MR扩散与灌注成像在脑缺血诊断中的应用
作者：韩鸿宾 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；脑梗死；磁共振成像
中华放射学杂志980602.htm 【摘要】 目的 总结脑缺血在MR扩散与灌注成像上的表现，阐述其技术原理，评价MR表观扩散系数(ADC)图及Gd-DTPA血流灌注成像在急性脑缺血诊断中的作用。方法 应用回波平面快速成像技术对缺血性中风发作后2小时至2个月的36名患者进行扩散或表观扩散系数成像、常规T1、T2加权像。其中12例同时进行Gd-DTPA血流灌注成像。结果 在扩散加权像或T2加权像显示异常的区域, Gd-DTPA灌注图示10例梗死区较对侧相应区有不同程度的相对脑血容量及血流量下降，1例与对侧相同，1例较对侧升高。梗死中心区的造影剂通过时间较对侧延长(配对t检验: P<0.05) 。梗死灶位于顶叶及豆状核区的病例中外侧近皮层区脑血流下降程度较内侧及病灶中心为轻(方差分析F检验, P<0.01)。MR扩散加权像能够在缺血发作后2小时显示缺血病灶。早期梗死灶在扩散加权像上表现为高信号，表观扩散系数图上表现为低信号，ADC值低于对照区。随发作与检查间隔延长，ADC比率(ADCR)上升, 与时间呈明显相关: r=0.89, P<0.01。结论 Gd-DTPA 血流灌注成像可以分析缺血区血容量、血流量下降及恢复。扩散加权像较常规T1、T2加权像在脑缺血早期诊断及其演变中更有价值。
, 百拇医药
Application of EPI diffusion -weighted and Gd -DTPA T2* perfusion imaging in the diagnosis of brain ischemia Han Hongbin，Xie Jingxia.Department of Radiology，the Third Clinical Hospital of Beijing Medical University，Beijing 100083
【Abstract】 Purpose To study the MR appearances of brain ischemia on diffusion-weighted imaging (DWI) and evaluate the role of EPI ADC-map、DWI and T2* perfusion imaging in acute stroke. Methods DWI or ADC-map and routine T1WI and T2WI were performed in 36 patients with stroke ( the time after onset of stroke: 2 hours - 2 months).Among them,12 cases had perfusion imaging simultaneously. Results Gd-DTPA T2* perfusion imaging demonstrated decrease of rrCBV and rrCBF in 10 cases; identical in 1 case and increase in 1 case. The mean transit time in the diseased area was longer than that of the contralateral corresponding region (paired t test: P<0.05). The rrCBF at the lateral region was higher than that of the center and the medial region in those cases with infarction located at parietal lobe and putamen. DWI could detect ischemic lesions as early as 2 hours after the onset. Early ischemic lesions were identified as hyperintense regions in DWI, and hypointense regions on ADC map, the ADC value was less than that of contralateral corresponding region. The ADCR increased progressively with time. The Pearson product-moment correlation for time versus ADCRX was r=0.89,P<0.01. Conclusion EPI-T2* perfusion imaging can demonstrate the decrease and restoration of CBF in the brain ischemic regions. DWI and ADC-map are highly valuable in the early diagnosis and monitoring the development of brain ischemic disease.
, 百拇医药
【Key words】 Cerebral ischemia Cerebral infarction Magnetic resonance imaging
MR扩散成像在脑缺血中的诊断价值已经被动物实验所证实[1],其临床应用在国外正积极开展[2，3]，国内尚未见报道。顺磁性造影剂灌注图可以反映局部脑相对血容量及血流量的变化，在颅脑病变中的应用价值还有待于进一步研究。笔者结合本院MR回波平面(EPI)扩散、表观扩散系数(ADC)成像及灌注成像在脑缺血病人中的初步应用，总结其MRI表现，并进一步讨论扩散与灌注成像的机理及其潜在的临床价值。
材料与方法
病例情况：1996年12月至1997年7月间，对36例被神经科医师诊断为脑缺血或脑梗死的病人进行前瞻性研究；年龄35～82岁，平均57.8岁；男24例，女12例。起病时间：2小时至2个月。
, http://www.100md.com
