CT、MRI灌注成像的基本原理及其临床应用

1、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-可编辑修改-复旦大学附属肿瘤医院影像中心目录1 CT 、 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)4 BOLD-fMRI 脑 功 能 成 像 周 良 平(42)5 PET,SPECT 在 肿 瘤 诊 断 中 的 应 用 章 英 剑 (64)CT 、 MRI 灌 注 成 像 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

2、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

3、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。1 CT 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

4、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 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 一像素时 间 密 度 ( time-densitycurveTDC ) 曲 线 ， 其 曲 线 反 映 的 是对比剂在该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 比 剂

5、 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 的 血 容 量 (ml/g) ； MTT 指 血 液 流 经

6、 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

7、 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

8、方法计算偏差小，注射速度要求不高(一般45ml/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

9、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 ( 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

10、 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 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。虽然这种方法简便，实用

11、，但也有其局限性：首先， 顺磁性造影剂对Ti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Ti-动态增强最 强的部分层面进行单层面T2*-首过灌注，但Ti动态增强与多种因素 有 关 ，如 肿 瘤 组 织 的 T 1 值 、肿 瘤 的 灌 注 情 况 、肿 瘤 间 质 的 T 1 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

12、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 用梯度回波为特征，单次激发EPI仅激发1次即可完成K空间的信号采 集 。因 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

13、。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和技术将动脉血中 的水分子标记 ，当 其进入 感兴趣 区 ，扩 散进 入细 胞 外空 间 ，并 与未受 干扰 的 组织 自 旋 相作 用 ，组 织 净磁化 矢 量 就变 小 ，从 而导 致信号下 降 1%2%。局部的信号强度取决于血流和Ti驰豫间的相互作用，将标 记后

14、获得的图像与未标记所获得的图像比较可计算组 织的灌注。目前 反转技术是较为理想的灌注成像方法，反转可以得到双倍的观察效 果 ，但 是 必 须 采 用 一 系 列 技 术 来 补 偿 灌 注 定 量 测 量 的 不 完 善 性 ，其 中 包 括 修 正 磁 化 传 递 对 比（ magnetization transfer contrast ， MTC ）效 应 ，抑 制 宏 观 血 管 效 应 ，准 确 估 算 动 脉 血 反 转 的 程 度 。动 脉 血 质 子 标 记技术不需要注射外源性对比剂，可以获得定量的血流数值。但是， 它从使用标记脉冲到标记的动脉血质子到达成像层面使反转需要 较长的

15、 通过延迟 时 间 ，降 低了 灌 注对 比 。因 此 ，即 使增加 信号平均次 数（ 这 会 增 加 成 像 时 间 ），此 技 术 的 信 噪 比 也 较 差 。除 了 对 序 列 设 置 要求较 高外 ，这 种方 法 的 另 一个缺 陷也是 显而 易 见 的 ：它 只是对特定 感兴趣层面的肿瘤灌注进行评价，而不能代表整个肿瘤的灌注情况， 对肿瘤进行多个层面的测定，理论上可以部分弥补这种偏倚。因此， 目前临床尚没有广泛应用。自旋标记法不需要外源的对比剂，通过对感兴趣层面采集没自旋 和自旋标记后两次不同的Ti驰豫时间就可以通过公式定量地测定感 兴趣区 内血流的 灌注量 。 Peter Sch

16、mitt 等用 这种 方法对头颈部鳞癌及 转移淋巴结进 行了放疗前及放疗中的定量灌注研究，结果显示较高灌 注率的月中瘤对放疗有着较好的反应表现，定量的灌注值（P值）可以 作为一个独立的预测因子来评价肿瘤对放疗的反应及推断肿瘤的预 后 。同 时 ，因 为 该 方 法 是 对 血 流 灌 注 进 行 测 定 ，它 也 可 以 用 来 对 一 些 抗血管生成的药物进行疗效评价。二、灌注成像的临床应用（一）颅脑病变1 脑缺血性病变 通过对 局部脑灌注的测量可了解有关生理功 能及能量代谢 的情况，灌注测定 对于脑缺血的诊断及治疗均有重要意 义 。 灌 注 成像 分析 脑血液动力 学 改变 ， 通过评 价

17、 脑血流 （ cerebral blood flow ， CBF ） 、 脑 血 容 量 （cerebral blood volume ， CBV） 及 平 均 通过时间（mean transition time , MTT）来描述早期缺血性脑卒中患者 脑血流低灌注 区 、梗 塞区 及缺血半 暗带 区 ，由 此获得较完 整 的 早 期卒 中的诊断信息。当脑血流量（CBF） 降低到（1020 mL） 100 g- 1 min -1或皮层 CBF降低到正常的40 %、白质CBF降低到正常的35%时，就引起脑组 织 的缺血反应 。目 前 公认 ，脑 缺血 由 中 央 的 梗死 区和 周 围 的 由

