動(dòng)脈自旋標(biāo)記技術(shù)的研究進(jìn)展

復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院影像診斷科，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海 200032

動(dòng)脈自旋標(biāo)記技術(shù)的研究進(jìn)展

黃浩哲 綜述 李文濤 審校

復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院影像診斷科，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海 200032

動(dòng)脈自旋標(biāo)記(arterial spin labeling，ASL)作為一種非侵入性的磁共振功能成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)技術(shù)，利用動(dòng)脈血作為內(nèi)源性示蹤劑，避免患者不適和潛在危險(xiǎn)來追蹤由病變引起的血流變化，從而得到組織生理學(xué)及病理學(xué)信息。現(xiàn)就該技術(shù)的工作原理及分類、與其他技術(shù)的比較、臨床應(yīng)用和未來展望作一綜述。

磁共振功能成像；灌注；動(dòng)脈自旋標(biāo)記

磁共振功能成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)可反映組織微血管灌注分布及血流灌注情況。根據(jù)其成像原理，可大致分為兩類，即對(duì)比劑首過灌注成像和動(dòng)脈自旋標(biāo)記(arterial spin labeling，ASL)成像。前者與CT增強(qiáng)掃描方法類似，所不同的是注入順磁性對(duì)比劑(如Gd-DTPA)；而ASL則是將動(dòng)脈血中水分子作為內(nèi)在標(biāo)記物，無需注射外源性對(duì)比劑便可得到較高信噪比(signal to noise ratio，SNR)圖像［1］。

1 ASL技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 ASL原理及分類

近年來，ASL作為一種評(píng)價(jià)腦血流量(cerebral blood flow，CBF)的非侵入性fMRI技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和研究。ASL的工作原理是利用選擇性反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖在成像平面近端標(biāo)記動(dòng)脈中的水質(zhì)子，待其流入成像平面后與未標(biāo)記的水質(zhì)子進(jìn)行交換，改變局部組織的磁化率來反映血流灌注情況，從而產(chǎn)生對(duì)比圖像。自1992年Williams等［2］首創(chuàng)了基礎(chǔ)ASL技術(shù)至今，ASL已經(jīng)發(fā)展了多種序列，除了傳統(tǒng)兩大類型，即連續(xù)法(continuous-ASL，CASL)和脈沖法(pulsed-ASL，PASL)之外，還包括假連續(xù)ASL(pseudo-CASL，pCASL)和速率選擇ASL(Velocity Selective-ASL，VSASL)等衍生技術(shù)。

CASL是利用隔熱快速反轉(zhuǎn)脈沖對(duì)動(dòng)脈質(zhì)子進(jìn)行連續(xù)標(biāo)記［2］，其優(yōu)點(diǎn)是既能得到高SNR圖像，又能全腦成像［3］，但為了產(chǎn)生隔熱反轉(zhuǎn)脈沖，必須滿足兩個(gè)條件：①整個(gè)標(biāo)記過程必須比間歇時(shí)間短(即“快速”)；②有效磁場(chǎng)方向的變化必須足夠慢，從而使磁場(chǎng)方向與磁化方向的夾角保持不變(即“隔熱”)。這也就注定了CASL的最大缺陷，即需要足夠長(zhǎng)的脈沖來產(chǎn)生隔熱反轉(zhuǎn)脈沖［2］。而在臨床實(shí)踐中，絕大多數(shù)MR機(jī)器并不能滿足產(chǎn)生長(zhǎng)脈沖的硬件要求，而且還會(huì)產(chǎn)生磁化轉(zhuǎn)移(magnetization transfer，MT)效應(yīng)［1］，但是這些難題可以由雙線圈CASL或pCASL等技術(shù)解決。

與CASL相比，PASL使用的是更易實(shí)施的短脈沖(通常10～15 ms)，受MT的影響更小，所以PASL的應(yīng)用更加廣泛［4］。但是PASL的缺點(diǎn)也不容忽視：①PASL的SNR比CASL低；②對(duì)傳輸時(shí)間敏感性高；③層面?zhèn)斡跋拗屏舜竽X掃描覆蓋率，不能全腦掃描。

pCASL技術(shù)集CASL和PASL各自優(yōu)勢(shì)，利用短梯形脈沖來標(biāo)記流入的質(zhì)子。Wu等［5］研究證實(shí)，在3.0 T場(chǎng)強(qiáng)下，pCASL的SNR比PASL高50%；標(biāo)記有效率比CASL高18%。Gevers等［6］對(duì)6名健康志愿者在3個(gè)影像中心均進(jìn)行pCASL、CASL和PASL檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)pCASL聯(lián)合背景抑制法得到的數(shù)據(jù)結(jié)果差異性最小。

