CT神经灌注实践指南（上）：原理、采集、后处理与参数解读方法

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1、背景

CT灌注（CTP）为标准的解剖成像技术增加了有价值的信息，从而在一些神经系统疾病中协助诊断和指导治疗。

了解后处理技术、每个参数的价值以及在不同情况下看到的灌注变化，对于正确地解释至关重要。

本文将概述CTP中使用的技术，灌注参数的价值和解释，可能导致灌注变化的不同临床条件，以及人工智能的潜力和局限性。

2、CTP优缺点

图1：CTP的优缺点的总结，以及使用MRI的优点。这两种方法在对比剂应用方面都有缺点。碘给药后CT值的变化与碘浓度成正比（线性关系），因此灌注参数的绝对测量值可以稳健量化。与MRI相比，CTP可以在同一检查中提供有关CBV和渗透性的信息。CTP最大的缺点是高辐射暴露，这因技术和纵向覆盖范围而异。

图2：减少CTP中辐射剂量的不同策略（包括，降低mAs；降低kV；超低剂量CTP；迭代重建；降低采集频率；减少CTP扫描次数；其他降噪技术）

3、CTP采集

图3：高压注射器用于团注造影剂，然后注射生理盐水，同时在造影剂通过期间重复扫描预先选择的部位。当碘到达颅内血管结构和组织时，Hounsfield单位会短暂增加，因此可以根据不同的因素生成各种曲线（图4）（图5）（图6）。Z轴覆盖范围受扫描仪类型的影响（图7）。

图4：从一名56岁男性患者的CTP中获得的组织衰减曲线，该患者因疑似脑梗死而进行。红色曲线表示动脉输入，蓝色曲线表示参考静脉，绿色曲线表示从左右半球获得的组织曲线。请注意，与动脉和静脉曲线相比，组织衰减值较低，因此如果使用相同的标度，则只能看到平坦的曲线（a），但当将值分配给不同的标度（右侧的标度）时，可以看到组织曲线的形态（b）。

图5：影响TAC的因素。注射速率和数据采集频率应同时考虑在内。对于心脏状况正常的患者来说，45秒的持续时间通常足够，但对于心输出量低的患者，获得不完全TAC的风险增加（图6）。

图6：从一名53岁的男性右偏瘫患者的CTP中获得的TAC。由于心房颤动，心输出量低（左心室功能15%），对比剂峰值明显延迟（30s）。该曲线并不完整，这意味着灌注参数不能准确计算。

图7：灌注检查中包括的范围取决于探测器的宽度，在256和320层扫描仪中，探测器的宽度可以达到16cm。如果临床指示，用较低探测器数量扫描的患者可以在两个不同的水平上扫描两次。有一些扫描仪提供了摇篮床和穿梭扫描模式，这允许更大的覆盖范围（参见XI区：摇篮床模式的灌注结果准确吗？）。

4、灌注原理

4.1非去卷积法

图8：非去卷积方法：该方法基于Fick质量守恒原理。一段时间内脑组织体素中对比剂的累积质量（体积）（Q（t）），对应于在推注期间造影剂的完全洗入和洗出，并且等于CBF乘以造影剂浓度的动静脉差的积分的乘积。由于通过大脑的传输时间约为4-6秒，因此可以通过假设造影剂在此时间段内尚未到达静脉侧来简化该方程（无静脉流出假设），这意味着可以从公式中省略静脉部分。这种模型被称为单室（或Mullani-Gould）模型。在这种设置中，当动脉浓度处于其最大值时，对比剂达到峰值；因此，这种方法也被称为最大斜率法。该方法计算简单，但非静脉流出假设被认为过于简单，而且量化只是相对的。需要高的注入速率来实现这一假设。

4.2去卷积法

图9：去卷积方法：脑组织体素中示踪剂（造影剂）的浓度可以根据两个函数来定义：1）示踪剂在给药动脉中的动脉输入函数（AIF）和2）残余函数，残余函数是团注后仍存在于体素中的示踪剂的分数。使用卷积对这两条曲线进行函数分析，将得到一条曲线，表示组合在一起的两个函数的属性。然而，由于组织功能是目标，AIF随后通过从记录数据中反卷积过程的影响（即去卷积）来去除。结果仅取决于感兴趣体素的血流动力学属性（组织的残余功能）。与非去卷积相反，去卷积方法是一个复杂的计算过程，但绝对量化是可能的。