18、侧 支循 环供 血 的半 暗带 区构 成 ，后 者神经 元 电 活 动停 止 ，侧 支供血仅 能维持 细胞膜稳定 ，长 期 的 低灌注终将导 致梗死 ，溶 栓 治疗 的主要 目 的 是恢 复脑缺血半暗带区的血供。灌注成像技术能发现早期脑缺血区及其血液动力学改变，能在脑 缺 血 后 30min 即 清 楚 显 示 缺 血 区 。 故 目 前 主 要 应 用 于 急 性 脑 缺 血 病 人 （ 发 病 6 小 时 以 内 ）或 超 急 性 脑 缺 血 病 人（ 发 病 3 小 时 以 内 ）的 早 期 诊 断 。 PWI 可 以 提 供 必 要 的 血 液 动 力 学 参 数 。通 过 综 合 分

19、 析 这 些 参 数 可 以掌握组织血液供给的具体情况：灌注不足：MTT明显延长，rCBV 减 少 ， rCBF 明 显 减 少 ； 侧 支 循 环 信 息 ： MTT 延 长 ， rCBV 增 加 或 尚 可 ； 血 流 再 灌 注 信 息 ： MTT 缩 短 或 正 常 ， rCBV 增 加 ， rCBF 正 常 或 轻度增加；过度灌注信息：rCBV与rCBF均显著增加。急性脑缺血 期病灶 中心血流灌注严重减 少 ， rCBV 的减少是最直观的 指标 ， 它反 映单位 质量 内 血容量 减 少 。当 脑局 部灌 注压下 降时 ，脑 组 织可 以 通过 一定的自我调节机制使局部血管床扩张以增

20、加血容量来代偿。研究表 明 急性 脑缺血发作后 ，过 度灌 注和 持续 的 灌注不足可同 时存在 ，且 是 造成脑组织损伤的原因。灌注成像可通过rCBF和MTT来了解局部组 织的灌注情况，有望帮助临床及时判断病变进展。2 .颅内占位性病变评价颅内月中块性病变时CBV是最有用的参 数 。测 量 CBV 作 为 辅 助 指 标 有 助 于 评 判 脑 肿 瘤 的 新 生 血 管 程 度 、分 级和恶性度 ，鉴 别肿瘤样病变 ，监 测治 疗效果等 。血 管形态和 新生程 度是 区分颅 内 肿 瘤类型 、确 定其生 物学 侵袭程度 的 重要 依据 。反 映肿 瘤血管化程度的 活体 CBV 图 ，可 用

21、 以 间接 评判肿瘤新生血管 。研 究表 明，灌注成像测量的rCBV与常规血管造影的肿瘤血管染色及组织病 理新生血管的测量相关性好。（1） 原发胶 质瘤 胶质瘤 的血管增生程度是决定 病理学分级 的重要参数之 一，目前临床上采用微血管密度计数作为评价胶质瘤血 管生成 的金标准 ，随 着胶质瘤恶性程度 的 提高 ，其 微血管 密度也在提 高 。而 从 总 体 上 看 ，肿 瘤 恶 性 程 度 越 高 rCBV 值 越 大 ，即 多 形 胶 母 > 间 变性星形细胞瘤>低级别胶 质瘤， 灌注成像能够在活体上快速而几乎 无创 地量化反映组织的血管生成及分布情况，从而达到对胶质瘤分级 的目

22、的。（2） 立体 定向引导活检 活检是确定肿瘤类型和级别的最后方 法，但只有从月中瘤恶性度最高处采样才能准确分级。常规增强CT或 MRI 所 显 示 的 增 强 区 域 只 代 表 血 脑 屏 障 破 坏 而 并 不 一 定 是 肿 瘤 最 恶 性部分。 CBV 图能显示血管分布增多区 ， 对 于常规检 查不增强的肿瘤， 更是一个有效的补充。（3） 3） 评价治疗效应 抗 血管生成药物 的进 展使其能够主动选 择 性分离破坏肿瘤血管 ，可 附加 于 脑肿 瘤化 疗方 案 中 。胶 质瘤手术 、放 疗 、化 疗 后 均 需 要 影 像 检 查 评 价 肿 瘤 活 性 ，但 常 规 CT 或 MR

23、I 增 强 并 不 能准确显示肿瘤进程及肿瘤血管。在一组 附加了抗血管生成药物化疗 患者的治疗过程中，系歹UrCBV的测量与增强MRI相比能更好地反映患 者临床状况的变化。（4） 4） 鉴别胶 质瘤 肿瘤复发和治疗性坏死 鉴别肿瘤复发和 放射 性坏死对治疗方案选 择很重要，常规影像和临床检查常常很难 鉴 别迟发放射性坏死和 肿瘤 复 发 。在 病理上 两者 表现迥异 ，放 射性坏死 为广泛血管 损伤 和组 织缺氧 ，而 肿 瘤复 发 为血 管新生 。在 所有 影 像学 方法 中 ， PET 对鉴别 较有 帮助 ；但 设备昂 贵 ，不 能 作为 常规诊断手段 。 灌注成像的CBV图能够反映月中瘤