影像学检查：MR采用西门子Vision 1.5T超导型MR设备。造影剂：采用北陆医药化工集团生产的钆喷酸葡胺注射液(品名：磁显葡胺)。每例均进行常规扫描，包括：T1加权像：自旋回波(SE)序列，TR 560毫秒、TE 16毫秒；T2加权像：超快速(turbo) SE序列，TR 4 000毫秒、TE 99毫秒,反转角180°；扩散加权像(DWI)：EPI序列，TR 4 000毫秒、TE 101毫秒、延迟时间(TD)209毫秒、 反转角90°。梯度场：X轴方向；扩散敏感系数(b)=30,300, 1 200s/mm2或ADC图(EPI序列，TR 4 000毫秒，TE 101毫秒，TD 209毫秒, 反转角90°；b＝30，300，1 000s/mm2；取以X、Y、Z三个方向，即每层将产生9幅扩散加权像与1幅基础T2*像，共同经计算机处理得到ADC图。对脑皮质区、基底节区与脑白质区(半卵圆中心)分别进行测量X方向及3个方向的扩散。12例同时行血流灌注加权成像(PWI)：TR 1.2毫秒、TE 42.1毫秒、TD 27毫秒，反转角90°。扫描时间：1秒，共40～60次。采用18～20G静脉穿刺针，从第四次末开始经肘部静脉团注Gd-DTPA(每公斤体重2 ml)。脑梗死的诊断：出现相应神经症状，持续24小时以上，并排除其他疾病，经MR、CT随诊证实。短暂脑缺血发作：症状体征消失于24小时之内，不遗留神经障碍。结果处理方法: 扩散值采用公式DX=1n(Sn/S1)/(b1-bn)计算得出,DX为X轴方向的扩散,Sn为扩散敏感系数是bn时的信号强度; 扩散比率(ADCR)为患侧病灶区与对侧相应区的扩散值的比值。灌注成像：T2*的变化率(ΔR*)=-1n(Sn/S1)/TE，Sn为n时刻病灶的信号强度,TE为回波时间。ΔR*(t)的积分∫ΔR*dt，应用辛普生公式计算得到。局部相对脑血容量(rrCBV)=∫ΔR*dt，造影剂通过时间(MTT)=∫(ΔR*×t)dt/∫ΔR*dt，局部相对脑血流量(rrCBF)=rrCBV/MTT，局部相对脑血流量比率(rrCBFR)=患侧rrCBF/健侧rrCBF。
, http://www.100md.com
结果
36例患者，经随诊证实33例为脑梗死, 3例为短暂脑缺血发作(TIA)。起病在6小时以内的8例在CT、常规MRI T1、T2加权像上未见异常，5例在DWI上发现与神经体征相对应区域的高信号病灶影，即“灯泡征” (图1)。经随诊CT、MRI证实为脑梗死。另外3例DWI未见异常,其症状与体征在24小时内减轻、消失, 临床诊断为TIA。
T2、T1加权像分别最早于起病后10、14小时才显示病灶区异常信号(T2、T1值延长)，CT最早于起病后22小时才能发现低密度病灶。2例未见异常,经随诊证实为TIA。
图1 右侧内囊后肢超早期(4小时)梗死,T1(上左图)、T2加权像(上右图)未见异常, 扩散加权像显示病灶：下左图扩散敏感系数(b)=300s/mm2；下右图b=1 000s/mm2
, http://www.100md.com
DWI显示高信号的区域在ADC图上为低信号。本研究中共10例同时进行DWI(X轴方向)及ADC图成像。DWI测得正常皮质区和基底节区的平均扩散值分别为(8.88±1.47)×10-4mm2/s、(9.29±1.57)×10-4mm2/s; ADC图测得皮质区和基底节区的平均扩散值分别为(8.67±0.58)×10-4mm2/s、(8.96±1.23)×10-4mm2/s。配对t检验证实两种检查结果无显著性差异。DWI测得白质区扩散值平均为(4.09±1.35)×10-4mm2/s; ADC图测得白质区扩散值平均为(6.42±0.74)×10-4mm2/s。配对t检验证实两种检查结果具有显著性差异(表1)。
起病在10～24小时的12例,其中6例DWI显示的病灶范围较T2加权像显示范围大,均为大脑中动脉供血区梗死。T2加权像仅显示脑皮质区肿胀信号升高,与周围分界不清。T1加权像显示皮质区肿胀, 2例信号无改变,4例稍下降。其余6例DWI显示的病灶范围与T2、T1加权像显示范围相同,病灶与周围分界清楚。起病在2～24小时的病例, 梗死区的ADCRX(表观扩散系数比率：梗死区ADC值与对侧相应区ADC值的比值；X表示为X轴方向)为0.61±0.19。6例距起病3～6天DWI显示的病灶范围与T2加权像显示范围相同,病灶与周围分界清楚，T1加权像显示信号下降，病灶中心ADCRX为0.73±0.24。4例距起病8～14天DWI显示病灶中心呈等信号, ADCRX为1.16±0.45。6例距起病1～2个月, DWI示病灶呈低信号，T2、T1加权像显示病灶呈脑脊液样信号，ADCRX为2.65±1.36。ADCRX相对时间呈明显相关性(r=0.89,P<0.01)。ADCRX随时间变化的趋势如图2。1例男性, 失语并右侧肢体无力,分别于发病后2小时、4天、10天进行DWI扫描，2小时时仅于顶叶、岛叶、颞叶脑回边缘处见高信号影, 而 T1、T2加权像及CT均未见异常(图3)；4天时DWI见大脑中动脉远端供血区大面积脑梗死, DWI与T1、T2加权像显示范围一致。10天时病灶中心区出现等信号区(图4)。表1 10例灰质区(皮层灰质、基底节区)与白质区(半卵圆中心)X轴方向ADCX与3个方向ADC值的比较(×10-4mm2/s)
, 百拇医药
病例
灰质区ADCX
灰质区ADC
白质区ADCX
白质区ADC
灰质
基底节区
灰质
基底节区
1
8.60
8.87
8.59
, 百拇医药
9.31
4.70
6.52
2
8.58
9.15
8.67
8.54
2.51
6.67
3
7.85
8.49
, http://www.100md.com
8.45
8.62
2.08
6.41
4
9.78
8.29
8.68
7.78
4.95
6.01
5
10.05
, 百拇医药
12.50
9.07
9.31
5.80
7.49
6
12.00
11.60
10.05
11.56
2.95
4.98
7
, 百拇医药
8.69
9.80
8.42
10.30
3.50
7.50
8
7.85
8.23
8.61
8.81
4.98
5.92
, 百拇医药
9
6.83
7.81
8.01
7.69
3.51
6.35
10
8.95
8.60
7.95
8.02
5.85
, http://www.100md.com
6.55
均值(
)
8.88①
9.29①
8.67
8.96
4.09②
6.42
标准差(s)
1.47
1.57
, 百拇医药
0.58
1.23
1.35
0.74
注：ADC为表观扩散系数，ADCX为X轴方向的表观扩散系数，①灰质区ADCX与ADC值无显著性差异，配对t检验，t=0.64，P=0.53；基底节区ADCX与ADC值无显著性差异，配对t检验，t=0.86，P=0.41；②白质区ADCX与ADC值有显著性差异，配对t检验，t=5.59，P=0.000 3
ADCRX为X轴方向的表观扩散系数比率，ADCRX=0.47+0.005×T(r=0.89, P<0.001)；梗死区ADCRX与时间明显相关
, http://www.100md.com
图2 ADCRX随时间变化的趋势
表2 顶叶及豆状核区梗死灶的rrCBV、rrCBF比率分布
rrCBF比率
rrCBV比率
病灶中心/对侧
0.48±0.12
0.49±0.17
外侧边缘/对侧
0.79±0.24①
0.86±0.24①
内侧边缘/对侧
, 百拇医药
0.49±0.17②
0.53±0.15②
