MR灌注及扩散成像在脑血液动力学与急性脑缺血病理生理研究中的应用
作者：王建利 谢敬霞
单位：100083 北京医科大学第三临床医学院放射科
关键词：脑缺血；血液动力学； 磁共振成像
中华放射学杂志980603.htm 【摘要】 目的 检验磁共振血流灌注成像及动态扩散加权成像在急性脑缺血检查中的应用，并探讨脑血液动力学与脑缺血病理生理过程之间的关系。 方法 采用基于平面回波技术(EPI)的扩散加权成像(DWI)并结合常规的T2WI、T1WI、三维时间飞跃法磁共振血管成像(3D TOF MRA)，对22例发病4天内的急性脑缺血患者进行检查并动态观察，对其中15例进行了注射造影剂后的灌注加权成像(PWI)。结果 在超急性期， PWI和DWI均显示出全部脑缺血病灶，而T2WI检查中，4例阴性，1例可疑。MRA显示20例有颅内主要供血动脉闭塞或严重狭窄，2例阴性。在急性期，病灶的表观扩散系数(ADC)值显著下降，较对侧下降74.03%±11.02%(t=-16.60, P<0.000 1);而在慢性期，其ADC值明显升高，较对侧升高108.46%±20.88%(t=16.38, P<0.0001);在超急性期，PWI显示脑组织血流灌注异常区域的面积大于重度扩散加权像(H-DWI)上的异常高信号区。H-DWI所示的异常高信号区多位于病灶的中心；病灶中心血流灌注严重减少，局部脑血容量(rCBV)较对侧减少70.18%±18.02%(t=-15.08, P<0.000 1);血流平均经过时间(MTT)为13.22±2.20秒,较对侧的9.98±1.05秒明显延长(t=6.99，P<0.000 1)；局部脑血流速度(rCBF)较对侧减少76.83%±14.46%(t=-20.58, P<0.000 1)。在脑缺血急性期，同侧大脑半球脑缺血和过度灌注现象可同时存在。结论 (1)急性脑缺血后脑组织的 ADC值有明显的时间变化规律，动态地进行DWI检查可以了解急性脑缺血的病理生理发展过程；(2)进行PWI检查可以定量地提供脑组织血流灌注的信息; (3)综合运用DWI和PWI技术有助于研究血流灌注变化在急性脑缺血病理生理发展过程中的作用。
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Assessment of hemodynamics and pathophysiology of acute cerebral ischemia with MR perfusion -weighted imaging and dynamic diffusion-weighted imaging Wang Jianli, Xie Jingxia. Department of Radiology, the Third Hospital of Beijing Medical University, Beijing 100083
【Abstract】 Purpose To investigate the roles of MR perfusion-weighted imaging (PWI) and dynamic diffusion-weighted imaging (DWI) in the assessment of the relationship between hemodynamics and pathophysiology of acute cerebral ischemia. Methods In 22 patients with acute cerebral ischemia, initial and follow-up diffusion-weighted imaging (b=30, 300, 1 100 s/mm2) and standard T2WI, T1WI, 3D-TOF MRA were performed with a Siemens Vision 1.5-T system. Initial examinations were performed within 4 days after the onset of symptom. 15 of the patients underwent echo-planar PWI with a bolus injection of Gd-DTPA in acute stage. Apparent diffusion coefficient (ADC) and relative hemodynamic parameters (regional cerebral blood volume (rCBV), mean transit time (MTT), regional cerebral blood flow (rCBF) were evaluated on both hemispheres. Results Both DWI and PWI identified all hyperacute ischemic zones, however, T2WI didn't. In acute stage, ADC decreased by 74.03%±11.02% (t=-16.60, P<0.000 1); in contrast, it increased by 108.46%±20.88% (t=16.38, P<0.000 1) in chronic stage. During acute stage, blood perfusion decreased significantly in the core of the ischemic zone. rCBV decreased by 70.18%±18.02% (t=-15.08, P<0.000 1); MTT increased from 9.98±1.05s to 13.22±2.20s (t=6.99, P<0.000 1); and rCBF decreased by 76.83%±14.46%(t=-20.58, P<0.000 1). During acute stage, ischemia and luxury perfusion could coexist in the same hemisphere. In hyperacute stage, the abnormal perfusion region was larger than the hyperintense area shown by high-diffusion-weighted images. Conclusion (1) There is an ADC-time related course corresponding to the process of pathophysiology of acute cerebral ischemia; dynamic DWI can provide information about the evolution of this pathophysiology. (2) PWI can provide quantitative information about cerebral hemodynamics. (3) Combined PWI and dynamic DWI are useful in the investigation of the relationship between hemodynamics and pathophysiology of acute cerebral ischemia.
