磁共振三維偽連續(xù)動脈自旋標記灌注成像評估大鼠缺血性卒中

程曉青，方曉堃，李建瑞，李延軍，張薇，張泳，盧光明

·實驗研究·

磁共振三維偽連續(xù)動脈自旋標記灌注成像評估大鼠缺血性卒中

程曉青，方曉堃，李建瑞，李延軍，張薇，張泳，盧光明

目的：探討磁共振三維動脈自旋標記灌注成像（3D-ASL）評估缺血性腦卒中大鼠腦血流動力學的可行性及其與擴散加權(quán)成像（DWI）的相關(guān)性。方法：對19只大鼠采用線栓法制作左側(cè)大腦中動脈栓塞缺血模型，并于栓塞后30 min、2～3h和6～7 h分別行MRI掃描，測量并計算閉塞側(cè)腦缺血部位及對側(cè)對稱區(qū)域的腦血流量（CBF）和表觀擴散系數(shù)（ADC）的絕對值和相對比值，并進行統(tǒng)計學分析（配對t檢驗）；采用Pearson相關(guān)性分析評估CBF與ADC相對比值的相關(guān)性。結(jié)果：17只大鼠模型納入數(shù)據(jù)分析。栓塞后不同時間點閉塞側(cè)CBF及ADC值與對側(cè)相比，差異有統(tǒng)計學意義（30 min CBF：t＝9.04，P＜0.001；30 min ADC：t＝18.00，P＜0.001；2～3 h CBF：t＝12.55，P＜0.001；2～3 h ADC：t＝24.02，P＜0.001；6～7 h CBF：t＝10.32，P＜0.001；6～7 h ADC：t＝18.38，P＜0.001）。不同時間點腦缺血部位的CBF與ADC相對值間均具有相關(guān)性（30 min：r＝0.665，P＝0.004；2～3 h：r＝0.724，P＝0.001；6～7 h：r＝0.835，P＜0.001）。結(jié)論：3D-ASL能夠用于評估大鼠缺血腦組織的損傷情況，CBF與ADC值具有良好的相關(guān)性。

大鼠；腦卒中；動脈自旋標記；灌注成像；擴散加權(quán)成像；表觀擴散系數(shù)

缺血性腦卒中具有很高的發(fā)病率和致殘、致死率，嚴重威脅人類生命［1］。缺血性卒中大鼠模型是一種成熟動物模型，能夠模擬缺血性卒中的發(fā)生和轉(zhuǎn)歸。磁共振擴散加權(quán)成像（diffusion-weighted imaging，DWI）與灌注成像是最常用于評估缺血性卒中的影像學手段。DWI及其表觀擴散系數(shù)（apparent diffusioncoefficient，ADC）在缺血性卒中大鼠的實驗研究中常被用于評估缺血損害范圍和程度，并與組織學有很好的相關(guān)性［2-3］。磁共振灌注成像中的三維動脈自旋標記（three dimensional arterial spin labeling，3D-ASL）成像是一項新的灌注成像技術(shù)，它不需要對比劑，能夠快速定量測量腦血流量，經(jīng)臨床證實可用于評估腦缺血性卒中和腦腫瘤［4-5］。目前利用3D-ASL評估缺血性卒中大鼠的腦血流動力學還未有文獻報道。因此，本研究通過對缺血性卒中大鼠進行3D-ASL及DWI掃描，旨在探討3D-ASL序列用于評估鼠腦血流動力學的可行性及與ADC值的相關(guān)性。

