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MR灌注成像原理及评价参数

已有 73 次阅读2020-3-17 19:52 |个人分类:医学影像|系统分类:医学科学

  1基于外源性钆对比剂的灌注MRI

  目前,临床上定量评价胶质瘤微血管通透性主要采用动态增强MRI(DCE-MRI)和动态磁敏感对比MRI(dynamic susceptibility contrast MRI, DSC-MRI)。DCE-MRI基于T1信号改变评价微血管通透性。通过团注外源性钆对比剂,如Gd-DTPA,动态分析对比剂从血管内渗透进入血管外细胞外间隙(extravascular extracellular space, EES)的分布状况,利用时间-信号曲线动态分析对比剂从血管内渗透进入EES的信号改变,并拟合药代动力学模型进而获得血管通透性的定量参数,如容积转移常数(Ktrans)、血管外细胞外容积分数(ve)、血浆容积分数(vp)等。

  DSC-MRI是通过动态分析对比剂在颅内血管首次循环时对组织T2/T2*信号的影响(降低组织的T2/T2*信号)获得脑血容量(CBV)和脑血流量(CBF)等灌注参数,但由于存在对比剂外渗进入EES现象,常常导致CBV低于真实值。Boxerman等为解决此现象,通过线性拟合,预测对比剂外泄造成的T1信号改变,随后在数据处理中,根据预测结果消除T1效应干扰,并且引入了反映对比剂外渗程度的新参数K2K2和Ktrans均基于对比剂外渗进入EES计算获得,两者可直接反映肿瘤微血管的通透性程度。但K2计算是基于正常组织和肿瘤组织平均通过时间(mean transit time,MTT)相等的简单假设,与实际不符,Bjornerud等采用一种MTT不敏感,可同时纠正对比剂外渗造成的T1和T2/T2*干扰效应的MRI序列,纠正K2存在问题,并引入参数Kα评估微血管通透性

  2.非对比剂灌注MRI

  与外源性对比剂灌注MRI的灌注不同,非对比剂灌注MR成像是利用磁场改变血液中水分子的磁化矢量,使其成为“内源性对比剂”。通过监测血流中带有磁化标签的水分子在微血管内外的迁移过程评估微血管通透性。由于非对比剂灌注MRI不向体内引入外源性对比剂,安全性高、病人接受度好,并可以反复多次操作,逐渐成为近年来的研究热点。常用非对比剂灌注MRI包括动脉自旋标记(arterial spin labeling,ASL)、体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion,IVIM)和化学交换饱和转移(chemical exchange saturation transfer,CEST)成像技术。

  2.1ASL

  神经系统生理情况下BBB只允许水分子通过扩散的方式通过,缺少内皮细胞间隙的通透方式,水分子透过速度受限。从这一特点出发,利用ASL结合扩散加权成像,根据扩散的速度不同,区分不同空间内的水分子(即血管内的扩散速度更快,而组织内的扩散速度受限于BBB则较慢),计算慢扩散时血管内标记水分子和组织内水分子的交换率,即可反映微血管的通透性。1997年,Sliva等发现扩散敏感的ASL可提高大鼠脑组织灌注成像结果的准确性。而扩散加权ASL这一概念由StLawrence等提出,并应用于微血管通透性的测量。传统ASL将水分子在血管和组织中的弛豫率视为相等,但这与实际不符,而扩散加权ASL则基于两者不同且通过弛豫快慢区分,很好地解决了该问题。

  2.2IVIM

  IVIM成像于1986年由LeBihan提出,IVIM主要包括生物体内微血管水分子自由扩散和微循环灌注两种运动,因此可分别测量微血管中的扩散运动和血液灌注。参数包括纯扩散系数(D),代表水分子的扩散运动,即慢扩散运动;假扩散系数(D*),代表体内微循环引起的扩散运动,即快扩散运动;灌注分数(f),代表快速扩散占总体扩散的百分比。IVIM是一种本身具有扩散和灌注加权两种优势且无需使用对比剂的MRI技术。BBB独特的水分子穿透方式,即只允许扩散通过,表明了IVIM用于胶质瘤微血管评估的巨大潜力。与扩散加权ASL相比,IVIM不仅可区分快慢扩散成分的水分子,并且可以避免扩散加权ASL中扩散加权序列产生的额外的实验误差,简化操作步骤。

