磁共振动态磁敏感对比灌注成像相关基本概念

忘仔忘仔 2024-04-30 发布于山西

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一、增强扫描与动态磁敏感对比灌注成像的区别

在学习磁共振灌注成像技术之前首先需要明确的是增强扫描和灌注成像的本质区别，特别是常规增强扫描和动态磁敏感对比灌注成像之间的区别。虽然二者都是通过注入外源性对比剂进行成像，但它们所反映的临床意义是不同的。要想深入理解二者之间的区别，需要了解以下几个重要的知识点：

1.中枢神经系统所特有的血脑屏障结构：血脑屏障是指由毛细血管壁与神经胶质细胞所构成的血浆和脑细胞之间的屏障以及由脉络丛所构成的血浆和脑脊液之间的屏障。无论是对比剂增强扫描还是动态磁敏感对比灌注成像，血脑屏障都具有重要的意义，随后会进一步讨论；

2.磁共振顺磁性对比剂能否缩短临近水分子T1弛豫时间的重要决定因素是顺磁性对比剂和相应水分子之间的距离，因为顺磁性对比剂对临近水分子T1弛豫时间的影响和它们之间的距离息息相关，而且与二者之间的距离的6次方呈反比，只有二者之间的距离小于0.3nm时顺磁性对比剂才能发挥其缩短T1弛豫时间的作用。另一方面，顺磁性对比剂所引起的T1弛豫时间缩短和对比剂浓度不是简单的线性关系，少量的顺磁性对比剂就可导致较明显的增强改变，同时当对比剂浓度达到一定浓度时它所以引起的T1弛豫时间缩短又会呈现饱和现象；

3.顺磁性对比剂对于临近组织T2弛豫属性的影响主要取决于对比剂的浓度和对比剂的空间分布，对比剂浓度越高，空间分布越不均匀，它所引起的T2弛豫缩短就越明显；

4.磁共振成像过程中所使用的顺磁性对比剂分子量相对较大，不能自由通过正常的血脑屏障。了解这几个知识点对于理解磁共振增强扫描和灌注成像的区别具有重要的意义。在磁共振增强扫描过程中采用的是T1对比增强序列，相应的病变能否强化取决于顺磁性对比剂能否近距离接触到病变中的水分子，如果血脑屏障是完整的，那么顺磁性对比剂就无法近距离的接触到病变中的水分子，也就不会引起病变强化。所以，增强扫描能否强化反映的是病变区域血脑屏障是否存在或者破坏。脑外病变如脑膜瘤或者淋巴瘤、听神经瘤等属于脑外组织病变，不存在血脑屏障结构，因此可以表现为明显的强化；对于脑内病变，增强扫描出现强化改变则意味着血脑屏障结构的破坏。如前所述，顺磁性对比剂所导致的T1弛豫属性缩短主要取决于对比剂和病变水分子之间的距离，和浓度相对关系不大且当浓度达到一定程度时又出现饱和现象，所以强化与否或者强化程度并不能代表病变内灌注的水平。与增强扫描相对应的，灌注成像则是反映的病变内微循环的改变或者血供的改变。动态磁敏感对比灌注成像采用的是基于EPI快速信号读取的T2^*弛豫对比成像序列。它所依赖的基本模型就是血脑屏障模型。在对比剂首过期间，顺磁性对比剂在血管内外存在较大的浓度差，这种空间分布的不均匀产生了较明显的T2^*弛豫缩短，血供越丰富的区域其信号下降就越明显，因此动态磁敏感对比灌注成像能更客观的反映病变的灌注水平改变。但需要注意，动态磁敏感对比灌注成像所依赖的模型是血脑屏障模型，一旦血脑屏障有破坏，就可能导致低估实际的灌注水平。同时，因为顺磁性对比剂对于T2弛豫的影响也依赖于局部的浓度，所以采用不同对比剂注射速度和不同对比剂用量都可能影响灌注水平的评估，这是动态磁敏感对比灌注成像的一个重要的质控因素。

图A、图B为同一病例，图A显示增强扫描病变呈明显强化，但图B动态磁敏感对比灌注成像显示呈低灌注改变；图C、图D为同一病例，图C显示病变呈明显强化，图D动态磁敏感对比灌注成像显示病变呈高灌注改变。

图1 增强扫描与灌注成像的对比

二、DSC灌注基本原理及相关脉冲序列

依赖于外源性对比剂的动态磁敏感对比（dynamic Susceptibility Contrast, DSC）灌注成像是广泛应用于中枢神经系统的磁共振灌注成像解决方案。该成像方案基于的理论模型是血脑屏障完整时首过期间顺磁性对比剂在血管内、外形成一定的浓度差，从而引起磁敏感对比差别。用于DSC灌注成像的序列基于平面回波成像（Echo Planar Imaging，EPI）信号读取方式，EPI是通过快速的梯度切换来完成一个较长的回波链采集，具有明显的T2*弛豫对比。需要强调的是EPI本身并不是一个单独的成像序列，而是信号读取的一种方式。和FSE序列中回波链采集方式不同，EPI是通过快速的梯度切换来完成一组回波采集，因此具有较快的采集速度；同时因为在每个回波采集之前没有施加聚焦脉冲，因此EPI信号读取对于局部磁场不均匀更敏感。由此可见，DSC灌注成像基于的是负性增强原理。同时，因为EPI不是一个单独的序列而是信号读取方式，所以在DSC灌注成像中就有两种不同的主序列模块，一种主序列是梯度回波序列，通常所说的GRE序列或者Flash序列；另一种主序列是自旋回波序列，也就是在EPI信号读取之前有一个SE脉冲组合。基于梯度回波序列的DSC灌注成像对于顺磁性对比剂所引起的T2*弛豫变化更敏感，也是临床工作中更多使用的DSC灌注成像选择，但因为主序列中没有聚焦脉冲的存在，所以该序列对于窦腔内气体所导致的磁敏感差别更敏感，在这些区域有较明显的磁敏感伪影；而基于自旋回波序列的DSC灌注成像可以一定程度上减少这些气体区域的磁敏感伪影，但相比之下，基于自旋回波序列的DSC灌注也在一定程度上削弱了首过期间顺磁性对比剂所导致的T2*弛豫效应。虽然理论上基于SE序列的DSC灌注可能对于更小直径或说微循环毛细血管床的灌注效应具有更高的选择性，但需要指出这种选择性只有在TE时间非常长如TE时间为100ms时才更明显，而实际临床工作中通常不会选择如此长的TE时间，所以基于SE序列的这种微循环的选择性相比于基于梯度回波序列的DSC灌注并非如理论所述那么明显。