材料與方法

1.動物模型制作

選取健康雄性Wistar大鼠19只，9周齡，體重250～300 g，由南京軍區(qū)南京總醫(yī)院動物中心提供。將大鼠用5%異氟烷吸入麻醉后，使用1.5%～2.5%異氟烷維持，制作大鼠大腦中動脈閉塞缺血模型。首先，切開并分離頸部正中皮膚、筋膜及迷走神經(jīng)后，暴露右側(cè)頸部動脈，結(jié)扎頸外動脈，微動脈夾夾閉頸內(nèi)動脈，在頸總動脈近分叉處剪一處小口，插入直徑0.38 mm的硅膠包被線栓（廣州佳靈生物技術(shù)有限公司），扎緊縫合線，松開微動脈夾，栓線插入距頸內(nèi)動脈分叉處約18～20 cm至大腦中動脈（middle cerebral artery，MCA）起始部，阻斷血供后進行縫合。造模后，有2只大鼠分別于栓塞后6及12 h死亡而被排除，剩余17只大鼠納入本研究。17只大鼠中，Zea Longa評級為3級有10只，4級有7只。

2.MRI掃描

分別于MCA栓塞后30 min、2～3 h和6～7 h分別進行MRI 3D-ASL、DWI、3D-T1WI和T2WI掃描，并于24 h后進行T2WI掃描確定最終梗死面積。使用GE Signa Discovery HD 750 3.0T磁共振掃描儀和4通道5cm老鼠線圈（蘇州眾志醫(yī)療科技有限公司）。大鼠用1.5%～2.5%異氟烷維持麻醉，取俯臥位，頭置于線圈中央。3D-ASL掃描參數(shù)：TR 4383 ms，TE 12.6 ms，標記延遲時間（post labeling delay time，PLD）1.0 s，激勵次數(shù)3，層厚1.5 cm，掃描時間4 min 14 s。DWI掃描參數(shù)：TR 3000 ms，TE 81.9 ms，b值＝800 s/mm2，視野6.0 cm×0.5 cm，層厚1.5 cm，掃描時間1 min 27 s。3D T1WI掃描參數(shù)：采用BRAVO序列，TR 11 ms，TE 5.1 ms，視野5.00 cm× 0.75 cm，激勵次數(shù)1，層厚1.0 cm，掃描時間3 min 16 s。T2WI掃描參數(shù)：采用FSE序列，TR 4260 ms，TE 97.3 ms，層厚5 mm，視野6.0 cm×3.6 cm，激勵次數(shù)2，掃描時間1 min 6 s。

3.MRI后處理

將原始數(shù)據(jù)傳至GE ADW4.5工作站，采用Functool軟件進行后處理，獲取3D-ASL的CBF和ADC偽彩圖。選取顯示缺血范圍最大的3個層面，人工勾畫ADC及CBF圖像顯示的缺血區(qū)域作為感興趣區(qū)，測量相應的CBF和ADC值，并通過鏡面法得到對側(cè)值，分別對3個層面反復測量3次，取其平均值，將缺血側(cè)與對側(cè)的CBF與ADC值進行對比，計算相對比值（rCBF，r ADC）。此外，分別測量各時間點ADC圖像上異常低信號區(qū)和CBF圖像上異常灌注區(qū)的面積。在閉塞24 h后T2WI上確定最終腦梗死面積。

4統(tǒng)計學分析

采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件，計量資料以均值±標準差（mean±SD）來表示。利用配對t檢驗對不同時間點閉塞側(cè)與對側(cè)的ADC和CBF絕對值進行統(tǒng)計學分析，利用Pearson相關(guān)性分析評估r ADC與r CBF的相關(guān)性。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結(jié) 果