注：rrCBF为局部相对脑血流量，rrCBV为局部相对脑血容量。经方差分析F检验：F(rrCBV)=6.89, P<0.01；F(rrCBF)=6.12, P<0.01。①分别与病灶中心、内侧边缘比较，有显著性差异；②与病灶中心比较无显著性差异，与外侧边缘比较有显著性差异表3 12例缺血区与对侧相应区MTT比较
病例
缺血区MTT(秒)
对侧相应区MTT(秒)
1
30
, http://www.100md.com
28
2
37
19
3
31
22
4
22
22
5
23
20
6
, http://www.100md.com
30
26
7
22
22
8
28
23
9
32
28
10
25
22
, 百拇医药
11
24
24
12
35
35
均值()
28.08
24.62
标准差(s)
5.06
4.42
, 百拇医药
注：MTT为造影剂通过时间
本组23例初诊时扩散加权像表现为高信号的病灶均经随诊证实为梗死。3例于扩散加权像、T1及T2加权像均未见异常，分别于起病后12、20、24小时时症状、体征消失，以后随诊也未见异常。临床诊断为TIA。
36例中有12例，共进行13次灌注成像。病灶中心区相对脑血流量比率(病灶区相对脑血流量与对侧相应区相对脑血流量的比值，rrCBFR)。其中7例rrCBFR<0.30(图5)；3例<0.60, >0.30；1例近似于对侧区(图6)，1例高于对侧区,平均为0.35±0.21。6例位于顶叶及豆状核区的病灶，其外侧边缘rrCBF比率平均为0.79±0.24, 而病灶中心rrCBF比率平均为0.48±0.12,两者比较有显著性差异；病灶内侧边缘与病灶中心rrCBF比率无显著性差异(表2)。在脑内其他区的病变如丘脑,其内、外边缘及病灶中心rrCBF降低的程度一致, 无显著性差异(F=2.83,P>0.05)。1例分别于发作后第10天与第25天进行灌注成像，显示病灶区由明显下降到再灌注血供恢复的过程(图5，6)。
, 百拇医药
病灶区造影剂通过时间(MTT)绝对值较对侧相应区延长,分别为28.08±5.06秒、24.62±4.42秒，经配对t检验: t=2.69,P=0.02,统计学上具有显著性差异, 如表3所示。
图3 左侧大脑中动脉供血区梗死。起病后2小时：扩散加权像(上左图)示左岛叶、颞叶高信号；CT(上右图) 、T1加权像(下左图)、T2加权像(下右图)示未见异常 图4 病例同图3, 起病后4天：扩散加权像(上左图)示病灶范围扩大, T1加权像(上右图)、T2加权像(下左图)显示病灶范围与扩散像相同；起病后10天：扩散加权像(下右图)示病灶中心呈等信号
图5 梗死区rrCBV重度下降(10天)：1区示梗死区∫△R*为0.015 3；2区示对侧相应区 ∫△R*为0.060 5；比值为0.25。1区MTT为37.14秒,2区为34.02秒。1区rrCBF=4.12×10-4，2区为17.80×10-4；比值为0.232 图6 梗死区rrCBV的恢复(起病后25天)：1区示梗死区∫△R*为0.092；2区示对侧相应区∫△R*为0.105；比值为0.876。1区MTT为22秒,2区为22秒。1区rrCBF=4.182×10-3，2区为4.773×10-3；比值为0.876
, http://www.100md.com
rrCBF比率相对时间及相应区ADCR的相关性检验：经积差相关检验，其r值分别为-0.37、-0.35；P>0.05，结果表明无显著相关性。讨论
一、扩散成像的原理与技术
扩散是指分子的随机侧向运动(布朗运动)。单位是：mm2/s。扩散成像因为能在活体中非创伤性测定分子的扩散情况而受到越来越多的关注，可用爱因斯坦公式来表示：
<χ2>=2DT
<χ2>是平均位移平方；D为扩散系数；T为扩散时间。在常规SE序列中,在180°脉冲前后加入强梯度磁场后, 质子沿梯度场扩散将导致自旋频率变化，进一步使被测体素内质子自旋失相位，回波信号衰减。可以表示为：
S(nTE)/S(0)=exp[(-nTE)/T2]-exp(Db)
, 百拇医药
其中S(nTE)为第n次回波时的信号强度；D为扩散系数；exp为指数；TE为回波时间；b为扩散敏感系数，可以表示如下：
b=r2G2δ2[Δ-(δ/3)]
r为旋磁比；G为梯度场强；δ为持续时间；Δ为间隔时间。
因D参数具有各向异性，所以在测量时要X、Y、Z轴3个不同方向分别加以梯度磁场。表示如下：
D(X,Y,Z)={ln[Sn(X,Y,Z)/S1(X,Y,Z)]}/(b1-bn)
扩散加权像是在某一b值下测得的信号强度成像。在活体中，由于细胞膜、细胞器等的存在，D表现为受限扩散。所测得的D值也不完全代表扩散，还包括微循环中血流、脉搏搏动、呼吸、脑脊液搏动等其他因素，所以用表观扩散系数ADC来表示人体中所测得的D值。应用上述公式可以在MR图像上计算出每个像素的ADC值，按一定比例灰阶成像可获得ADC图。EPI特点为单次激发，1次或少于1次采集数据即可完成K空间的信息采集。应用EPI的主要目的就是减少成像时间，使成像时间在30～120毫秒, 从而去除因脉搏、脑脊液搏动或呼吸所造成的ADC值增加。
, 百拇医药
二、MR DWI在脑缺血诊断中的价值
1. 早期脑缺血的诊断：本研究结果表明DWI能够在超早期发现脑缺血灶，最早在起病2小时后发现病灶。而T2加权像最少需要10小时、T1加权像需要14小时才以能发现病灶。DWI显示病灶在超早期为高信号, 较T2加权像显示区域面积大,随时间延长,病灶范围扩大,在3～6天时扩散加权像与T2加权像显示病灶范围相同。在10天左右，病灶中心在DWI上呈等信号，之后信号逐渐下降。在起病10～24小时的12例中，6例DWI显示病灶范围大于T2加权像, 6例范围相同。
2.扩散加权像结合T2加权像有助于新旧梗死灶的鉴别：急性或亚急性与慢性梗死期, 由于缺血或梗死灶水含量增加, T2值延长,所以T2加权像均可表现为高信号。急性或亚急性期在DWI表现为高信号, 而慢性期表现为低信号。ADC图上信号强度与DWI所示相反。因此,结合T2加权像, DWI有助于新旧脑梗死灶的鉴别。
, http://www.100md.com
3.梗死中心区ADCR的演变： 中心区随梗死发作时间的延长其ADCR值逐渐升高，超早期ADCR迅速下降，约为0.6, 于第3～6天上升为0.7，第8～14天为1.0左右，之后继续上升。ADCR相对时间的积差相关性检验证实其与时间呈显著相关性(r=0.89，P<0.01)。
4.DWI对脑缺血的预后判断：3例临床诊断脑梗死,在DWI及T2、T1加权像未见异常,随诊证实为TIA，其他25例初诊时DWI表现高信号者均经随诊证实为脑梗死。提示DWI对脑缺血的预后判断有帮助。
三、脑梗死DWI表现的病理及生物物理学基础
动物实验证实中心区出现等信号时神经元出现不可逆损伤，即血管源性水肿和细胞溶解, ADC值的进一步升高与局部缺血灶坏死有关[4,5]。