24、复发和放射性坏死在血管分布上的 病理差异。（5） 脑胶质瘤病 脑胶 质瘤病是一种罕见肿瘤 ， 病理特征是 中度多形的胶 质细胞沿正常结构内浸润而不 破坏它，病变区细胞数量 增多但无脑实质破坏和新生血管。灌注成像显示病变区缺乏血管增 生 ， rCBV 甚 至 低 于 正 常 、 未 受 累 的 脑 白 质 。（6） 脑转移瘤 脑转移瘤多为血行转移， 在其生长中产 生 无屏 障 的新生血管 网 ；瘤 周常伴不 同程度水肿 ，但 其 内 的 毛细 血管床 正 常 ；肿 瘤 边 缘 以 外 无 肿 瘤 细 胞 浸 润 。孤 立 、实 性 转 移 常 需 与 原 发 肿 瘤鉴别。两者病灶区rCBV表现相

25、近，灶周水月中区差异显著；原发肿 瘤 的 rCBV 明 显 高 于 转 移 瘤 ，这 可 能 就 是 转 移 瘤 周 围 仅 仅 是 单 纯 水 肿 而原发肿瘤除水肿外还有瘤细胞浸润的本质差异的反映。（7） 脑原发淋巴瘤 脑原发淋巴瘤的治疗依 靠联 合大剂量化 疗和放 疗而非手术。 在诊断上,常规影像有时很难 鉴别脑原发淋巴瘤 与多形胶质母细胞瘤。灌注成像 显示肿瘤 新生血管特征的能力有助于 鉴别两者。脑原发淋巴瘤组织病理上的一个显著特征就是以血管为中 心生长 、形 成多 层 环形结 节并使血管周 围 间 隙扩大 。虽 然肿瘤 细 胞可 侵犯血管 内 皮甚 至 侵入 血管腔 内 ，但 新生血管

26、 却不 明 显 。因 此脑原发 淋巴瘤的rCBV明显低于多形胶母的rCBV值。脑原发淋巴瘤有可能出 现 常 规 T1WI 增 强 明 显 强 化 而 rCBV 较 低 。 有 时 与 肿 块 性 脱 髓 鞘 斑 块 鉴 别 困难 ,两者比较总体上脑原发淋 巴瘤的 rCBV 较高。（8） 脑外肿瘤 颅内脑外肿瘤是指起源 于颅内非脑实质组 织 如脑膜 、硬 膜 、颅 骨 、脑 室 、脉 络膜丛 、松 果体 、垂 体 的肿瘤 ，以 脑 膜瘤最常见。它们常有丰富的血管而又无血脑屏障，所以增强显著。 一般情况下常规影像检查鉴别脑内外肿瘤不 难 ，当脑内肿瘤侵犯硬膜 或脑外肿瘤侵犯脑 实质 时会 给定位诊

27、 断造成 困难 。 脑外肿瘤的 rCBV 明 显高 于脑 内 肿 瘤 。值 得注意 的是 由 于 脑外肿瘤没有血 脑屏 障 ，造 影剂很快漏出rCBV 的 测 量 不 可 靠 。 灌 注 曲 线 特 征 是 首 次 通 过 后 基 线恢复缓慢。（二）腹部病变：常规影像学检查能反映出腹部实体肿瘤 的大体 形态学特点，并由 此作出可能的定性诊断；而灌注成像可以更进一步地了解肿瘤的血供 情 况 、血 管 分 布 和 血 管 通 透 性 情 况 ，从 而 十 分 有 助 于 对 肿 瘤 的 诊 断 及 鉴别诊 断 、恶 性肿瘤 的分期 以 及对肿瘤 治 疗疗效的 评价 等 。目 前 腹部 肿瘤的灌注研

28、究尚主要集中在肝脏、胰腺、肾脏疾病上。（9） 肝 脏 的 灌 注 研 究 ： 肝 脏 CT 灌 注 成 像 技 术 的 理 论 基 础 亦 来 源 于核医学的放射性示踪剂稀释原理和中心容积定律。在进行肝脏CT 灌注检查 时 ，采 用 电 影（ Cine ）扫 描模式 ，球 管在病人 同 一部位连续 曝光，在注入对比剂后812s开始扫描。MRI灌注成像的原理同CT 相仿。成像序列可以是TiWI或T2*WI , GRE-EPI T 2*WI序列常用于脑 组织灌 注成像 ，有 较 高 的 时 间 分辨率 。但 该序列 用 于肝脏 时 图 像稳定 性差且有明显的伪影。由于肝脏的丁2*时间明显比脑组织短

29、，超快速 SPGR T 2*WI序列图像的SNR往往较低，不适合于肝脏T2*灌注成像。 有 学者 认为 ， 只要参数合适 ， T1WI 序列 还 是可 以用 于 肝脏 的 血流灌 注成像。现代CT或MRI灌注成像空间和时间分辨率均达到较高的水 平，与CT相比，MRI灌注成像具有以下优点：具有更高的时间分辨 率；由于对比剂剂量小，团注效果较好；没有辐射损伤；TAE 是治疗原发性肝癌及转移瘤的有效手段，治疗后肿瘤组织内新生血管 的形成 和血供 的 恢复是肿瘤 “复 活”的 标 志 ，但 由 于病灶 内 有高 密 度的 碘油残留，CT灌注比较困难，而MRI灌注不受碘油的影响，因而可以 用 于 TAE

