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CT灌注成像及其在慢性肝病中的临床应用进展

本文经《中华医学杂志》社有限责任公司授权,仅限于非商业应用。

 

作者:冯智超 王维 中南大学湘雅三医院放射科

 

CT灌注成像(perfusion CT imaging,CTP)是一种评价组织、器官血液灌注状态的无创性功能成像技术,能在活体上显示器官内血流灌注过程并进行定量或半定量分析,是由Miles等在20世纪90年代初首先提出的。CT灌注成像具有扫描时间短、时间和空间分辨力高、可重复性好等优点,在显示解剖形态学改变的同时能提供器官的灌注功能信息,从而客观地评价组织器官内微循环血流动力学状态,尤其是近年来随着多排螺旋CT(MDCT)、双能量CT(DE-CT)等新型高端CT机型的不断研发应用,使得CT灌注成像具有更为广阔的临床应用前景,尤其在慢性肝病的早期诊断、疗效评价及预后评估方面具有重要临床价值。

 

1.CT灌注成像的基本原理

 

CT灌注成像是通过外周静脉团注对比剂后,对选定层面进行同层动态增强扫描,获得扫描层面各感兴趣区(ROI)的时间-密度曲线(time-density curve,TDC),然后根据TDC利用不同的数学模型计算出各种灌注参数,并对其进行图像重建及色阶赋值获得灌注伪彩图,从而全面、直观地显示器官及其内病变的微循环血流灌注状态,间接反映组织生理功能的变化。

 

2.CT灌注成像的灌注参数

 

不同的灌注软件或数据处理方法所计算出的灌注参数各有差异,其中在肝脏CT灌注中重要的灌注参数包括:(1)血流量:指单位时间内通过一定量组织血管结构的血液量;(2)血容量(blood volume,BV,ml/g):指存在于一定量组织血管结构内的血液量;(3)肝动脉灌注量:指单位时间内通过肝动脉组织的血液量;(4)门静脉灌注量:指单位时间内通过门静脉组织的血液量;(5)总肝灌注量:肝动脉灌注量与门静脉灌注量之和,即TLP=HAP+PVP;(6)肝动脉灌注分数(hepatic arterial fraction或hepatic perfusion index,HAF或HPI):肝动脉灌注量占总肝灌注量的比例,即HAF或HPI=HAP/TLP,取值为0.0~1.0;(7)平均通过时间(mean transit time,MTT,s):指血液经过各种途径流经血管结构所需的平均时间,对肝脏而言指血液从肝动脉、门静脉经过肝血窦流入肝静脉所需的平均时间,主要反映对比剂通过毛细血管的速度;(8)表面通透性:一定量组织内对比剂从毛细血管内皮进入组织细胞间隙的单向运输速率。

 

另外,最近有些研究在多期肝脏CT扫描时应用动脉强化分数(arterial enhancement fraction,AEF)定量评估弥漫性肝病或肝癌,它是指动脉期强化的绝对增加量与门脉期强化的绝对增加量之比,即AEF=×100%,间接反映肝动脉灌注分数;Boas等也在三期肝脏CT扫描后利用肝动脉供血系数(hepatic arterial supply coefficient,HAC)和门静脉供血系数(portal vein supply coefficient,PVC)来分析肝脏富血供病灶,HAC和PVC分别反映病灶的强化曲线与主动脉、门静脉强化曲线的相似程度,在血流速度快、无对比剂外渗的简单情况下分别等同于肝动脉和门静脉灌注量。

 

3.肝脏CT灌注成像的扫描方法及后处理技术

 

3.1 扫描前准备及呼吸控制

 

通常要求扫描前禁食4~8 h,扫描前15 min开始饮水800 ml左右;扫描前5 min进行呼吸训练:嘱被检查者平躺于扫描床上,训练屏气,观察最大屏气时间并注意个体间差异,如呼吸控制欠佳,可训练间断屏气或屏气后浅慢呼吸。有研究表明运动校正技术在肝脏CT灌注中是十分必要的,能有效减少图像的运动伪影、提高图像质量。

 

3.2 扫描程序

 

首先对全肝进行常规平扫,然后对靶层面(通常选择包括腹主动脉、门静脉主干、肝脏及脾脏实质的第一肝门层面,或者选择病灶所在层面)或对全肝进行同层动态增强扫描。此外,MSCT所特有的多层同层电影扫描即"Toggling-table"技术,可以实现同期多层扫描。

 