关于脑缺血时，ADC值下降的确切生物物理学机制仍不清楚。目前存在细胞毒性水肿、微循环障碍、温度、膜通透性变化等学说，多数实验的结果都支持细胞毒性水肿学说。在常规T1、T2及质子加权像上早期脑缺血无异常变化，说明组织总水含量在这个阶段并无增加，提示扩散异常可能是由于细胞内外水分配比例的变化。脑组织急性缺血后，脑电电阻的增加与细胞外间隙的缩减是一致的。缺血几分钟后钠-钾泵功能失调，将导致钠、水潴留。通过输入钠-钾ATP酶抑制剂毒毛旋花子甙G(Ouabain)或N-甲基-D-门冬胺酸(NMDA)受体活化剂均可产生缺血，类似ADC值下降[6]。NMDA受体拮抗剂MK-801及钙离子阻滞剂可使扩散异常得以恢复[7,8]。
, 百拇医药
四、 脑梗死的MR 血流灌注成像
Gd-DTPA T2*灌注成像与传统MR增强不同。传统MR增强是由于距离范围内的偶极-偶极作用而引起。采用团注顺磁性造影剂，利用其在脑微循环中首过时引起的局部磁场不均匀性，使T2*缩短，导致自旋质子失相位而信号下降，与引起T1缩短的偶极-偶极作用不同，其范围较大。T2*变化率ΔR2*与脑组织中造影剂浓度呈线性关系，ΔR*＝-ln(Sn/S0)/TE。∫ΔR*dt与局部脑血容量有关，并可用来代表局部相对脑血容量[9～11]。在造影剂不能通过血脑屏障或血脑屏障未被破坏时,可以用∫(ΔR*×t)dt/∫ΔR*dt来计算造影剂通过时间。
, 百拇医药
灌注像应用EPI技术快速扫描提高对造影剂通过脑组织时引起的T2*下降的时间分辨力，本次试验所应用的序列成像时间为1秒。最初4次所获得图像的信号不稳定，变化明显，所以造影剂的注入应于第四次末开始。
本试验中12例进行的13次Gd-DTPA灌注成像中, 10次于DWI或T2WI显示异常信号区rrCBV、rrCBF下降。3次出现病灶区相对脑血容量、血流量相等或升高，提示再灌注形成。造影剂通过时间在缺血侧较健侧延长,并具有显著性差异, 说明梗死区血流速度下降。同时,也可能是rrCBF比率较rrCBV比率低的直接原因。
顶叶及豆状核区梗死灶局部相对脑血容量及血流量的下降在不同的部位不完全相同：近皮层侧较内侧为轻。可能是由于近皮层区与脑膜血管形成的侧支循环较丰富有关。梗死中心区rrCBV、rrCBF与ADCR、时间变化无明显相关性。但本研究中进行灌注成像的病例数较少，而且时间多集中在3～10天,对超急性期及慢性期梗死的rrCBV、rrCBF变化，及其与病灶区DWI及T1、T2加权像的关系也未阐明，尚有待进一步研究。
, http://www.100md.com
能够反映局部脑血流的Gd-DTPA 灌注成像及能够早期发现缺血病灶并具有一定演变规律的MR DWI在急性脑梗死的定性、定量诊断方面有重要的临床意义。进一步研究，以明确脑梗死患者DWI异常的病理、病理生理基础，及其在超早期动脉溶栓治疗中的意义已成为可能和必要。
参考文献
1 Moseley ME, Cohen Y, Mintorovitch J, et al. Early detection of regional cerebral ischemia in cats:comparion of diffusion-and T2-weighted MRI and spectroscopy.Magnet Reson Med,1990，14:330-346.
2 Memezawa H,Smith ML,Siesj BK. Penumbral tissues salvaged by reperfusion following middle cerebral artery occlusion in rats.Stroke, 1992,23:552-559.
, 百拇医药
3 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.
4 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.
5 Matsumoto K, Lo EH, Pierce AR, et al.Role of vasogenic edema and tissue cavitation in ischemic evolution on diffusion-weighted imaging:comparison with multiparameter MR and immunohistochemistry.AJNR, 1995, 16:1 107-1 115.
, http://www.100md.com
6 Benveniste H, Hedlund LW,Johnson GA.Mechanism of detection of acute cerebral ischemia in rats by diffusion-weighted magnetic resonance imaging. Stroke, 1992, 23:1 304-1 310.
7 Minematsu K,Fisher M,Li L, et al. Effects of a novel NMDA antagonist on experimental stroke rapidly and quantitatively assessed by diffusion-weighted MRI. Neurology， 1993，43:397-403.
8 Kucharczyk J,Mintorovitch J, Moseley ME, et al.Ischemic brain damage: reduction by sodium-calcium ion channel modulator RS-87476. Radiology,1991,179:221-227.
, 百拇医药
9 Villringer A,Rosen BR,Belliveau JW,et al. Dynamic imaging with lanthanide chelates in normal brain:contrast due to magnetic susceptibility effects.Magn Reson Med,1988，6:164-174.
10 Edelman RR,Mattle HP, Atkinson DJ, et al.Cerebral blood flow: assessment with dynamic contrast-enhenced T2*-weighted MR imaging at 1.5 T.Radiology， 1990，176:211-220.
11 Reith W, Forsting M, Volger H, et al. Early MR detection of experimentally induced cerebral ischemia using magnetic susceptibility contrast agents:comparison between gadopentetate dimeglumine and iron oxide particles.AJNR，1995, 16:53-60.
