医学影像与分子影像

红线：健侧脑组织的造影剂灌注状况，见曲线在17秒左右迅速下降，在 23秒左右达低谷峰值，然后又迅速回升； 蓝线：梗死脑区的造影剂灌注状况，由于血液供应障碍，造影剂需要很长 时间才能进入局部脑组织（通过一些侧枝循环），造成了该曲线下降缓 慢，大约在20秒左右开始下降，在30多秒处才达低谷峰值，且这个峰值 也没有降到健侧曲线峰值的低谷。曲线然后又开始缓慢恢复。
动物模型
阻一
塞般
血用
管老
或鼠
者做
MCA
使实
血验
管，
PCA
破人
裂为
。的
ECA
ICA
临床研究
本实验室参与的脑出血研究
患者来源于北京大学首钢医院。随机选择病例12例， 其中，男7例，女5例，年龄20~78岁，平均43岁。其 中，出血原因各有不同，年轻人多为脑血管畸形，年长 者多为高血压、动脉硬化所致。
C(t)=Cm(t) ⊗−1 AIF(t)
Cm(t)测得的组织曲线；⊗−1 为去卷积；AIF(t)测得 的AIF曲线。
图像数据分析——静脉内团注示踪法
CBV可以由下式计算：
CBV = k ⋅ ∫ Cm(t)dt p ∫ AIF(t)dt
校正因子K=（1-HCTLV）/（1-HCTSV）, 其中， 大血管红细胞压积HCTLV为0.45；小血管红细胞 压积HCTSV为0.25。P 脑组织密度，1.04g/ml。 CBF则可以通过以下公式获得：
团注第一时相的信号强度变化
造影剂钆——二乙 烯五胺乙酸（GdDTPA）的顺磁性 特性减低了血管床 和邻近组织的T2驰 豫率。团注第一时 相时，可见到T2驰 豫率信号衰减，灰 质比白质信号下降 幅度更大，这是由 于灰质血容积要多 于白质的缘故。
实验患者选择同弥散成像研究。病例共90例。其中，男65 例，女25例，年龄35~68岁，平均55岁。90例患者中，3 小时内就诊病例为6例，3-6小时10例，其余49例为6小时 外就诊患者，还有25例最后确诊为短暂性脑缺血发作 （TIA）。
示例
脑中风患者，女性，55岁，首诊6小时
DWI
ADC
MTT
MRA
示例
脑中风患者，女性，55岁，首诊6小时
DWI
MTT
penumbra
MRA
示例
脑梗死患者，发病后3天就诊
CBV图像
CBF图像
MTT图像
示例
男性，46岁，半暗带图像
发病1.5小时
治疗后第三日
治疗后第七日
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缺血性脑血管病相关调节机制
脑血流的自动调节机制： 脑灌注压降低，脑血管扩张，CBF维持稳定，CBV增加， CBV/CBF的比值即MTT增大；脑灌注压进一步降低，自动调节机 制失代偿，出现CBV和CBF的降低，MTT减小。
温度是水分子弥散运动的一个非常重要的调节因素。绝对 零度时分子的热运动才会停止。37度时自由水分子的弥散 系数大约为3.0×10-3mm2/s。
弥散分子或离子的大小也是影响弥散系数的因素，溶解的 分子越大，其移动速度就越慢。
介质的粘滞性也是影响因素，低粘滞性的介质如水，其弥 散系数就高。
6
扫描:所有病人均同时进行MR平扫和DWI扫描。 扫描设备为GE Signa Horizon和Siemens Vision 1.5T磁共振成像系统。
本实验室参与的脑缺血研究
扫描参数(GE)为：T1WI：SE序列，TR440ms， TE11ms，T2WI：FSE序列，TR4000ms， TE110ms，矩阵256x256。DWI：EPI序列反转角 90°，TR10000 ms，TE 126 ms，TI 200 ms， FOV 22cm，层厚6mm，层间距2mm，矩阵 128x128，b值取0，500和1000s/mm2。
D = b1 − b2 ln S2 − ln S1
ADC定量分析 ——计算指数ADC值
指数ADC即eADC则为，
eADC = exp(−b ⋅ ADCav )
这里ADCav为三个方向弥散系数的平均值，
ADCav
=
1 3
( ADCx
+
ADCy
+
ADCz )
2
表：缺血性脑血管病患者分组情况
发病时 间（小 时）
图像数据分析——静脉内团注示踪法
指示剂稀释理论可以用于MRI团注追踪图像以定 量CBV、CBF和MTT。当理想的瞬间动脉团注Gd 进入组织区域，参数间存在以下关系：
MTT = CBV = ∫ C(t)dt
CBF
Cmax
C(t)为组织区域的Gd浓度，Cmax为该曲线的最大 值。但实际上动脉团注不可能瞬间完成，因而组 织C(t)对瞬间动脉团注的反应可以通过下述关系 计算：
医学影像与分子影像学
田捷
中科院自动化所医学影像研究室
Email：tian@
2004年9月
第十四讲：脑中风研究
概述
中风主要为以下两类： 脑出血性中风（脑出血或者脑
溢血），这种中风很容易用CT 诊断出来，在中风中占的比例 也较小。 脑缺血性中风（脑缺血或者脑 梗塞），占了中风的一大半， 目前是国际研究的热点。
MTT = CBV CBF
CBF = CBV MTT
4
再循环效应，还需要对动脉 输入函数（AIF）进行γ拟合，以提高图像质量。
PWI的时间-磁敏感性变化（ΔR2）曲线
蓝色实线为原始数据，绿色带-o-为浓度时间曲 线，而红色带-*-的曲线为γ拟合曲线。
T1WI
示例
