|
【基础操作】PWI后处理步骤（一）——MR Standard 今天小编的主要任务是帮助大家理解MR Standard。在讲解任何一种PWI算法之前，我们都需要了解PWI的成像原理，才能讲清楚为什么这些算法可以获得CBV等半定量参数。 首先复习一下脑组织的基础生理学背景，正是基于这些生理解剖特点，才诞生了PWI技术。 1 血脑屏障 血脑屏障（blood brain barrier，BBB），是指脑毛细血管壁与神经胶质细胞形成的血浆与脑细胞之间的屏障和由脉络丛形成的血浆和脑脊液之间的屏障，这些屏障能够阻止某些物质（多半是有害的）由血液进入脑组织。只有水分子、部分气体、脂溶性分子通过被动弥散方式，以及葡萄糖、氨基酸等代谢相关的小分子通过选择性的分子通道可以进入脑组织。 2 脑代谢 脑组织的代谢特点是高耗氧、高代谢率、能量消耗高但储存少，它需要非常高的血流量CBF或者称为灌注（50ml/min/100g）。同时大脑的体积受到颅骨的空间限制，脑血容量CBV相对很低（2-5ml/100g），必须有非常丰富的毛细血管网才能高效率快速地完成物质交换过程。根据中心容积定理，MTT=CBV/CBF，可见MTT很短。 3 再循环 在对比剂首过灌注后，还能在灌注时间信号曲线上看见后续的小峰，甚至可能有第三个更小的峰，这些都是对比剂通过肾脏过滤以及通过冠脉后再次进入左心室的再循环recirculation。当然再循环的灌注量就不是我们需要的了，在后处理时要消除掉。 关于脑组织灌注的生理背景暂时列了以上3条。当然实际情况更为复杂，比如不同脑组织结构其弛豫率R2是否完全一样？BBB破坏后漏出的对比剂如何校正？团注对比剂在血管中的稀释分散问题等，科研人员提出了各种改进算法使之尽可能符合真实情况的工作方面，深入学习需要继续看些英文文献，但对我们初学者或者临床使用者而言，今天先建立这3条基本概念。 剧情预告——下文只有一个很简单的公式，不用太担心看不懂。 然后，我们再介绍一下磁共振物理方面是如何利用上面的特点实现灌注成像的。 1 关于钆对比剂 钆Gd自从1980年代开始用做磁共振对比剂，它是一种顺磁性大分子，非脂溶性。所以Gd能通过BBB吗？我们一般认为不能。 钆对比剂主要有两种作用，一是缩短组织T1值，用于增强扫描；二是缩短T2/T2*值，用于PWI。我们说磁共振是加权成像，无论是T1WI还是T2WI，其对比度总是同时含有T1、T2、PD成分。那么什么因素决定对比剂是缩短T1为主还是缩短T2/T2*为主呢？浓度！在Gd浓度比较低的时候，以缩短T1效应为主，浓度较高时以缩短T2/T2*为主。所以普通T1增强一般使用注射速率在3ml/s以下，部分医院甚至采用手推也能获得完全满足临床诊断要求的肝脏多期动态增强图像甚至ceMRA图像。而PWI务必使用高压注射器，速率在3~5ml/s以上以形成团注效果，保持对比剂以较高浓度首次通过脑组织，以产生有效的磁敏感效应，否则时间信号曲线上将看不到又深又尖的倒峰，而波形变得宽平，这样算出来的结果误差很大，达不到灌注的目的。 2 变化 下面我们来谈一下对比剂到达毛细血管网进入脑组织后发生了什么变化。由于Gd以较高浓度状态局限于血管内，这样与血管外间隙形成了磁场梯度差，也就是脑组织处在了与已知的B0场所不同的磁场环境，加剧其失相位过程，结果是其T2/T2*将被缩短，在图像上表现为低信号，GRE序列尤其明显。所以PWI可以被称为动态磁敏感对比增强灌注成像Dynamic Susceptibility Contrast-Enhanced MR perfusion。 血管内的钆剂扰乱了原有的主磁场B0 目前的文献研究认为，在某些范围内，比如人体的生理状态下，组织内对比剂浓度与信号强度基本呈线性。
列出这个公式的目的并不是要求大家记住，而是帮助大家理解如何从时间信号强度S(t)（这是我们扫描直接得到的东西）转变为组织内对比剂浓度C(t)（这是定量出CBV的关键）。这一从公式右边已知变量逆推回公式左边未知变量的过程也是任何一种PWI算法的终极目标和理论基础。 弛豫率R2定义为T2的倒数，同时而我们知道磁共振信号强度SI的计算公式 其中K为已知常数，N(H)为质子密度，所以可以推导得出
