王 斌 綜述 姚振威 審校

隨著多排螺旋CT(MDCT)機(jī)器的不斷更新以及相關(guān)軟件的相繼開(kāi)發(fā),顱腦CT灌注成像(CT perfusion,CTP)技術(shù)日趨成熟,已得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用,成為一種研究顱腦疾病動(dòng)態(tài)影像及功能影像的極具臨床價(jià)值的方法。本文對(duì)其基本原理、技術(shù)方法、適用范圍、臨床應(yīng)用及與其他相關(guān)成像方法比較等方面綜述如下。

CTP基本原理

1.腦灌注成像理論的形成

CT灌注成像的理論基礎(chǔ)來(lái)源于核醫(yī)學(xué)的放射性示蹤劑稀釋原理和中央容積定律。示蹤劑稀釋方法要求取樣期間示蹤劑始終保持在血管內(nèi) (血管外丟失必須被校正),完全與血液混合,并隨血流分布,示蹤劑不影響觀察過(guò)程中的機(jī)體的生理過(guò)程,靜脈內(nèi)注射含碘對(duì)比劑能滿足以上要求。中心容積法假設(shè)對(duì)比劑和血液的血流動(dòng)力學(xué)性質(zhì)相同,而且動(dòng)脈內(nèi)或腦組織內(nèi)對(duì)比劑濃度和CT增強(qiáng)值的變化呈線性關(guān)系[1-2],即可進(jìn)行腦灌注測(cè)量。Ham berg等[1]認(rèn)為,使用等滲性對(duì)比劑的動(dòng)態(tài)CT增強(qiáng)掃描基本能滿足使用示蹤劑觀察組織灌注的前提條件。Miles等[3-4]也認(rèn)為由于放射學(xué)對(duì)比劑與放射性核素的藥代動(dòng)力學(xué)非常相似,因此,上述原理也可適用于對(duì)比劑,可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)增強(qiáng)CT灌注成像研究。腦CTP的成像原理是將對(duì)比劑經(jīng)靜脈團(tuán)注后,對(duì)選定的層面(一般選擇病變最大的層面)行連續(xù)多次掃描,以獲得該層面內(nèi)對(duì)比劑首次通過(guò)腦組織每一像素的時(shí)間-密度曲線(TDC),根據(jù)曲線利用不同的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出反映腦組織血液循環(huán)動(dòng)力學(xué)的指標(biāo),比較各感興趣區(qū)(region of interest,ROI)的TDC,以此來(lái)評(píng)價(jià)組織器官的灌注狀態(tài)。

2.數(shù)學(xué)模型的建立

CT灌注成像有非去卷積和去卷積兩種數(shù)學(xué)模型。非去卷積數(shù)學(xué)模型主要根據(jù)Fick原理,假設(shè)組織器官中的對(duì)比劑蓄積的速度等于動(dòng)脈流入速度減去靜脈流出速度,在某一時(shí)間段內(nèi)組織器官中對(duì)比劑的含量等于在該段時(shí)間內(nèi)動(dòng)脈流入量減去靜脈流出量。非去卷積數(shù)學(xué)模型相對(duì)簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是要求對(duì)比劑注射速率大(一般為10m l/s),增加了操作難度和危險(xiǎn)性,因?yàn)槿菀自斐稍煊皠┩饴?沒(méi)有考慮到靜脈流出,易低估血流量。去卷積數(shù)學(xué)模型主要反映注射對(duì)比劑后組織器官中存留的對(duì)比劑隨時(shí)間的變化量,并不用對(duì)組織器官的血流動(dòng)力學(xué)狀況預(yù)先做人為假設(shè),而是根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮了流入動(dòng)脈和流出靜脈進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算處理,因此理論上更能反映組織器官的內(nèi)部血流情況。去卷積數(shù)學(xué)模型計(jì)算偏差小,注射速率要求不高(一般4～5m l/s),容易被推廣使用,這種計(jì)算方法適用于血腦屏障完整的腦組織。然而,多數(shù)組織的毛細(xì)血管具有一定通透性,對(duì)比劑在流經(jīng)組織時(shí)必然有一部分會(huì)滲入血管外間隙,因此單純的去卷積模型有其不足之處。1998年Lawrence等在去卷積模型中引入分布參數(shù)模型概念,提出一種改良去卷積模型,其優(yōu)點(diǎn)在于一次CT檢查可同時(shí)確定多個(gè)灌注參數(shù)值,能比較全面地反映組織的灌注狀況,從而大大拓展了CTP成像的應(yīng)用范圍。反映腦組織血液循環(huán)動(dòng)力學(xué)的指標(biāo)有:腦血容量(cerebral blood volume,CBV)、腦血流量(cerebral blood flow,CBF)、平均通過(guò)時(shí)間(mean transit time,MTT)、達(dá)峰時(shí)間(time to peak,TTP)以及表面滲透性(permeability surface,PS)等;其關(guān)系是:CBV=CBF×MTT。CBV反映的是ROI內(nèi)包括大血管和毛細(xì)血管在內(nèi)的血管床容積;CBF反映的是單位時(shí)間單位組織內(nèi)血流量;MTT指的是對(duì)比劑通過(guò)感興趣區(qū)的平均時(shí)間,主要是對(duì)比劑通過(guò)毛細(xì)血管的時(shí)間;TTP是對(duì)比劑達(dá)到峰值所需的時(shí)間;PS指的是對(duì)比劑經(jīng)毛細(xì)血管內(nèi)皮進(jìn)入組織間隙的傳遞率。

