Компютър-томографска и магнитно-резонансна перфузия на белите дробове – функционалните възможности на „морфологичните” методи

Развитието на съвременните образни методи и нарасналите софтуерни възможности за постпроцесинг на образите отвориха нови хоризонти за морфологична и функционална оценка на различните органи и системи на човешкото тяло. Изследванията на степента на васкуларизация и доставката на кръв при различните патологични процеси понякога е важен фактор за определяне на диагнозата и терапевтичното поведение, както и за оценка на резултата от лечението.

Бързото развитие на съвременните диагностични уредби – магнтитнорезонансна томография и мултидетекторна компютърна томография (МДКТ), позволиха провеждането на бързи серии на скениране на по-големи обеми от тялото в краткото време на пиковата кръвна концентрация на контрастните вещества. Чрез предварително измерване на плътността/сигналния интензитет на еталони от к.м. с определена концентрация се изчисляват и графично представят т.н. линии на съотношение концентрация/плътност (интензитет). Това прави възможна съпоставката с плътността (интензитета) и техните промени във времето in vivo, като дава възможност за сравнително точно определяне на кръвотока и времето за преминаване – т.е. на перфузията на даден орган или патологичен процес.

Съществуват няколко математични модела за определяне на перфузията чрез полуколичествено динамично измерване на плътността/интензитета в зоната на интерес при първото преминаване на к.м. след болусно аплициране. Доказано е, че плътността/ интензитетът при КТ и МРТ в определена зона корелират с т.н. микроваскуларна плътност – проява на ангиогенезата на патологичния процес или на обструкция. Двете основни клинични приложения в началото при  изследванията  на перфузията са мозъчната исхемия и ангиогенезата при онкологичните заболявания. Сега КТ и МР перфузията се прилага при много хронични белодробни болести, остра и хронична емболия, пулмонална хипертония, оценка на кръвоснабдяването миокарда, чернодробни и бъбречни заболявания и др.

Перфузията се определя като отношение на количеството кръв в милилитри,  преминало за единица време (най-често минути) през едниница обем/маса от даден орган или тъкан.

При изследване на перфузията се използват три основни параметъра:

1. кръвният ток през единица обем на органа/тъканта;
2. количеството кръв в същия обем от органа;
3. средно транзитно време (времето за преминаване на единица обем кръв през органа).

При компютъртомографското изследване основна морфологична характеристика е рентгеновата плътност на органите и тъканите, измерена в условните Хънсфилдови единици (ХЕ), а при магнитнорезонансната томография терминът, с който се обозначава силата на получените магнитни вълни от страна на органите и тъканите, е сигналният интензитет.

В областта на диагностиката на дихателната система КТ и МР перфузията  намира приложение при:

1. Оценка на ангиогенезата при малигнените процеси и определяне на ефекта на медикаменти, подтискащи неоангиогенезата.
2. Оценка на белодробната функция и прогноза за нея при предстояща лобектомия и пулмонектомия при пациенти с белодробен Са и съпътстваща хронична пулмопатия.
3. Диагностика на БТЕ и оценка на функцията след преживяна БТЕ.
4. Диагностика на белодробната артериална хипертония и оценка на прогнозата на заболяването.

Процесът на кръвоснабдяване на туморните формации и неговото развитие във времето чрез пролиферация на нови кръвоносни съдове е известен като ангиогенеза. Последната играе съществена роля за растежа на тумора и за склонност­та му да метастазира. Богато васкуларизираните неоплаз­ми принципно са с по-лоша прогноза.  Използването на КТ перфузия в онкологията почива на факта, че развитието на микросъдовото русло рефлектира in vivo в повишаване на туморната перфузия. От друга страна е налице корелация между контрастното усилване, измерено чрез плътността в ХЕ и туморната неоваскуларизация, установена при бъбречния и белодробния карцином.^8,10

