基于3D動脈自旋標(biāo)記技術(shù)核磁灌注成像中動脈通過時間的研究

王箏，傅雪梅，曾祥柱，劉穎，袁慧書

1.北京大學(xué)第三醫(yī)院 放射科，北京100198；2.北京大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100871

基于3D動脈自旋標(biāo)記技術(shù)核磁灌注成像中動脈通過時間的研究

王箏1，傅雪梅2，曾祥柱1，劉穎1，袁慧書1

1.北京大學(xué)第三醫(yī)院 放射科，北京100198；2.北京大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100871

目的 測定阿爾茨海默?。ˋD）患者全腦3D偽連續(xù)動脈自旋標(biāo)記（3D pcASL）成像中動脈通過時間（ATT）分析其與腦血流灌注減低的相關(guān)性。方法 對12例AD患者（AD組）和17例年齡匹配的認(rèn)知功能正常者（對照組）進行常規(guī)MR和3D pcASL灌注成像。使用SPM 8軟件對ATT成像圖進行預(yù)處理，比較兩組ATT差異，評價ATT升高腦區(qū)ATT值與CBF減低的相關(guān)性。結(jié)果 AD組ATT升高區(qū)主要見于左側(cè)島葉，左側(cè)額下回，左側(cè)顳上回及顳中回，雙側(cè)后扣帶回，雙側(cè)楔前葉，左側(cè)海馬旁回（t=2.4727，P＜0.001）。結(jié)論 灌注減低區(qū)的ATT值與腦血流灌注減低存在相關(guān)性。

動脈通過時間；腦血流量；動脈自旋標(biāo)記；阿爾茨海默病

0 前言

腦血流量（Cerebral Blood Flow，CBF）是單位時間內(nèi)流經(jīng)一定量腦組織血管結(jié)構(gòu)的血流量[1]。CBF的改變是大腦被激活的早期標(biāo)志，是評價大腦健康狀態(tài)的重要指標(biāo)[2]。它是診斷和治療腦梗塞、腦出血、動脈瘤和先天性動脈和靜脈血管畸形等腦血管疾病的主要依據(jù)。目前，測量腦血流的方式主要由PET、SPECT、氙133吸入技術(shù)、氙-CT、灌注CT成像、MRI技術(shù)，其中，PET被認(rèn)為是測量人腦局部腦血流的標(biāo)準(zhǔn)。隨著磁共振成像技術(shù)的不斷提高，動脈自旋標(biāo)記（Arterial Spin Labeling，ASL）技術(shù)作為一種完全無創(chuàng)性的新的灌注技術(shù)已經(jīng)逐漸被用于CBF的測量。在核磁灌注ASL序列中，動脈通過時間（Arterial Transit Time，ATT）是指動脈血從標(biāo)記處到達成像所在的組織毛細(xì)管的時間，反映自旋標(biāo)記的分子到達感興趣區(qū)域的持續(xù)時間[3]，是用來計算CBF絕對值的主要參數(shù)。本文對ATT的原理進行介紹，探討ATT作為一種新的表征參量應(yīng)用在阿爾茨海默病中的早期診斷中應(yīng)用價值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究納入AD患者12例，其中男性5例，女性7例，年齡58~84歲，平均74.0歲，很可能的AD采用2011年NIA/AA診斷標(biāo)準(zhǔn)。

另外選擇年齡性別匹配的對照者17例，男性4例，女性13例，年齡56~84歲，平均69.0歲。入組標(biāo)準(zhǔn)：①無記憶障礙或認(rèn)知能力下降的主訴；② 常規(guī)頭顱MRI檢查無異常發(fā)現(xiàn)。排除標(biāo)準(zhǔn)：①腦卒中史；②影響認(rèn)知的內(nèi)科疾病，如甲狀腺功能低下、未糾正的維生素B12缺乏、貧血等；③慢性酒精中毒或藥物成癮史；④嚴(yán)重頭外傷史；⑤精神分裂癥、抑郁癥及雙相情感障礙；⑥梅毒感染、嚴(yán)重的心肝腎等疾病。

1.2 儀器與方法

采用GE Discovery MR 750 3.0T MR對頭部進行掃描對全部被試者進行頭顱ASL成像檢查，通過3DpcASL序列掃描獲取原始腦血流圖，掃描序列3D pcASL，重復(fù)時間（TR）為4632 ms，回波時間（TE）為10.5360 ms，反轉(zhuǎn)時間（TI）為1525 ms，標(biāo)記后延遲時間1500 ms，TR/TE=4632/10.5，體素=1.8 mm×1.8 mm×4 mm。T1掃描序列采用快速擾相梯度回波序列，TR為4632 ms，TE為10.5360 ms，TI為1525 ms，體素=1 mm×1 mm×1 mm。

T1像分辨率為256×256×166，ΔM像、PD像、CBF像分辨率為128×128×36，所以上圖中T1像與其他圖像比例不同。磁共振成像掃描方位為軸位（也稱橫斷位）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

由于在ASL技術(shù)中，分為脈沖動脈自旋標(biāo)記PASL和連續(xù)動脈自旋標(biāo)記CASL，相對應(yīng)的CBF的計算如下所示[4-5]。

連續(xù)動脈自旋標(biāo)記CASL的CBF計算：

CBF(v）=dM(v）*-λ/[4α*M0A(v）*T1_gm*[exp(-(tau (slicenumber(v））+w）/T1A）-exp(-w/T1_gm）] (1）

其中dM(v）為體素V的平均對照與標(biāo)記圖像的差值；MoA(v）為平衡動脈血磁場強度；T1_gm 為 灰質(zhì)的縱向弛豫時間；tau(slicenumber(v））為到達體素V所在層的標(biāo)記到達時間；w為標(biāo)記寬度；T1A動脈血的縱向弛豫時間；α為標(biāo)記效率。