(收稿：1997-08-04 修回：1997-12-28), 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；脑梗死；磁共振成像
中华放射学杂志980602.htm 【摘要】 目的 总结脑缺血在MR扩散与灌注成像上的表现，阐述其技术原理，评价MR表观扩散系数(ADC)图及Gd-DTPA血流灌注成像在急性脑缺血诊断中的作用。方法 应用回波平面快速成像技术对缺血性中风发作后2小时至2个月的36名患者进行扩散或表观扩散系数成像、常规T1、T2加权像。其中12例同时进行Gd-DTPA血流灌注成像。结果 在扩散加权像或T2加权像显示异常的区域, Gd-DTPA灌注图示10例梗死区较对侧相应区有不同程度的相对脑血容量及血流量下降，1例与对侧相同，1例较对侧升高。梗死中心区的造影剂通过时间较对侧延长(配对t检验: P<0.05) 。梗死灶位于顶叶及豆状核区的病例中外侧近皮层区脑血流下降程度较内侧及病灶中心为轻(方差分析F检验, P<0.01)。MR扩散加权像能够在缺血发作后2小时显示缺血病灶。早期梗死灶在扩散加权像上表现为高信号，表观扩散系数图上表现为低信号，ADC值低于对照区。随发作与检查间隔延长，ADC比率(ADCR)上升, 与时间呈明显相关: r=0.89, P<0.01。结论 Gd-DTPA 血流灌注成像可以分析缺血区血容量、血流量下降及恢复。扩散加权像较常规T1、T2加权像在脑缺血早期诊断及其演变中更有价值。
, 百拇医药
Application of EPI diffusion -weighted and Gd -DTPA T2* perfusion imaging in the diagnosis of brain ischemia Han Hongbin，Xie Jingxia.Department of Radiology，the Third Clinical Hospital of Beijing Medical University，Beijing 100083
【Abstract】 Purpose To study the MR appearances of brain ischemia on diffusion-weighted imaging (DWI) and evaluate the role of EPI ADC-map、DWI and T2* perfusion imaging in acute stroke. Methods DWI or ADC-map and routine T1WI and T2WI were performed in 36 patients with stroke ( the time after onset of stroke: 2 hours - 2 months).Among them,12 cases had perfusion imaging simultaneously. Results Gd-DTPA T2* perfusion imaging demonstrated decrease of rrCBV and rrCBF in 10 cases; identical in 1 case and increase in 1 case. The mean transit time in the diseased area was longer than that of the contralateral corresponding region (paired t test: P<0.05). The rrCBF at the lateral region was higher than that of the center and the medial region in those cases with infarction located at parietal lobe and putamen. DWI could detect ischemic lesions as early as 2 hours after the onset. Early ischemic lesions were identified as hyperintense regions in DWI, and hypointense regions on ADC map, the ADC value was less than that of contralateral corresponding region. The ADCR increased progressively with time. The Pearson product-moment correlation for time versus ADCRX was r=0.89,P<0.01. Conclusion EPI-T2* perfusion imaging can demonstrate the decrease and restoration of CBF in the brain ischemic regions. DWI and ADC-map are highly valuable in the early diagnosis and monitoring the development of brain ischemic disease.
, 百拇医药
【Key words】 Cerebral ischemia Cerebral infarction Magnetic resonance imaging
MR扩散成像在脑缺血中的诊断价值已经被动物实验所证实[1],其临床应用在国外正积极开展[2，3]，国内尚未见报道。顺磁性造影剂灌注图可以反映局部脑相对血容量及血流量的变化，在颅脑病变中的应用价值还有待于进一步研究。笔者结合本院MR回波平面(EPI)扩散、表观扩散系数(ADC)成像及灌注成像在脑缺血病人中的初步应用，总结其MRI表现，并进一步讨论扩散与灌注成像的机理及其潜在的临床价值。
材料与方法
病例情况：1996年12月至1997年7月间，对36例被神经科医师诊断为脑缺血或脑梗死的病人进行前瞻性研究；年龄35～82岁，平均57.8岁；男24例，女12例。起病时间：2小时至2个月。
, http://www.100md.com