30、 的 疗 效 评 价 和 随 访 监 测 。（10） 1 )正 常 肝 脏 的 灌 注 肝 脏 由 肝 动 脉 和 门 静 脉 两 套 系 统 供 血 ， 因此肝脏的 灌注 情况较 为复 杂 ，必 须分别 评价其灌 注状 况 ：肝 动 脉灌 注 量 HAP 和 门 静 脉 灌 注 量 PVP ， 肝 动 脉 灌 注 指 数 HPI = HAP/(HAP+PVP), 门 静 脉 灌 注 指 数 PPI=PVP/(HAP+PVP) 。 Miles 等在肝灌注研究中用脾的TDC峰值来区分肝动脉期和门静脉期。各文献 报道中 正常肝脏 的 HAP 、 PVP 数值并不 一致 ，这 可能 为所选的 病例不

31、 同 ，对 比 剂 的 用 量 、注 射 速 率 、扫 描 持 续 时 间 不 同 所 致 。但 总 的 来 说 ， HAP/PVP 叼/41/3。目前肝灌注成像主要集中在肝硬变和肝月中瘤的 鉴别诊 断 、隐 匿性或微小 肝转移灶 的检测 、肝 移 植和 肝癌 经导 管栓 塞 治疗后肝脏灌注情况的改变等方面。（11） 2 )肝 硬 变 肝 硬 变 时 肝 血 管 床 被 破 坏 、改 建 ，导 致 了 肝 血 流灌注状态 的 改 变 。引 起肝脏血供抵抗增 加 ，门 静脉灌 注减 少 。动 脉 代偿性生长会引起动脉灌注增加，但常不能阻止肝脏总灌注量的下 降。Miles等对肝灌注CT成像研究表明

32、，肝硬变时门静脉灌注量低于 正常对照组，分别为 0.17ml/(min ml)和 0.34ml/(min ml) (P <0.002), 这样肝硬变的 肝动脉灌注指数 明显高于正常对照组 ， 分别为0.65 和 0.32(P<0.005)。 这 可 能 与 肝 硬 变 时 门 静 脉 高 压 使 门 静 脉 灌 注 减 少 和肝动脉代偿性灌注增加有关。即使无形态上的改变，通过CT灌注成 像可发现肝灌注指数的变化仍可提示肝硬变的存在，还可根据肝灌注 指数评价肝硬变的程度以及用于改善肝硬变门脉高压药物的疗效。3)肝肿瘤 无论是原发性肝癌还是肝转移瘤 均 由肝动脉供 血，且引流血管为包膜

33、周围的门静脉。所以恶性肝月中瘤的HPI增高，而良 性月中瘤多不由肝动脉供血，其HPI正常。Tajima等对比不典型增生结 节和高分化肝细胞肝癌 与中、低分化肝细胞肝癌 的病灶肝实质血管含 量 比 ，发 现 随 病 变 进 展 ，结 节 内 的 动 脉 增 多 ，门 静 脉 减 少 。 Honda 等 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 的 动脉比例增加 ， 但正常动脉及 门静脉的 比例减少 。 Miles 等认为 ， 肿 瘤产 生新生血管而使 MVD 增 高 ， 虽然在 影像上不 能直接看 到微血管 ， 但可从组织的灌注图像和灌注参 数方面发

34、现异常改变。恶性肝肿瘤组 的 HPI 为 0.65 ， 明 显 高 于 正 常 组 的 0.32(P<0.005)， 肝 动 脉 灌 注 量 为0.5ml/(min ml),也高于正常组的 0.17ml/(min ml) (P<0.02),但门静 脉灌注量多无改变。原发性肝癌的HPI 一般较肝转移性月中瘤的HPI为 高 ，但 转 移 瘤 的 灌 注 参 数 变 化 较 大 ，对 它 们 的 鉴 别 诊 断 价 值 还 有 待 探 讨。隐匿性或早期、微小肝转移瘤因转移灶太小而不易被常规CT、 MRI或手术观察发现。此时尽管肝脏形态基本正常，但CT灌注可显示 血流动力学出现的异常改变，

35、如肝动脉灌注增加、HPI升高，提示微 小肝转移瘤 的可 能 。因 此 当 怀疑有肝转移 ，而 无 其他影像学 的 阳 性发 现时，可行CT灌注成像。Miles 等在进行肝灌注时还发现，不仅转 移灶灌注异常， 而且转移灶以外 “貌似正常”的肝组织灌注也出现异 常，这种现象提示可能有散在的微小肝转移灶的存在。肝 硬变 和 肝 肿 瘤 的 HPI 都 增 高 ， 但 肝 硬变 多 伴 有脾 脏灌 注 的 增 加 ， 而恶性肿瘤多不伴脾脏灌注增加，有助于两者的鉴别。( 4) 肝细胞肝癌 介入治疗后 的灌注表现 经动脉介入 治疗注 入 的碘油及化 疗药物在治疗肿瘤的同时，化疗药物及动脉闭塞会引起 正常肝