CTP成像技術(shù)

1.機(jī)器的要求及參數(shù)設(shè)置

各機(jī)器參數(shù)不盡相同,一般為80～120kV,150～300mAs,矩陣512×512,層厚5～10mm,掃描速度為1層/s。先進(jìn)行常規(guī)CT平掃,以確定灌注掃描層面,灌注掃描模式為同層連續(xù)動(dòng)態(tài)掃描,MSCT為多層同層動(dòng)態(tài)掃描,連續(xù)掃描40～50s,即層面不變,而隨時(shí)間進(jìn)行多次掃描?？筛鶕?jù)不同器官的血流動(dòng)力學(xué)不同采用不同的間隔時(shí)間,不同的數(shù)學(xué)模型時(shí)間間隔要求也不同。

2.對(duì)比劑的量

文獻(xiàn)報(bào)道[5-6]國(guó)人成人的對(duì)比劑注射總量不超過(guò)50m l,一般為40m l,兒童1m l/kg體重。

3.對(duì)比劑的注射速度

非去卷積法計(jì)算忽略靜脈流出,是否發(fā)生靜脈流出取決于最大初始斜率時(shí)間和最短通過(guò)時(shí)間的長(zhǎng)短,一般要求最大初始斜率時(shí)間小于最短通過(guò)時(shí)間。最大初始斜率時(shí)間與注射對(duì)比劑量、注射速率與患者心排出量有密切關(guān)系[7],所以提高對(duì)比劑注射速率可以提高此方法的準(zhǔn)確性。據(jù)K lotz等[8]報(bào)道對(duì)比劑注射速度一般多為8～9m l/s,最快達(dá)20m l/s,這樣雖然可以提高算法的精確度,但卻增加了局部對(duì)比劑外漏的危險(xiǎn)性,國(guó)內(nèi)CT灌注注射流率多不超過(guò)10m l/s。去卷積法注射流率要求較低,一般為 3～5m l/s。K loska等[9]比較了不同濃度下對(duì)比劑的用量和注射速度對(duì)CTP圖像質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)含碘370mg/ml的對(duì)比劑在6m l/s速度注入30m l較含碘300mg/ml的對(duì)比劑在8m l/s速度注入40m l的圖像質(zhì)量和信噪比沒(méi)有顯著差異,認(rèn)為較高濃度、較小用量和注射速度的對(duì)比劑使用方法更為安全而圖像質(zhì)量不受影響。

4.圖像后處理

不同CT機(jī)器配具有不同功能的perfusion CT或functional CT軟件包對(duì)圖像進(jìn)行處理。首先選擇好輸入動(dòng)脈和輸出靜脈,在CT腦灌注成像時(shí),要盡量選擇灌注層面中較粗大的健側(cè)大腦前、中、后動(dòng)脈的分支,輸出靜脈選擇上矢狀竇,使動(dòng)脈TDC曲線的峰值較靜脈TDC曲線出現(xiàn)時(shí)間早而峰值低。應(yīng)仔細(xì)劃定ROI,在避開(kāi)大血管且與組織器官的周邊保持一定距離以減少部分容積效應(yīng)的情況下,盡量選擇面積大的ROI以減少光子噪聲。還可進(jìn)行閾值自定義,去除骨、脂肪、空氣等組織的圖像。最后分析所有動(dòng)態(tài)圖像得到一系列CT灌注參數(shù)圖,圖像用偽彩顯示,以突出病變區(qū)域的對(duì)比度。在所得的各灌注圖上可分別測(cè)量感興趣區(qū)的灌注參數(shù),并進(jìn)行定量分析。

