新型超聲造影劑對(duì)組織器官血流灌注的研究

1、新型超聲造影劑對(duì)組織器官血流灌注的研究    超聲造影劑的類(lèi)型與相關(guān)技術(shù)的發(fā)展(一)超聲造影劑的類(lèi)型目前造影劑根據(jù)劑型及成分的不同，可分為：自由氣體；包裹氣體；混懸液；膠體溶液；水溶液。第一代微泡造影劑為自由氣體，由于在血液循環(huán)中持續(xù)時(shí)間極為短暫、微泡大小不一、不能通過(guò)肺循環(huán)等缺陷，未能在臨床有效應(yīng)用。第二代微泡造影劑則在微泡周?chē)酝鈿こ煞荩ò椎鞍谆蛑|(zhì)）或膜穩(wěn)定劑，比較具代表性的有Albunex和Levovist。第三代微泡造影劑則在彈性外殼的韌性及采用低彌散度大分子量的氣體成分等方面作了較大的改進(jìn)(如Quantison, Optison, Ech

2、oGen等)。(二)相關(guān)技術(shù)1. 二次諧波技術(shù)不同大小的微泡對(duì)應(yīng)于一定頻率的聲波不僅可散射相同頻率的回波（基波），尚可產(chǎn)生兩倍于發(fā)射頻率的回波（諧波），甚至三倍，四倍或1/2頻率的回波，而人體的組織則無(wú)此特性，即在諧波頻率時(shí)，微泡造影劑的背向散射強(qiáng)度遠(yuǎn)高于人體的組織。理論上諧波散射時(shí)血液/組織強(qiáng)度比（信噪比）可達(dá)到1000以上。2. 瞬間反應(yīng)成像利用瞬時(shí)能量散射特性研制出了間斷觸發(fā)成像技術(shù)，即當(dāng)暫時(shí)終止探頭發(fā)射后，再次啟動(dòng)探頭時(shí)，此時(shí)微泡造影劑的信號(hào)最強(qiáng)，圖像質(zhì)量最佳。該增強(qiáng)效應(yīng)是瞬時(shí)的，并且聲波第一次接觸微泡時(shí)散射效果最佳。對(duì)于低灌注的組織，觸發(fā)的頻率要足夠低（超過(guò)10秒1幅圖像）。這種瞬間

3、的增強(qiáng)效應(yīng)在二維超聲上表現(xiàn)為灰階信號(hào)的增強(qiáng)，而在彩色 多普勒上則表現(xiàn)為彩色“馬賽克”樣改變，即使在無(wú)血流灌注的區(qū)域也可表現(xiàn)出此特性。因 為釋放出的自由氣體微泡的非線性反應(yīng)明顯優(yōu)于包裹氣體微泡，因此非常適合于二次諧波成 像。3. 定量檢測(cè)技術(shù)團(tuán)注聲學(xué)造影劑在組織局部形成二維或Doppler增強(qiáng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，可通過(guò)描繪局部的時(shí)間-強(qiáng)度曲線進(jìn)行研究。多方面因素決定時(shí)間強(qiáng)度曲線的意義和形態(tài)，血流速度，流速越快曲線越狹窄，即稀釋越快；造影劑平均渡越時(shí)間，這可以理解為造影劑團(tuán)注進(jìn)入血管或?qū)嵸|(zhì)的單位容積內(nèi)造影劑最后為完全新鮮血液所取代的時(shí)間，平均渡越時(shí)間越長(zhǎng)，曲線越平坦；取樣部位上下游血流中造影劑分布容積，分

4、布容積越大，曲線下面積越大。灌注壓力。具體的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：曲線形態(tài)：不同臟器部位的時(shí)間-強(qiáng)度曲線形態(tài)存在較大的差異。局部組織在團(tuán)注造影劑后時(shí)間-強(qiáng)度曲線的形態(tài)變化，在條件一定的情況下可以反映組織的血流灌注狀態(tài)。但由于曲 線的影響因素較多，單純討論曲線某一參數(shù)及形態(tài)在某一疾病中的意義是缺乏可比性和重復(fù) 性，特別是在評(píng)價(jià)灌注功能時(shí)，必須首先確定所選疾病模型對(duì)時(shí)間強(qiáng)度曲線而言是流速?zèng)Q定 性還是血流容積決定性。曲線下面積(Area Under Curve)：曲線下面積是時(shí)間-強(qiáng)度曲線最有價(jià)值的1個(gè)參數(shù)。因AUC直接與造影劑分布容積、血流速度、以及平均渡越時(shí)間密切相關(guān)，只有當(dāng)其中兩個(gè)因素相對(duì)