36、实质的损害。HAP在TAE后26天内明显上升，而在TAE后1 个月再次下降。PVP在TAE后26天内明显下降，但TAE后1个月无 明 显变化 ， 认 为 HAP 的短暂升高与 损伤所 致 的动脉和微血管扩 张等急 性炎症 有关 ，而 炎症 引 起 的血管通透性 增 高 ，间 质水肿则 导致 门 静脉 压力增 高 ， PVP 降低 。2 .胰腺CT灌注成像的应用研究 胰腺主要由胰十二指肠动脉 和脾动脉供血，血供比较丰富，其灌注信息非常有助于了解胰腺内、 外分泌功能及胰腺的病理变化。 然而由于胰腺特殊的解剖位置(周围 毗 邻结 构 复 杂 ) ， 致 使 胰 腺 灌 注 成 像 一 直 是 个 难

37、 题 。 CT 灌 注 成 像 技 术 可以将胰组 织与周围血管结构区分开来，且有将功能信息与良好的空 间分辨力相 结合的优点 ， 具有重要的应用价值。 Miles 等对胰腺进行 的CT灌注成像表明，正常胰腺灌注量为1.25ml/ (min ml)，标准差 (standard deviation ， SD) 为 0.16 ， 胰 腺各 部 位 的 灌 注无 明 显 差 别 。 Wilson 's病表现为肝、胰高灌注，胰的灌注量为3.43ml/(min ml)。已 有动物 实验表 明 ，低 铜饮食组 的 鼠 ，其 胰腺呈低 灌注 ，提 供 了 Wilson s病与铜的沉积有关的另一个间接

38、证据。多血管性胰腺月中瘤表现为高 灌注，如胰岛细胞月中瘤，其总灌注量为2.11ml/(min ml),周边高灌注， 中心坏死区低灌注 。 Von-Hippel-Lindau 病 (遗传 性斑痣性错 构瘤)可出 现胰腺血管瘤 ，也 表现为 高灌注 。而 胰腺腺癌多 为 少血管性肿瘤 ，表 现为低灌注 。肝 硬变 时 ，胰 腺低灌注与 门 脉 高压 有 关。糖 尿病和 移植 胰腺显示的明显低灌注0.6 ml/ (min ml)与胰腺萎缩、胰岛耗竭有 关 。对 鼠 胰 腺 灌 注 研 究 还 发 现 随 年 龄 的 增 大 ，胰 腺 灌 注 减 少 ，人 类 是 否有此趋势尚不能肯定。此外，胰腺的C

39、T灌注成像还可用于急性胰 腺炎时胰腺坏死与一过性缺血的鉴 别、慢性肿块 型胰腺炎与胰腺癌的 鉴别等方面。胰腺的MRI灌注成像目前受技术限制，应用尚少。3 肾 脏 病 变 肾 脏 体 积 较 大 ，血 管 丰 富 ，血 流 量 大 ，血 供 不 像肝脏 那样复杂 ，而 且为 实质性对称性脏器 ，受 呼 吸影 响较小 ，很 适 合 CT 灌 注 成 像 。 将 CT 肾 脏 灌 注 成 像 应 用 于 肾 脏 血 流 减 少 性 肾 病 的 肾 皮质血流测定，并与正常肾脏血流测定相比较，有利于对普通CT肾 脏增强扫描的指导。灌注参数本质上反映肿瘤的血流特点与肿瘤内部 的微 血管密 度情 况 ，有

40、利 于 肾肿瘤 的定性 。但 不 同组织类型 的 肾肿瘤 以及同种组织类型而分化程度不同的肾肿瘤其病理生理及血流动力 学也不尽相同，其BF、BV、MTT、PS等值可能有一定交叉。灌注参 数对于肾肿瘤的诊断还有待于通过大量的实验和病例进一步研究。 CT 灌 注 反 映 的 肿 瘤 微 血 管 的 功 能 情 况 适 合 于 肿 瘤 的 随 访 检 查 尤 其 是 监测肿 瘤放疗和 化疗 的 疗效 。另 外对 慢性 肾小 球 肾 炎 、( 肾 )动 脉硬 化 、糖 尿 病 肾 病 变 的 血 流 灌 注 研 究 也 会 有 很 大 空 间 。 MRI 肾 脏 灌 注 技 术 研 究 较 少 ， 多