图10：显示去卷积的亚型。sSVD：标准奇异值分解，oSVD：振荡指数奇异值分解；cSVD：循环（或块循环）奇异值分解。另一个重要的数学理论是延迟和分散

图11：来自供应感兴趣组织的动脉的AIF并不总是可行的；相反，通常使用大动脉，假设该动脉是感兴趣的体素的精确且唯一的输入，而事实并非如此。有某些因素可能导致造影剂推注延迟（例如，技术因素、血管狭窄或心功能差），此外，造影剂推送可能通过微血管向闭塞部位的近端扩散（分散）。这些因素可能会导致灌注值的错误计算，就像sSVD的情况一样。在慢性情况下，即ICA的慢性狭窄，延迟和分散可能会产生误导。

图12：一些供应商使用算法来校正延迟和分散（对延迟不敏感），而另一些供应商则不校正延迟（对延迟敏感）。甚至有供应商同时使用这两种方法。该图总结了用于延迟校正的方法以及使用这种方法的优点。傅立叶变换不是优选的方法，因为它对噪声敏感。这些不同的理论导致了商用软件之间的显著差异，这可能会极大地影响处理结果。放射科医生应该熟悉所使用的后处理类型，以及避免误解的限制。

5、后处理

图13：许多商用软件程序使用自动或半自动后处理。该表总结了后处理的步骤（运动校正、分割、血管定义、参数）。操作人员应检查结果，以确保分析正确。

6、结果解读

6.1 时间密度曲线

图14：从正常脑组织中获得的组织衰减曲线（TAC）。灌注参数来源于TAC；因此曲线的TAC特征形状的知识对于准确解释和识别可能的技术陷阱非常重要。TAC具有特征性的形态：开始（“0”点）是注射的开始，然后看到一个平坦的基线，直到造影剂到达大脑的点，这被称为推注到达时间（BAT），然后有一个向上的斜坡，直到造影达到峰值（Cmax），然后是一个向下的斜坡。之后出现第二个小峰值（椭圆形），这是由于对比剂的再循环而导致的增强后截止。

6.2 不同灌注参数

图15：每次检查都可以生成不同的灌注参数。了解这些参数、它们的计算和它们的值对于做出正确的判断至关重要（图16）。

图16：放置在组织衰减曲线上的不同灌注参数。注：此位置仅用于说明目的，并不代表实际计算。并非所有参数都是从同一TAC计算得出的。

图17：CBF定义为每单位时间通过给定单位体积脑的血液量。在TAC中，它是曲线的向上斜率。这条线越陡，流量就越快（图18）。根据欧姆定律（应用于流体）的流量与压力梯度成正比，与阻力成正比。因此，流量将通过减少动脉侧和静脉侧之间的差异而减少，如在由于动脉闭塞引起的局部缺血的情况下，或通过增加来自血管壁或周围结构的阻力而减少。（这种阻力的变化是器官内血液流动的内部调节途径）。根据Hagen-Poiseuille方程，影响CBF的另一个重要因素是血管直径；容积流量与管道内径的四次方成正比。因此，当自动调节耗尽时，将血管直径减少一半会导致流量减少16倍。总之，CBF可能受到压力梯度、阻力和血管直径的影响；因此，它是最重要的参数之一，并受到许多疾病的影响。

图18：两名不同患者的CBF图和TAC。患者1（a和b）患有MCA区域的急性梗死。黄色的TAC表示梗死组织的组织功能；这里，向上倾斜（CBF）比对侧正常侧（绿色曲线）平坦，这意味着梗死组织的血流较慢。右侧ICA 增强后出现高灌注综合征的患者2（c和d）。黄色曲线代表有症状的右侧，它比对侧正常侧（绿色曲线）更陡，因为过度渗透组织中的流动更快。总之，CBF由TAC上的向上斜率表示，这条线越陡，流量就越快。

图19：CBV是给定单位体积大脑中的总血容量。在TAC中，它是曲线下的区域，表示感兴趣组织（ROI）中的对比剂（血液）总量，而与时间无关。通常，该值指示血液是否到达组织，即使是以降低的速率。以ml/100g脑组织为单位进行测量。在某些情况下，血流量可能会显著减少，但体积可能正常，甚至增加。这是因为自动调节现象，这是一种与代偿性血管舒张相关的生理状态，旨在通过增加氧气提取来调节某些条件下的血流动力学，以维持组织活力。低灌注引起的缺氧和低血糖会引起血管舒张。