VSASL與傳統(tǒng)ASL標(biāo)記過程相似，唯一不同的是，VSASL基于動(dòng)脈血質(zhì)子的速率而非位置。Qiu等［7］對(duì)10例煙霧病患者進(jìn)行氙氣-CT、pCASL、VSASL和動(dòng)態(tài)磁敏感對(duì)比增強(qiáng)(dynamic susceptibility-weighted contrastenhanced，DSC)檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)ASL技術(shù)，VSASL對(duì)運(yùn)輸延遲更加不敏感，并且可以測(cè)量低血流腦血管病患者的CBF。

1.2 ASL與其他技術(shù)的比較

1.2.1 ASL與DSC的比較

DSC成像是經(jīng)靜脈團(tuán)注外源性順磁性對(duì)比劑，檢測(cè)對(duì)比劑通過毛細(xì)血管床時(shí)，由磁敏感效應(yīng)引起的信號(hào)改變，從而反映組織的灌注信息。相比于DSC技術(shù)，ASL的優(yōu)勢(shì)顯而易見，即ASL無需注射外源性對(duì)比劑，直接利用動(dòng)脈血中水質(zhì)子作為示蹤劑，具有無創(chuàng)性和良好的重復(fù)性。此外，ASL利用反轉(zhuǎn)射頻脈沖所產(chǎn)生的持續(xù)時(shí)間較短，具有較高的空間特異性。

1.2.2 ASL與血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent，BOLD)的比較

BOLD是在大腦活動(dòng)時(shí)，利用氧化和脫氧血紅蛋白相對(duì)濃度變化時(shí)產(chǎn)生的局部不均勻磁場(chǎng)來顯像。BOLD與ASL均是一種利用內(nèi)源性示蹤劑且較易實(shí)施的無創(chuàng)性檢查，但BOLD的SNR和時(shí)間分辨率更高，并且無需脈沖激發(fā)，而ASL的優(yōu)勢(shì)則體現(xiàn)在空間定位和信號(hào)量化上。①空間定位：BOLD效應(yīng)主要產(chǎn)生于CBF、腦血流容積和耗氧量，但不能精確到神經(jīng)活動(dòng)的具體區(qū)域，而ASL是單獨(dú)根據(jù)CBF來實(shí)現(xiàn)直接定位；②信號(hào)量化：ASL可以直接對(duì)比活動(dòng)前后CBF基線水平來反映病理生理情況，但BOLD卻無法將其量化，并且實(shí)驗(yàn)證明CBF基線與相應(yīng)的BOLD反應(yīng)并不匹配；③能量頻譜：BOLD信號(hào)在低頻波時(shí)的振幅較高，不適宜低于0.01 Hz的基礎(chǔ)頻率，而ASL能量波譜相對(duì)獨(dú)立，適于追蹤不斷變化的頻率；④敏感性：ASL可以結(jié)合自旋回波減少偽影從而提高敏感性，而BOLD只有在高場(chǎng)強(qiáng)下才能實(shí)現(xiàn)最高敏感性［8］。

2 ASL的臨床應(yīng)用

2.1 在神經(jīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

CBF占整個(gè)心輸出量的20%，因此正確評(píng)價(jià)CBF對(duì)了解腦功能情況十分必要。ASL可以不用注射外源性對(duì)比劑即可獲得與數(shù)字減影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)相似的結(jié)果，并提供血流動(dòng)力學(xué)及腦功能方面的信息［3］。