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【Key words】 Cerebral ischemia Hemodynamics Magnetic resonance imaging
近年来,随着快速磁共振技术的发展，对缺血性脑中风进行早期、快速、准确的诊断，获得相关的血液动力学参数，并监测受损组织恢复情况已经成为可能。为了检验磁共振血流灌注成像及动态扩散加权成像在急性脑缺血检查中的应用，并探讨脑血液动力学与脑缺血病理生理过程之间的关系，我们利用基于平面回波技术(EPI)的扩散加权成像(DWI)和注射造影剂后的灌注加权成像(PWI)前瞻性地检查了22例急性缺血性脑血管病患者,并对其进行了动态观察。
材料与方法
患者情况：自1996年9月至1997年8月共检查急性缺血性脑中风发作患者22例；其中男14例，女8例，平均年龄57岁。均由我院神经科收诊为急性脑梗死或急性脑缺血发作，并经CT检查排除了颅内出血。首次磁共振检查均在发病4天内(其中17例在2天内)完成，包括DWI和(或)PWI。PWI检查均在患者家属或本人书面同意后进行,共15例接受了该项检查。第二次检查一般在发病2周后完成，部分患者在一个病程中共接受了3～5次连续检查。
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检查方法与过程：应用西门子Vision型1.5T超导磁共振扫描仪，结合普通头部表面线圈。造影剂为北陆医药化工集团生产的磁显葡胺(Gd-DTPA)。均场后，按表1顺序检查。各项检查及部分扫描参数根据病变部位和患者紧急情况的不同有所调整和取舍。全部检查时间最短为10分钟，最长为20分钟。三维时间飞跃法磁共振血管成像(3D TOF MRA)扫描完成后，立刻于另一个工作台完成最大强度投影。
PWI的具体方法为：在检查开始前，于患者肘前静脉内放置一个18G或20G的静脉插管。应用一个对T2*敏感的平面回波自由衰减序列(EPI-FID)连续扫描50次，在第四次扫描后立刻经静脉插管快速推注每公斤体重0.1mmol的Gd-DTPA，紧接着静脉推注相同体积的生理盐水；注药过程在4秒钟内完成。PWI的扫描层面根据DWI和T2WI发现的病灶部位和范围选择。PWI扫描完成后，每一个扫描层面共有50幅连续的图像，这些图像被用于脑血流灌注分析。
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图像分析：将仅有扩散敏感系数(b)值不同(b值分别为30、300、1 100s/mm2,它反映扩散加权的程度、大小)的3次DWI图像相对照，取异常信号区为固定感兴趣区(ROI)，测量其信号值，并根据公式ADC=ln(S1/S2)/(b2-b1)求出表观扩散系数(ADC)，公式中S为信号强度。所取ROI大于0.4 cm2，20个像素。如此，分别测出病灶中心、病灶边缘、相邻正常信号组织以及对侧相应区域的ADC值；计算表观扩散系数比率(ADCR)，ADCR=(患侧ADC-健侧ADC)/健侧ADC×100%，其值用百分数表示；然后,动态观察上述区域脑组织ADC值、ADCR随时间的变化情况。
将注射造影剂前第四次扫描的PWI图像与增强后的相减，取异常低信号区为固定ROI，测量其信号(S)值，绘出信号-时间曲线。如此，分别绘出病灶中心、病灶边缘、相邻正常信号组织以及对侧相应区域脑组织的信号-时间曲线。根据造影剂在某一区域脑组织内的浓度(C)与R2*(T2*的倒数)的改变呈正相关，即Ct=K×ΔR2*(t)，其中K是组织相关常数，Δ为变化率,ΔR2*(t)=-ln(St/S0)/TE，可以用ΔR2*(t)代替Ct绘出浓度-时间曲线。
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根据指示剂稀释原理[1]，浓度-时间曲线下面积反映局部组织内的脑血容量(rCBV):rCBV=∫(Ct×Δt)=K×∫(Δt×(-ln(St/S0)/TE))，求相对脑血容量(rrCBV)：rrCBV=(患侧rCBV-健侧rCBV)/健侧rCBV×100%，其值用百分数表示。脑血流平均经过时间(MTT)反映造影剂一次通过某一区域脑组织所用的时间，MTT=∫(Δt×t×Ct)/∫(Δt×Ct)，求相对MTT值(rMTT)：rMTT=(患侧MTT-健侧MTT)/健侧MTT×100%，其值用百分数表示。局部脑血流速度(rCBF)反映血液通过局部脑组织的速度，当脑血管壁保持完整，造影剂不溢出血管并进入组织内时，rCBF=rCBV/MTT，求相对rCBF(rrCBF)：rrCBF=(患侧rCBF-健侧rCBF)/健侧rCBF×100%，其值用百分数表示。
在多数情况下，当造影剂首次通过后，正常脑组织的信号在相当长的时间内达不到完全恢复；在信号-时间曲线上表现为基线漂移。我们通过纠正基线的方法按比例地补偿减弱的信号。
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数理统计：使用SAS统计学软件。所有的统计结果均用
±s表示。对照区域的各项参数均经过双尾t检验以检验其差异的显著性。
表1 急性脑缺血首次MRI检查程序
扫描
序列
扫描层面
TR
(毫秒)
TE
(毫秒)
翻转角
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(°)
扫描层厚
(mm)
扫描层数
视野(mm)
采集矩阵
采集次数
1
DWI
横轴位
0.8
123.0
90
, 百拇医药
5
20
230×230
128×128
1
2
T2WI
横轴位
4 000.0
99.0
180
5
20
, 百拇医药
175×230
264×512
2
3
3D TOF
横轴位
35.0
6.0
20
50或64
50或64
150×200
165×256
, 百拇医药
1
4
T1WI
横轴位
560.0
15.0
90
5
20
175×230
198×256
1～2
5
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T2WI
矢或冠状位
3 000.0
90.0
180
5～7
11
227×260
210×256
1
6
PWI
横轴位
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1.2
42.1
90
5
50
230×230
128×128
1
注：DWI为扩散加权成像；3D TOF为三维时间飞跃法；PWI为灌注加权成像结果
各病例的检查结果如下：在脑缺血的急性期(包括超急性期)，PWI和DWI检查均显示出全部脑缺血病灶，诊断率为100%。而在超急性期(发病5小时以内),常规T2WI检查，4例为阴性，1例可疑。 MRA显示17例为颈内动脉和(或)大脑中动脉闭塞或严重狭窄，3例为基底动脉和(或)大脑后动脉闭塞或严重狭窄，2例为阴性。1例于发病2小时接受检查，常规的T2WI未见异常，而DWI和PWI检查均清楚地显示出了病灶(图1)。
, 百拇医药
