CN102119856A - 一种基于稳态法计算脑血容量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种计算脑血容量的方法，该方法基于稳态CT脑灌注成像原理来计算脑血容量。该方法包括以下步骤：(1)进行普通全脑CT扫描获取注射造影剂前的脑组织结构图像；(2)在血管兴趣区注射造影剂，达到稳态后，获取相同位置的脑组织结构图像；(3)使用血管像素删减法删除过高的脑血容量值，减除感兴趣区内的动脉对脑血容量测量值的干扰；(4)通过计算脑组织与血管中信号变化的比率，并根据公式计算脑组织的脑血流量值。该方法可以进行全脑扫描，并减少了灌注扫描的射线剂量，因此可以被广泛地应用于临床。
Description
背景技术
急性脑血管病是神经系统的常见疾病，其发病率和死亡率有逐年增高的趋势，其中约67％～80％为急性缺血性脑血管病(AICVD)。为及时筛选处于治疗时间窗内的AICVD患者和制定恰当的治疗方案，临床医师需要获得患者的脑血流的状况。正电子发射型计算机体层扫描(PET)、单光子发射型计算机体层扫描(SPECT)、氙-CT(Xe-CT)等成像技术可为AICVD患者病发后脑组织的病理生理改变提供大量有用信息，然而这些检查方法存在某些不足，限制了应用和推广。现有基于计算机断层扫描图像(Computed Tomography，CT)计算脑血容量，通常采用快速动态多时相的采集方式采集数据，而后基于去卷积或非去卷积模型计算脑血容量的值。但这种方法受CT扫描机的覆盖范围和转动速度限制，通常一次只能计算部分脑组织的脑血容量，而且由于连续的动态扫描需要持续足够长的时间，因此放射线剂量大。
随着脑血管病研究的进展，动态CT脑灌注成像(computed tomography perfusion，CTP)是近年来开展的一项新的功能成像技术。动态CT脑灌注成像能够反映脑内血流灌注情况，快速、可靠的评价血流动力学改变，早期诊断急性缺血性脑血管病的敏感性和特异性高，还可观察病变的范围和严重程度，在诊断急性脑缺血方面一直是研究热点。
CT灌注成像的原理
CT灌注成像是从静脉团注对比剂后，对选定层面(1层或多层)进行同层动态扫描，以获得该层面内每1像素的时间-密度曲线(TDC)，根据该曲线利用数学模型计算脑血流量(CBF)、脑血容量(CBV)、对比剂平均通过时间(MTT)、峰值时间(TTP)和表面通透性图(PS)等参数，通过伪彩处理得到组织灌注功能图，用来表现并评价组织器官灌注状态的功能成像方法。
CBV指感兴趣区(ROI)内单位体积脑组织的血管床容积(包括毛细血管和大血管在内)，单位为ml/100g。CBF指单位时间内流经一定脑组织血管结构(包括动脉、毛细血管、静脉和静脉窦)的血流量，单位为ml/(100g·min)。MTT指血液流经血管结构，如动脉、毛细血管和静脉窦时，通过的血管路径不同，时间也不同，所以用平均通过时间表示，反映对比剂通过感兴趣区毛细血管的平均时间，单位为秒。TTP指对比剂首次到达扫描层面内的大动脉至对比剂在脑组织中达到团注峰值的时间间 隔，正常值一般为几秒，单位为s。PS指由于血脑屏障开放或肿瘤原因导致对比剂单向从血管内渗透到组织间隙的速度，主要用于肿瘤评价，单位为ml/(100g·min)。
学者们先后用不同数学模型进行CT灌注方面的研究，主要有非去卷积和去卷积模型，去卷积模型这种方法不需对组织的血流动力学做人为假设，可使用较低的注射速率，还可计算分布容积和平均通过时间，计算的偏差小，获得的值比较真实。但其引入的参数多，计算复杂，且对噪声相当敏感，限制了其临床应用。
灌注成像方法