1.不同時間點閉塞側(cè)與對側(cè)ADC和CBF值

MCA栓塞后30 min，閉塞側(cè)MCA供血區(qū)在DWI上呈等信號或稍高信號，ADC圖上呈等信號（圖1a）或稍低信號，CBF圖上呈低灌注（圖1b），T1WI與T2WI上未見異常信號（圖1c），閉塞側(cè)ADC及CBF值與對側(cè)相比差異有統(tǒng)計學意義（ADC：t＝18.00，P＜0.001；CBF：t＝9.04，P＜0.001）。MCA栓塞后2～3 h，閉塞側(cè)MCA供血區(qū)在DWI上呈明顯高信號，ADC圖上呈明顯低信號，閉塞側(cè)ADC及CBF值與對側(cè)相比差異有統(tǒng)計學意義（ADC：t＝24.02，P＜0.001；CBF：t＝12.55，P＜0.001）。MCA栓塞后6～7 h，閉塞側(cè)MCA供血區(qū)在DWI上呈略高信號，ADC圖上呈低信號（圖2a），閉塞側(cè)ADC及CBF值與對側(cè)相比差異有統(tǒng)計學（ADC：t＝18.38，P＜0.001；CBF：t＝10.32，P＜0.001）。MCA栓塞后不同時間點閉塞側(cè)與對側(cè)CBF與ADC的絕對值見表1。

表1 大鼠MCA栓塞后不同時間點閉塞側(cè)與對側(cè)CBF和ADC值

2.MCA栓塞后不同時間點CBF和ADC圖顯示的缺血面積

MCA栓塞后30 min，CBF圖上測量的異常灌注區(qū)面積為（120.53±22.64）mm2，大于ADC圖上低信號區(qū)的面積（101.65±25.48）mm2，兩者相比差異有統(tǒng)計學意義（t＝9.01，P＜0.001）。MCA栓塞后2～3 h，CBF圖上異常灌注面積為（120.06± 21.56）mm2，大于ADC圖上低信號區(qū)的面積（107.29±21.87）mm2，兩者相比有統(tǒng)計學差異（t＝6.55，P＜0.001）。MCA栓塞后6～7 h，CBF測量的異常灌注面積為（125.23±21.48）mm2，與ADC圖上低信號區(qū)的面積（126.71±19.64）mm2及24 h后T2WI上確定的腦梗死面積（126.06±20.91 mm2）基本相似（圖2a～c），CBF與ADC圖上的測量值之間差異無統(tǒng)計學意義（t＝0.75，P＝0.46）。

3.r CBF與r ADC值的相關(guān)性

經(jīng)Pearson相關(guān)性分析，不同時間點的r CBF與r ADC之間均呈正相關(guān)關(guān)系，而且隨閉塞時間延長兩者之間的相關(guān)性逐漸增加（圖3）。

圖1 左側(cè)MCA栓塞30min后MRI圖像。a）ADC圖示缺血區(qū)呈等信號；b）3D-ASL序列CBF圖，顯示左側(cè)大腦半球大面積低灌注區(qū)（箭）；c）T2WI上左側(cè)MCA供血區(qū)未見明顯異常信號。 圖2 左側(cè)MCA栓塞6h后MRI。a）ADC圖顯示左側(cè)大腦半球大面積信號減低區(qū)（箭）；b）3D-ASL序列CBF圖，顯示相應區(qū)域呈大面積低灌注；c）24h后T2WI顯示梗死區(qū)面積與ADC和CBF圖所顯示的范圍一致。

討 論

磁共振灌注技術(shù)包括動態(tài)磁敏感對比增強灌注法（dynamic susceptibility contrast，DSC）和動脈自旋標記法。對于大鼠顱腦成像，DSC灌注成像需要行大鼠尾靜脈或股靜脈穿刺并注入對比劑，增加了實驗難度，此外，在圖像后處理時難以精確定位輸入動脈的位置，導致測量的腦血流量不準確［6-7］。而3D-ASL是通過對流入動脈血液進行連續(xù)磁化標記，待標記血液流入腦組織后進行快速成像，定量測量全腦血流量［8］。3DASL成像不需要注射對比劑，也無需對輸入動脈進行標記，極大地降低了實驗難度，但是3D-ASL評估大鼠腦血流動力學還存在一些問題，包括掃描參數(shù)的選擇、分辨率不高難以區(qū)分小鼠腦的解剖細節(jié)、以及測量CBF結(jié)果的可靠性等。