(1)扫描起始时间:不同研究中采用的扫描起始时间存在差异。李艳英等发现对比剂从肘前静脉到达腹主动脉所需的时间约为9~12 s,部分研究者在此范围内选择扫描起始时间,如采用对比剂注射后7~9 s开始扫描,既可获得理想的强化前图像,同时可缩短屏气和扫描时间;另外,Paul等的研究根据被检查者的年龄来选择扫描起始时间,≤60岁为10 s,>60岁为15 s。为确保TDC曲线的完整性,也可通过预扫描来确定起始时间。

 

(2)扫描持续和间隔时间:扫描方式包括间断扫描和连续扫描,早期研究多采用间断扫描,如Miles等进行肝脏CT灌注成像时采用在0、7、10、13、16、21、26、31、37.5、44 s时点各扫描一次,也有研究采用在注射对比剂后10~30 s每隔2 s扫描一次,37~57 s每隔4 s扫描一次,64~88 s每隔8 s扫描一次的方式,这些情况下需要多次屏气,扫描次数少且存在呼吸位移,虽然扫描时点基本覆盖了动脉期和门脉期,但TDC曲线会一定程度地受到影响。王守安等采用电影扫描方式,在注射对比剂7~9 s后连续扫描45 s,共扫描45次,多数被检查者经过呼吸训练后可一次屏气完成,而且基本反映肝脏的血流灌注过程并可较准确地计算灌注参数。

 

3.3 对比剂

 

(1)剂量:Bell与Peters进行脾、肾脏CT灌注成像时发现对比剂注射剂量越小,所计算的BF值会越准确,因为对比剂剂量过大会引起首过期中静脉流出增多,造成灌注参数偏小。但为保证增强后图像具有良好的信噪比,国内研究多用40~50 ml。(2)注射速率:在权衡灌注效果和安全性的前提下,对比剂的注射速率为5~7 ml/s比较合适。

 

3.4 图像后处理

 

通常使用CT灌注软件对图像进行后处理及重建,可先采用阈值定义的方式消除周围的骨、脂肪、空气等组织的影像。感兴趣区ROI的选取十分重要,需要注意:(1)对于肝脏灌注而言,ROI主要选取肝脏、脾、腹主动脉或肝动脉、门静脉以及病灶区;(2)ROI应尽可能大,以减少光子噪声的干扰,且其边缘一般距离脏器缘约1 cm左右以避免部分容积效应,同时应避开大血管;(3)研究病变层面时,ROI应尽量选取病灶的实性成分,避免液化坏死部分。

 

最后利用CT灌注软件获得ROI对应的TDC曲线,根据其内置的数学模型计算各种灌注参数,然后进行色阶赋值获得伪彩灌注图,进行定量或半定量分析及数据统计分析。

 

4.肝脏CT灌注成像的临床应用

 

4.1 正常肝脏

 

肝脏是一种独特的双重血供器官,其中肝动脉系统供血占25%~30%、门静脉系统供血占70%~75%,且两者之间还存在多种途径的相互交通。不同研究的正常肝脏CT灌注值各不相同,目前仍未得到统一认识。Miles等对5例正常肝脏对照组进行CT灌注后,测得的HAP和PVP分别为0.17 ml/(min·ml)、0.34 ml/(min·ml),HPI为33.3%,主要由于未考虑时相重叠和对比剂外渗等因素的影响,所得的PVP较低。Blomley等通过改进PVP的计算方法,测得的HAP为0.19 ml/(min·ml)、PVP为0.93 ml/(min·ml),HPI为16.9%。Materne等采用"双进单室"模型计算的HAP为(0.184±0.129)ml/(min·ml)、PVP为(0.899±0.311)ml/(min·ml)。

 

国内文献报道对13例正常肝脏对照组进行CT灌注,计算的HAP为(0.282 3±0.096 9)ml/(min·ml)、PVP为(1.178 8±0.400 4)ml/(min·ml),HAF约为19.3%。虽然存在差异,但HAP与PVP的比例接近于1/4~1/3,大体上与正常肝脏的肝动脉、门静脉供血比例类似。

 

4.2 肝纤维化

 

肝纤维化(Fibrosis)是各种慢性肝病进展过程中的重要阶段,是肝细胞损伤后的修复机制,主要是由于肝内纤维生成与降解失衡,致使过多的胶原在肝内沉积所引起,肝纤维化的基本病理特征是汇管区纤维结缔组织增多,并向小叶内延伸,但无假小叶和再生结节形成。研究表明,随着肝纤维化程度的加重,肝内胶原持续沉积,导致肝脏血管阻力增加,门静脉灌注量降低,而肝动脉灌注量上升。