5、穩(wěn)定時(shí)才可評(píng)價(jià)AUC對(duì)另一因素而言的灌注意義。如果造影劑劑量、分布容積，以及儀器增 益條件控制恒定，曲線下面積是和平均渡越時(shí)間及實(shí)際流速成反比。稀釋率(washout rate)：稀釋率即時(shí)間-強(qiáng)度曲線下降支的斜率。稀釋率的比值最有價(jià)值的臨床應(yīng)用可能是用來(lái)判斷動(dòng)脈血流灌注的儲(chǔ)備。如混合容積恒定，重復(fù)測(cè)量某一確定部位用藥前后或治療前后的稀釋率的比值與實(shí)測(cè)局部血流量的比值相關(guān)良好。局部組織血流灌注量的定量計(jì)算：根據(jù)指示劑稀釋法，以聲學(xué)造影劑形成的灰階或彩色血流信號(hào)強(qiáng)度的變化作為指示劑的變化，以時(shí)間-強(qiáng)度曲線計(jì)算為基礎(chǔ)的定量法，具有良好的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，有相當(dāng)大的臨床應(yīng)用價(jià)值。依據(jù)以下假設(shè)：視頻強(qiáng)度

6、的變化與取樣容積內(nèi)造影劑微泡的濃度直線相關(guān)。在測(cè)量期間血管內(nèi)容積比恒定。測(cè)量期間總體血流量是恒定的。血流量可以通過(guò)取樣容積內(nèi)實(shí)質(zhì)組織的灌注血管的血流容積與造影劑通過(guò)該部分組織的平均渡越時(shí)間的比值計(jì)算局部血流量。通過(guò)計(jì)算局部實(shí)質(zhì)組織和參考部位(灌注動(dòng)脈腔)相同大小的取樣容積內(nèi)時(shí)間-強(qiáng)度曲線的參數(shù)，得出兩部位血管容積率，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的血 流量。超聲造影方法及步驟(一)超聲造影劑的選擇與用量根據(jù)不同的檢查要求確定不同的造影劑量。彩色血流顯示只需要微量的造影劑，一般在0.002ml/kg0.006ml/kg的范圍就可達(dá)到滿意的效果，劑量稍大即產(chǎn)生溢出偽像，為定量和形態(tài)學(xué)研究造成障礙。進(jìn)行實(shí)質(zhì)灰階增強(qiáng)

7、顯示時(shí)，所需劑量較大，一般在0.01ml/kg0.1ml/kg范圍可達(dá)到較滿意的效果，相對(duì)而言腎臟由于無(wú)肝臟的竇性結(jié)構(gòu)造影劑存留時(shí)間短，因此所需劑量往往較大，并且灰階增強(qiáng)持續(xù)時(shí)間較短。(二)觀察指標(biāo)及意義1. 造影前后臟器二維灰階強(qiáng)度變化保持儀器二維增益恒定，造影后數(shù)秒內(nèi) 便可觀察到二維灰階的增強(qiáng)。2. 造影前后臟器及病變部位血流增強(qiáng)的時(shí)相變化在進(jìn)行這些指標(biāo)的研究時(shí)，必須確認(rèn)造影劑的注射方式是團(tuán)注，并且時(shí)間應(yīng)該盡可能的短，如以后能標(biāo)準(zhǔn)化(包括儀器條件、造影劑條件、觀察方法等)將更有意義，如不采用團(tuán)注方法，這些指標(biāo)都沒(méi)有意義。肝臟血流灌注 形態(tài)學(xué)評(píng)價(jià)：動(dòng)脈時(shí)相：短暫；毛細(xì)血管相：增強(qiáng)強(qiáng)烈；延遲時(shí)