影像学检查：MR采用西门子Vision 1.5T超导型MR设备。造影剂：采用北陆医药化工集团生产的钆喷酸葡胺注射液(品名：磁显葡胺)。每例均进行常规扫描，包括：T1加权像：自旋回波(SE)序列，TR 560毫秒、TE 16毫秒；T2加权像：超快速(turbo) SE序列，TR 4 000毫秒、TE 99毫秒,反转角180°；扩散加权像(DWI)：EPI序列，TR 4 000毫秒、TE 101毫秒、延迟时间(TD)209毫秒、 反转角90°。梯度场：X轴方向；扩散敏感系数(b)=30,300, 1 200s/mm2或ADC图(EPI序列，TR 4 000毫秒，TE 101毫秒，TD 209毫秒, 反转角90°；b＝30，300，1 000s/mm2；取以X、Y、Z三个方向，即每层将产生9幅扩散加权像与1幅基础T2*像，共同经计算机处理得到ADC图。对脑皮质区、基底节区与脑白质区(半卵圆中心)分别进行测量X方向及3个方向的扩散。12例同时行血流灌注加权成像(PWI)：TR 1.2毫秒、TE 42.1毫秒、TD 27毫秒，反转角90°。扫描时间：1秒，共40～60次。采用18～20G静脉穿刺针，从第四次末开始经肘部静脉团注Gd-DTPA(每公斤体重2 ml)。脑梗死的诊断：出现相应神经症状，持续24小时以上，并排除其他疾病，经MR、CT随诊证实。短暂脑缺血发作：症状体征消失于24小时之内，不遗留神经障碍。结果处理方法: 扩散值采用公式DX=1n(Sn/S1)/(b1-bn)计算得出,DX为X轴方向的扩散,Sn为扩散敏感系数是bn时的信号强度; 扩散比率(ADCR)为患侧病灶区与对侧相应区的扩散值的比值。灌注成像：T2*的变化率(ΔR*)=-1n(Sn/S1)/TE，Sn为n时刻病灶的信号强度,TE为回波时间。ΔR*(t)的积分∫ΔR*dt，应用辛普生公式计算得到。局部相对脑血容量(rrCBV)=∫ΔR*dt，造影剂通过时间(MTT)=∫(ΔR*×t)dt/∫ΔR*dt，局部相对脑血流量(rrCBF)=rrCBV/MTT，局部相对脑血流量比率(rrCBFR)=患侧rrCBF/健侧rrCBF。
, http://www.100md.com
结果
36例患者，经随诊证实33例为脑梗死, 3例为短暂脑缺血发作(TIA)。起病在6小时以内的8例在CT、常规MRI T1、T2加权像上未见异常，5例在DWI上发现与神经体征相对应区域的高信号病灶影，即“灯泡征” (图1)。经随诊CT、MRI证实为脑梗死。另外3例DWI未见异常,其症状与体征在24小时内减轻、消失, 临床诊断为TIA。
T2、T1加权像分别最早于起病后10、14小时才显示病灶区异常信号(T2、T1值延长)，CT最早于起病后22小时才能发现低密度病灶。2例未见异常,经随诊证实为TIA。
图1 右侧内囊后肢超早期(4小时)梗死,T1(上左图)、T2加权像(上右图)未见异常, 扩散加权像显示病灶：下左图扩散敏感系数(b)=300s/mm2；下右图b=1 000s/mm2
, http://www.100md.com
DWI显示高信号的区域在ADC图上为低信号。本研究中共10例同时进行DWI(X轴方向)及ADC图成像。DWI测得正常皮质区和基底节区的平均扩散值分别为(8.88±1.47)×10-4mm2/s、(9.29±1.57)×10-4mm2/s; ADC图测得皮质区和基底节区的平均扩散值分别为(8.67±0.58)×10-4mm2/s、(8.96±1.23)×10-4mm2/s。配对t检验证实两种检查结果无显著性差异。DWI测得白质区扩散值平均为(4.09±1.35)×10-4mm2/s; ADC图测得白质区扩散值平均为(6.42±0.74)×10-4mm2/s。配对t检验证实两种检查结果具有显著性差异(表1)。
起病在10～24小时的12例,其中6例DWI显示的病灶范围较T2加权像显示范围大,均为大脑中动脉供血区梗死。T2加权像仅显示脑皮质区肿胀信号升高,与周围分界不清。T1加权像显示皮质区肿胀, 2例信号无改变,4例稍下降。其余6例DWI显示的病灶范围与T2、T1加权像显示范围相同,病灶与周围分界清楚。起病在2～24小时的病例, 梗死区的ADCRX(表观扩散系数比率：梗死区ADC值与对侧相应区ADC值的比值；X表示为X轴方向)为0.61±0.19。6例距起病3～6天DWI显示的病灶范围与T2加权像显示范围相同,病灶与周围分界清楚，T1加权像显示信号下降，病灶中心ADCRX为0.73±0.24。4例距起病8～14天DWI显示病灶中心呈等信号, ADCRX为1.16±0.45。6例距起病1～2个月, DWI示病灶呈低信号，T2、T1加权像显示病灶呈脑脊液样信号，ADCRX为2.65±1.36。ADCRX相对时间呈明显相关性(r=0.89,P<0.01)。ADCRX随时间变化的趋势如图2。1例男性, 失语并右侧肢体无力,分别于发病后2小时、4天、10天进行DWI扫描，2小时时仅于顶叶、岛叶、颞叶脑回边缘处见高信号影, 而 T1、T2加权像及CT均未见异常(图3)；4天时DWI见大脑中动脉远端供血区大面积脑梗死, DWI与T1、T2加权像显示范围一致。10天时病灶中心区出现等信号区(图4)。表1 10例灰质区(皮层灰质、基底节区)与白质区(半卵圆中心)X轴方向ADCX与3个方向ADC值的比较(×10-4mm2/s)
, 百拇医药
病例
灰质区ADCX
灰质区ADC
白质区ADCX
白质区ADC
灰质
基底节区
灰质
基底节区
1
8.60
8.87
8.59
, 百拇医药
9.31
4.70
6.52
2
8.58
9.15
8.67
8.54
2.51
6.67
3
7.85
8.49
, http://www.100md.com
8.45
8.62
2.08
6.41
4
9.78
8.29
8.68
7.78
4.95
6.01
5
10.05
, 百拇医药
12.50
9.07
9.31
5.80
7.49
6
12.00
11.60
10.05
11.56
2.95
4.98
7
, 百拇医药
8.69
9.80
8.42
10.30
3.50
7.50
8
7.85
8.23
8.61
8.81
4.98
5.92
, 百拇医药
9
6.83
7.81
8.01
7.69
3.51
6.35
10
8.95
8.60
7.95
8.02
5.85
, http://www.100md.com
6.55
均值(
)8.88①
9.29①
8.67
8.96
4.09②
6.42
标准差(s)
1.47
1.57
, 百拇医药
0.58
1.23
1.35
0.74
注：ADC为表观扩散系数，ADCX为X轴方向的表观扩散系数，①灰质区ADCX与ADC值无显著性差异，配对t检验，t=0.64，P=0.53；基底节区ADCX与ADC值无显著性差异，配对t检验，t=0.86，P=0.41；②白质区ADCX与ADC值有显著性差异，配对t检验，t=5.59，P=0.000 3
ADCRX为X轴方向的表观扩散系数比率，ADCRX=0.47+0.005×T(r=0.89, P<0.001)；梗死区ADCRX与时间明显相关
, http://www.100md.com
图2 ADCRX随时间变化的趋势
表2 顶叶及豆状核区梗死灶的rrCBV、rrCBF比率分布
rrCBF比率
rrCBV比率
病灶中心/对侧
0.48±0.12
0.49±0.17
外侧边缘/对侧
0.79±0.24①
0.86±0.24①
内侧边缘/对侧
, 百拇医药
0.49±0.17②
0.53±0.15②