多層螺旋CT灌注成像的臨床應(yīng)用

1.腦血管疾病

1.1 急性腦缺血:急性腦梗死占腦卒中患者的50%～80%,致殘和致死率極高,急性腦梗死治療的成功與否,取決于能否在超早期及時(shí)建立再灌注,積極搶救缺血半暗帶,不使其繼續(xù)發(fā)展成為腦梗死,使病變組織功能恢復(fù)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床研究證明,卒中發(fā)病3～4h后,缺血半暗帶將發(fā)展成為不可逆的梗死灶。目前腦缺血超早期溶栓時(shí)機(jī)及用藥情況多根據(jù)起病時(shí)間或經(jīng)驗(yàn)來(lái)判定,往往缺乏準(zhǔn)確、客觀的依據(jù)。因此,如何盡早明確有無(wú)缺血區(qū)、缺血范圍大小及缺血程度對(duì)于臨床合理治療至關(guān)重要。然而,對(duì)于超早期及早期腦缺血患者,常規(guī)CT大多表現(xiàn)正?；騼H有輕微改變,假陰性率較高。磁共振成像檢查因所需時(shí)間長(zhǎng)、金屬材料不能帶入機(jī)房、價(jià)格昂貴等原因不適合作為急性腦梗死首選檢查方法。而且,對(duì)于超急性腦梗死,MRI也會(huì)出現(xiàn)假陰性。而腦CT灌注對(duì)缺血較為敏感且簡(jiǎn)便快速,有研究發(fā)現(xiàn)約93%腦梗死的病人灌注改變?cè)缬谛螒B(tài)學(xué)變化。通過(guò)CBV 、CBF、MTT、TTP等灌注參數(shù)表達(dá)腦灌注信息,顯示缺血范圍及缺血半暗帶,反映側(cè)支循環(huán)及腦血管情況,并通過(guò)聯(lián)合應(yīng)用頭頸部血管CTA檢查,在發(fā)現(xiàn)顱內(nèi)病灶的同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)腦缺血的致病原因,進(jìn)而指導(dǎo)臨床治療。通過(guò)隨訪觀察病變區(qū)域灌注情況變化,進(jìn)行臨床治療效果評(píng)估。腦CT灌注成像為合理選擇溶栓等治療方法提供了可半定量分析的手段。有研究發(fā)現(xiàn)腦缺血側(cè)與鏡像健側(cè)rCBF比值為0.20是缺血組織存活的最低限度,如果rCBF低于0.20,則腦組織將不能存活,如果rCBF比值在0.20～0.35之間,溶栓治療效果明顯[8]。如果缺血腦組織平均通過(guò)時(shí)間延長(zhǎng),血容量明顯降低,提示為不可逆損傷;而平均通過(guò)時(shí)間延長(zhǎng),血容量升高或輕度下降,則提示為可逆損傷。Shih等[10]認(rèn)為病灶早期灌注情況與臨床預(yù)后有關(guān),病灶的峰值強(qiáng)化越高,強(qiáng)化達(dá)峰值時(shí)間越延遲,臨床預(yù)后就越差。

1.2 腦出血:對(duì)于腦出血患者,避免或緩解腦血腫繼發(fā)性損傷是臨床治療的關(guān)鍵。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及SPECT研究表明,血腫周圍組織有低灌注表現(xiàn),而認(rèn)為血腫周圍存在缺血半暗帶。MRI及PET研究均在急性期血腫周圍發(fā)現(xiàn)代謝率降低的證據(jù)[11]。研究報(bào)道血腫周圍低灌注的形成原因復(fù)雜,一般認(rèn)為有缺血使血流量減少、血腫占位效應(yīng)引起的毛細(xì)血管床容積縮小、血流灌注減少以及血管外的血液成分及分解產(chǎn)物引起腦組織損傷使局部組織代謝率降低而導(dǎo)致灌注下降[12-13]等原因。國(guó)內(nèi)學(xué)者周劍等[14]及馬春等[15]研究發(fā)現(xiàn),腦血腫周圍組織的CBF和CBV值均較對(duì)側(cè)正常組織低,而MTT則升高,表明血腫周圍確實(shí)存在低灌注區(qū);而且研究結(jié)果表明低灌注值低于一般認(rèn)為的缺血性腦梗死閾值20m l/(100g·min),且在兩周內(nèi)此低灌注狀態(tài)變化不大,所以認(rèn)為腦血腫周圍不存在缺血半暗帶,缺血并非這種低灌注形成的主要原因,血腫的占位效應(yīng)及其代謝產(chǎn)物引起的該區(qū)域代謝降低才是這種低灌注狀態(tài)的主要成因。CT灌注成像能迅速準(zhǔn)確地顯示血腫周圍血流灌注狀態(tài),雖然缺血半暗帶可能并不存在,但是通過(guò)了解血腫周圍組織的低灌注狀態(tài),可以反映血腫周圍組織的損傷程度及損傷范圍,并可初步判斷其愈后,為臨床治療提供有價(jià)值的信息。