8、相：顯示小血管增強(qiáng) 。造影過(guò)程中所分的幾個(gè)時(shí)相的變化，也是根據(jù)基本的血流灌注的生理特點(diǎn)進(jìn)行劃分外周靜脈肺循環(huán)體循環(huán)組織灌注動(dòng)脈顯影組織實(shí)質(zhì)(毛細(xì)血管網(wǎng)或血竇增強(qiáng))顯影靜脈顯影，肝臟的門(mén)脈血供由于來(lái)源于胃腸道的靜脈回流，因此其出現(xiàn)時(shí)間肯定晚于早期的動(dòng)脈時(shí)相。隨著技術(shù)的發(fā)展，相信以后如能對(duì)造影后這些時(shí)相和持續(xù)時(shí)間的精確測(cè)量，這對(duì)組織灌注的評(píng)價(jià)，組織病變的程度、治療的轉(zhuǎn)歸都將有深入的研究?jī)r(jià)值。腎臟血流灌注形態(tài)學(xué)評(píng)價(jià)：在腹部臟器中，研究以造影增強(qiáng)能量圖評(píng)價(jià)腎臟血流灌注形態(tài)具有很多優(yōu)勢(shì)，敏感、顯示完整、劑量要求小。在儀器條件及劑量恒定的情況下，造影增強(qiáng)能量圖直觀顯示出隨著灌注壓力遞減，外周腎皮質(zhì)血流灌注

9、量有顯著減少，并且隨著血壓的降低，檢測(cè)不到血流的皮質(zhì)部分厚度逐漸增厚。根據(jù)形態(tài)學(xué)特點(diǎn)，將整個(gè)團(tuán)注造影過(guò)程分為正常相、爆發(fā)相、持續(xù)灌注相、閃爍相以及恢復(fù)相這五個(gè)時(shí)相。五個(gè)時(shí)相的變化，反映了團(tuán)注造影劑后，造影劑進(jìn)入聲場(chǎng)后的動(dòng)態(tài)稀釋變化過(guò)程。腎臟血流灌注的定量評(píng)價(jià)：建立腎動(dòng)脈狹窄模型后，顯示隨鉗夾程度的遞進(jìn)，曲線下面積、峰值強(qiáng)度、平均渡越時(shí)間均存在顯著變化(P<0.05)。腎段間動(dòng)脈的時(shí)間強(qiáng)度曲線的稀釋率隨鉗夾程度的遞進(jìn)而逐漸增大，即其稀釋過(guò)程增快，也可從其平均渡越時(shí)間的遞減反映。鉗夾腎動(dòng)脈主干是一急性過(guò)程，段間動(dòng)脈及組織的時(shí)間強(qiáng)度曲線的形態(tài)改變是由造影劑在血管內(nèi)血流分布容積決定的，即曲線下面

10、積的變化反映的是造影劑所在血管內(nèi)血流容積的變化。實(shí)質(zhì)部位曲線下面積與段間動(dòng)脈曲線下面積的比值能較好的反映鉗夾程度的變化。根據(jù)曲線下面積與通過(guò)所測(cè)定區(qū)域的造影劑含量成線性相關(guān)的假設(shè)，采用指示劑稀釋法定量計(jì)算腎皮質(zhì)血流灌注研究顯示其測(cè)定值與組織血流儀測(cè)定值相關(guān)良好(r=0.74,P<0.05)。3. 連續(xù)觀察法與間斷觀察法連續(xù)觀察法注射造影劑后連續(xù)掃查組織，這種方法優(yōu)點(diǎn)在于解剖結(jié)構(gòu)清晰，觀察連續(xù)，但對(duì)造影劑的破壞嚴(yán)重。間斷觀察法注射造影劑后間斷掃查組織，優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)造影劑破壞小，造影效果維持時(shí)間較長(zhǎng)，但對(duì)病變的找尋缺乏連續(xù)性。造影后組織及腫瘤部血管血流增強(qiáng)在能量圖或彩色多普勒模式下連續(xù)觀察法和

11、間斷觀察法均能觀察到顯著的血流增強(qiáng)，連續(xù)觀察法可清晰觀察清楚灌注時(shí)相的連續(xù)變化，清楚顯示腫瘤周邊及內(nèi)部滋養(yǎng)血管的走行VX2 腫瘤在造影動(dòng)態(tài)過(guò)程中成負(fù)性造影區(qū)，表現(xiàn)為充盈缺損。在較大劑量（如0.01ml/kg）時(shí)爆 發(fā)相時(shí)可出現(xiàn)溢出偽像，造成充盈缺損的不完整。能量圖條件下，造影背景均勻細(xì)膩，腫瘤 表現(xiàn)為邊緣勾畫(huà)清晰、分界明顯的充盈缺損。腫瘤形成的充盈缺損中易顯示出其灌注血管。 從形態(tài)診斷角度考慮應(yīng)盡可能延長(zhǎng)造影背景時(shí)間，解決方法可以減慢注射速度。造影后實(shí)質(zhì)性器官及腫瘤灰階增強(qiáng)在灰階模式及能量圖模式下注射超聲造影劑，當(dāng)組織局部發(fā)生缺血時(shí)，有助于準(zhǔn)確判斷缺血范圍和部位，也有助于對(duì)治療后再灌注功能及供