急性脑缺血后脑组织的ADC值在超急性期显著下降，并且在急性期数天内维持在低水平，平均较健侧下降74.03%±11.02%(t=-16.60,P<0.000 1)；以后ADC值逐渐升高，2周后较健侧明显升高，平均升高108.46%±20.88%(t=16.38,P<0.000 1)，并在慢性期维持在高水平(表2，图2)。
急性期病灶中心血流灌注严重减少：平均rCBV较健侧减少70.18%±18.02%(t=-15.08,P<0.000 1);平均MTT为13.22±2.20秒，较健侧MTT9.98±1.05秒明显延长(t=6.99,P<0.000 1)；平均rCBF较健侧减少76.83%±14.46%(t=-20.58,P<0.000 1)，如表3所示。在脑缺血急性期，同侧大脑半球脑缺血和过度灌注现象可同时存在(图3)。
在超急性期，PWI所显示的脑组织内血流灌注明显异常的区域面积大于重度扩散加权成像(H-DWI)上的异常高信号区，如图3所示。H-DWI所示的异常高信号区多位于病灶中心，最终发展为梗死灶。在超急性期和急性期，此异常高信号区可逐渐扩大，扩大的部分既可以演变成梗死灶的一部分，也可以逐渐缩小而且信号恢复正常。本组1例在发病2小时内完成第一次检查，发现3处异常表现：(1)右侧岛叶中前部及部分底节区：MTT延长,rCBF减少,rCBV减少，ADC值下降，后发展为梗死灶；(2)右侧岛叶后部：MTT轻度延长或不变，rCBF较对侧增加83.33%，rCBV增加77.48%，大部分区域ADC值异常减低，其中一部分坏死；(3)右后分水岭区：MTT延长，rCBF减少，ADC值下降，后发展为梗死灶(图3)。发病后第14天发现后两个部位交界处发生皮层下出血。
, 百拇医药
表2 22例脑缺血患者急慢性期双侧ADC测量结果及比较(±s)
病例
ADC(×10-5cm/s)
患侧ADC
变化幅度(%)
ADCR(%)
患侧
健侧
差数
健患侧比较t值
急性期
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0.22±0.09
0.87±0.09
0.65±0.13
22.80①
74.03±11.02
-74.03±11.02
慢性期
1.81±0.19
0.87±0.07
0.94±0.17
25.52①
, 百拇医药
108.46±20.88
108.46±20.88
相差
1.59±0.24
0.02±0.05
-
-
-
182.48±24.94
病期比较t值
30.58
0.16
, 百拇医药
-
-
-
34.33
注：①P<0.001；ADC为表观扩散系数；ADCR为表观扩散系数比率表3 15例脑灌注加权成像检查结果(±s)
rCBV
MTT(s)
rCBF
rrCBV(%)
rMTT(%)
, 百拇医药
rrCBF(%)
患侧
1.73±1.02
13.22±2.20
1.39±1.00
70.18±18.02
32.50±18.00
76.83±14.46
健侧
5.94±1.27
9.98±1.05
6.06±1.57
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自身对照t值
10.65①
7.27①
11.56①
注：①P<0.001；rCBV为局部脑血容量，MTT为血流平均经过时间，rCBF为局部脑血流速度，rrCBV为局部相对脑血容量，rMTT为相对血流平均经过时间，rrCBF为局部相对脑血流速度
图1 男，49岁，突发左侧偏瘫，于发病2小时内接受检查： 灌注加权成像(PWI)(左上图)和重度扩散加权成像(H-DWI)(右上图)示右侧底节区片状缺血灶；T2WI (左下图)示右侧侧脑室后脚旁慢性缺血灶；磁共振血管成像(MRA)(右下图)示右侧大脑中动脉起始段闭塞 图2男，49岁，突发左侧偏瘫，发病后5小时H-DWI(左上图)示右侧豆状核及岛叶已出现异常高信号；第4天 H-DWI(右上图)示异常高信号发展扩大；第7天H-DWI(左下图)示局部信号接近正常；第29天T2WI(右下图)示局部软化灶已形成 图3 女， 62岁，突发左侧偏瘫2小时后接受检查，PWI(左上图)示右侧底节区、岛叶及右后分水岭区大面积血流灌注异常, H-DWI(右上图)示右侧岛叶前部及右后分水岭区异常高信号；T2WI(左下图)上未见异常；MRA (右下图)示右侧大脑中动脉部分皮层支闭塞讨论
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一、动态扩散加权成像
磁共振的扩散加权成像技术是根据不同梯度脉冲强度条件下水分子的扩散运动不同而开发的。在H-DWI时,水分子的扩散活动越剧烈,各分子间的相位分散程度越大,采集的信号越弱。ADC值反映水分子在组织内的扩散运动能力，值越大,水分子的扩散运动越强。
从此次研究结果可以看出，在缺血性脑血管病的超急性期，尤其在发病5小时以内，DWI较常规T2WI有明显的优势。病理生理实验证明，中枢神经元在突然发生的完全缺血缺氧后几分钟即会出现细胞内代谢紊乱，由此引发细胞内环境异常，酶和膜系统发生功能障碍，细胞内离子浓度改变，水分增加。此时单位体积组织内水分子的ADC值开始下降，在H-DWI图像上即会出现异常的高信号。如果脑组织缺血缺氧情况得不到改善，那么ADC值很快下降，一般在几小时内达到最低水平。这时，局部组织的细胞内容积与细胞外容积的比值达到最大。以后，随着细胞毒性水肿的进展和血管源性水肿的出现，ADC值将维持在一个较低水平。当细胞损伤发展到细胞内甚至整个细胞的膜系统崩溃时，ADC值开始逐渐上升。最后，当组织内有形成分液化消失后，ADC值达到高峰,并将维持在高水平。在ADC值上升的过程中，会有一个恢复到原有基础水平的时期，也就是假正常化现象。Lee等[2～5]所做的动物和临床试验证实了这一规律的存在。我们观察到的急性脑缺血后脑组织ADC值的动态变化过程与上述病理生理发展过程相符。因此，了解急性脑缺血后脑组织的ADC值随时间的动态演化过程有着重要的临床意义。目前，国际上已有基于动物模型试验的文献报道，但尚无类似的较为细致的临床研究。
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表2显示发病早期病灶中心的ADC值均较健侧下降50%以上。此ADC值的显著下降提示局部细胞毒性脑水肿已经发展到一定的程度，但并非表示此时的组织损伤是不可逆的。发病几小时后逐渐扩大的H-DWI异常高信号区基本上与PWI所示的血流灌注异常区域相吻合，这里包括理论上的缺血边缘带。在部分病例,我们观察到这些区域组织信号很快恢复，组织未向梗死方向发展。所以，只有综合地观察ADC值的下降幅度及其动态演变过程，才能准确地了解急性脑缺血发作后的病理生理过程。
另外，单纯DWI图像上的异常高信号可能仅反映局部组织细胞内容积与细胞外容积比值的增大[6]。此异常高信号不仅在细胞毒性脑水肿发生时出现，也会在某些其他病理生理状态时出现，故对急性缺血性脑血管病的诊断必须是综合性的。
在此次研究中，我们还发现在严重的局部脑缺血发作后，同一个动脉供血区的大脑皮层和深部灰质核团往往先于大脑白质出现H-DWI信号的异常。这说明代谢旺盛的组织对血供的减少更为敏感;同时也提示定量地研究脑缺血的严重程度与脑缺血发生、发展过程之间关系的重要性。
