肝脏CT灌注成像的临床研究现状与展望 .doc
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参见附件(54kb)。
肝脏CT灌注成像的临床研究现状与展望
杨建勇 黄勇慧
0引言
通常将微循环的血流动力学状态称为灌注?研究发现组织器官的生理性和病理性改变都与其血流灌注变化密切相关,监测器官的血流灌注变化就能够从一个方面揭示组织器官的病理过程,从而尽早地对疾病进行诊断或对其功能状态进行判断?基于这一理论基础,人们探索使用影像技术研究器官灌注状态,从而导致了灌注成像技术的诞生和发展?灌注成像等功能影像研究的兴起代表着传统医学影像向功能影像的飞跃?其中CT灌注成像就是其中较为成熟的功能影像学技术?它不但能通过测量微循环血流量评估组织器官的生理或病理状态,而且具有无创?安全?全面的特点,在心?脑等器官的疾病诊断中已被广泛应用?对于类似于肝、肺等双血供脏器的双期血流灌注量分析方法也在随着人们认识的深入和技术的进步在不断改进?最早详细阐述采用单层螺旋CT分别精确计算肝脏动?门脉灌注量的方法见于Blomley 1995的报道[1]。随着多排螺旋CT的广泛引用,Materne 在2000年提出了使用双入路一房室去卷积模型分析肝脏双期血供[2]?近年来,采用容积扫描技术在短时间内完成对整肝灌注评估的螺旋CT已经进入临床试验阶段,不久将应用于临床?
尽管国内外近年来对于肝脏CT灌注成像的研究进展迅速,但从整体上CT灌注成像的运用仍多局限在临床科研范畴?究其原因,一方面该技术仅为少数大中型医院影像学专业医务人员掌握,临床专科医师对该技术的认识不多,在很大程度上局限了其应用范围?另一方面,不论是传统影像还是临床专科医师对影像诊断的观念多停留在传统影像诊断上,从而忽视了功能影像技术的临床应用价值?因此重视CT灌注成像技术在肝脏病变中的临床价值,通过这一新技术实现对诸多终末期肝病的早期诊断和功能诊断是具有巨大潜力和广阔空间临床应用领域,它将为这些肝脏疾病的治疗提供更好治疗时机和更完善的治疗前评价,引导肝病治疗学跨上更高的台阶?
1. CT灌注成像的基本原理和特点
从20世纪80年代初,Axel等提出了CT灌注成像的理论设想到1991年 Miles将其用于肝?脾?肾等腹部器官灌注量的评价,仅经历了不足10年的时间[3,4]?期间螺旋CT的发明和应用起到了关键的作用?最早研究灌注采用的是核医学的方法?1987年,Peters提出静脉团注示踪剂后,示踪剂自左心室射出,随血流到达所观察组织,其浓度不断升高,最终到达峰值?在此过程中,器官血流量(OBF)与心输出量(CO)的关系可以用公式表示为:OBF/ CO=δk/δa×A/D×α,其中δk为器官时间-放射性曲线的最大斜率;δa为供血动脉时间-放射性曲线的峰值;A为时间-放射性曲线下的面积;D为注射的示踪剂量;α为校正系数?由于心输出量CO=D/A,所以代入上述公式即得OBF=δk/δa×α?因此,根据器官和供血动脉的时间-放射性曲线就可以求出器官的血流量?并认为研究组织的灌注必须满足5个前提条件:①扫描设备的空间分辨率必须足够高,能区分感兴趣的解剖结构及与周围组织的关系;②检测系统的时间分辨率必须足够高,能计算所研究生理过程中时间-变量变化关系;③所测量的信号变化与组织强化的对应关系必须是唯一确定的;④示踪剂所反映的生理过程不受所注入的示踪剂影响;⑤所研究的生理过程在测量计算期间保持稳定[5]?Miles等认为经静脉注入等渗性造影剂具有与放射性示踪剂相同的药物动力学,因而使用具有足够时间分辨率的螺旋CT动态扫描技术便可满足研究组织灌注的条件?上述核医学研究组织灌注的公式也可以用于分析动态增强扫描所获得的时间-密度曲线(time-density curve,TDC)?相对核素扫描,螺旋CT具有更高的空间分辨率,所以可以清楚区分肝脏与其他脏器,并且可以测定腹主动脉和门静脉主干的灌注曲线,为计算肝脏双期灌注量提供了条件[4]?当然CT灌注也存在不足,由于造影剂与核素不同,后者能与血红蛋白结合,灌注过程中不会进入组织间隙,可以完全代表血流灌注的情况?而普通等渗造影剂存在着从血管渗出组织间隙的过程,而增强后组织感兴趣区的CT值的变化是由血管内造影剂浓度和组织间隙造影剂浓度的变化所决定的,因为肝脏TDC受到组织间隙造影剂浓度的影响,所以理论上它并不完全代表毛细血管水平的循环血量?要绝对避免组织间隙影响,最佳选择是血池造影剂?但研究指出在高速短时足量静脉注射普通等渗造影剂时,血浆造影剂浓度变化趋势与肝脏感兴趣区造影剂变化趋势趋于一致,也就是说造影剂外渗组织间隙的影响很小,并且不会残留于组织间隙?这就为肝脏动脉期循环和门脉期循环的区分提供了条件[6]?正是因为MR普通造影剂滞留于组织间隙造成的影响持久,故MR灌注成像对肝脏双期灌注的研究尚不理想?而真正的MR血池造影剂过于昂贵,不适于临床应用?
