MRI動(dòng)脈自旋標(biāo)記技術(shù)發(fā)展及其在臨床中的應(yīng)用

康 鈺，史 浩，劉華秀

（1.泰山醫(yī)學(xué)院，山東 泰安 271000；2.山東省千佛山醫(yī)院影像科，山東 濟(jì)南 250014；3.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250014）

動(dòng)脈自旋標(biāo)記（arterial spin labeling，ASL）作為一種反映組織血流灌注情況的fMRI技術(shù)，自問(wèn)世以來(lái)不斷進(jìn)步發(fā)展。隨著2012年國(guó)際醫(yī)學(xué)MRI協(xié)會(huì)（internationalsociety for magnetic resonance in medicine，ISMRM）、歐洲 ASL 和癡呆研究小組（European consortium ASL in dementia，AID）起草了ASL技術(shù)及應(yīng)用的白皮書(shū)，2015年《動(dòng)脈自旋標(biāo)記腦灌注MRI技術(shù)規(guī)范化應(yīng)用專(zhuān)家共識(shí)》的提出，ASL技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)始走向規(guī)范化道路，并越來(lái)越多地應(yīng)用于臨床及科研工作［1］。

1 ASL發(fā)展史

ASL灌注成像這一理念是在1992年由Detre等［2］提出。他通過(guò)老鼠試驗(yàn)證實(shí)ASL可用于研究腦灌注成像。該技術(shù)是連續(xù)動(dòng)脈自旋標(biāo)記（continuous arterial spin labeling，CASL）技術(shù)，隨后也陸續(xù)得到了一定的改進(jìn)和發(fā)展。

1994年，Edelman等［3］提出了基于靶向射頻平面回波成像（echo planar MR imaging and signal targeting radio frequency，EPISTAR）技術(shù)的脈沖式動(dòng)脈自旋標(biāo)記（pulsed arterial spin labeling，PASL）技術(shù)。1995年，Kwong等［4］提出了基于流動(dòng)敏感選擇翻轉(zhuǎn)恢復(fù)（flow sensitive alternating inversion recovery，F(xiàn)AIR）的PASL技術(shù)，作者利用選擇性反轉(zhuǎn)獲得的血流敏感圖和非選擇性反轉(zhuǎn)獲得的血流不敏感圖相減影獲得血流加權(quán)圖像。1998年，Wong等［5］引入了單次剪影量化灌注成像二代（quantitative imaging of perfusion using a single subtraction Ⅱ，QUIPSSⅡ）方案，以便于量化血流灌注情況。 1999年，Luh等［6］將QUIPSSⅡ方案改進(jìn)為QUIPSSⅡ薄層TI1周期性飽和脈沖（QUIPSSⅡ with thin slice TI1 periodic saturation，Q2TIPS）方案，使得PASL的灌注測(cè)量更為準(zhǔn)確，并解決了多層采集的問(wèn)題。

上述早期ASL灌注成像方案均基于二維成像方法，由于技術(shù)局限性，ASL技術(shù)一直未應(yīng)用于臨床。2008 年，Dai等［7］基于偽連續(xù)式動(dòng)脈自旋標(biāo)記（pseudo continuous arterial spin labeling，pCASL） 技術(shù)提出了全腦三維灌注解決方案，即3D ASL，為ASL技術(shù)應(yīng)用于臨床打下了基礎(chǔ)。

2 ASL基本原理

ASL技術(shù)的總體目標(biāo)是由“標(biāo)記像”和“控制像”產(chǎn)生血流敏感圖像。ASL以磁標(biāo)記的動(dòng)脈血內(nèi)的水質(zhì)子作為內(nèi)源性示蹤劑，利用射頻脈沖對(duì)成像平面流入側(cè)的動(dòng)脈血進(jìn)行反轉(zhuǎn)即“標(biāo)記”，被標(biāo)記的動(dòng)脈血流到達(dá)毛細(xì)血管，并與組織液之間進(jìn)行物質(zhì)交換，從而在成像平面產(chǎn)生灌注信號(hào)，此時(shí)采集的圖像被稱(chēng)為“標(biāo)記像”，標(biāo)記像是由流入標(biāo)記血流信號(hào)和原組織靜態(tài)信號(hào)組成。為消除靜態(tài)組織信號(hào)，對(duì)流入成像平面行另一次未標(biāo)記血成像，得到“控制像”［8］。將標(biāo)記像與控制像減影得到僅與標(biāo)記血有關(guān)的血流敏感圖像及“灌注像”［8］。由于血液被反轉(zhuǎn)，標(biāo)記像中流入組織標(biāo)記血部分的信號(hào)強(qiáng)度降低，而靜態(tài)組織的信號(hào)比灌注信號(hào)大的多，因此灌注像的信號(hào)強(qiáng)度很低（僅為全部信號(hào)的0.5%～1.5%），為保證足夠的信號(hào)強(qiáng)度，需反復(fù)采集［8］。