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二、灌注加权成像
磁共振血流灌注成像要求较高的时间分辨率和空间分辨率。EPI技术是目前速度最快的MR成像方法，此次应用的设备可以在40毫秒内完成一幅图像的扫描。应用对磁场的不均匀性很敏感的EPI-FID序列，当顺磁性造影剂,如Gd-DTPA进入受检组织后,引起局部组织内磁场微环境变化,相应的组织信号减弱。根据组织信号-时间变化曲线,可获得部分的血液动力学参数。
磁共振血流灌注成像可以提供必要的血液动力学参数[7，8]。通过综合分析这些参数，可以掌握组织血液供给的具体情况：(1)灌注不足：MTT明显延长，rCBV减少，rCBF明显减少；(2)侧支循环信息：MTT延长，rCBV增加或尚可；(3)血流再灌注信息：MTT缩短或正常，rCBV增加，rCBF正常或轻度增加；(4)过度灌注信息：rCBV与rCBF均显著增加。
此次研究显示,在急性脑缺血发作早期，局部脑血流灌注均有下降。其中，rCBV的减少是最直观的指标，它反映单位质量组织内血容量的减少。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加血容量来代偿。这时，我们可以通过rCBF和MTT来了解局部组织的灌注情况。但在严重的急性脑缺血持续一段时间后，缺血区的血管床本身受到严重损伤，上述的代偿机制不能发挥作用；而相邻损伤轻的区域血管床反而显著扩张，rCBV显著增加，由此引起的脑内盗血现象可能造成病程的恶化。多个病例显示,在脑缺血的急性期，甚至在发病后2小时，同侧大脑半球即有灌注不足与过度灌注同时存在的现象，在多数情况下，这些区域会不同程度地向坏死方向发展，表现为H-DWI上异常高信号区的逐渐扩大和信号加强。如本组1例，过度灌注区内的部分区域也发展为坏死灶，其与缺血区交界处发生缺血后皮层下出血。可见，急性脑缺血发作后，过度灌注和持续的灌注不足均是造成脑组织损伤发展的原因。如何在发病早期适当地恢复有效的血液供应并且避免过度灌注造成的损伤，是该病治疗学的一个重要课题。
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如今，脑血液动力学改变与急性缺血性脑血管病的病理生理过程之间的具体关系亟待研究。我们已经知道脑缺血后脑组织ADC值的演变与其病理生理过程相关，因此，结合DWI和PWI技术可以帮助我们研究脑血液动力学与急性脑缺血发生、发展之间的潜在规律。
三、扩散及灌注成像方法
在本研究中，DWI的梯度场是加在X轴方向的。但实际水分子的扩散运动是向任意方向的，再加上组织结构的不同造成扩散的各向异性，所获得的ADC的绝对值会有所偏差。在测量时，我们尽量使用较大的ROI，且定位在脑灰质的区域，并将双侧相同组织的ADC值进行对照，以减少上述因素造成的影响。
PWI检查是一种实用的血液动力学检测技术，但由于组织相关系数K不确定等因素，目前尚不能获得rCBV和rCBF的绝对值。因此，我们通过比较患侧与健侧相对应的组织部位进行半定量的研究。另外，还有如下几个问题需要注意：(1)多数受检患者有一定的脑血管病基础，其健侧血供与正常人群仍有所差异；(2)我们采用手推造影剂快速注射近似团注的方法，注药时间相对较长；(3)Gd-DTPA在血液中的半衰期较长，可反复循环进入受检组织，这是造成信号-时间曲线漂移的一个重要原因。因此，进行PWI最好使用半衰期短的血池类造影剂。
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参考文献
1 Zierler KL. Theoretical basis of indicator-dilution methods for measuring flow and volume. Circ Res, 1962, 10: 393-407.
2 Lee VM, Burdett NG, Carpenter TA, et al. Evolution of photochemically induced focal cerebral ischemia in the rat: magnetic resonance imaging and histology. Stroke, 1996, 27: 2 110-2 119.
3 Pierpaoli C, Righini A, Linfante I, et al. Histopathologic correlates of abnormal water diffusion in cerebral ischemia: diffusion-weighted MR imaging and light and electron microscopic study. Radiology, 1993, 189:439-448.
, 百拇医药
4 Warach S, Gaa J, Siewert B, et al. Acute human stroke studied by whole brain echo planar diffusion-weighted magnetic resonance imaging. Ann Neurol, 1995, 37: 231-241.
5 Marks MP, de Crespigny A, Lentz D, et al. Acute and chronic stroke: navigated spin-echo diffusion-weighted MR imaging. Radiology, 1996, 199: 403-408.
6 Anderson AW, Zhong JH, Petroff OAC, et al. Effects of osmotically driven cell volume changes on diffusion-weighted imaging of the rat optic nerve. MRM, 1996, 35: 162-167.
, 百拇医药
7 Rempp KA, Brix GB, Wenz F, et al. Quantification of regional cerebral blood flow and volume with dynamic susceptibility contrast-enhanced MR imaging. Radiology, 1994, 193: 637-641.
8 Nighoghossian N, Berthezene Y, Philippon B, et al. Hemodynamic parameter assessment with dynamic susceptibility contrast magnetic resonance imaging in unilateral symptomatic internal carotid artery occlusion. Stroke, 1996, 27: 474-479.