При мултицентрични проучвания на белодробните нодули е установено, че перфузията е полезен допълнителен метод за разграничаване на бенигнени от малигнени лезии, които не могат да се оценят точно само чрез конвенционалните КТ образи. Изследването на перфузията на тези нодули е с висока негативна предиктивна стойност и показва, че пиковото усилване на нодулите при динамичното постконтрастно скениране има сензитивност 98% и специфичност 58%.⁷ Измерването на перфузията при белодробните нодули е показало корелация и аналогични резултати както усвояването на  FDG  при PET-CT. Стойностите на КТ перфузия са по-високи при белодробните карциноми в напреднал стадий,  поради което този метод може да се използва за определяне на тумори, при които има благоприятна вероятност за повлияване от последваща лъчетерапия.⁷ Перфузията може да има практическа стойност при мониториране на ефекта на химиотерапевтиците, подтискащи туморната ангиогенеза. Ефектът на тези медикаменти се изразява в стабилизиране на заболяването, а не в регресия на размерите на тумора. Поради тази причина конвенционалното мониториране чрез проследяване на размерите на формацията не е  подходящо. Вече са разработени методи и софтуерни програми, позволяващи чрез мултидетекторна компютърна томография да се оцени перфузията на цялата туморна формация.¹⁰ Това функционално изследване зависи от някои параметри,  които не могат да бъдат лесно уеднаквени – тегло на пациента, сърдечна дейност (най-вече фракция на изтласкване) и концентрация на контрасната материя. Тези фактори се различават дори при динамичното  наблюдение на един  пациент. От друга страна химиотерапевтиците могат да увредят миокарда, което води до намаляване на фракцията на изтласкване и следователно на перфузията. За тази цел е разработен метод за съпоставяне на перфузията на тумора спрямо средната целотелесна перфузия. Така промените във функционалните параметри на сърцето не влияят на динамичното наблюдение и отчитане на резултатите при потискане на ангиогенезата. Терминът, с който се означава тази съпоставена перфузия, се нарича стандартизирана перфузионна стойност (SPV- standardized perfusion value). По аналогичен начин се отчита и метаболизмът на FDG при PET-CT. Проведеното от K. Miles и сътрудници клинично проучване и метаанализ на резултатите му с други мултицентрични проучвания установява, че условната граница на SPV при диагностициране на малигнените процеси е 1,52. Тази стойност корелира със стандартизирания  коефициент на метаболизма (SUV) на FDG  при позитронно-емисионната томография.^8;9

При онкологичните заболявания, независимо от успехите на съвременната лъче- и химиотерапия, хирургичното лечения остава единственият метод, при който пациентите имат възможност за трайно излекуване. Много често болните с белодробен карцином имат съпътстващи хронични заболявания, който редуцират функционалните възможности на дихателната система и са причина за повишена следоперативна смъртност или за лошо качество на живот и тежка инвалидизация след хирургичната интервенция. Ето защо прогнозата за следоперативните възможности на белите дробове е важен фактор при вземане на решение за целесъобразността и обема на оперативната интервенция. Най-широко изпозвани към момента са резултатите от спирометрията, като най-важен показател е ФЕО₁. Спирометрията обаче дава оценка на възможностите на двата бели дроба и не може да разграничи капацитета им поотделно. Тези недостатъци се преодоляват при следващия метод на избор, а именно перфузионната спект сцинтиграфия. Тя е количествен радионуклиден метод на функционална оценка, който се е наложил като стандарт. Негов недостатък е ниската пространствена резолюция и трудното определяне на границите на дяловете и сегментите на белите дробове.

В последните години се появяват все повече изследвания и много добри резултати при функционална оценка на белите дробове, проведена с динамичната контрасно усилена МР перфузия. При нея е установена по-добра корелация на резултатите с постоперативната спирометрия, отколкото при перфузионната сцинтиграфия. Основната особеност при МР изследване на белите дробове е ниската концентрация на протоните във въздуха, намиращ се в алвеолите. Това е лимитиращ фактор за получаване на достатъчно силен сигнал от белодробния паренхим и за добро съотношение сигнал/шум. Развилите се в последните години технически възможности за извършване на бързи МР серии (добра темпорална резолюция) позволяват динамично измерване на сигналния интензитет на паренхима при първото преминаване през белите дробове на болус контрастно вещество. Това дава възможност за точно измерване на количеството преминала кръв през всеки бял дроб,  отделните му дялове и дори сегменти. МР изобразяването на белите дробове се представя под формата на срезове в трите основни равнини – аксиална, коронарна и сагитална. Триизмерната визуализация осигурява добър оглед на белодробния паренхим в дълбочина и съпоставка на патологичните зони в отделните равнини. В зависимост от количеството преминала кръв през паренхима се калкулира перфузията под формата на цветна карта.  Съществува софтуерна възможност и за обемно (3D) представяне на белодробната перфузия.