图A显示首过期间足够的对比剂浓度导致血管内外磁化率明显的差距；图B显示结合超快速的EPI信号读取获得一组不同时间点的图像；图C显示这些图像可以拟合出随着时间而变化的负性增强信号曲线。不同组织中因为血管床所占的比例不同，所拟合的信号曲线也不同，通过对拟合信号曲线进行计算而明确不同组织之间的灌注差别。

图2 DSC灌注成像原理示意图

图A显示左侧顶部可见一类圆形占位病变，T2 Flair呈高信号改变；图B增强扫描显示病变均匀强化；图C为DSC灌注成像信号变化曲线，显示病变平均通过时间延迟；图D为DSC灌注成像rCBV图提示病变呈高灌注改变。

图3 DSC灌注成像显示左侧顶叶脑膜瘤呈高灌注改变

三、DSC灌注相关参数与临床应用

DSC灌注成像对血脑屏障完整性具有高度的依赖性，当血脑屏障完整性遭到病变破坏或病变本身属于脑外病变如脑膜瘤等不具备血脑屏障，在一定程度上会影响到灌注评估的准确性。然而，根据DSC灌注成像所获得的信号变化曲线，采用中心容积定理可以拟合出几个不同的灌注参数，包括相对脑血流量(Relative CBF，rCBF)、相对脑血容量(Relative CBV，rCBV)、平均通过时间(Meana Transit Time，MTT)、达峰时间(Time to Peak,TTP)以及对比剂到达时间（Bolus Arrival Time，BAT）等不同参数。在临床实际应用过程中，需要充分了解和理解这些参数的意义，同时还要掌握在不同的疾病应用领域需要优先评估的灌注参数。对于不存在血脑屏障的脑外肿瘤或者血脑屏障遭到明显破坏的脑内肿瘤如胶质瘤，此时rCBF受MTT延长的影响，通常会被低估，此时rCBV则相对可以更准确的评估肿瘤病变的血供情况。而对于缺血性脑卒中类病变，在急性期评估过程中，rCBF、TTP则更重要，这些对于评估缺血半暗带更有意义。这里要说明的是为什么在DSC灌注成像中给出的脑血流量、脑血容量被称为相对脑血流量和相对脑血容量呢？这是因为用于磁共振成像的顺磁性对比剂和CT成像中所使用的造影剂有着很大区别。CT造影剂中的碘直接参与成像，它是通过吸收X线而进行显影，因此CT造影剂对于CT值的影响具有线性关系，通过CT值的测量一定程度上可以反映碘造影剂的浓度。相比之下，磁共振顺磁性对比剂对于信号的影响不具备这种直接对应关系，它是通过改变组织的弛豫时间来影响信号强度的，这也是磁共振成像所使用的顺磁性钆剂被称为对比剂而没有直接称为造影剂的一个原因之一。由于顺磁性对比剂对于信号的影响是间接的，而且该对比剂浓度和信号强度之间的关系是非线性的，这就决定了基于DSC的灌注成像所获得的灌注参数并非绝对定量。事实上对于DSC灌注影响的因素还有很多，如组织内毛细血管管径的不同比例构成，都可以导致灌注参数的不同，而且这种不同管径毛细血管构成最大可以造成30%的灌注参数变异，这可能也是我们在临床实际工作中通常在对比时会默认定出相对差别超过30%才认为是脑血容量的增高。了解这些现象背后的原因能更好理解其中的深刻道理。

图A显示左侧额叶胶质瘤病变rCBV呈明显高灌注改变；图B显示相应病变rCBF呈低灌注改变；图C为平均通过时间参数图像，提示相应病变MTT明显延长；图D为DSC灌注成像信号变化曲线，提示病变区开口明显变宽（代表MTT延长）。

图4 DSC灌注成像不同灌注参数之间对比

在临床实际应用中要充分利用DSC灌注成像多参数定量这一特点，这样能够更客观的评估病人实际灌注改变。对于脑灌注成像而言，我们不仅要观察灌注的结果也就是实际到达脑组织的灌注血流，同时也要观察灌注行为的变化。在DSC灌注成像过程中通过信号变化曲线可以给出一些时间参数，如达峰时间（TTP），对比剂到达时间（BAT）等。在大血管狭窄病例，通过侧支循环代偿病变侧灌注参数可能没有太大变化，但此类病人存在着灌注行为的异常，通过观察时间参数可以更好的解释相应变化。