(收稿：1997-11-11 修回：1998-02-20), 百拇医药
单位：100083 北京医科大学第三临床医学院放射科
关键词：脑缺血；血液动力学； 磁共振成像
中华放射学杂志980603.htm 【摘要】 目的 检验磁共振血流灌注成像及动态扩散加权成像在急性脑缺血检查中的应用，并探讨脑血液动力学与脑缺血病理生理过程之间的关系。 方法 采用基于平面回波技术(EPI)的扩散加权成像(DWI)并结合常规的T2WI、T1WI、三维时间飞跃法磁共振血管成像(3D TOF MRA)，对22例发病4天内的急性脑缺血患者进行检查并动态观察，对其中15例进行了注射造影剂后的灌注加权成像(PWI)。结果 在超急性期， PWI和DWI均显示出全部脑缺血病灶，而T2WI检查中，4例阴性，1例可疑。MRA显示20例有颅内主要供血动脉闭塞或严重狭窄，2例阴性。在急性期，病灶的表观扩散系数(ADC)值显著下降，较对侧下降74.03%±11.02%(t=-16.60, P<0.000 1);而在慢性期，其ADC值明显升高，较对侧升高108.46%±20.88%(t=16.38, P<0.0001);在超急性期，PWI显示脑组织血流灌注异常区域的面积大于重度扩散加权像(H-DWI)上的异常高信号区。H-DWI所示的异常高信号区多位于病灶的中心；病灶中心血流灌注严重减少，局部脑血容量(rCBV)较对侧减少70.18%±18.02%(t=-15.08, P<0.000 1);血流平均经过时间(MTT)为13.22±2.20秒,较对侧的9.98±1.05秒明显延长(t=6.99，P<0.000 1)；局部脑血流速度(rCBF)较对侧减少76.83%±14.46%(t=-20.58, P<0.000 1)。在脑缺血急性期，同侧大脑半球脑缺血和过度灌注现象可同时存在。结论 (1)急性脑缺血后脑组织的 ADC值有明显的时间变化规律，动态地进行DWI检查可以了解急性脑缺血的病理生理发展过程；(2)进行PWI检查可以定量地提供脑组织血流灌注的信息; (3)综合运用DWI和PWI技术有助于研究血流灌注变化在急性脑缺血病理生理发展过程中的作用。
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Assessment of hemodynamics and pathophysiology of acute cerebral ischemia with MR perfusion -weighted imaging and dynamic diffusion-weighted imaging Wang Jianli, Xie Jingxia. Department of Radiology, the Third Hospital of Beijing Medical University, Beijing 100083
【Abstract】 Purpose To investigate the roles of MR perfusion-weighted imaging (PWI) and dynamic diffusion-weighted imaging (DWI) in the assessment of the relationship between hemodynamics and pathophysiology of acute cerebral ischemia. Methods In 22 patients with acute cerebral ischemia, initial and follow-up diffusion-weighted imaging (b=30, 300, 1 100 s/mm2) and standard T2WI, T1WI, 3D-TOF MRA were performed with a Siemens Vision 1.5-T system. Initial examinations were performed within 4 days after the onset of symptom. 15 of the patients underwent echo-planar PWI with a bolus injection of Gd-DTPA in acute stage. Apparent diffusion coefficient (ADC) and relative hemodynamic parameters (regional cerebral blood volume (rCBV), mean transit time (MTT), regional cerebral blood flow (rCBF) were evaluated on both hemispheres. Results Both DWI and PWI identified all hyperacute ischemic zones, however, T2WI didn't. In acute stage, ADC decreased by 74.03%±11.02% (t=-16.60, P<0.000 1); in contrast, it increased by 108.46%±20.88% (t=16.38, P<0.000 1) in chronic stage. During acute stage, blood perfusion decreased significantly in the core of the ischemic zone. rCBV decreased by 70.18%±18.02% (t=-15.08, P<0.000 1); MTT increased from 9.98±1.05s to 13.22±2.20s (t=6.99, P<0.000 1); and rCBF decreased by 76.83%±14.46%(t=-20.58, P<0.000 1). During acute stage, ischemia and luxury perfusion could coexist in the same hemisphere. In hyperacute stage, the abnormal perfusion region was larger than the hyperintense area shown by high-diffusion-weighted images. Conclusion (1) There is an ADC-time related course corresponding to the process of pathophysiology of acute cerebral ischemia; dynamic DWI can provide information about the evolution of this pathophysiology. (2) PWI can provide quantitative information about cerebral hemodynamics. (3) Combined PWI and dynamic DWI are useful in the investigation of the relationship between hemodynamics and pathophysiology of acute cerebral ischemia.