動脈通過時間ATT計算方法：

公式（2）常用來計算CBF的，將方程變換為用其他參數(shù)表達τa，則得到公式（3），用來計算動脈通過時間。

T1app是表觀縱向弛豫時間，T1app可由T1計算得到：

對T1像數(shù)據(jù)采用SPM8進行降分辨率（resliced）處理。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成128×128×36的分辨率。對求得的ATT圖在SPM中進行采用GE公司的Discovery MR 750 3.0T磁共振對全部被試者進行頭顱ASL成像檢查，通過3DpcASL序列掃描獲取原始腦血流圖，同時采用基于單個體素的算法通過Matlab軟件計算每個體素的ATT值，生成ATT成像圖。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

利用SPM8軟件分別對ATT成像圖進行圖像配準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化，并采用兩個樣本t檢驗對兩組（AD組和正常組）ATT成像圖進行統(tǒng)計分析得到兩組ATT存在差異的激活腦區(qū)。

2 結(jié)果

與對照組相比，AD 組患者局部腦組織動脈通過時間明顯延長，見圖1，以下區(qū)域為著見表1，主要累及左側(cè)島葉，左側(cè)額下回，左側(cè)顳上回及顳中回，雙側(cè)后扣帶回，雙側(cè)楔前葉，左側(cè)海馬旁回（t=2.4727，P＜0.001）；這與文獻中提到的多數(shù)AD組患者腦血流量在雙側(cè)顳葉（顳中回、顳下回）、雙側(cè)海馬旁回、雙側(cè)后扣帶回及左側(cè)島葉也有明顯下降的闡述相吻合[7-12]，從而驗證了此算法在AD患者CBF灌注計算中的可行性。

表1 1累及腦區(qū)的ATT值比較

圖1 正常組與對照組兩個樣本t檢驗后動脈通過時間差異激活圖

3 討論

ATT是影響由強度差值圖像（ΔM）計算的CBF絕對值的主要因素。在ASL里，ATT指動脈血從標(biāo)記處到達成像所在的組織毛細(xì)管的時間，ATT是開始射頻標(biāo)記到獲得數(shù)據(jù)之間最小的延時，為了計算CBF絕對值，必須知道ATT。既往研究已提出多種測定ATT的方法，包括通過改變后標(biāo)記延時來確定ATT值[8]。這些方法依賴于幾何設(shè)置，如層厚和方向，成像的位置，標(biāo)記和層間隔。但由于這些計算方法耗時、信噪比低，測量結(jié)果不準(zhǔn)確，因此這些研究沒有廣泛應(yīng)用于臨床。本研究中使用基于體素的形態(tài)學(xué)方法，直接基于CBF值得出ΔM值，然后通過ΔM和T1和PD圖像求出ATT值，在無需人工勾劃感興趣區(qū)的情況下對全腦體素ATT值進行統(tǒng)計分析[4,7]，避免人為誤差，實用性強、準(zhǔn)確性高。

4 結(jié)論

ASL是一種MR灌注成像技術(shù)，可定量測定CBF，其內(nèi)源性對比劑為磁標(biāo)記的動脈血，內(nèi)源性示蹤劑為流動血液中的水分子，不必注射對比劑，無電離輻射，安全無創(chuàng)，不受血腦屏障破壞的影響，本研究采用的3D 偽連續(xù)式ASL[13-18]，信噪比及標(biāo)記效率高，圖像質(zhì)量好，準(zhǔn)確率高，重復(fù)性好，且全腦覆蓋測定CBF，評估腦功能，成像時間短，可作為常規(guī)MR掃描方式對AD患者進行篩查。而對動脈通過時間的測定又是腦血流量測定的重要指標(biāo)，上述結(jié)果驗證了此動脈動過時間的算法在AD患者血流灌注減低研究中的準(zhǔn)確性，說明動脈通過時間成像可以輔助腦血流量在阿爾茨海默病的臨床診斷和治療提供有用的依據(jù)。

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Study on the Arterial Transit Time in the 3D Arterial Spin Labeling Technique

WANG Zheng1, FU Xue-m ei2, ZENG Xiang-zhu1, LIU Ying1, YUAN Hui-shu1
1.Departm ent of Radiology, Peking University Third Hospital, Beijing 100198, China；2.School of Bio-Medical Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

Objective To determ ine the arterial transit time (ATT）in 3D pseudo continuous arterial spin labeling (3D pcASL）imaging and analyze its relevance w ith the reduction of cerebral blood fl ow (CBF）in patients w ith Blzheimer's disease (AD）. Methods Conventional MR and pcASL 3D perfusion imaging were performed in 12 patients w ith AD (AD Group）and 17 age-matched normal subjects (Control Group）. The SPM 8 software was used to pre-process the ATT images and compare the differences between the two groups so as to evaluate the correlation between the ATT value and reduction of CBF in the encephalic region w ith increased ATT. Results The increased ATT area in AD Group mainly occurred in the left insula and left inferior frontal gyrus, left superior temporal gyrus and m iddle temporal gyrus, bilateral posterior cingulate gyrus, bilateral precuneus, left parahippocampal back (t=2.4727, P＜0.001）. Conclusion The ATT value in the decreased perfusion area was correlated w ith the decrease of cerebral blood fl ow perfusion.

arterial transit time；cerebral blood fl ow；arterial spin labeling；alzheimer disease

R749.1；R445.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.09.006

1674-1633(2015）09-0024-03

2015-06-10

2015-07-13

袁慧書，教授，主任醫(yī)師。

通訊作者郵箱：huishuy@sine.com