12、血區(qū)域的判斷。間斷觸發(fā)的諧波成像能更敏感、更清楚地描繪造影在局部的低灌注區(qū)域。間斷觸發(fā)成像方式主要有利于減少微氣泡的破壞和提高組織中的造影氣泡的散射強(qiáng)度。此外在超聲造影過(guò)程中，還存在飽和現(xiàn)象，即造影二維增強(qiáng)或彩色血流顯示的峰值，并不隨劑量的增高而持續(xù)升高，當(dāng)劑量達(dá)到1個(gè)水平后，增強(qiáng)將維持1個(gè)高水平狀態(tài)，但是造影持續(xù)時(shí)間則一般隨劑量的增大而延長(zhǎng)。1. 實(shí)質(zhì)性組織灰階增強(qiáng)：造影后二維灰階增強(qiáng)的強(qiáng)度與劑量相關(guān)，即劑量越大，增強(qiáng)出現(xiàn)越早，增強(qiáng)越明顯，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，較大劑量（0.03ml/kg以上）時(shí)肝實(shí)質(zhì)和肝內(nèi)較大的動(dòng) 脈和門(mén)靜脈出現(xiàn)后方回聲衰減。2. 腫瘤及腫瘤血管灰階增強(qiáng)：由于腫瘤組織結(jié)構(gòu)與肝或腎

13、組織的截然不同，腫瘤缺乏肝臟的均勻一致的竇狀結(jié)構(gòu)或豐富的腎臟血管結(jié)構(gòu)。因此在灰階增強(qiáng)上表現(xiàn)為負(fù)性充盈缺損。腎臟血流灌注功能圖的研究利用經(jīng)外周靜脈團(tuán)注聲學(xué)造影劑FX530所形成的腎能量圖血流灌注能量顯示的動(dòng)態(tài)變化，提取其中的某些參數(shù)進(jìn)行再次參數(shù)成像，構(gòu)建灌注功能圖。并用于對(duì)實(shí)驗(yàn)性腎腫瘤血流灌注變化的動(dòng)態(tài)觀察及腎動(dòng)脈狹窄動(dòng)物模型血流灌注變化的研究。造影灌注功能圖的構(gòu)建：1. 圖像分析軟件使用同濟(jì)醫(yī)科大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院超聲科與武漢大學(xué)醫(yī)學(xué)圖像信息研究所共同開(kāi)發(fā)的軟件。2. 心電門(mén)控取每一舒張末期圖像。3. 提取每一幅圖像中每1個(gè)像素在造影前后的視頻強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)稀釋曲線參數(shù)(根據(jù)伽瑪函數(shù)擬合)：曲線下面積

14、、半降時(shí)間、下降斜率。4. 對(duì)提取的每1個(gè)像素的上述3個(gè)參數(shù)分別根據(jù)已有的數(shù)學(xué)模型，量化為0255個(gè)灰階級(jí)別 。5. 偽彩編碼成像：對(duì)每1個(gè)映射到灰階數(shù)值的參數(shù)按灰度級(jí)別關(guān)系進(jìn)行紅、藍(lán)、綠三色編碼，根據(jù)灰階值確定紅、綠、藍(lán)色的比例。結(jié)果顯示：灌注功能圖：把功能性指標(biāo)信息直觀化，不但能反映灌注的功能信息而且能反映其分布，還清晰而直觀評(píng)價(jià)腫瘤血供的動(dòng)態(tài)變化以及彌漫性腎實(shí)質(zhì)缺血引起的灌注功能的改變。以曲線下面積構(gòu)建的功能圖質(zhì)量最好，無(wú)偽像及瑪塞克現(xiàn)象。以半降時(shí)間及下降斜率構(gòu)建的功能圖存在較嚴(yán)重的偽像，瑪塞克現(xiàn)象及失真。在參數(shù)成像中，以曲線下面積構(gòu)建的功能圖最為穩(wěn)定和平滑。由于功能圖的構(gòu)建是以時(shí)間強(qiáng)度