 

Van Beers等研究显示无肝硬化的慢性肝病患者肝动脉灌注分数HPI和平均通过时间MTT轻度增加,Hashimoto等对20例肝纤维化患者的肝脏CT灌注参数和病理分级进行相关分析发现,HAF变化与肝纤维化严重程度明显相关。管生等利用二乙基-亚硝胺诱导建立肝炎-肝纤维化-早期肝硬化的大鼠模型,并进行肝脏灌注CT扫描后发现随着病程的进展,肝动脉灌注量HAP呈升高趋势,MTT明显延长,且肝脏血容量BV和血流量BF均有下降,且不同时期HAP和MTT的变化都具有统计学意义。

 

柴维敏等应用MSCT对经病理证实的肝纤维化患者进行灌注扫描,发现从正常对照组、轻度肝纤维化组到显著肝纤维化组,HAP逐渐升高而MTT却有所减低,但各组间平均灌注参数值的差异不具有统计学意义。另有研究显示,与正常对照组相比,肝纤维化患者的HPI升高,且随着肝纤维化程度加重逐渐增加,BV、BF及PVP降低。

 

4.3 肝硬化

 

肝硬化(Liver Cirrhosis)是由一种或多种致病因素引起肝实质弥漫性慢性损害、坏死伴炎症反应,进而出现肝内纤维结缔组织增生、再生结节或假小叶形成、血管结构重建等,最终导致肝功能损伤和门静脉高压的临床综合征。门静脉压力增高会导致门脉回流受阻、广泛侧支循环形成,从而引起门静脉灌注量下降,同时肝动脉灌注量代偿性增加。

 

Miles等发现肝硬化患者的HAP、HPI明显升高,而PVP显著下降。Van Beers等应用去卷积算法计算18例肝硬化患者的CT灌注参数,结果显示肝硬化患者的BV明显降低,而HPI和MTT明显增加,且这些灌注参数的变化与病变严重程度相关。Weidekamm等对41例肝硬化患者TIPS术前后进行CT灌注,结果显示TIPS术前肝硬化患者的HAP增加、PVP和TLP减低,TIPS术后HAP和TLP较术前均有上升,但PVP无明显变化。Hashimoto等应用去卷积算法分析38例慢性肝病患者(其中Child A级21例、Child B级10例和Child C级7例)的CT灌注结果发现,肝脏BF随着Child分级病情加重而逐渐降低,Child B和C级肝硬化患者HAF升高且与疾病严重程度呈正相关,肝脏BV和MTT则无明显变化。

 

江利等及史丽静等研究结果显示肝硬化患者的PVP、PPI以及HPP/HAP明显减低,而HPI升高,肝硬化重度失代偿组与轻中度组相比,HAP、HPI明显增加而PPI明显降低。Chen等的研究结果显示,与正常对照组和肝硬化代偿组相比,肝硬化失代偿组患者的肝脏微血管参数MTT缩短、PS增加。

 

纵观国内外文献研究结果,提示肝硬化时肝脏灌注参数变化主要为HAP、HPI增加,PVP、BV和BF降低,MTT延长,且肝脏血流灌注的变化与肝硬化严重程度相关。虽然这些研究存在一定的局限性如样本量不大、肝硬化严重程度判定标准粗略等,但提示CT灌注成像有助于肝硬化的早期诊断和定量分级,也能提供肝脏血流灌注和肝功能状态、病变严重程度等信息,进而指导临床治疗和随访复查。

 

4.4 原发性肝癌

 

原发性肝细胞癌(primary hepatocellular carcinoma,HCC)是我国常见的恶性肿瘤之一,起病隐匿、进展迅速,确诊时多已达到中晚期或远处转移。Honda等利用CTA和CTAP技术比较肝癌病灶与周围正常肝实质的血管分布,结果显示随着肝癌的进展,病灶内肿瘤供血动脉比例增加,而肝动脉和门静脉比例减少。肿瘤血管生成是肿瘤的重要生物学标志,是其生长、分化、侵袭及转移的基础,会导致肿瘤局部灌注变化。CT灌注成像通过了解肿瘤的血供情况、血管分布及血管通透性变化,能先于形态学改变发现局部血流灌注变化而早期诊断HCC或发现微小HCC。

 