3 ASL分類(lèi)

根據(jù)標(biāo)記方式的不同，ASL目前可分為CASL、PASL及pCASL。其中，pCASL是在CASL技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。連續(xù)式和脈沖式2種標(biāo)記方式的本質(zhì)區(qū)別在于標(biāo)記的空間范圍和持續(xù)時(shí)間不同，這使得2種標(biāo)記方法各有其優(yōu)勢(shì)和不足。

CASL技術(shù)將較長(zhǎng)的連續(xù)射頻脈沖（1～3 s）施加于成像平面流入側(cè)較窄層面，對(duì)動(dòng)脈血進(jìn)行標(biāo)記，從而產(chǎn)生流驅(qū)動(dòng)絕熱反轉(zhuǎn)，并在流入方向施加梯度場(chǎng)。理論上，較長(zhǎng)的標(biāo)記脈沖可提供相對(duì)更高的SNR，但血液流速變化會(huì)影響標(biāo)記效率［9］，大大削弱了其提高SNR的優(yōu)勢(shì)；且目前MRI設(shè)備不能滿足產(chǎn)生較長(zhǎng)連續(xù)脈沖的要求，限制了CASL的臨床應(yīng)用［10］。

PASL技術(shù)通過(guò)多個(gè)較短的射頻脈沖（總持續(xù)時(shí)間一般為10～20 ms）標(biāo)記一個(gè)較厚區(qū)域內(nèi)的動(dòng)脈血［11］。PASL對(duì)流速變化不敏感，可提供97%以上的標(biāo)記效率［12］；目前PASL成為灌注成像的研究熱門(mén)，并產(chǎn)生了許多至今被廣泛應(yīng)用的序列，如FAIR、EPISTAR及其衍生序列。但PASL也存在一些缺陷，如與 CASL相比，PASL的標(biāo)記時(shí)間較短，SNR較低，同時(shí)短波脈沖帶來(lái)了較長(zhǎng)的傳輸時(shí)間、降低了效率；層面?zhèn)斡笆沟肞ASL不能實(shí)現(xiàn)全腦掃描［8］。

pCASL技術(shù)是通過(guò)使用每毫秒大于1 000次的高頻射頻脈沖，并在流入方向施加梯度場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［12］表明，與 PASL相比，SNR 提高了 50%左右，標(biāo)記效率比調(diào)幅CASL明顯提高。pCASL具有將CASL和PASL的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)的潛力，硬件需求少、標(biāo)記效率高，SNR高。此外，pCASL具有良好的可重復(fù)性［13］，目前已廣泛應(yīng)用于臨床。

4 ASL與其他MRI灌注技術(shù)對(duì)比

4.1 動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)灌注成像（dynamic contrast-enhanced perfusion weighted imaging，DCE-PWI） DCEPWI又稱(chēng)T1加權(quán)灌注成像。定量參數(shù)，如容量轉(zhuǎn)移常數(shù)（volume transfer constant，Ktrans）、速率常數(shù)（rate constant，Kep）、血管外細(xì)胞外間隙容積分?jǐn)?shù)（extravascular extracellular volume fraction，Ve）可較全面反映組織的微循環(huán)血流灌注情況，現(xiàn)已被廣泛用于腫瘤微環(huán)境的定量評(píng)估［14］。

4.2 動(dòng)態(tài)磁敏感增強(qiáng)灌注成像（dynamic susceptibility contrast perfusion weighted imaging，DSC-PWI）DSC-PWI又稱(chēng)T2加權(quán)灌注成像或T2*加權(quán)灌注成像?；谑走^(guò)灌注成像原理，通過(guò)灌注成像可獲得多個(gè)參數(shù)，包括腦血流容量（cerebralblood volume，CBV）、腦血流量（cerebral blood flow，CBF）、平均通過(guò)時(shí)間（mean transit time，MTT）和達(dá)峰時(shí)間（time to peak，TTP）。由于 CBV、CBF 受多種因素影響，實(shí)際工作中多采用相對(duì)腦血容量（relative CBV，rCBV）、相對(duì)腦血流量（relative CBF，rCBF）［15］。 此技術(shù)主要用于研究腦部灌注情況，現(xiàn)已用于缺血性腦血管病的評(píng)估及腦腫瘤的分級(jí)。

以上2種技術(shù)通過(guò)靜脈團(tuán)注對(duì)比劑使局部毛細(xì)血管內(nèi)磁敏感性增加致局部磁場(chǎng)不均勻，質(zhì)子自旋去相位，引起T2、T2*或T1值的明顯縮短，獲得一系列動(dòng)態(tài)影像，通過(guò)定量指標(biāo)反映局部灌注情況［15］。與以上2種技術(shù)相比，ASL技術(shù)不依賴(lài)于血腦屏障，無(wú)需注射對(duì)比劑、磁敏感偽影較少，具備無(wú)創(chuàng)、成本低、操作簡(jiǎn)單、可重復(fù)檢查等優(yōu)點(diǎn)，但ASL獲得的灌注參數(shù)較少，時(shí)間和空間分辨力相對(duì)較差，這也限制了其臨床應(yīng)用。