注：rrCBF为局部相对脑血流量，rrCBV为局部相对脑血容量。经方差分析F检验：F(rrCBV)=6.89, P<0.01；F(rrCBF)=6.12, P<0.01。①分别与病灶中心、内侧边缘比较，有显著性差异；②与病灶中心比较无显著性差异，与外侧边缘比较有显著性差异表3 12例缺血区与对侧相应区MTT比较
病例
缺血区MTT(秒)
对侧相应区MTT(秒)
1
30
, http://www.100md.com
28
2
37
19
3
31
22
4
22
22
5
23
20
6
, http://www.100md.com
30
26
7
22
22
8
28
23
9
32
28
10
25
22
, 百拇医药
11
24
24
12
35
35
均值(
)28.08
24.62
标准差(s)
5.06
4.42
, 百拇医药
注：MTT为造影剂通过时间
本组23例初诊时扩散加权像表现为高信号的病灶均经随诊证实为梗死。3例于扩散加权像、T1及T2加权像均未见异常，分别于起病后12、20、24小时时症状、体征消失，以后随诊也未见异常。临床诊断为TIA。
36例中有12例，共进行13次灌注成像。病灶中心区相对脑血流量比率(病灶区相对脑血流量与对侧相应区相对脑血流量的比值，rrCBFR)。其中7例rrCBFR<0.30(图5)；3例<0.60, >0.30；1例近似于对侧区(图6)，1例高于对侧区,平均为0.35±0.21。6例位于顶叶及豆状核区的病灶，其外侧边缘rrCBF比率平均为0.79±0.24, 而病灶中心rrCBF比率平均为0.48±0.12,两者比较有显著性差异；病灶内侧边缘与病灶中心rrCBF比率无显著性差异(表2)。在脑内其他区的病变如丘脑,其内、外边缘及病灶中心rrCBF降低的程度一致, 无显著性差异(F=2.83,P>0.05)。1例分别于发作后第10天与第25天进行灌注成像，显示病灶区由明显下降到再灌注血供恢复的过程(图5，6)。
, 百拇医药
病灶区造影剂通过时间(MTT)绝对值较对侧相应区延长,分别为28.08±5.06秒、24.62±4.42秒，经配对t检验: t=2.69,P=0.02,统计学上具有显著性差异, 如表3所示。
图3 左侧大脑中动脉供血区梗死。起病后2小时：扩散加权像(上左图)示左岛叶、颞叶高信号；CT(上右图) 、T1加权像(下左图)、T2加权像(下右图)示未见异常 图4 病例同图3, 起病后4天：扩散加权像(上左图)示病灶范围扩大, T1加权像(上右图)、T2加权像(下左图)显示病灶范围与扩散像相同；起病后10天：扩散加权像(下右图)示病灶中心呈等信号
图5 梗死区rrCBV重度下降(10天)：1区示梗死区∫△R*为0.015 3；2区示对侧相应区 ∫△R*为0.060 5；比值为0.25。1区MTT为37.14秒,2区为34.02秒。1区rrCBF=4.12×10-4，2区为17.80×10-4；比值为0.232 图6 梗死区rrCBV的恢复(起病后25天)：1区示梗死区∫△R*为0.092；2区示对侧相应区∫△R*为0.105；比值为0.876。1区MTT为22秒,2区为22秒。1区rrCBF=4.182×10-3，2区为4.773×10-3；比值为0.876
, http://www.100md.com
rrCBF比率相对时间及相应区ADCR的相关性检验：经积差相关检验，其r值分别为-0.37、-0.35；P>0.05，结果表明无显著相关性。讨论
一、扩散成像的原理与技术
扩散是指分子的随机侧向运动(布朗运动)。单位是：mm2/s。扩散成像因为能在活体中非创伤性测定分子的扩散情况而受到越来越多的关注，可用爱因斯坦公式来表示：
<χ2>=2DT
<χ2>是平均位移平方；D为扩散系数；T为扩散时间。在常规SE序列中,在180°脉冲前后加入强梯度磁场后, 质子沿梯度场扩散将导致自旋频率变化，进一步使被测体素内质子自旋失相位，回波信号衰减。可以表示为：
S(nTE)/S(0)=exp[(-nTE)/T2]-exp(Db)
, 百拇医药
其中S(nTE)为第n次回波时的信号强度；D为扩散系数；exp为指数；TE为回波时间；b为扩散敏感系数，可以表示如下：
b=r2G2δ2[Δ-(δ/3)]
r为旋磁比；G为梯度场强；δ为持续时间；Δ为间隔时间。
因D参数具有各向异性，所以在测量时要X、Y、Z轴3个不同方向分别加以梯度磁场。表示如下：
D(X,Y,Z)={ln[Sn(X,Y,Z)/S1(X,Y,Z)]}/(b1-bn)
扩散加权像是在某一b值下测得的信号强度成像。在活体中，由于细胞膜、细胞器等的存在，D表现为受限扩散。所测得的D值也不完全代表扩散，还包括微循环中血流、脉搏搏动、呼吸、脑脊液搏动等其他因素，所以用表观扩散系数ADC来表示人体中所测得的D值。应用上述公式可以在MR图像上计算出每个像素的ADC值，按一定比例灰阶成像可获得ADC图。EPI特点为单次激发，1次或少于1次采集数据即可完成K空间的信息采集。应用EPI的主要目的就是减少成像时间，使成像时间在30～120毫秒, 从而去除因脉搏、脑脊液搏动或呼吸所造成的ADC值增加。
, 百拇医药
二、MR DWI在脑缺血诊断中的价值
1. 早期脑缺血的诊断：本研究结果表明DWI能够在超早期发现脑缺血灶，最早在起病2小时后发现病灶。而T2加权像最少需要10小时、T1加权像需要14小时才以能发现病灶。DWI显示病灶在超早期为高信号, 较T2加权像显示区域面积大,随时间延长,病灶范围扩大,在3～6天时扩散加权像与T2加权像显示病灶范围相同。在10天左右，病灶中心在DWI上呈等信号，之后信号逐渐下降。在起病10～24小时的12例中，6例DWI显示病灶范围大于T2加权像, 6例范围相同。
2.扩散加权像结合T2加权像有助于新旧梗死灶的鉴别：急性或亚急性与慢性梗死期, 由于缺血或梗死灶水含量增加, T2值延长,所以T2加权像均可表现为高信号。急性或亚急性期在DWI表现为高信号, 而慢性期表现为低信号。ADC图上信号强度与DWI所示相反。因此,结合T2加权像, DWI有助于新旧脑梗死灶的鉴别。
, http://www.100md.com
3.梗死中心区ADCR的演变： 中心区随梗死发作时间的延长其ADCR值逐渐升高，超早期ADCR迅速下降，约为0.6, 于第3～6天上升为0.7，第8～14天为1.0左右，之后继续上升。ADCR相对时间的积差相关性检验证实其与时间呈显著相关性(r=0.89，P<0.01)。
4.DWI对脑缺血的预后判断：3例临床诊断脑梗死,在DWI及T2、T1加权像未见异常,随诊证实为TIA，其他25例初诊时DWI表现高信号者均经随诊证实为脑梗死。提示DWI对脑缺血的预后判断有帮助。
三、脑梗死DWI表现的病理及生物物理学基础
动物实验证实中心区出现等信号时神经元出现不可逆损伤，即血管源性水肿和细胞溶解, ADC值的进一步升高与局部缺血灶坏死有关[4,5]。