2.1.1 腦血管病變

吳冰等［9］先后對(duì)10例頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄患者進(jìn)行血管編碼動(dòng)脈自旋標(biāo)記(VE-ASL)和DSA檢查，發(fā)現(xiàn)在Willis環(huán)與軟腦膜動(dòng)脈側(cè)支循環(huán)形成方面，兩者具有很好的一致性(κ=0.855 1，Z=4.421，P＜0.000 1)，充分證實(shí)VE-ASL在此方面的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，在ASL結(jié)合局部腦內(nèi)動(dòng)脈成像和血管反應(yīng)測(cè)量技術(shù)后，Hendrikse等［10］證實(shí)了在高場(chǎng)強(qiáng)(≥3.0 T)下，ASL對(duì)慢性腦血管疾病、中風(fēng)、煙霧病、動(dòng)靜脈畸形甚至血管性癡呆的安全有效性。

2.1.2 腦功能病變

阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)和輕度意識(shí)損傷(mild cognitive impairment，MCI)是認(rèn)知能力正常腦衰老到癡呆的臨床過渡階段。研究表明這與腦灌注異常有關(guān)，因此Alexopoulos等［11］就利用PASL對(duì)19例AD患者和24例MCI患者與24名健康老年人作一對(duì)比，發(fā)現(xiàn)PASL檢查結(jié)果與核醫(yī)學(xué)檢查一致：大多數(shù)AD和MCI患者表現(xiàn)為頂葉的低灌注。此實(shí)驗(yàn)充分證實(shí)了在正常腦衰老過渡到癡呆時(shí)，PASL在監(jiān)測(cè)腦灌注變化方面的應(yīng)用價(jià)值，并且預(yù)示其在AD診斷方面可以取代核醫(yī)學(xué)檢查。Fernandez-Seara等［12］也同樣驗(yàn)證了ASL在測(cè)量帕金森患者CBF方面的有效可行性。

2.1.3 腦腫瘤

腦膠質(zhì)瘤復(fù)發(fā)與放射性壞死的鑒別一直是臨床上的難題。Ozsunar等［13］對(duì)已接受過手術(shù)和放療的30例膠質(zhì)瘤患者的33次ASL檢查結(jié)果、32次動(dòng)態(tài)磁敏感對(duì)比增強(qiáng)腦血流體積(DSC-enhanced cerebral blood volume，DSCE-CBV)檢查結(jié)果和26次PET檢查結(jié)果進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)得出PET的敏感度為81%，DSCE-CBV為86%，ASL為88%，證明了ASL可以更加精確地鑒別兩者。此外，Yamashita等［14］也利用ASL、彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)和PET來區(qū)分37例腦膠質(zhì)瘤和19例腦淋巴瘤患者，結(jié)果顯示，在腦膠質(zhì)瘤中，ASL測(cè)量的腫瘤血流(tumor blood flow，TBF)和DWI測(cè)量的最小表面彌散系數(shù)均比腦淋巴瘤高，而PET的FDG最大攝取量卻比腦淋巴瘤低，故ASL可以聯(lián)合DWI、PET來鑒別淋巴瘤和膠質(zhì)瘤。此外，Hirai等［15］和Thomsen等［16］也都通過膠質(zhì)瘤患者來證實(shí)ASL在測(cè)量TBF方面與DSC有較高的一致性。

Yamashita等［17］在3.0 T場(chǎng)強(qiáng)下用PASL測(cè)量5例成血管細(xì)胞瘤和14例腦轉(zhuǎn)移瘤患者(包括7例肺癌轉(zhuǎn)移、4例乳腺癌轉(zhuǎn)移、1例胃癌轉(zhuǎn)移、1例腎癌轉(zhuǎn)移和1例不明原發(fā)癌灶轉(zhuǎn)移)的絕對(duì)和相對(duì)TBF，并運(yùn)用t檢驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得出成血管細(xì)胞瘤患者絕對(duì)和相對(duì)TBF都明顯高于腦轉(zhuǎn)移瘤患者，但腎癌腦轉(zhuǎn)移瘤卻表現(xiàn)為類似于成血管細(xì)胞瘤的高TBF。此實(shí)驗(yàn)證實(shí)了ASL可提供鑒別這兩種顱后窩腫瘤的有效信息。

為了評(píng)估pCASL和DSC對(duì)腦膜瘤檢測(cè)的可行性、定量對(duì)比和檢查質(zhì)量，Lehmann等［18］對(duì)8例腦膜瘤患者進(jìn)行對(duì)比分析，并通過Spearman非參數(shù)相關(guān)檢驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩種檢查結(jié)果一致，并由此推斷對(duì)于禁忌注射對(duì)比劑的患者，ASL可以替代DSC檢查。

