革新，氙气的吸入浓度需求会进一步降低，Xe-CT检查会更加安全，有望被广泛应用。

总之，脑灌注的检查在临床中发挥着重要的作用。脑灌注成像影像学技术数量的不断增加使得临床医生在选择上有了更大的自由，了解各种技术的优势及局限性，对在临床工作中选出最为合适的脑灌注影像学检查尤为重要。

参考文献：

[1] Hurley MC, Soltanolkotabi M, Ansari S. Neuroimaging in acute stroke: choosing the right patient for neurointervention[J]. Tech Vasc Interv Radiol, 2012,15(1):19-32.

[2] Bivard A, Spratt N, Levi C, et al. Perfusion computer tomography: imaging and clinical validation in acute ischaemic stroke[J]. Brain, 2011,134(Pt11):3408-3416.

[3] Parsons MW. Perfusion CT: is it clinically useful[J]. Int J Stroke, 2008,3(1):41-50.

[4] Bang OY, Saver JL, Alger JR, et al. Patterns and predictors of blood-brain barrier permeability derangements in acute ischemic stroke[J]. Stroke, 2009,40(2):454-461.

[5] Ferré JC, Shiroishi MS, Law M. Advanced techniques using contrast media inneuroimaging[J]. Magn Reson Imaging Clin N Am, 2012,20(4):699-713.

[6] Kudo K, Christensen S, Sasaki M, et al. Accuracy and reliability assessment of CT and MR perfusion analysis software using adigital phantom[J]. Radiology, 2013,267(1):201-211.

[7] Boutelier T, Kudo K, Pautot F, et al. Bayesian hemodynamic parameter estimation by bolus tracking perfusion weighted imaging[J]. IEEE Trans Med Imaging, 2012,31(7):1381-1395.

[8] Kudo K, Boutelier T, Pautot F, et al. Bayesian analysis of perfusion-weighted imaging to predict infarct volume: comparison with singular value decomposition[J]. Magn Reson Med Sci, 2014,13(1):45-50.

[9] Sasaki M, Kudo K, Boutelier T, et al. Assessment of the accuracy of a Bayesian estimation algorithm for perfusion CT by using a digital phantom[J]. Neuroradiology, 2013,55(10):1197-1203.

[10] Nael K, Mossadeghi B, Boutelier T, et al. Bayesian estimation of cerebral perfusion using reduced-contrast-dose dynamic susceptibility contrast perfusion at 3T[J]. AJNR Am J Neuroradiol, 2015,36(4):710-718.

[11] Jahng GH, Song E, Zhu XP, et al. Human brain:reliability and reproducibility of pulsed arterial spin-labeling perfusion MR imaging. Radiology[J]. 2005,234(3):909-916.

[12] Chen Y, Wang DJ, Detre JA. Test-retest reliability of arterial spin labeling with common labeling strategies[J]. J Magn Reson Imaging, 2011,33(4):940-949.

[13] Golay X, Guenther M. Arterial spin labelling: final steps to make it aclinical reality[J]. MAGMA, 2012,25(2):79-82.

[14] Wang DJ, Chen Y, Fernández-Seara MA, et al. Potentials and challenges for arterial spin labeling in pharmacological magnetic resonance imaging[J]. J Pharmacol Exp Ther, 2011,337(2):359-366.

[15] van Gelderen P, de Zwart JA, Duyn JH. Pittfalls of MRI measurement of white matter perfusion based on arterial spin labeling[J]. Magn Reson Med, 2008,59(4):788-795.

[16] Quaia E. Assessment of tissue perfusion by contrast-enhanced ultrasound[J]. Eur Radiol, 2011,21(3):604-615.

[17] Droste DW, Kaps M, Navabi DG, et al. Ultrasound contrast enhancing agents in neurosonology: principles, methods, future possibilities[J]. Acta Neurol Scand, 2000,102(1):1-10.

[18] Mills JN, Mehta V, Russin J, et al. Advanced imaging modalities in the detection of cerebral vasospasm[J]. Neurol Res Int, 2013,2013:415960.

[19] Rordorf G, Koroshetz WJ, Copen WA, et al. Diffusion- and perfusion-weighted imaging invasospasm after subarachnoid hemorrhage[J]. Stroke, 1999,30(3):599-605.

[20] Cho H, Kim JS, Choi JY, et al. A computed tomography-based spatial normalization for the analysis of [18F] fluorodeoxyglucose positron emission tomography of the brain[J]. Korean J Radiol, 2014,15(6):862-870.

[21] Rajendran JG, Lewis DH, Newell DW, et al. Brain SPECT used to evaluate vasospasm after subarachnoid hemorrhage: correlation with angiography and transcranial Doppler[J]. Clin Nucl Med, 2001,26(2):125-130.

[22] Davis S, Andrews J, Lichtenstein M, et al. A single-photon emission computed tomography study of hypoperfusion after subarachnoid hemorrhage[J]. Stroke, 1990,21(2):252-259.

[23] Marshall SA, Kathuria S, Nyquist P, et al. Noninvasive imaging techniques in the diagnosis and management of aneurysmal subarachnoid hemorrhage[J]. Neurosurg Clin N Am, 2010,21(2):305-323.

[24] Egge A, Sjøholm H, Waterloo K, et al. Serial single-photon emission computed tomographic and transcranial doppler measurements for evaluation of vasospasm after aneurysmal subarachnoid hemorrhage[J]. Neurosurgery, 2005,57(2):237-242.

[25] 郭晋纲,任媛,庄坤,等.多模态影像设备(SPECT/CT)的应用[J].生物医学工程学进展,2014,35(1):28-32,39.

[26] Ingvar DH, Cronqvist S, Ekberg R, et al. Normal values of regional cerebral blood flow in man, including flow and weight estimates ofgray and white matter. A preliminary summary[J]. Acta Neurol Scand Suppl, 1965,14:72-78.

[27] Carlson AP, Brown AM, Zager E, et al. Xenon-enhanced cerebral blood flow at 28% xenon provides uniquely safe access to quantitative, clinically useful cerebral blood flow information: a multicenter study[J]. AJNR Am J Neuroradiol, 2011,32(7):1315-1320.

·综述·

收稿日期：(2015-07-24)

通信作者：李春阳

中图分类号：R743

文献标志码：A

文章编号：1002-266X(2015)47-0094-04

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2015.47.038