先行常规CT平扫，之后立即进行CT灌注扫描。取感兴趣层面(大多为单层)为扫描层面，一般为基底节层面，包括丘脑、基底节、内囊和大脑前、中、后动脉。患者平卧，左臂举起平行于头部，通过高压注射器经右肘静脉快速注入对比剂，剂量40～60ml，注射速度4～20ml/s。以肘动脉为参照，当注射对比剂后CT值上升到预置值时开始进行同层动态扫描，并获得40幅以上图像，将这些图像输入计算机，使用Perfusion CT软件做数据处理。通过动态分析模块获得感兴趣区的时间-密度曲线，并计算各灌注参数值。最后，根据色阶分别形成脑血流图、脑血容量图、平均通过时间图、峰值时间图，并对这些图进行定量或半定量分析。
动态CT脑灌注成像快速方便，不需要昂贵的附加设备，值得推广。但到目前为止，尚有许多问题未得到彻底解决，例如，目前多数研究都是以1层层厚为10mm的层面作为研究对象(包括使用多层螺旋CT)，即使采用64排螺旋CT也仅能进行40mm扫描，这样位于扫描层面以外的病灶极易漏诊，整个脑组织的三维灌注成像目前尚难以实现。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于稳态CT脑灌注成像计算脑血容量的方法。
所述稳态CT脑灌注成像(steady-state CT perfusion)的基本原理是利用造影剂注射前后血管和脑组织内信号强度的变化计算脑灌注血容量，即利用注射造影剂前后脑组织信号强度的变化完全源自血液中造影剂的原理，通过剪影的方式计算注射造影剂前后脑组织各处的信号变化，由于血管中的血液信号变化也同时可以计算得到，根据血管中的脑血容量为100ml/100g的先验知识，通过计算脑组织与血管中信号变化的比率可以计算脑组织内的脑血容量。
本发明的具体方案如下：一种基于稳态法计算脑血容量的方法，包括以下步骤：
(1)进行普通全脑CT扫描获取注射造影剂前的脑组织结构图像；
(2)在血管兴趣区注射造影剂，达到稳态后，获取相同位置的脑组织结构图像；
(3)使用血管像素删减法(vascular-pixel elimination，VPE)删除过高的脑血容量(CBV)值，减除感兴趣区内的动脉对脑血容量(CBV)测量值的干扰；
所述VPE方法如下：
a.CBV＞8ml/100g的体素被认为是血管
b.CBV＞CBVmean+2xCBVsd的体素被认为是血管，其中CBVmean为脑血容量平均值，CBVsd为脑血容量标准差，
c.在最终的兴趣区分析过程中，剔除被认为是血管的体素，避免血管信号对最终统计的影响。
(4)通过计算脑组织与血管中信号变化的比率，并根据公式I计算脑组织的脑血流量值，
公式I：
％CBV＝100xΔHUbrain/ΔHUblood
CBV＝ΔHUbrain/ΔHUbloodxVvoxelxN
CBV：脑血容量，单位是ml/100g
ΔHUbrain：注射造影剂前后脑组织内信号强度的变化量
ΔHUblood：注射造影剂前后大血管内信号强度的变化量
Vvoxel：体素的体积，单位是ml
N：100g脑组织中体素的数目，单位是(100g)-1。
所述的血管兴趣区包括矢状窦、横窦、乙状窦、颈静脉。由于矢状窦、横窦、乙状窦、颈静脉内充满了血液，并且血管较大，可以最大限度的降低部分容积效应的影响，因此血管兴趣区选择在这样的血管上。
例如，采用本发明的方法在血管兴趣区注射造影剂时，对于标准体重的成人造影剂总量为100ml，注射速率为3ml/秒，注射造影剂25秒后达到平衡态。所述达到平衡态是指注射的造影剂在血液中混合均匀。所述25秒为设定值，根据本行业的经验，认为注射造影剂25秒后造影剂在血液中混合均匀。当然，对于儿童或体重偏轻或偏重的人可以适当地减少或增加造影剂的总量，或改变注射速率，取值的范围是本行业公知的，在此就不一一赘述。应该理解，本发明所举的例子并不是为对本发明的限制， 而是为了更好地理解本发明。
与通过动态CT灌注成像技术计算脑血容量的方法相比，本发明的方法主要具有以下优点：