41、 采 用 对 比 剂 首 过 成 像 ， 序 列 为 EPI 快 速 成 像 序 列 ， 国 内作者研究发现正常肾与病肾在在 灌注曲线 的波始下降时间、到达波 谷时 间 两方 面有 显著 差 异 。说 明 病 肾血流灌注 慢 、血 流灌注少而反映 肾功能 损害 。对 比剂 在 肾脏 的 强化 表现与对 比 剂种 类、浓 度和 成像序 列有关 。钆 螯合物 由 于其分子 量小 而且极 少与蛋 白 质结 合 ，血 管 内 给 药后完全由肾小球排泄，从而可用于测定肾肾功能。(3) 乳腺病变乳腺癌类型很多，不同种类乳腺癌 有不同的程度微血管数量和构 成。但总的来说，乳腺癌的毛细血管数量增多、毛细血管管

42、径增宽， 从而使微血管 内 容量 增 加 ，血 流加 快 ，灌 注 的微 血管与非 灌注 的 微血 管比例增加；而良性纤维腺瘤的微血管密度与正常的乳腺实质相似或 轻度增 多 ，但 纤维腺瘤微血管管径与正 常乳腺微血管管 径一 样 ，灌 注 的微血管与非灌注的微血管比例无明显增加。1 .乳腺良恶性肿瘤诊断及鉴别诊断中的应用 在丁2*首过灌注 MRI的信号强度-时间曲线上乳腺癌的信号强度-时间曲线表现为I型 曲线 ， 平均最大信号强度下 降率为 (31 ± 15)% 。 而 良性乳腺肿瘤的信 号强度时间曲线表现为II型曲线，平均最大信号强度下降率为(9 ± 7) %。乳腺癌与纤

43、维腺瘤在丁2*首过灌注MRI的信号强度时间曲线 上表现有极大差别，因此通过丁2*首过灌注MRI有助于乳腺良恶性月中 瘤的诊 断及鉴别 诊断 ，对 乳腺癌和 纤维腺瘤鉴别 的 价值 很高 ，鉴 别 的 特异度可高达93% 。2 肿瘤的分级 最大信号强度下降率与肿瘤病理分级之间存在 着 明 显 的 相 关性 ，最 大信号下 降率反映 的 是局 部血容量 。肿 瘤 的 分级 越高，局部血容量越大，最大信号下降率也越大，因此丁2*首过灌注 MRI 可 以 用 于 肿 瘤 病 理分 级 。三、灌注成像的新进展3 一 )灌 注 成 像 评 价 肿 瘤 乏 氧 的 研 究 肿 瘤 微 环 境 中 很 重 要

44、 的 一点就是肿瘤的灌注，通过灌注，氧及葡萄糖才能运输到肿瘤组织， 所以通过对肿瘤灌注状态的评价也可间接地对其乏氧程度进行判断， 肿瘤中不充分的灌注及混乱血管网会导致肿瘤慢性的弥散障碍性乏 氧 。而 肿 瘤 乏 氧 还 可 以 是 急 性 的 周 期 性 现 象 ，因 为 有 些 血 管 会 定 期 地 开放 和 关 闭 ，在 这个过程 中 ，往 往也会 产 生所谓 的 急 性灌注异常肿瘤 乏 氧 。肿 瘤 组 织 的 供 氧 水 平 与 微 血 管 密 度 直 接 相 关 ，对 鼻 咽 癌 和 宫 颈 癌的组织切片分析表明，肿瘤组 织的微 血管密度与放射治疗后生存时 间呈正相关。（二）灌注成

45、像评价抗肿瘤血管生成药物疗效的研究 目前用 的顺磁性对 比剂 Gd-DTPA 是血管 外对 比剂 ，到 达毛 细血 管后 即 通过 毛细血管壁渗透到周围组织间隙。在对比剂首次通过毛细血管池后， 大 约 有 50% 对 比 剂 快 速 进 入 血 管 外 间 隙 ， 因 此 难 以 定 量 计 算 肿 瘤 的 局部血容量和对 比剂 平均通过时 间 。随 着血管 内 对 比剂 的开发 ，定 量 计算肿瘤局部血容量和对 比剂平均通过时 间有望得到解决。 这样 T2*- 首过灌注 MRI 不仅 可用于良恶性肿瘤的鉴别 ， 还可用来评价临床抗 肿瘤血管药物的疗效。磁共振弥散成像的基本原理及临床应用复旦大

46、学附属肿瘤医院影像中心 顾雅佳一、磁共振弥散成像的基本概念1 弥 散 ( diffusion ) ：是描述小分子在组 织中微观运动的物理概念，是分子等微观颗粒 由 高浓度 向 低浓度弥 散 的微观移 动 ， 即布 朗运 动 ， 单位 为 mm 2/s 。2 受限弥散：弥散在生物体内的表现。弥散运动将使溶液系统中的浓度梯度逐 渐消失 。但 是 ，在 生 物体 中细 胞 内 外或 小器 官 内 外却 能保持不 同 的化 学环境 ，这 是 由 细胞膜 的 屏 障 作 用 决定的 ，也 就 是说 ，膜 有 阻碍分子 自 由 通过的 功能 ，从 而使有些分子 的跨膜 弥散 受到 限制 。受 限 弥 散构