2.腦腫瘤

研究表明,腫瘤血管的生長(zhǎng)是腫瘤生長(zhǎng)、浸潤(rùn)的形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。所以,無(wú)論良性或是惡性腫瘤、原發(fā)或轉(zhuǎn)移腫瘤,新生血管的形成都是腫瘤的一個(gè)重要特征,從而使該區(qū)血流灌注增加。而且,腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞之間無(wú)緊密連接,基膜不完整,缺乏外皮細(xì)胞和平滑肌,血管的管徑變化較大,因此,腫瘤血管具有較高的通透性。Nabavi等[16]、Cenic等[17]分別進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)及臨床研究,并與公認(rèn)的核醫(yī)學(xué)放射性微球方法做了比較,結(jié)果表明兩者CBF具有良好的相關(guān)性,腫瘤區(qū)CBF、CBV、表面透過(guò)性明顯高于正常的組織,即病灶血供的差異能夠通過(guò)CT灌注測(cè)量值表達(dá)出來(lái)。CT灌注能夠很好地區(qū)別腫瘤組織、腫瘤周圍組織與正常組織,精確勾勒腫瘤的大小、范圍及周圍浸潤(rùn)情況,為臨床確定治療方案及預(yù)后評(píng)價(jià)提供有利依據(jù)。腫瘤惡性程度與血流灌注呈正相關(guān),惡性腫瘤相對(duì)良性腫瘤具有更高血流量,Zoran等[18]研究發(fā)現(xiàn)CT灌注的M TT圖可以很好地將兩者區(qū)別開(kāi);血腦屏障破壞情況可以通過(guò)PS圖準(zhǔn)確反映,根據(jù)腦腫瘤之間PS值的不同,可以鑒別腦瘤惡性程度。因此,CTP可望成為一種無(wú)創(chuàng)性術(shù)前病理分級(jí)的方法。腦外腫瘤因不受血腦屏障約束,血供相對(duì)腦內(nèi)腫瘤豐富,CBF、CBV值以及PS值相對(duì)升高,而表現(xiàn)為相對(duì)高灌注;腦膠質(zhì)瘤多表現(xiàn)為高CBF、中等PS值;腦膜瘤多表現(xiàn)為高CBF、高PS值;腦轉(zhuǎn)移瘤則表現(xiàn)為中等CBF、中等PS值。其中,PS值在腦瘤定性診斷中更具價(jià)值。國(guó)內(nèi)學(xué)者徐劍鋒等[19]通過(guò)對(duì)13例腦膜瘤及10轉(zhuǎn)移瘤的CT灌注比較,發(fā)現(xiàn)腦膜瘤的rCBV值及rCBF值明顯高于轉(zhuǎn)移瘤。凌華威等[20]研究認(rèn)為CT灌注成像可以用于腦膜瘤診斷分型。Cenic等[17]動(dòng)物試驗(yàn)研究表明腫瘤新生物相對(duì)腫瘤壞死組織在CBF上表現(xiàn)為高流量灌注,而放射性壞死和手術(shù)疤痕往往呈低灌注表現(xiàn),有文獻(xiàn)報(bào)道強(qiáng)化病灶的rCBV值與正常腦組織rCBV值的比值大于2.6時(shí)提示腫瘤復(fù)發(fā),所以CT灌注可以將腫瘤壞死組織與腫瘤殘留或復(fù)發(fā)很好區(qū)別開(kāi)來(lái),用于腫瘤化療或放療后評(píng)估。CT灌注可以明確腫瘤周圍組織的血供情況,從而為制定放療野、精確指導(dǎo)腫瘤穿刺活檢部位提供引導(dǎo)。