1.只需要基线信息和稳态信息就可以计算脑血容量信息；
2.可以在扫描CT血管造影(CT angiography，CTA)图像之前扫一个基线图像，这样在得到CT血管造影图像的同时还可以得到脑血容量的灌注信息；
3.可以进行全脑扫描，减少探测器覆盖范围对扫描范围的影响，减小对CT成像速度的依赖；
4.可以减少灌注扫描的射线剂量；
5.降低对扫描过程中病人的运动的敏感程度。
附图简述
图1是注射造影剂前的大脑枕叶皮层和深部灰质结构图像。
图2是注射造影剂前的小脑和脑干结构图像。
图3是通过稳态法获得的与图1相同的位置的脑血容量灌注图像。
图4是通过稳态法获得的与图2相同的位置的脑血容量灌注图像。
具体实施方式
实施例1
该研究被当地动物保护委员会批准。11只健康大鼠被纳入可行性研究。先对大鼠头部进行CT连续采集，然后经静脉注射造影剂后对大鼠头部的相同位置进行CT连续采集。我们分别用稳态法和动态法测量大脑顶枕叶，深部脑灰质，小脑和脑干的CBV值。其结果是：应用稳态法测量大脑顶枕叶，深部灰质，小脑和脑干的CBV值分别是3.19±0.83mL/100g，3.22±0.82mL/100g，4.54±1.11mL/100g，和3.87±1.00mL/100g。应用动态法测量对照组的大脑顶枕叶，深部灰质，小脑和脑干的平均CBV值分别是3.30±0.69mL/100g，3.55±0.87mL/100g，4.56±0.93mL/100g，和3.97±0.81mL/100g。两种方法测得CBV值的一致性用组内相关系数(ICC)和Bland-Altman法进行分析。稳态和动态两种方法之间CBV值的变异很小：顶枕叶(ICC，0.963；95％CI，0.862到0.990)，深部脑灰质(ICC，0.946；95％CI，0.801到0.986)，小脑 (ICC，0.925；95％CI，0.722到0.980)，脑干(ICC，0.966；95％CI，0.873到0.991)。并且Bland-Altman法显示两种方法配对CBV值显著一致。
结论：试验结果证明用稳态方法测量健康大鼠CBV值与动态方法测量具有一致性。因此本发明的方法可以被应用于缺血病人全脑血流动力学评估。
Claims (2)
1.一种基于稳态法计算脑血容量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)进行普通全脑计算机断层扫描获取注射造影剂前的脑组织结构图像；
(2)在血管兴趣区注射造影剂，达到稳态后，获取相同位置的脑组织结构图像；
(3)使用血管像素删减法删除过高的脑血容量值，减除感兴趣区内的动脉对脑血容量测量值的干扰，所述血管像素删减法如下：
a.脑血容量大于8ml/100g的体素被认为是血管，b.脑血容量大于脑血容量平均值加上2倍的脑血容量标准差的体素被认为是血管，c.在最终的兴趣区分析过程中，剔除被认为是血管的体素，避免血管信号对最终统计的影响；
(4)通过计算脑组织与血管中信号变化的比率，并根据公式I计算脑组织的脑血流量值，
公式I：
％CBV＝100xΔHUbrain/ΔHUblood
CBV＝ΔHUbrain/ΔHUblood x Vvoxel x N
CBV：脑血容量，单位是ml/100g
ΔHUbrain：注射造影剂前后脑组织内信号强度的变化量
ΔHUblood：注射造影剂前后大血管内信号强度的变化量
Vvoxel：体素的体积，单位是ml
N：100g脑组织中体素的数目，单位是(100g)-1。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的血管兴趣区包括矢状窦、横窦、乙状窦、颈静脉。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110713 |