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【Key words】 Cerebral ischemia Hemodynamics Magnetic resonance imaging
近年来,随着快速磁共振技术的发展，对缺血性脑中风进行早期、快速、准确的诊断，获得相关的血液动力学参数，并监测受损组织恢复情况已经成为可能。为了检验磁共振血流灌注成像及动态扩散加权成像在急性脑缺血检查中的应用，并探讨脑血液动力学与脑缺血病理生理过程之间的关系，我们利用基于平面回波技术(EPI)的扩散加权成像(DWI)和注射造影剂后的灌注加权成像(PWI)前瞻性地检查了22例急性缺血性脑血管病患者,并对其进行了动态观察。
材料与方法
患者情况：自1996年9月至1997年8月共检查急性缺血性脑中风发作患者22例；其中男14例，女8例，平均年龄57岁。均由我院神经科收诊为急性脑梗死或急性脑缺血发作，并经CT检查排除了颅内出血。首次磁共振检查均在发病4天内(其中17例在2天内)完成，包括DWI和(或)PWI。PWI检查均在患者家属或本人书面同意后进行,共15例接受了该项检查。第二次检查一般在发病2周后完成，部分患者在一个病程中共接受了3～5次连续检查。
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检查方法与过程：应用西门子Vision型1.5T超导磁共振扫描仪，结合普通头部表面线圈。造影剂为北陆医药化工集团生产的磁显葡胺(Gd-DTPA)。均场后，按表1顺序检查。各项检查及部分扫描参数根据病变部位和患者紧急情况的不同有所调整和取舍。全部检查时间最短为10分钟，最长为20分钟。三维时间飞跃法磁共振血管成像(3D TOF MRA)扫描完成后，立刻于另一个工作台完成最大强度投影。
PWI的具体方法为：在检查开始前，于患者肘前静脉内放置一个18G或20G的静脉插管。应用一个对T2*敏感的平面回波自由衰减序列(EPI-FID)连续扫描50次，在第四次扫描后立刻经静脉插管快速推注每公斤体重0.1mmol的Gd-DTPA，紧接着静脉推注相同体积的生理盐水；注药过程在4秒钟内完成。PWI的扫描层面根据DWI和T2WI发现的病灶部位和范围选择。PWI扫描完成后，每一个扫描层面共有50幅连续的图像，这些图像被用于脑血流灌注分析。
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图像分析：将仅有扩散敏感系数(b)值不同(b值分别为30、300、1 100s/mm2,它反映扩散加权的程度、大小)的3次DWI图像相对照，取异常信号区为固定感兴趣区(ROI)，测量其信号值，并根据公式ADC=ln(S1/S2)/(b2-b1)求出表观扩散系数(ADC)，公式中S为信号强度。所取ROI大于0.4 cm2，20个像素。如此，分别测出病灶中心、病灶边缘、相邻正常信号组织以及对侧相应区域的ADC值；计算表观扩散系数比率(ADCR)，ADCR=(患侧ADC-健侧ADC)/健侧ADC×100%，其值用百分数表示；然后,动态观察上述区域脑组织ADC值、ADCR随时间的变化情况。
将注射造影剂前第四次扫描的PWI图像与增强后的相减，取异常低信号区为固定ROI，测量其信号(S)值，绘出信号-时间曲线。如此，分别绘出病灶中心、病灶边缘、相邻正常信号组织以及对侧相应区域脑组织的信号-时间曲线。根据造影剂在某一区域脑组织内的浓度(C)与R2*(T2*的倒数)的改变呈正相关，即Ct=K×ΔR2*(t)，其中K是组织相关常数，Δ为变化率,ΔR2*(t)=-ln(St/S0)/TE，可以用ΔR2*(t)代替Ct绘出浓度-时间曲线。
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根据指示剂稀释原理[1]，浓度-时间曲线下面积反映局部组织内的脑血容量(rCBV):rCBV=∫(Ct×Δt)=K×∫(Δt×(-ln(St/S0)/TE))，求相对脑血容量(rrCBV)：rrCBV=(患侧rCBV-健侧rCBV)/健侧rCBV×100%，其值用百分数表示。脑血流平均经过时间(MTT)反映造影剂一次通过某一区域脑组织所用的时间，MTT=∫(Δt×t×Ct)/∫(Δt×Ct)，求相对MTT值(rMTT)：rMTT=(患侧MTT-健侧MTT)/健侧MTT×100%，其值用百分数表示。局部脑血流速度(rCBF)反映血液通过局部脑组织的速度，当脑血管壁保持完整，造影剂不溢出血管并进入组织内时，rCBF=rCBV/MTT，求相对rCBF(rrCBF)：rrCBF=(患侧rCBF-健侧rCBF)/健侧rCBF×100%，其值用百分数表示。
在多数情况下，当造影剂首次通过后，正常脑组织的信号在相当长的时间内达不到完全恢复；在信号-时间曲线上表现为基线漂移。我们通过纠正基线的方法按比例地补偿减弱的信号。
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数理统计：使用SAS统计学软件。所有的统计结果均用
±s表示。对照区域的各项参数均经过双尾t检验以检验其差异的显著性。表1 急性脑缺血首次MRI检查程序
扫描
序列
扫描层面
TR
(毫秒)
TE
(毫秒)
翻转角
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(°)
扫描层厚
(mm)
扫描层数
视野(mm)
采集矩阵
采集次数
1
DWI
横轴位
0.8
123.0
90
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5
20
230×230
128×128
1
2
T2WI
横轴位
4 000.0
99.0
180
5
20
, 百拇医药
175×230
264×512
2
3
3D TOF
横轴位
35.0
6.0
20
50或64
50或64
150×200
165×256
, 百拇医药
1
4
T1WI
横轴位
560.0
15.0
90
5
20
175×230
198×256
1～2
5
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T2WI
矢或冠状位
3 000.0
90.0
180
5～7
11
227×260
210×256
1
6
PWI
横轴位
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1.2
42.1
90
5
50
230×230
128×128
1
注：DWI为扩散加权成像；3D TOF为三维时间飞跃法；PWI为灌注加权成像结果
各病例的检查结果如下：在脑缺血的急性期(包括超急性期)，PWI和DWI检查均显示出全部脑缺血病灶，诊断率为100%。而在超急性期(发病5小时以内),常规T2WI检查，4例为阴性，1例可疑。 MRA显示17例为颈内动脉和(或)大脑中动脉闭塞或严重狭窄，3例为基底动脉和(或)大脑后动脉闭塞或严重狭窄，2例为阴性。1例于发病2小时接受检查，常规的T2WI未见异常，而DWI和PWI检查均清楚地显示出了病灶(图1)。