3.腦外傷

顱腦外傷病人,普通CT及MRI常能顯示較嚴(yán)重的腦挫傷及水腫帶,而對(duì)于輕度腦損傷、腦血腫周圍腦組織損傷情況以及術(shù)后手術(shù)區(qū)腦組織血供情況不能進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于病情關(guān)系,顱腦外傷病人一般不行CT灌注檢查,但對(duì)于病情允許或是腦外傷術(shù)后病情穩(wěn)定患者,可以行CT灌注檢查,以了解病灶中心區(qū)、周圍水腫區(qū)或是手術(shù)區(qū)的灌注情況,來(lái)評(píng)價(jià)腦外傷預(yù)后或術(shù)后情況。國(guó)內(nèi)學(xué)者宋同均等[21]對(duì)12例腦外傷病人在術(shù)后6～20h內(nèi)行常規(guī)CT和CT灌注成像檢查發(fā)現(xiàn),常規(guī)CT對(duì)缺血發(fā)現(xiàn)率為41.67%,而CT灌注發(fā)現(xiàn)率達(dá)91.67%,CT灌注在重型顱腦損傷術(shù)后早期顯示腦組織異常灌注部位、范圍及缺血程度,確定腦梗死的存在及灌注情況,并可進(jìn)行定量研究,對(duì)臨床早期選擇預(yù)防腦梗死治療方案具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

CT灌注與其他灌注成像方法的比較

灌注技術(shù)不僅能顯示形態(tài)學(xué)的變化,而且能同時(shí)反映組織的生理學(xué)功能改變,因此,也被稱之為功能影像學(xué)(functional imaging),目前已越來(lái)越受到廣泛關(guān)注?，F(xiàn)在灌注成像方法很多,如Xe-CT、正電子發(fā)射斷層顯像(PET)、單光子發(fā)射體層成像(SPECT)、MRI灌注和CT灌注等。

Xe-CT是應(yīng)用惰性氣體Xe作為彌散示蹤劑,用于腦灌注已有幾十年的歷史,它的優(yōu)點(diǎn)是硬件及軟件相對(duì)其他成像設(shè)備便宜,且至今文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)于許多疾病的人和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)作了深入研究,技術(shù)方法成熟。但它操作繁瑣,檢查結(jié)果受呼吸頻率的改變影響大,所用氙氣有潛在的麻醉等不良反應(yīng),而且僅能測(cè)一個(gè)參數(shù)腦血流量(CBF),目前應(yīng)用較少。SPECT、PET均屬放射性核素顯像,在心肌存活測(cè)定、腦功能測(cè)定及受體成像具有明顯優(yōu)勢(shì)。但SPECT空間分辨率低,操作程序復(fù)雜,檢查時(shí)間長(zhǎng)且不能計(jì)算絕對(duì)血流量。PET被認(rèn)為是體外測(cè)量rCBF、rCBV和腦代謝的腦血流活體檢查的“金標(biāo)準(zhǔn)”,尤其是與分子生物學(xué)的結(jié)合,不僅可進(jìn)行灌注成像,還可進(jìn)行其他功能成像,如分子顯像、基因顯像,甚至可以做基因介入治療。但PET檢查費(fèi)用昂貴,難以作為常規(guī)檢查,目前僅在一些大醫(yī)院應(yīng)用于臨床。MR灌注成像因軟組織分辨率高,有彌散、波譜及灌注等多種顯像方法,可區(qū)分已梗死腦組織和缺血腦組織,目前已廣泛應(yīng)用于臨床。但檢查設(shè)備軟、硬件都比較昂貴,檢查時(shí)間較長(zhǎng),且有金屬植入物或金屬監(jiān)視器械患者不適用,且該技術(shù)可產(chǎn)生順磁性偽影,不能計(jì)算血流量的絕對(duì)值,所以應(yīng)用受到一定限制。

CT灌注具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、檢查快速無(wú)創(chuàng)、時(shí)間和空間分辨率高、屬于定量研究等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于臨床。尤其是近年來(lái)隨著多層螺旋CT機(jī)器和后處理軟件的不斷升級(jí),大大促進(jìn)了CT灌注成像技術(shù)的開(kāi)展。尤其是64排以上CT多層同層技術(shù)的運(yùn)用,增大了Z軸掃描范圍及時(shí)間分辨率,可以一次性整個(gè)器官成像,薄層重建降低了容積效應(yīng),能夠顯示更為細(xì)微的結(jié)構(gòu)。通過(guò)CTP與頭頸CTA聯(lián)合檢查,不僅發(fā)現(xiàn)灌注異常,還可以尋找病因。因此,CT灌注成像將有著更大的臨床價(jià)值和應(yīng)用前景。

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