Перфузията е добър косвен критерий и за вентилацията, поради факта, че невентилирането на участък от белите дробове причинява хипоксия и изразен вазоспазъм, което резултира в редукция на перфузията. Динамичното изследване на сигналния интензитет при първото преминаване на к.м. може да се отрази графично – получава се крива на съотношението време/интензитет, от която се изчисляват основните перфузионни параметри – регионален кръвоток, белодробен кръвен обем и средно транзитно време.

Изчисляването на предиктивния ФЕО₁ (в %) става по формулата:

Предиктивен ФЕО₁ = предоперативен ФЕО₁ × (1- Q mriна резецирания дял или дроб)

                                                                                                                                                            100

където Q mri е стойността на регионална  перфузия.

Резултатите от проучванията показват отлична корелация м/у предиктивния ФЕО₁, изчислен чрез МР перфузия и действително измерения ФЕО₁ при следоперативната спирометрия. Коефициентът на корелация (r) е 0.93. Този факт позволява точна прогноза на следопративната белодробна функция и позволява да се редуцират случаите на тежка дихателна недостатъчност или летален изход след оперативното лечение. Перфузионната сцинтиграфия при прогнозата на ФЕО₁ е с близък, но малко по-нисък коефициент на корелация r=0.89 (5).

При сравняване на резултатите от МР перфузия и перфузионната сцинтиграфия можем да посочим следните предимства на МР метода:

1. По-добра корелация и по-малка грешка между прогнозирания и действителния следоперативен ФЕО₁  в резултат  на по-добрата времева резолюция на МРТ перфузионния метод.
2. МР позволява допълнително по-добра оценка на инвазията на белодробните артерии от нео­пластичния процес,  ако такава съществува.
3. По-добра пространствена резолюция на МР изобразяване на отделните дялове и сегменти в трите основни равнини.
4. По-късо време за изследване.
5. Липса на лъчева експозиция.

Ограничение на МР перфузия:

1. Невъзможност на някои пациенти с ниски вентилационни показатели да останат в апнея по време на МР сериите – между 21 и 35 секунди.
2. Измерването на белодробния кръвоток чрез динамична контрастно усилена МРТ е полуколичествен метод.
3. Контрастната материя не е чист интраваскуларен маркер – има преминаване в интерстициалното пространство, но това принципно не води до опорочаване на резултатите.

В заключение динамичната контрастно усилена МР перфузия позволява неинвазивна оценка на белодробната функция и точно прогнозиране на постоперативните възможности на пациента. МР перфузия е подходяща алтернатива на перфузионната сцинтиграфия за оценка на регионалния белодробен кръвоток.

В резултат на подобрената пространствена резолюция  на новите МР уредби при изобразяването на белодробния паренхим в последните 3-4 години са публикувани няколко научни съобщения за прилагането на комбиниран МР протокол, който позволява надеждно диагностициране на белодробния тромбоемболизъм. Анализът на данните при тези проучвания показва, че комбинираният МР протокол се доближава по надеждност до най-широко използвания в момента образен метод при диагностиката на това заболяване – мултидетекторната КТ ангиопулмография(1;2). МР изледване при БТЕ  включва три компонента:

1. Real-time MRI – серия, която дава добро изобразяване на структурата на белодробния паренхим.
2. Динамична контрастно усилена МР перфузия, при която се визуализира добре наличието както на големи, така и на малки участъци с нарушен белодробен кръвоток.
3. Контрастна МР ангиография, при която се постига директно изобразяване на емболите в артериалния лумен.

Същността на комбинацията на тези три компонента е подобряване на диагностичните възможности на изследването чрез съчетаване на техните предимства и намаляне на възможности­те за пропуски и грешки. Най-висока чувствителност (до 100 %) за отчитане на наличен емболизъм има МР перфузионната техника. Нейната чувствителност е идентична с тази на КТ ангио­пул­мо­графията и долавя перфузионни дефекти на суб­сегментно ниво. Недостатък на това изобразяване е намалената възможност за получаване на морфологични данни за състоянието на паренхима и белодробните съдове. Възможните грешки се наблюдават при участъци с напреднал белодробен емфизем или по-обширни зони на паренхимна фиброза, които също се представят като перфузионни дефекти. Комбинирането на МР перфузията с морфологичен и ангиографски протокол (Real- time MRI, MR Angio) прави възможно визуализиране на паренхимните лезии и на проходими или обтурирани белодробни съдове. От друга страна МР ангиографията позволява детекция на емболите в артериалните клонове до сегментно ниво. Субсегментните белодробни артерии се изобразяват по-неясно, като чувствителността на МР ангиографията за установяване на емболи в тях е около 55%.^1,2 Горепосочените факти налагат комбинацията на тези три вида МР изследвания в един комбиниран протокол, който притежава много добра чувствителност, произлизаща от МР перфузия и силните морфологични страни на Real- time MRI и МР ангиография.