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急性脑缺血后脑组织的ADC值在超急性期显著下降，并且在急性期数天内维持在低水平，平均较健侧下降74.03%±11.02%(t=-16.60,P<0.000 1)；以后ADC值逐渐升高，2周后较健侧明显升高，平均升高108.46%±20.88%(t=16.38,P<0.000 1)，并在慢性期维持在高水平(表2，图2)。
急性期病灶中心血流灌注严重减少：平均rCBV较健侧减少70.18%±18.02%(t=-15.08,P<0.000 1);平均MTT为13.22±2.20秒，较健侧MTT9.98±1.05秒明显延长(t=6.99,P<0.000 1)；平均rCBF较健侧减少76.83%±14.46%(t=-20.58,P<0.000 1)，如表3所示。在脑缺血急性期，同侧大脑半球脑缺血和过度灌注现象可同时存在(图3)。
在超急性期，PWI所显示的脑组织内血流灌注明显异常的区域面积大于重度扩散加权成像(H-DWI)上的异常高信号区，如图3所示。H-DWI所示的异常高信号区多位于病灶中心，最终发展为梗死灶。在超急性期和急性期，此异常高信号区可逐渐扩大，扩大的部分既可以演变成梗死灶的一部分，也可以逐渐缩小而且信号恢复正常。本组1例在发病2小时内完成第一次检查，发现3处异常表现：(1)右侧岛叶中前部及部分底节区：MTT延长,rCBF减少,rCBV减少，ADC值下降，后发展为梗死灶；(2)右侧岛叶后部：MTT轻度延长或不变，rCBF较对侧增加83.33%，rCBV增加77.48%，大部分区域ADC值异常减低，其中一部分坏死；(3)右后分水岭区：MTT延长，rCBF减少，ADC值下降，后发展为梗死灶(图3)。发病后第14天发现后两个部位交界处发生皮层下出血。
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表2 22例脑缺血患者急慢性期双侧ADC测量结果及比较(
±s)病例
ADC(×10-5cm/s)
患侧ADC
变化幅度(%)
ADCR(%)
患侧
健侧
差数
健患侧比较t值
急性期
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0.22±0.09
0.87±0.09
0.65±0.13
22.80①
74.03±11.02
-74.03±11.02
慢性期
1.81±0.19
0.87±0.07
0.94±0.17
25.52①
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108.46±20.88
108.46±20.88
相差
1.59±0.24
0.02±0.05
-
-
-
182.48±24.94
病期比较t值
30.58
0.16
, 百拇医药
-
-
-
34.33
注：①P<0.001；ADC为表观扩散系数；ADCR为表观扩散系数比率表3 15例脑灌注加权成像检查结果(
±s)rCBV
MTT(s)
rCBF
rrCBV(%)
rMTT(%)
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rrCBF(%)
患侧
1.73±1.02
13.22±2.20
1.39±1.00
70.18±18.02
32.50±18.00
76.83±14.46
健侧
5.94±1.27
9.98±1.05
6.06±1.57
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自身对照t值
10.65①
7.27①
11.56①
注：①P<0.001；rCBV为局部脑血容量，MTT为血流平均经过时间，rCBF为局部脑血流速度，rrCBV为局部相对脑血容量，rMTT为相对血流平均经过时间，rrCBF为局部相对脑血流速度
图1 男，49岁，突发左侧偏瘫，于发病2小时内接受检查： 灌注加权成像(PWI)(左上图)和重度扩散加权成像(H-DWI)(右上图)示右侧底节区片状缺血灶；T2WI (左下图)示右侧侧脑室后脚旁慢性缺血灶；磁共振血管成像(MRA)(右下图)示右侧大脑中动脉起始段闭塞 图2男，49岁，突发左侧偏瘫，发病后5小时H-DWI(左上图)示右侧豆状核及岛叶已出现异常高信号；第4天 H-DWI(右上图)示异常高信号发展扩大；第7天H-DWI(左下图)示局部信号接近正常；第29天T2WI(右下图)示局部软化灶已形成 图3 女， 62岁，突发左侧偏瘫2小时后接受检查，PWI(左上图)示右侧底节区、岛叶及右后分水岭区大面积血流灌注异常, H-DWI(右上图)示右侧岛叶前部及右后分水岭区异常高信号；T2WI(左下图)上未见异常；MRA (右下图)示右侧大脑中动脉部分皮层支闭塞讨论
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一、动态扩散加权成像
磁共振的扩散加权成像技术是根据不同梯度脉冲强度条件下水分子的扩散运动不同而开发的。在H-DWI时,水分子的扩散活动越剧烈,各分子间的相位分散程度越大,采集的信号越弱。ADC值反映水分子在组织内的扩散运动能力，值越大,水分子的扩散运动越强。
从此次研究结果可以看出，在缺血性脑血管病的超急性期，尤其在发病5小时以内，DWI较常规T2WI有明显的优势。病理生理实验证明，中枢神经元在突然发生的完全缺血缺氧后几分钟即会出现细胞内代谢紊乱，由此引发细胞内环境异常，酶和膜系统发生功能障碍，细胞内离子浓度改变，水分增加。此时单位体积组织内水分子的ADC值开始下降，在H-DWI图像上即会出现异常的高信号。如果脑组织缺血缺氧情况得不到改善，那么ADC值很快下降，一般在几小时内达到最低水平。这时，局部组织的细胞内容积与细胞外容积的比值达到最大。以后，随着细胞毒性水肿的进展和血管源性水肿的出现，ADC值将维持在一个较低水平。当细胞损伤发展到细胞内甚至整个细胞的膜系统崩溃时，ADC值开始逐渐上升。最后，当组织内有形成分液化消失后，ADC值达到高峰,并将维持在高水平。在ADC值上升的过程中，会有一个恢复到原有基础水平的时期，也就是假正常化现象。Lee等[2～5]所做的动物和临床试验证实了这一规律的存在。我们观察到的急性脑缺血后脑组织ADC值的动态变化过程与上述病理生理发展过程相符。因此，了解急性脑缺血后脑组织的ADC值随时间的动态演化过程有着重要的临床意义。目前，国际上已有基于动物模型试验的文献报道，但尚无类似的较为细致的临床研究。
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表2显示发病早期病灶中心的ADC值均较健侧下降50%以上。此ADC值的显著下降提示局部细胞毒性脑水肿已经发展到一定的程度，但并非表示此时的组织损伤是不可逆的。发病几小时后逐渐扩大的H-DWI异常高信号区基本上与PWI所示的血流灌注异常区域相吻合，这里包括理论上的缺血边缘带。在部分病例,我们观察到这些区域组织信号很快恢复，组织未向梗死方向发展。所以，只有综合地观察ADC值的下降幅度及其动态演变过程，才能准确地了解急性脑缺血发作后的病理生理过程。
另外，单纯DWI图像上的异常高信号可能仅反映局部组织细胞内容积与细胞外容积比值的增大[6]。此异常高信号不仅在细胞毒性脑水肿发生时出现，也会在某些其他病理生理状态时出现，故对急性缺血性脑血管病的诊断必须是综合性的。