3D-ASL成像中最重要的參數(shù)設(shè)置就是PLD的選擇，PLD是指標記后到采集圖像的這段時間，PLD如選擇過短，標記血尚未進入感興趣區(qū)，使采集到的血流灌注信號低于實際值，導致低估CBF，而PLD過長會使標記血過度衰減，導致CBF被高估，并且圖像信噪比降低［9］。對于年輕人或健康老年人，PLD推薦選擇1.5或2.0 s［10］；而對于大鼠來說，腦血流循環(huán)時間較人類短，理論上應該選擇較短的PLD，但同時也要長于循環(huán)時間。有文獻報道，正常大鼠自頸部至腦部的血流時間約300 ms［11］，因此，PLD應選擇400 ms左右，但本組中實驗大鼠一側(cè)大腦中動脈閉塞后，腦血流速度較正常大鼠明顯降低，因此本研究中選擇的PLD為1.0 s。另一方面，雖然3D-ASL成像采用快速自旋回波（fast spin echo，F(xiàn)SE）進行讀取，其分辨率得到了很大的提高，但是尚難以滿足大鼠腦成像，因此，本研究通過進行3D-T1WI掃描，后處理時將CBF圖像與3D-T1WI進行圖像配準，根據(jù)3D-T1WI區(qū)分大鼠的腦解剖結(jié)構(gòu)，提高了對缺血腦組織解剖部位的顯示及缺血面積測量的準確性。

本研究中選用永久性缺血卒中大鼠模型，分別于MCA閉塞后30 min、2～3 h和6～7 h進行3D-ASL和DWI掃描，結(jié)果顯示，由于腦血流灌注不足，閉塞側(cè)CBF值與對側(cè)相比呈明顯下降（P＜0.001），證明3D-ASL技術(shù)能夠敏感地反映大鼠腦血流動力學損傷情況。在顯示缺血范圍上，MCA閉塞后30 min至2～3 h，CBF圖上所顯示的缺血范圍較ADC圖大，提示存在缺血半暗帶，但是，隨著閉塞時間延長至6～7 h后，在沒有及時進行再灌注的情況下，ADC圖上顯示的缺血范圍逐漸增大，與CBF及24 h后T2WI上所顯示的梗死范圍基本一致，表明缺血半暗帶腦組織已轉(zhuǎn)化為梗死腦組織。此外，本研究中將r ADC與rCBF進行相關(guān)性分析，結(jié)果證實在MCA栓塞后不同時間點兩組數(shù)值均有顯著相關(guān)性，證實了缺血性卒中引起的CBF降低與ADC值之間存在線性相關(guān)關(guān)系，并且隨著閉塞時間的延長，腦缺血損傷程度的加重，兩者的相關(guān)性增加。因此，3D-ASL成像能夠可靠地評估缺血腦組織的程度和范圍，可用于缺血性卒中大鼠的實驗研究。

圖3 栓塞后不同時間點rCBF與r ADC的Pearson相關(guān)性分析圖。a）閉塞30min后，rCBF與r ADC呈正相關(guān)（r＝0.665，P＝0.004）；b）閉塞2～3h，rCBF與r ADC呈正相關(guān)（r＝0.724，P＝0.001）；c）閉塞6～7h，rCBF與r ADC呈顯著正相關(guān)（r＝0.835，P＜0.001）。

本研究采用的3D-ASL序列是一種非對比劑增強的MR腦灌注成像技術(shù)，它最主要的優(yōu)勢是可以活體定量測量CBF值。本研究中定量測量閉塞側(cè)CBF值為6.64～7.32 m L/（100g·min），明顯低于對側(cè)鏡像區(qū)［10.86～14.83 m L/（100g·min）］，但本研究中所測量的CBF值明顯低于文獻報道。如，Leoni等［12］利用連續(xù)動脈自旋標記（continuous arterial spin labeling，CASL）技術(shù)測量和的腦血流量，PLD時間選擇994 ms，其測量的成年WKY大鼠和成年SHR大鼠的全腦血流量分別為（61±3）和（69±8）m L/（100g· min）。Carret等［13］報道，使用血流敏感反轉(zhuǎn)恢復序列ASL灌注技術(shù)測量的大鼠全腦血流量為140～150 m L/（100g·min）。Voucher等［14］使用多普勒血流儀測量大鼠腦灰質(zhì)的血流量為137 m L/（100g· min），白質(zhì)區(qū)為50 m L/（100g·min）。造成本研究中所測量的CBF值偏小的原因可能包括成像設(shè)備和序列不同、以及選擇的PLD不同等，后續(xù)的研究中筆者將對不同的PLD時間進行對比分析，研究其對CBF值的影響。