前一患者MRI，三诊第7 日，异常已经消失
T2WI
T1WI
DWI
ADC
EADC
DWI
ADC
EADC
示例
男性，68岁，首诊发病12小时
T2WI
T1WI
DWI
前一患者，二诊第12日
示例
前一患者，三诊第4月
首诊和 二诊DWI
3
病灶变化与就诊、治疗时间的关系
基于联合应用弥散成像与灌注成像技术 的急性缺血性脑血管病数据处理与分析
T2加权像
本实验室参与的脑缺血研究
患者:选择自1999年3月至2003年3月，分别在北 京 大 学 首 钢 医 院 、 北 京 天 坛 医 院 和 法 国 CHRU Roger Salengro 医院就诊的、被临床诊断为缺血 性脑血管病的病例，共350例。其中，男235例， 女115例，年龄28~80岁，平均64岁。350例患者 中，急性期病例为120例，亚急性期和慢性期患 者共230例。在急性期病例中，34例最后确诊为 短暂性脑缺血发作（TIA）。
数据采集阶段，为了获得准确的原始数据，采取急 诊检查和治疗后复查的制度。
在数据处理阶段，我们采用基于ADC的大样本数据 分析（350例）。对病变区域及对侧镜像区进行分 割，比较病变区与非病变区的ADC值的变化情况， 将病变情况量化；治疗后再对数据分析，评估治疗 效果。
表观弥散系数
弥散成像中，某一个像素为多个水分子中的氢原子（1H） 的布朗运动所致。通过计算获得的对应某一个像素的水弥 散量，并不是代表一个水分子的弥散系数，而是多个水分 子 的 综 合 体 现 ， 即 所 谓 的 表 观 弥 散 系 数 （ Apparent Diffusion Coefficient，ADC）。ADC值具有方向敏感性。
所有病人均同时进行MR平扫和弥散、灌注成像扫描。扫 描设备为 1.5和3.0 T磁共振成像系统。
扫描参数平扫与DWI同前，灌注成像（PWI）则为：采用 EPI序列，反转角 90°，TR2000，TE 30~60，FOV 24cm，层厚5~7mm，层间距0~0.5mm，矩阵128x128。 全程扫描共24~40次。所用造影剂为磁显葡胺（Gd— DTPA，德国Schering公司及北陆医药化工集团生产）， 按0.1mmol/kg计算给药量。注射方式采用静脉团注，应用 磁共振兼容的强力注射装置以3-7 ml/s的速率注射。
图像数据分析——静脉内团注示踪法
根据指示剂稀释理论，将MRI信号转化为Gd浓度。
Cm(t) = −K ⋅ ln S (t) S0
这里，Cm(t)为所测Gd浓度，随时间变化。K比例 常数，与TE成反比，并与MRI设备有关。K值实 际很难估计，但由于各层TE相同，假定每个组织 类型（如大小血管）有相同的比例常数，因而K值 可以忽略不计。 S(t)为MRI信号强度；S0为应用 Gd前的基线信号强度。S0用第2~4张图像计算。 Cm(t)可以根据ROI或者逐个体素为基础的方法计 算。
脑平均血流量参考值*： 50ml/100g·min：正常平均值 20ml/100g·min：脑电图发生了改变； 15ml/100g·min：脑电图曲线变平，为神经元电生理功能衰竭阈值 10ml/100g·min时，离子泵和能量代谢衰竭，为膜功能衰竭阈值
脑梗死演变机制： 当CBF处于电生理功能衰竭阈值以下时，细胞膜电活动消失，谷 氨酸释放，电压依赖性钙通道开放，钙离子和钠离子一过性流入 细胞内，突触传递障碍，因而出现短暂性神经功能障碍症状，此 时系可逆性的；当CBF处于膜功能衰竭阈值以下时，则出现细胞 代谢衰竭，细胞内钙离子超载，脑细胞出现不可逆性损害，最终 出现脑梗死。
示例
男性，74岁，脑出血
脱氧血红蛋白能 缩短T1、T2时 间，造成T2加权 像低信号和T1加 权像高信号； DWI和ADC图像 上均为低信号。 DWI中血肿周围 高信号为细胞毒 性水肿。
1
脑出血的影像学特征
CT T1加权像
脱氧Hb-短T2 细胞内 正铁Hb-短T1 细胞外 正铁Hb-短T1
-长T2
脑梗死 病例数
TIA
病例数
急性期
<1.5
1.5~3
3~6
6~4 8
小计
2 8 11 65 86
3 7 10 14 34
亚急性 慢性期
>48
230
0
小计
5 15 21 79 120 230
示例
男性，46岁，首诊1.5小时
T2WI
T1WI
DWI
ADC
EADC
示例
前一患者MRI，二诊第3 日，异常减小
T2WI
所有病人均同时进行MR平扫和弥散成像扫描。扫描设 备为 1.5T磁共振成像系统。
扫描参数为： T1WI：SE序列，TR440ms，TE11ms， T2WI：FSE序列，TR4000ms，TE110ms，矩阵 256x256。 DWI：EPI序列反转角 90°，TR10000 ms，TE 126 ms，TI 200 ms，FOV 22cm，层厚6mm，层 间距2mm，矩阵128x128，b值取0和1000s/mm2。
ADC定量分析 ——计算弥散系数值
D = - 1 ln S
b
S0
从该公式中可知，计算弥散系数至少需要2幅图像，一 幅为弥散加权像，b>0；另外一幅则为不含有弥散加权 的图像，b=0。由此计算所获得的图像成为弥散系数图 像（apparent diffusion coefficient map, ADC map）。 弥散系数D也可由下述公式求得：