2.2 在腎臟疾病中的應(yīng)用

Liu等［19］使用ASL檢測(cè)小鼠注射對(duì)比劑后腎血流量(renal blood flow，RBF)的變化，并通過H&E染色法證實(shí)ASL結(jié)果：髓質(zhì)外側(cè)RBF值低于皮質(zhì)和髓質(zhì)內(nèi)側(cè)；同時(shí)論證了ASL可精準(zhǔn)評(píng)價(jià)藥物導(dǎo)致的腎毒性情況。Lanzman等［20］比較了34例腎腫瘤患者的病理和ASL檢查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)腎灌注量來診斷腎腫瘤的病理類型：嗜酸性粒細(xì)胞瘤的灌注量比腎細(xì)胞癌高；乳突狀腎細(xì)胞癌的灌注量又比其他亞型腎細(xì)胞癌低。眾所周知，腎功能損傷與腎皮髓質(zhì)血流灌注下降有密切關(guān)系，因此Rossi等［21］統(tǒng)計(jì)了8名健康志愿者和9例中度腎功能損傷(慢性腎臟病1～3期)患者的RBF，結(jié)果9例患者灌注量［皮質(zhì)：(263 ± 81)mL·100 g-1·min-1，髓質(zhì)：(244 ± 77)mL·100 g-1·min-1］與8名健康志愿者灌注量［皮質(zhì)：(329 ± 53)mL·100 g-1·min-1，髓質(zhì)：(301 ± 51)mL·100 g-1·min-1］差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，表明ASL有助于檢測(cè)慢性腎功能紊亂及監(jiān)測(cè)腎功能變化。

2.3 在肺疾病中的應(yīng)用

肺灌注在病理狀態(tài)下(如肺栓塞、慢性阻塞性肺疾病等)會(huì)發(fā)生變化，因此肺灌注的生理學(xué)和臨床學(xué)意義極其重要。Schraml等［22］檢測(cè)對(duì)比33例肺囊性纖維化患者與5名健康志愿者的肺灌注，ASL結(jié)果顯示，肺囊性纖維化患者的肺灌注量較健康志愿者低。因此，ASL為肺囊性纖維化患者提供了良好的檢測(cè)方法。Arai等［23］用ASL-FAIRER序列研究了在常氧、低氧和高氧下肺血流的空間分布情況，用多層快速梯度回波序列定量分析氫質(zhì)子密度，結(jié)果顯示ASL檢測(cè)的肺血流量和氫質(zhì)子密度的空間分辨率高。雖然PET、SPECT和CT也可替代ASL，但這些技術(shù)有電離輻射，不宜人體重復(fù)檢查。

2.4 在心臟疾病中的應(yīng)用

ASL不僅能顯示冠心病患者心肌的受累范圍，還能明確損傷心肌能否挽救，從而決定是否有必要實(shí)施高風(fēng)險(xiǎn)的冠脈擴(kuò)張或冠脈成形術(shù)。雖然CT和MRI也應(yīng)用于心肌的灌注分析，但由于其需要依賴藥動(dòng)學(xué)來評(píng)價(jià)灌注，所以定量分析絕對(duì)灌注值有一定難度。近期，Campbell-Washburn等［24］利用心電圖門控(ECG-gated)Look-Locker FAIR序列聯(lián)合分段K-空間對(duì)小鼠心臟進(jìn)行ASL檢查，探究心肌ASL灌注測(cè)量的變異性和可重復(fù)性，為人類心臟ASL臨床前研究提供了平臺(tái)。

3 展望

ASL必然的發(fā)展趨勢(shì)是開發(fā)高場(chǎng)強(qiáng)成像新技術(shù)。因?yàn)樵诟邎?chǎng)強(qiáng)下，ASL可產(chǎn)生更長(zhǎng)的T1值來提高SNR；其次是發(fā)展校準(zhǔn)BOLD fMRI成像，即ASL結(jié)合BOLD測(cè)量CBF技術(shù)。單獨(dú)應(yīng)用ASL可以測(cè)出引起B(yǎng)OLD反應(yīng)的最少氧代謝量，但是高碳酸血癥時(shí)，ASL則具有局限性，然而校準(zhǔn)BOLD fMRI成像可以擺脫低氧的限制；最后是發(fā)展ASL分析方法來提高敏感性。毫無疑問，更精確的分析方法能解決更復(fù)雜的問題［8］。