关于脑缺血时，ADC值下降的确切生物物理学机制仍不清楚。目前存在细胞毒性水肿、微循环障碍、温度、膜通透性变化等学说，多数实验的结果都支持细胞毒性水肿学说。在常规T1、T2及质子加权像上早期脑缺血无异常变化，说明组织总水含量在这个阶段并无增加，提示扩散异常可能是由于细胞内外水分配比例的变化。脑组织急性缺血后，脑电电阻的增加与细胞外间隙的缩减是一致的。缺血几分钟后钠-钾泵功能失调，将导致钠、水潴留。通过输入钠-钾ATP酶抑制剂毒毛旋花子甙G(Ouabain)或N-甲基-D-门冬胺酸(NMDA)受体活化剂均可产生缺血，类似ADC值下降[6]。NMDA受体拮抗剂MK-801及钙离子阻滞剂可使扩散异常得以恢复[7,8]。
, 百拇医药
四、 脑梗死的MR 血流灌注成像
Gd-DTPA T2*灌注成像与传统MR增强不同。传统MR增强是由于距离范围内的偶极-偶极作用而引起。采用团注顺磁性造影剂，利用其在脑微循环中首过时引起的局部磁场不均匀性，使T2*缩短，导致自旋质子失相位而信号下降，与引起T1缩短的偶极-偶极作用不同，其范围较大。T2*变化率ΔR2*与脑组织中造影剂浓度呈线性关系，ΔR*＝-ln(Sn/S0)/TE。∫ΔR*dt与局部脑血容量有关，并可用来代表局部相对脑血容量[9～11]。在造影剂不能通过血脑屏障或血脑屏障未被破坏时,可以用∫(ΔR*×t)dt/∫ΔR*dt来计算造影剂通过时间。
, 百拇医药
灌注像应用EPI技术快速扫描提高对造影剂通过脑组织时引起的T2*下降的时间分辨力，本次试验所应用的序列成像时间为1秒。最初4次所获得图像的信号不稳定，变化明显，所以造影剂的注入应于第四次末开始。
本试验中12例进行的13次Gd-DTPA灌注成像中, 10次于DWI或T2WI显示异常信号区rrCBV、rrCBF下降。3次出现病灶区相对脑血容量、血流量相等或升高，提示再灌注形成。造影剂通过时间在缺血侧较健侧延长,并具有显著性差异, 说明梗死区血流速度下降。同时,也可能是rrCBF比率较rrCBV比率低的直接原因。
顶叶及豆状核区梗死灶局部相对脑血容量及血流量的下降在不同的部位不完全相同：近皮层侧较内侧为轻。可能是由于近皮层区与脑膜血管形成的侧支循环较丰富有关。梗死中心区rrCBV、rrCBF与ADCR、时间变化无明显相关性。但本研究中进行灌注成像的病例数较少，而且时间多集中在3～10天,对超急性期及慢性期梗死的rrCBV、rrCBF变化，及其与病灶区DWI及T1、T2加权像的关系也未阐明，尚有待进一步研究。
, http://www.100md.com
能够反映局部脑血流的Gd-DTPA 灌注成像及能够早期发现缺血病灶并具有一定演变规律的MR DWI在急性脑梗死的定性、定量诊断方面有重要的临床意义。进一步研究，以明确脑梗死患者DWI异常的病理、病理生理基础，及其在超早期动脉溶栓治疗中的意义已成为可能和必要。
参考文献
1 Moseley ME, Cohen Y, Mintorovitch J, et al. Early detection of regional cerebral ischemia in cats:comparion of diffusion-and T2-weighted MRI and spectroscopy.Magnet Reson Med,1990，14:330-346.
2 Memezawa H,Smith ML,Siesj BK. Penumbral tissues salvaged by reperfusion following middle cerebral artery occlusion in rats.Stroke, 1992,23:552-559.
, 百拇医药
3 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.
4 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.
5 Matsumoto K, Lo EH, Pierce AR, et al.Role of vasogenic edema and tissue cavitation in ischemic evolution on diffusion-weighted imaging:comparison with multiparameter MR and immunohistochemistry.AJNR, 1995, 16:1 107-1 115.
, http://www.100md.com
6 Benveniste H, Hedlund LW,Johnson GA.Mechanism of detection of acute cerebral ischemia in rats by diffusion-weighted magnetic resonance imaging. Stroke, 1992, 23:1 304-1 310.
7 Minematsu K,Fisher M,Li L, et al. Effects of a novel NMDA antagonist on experimental stroke rapidly and quantitatively assessed by diffusion-weighted MRI. Neurology， 1993，43:397-403.
8 Kucharczyk J,Mintorovitch J, Moseley ME, et al.Ischemic brain damage: reduction by sodium-calcium ion channel modulator RS-87476. Radiology,1991,179:221-227.
, 百拇医药
9 Villringer A,Rosen BR,Belliveau JW,et al. Dynamic imaging with lanthanide chelates in normal brain:contrast due to magnetic susceptibility effects.Magn Reson Med,1988，6:164-174.
10 Edelman RR,Mattle HP, Atkinson DJ, et al.Cerebral blood flow: assessment with dynamic contrast-enhenced T2*-weighted MR imaging at 1.5 T.Radiology， 1990，176:211-220.
11 Reith W, Forsting M, Volger H, et al. Early MR detection of experimentally induced cerebral ischemia using magnetic susceptibility contrast agents:comparison between gadopentetate dimeglumine and iron oxide particles.AJNR，1995, 16:53-60.
(收稿：1997-08-04 修回：1997-12-28), 百拇医药