47、 成了弥散成像的基础。3 弥 散 加 权 成 像 ( diffusion-weighted MR imaging ， DWI ) ：人 体 中 70%是 水 ， 通 常 所 说 的 弥 散 主 要 指水 分子 或 含 水组 织 的弥散 。 MR通 过 氢质 子 的 磁化 来标 记分 子而 不干扰 它的 弥散 过程 。 在任一常 规MR 成像 序 列 中 加入 弥 散 梯 度 突 出 弥散效应 即 可行弥 散加权成像 ，可 以对组织 中水分子 的 弥 散行 为 直接进行检测 。人 体内 水分子弥散运动速率与状态呈微米数量级的运动变化，与人体 组织细胞的 大小处于同一数量级 。 因此 ， 弥散加权

48、 成像 使 MRI 对人体的研究深 入 到细胞水平的微观世界，反映着人体 组 织的微 观世界几何结构以及细胞内外水分子的转运等变化4 弥 散 张 量 成 像 ( difussion tensor imaging ， DTI ) ：在 均 质 的 水 中 ，水 分 子 的 弥 散 运 动 是 一 个 三 维 的 随 机 运 动 ，在 不 同 的方 向上 弥散程 度相 同 ， 称为各 向 同 性 ( isotropic ) 。 而在人体组 织中，水分子在三维空间的弥散要受多种局部因素如细胞膜及大分子 物质 的 影 响 。尤 其在有髓 鞘 的 神经 纤维 中 ，水 分子沿轴突 方 向 的 弥散 速度

49、远大于 垂直方 向 的 弥散 ，此 种 有很 强 方 向 依赖 性的 弥散 ，即 弥散 的 各 向 异 性 (anisotropic) ， 即 水 分 子 的 活 动 在 各 个 方 向 上 其 弥 散 规 律 不是随机均等的，而是有弥散方向的不均匀性。这个现象在脑白质、 骨骼肌 、心 肌等 多种 组织 中均可见 到 。各 向 异性 的程 度用量化 指标来 测定，并用向量图或彩色编码来表示即为弥散张量成像。二、弥散加权成像的原理及临床应用基础在梯度磁 场的情况下，弥散水分子中的质子其横向磁 化发生相位 位移，相位位移广泛扩散、相互干扰导致MR信号衰减，这种衰减取 决于弥散系数及磁场梯度强度。弥

50、散系数是组织的内部特征，常用D表示。与自由弥散系数相 比 ，组 织 弥 散 系 数 减 小 ，那是 因为 组 织 水 与自由 水 虽然 以 相 同 的速 率进行弥 散 ，但 组织水遇到障碍(细胞 内 或细胞间 )后的持续碰 撞使分子 的位 移速度变慢 ，弥 散 系数变小 ；另 外组织水 的表面分布着水化物 和( 或 )排 列 着 大 分 子 ，形成 体积 较 大 的 团块，这 种团 块 本 身 就不 自由 ，使 弥 散 运 动 的 速 度 减慢 ，弥散 系 数 变 小。病 理 情况 下 组 织 的弥 散系数将发生变化，这是弥散加权成像的病理生理基础。水 分 子 在 细 胞 外 间 隙 的 移

51、动 ，受 诸 多 因 素 的 影 响 ，如 ：液 压 、浓 度 、渗 透 压 、温 度 及 细 胞 外 间 隙 的 几 何 形 状 等 。在 活 体 中 ，还 受 呼 吸 、 脉搏搏 动 、脑 脊液搏 动等 生理活动 影 响 。故 常用 一个 能反 映整体组 织 结 构 特 征 的 “扩 散 常 数 ” ， 即 表 观 弥 散 系 数 （ apparent diffusion coefficient ， ADC ） 来 表 示 活 体 测 到 的 弥 散 。 在 生 物 体 内 弥 散 系 数 D 受多种因素影响,很难 精 确测量,在用弥散加权 成像测量分子运动时， 常用 表观弥 散系 数 A

52、DC 代替弥 散 系数 D。在 弥 散 加 权 成 像 上 ，弥 散 加 权 的 程 度 由 弥 散 敏 感 因 子（ 用 b 表 示 ） 决定，单位为s/mm2。弥散敏感因子b= JG2解（A-6/3） 。F代表旋磁 比，G、6、A分别代表脉冲梯度的振幅、宽度和间隔。梯度脉冲的强 度与分子 的 位移 成正 比 ，快 速移动 的分子 有较大 的 位移 ，最 终体素 的 信号强度包含移动质子的T2信号及与弥散相关的信号下降。SI=SIo X EXP（-b XD） , SIo代表b=0或T2WI时的信号强度值，b为弥散敏感因 子的取值，D为弥散系数。由于D值难精确测量，进一步用ADC值代 替D值，