  2.3CEST

  区别于ASL和IVIM直接改变水分子的磁化矢量,CEST是通过氢质子饱和转移间接影响水分子的磁化矢量。CEST现象是指在特定的环境中,通过化学交换可使2种不同物质间的质子发生转移,即质子从一种饱和状态的物质向另一种未饱和物质转移。借助MRI偏共振饱和脉冲,对特定的CEST对比剂进行预饱和,通过化学交换将氢质子传递给周围水分子,进而改变水分子的磁化矢量。

  CEST对比剂可分为内源性对比剂和外源性对比剂两种,但目前用于微血管通透性评估的主要是内源性对比剂。其中,利用葡萄糖进行CEST成像又称为动态葡萄糖增强MR成像(dynamic glucose enhancedMRI,DGE-MRI)。


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发表评论 评论 (2 个评论)

回复 hyc3140 2020-3-17 20:01
水分子质量远小于Gd-DTPA等常规对比剂,反映微血管通透性更加敏感,可发现肿瘤等疾病早期改变,但其存在以下不足:①成像序列固有缺陷,ASL信噪比较低,IVIM评估微血管通透性时应用模型受限,CEST易受MTC、DS等其他效应干扰;②成像技术不够成熟,目前开展的研究较少,科研体系不完善。

相比于微血管密度改变,肿瘤发生或进展早期,微环境改变,肿瘤微血管密度累积缓慢但血管通透性却明显改变。并且,微血管通透性的改变,往往会造成BBB的破坏,导致脑内免疫平衡失调,进一步加剧肿瘤进展。基于水分子等非对比剂MRI灌注成像,不仅具有更高的敏感性且能更及时地发现微血管的早期改变,有利于对胶质瘤的进一步研究。
回复 hyc3140 2020-3-17 20:03
正常血脑屏障(BBB)微血管壁完整致密,仅允许部分小分子选择性通过。胶质瘤通过多种血管形成方式导致BBB逐渐转化为血肿瘤屏障(blood tumor barrier,BTB),形成的肿瘤微血管形态扭曲、畸形,管壁多由大量不成熟形态异常的内皮细胞组成。由于肿瘤微血管内皮细胞间连接疏松,基膜不连续且周细胞覆盖减少等结构异常特征,导致血管通透性增高,正常功能受到破坏。

多种细胞因子表达上调共同导致胶质瘤微血管的形成,包括低氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1,HIF-1α)、血管生成素-2(angiogenin-2,Ang-2)、血管内皮生长因子(VEGF)和基质金属蛋白酶等。缺氧肿瘤微环境导致HIF-1α表达上调,大量分泌,进而促进肿瘤微血管形成。然而,肿瘤血管由于结构和功能异常,缺氧状态反而加重,如此恶性循环启动VEGFRNA稳定性转录。VEGF是调控肿瘤血管生长最关键的细胞因子,其直接作用于内皮细胞膜表面的两种受体,即VEGFR1和VEGFR2。VEGFR2与血管生成密切相关,配体受体结合后,促进肿瘤血管形成,同时致使微血管通透性增高。

Ang-2表达上调可导致血管周细胞募集减少,血管结构疏松,微血管壁完整性下降,从而导致肿瘤血管稳定性降低和成熟障碍。此外,基质金属蛋白酶通过降解新生血管细胞外基质,进一步加剧肿瘤血管壁高通透性的形成。胶质瘤血管的高通透性与肿瘤分子亚型有关,2016版WHO中枢神经系统肿瘤分类首次将分子特征纳入标准,根据肿瘤基因型的不同对胶质瘤(如扩散性胶质瘤)进行分子分型。

胶质瘤主要的分子特征包括:①柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase,IDH)基因突变;②MGMT启动子甲基化;③EGFR基因的扩增和EGFRvIII重排;④1p/19q联合缺失等,研究证明,IDH基因突变和1p/19q联合缺失与肿瘤微血管通透性改变有关。IDH突变可上调HIF基因表达,进而激活下游分子VEGF和Ang-2功能,改变微血管结构,致使通透性增高。部分少突胶质细胞瘤伴有染色体联合缺失,其微血管结构畸形,形似鸡爪,此肿瘤亚型血管通透性显著增高。

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