本研究結(jié)果表明，作為一種非對比劑灌注成像技術(shù)，3D-ASL序列可以簡單、快捷地測量大鼠腦組織血流灌注，能較敏感地反映腦血流損傷，所測量的CBF與ADC相對值之間具有顯著相關(guān)性，結(jié)果較為可靠，能夠用于評估缺血腦組織的血流動力學損害程度和范圍，但是所測量的CBF絕對值偏小，其原因還需要進一步研究分析。

（致謝：感謝蘇州眾志醫(yī)療科技有限公司為本實驗提供小動物磁共振線圈）。

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An experimental study of 3D whole-brain pseudo-continuous arterial spin labeling MRI for assessing ischemic stroke in rats

CHENG Xiao-qing，F(xiàn)ANG Xiao-kun，LI Jian-rui，et al.Department of Medical Imaging，Jinling Hospital，Clinical School of Medical College，Nanjing University，Nanjing 210002，P.R.Chin

Objective：To evaluate the feasibility of 3D whole-brain pseudo-continuous arterial spin labeling（3D-ASL）for assessing the cerebral hemodynamics of rats with ischemic stroke and the correlation of 3D-ASL with diffusion-weighted imaging（DWI）.Methods：Cerebral ischemia model of middle cerebral artery occlusion was established in 19 rats using the suture method.MRI was performed at 30min，2～3h，and 6～7h after occlusion.The cerebral blood flow（CBF）and apparent diffusion coefficient（ADC）at the occluded side and the contralateral side，as well as relative CBF（rCBF）and relative ADC（r ADC）were measured.Comparison of CBF and ADC between the occluded side and the contralateral side was made by paired t test；the correlation between rCBF and r ADC was determined by Pearson correlation analysis.Results：Seventeen model rats were included in this study.There were significant differences in CBFs and ADCs between the occluded side and the contralateral side at different time points after occlusion（30min CBF：t＝9.04，P＜0.001；30min ADC：t＝18.00，P＜0.001；2～3h CBF：t＝12.55，P＜0.001；2～3h ADC：t＝24.02，P＜0.001；6～7h CBF：t＝10.32，P＜0.001；6～7h ADC：t＝18.38，P＜0.001）.There was statistically significant correlation between rCBF and r ADC（30min：r＝0.665，P＝0.004；2～3h：r＝0.724，P＝0.001；6～7h：r＝0.835，P＜0.001）.Conclusion：3D-ASL can be used to assess the ischemic brain injury in rats，and rCBF shows a good correlation with r ADC.

Rat；Stoke；Arterial spin labeling；Perfusion imaging；Diffusion-weighted imaging；Apparent diffusion coefficient

R445.2；R743.3

A

1000-0313（2015）12-1186-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2015.12.008

2015-08-15

2015-10-10）

210002 南京，南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學影像科（程曉青、方曉堃、李建瑞、李延軍、張薇、盧光明）；201203 上海，通用電氣醫(yī)療集團（張泳）

程曉青（1980-），女，江蘇南通人，主治醫(yī)師，博士，主要從事腦血管疾病的影像學診斷工作。

盧光明，E-mail：cjr.luguangming＠vip.163.com

國家自然科學基金青年科學基金（81201072）；南京軍區(qū)南京總醫(yī)院院內(nèi)課題資助項目（2013054）