15、曲線為基礎(chǔ)的，因此討論功能圖的意義應(yīng)更多從影響時(shí)間強(qiáng)度曲線的因素考慮。功能圖可清晰顯示組織及腫瘤內(nèi)部灌注量及其分布規(guī)律，具有廣泛的臨床應(yīng)用前景。影響檢測(cè)血流灌注的因素(一)與評(píng)價(jià)灌注功能相關(guān)的造影劑物理特性1. 造影劑穩(wěn)定性(stability)，聲學(xué)造影劑評(píng)價(jià)組織灌注效果直接與造影劑穩(wěn)定性有關(guān)，造影劑越穩(wěn)定其在血液中對(duì)壓力變化的耐受性就越高，則其破壞率就低，也即于組織和血管中的聚集濃度越高，增強(qiáng)效果越明顯。2. 衰減（Attenuation），衰減與背向散射相互影響，且都與造影劑的濃度有關(guān)。在低濃度時(shí)，背向散射強(qiáng)度隨微泡造影劑的濃度增加而增加；在高濃度時(shí)，衰減卻起主要作用。因此對(duì)不同類(lèi)型的造

16、影劑應(yīng)建立針對(duì)不同儀器條件和成像條件下的背向散射及衰減與微泡濃度的函數(shù)關(guān)系，以確定不同造影劑在不同條件下所能獲得最有效的二維或多普勒增強(qiáng)的濃度及劑量。3. 背向散射強(qiáng)度(Backscatter Intensity)，當(dāng)散射體于介質(zhì)中呈松散分布的條件下，背向散射強(qiáng)度與散射體的數(shù)目呈線性相關(guān)。但在高濃度的情況下，微粒的雜亂運(yùn)動(dòng)能顯著改變背向散射波的相位和幅度，形成的多重散射可導(dǎo)致衰減明顯增加。4. 諧波散射 (Harmonic Scattering) ，不同大小的微泡對(duì)應(yīng)于一定頻率的聲波不僅可散射相同頻率的回波（基波，還可產(chǎn)生整倍于發(fā)射頻率的回波(諧波)，即在產(chǎn)生諧波頻率時(shí)， 微泡造影劑的背向散射

17、強(qiáng)度遠(yuǎn)高于人體的組織，因此造影劑的這種非線性特性能使微循環(huán)內(nèi) 的灌注血流與組織信號(hào)明顯區(qū)分。5. 瞬間能量散射(Transient Power Scattering)，在瞬時(shí)能量散射時(shí)，超聲造影劑的有效散射面積隨聲場(chǎng)的強(qiáng)度而增加。在聲場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，微泡散射體呈線性散射，在高聲強(qiáng)時(shí)，由于聲壓等因素的聯(lián)合破壞作用，使彈性外殼的微泡爆裂，產(chǎn)生一種瞬間非線性反應(yīng)，稱為“聲激發(fā)的聲發(fā)射(Acoustically Stimulated Acoustic Emission)”由以上聲學(xué)物理特性可見(jiàn)，在評(píng)價(jià)組織灌注功能時(shí)，造影劑本身的物理特性對(duì)灌注功能的評(píng)價(jià)起著決定性因素，因此在進(jìn)行定量測(cè)定的方法學(xué)研究時(shí)，必須確定進(jìn)行定量計(jì)算的假設(shè)與進(jìn)行造影實(shí)驗(yàn)的造影劑的物理特性相關(guān)，特別是造影劑的線性散射特性相關(guān)。(二) 影響評(píng)價(jià)組織灌注功能的生理因素由于不同組織器官的組織學(xué)和解剖結(jié)構(gòu)的不同，在進(jìn)行組織灌注功能形態(tài)學(xué)及定量學(xué)評(píng)價(jià)，特別是定量評(píng)價(jià)時(shí)需首先確認(rèn)組織結(jié)構(gòu)的特殊性，才能作出正確的判斷和解釋。影響因素主要包括：有無(wú)豐富的側(cè)枝循環(huán)。有無(wú)雙重血供。有無(wú)動(dòng)靜脈瘺。有無(wú)