Като допълнение към този комбиниран протокол за изследване на белия дроб и големите съдове някои автори предлагат и МР венография , при която се използва същото контрастно вещество, инжектирано при торакалния протокол.² Тъй като белодробният тромбоемболизъм и дълбоката венозна тромбоза се считат за две свързани изяви на едно заболяване, установяването на състоянието на вените, най-често на долните крайници и таза, има практическо важно значение за диагнозата. МР флебографията изобразява много добре венозната система на целите крайници и наличието на дефекти в лумена, дължащи се на тромби. Недостатък на метода е дългото време на изследване и нуждата от специализиран софтуер и възможност за едномоментно целотелесно скениране.

При сравняване на КТ ангиографията с гореупоменатия комбиниран МР протокол може да се обобщи, че:

• КТ методът позволява бързо и с отлична пространствена резолюция представяне на белодробните съдове с различен калибър, включително на дву- и триразрядни субсегментни клонове. Налице е добро представяне и на вените на долните крайници и таза при комбиниране с КТ флебография. Недостатък на метода е високата доза йонизиращо лъчение и използване на йодни контрастни вещества, които са с по-висок алергогенен и нефротоксичен потенциал.
• От друга страна комбинираният МР протокол предоставя добри диагностични резултати, има висока чувствителност и избягва лъчевото натоварване. Поносимостта към контрастните вещества, използвани при МР, е по-добра с по-малък нефротоксичен ефект. Недостатък на метода е по-дългото време за изследване, по-високата цена и по-ограниченото приложение в условията на спешност.

В резюме – нарасналите технически възможности на съвременните КТ и МР уредби и постпроцесинг предоставят нови възможности за извършване както на точни морфологични изследвания, така и на  функционални такива. Те имат отношение и са ценен допълнителен метод за диагностика и оценка на  развитието на патологичния процес, повлияване от лечението, компенсаторните възможности на организма,  данни, стоящи в основата на прогнозата за пациента и евентуално превенция на усложнения и смърт.

Литература:

1. Kluge A, Luboldt W, Bachmann G; Acute pulmonary embolism to the subsegmental level: diagnostic accuracy of three MRI techniques compared with 16 MDCT; AJR 2006; 187:W7-W14
2. Kluge A, Mueller C, Strunk J el; Experience in 207 combined MRI examinations for acute pulmonary embolism and deep vein thrombosis; AJR 2006; 186;1686-1696
3. Kuder T, Risse F, Eichinger M et al – New method for 3D parametric visualization of contrast-enhanced pulmonary perfusion MRI data; Eur Radiol 2008;18: 291-297
4. Boll D, Lewin J, Young P et al; Perfusion abnormalities in congenital and neoplastic pulmonary disease: comparison of MRI and multislice CT imaging; Eur Radiol 2005;15:1978-1986
5. Ohno Y, Hatabu H, Higashino T et al; Dynamic perfusion MRI versus Perfusion Scintigraphy: prediction of postoperative lung function in patients with lung cancer, AJR 2004;182:73-78
6. Kauczor H,  Kreitner  K; MRI of the pulmonary parenchyma; Eur Radiol 1999; 9:  1755-1764
7. Miles K,  Griffiths M; Perfusion CT : a worthwhile enhancement?; The British Journal of Radiology 2003;76:220-2311
8. Miles K; Perfusion CT for the assessment of tumor vascularity: which protocol?; The British Journal of Radiology 2003;76: S36 – S42
9. Miles K,  Griffiths M,  Fuentes M; Standardized perfusion value: universal CT contrast enhancement scale that correlates with FDG PET in lung nodules; Radiology 2001;220 548-553

10. Sing N, Goh V, Fichte H  et al; Lung cancer perfusion at multi-detector row CT: Reproducibility of whole tumor quantitative measurements; Radiology 2006; 239:547-553