Miles等发现肝癌周边部分的HAP明显增加,而中心坏死区的HAP明显下降。Fournier等对14只经化学诱导且病理证实的HCC大鼠进行灌注研究,结果显示利用CTP早期诊断HCC的敏感度和特异度分别为86%和65%。姜慧杰等研究表明,肝癌病灶的HAP、HPI明显升高,与癌旁肝实质和正常肝组织间具有显著差异,另外也发现病灶的边缘、强化程度与HAP、HPI及PVP相关,其中以HPI最为显著。Spira等发现肝癌组织的BF、HAP、HPI及PS明显升高,而PVP、MTT明显降低,Ippolito等研究表明肝癌病灶的HPI、HAP、BV升高,PVP、TTP (time to peak)降低,且灌注参数与肝癌分级无明显相关性。这些研究提示CT灌注成像不仅能用于HCC的早期诊断,而且有助于确定肿瘤实际范围。

 

尽管不同类型的肝癌结节如不典型增生结节、早期HCC结节和典型HCC结节的血供模式间存在较大范围的重叠,但有研究表明当肝癌结节演变到肝癌的过程中,结节内门脉供应减少,而动脉供应增加。Wu等对56例小肝癌患者的术前灌注参数与术后病理是否存在微血管侵袭进行相关性分析,发现存在微血管侵袭的小肝癌病灶的肿瘤PVF(PVFtumor)、肿瘤与肝组织PVP差异(ΔPVF)、ΔPVF/肝组织PVF(rPVF)比不存在微血管侵袭的小肝癌病灶明显增加,PVFtumor、ΔPVF及rPVF对预测微血管侵袭的准确性分别约73.2%、76.8%及83.9%。Ippolito等对35例肝硬化合并病理证实的单发小肝癌患者进行CT灌注扫描分析,发现病灶的BF、BV、HPI及HAP较正常肝组织明显增加,而TTP显著缩短。

 

4.5 类灌注参数在弥漫性肝病和肝癌中的应用

 

Kang等对142例弥漫性肝病患者进行常规多期肝脏CT扫描,然后利用动脉强化分数AEF彩图评价肝脏血流动力学变化,发现无慢性肝病的急性肝损伤组、慢性肝病急性加重组患者AEF明显升高,慢性肝炎组、肝硬化Child A级组AEF轻度降低但无统计学意义,肝硬化Child B级和C级组AEF升高,且AEF水平与肝硬化严重程度相关。Kim等利用相同方法对82例肝癌患者进行分析,结果显示肝癌病灶的AEF较正常肝实质明显升高,并且将肝癌诊断的敏感度由常规扫描的71.7%提高到88.8%。Boas等在标准三期肝脏CT扫描的基础上应用肝动脉供血系数HAC和门静脉供血系数PVC评价78例肝脏富血供病灶,发现HCC和肝转移瘤的HAC升高,而良性病灶可以HAC增加(如肝血管瘤)或PVC增加(如局灶性结节样增生),结合常规影像学征象,对恶性病灶诊断的敏感度和特异度分别为97%、76%。

 

5.展望

 

肝脏CT灌注成像作为一种功能性成像技术,不仅能提供精细的三维解剖形态学图像,还能定量测量肝脏及其内病变的血流动力学指标,以及鉴别良恶性病变等,因而在慢性肝病领域具有广阔的临床应用价值,主要包括:(1)通过对正常肝脏血流灌注状态更加系统深入的研究,彻底揭示肝脏在不同代谢状态下的血流动力学情况,从而辅助临床疾病的诊断;(2)阐明肝纤维化、早期肝硬化对肝脏血流灌注的影响,为其早期诊断、辅助治疗及改善预后提供影像学依据;(3)弄清肝硬化或门脉高压对肝脏血流动力学的具体影响,以及与脾脏、肾脏的血流动力学变化相互联系,进一步阐明肝肾综合征的血流动力学机制,为其针对性治疗提供依据;(4)评价药物、外科手术或介入治疗对肝硬化门脉高压症、HCC血流动力学的影响,实现治疗方案的最优化、个体化;(5)实现对肝脏微小结节的早期定性诊断,及时发现微小肝癌,提高MDCT对肝脏癌前病变或早期癌变诊断的敏感性和特异性;(6)在毛细血管水平监测肝移植术后供体肝的血流灌注情况,评价肝移植术后的肝功能情况、早期发现相关血管性并发症。

 

来源:中国医师杂志2016年第18卷第8期

 

 

 

 


 

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