總之，ASL作為一種完全無創(chuàng)的MR灌注成像法，在評(píng)價(jià)組織器官灌注方面已經(jīng)取得了一定成果。隨著MRI技術(shù)的不斷發(fā)展和理論基礎(chǔ)的進(jìn)一步完善，ASL的研究領(lǐng)域與臨床應(yīng)用將會(huì)得到更廣泛的拓展。

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《中國(guó)癌癥雜志》舉辦繼續(xù)教育函授班通知

經(jīng)本刊編委會(huì)討論決定，本刊從2013年下半年起舉辦2014年度繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育函授班：

一、2013年第8期起開設(shè)2014年度函授繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育專欄，本年度的主要內(nèi)容包括：胰腺癌、食管癌、胃癌的病理診斷、放射治療及內(nèi)外科治療等。每期刊登1講，共12講，2014年第8期刊登考試試題，第9期刊登正確答案，要求學(xué)員認(rèn)真閱讀講座后答題，并將答案寄至編輯部（復(fù)印無效），考卷經(jīng)專人統(tǒng)一審閱，合格者授予Ⅱ類繼續(xù)教育學(xué)分10分，學(xué)分證書由復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院頒發(fā)。

二、參加對(duì)象：所有正在從事醫(yī)學(xué)專業(yè)技術(shù)工作的衛(wèi)生技術(shù)人員。預(yù)參加者請(qǐng)寫好本人姓名、年齡、性別、職稱、職務(wù)、學(xué)歷、選派單位名稱（地址及郵政編碼）、所在科室、聯(lián)系電話等寄往本編輯部（E-mail：zgaz@chinajournal.net.cn；zgazzz@163.com），同時(shí)通過郵局匯款（單位名稱：《中國(guó)癌癥雜志》編輯部；地址：上海市徐匯區(qū)東安路270號(hào)）的方式支付函授教育費(fèi)，并請(qǐng)?jiān)趨R款備注中注明“2014年度函授繼續(xù)教育”。編輯部收到學(xué)員報(bào)名和函授教育費(fèi)后編號(hào)登記注冊(cè)，隨即寄出注冊(cè)費(fèi)發(fā)票，并按時(shí)寄上每期刊物。即日起開始報(bào)名。

三、學(xué)員每人收費(fèi)200元，贈(zèng)送12期雜志。編輯部依據(jù)學(xué)員報(bào)名登記注冊(cè)編號(hào)、交費(fèi)記錄和考試成績(jī)于2014年10月30日以前寄發(fā)學(xué)分證書。

四、編委會(huì)邀請(qǐng)有關(guān)專家進(jìn)行出題、閱卷工作，并設(shè)專人負(fù)責(zé)。電話：021-64188274；傳真：021-64043766；郵編：200032；聯(lián)系人：王露。歡迎廣大醫(yī)務(wù)人員踴躍參加。

The progress of arterial spin labeling

HUANG Hao-zhe, LI Wen-tao (Department of Radiology, Fudan University Shanghai Cancer Center, Department of Oncology, Shanghai Medical College, Fudan University, Shanghai 200032, China)

LI Wen-tao E-mail: liwentao98@126.com

As a kind of non-invasive functional magnetic resonance imaging (fMRI) techniques, arterial spin labeling (ASL) takes full advantage of arterial blood as an endogenous tracer to track changes of blood flow caused by lesions and to obtain the physiological and pathological information of relative tissues avoiding patients’ discomfort and potential danger. This review focused on working principle and categories of ASL, the comparisons with other methods, clinical application, and future prospects of ASL.

Functional magnetic resonance imaging; Perfusion; Arterial spin labeling

10.3969/j.issn.1007-3969.2013.11.014

R730.44

：A

：1007-3639(2013)11-0930-05

2013-05-06

2013-07-23）

李文濤 E-mail:liwentao98@126.com