在此次研究中，我们还发现在严重的局部脑缺血发作后，同一个动脉供血区的大脑皮层和深部灰质核团往往先于大脑白质出现H-DWI信号的异常。这说明代谢旺盛的组织对血供的减少更为敏感;同时也提示定量地研究脑缺血的严重程度与脑缺血发生、发展过程之间关系的重要性。
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二、灌注加权成像
磁共振血流灌注成像要求较高的时间分辨率和空间分辨率。EPI技术是目前速度最快的MR成像方法，此次应用的设备可以在40毫秒内完成一幅图像的扫描。应用对磁场的不均匀性很敏感的EPI-FID序列，当顺磁性造影剂,如Gd-DTPA进入受检组织后,引起局部组织内磁场微环境变化,相应的组织信号减弱。根据组织信号-时间变化曲线,可获得部分的血液动力学参数。
磁共振血流灌注成像可以提供必要的血液动力学参数[7，8]。通过综合分析这些参数，可以掌握组织血液供给的具体情况：(1)灌注不足：MTT明显延长，rCBV减少，rCBF明显减少；(2)侧支循环信息：MTT延长，rCBV增加或尚可；(3)血流再灌注信息：MTT缩短或正常，rCBV增加，rCBF正常或轻度增加；(4)过度灌注信息：rCBV与rCBF均显著增加。
此次研究显示,在急性脑缺血发作早期，局部脑血流灌注均有下降。其中，rCBV的减少是最直观的指标，它反映单位质量组织内血容量的减少。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加血容量来代偿。这时，我们可以通过rCBF和MTT来了解局部组织的灌注情况。但在严重的急性脑缺血持续一段时间后，缺血区的血管床本身受到严重损伤，上述的代偿机制不能发挥作用；而相邻损伤轻的区域血管床反而显著扩张，rCBV显著增加，由此引起的脑内盗血现象可能造成病程的恶化。多个病例显示,在脑缺血的急性期，甚至在发病后2小时，同侧大脑半球即有灌注不足与过度灌注同时存在的现象，在多数情况下，这些区域会不同程度地向坏死方向发展，表现为H-DWI上异常高信号区的逐渐扩大和信号加强。如本组1例，过度灌注区内的部分区域也发展为坏死灶，其与缺血区交界处发生缺血后皮层下出血。可见，急性脑缺血发作后，过度灌注和持续的灌注不足均是造成脑组织损伤发展的原因。如何在发病早期适当地恢复有效的血液供应并且避免过度灌注造成的损伤，是该病治疗学的一个重要课题。
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如今，脑血液动力学改变与急性缺血性脑血管病的病理生理过程之间的具体关系亟待研究。我们已经知道脑缺血后脑组织ADC值的演变与其病理生理过程相关，因此，结合DWI和PWI技术可以帮助我们研究脑血液动力学与急性脑缺血发生、发展之间的潜在规律。
三、扩散及灌注成像方法
在本研究中，DWI的梯度场是加在X轴方向的。但实际水分子的扩散运动是向任意方向的，再加上组织结构的不同造成扩散的各向异性，所获得的ADC的绝对值会有所偏差。在测量时，我们尽量使用较大的ROI，且定位在脑灰质的区域，并将双侧相同组织的ADC值进行对照，以减少上述因素造成的影响。
PWI检查是一种实用的血液动力学检测技术，但由于组织相关系数K不确定等因素，目前尚不能获得rCBV和rCBF的绝对值。因此，我们通过比较患侧与健侧相对应的组织部位进行半定量的研究。另外，还有如下几个问题需要注意：(1)多数受检患者有一定的脑血管病基础，其健侧血供与正常人群仍有所差异；(2)我们采用手推造影剂快速注射近似团注的方法，注药时间相对较长；(3)Gd-DTPA在血液中的半衰期较长，可反复循环进入受检组织，这是造成信号-时间曲线漂移的一个重要原因。因此，进行PWI最好使用半衰期短的血池类造影剂。
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参考文献
1 Zierler KL. Theoretical basis of indicator-dilution methods for measuring flow and volume. Circ Res, 1962, 10: 393-407.
2 Lee VM, Burdett NG, Carpenter TA, et al. Evolution of photochemically induced focal cerebral ischemia in the rat: magnetic resonance imaging and histology. Stroke, 1996, 27: 2 110-2 119.
3 Pierpaoli C, Righini A, Linfante I, et al. Histopathologic correlates of abnormal water diffusion in cerebral ischemia: diffusion-weighted MR imaging and light and electron microscopic study. Radiology, 1993, 189:439-448.
, 百拇医药
4 Warach S, Gaa J, Siewert B, et al. Acute human stroke studied by whole brain echo planar diffusion-weighted magnetic resonance imaging. Ann Neurol, 1995, 37: 231-241.
5 Marks MP, de Crespigny A, Lentz D, et al. Acute and chronic stroke: navigated spin-echo diffusion-weighted MR imaging. Radiology, 1996, 199: 403-408.
6 Anderson AW, Zhong JH, Petroff OAC, et al. Effects of osmotically driven cell volume changes on diffusion-weighted imaging of the rat optic nerve. MRM, 1996, 35: 162-167.
, 百拇医药
7 Rempp KA, Brix GB, Wenz F, et al. Quantification of regional cerebral blood flow and volume with dynamic susceptibility contrast-enhanced MR imaging. Radiology, 1994, 193: 637-641.
8 Nighoghossian N, Berthezene Y, Philippon B, et al. Hemodynamic parameter assessment with dynamic susceptibility contrast magnetic resonance imaging in unilateral symptomatic internal carotid artery occlusion. Stroke, 1996, 27: 474-479.
(收稿：1997-11-11 修回：1998-02-20), 百拇医药