53、则公式衍变为SI=SIo XEXP（-b 抬DC）。ADC值 与信号强度及b 值 的关 系可用 以下 公式表示 ： ADC= Ln（S2-S1）/（b1-b2）， S1 、 S2 是不 同 为 弥散敏感 因子（ b1 、 b2 ）下 的信号强 度 ， Ln 为 自 然对数 。 ADC 值增大，代表水分子弥散增加，而DWI信号降低，反之亦然。三、弥散加权成像的序列Stejskal与Tanner在1965年最早 描述了 DWI序列，他们应 用一个 自旋回波序列加上一个对 称的梯度脉冲，这个序列可测量在一段时间 一个方 向 上的水分子位移 。 这个序列成像时 间长 （ 68min ） 并需心 电门控

54、，仅能研究一个方向上的弥散。如果要获取人体的功能信息， 或彻底消 除运动( 包 括各种生理运动 、自 主或非 自 主运 动 )对 图 像的 影响，则需要3050ms范围内的毫秒级成像。回波平面成像(echo planar imaging ， EPI ) 是 目 前 临 床 实 际 应 用 中 最 快 的 扫 描 技 术 ， 能 够在几十秒的时间内获得图像重建所需要的原始空间数据，可以在 30ms 之 内 采 集 一 幅 完 整 的 图 像 ， 使 每 秒 钟 获 取 的 图 像 达 到 20 幅 。 如 此 高 的 成像速 度 ， 就不 仅 能 使运 动 器 官 “冻 结”， 以 便于清 晰地

55、 观察胆 囊、呼吸器官等的断层图像，而且不同b值的图像容易获得，这是进 行弥散定量计算的基础。与 一 般 磁 共 振 成 像 系 统 相 比 较 ， 对 允 许 进 行 EPI 成 像 的 磁 共 振 成 像系统有以下要求：单次激发采集时间30100 ms,梯度场强 1525mT/m ,梯度切换时间为0.10.3ms。能将梯度产生的涡流 减小的特殊射频线圈。128相位编码读出时间06ms。强烈的化 学移动伪影，需拥有良好的脂肪抑制技术来消除。强烈的磁化伪影， 通过薄层扫描、缩短TE时间、应用SE-EPI等来改善。典 型 的 扫 描 参数 如 下 : TR/TE10000-12000/ 100m

56、s， b=0s/mm 2 ，b=1000s/mm 2 , 1 次采集，矩阵 128 X64 128 X128 , FOV220 240mm , 层厚58mm ,成像时间12min ,分 辨率约12mm。快速成像减少 了搏动伪影，并可更精确测量ADC值。、影响弥散加权成像信号的因素1 . b值即弥散敏感因子，DWI是在某一 b值下测得的信号强度成像。随 着b值的增加，图像的弥散权重加大，病变组织和正常组织之间的对 比度增加，提高了 DWI的敏感性；但是，高b值会使图像信噪比降低， 这是因为b值的增加主要是通过延长由梯度脉冲持续时间（n和梯度 脉冲的间隔时间（A）来完成的，这样使回波时间（TE ）

57、增加，而长TE 使信号衰减。不同脏器组织的b值的选择是不同的，主要取决于组织 的TE时间。b值越大，越偏重于弥散像；b值越小，偏重于T2像。2 ADC 值活 体 组 织 的 ADC 值 受 细 胞 内 外 水 的 粘 滞 度 、比 例 、膜 通 透 性 、温 度 的影 响 。 评价病 变 时 ， 同 时 测量 病变 及对 侧 相 应 部 位 的 ADC ， 用 rADC可部分消除对ADC值的个体差异。ADC值增大，代表水分子弥 散 增 加 ， 而 弥 散 加 权 图 像 （DWI） 信 号 降 低 ， 反 之 亦 然 。 ADC 值 的 计 算 至少要有2个不同的b值，一般来说，采用的b值越多

58、，并且最大和最 小b值间的差别越大，系统误差越小，测得的ADC值越准确。3 各向同性和各向异性弥 散 是 一 个 矢 量 ，具 有 方 向 ，弥 散 过 程 为 三 维 过 程 ，在 不 同 的 方 向 上弥 散程度相 同 ，称 为 各 向 同 性 。各 向 异性指水分子在某个位置上 可 以 向 任 意一个方 向 运动 。但 是其 向各个方 向 运动 的量 并不 相 同 。如 水分子在平行于神经纤维的方向上较垂直方向上更易弥散。这点在脑 白 质 中 尤为 明 显 。 MRI 上 弥散信号是通过 弥散 梯度来编 码 的 ，只 有弥 散位移通过梯度编码的方向才能采集到信号，可通过改变弥散梯度的 方向来观察弥散的各向异性4T2透过效应DWI 的 MR 表 达 方 式 甚 多 ， 如 DWI ， T 2 纠 正 过 的 DWI ， ADC 图 和eADC图等。大多数DWI MR都用SE-EPI T 2WI序列图像，故 这种序列 形 成 的 DWI 的 图 像 对 比 ，除 具 有 因 组 织 的 ADC 值 不 同 而 形 成 的 图 像 对 比之外，还可能存在组织T2时间不同所形成的T2图像对比。在DWI 图像上如有较明显的T2图像对比存