器官CT灌注成像灌注量的计算方法的获得是数学积分推导过程?在单血供器官中,斜率法采用的灌注量计算为感兴趣区TDC最大斜率除以供血动脉峰值?这种计算方法,需要数据较少,受CT机信噪比的影响小,但由于忽略了卷积因素,所以要求较高的造影剂注射速率来保证器官灌注最大斜率获得前不存在静脉流出(即卷积值)[1]?据文献报道,理想注射速率应在7ml/s以上[7，8]?采用斜率法区分计算肝脏双期血供就更复杂一些?首先通过CT灌注扫描观察不难发现,在正常人,同一灌注扫描层面的多个单血供实质性脏器,比如脾?胰尾?肾皮质等,经过拟和后它们的TDC在变化趋势上均十分类似:它们的起始时间?峰值时间?最大斜率出现时间均几乎完全一致,所不同的仅是其升降斜率和峰值高度?由此可以类推出同时腹部实质性脏器的肝脏在动脉期应也具有相同的TDC曲线,只是因为后期门静脉灌注的参与,使其TDC发生了变化?也就是说,整个肝脏的TDC因为肝动脉期TDC和门静脉期TDC的累加?而动脉期的TDC由于与脾脏等实质脏器存在类似趋势,故可根据脾脏TDC推断出肝脏动脉期TDC,再在原肝脏TDC中剔除动脉期TDC,就可以获得门脉期TDC?由于TDC的获得基于数学公式H=KC+H0, 根据数学推论,可以获知最大斜率之比即为不同实质器官K值之比?将同期肝脾TDC的最大斜率之比计算求得后,再将脾TDC乘以这个比率后绘制出一条TDC即是肝脏动脉期灌注TDC[9]?这种方法虽然容易理解和计算?但是在脾脏出现病理变化时,脾脏TDC就会发生变化,此时使用根据脾脏求得肝动脉期TDC便会有所误差?因此使用斜率法时,取脾脏作为参考计算肝脏动门脉灌注量的方法并非在所有情况都适宜,必要可考虑采用胰腺和肾皮质?
去卷积法克服了斜率法的上述弊端,而且不需要对造影剂注射速率进行严格的要求,使适应检查的病人范围扩大?其基本原理是基于双输入单室药代动力学模型,将感兴趣区的肝脏视为(以肝毛细血管为主的)一个腔室,两个输入-肝动脉和门静脉,其流入率常数分别为k1a?k1p;一个输出-肝静脉,其流出率常数为k2?其计算公式为:CL=∫0t[k1aCa(t'-τa)+ k1pCP(t'-τp)]e-k2(t-t') dt'?式中Ca ?CP? CL分别代表主动脉?门静脉和肝脏的时间-密度曲线;τa?τp分别为造影剂从主动脉和门静脉到肝内感兴趣区所花的时间?Ca ?CP? CL在动态扫描时可以直接测量,因此通过去卷积运算(卷积运算的逆过程)可以求出k1a?k1p和k2?由于k1a+k1p=F×E(F为肝脏灌注量;E为摄取分数,在肝脏可假定其为1.0),继而可算出总肝灌注量TLP= k1a+k1p;肝动脉灌注量HAP= k1a;门静脉灌注量PVP= k1p;分布容积DV=(k1a+k1p)/ k2×%;平均通过时间MTT=1/ k2?这种方法仅需要根据肝脏ROI和肝动脉?门静脉的TDC就能得出上述多个数据,不会受到其他参考脏器本身情况的影响,在实践中也证明其较斜率法更加精确[2,10 ......