图20：TTP是对比剂达到最大增强所花费的时间。在TAC中，这是从开始造影剂注射到Cmax的时间。TTP对流量变化非常敏感。然而，许多因素（技术性或与患者相关）可能会导致TTP延长，而不存在颅内病理变化，如低注射速率、低心输出量或颅外血管狭窄。这就是一些供应商以替代方法定义TTP的原因；计算的时间从脑动脉最早的增强开始，直到达到组织曲线上的峰值。通过这样做，可以消除可能导致延迟的颅外因素，从而提高特异性。这种方法被称为示踪剂延迟不敏感或延迟不变方法。

图21：这是残余函数达到最大值的时间。因此，Tmax也是“达到峰值的时间”，但在使用去卷积处理残余函数之后。它是最复杂的参数之一，因为它受到许多因素的影响。它反映了推注延迟，但也受到时间分散的影响，在较小程度上受到平均通过时间的影响。这些因素增加了分析该参数的复杂性，因为延长的Tmax可以代表这些因素中的任何一个，在解释结果时应考虑这一点。然而，Tmax的显著延迟很可能不是由延长的MTT引起的。Tmax被认为是大血管参数的参数，也是中风成像中的重要参数之一。据了解，急性缺血时Tmax升高与低灌注和延迟不良侧支供应共存。此外，即使灌注良好，Tmax高度升高的区域也最容易受到进一步灌注压力降低的影响。

图22：TTS是造影剂注射和组织增强之间的间隔。这是从开始对比剂给药到推注到达时间（BAT）之间花费的时间（以秒为单位），这也受到TTP中多种因素的影响。因此，延迟不变方法可以增加特异性，这里，将计算从脑动脉最早增强开始到组织侧BAT的时间。根据这个定义，这个数量是在动脉侧花费的时间，主要是在大中型血管内；因此，TTS可以被认为是大血管结构的标志物。在临床实践中，如果CTA中没有清楚地观察到血管闭塞，TTS的相当大的延迟将指向闭塞的血管。

图23：MTT是血液通过给定大脑区域的平均传输时间。此参数表示TAC对比剂流入和流出之间所花费的时间。换句话说，MTT是在毛细血管中花费的时间；因此，它可以被认为是微血管循环的标志物。MTT对血流动力学紊乱高度敏感，但特异性较低。

图24：TTD是排出时间。它是从开始增强到组织曲线中对比剂流出所经过的时间；换句话说，它是TTS和MTT的总和，这使得该参数对宏观和微血管紊乱都非常敏感。TTD似乎将两种类型的病理浓缩在一张图像中。因此，这个参数对血流动力学的变化很敏感，这意味着正常的TTD很有可能预测正常的灌注。

图25：FEP也被称为容积转移常数（Ktrans），它反映了血液和血管外细胞外空间之间的对比剂通过。Ktrans被认为是血脑屏障紊乱的标志物，取决于示踪剂的流量（F）、通透性（P）和血管表面积（S）。表面积和渗透率在实践中无法分离；因此，它们通常被组合为渗透率表面积乘积（PS）。

6.3 解释方法

有两种解释方法：

6.3.1定性分析：

图26：用于描述灌注变化的不同术语的摘要。根据个人经验以及左右半球和不同大脑区域之间的比较，使用主观连接。这种方法适用于日常生活，但需要经验。

6.3.2定量分析：

使用参数分析得出结论。这种方法更客观，但绘制感兴趣区域（ROI）很耗时，而且文献中没有使用恒定的方法；因此，这种方法并不总是适用于日常工作，尽管不同的软件包提供了更自动化的量化方法，如ROI镜像、预定义的模板以及半影和梗死核心的自动估计。

图27：使用阈值图进行自动组织风险估计的定量分析示例。梗死核心以红色表示，半影以黄色表示。

6.3.2.1绝对值：

使用阈值来定义异常区域见图28。

图28：定量分析中的绝对值使用阈值来定义具有不同参数先验知识的异常区域，这些参数根据技术、扫描仪、软件和大脑中的位置而不同。该图显示了皮层和白质的正常灌注值。数值根据Ables等人，使用西门子扫描仪使用去卷积方法获得。只有在了解所使用的技术的情况下才能应用已发布的值。由于灰质和白质的值不同，绘制ROI时应注意在比较不同区域时包含相同数量的灰质和白质。所有参数都显示出灰质和白质之间的显著差异，但差异最小的是MTT，灰质为3-3.6s，白质为3.4-4.6s，这意味着如果绘制ROI很麻烦，MTT可能是最好的参数。

6.3.2.2 相对值：

使用半球间差异和比率将可疑病理区域与正常对侧脑组织进行比较。