这就是上面浓度公式的推导。 3 扫描技术 那么具体采用什么样的扫描技术来实现PWI呢？它必须具备快速的特点——比血液通过毛细血管网的速度更快！所以一般选择单次激发多时相的EPI采集方式方可捕获灌注过程，全脑覆盖的TR一般要小于2s。当然SE-EPI或者GRE-EPI从理论上讲都是可以的，美国功能神经放射学协会American Society of Functional Neuroradiology在2015年出版的白皮书中，推荐使用GRE-EPI，两者差别由于篇幅限制在此不做进一步讨论。
最后，回到我们的正题：MR Standard的算法！ 在获得上文的组织对比剂浓度曲线C(t)后，该算法采用了比较简单的假设，认为团注是理想的，不存在稀释等情况，输入动脉浓度均一，直接对浓度时间曲线进行积分，就可以求得曲线下面积，在MR Standard中称为Negative Enhancement Integral负性增强积分，反映的是一定时间内经过局部血液循环的总对比剂的量，所以可以理解为CBV，即CBV=∫ΔR2。 在求解组织对比剂浓度C(t)和对ΔR2积分的过程中，我们都需要用到基线。所以PWI扫描操作务必在团注对比剂前先启动扫描保证采集到若干个时相的平扫图像。由于种种原因（篇幅限制不在此讨论）基线在首过灌注后并不能恢复到原来的水平，分为两段：增强前Pre（对应上图Region A）和增强后Post（对应上图Region B），在上期MR Standard后处理介绍中提到了下图的步骤，这就是告诉系统何时是基线，何时对比剂到达。
AB两端水平不一致，那么在对比剂到达的波峰/谷时间段内，如何确定基线？有两种方法：Constant常数和Interpolated插值。详细内容在上期MR Standard后处理操作步骤中涉及，大家可以自行尝试体会一下区别，不再重复。
除了NEI以外，MR Standard算法还提供了Mean time to enhance以及Time to peak/minimum等参数。因为本算法的假设前提是团注是理想的，不存在稀释等情况，所以MTE即为整个团注对比剂通过局部脑组织的时间，它与理论上的MTT仍有一定的区别。TTP就是从开始团注对比剂到信号峰值的时间，其计算方法是所有参数中最为简单的，TTP=波峰期像数xTR。
MR Standard算法到这里讲完了，给大家留一个问题去思考： Q 为什么MR Standard没有提供CBF? 继续关注下一期内容吧。 参考文献 [1] Mark S. Shiroishi, et al. Principles of T2*-Weighted Dynamic Susceptibility Contrast MRI Technique in Brain Tumor Imaging. JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE IMAG8ING 00:00–00 (2014) [2] G. Zaharchuk. Theoretical Basis of Hemodynamic MR Imaging Techniques to Measure Cerebral Blood Volume, Cerebral Blood Flow, and Permeability. AJNR 28 _ Nov-Dec 2007 [3] Matthias G€unther. Perfusion Imaging. JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE IMAGING 40:269–279 (2014) [4] K. Welker, et al. ASFNR Recommendations for Clinical Performance of MR Dynamic Susceptibility Contrast Perfusion Imaging of the Brain. AJNR Am J Neuroradiol 2015 |
|
|