肝脏CT灌注成像的临床研究现状与展望
杨建勇 黄勇慧
0引言
通常将微循环的血流动力学状态称为灌注?研究发现组织器官的生理性和病理性改变都与其血流灌注变化密切相关,监测器官的血流灌注变化就能够从一个方面揭示组织器官的病理过程,从而尽早地对疾病进行诊断或对其功能状态进行判断?基于这一理论基础,人们探索使用影像技术研究器官灌注状态,从而导致了灌注成像技术的诞生和发展?灌注成像等功能影像研究的兴起代表着传统医学影像向功能影像的飞跃?其中CT灌注成像就是其中较为成熟的功能影像学技术?它不但能通过测量微循环血流量评估组织器官的生理或病理状态,而且具有无创?安全?全面的特点,在心?脑等器官的疾病诊断中已被广泛应用?对于类似于肝、肺等双血供脏器的双期血流灌注量分析方法也在随着人们认识的深入和技术的进步在不断改进?最早详细阐述采用单层螺旋CT分别精确计算肝脏动?门脉灌注量的方法见于Blomley 1995的报道[1]。随着多排螺旋CT的广泛引用,Materne 在2000年提出了使用双入路一房室去卷积模型分析肝脏双期血供[2]?近年来,采用容积扫描技术在短时间内完成对整肝灌注评估的螺旋CT已经进入临床试验阶段,不久将应用于临床?
尽管国内外近年来对于肝脏CT灌注成像的研究进展迅速,但从整体上CT灌注成像的运用仍多局限在临床科研范畴?究其原因,一方面该技术仅为少数大中型医院影像学专业医务人员掌握,临床专科医师对该技术的认识不多,在很大程度上局限了其应用范围?另一方面,不论是传统影像还是临床专科医师对影像诊断的观念多停留在传统影像诊断上,从而忽视了功能影像技术的临床应用价值?因此重视CT灌注成像技术在肝脏病变中的临床价值,通过这一新技术实现对诸多终末期肝病的早期诊断和功能诊断是具有巨大潜力和广阔空间临床应用领域,它将为这些肝脏疾病的治疗提供更好治疗时机和更完善的治疗前评价,引导肝病治疗学跨上更高的台阶?
1. CT灌注成像的基本原理和特点
从20世纪80年代初,Axel等提出了CT灌注成像的理论设想到1991年 Miles将其用于肝?脾?肾等腹部器官灌注量的评价,仅经历了不足10年的时间[3,4]?期间螺旋CT的发明和应用起到了关键的作用?最早研究灌注采用的是核医学的方法?1987年,Peters提出静脉团注示踪剂后,示踪剂自左心室射出,随血流到达所观察组织,其浓度不断升高,最终到达峰值?在此过程中,器官血流量(OBF)与心输出量(CO)的关系可以用公式表示为:OBF/ CO=δk/δa×A/D×α,其中δk为器官时间-放射性曲线的最大斜率;δa为供血动脉时间-放射性曲线的峰值;A为时间-放射性曲线下的面积;D为注射的示踪剂量;α为校正系数?由于心输出量CO=D/A,所以代入上述公式即得OBF=δk/δa×α?因此,根据器官和供血动脉的时间-放射性曲线就可以求出器官的血流量?并认为研究组织的灌注必须满足5个前提条件:①扫描设备的空间分辨率必须足够高,能区分感兴趣的解剖结构及与周围组织的关系;②检测系统的时间分辨率必须足够高,能计算所研究生理过程中时间-变量变化关系;③所测量的信号变化与组织强化的对应关系必须是唯一确定的;④示踪剂所反映的生理过程不受所注入的示踪剂影响;⑤所研究的生理过程在测量计算期间保持稳定[5]?Miles等认为经静脉注入等渗性造影剂具有与放射性示踪剂相同的药物动力学,因而使用具有足够时间分辨率的螺旋CT动态扫描技术便可满足研究组织灌注的条件?上述核医学研究组织灌注的公式也可以用于分析动态增强扫描所获得的时间-密度曲线(time-density curve,TDC)?相对核素扫描,螺旋CT具有更高的空间分辨率,所以可以清楚区分肝脏与其他脏器,并且可以测定腹主动脉和门静脉主干的灌注曲线,为计算肝脏双期灌注量提供了条件[4]?当然CT灌注也存在不足,由于造影剂与核素不同,后者能与血红蛋白结合,灌注过程中不会进入组织间隙,可以完全代表血流灌注的情况?而普通等渗造影剂存在着从血管渗出组织间隙的过程,而增强后组织感兴趣区的CT值的变化是由血管内造影剂浓度和组织间隙造影剂浓度的变化所决定的,因为肝脏TDC受到组织间隙造影剂浓度的影响,所以理论上它并不完全代表毛细血管水平的循环血量?要绝对避免组织间隙影响,最佳选择是血池造影剂?但研究指出在高速短时足量静脉注射普通等渗造影剂时,血浆造影剂浓度变化趋势与肝脏感兴趣区造影剂变化趋势趋于一致,也就是说造影剂外渗组织间隙的影响很小,并且不会残留于组织间隙?这就为肝脏动脉期循环和门脉期循环的区分提供了条件[6]?正是因为MR普通造影剂滞留于组织间隙造成的影响持久,故MR灌注成像对肝脏双期灌注的研究尚不理想?而真正的MR血池造影剂过于昂贵,不适于临床应用?
器官CT灌注成像灌注量的计算方法的获得是数学积分推导过程?在单血供器官中,斜率法采用的灌注量计算为感兴趣区TDC最大斜率除以供血动脉峰值?这种计算方法,需要数据较少,受CT机信噪比的影响小,但由于忽略了卷积因素,所以要求较高的造影剂注射速率来保证器官灌注最大斜率获得前不存在静脉流出(即卷积值)[1]?据文献报道,理想注射速率应在7ml/s以上[7，8]?采用斜率法区分计算肝脏双期血供就更复杂一些?首先通过CT灌注扫描观察不难发现,在正常人,同一灌注扫描层面的多个单血供实质性脏器,比如脾?胰尾?肾皮质等,经过拟和后它们的TDC在变化趋势上均十分类似:它们的起始时间?峰值时间?最大斜率出现时间均几乎完全一致,所不同的仅是其升降斜率和峰值高度?由此可以类推出同时腹部实质性脏器的肝脏在动脉期应也具有相同的TDC曲线,只是因为后期门静脉灌注的参与,使其TDC发生了变化?也就是说,整个肝脏的TDC因为肝动脉期TDC和门静脉期TDC的累加?而动脉期的TDC由于与脾脏等实质脏器存在类似趋势,故可根据脾脏TDC推断出肝脏动脉期TDC,再在原肝脏TDC中剔除动脉期TDC,就可以获得门脉期TDC?由于TDC的获得基于数学公式H=KC+H0, 根据数学推论,可以获知最大斜率之比即为不同实质器官K值之比?将同期肝脾TDC的最大斜率之比计算求得后,再将脾TDC乘以这个比率后绘制出一条TDC即是肝脏动脉期灌注TDC[9]?这种方法虽然容易理解和计算?但是在脾脏出现病理变化时,脾脏TDC就会发生变化,此时使用根据脾脏求得肝动脉期TDC便会有所误差?因此使用斜率法时,取脾脏作为参考计算肝脏动门脉灌注量的方法并非在所有情况都适宜,必要可考虑采用胰腺和肾皮质?
去卷积法克服了斜率法的上述弊端,而且不需要对造影剂注射速率进行严格的要求,使适应检查的病人范围扩大?其基本原理是基于双输入单室药代动力学模型,将感兴趣区的肝脏视为(以肝毛细血管为主的)一个腔室,两个输入-肝动脉和门静脉,其流入率常数分别为k1a?k1p;一个输出-肝静脉,其流出率常数为k2?其计算公式为:CL=∫0t[k1aCa(t'-τa)+ k1pCP(t'-τp)]e-k2(t-t') dt'?式中Ca ?CP? CL分别代表主动脉?门静脉和肝脏的时间-密度曲线;τa?τp分别为造影剂从主动脉和门静脉到肝内感兴趣区所花的时间?Ca ?CP? CL在动态扫描时可以直接测量,因此通过去卷积运算(卷积运算的逆过程)可以求出k1a?k1p和k2?由于k1a+k1p=F×E(F为肝脏灌注量;E为摄取分数,在肝脏可假定其为1.0),继而可算出总肝灌注量TLP= k1a+k1p;肝动脉灌注量HAP= k1a;门静脉灌注量PVP= k1p;分布容积DV=(k1a+k1p)/ k2×%;平均通过时间MTT=1/ k2?这种方法仅需要根据肝脏ROI和肝动脉?门静脉的TDC就能得出上述多个数据,不会受到其他参考脏器本身情况的影响,在实践中也证明其较斜率法更加精确[2,10 ......
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