5 ASL的臨床應(yīng)用

5.1 ASL在腦部的應(yīng)用

5.1.1 缺血性腦血管病 該病是ASL技術(shù)最先涉及的一個(gè)領(lǐng)域。對(duì)急性或亞急性腦梗死，ASL可定量反映缺血程度、與DWI結(jié)合可顯示缺血半暗帶。動(dòng)脈通過(guò)偽影是指被標(biāo)記血?dú)埩粲谘軆?nèi)所導(dǎo)致的條狀匍匐高信號(hào)影，ATA結(jié)合ASL灌注情況，可判斷側(cè)支循環(huán)建立程度［16］。 2016 年，Lyu 等［17］采用 2 個(gè)甚至多個(gè)標(biāo)記后延遲時(shí)間，為ASL量化側(cè)支循環(huán)血流提供了可能。在短暫缺血發(fā)作（transient ischemic attack，TIA）方面，相關(guān)研究［18］表明，ASL 可在早期發(fā)現(xiàn)血流灌注減低狀態(tài)，提高對(duì)TIA的早期檢出率。ASL與MRA聯(lián)合應(yīng)用可對(duì)相應(yīng)低灌注區(qū)的動(dòng)脈血管進(jìn)行評(píng)估，提高因血管狹窄造成供血不足的病因檢出，以及檢查的敏感性及特異性［19］。此外，ASL技術(shù)為腦血管疾病治療后再灌注的評(píng)估、療效觀察及預(yù)后評(píng)價(jià)提供了一種新的無(wú)創(chuàng)檢查方法。

5.1.2 腦腫瘤 顱內(nèi)腫瘤病變的灌注成像研究有重要的臨床意義。首先，ASL能評(píng)估腫瘤的良惡性并分級(jí)，目前主要用于膠質(zhì)瘤的術(shù)前分級(jí)，隨著腫瘤惡性程度的增高，灌注程度也隨之增高［20］。其次，膠質(zhì)瘤通常在3D ASL上較常規(guī)增強(qiáng)掃描能顯示更大范圍的異常信號(hào)區(qū)，因此能夠更準(zhǔn)確的顯示腫瘤邊界。ASL可用于不同腫瘤病變的鑒別診斷，如腦膜瘤和顱內(nèi)腦外的海綿狀血管瘤，前者常表現(xiàn)為高灌注，后者常為低灌注；淋巴瘤和膠質(zhì)瘤，前者通常為低灌注，后者通常為高灌注；還可用于非腫瘤病變，如瘤樣脫髓鞘和腫瘤性病變的鑒別。此外，ASL可用于判斷腦腫瘤放化療后有無(wú)復(fù)發(fā)，放療后改變通常為低灌注，而腫瘤復(fù)發(fā)則為高灌注［21］。

5.1.3 腦功能病變 ASL目前已用于眾多腦功能疾病的診斷及疾病研究，如顳葉癲癇、阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）、帕金森病和快速動(dòng)眼睡眠障礙等。Wolf等［22］使用CASL技術(shù)發(fā)現(xiàn)了顳葉癲癇患者內(nèi)側(cè)顳葉CBF于發(fā)作期間較對(duì)側(cè)明顯下降，目前ASL技術(shù)可用于癲癇病灶的評(píng)估。研究［23］發(fā)現(xiàn)，AD患者顳葉、頂葉、額葉及后扣帶回出現(xiàn)灌注量減少，且頂下小葉及后扣帶回灌注量減少的程度與疾病程度呈正相關(guān)，ASL可能會(huì)成為AD早期診斷、藥物治療隨訪的有效方法。此外，ASL還可應(yīng)用于AD疾病進(jìn)展程度的評(píng)估，以明確受試者所處的認(rèn)知障礙階段［24］。

除上述方面，ASL技術(shù)對(duì)于創(chuàng)傷性腦損傷、腦動(dòng)靜脈畸形、動(dòng)脈瘤、靜脈竇血栓形成、偏頭痛、多發(fā)性硬化、抑郁癥等疾病的研究近幾年也取得一定進(jìn)展。

5.2 ASL在其他部位的應(yīng)用

5.2.1 腎臟 目前應(yīng)用于腎臟的ASL多采用FAIR技術(shù)。相關(guān)研究［25］表明，ASL在評(píng)估腎損害時(shí)腎功能改變、判斷腎腫瘤血供情況、對(duì)惡性腫瘤進(jìn)行分型、監(jiān)測(cè)腫瘤治療情況及腎臟藥物反應(yīng)、評(píng)估移植后腎功能及預(yù)后等，均有很好的臨床研究及應(yīng)用前景。已有研究［26］發(fā)現(xiàn)，乳頭狀腎細(xì)胞癌的灌注水平低于其他類(lèi)型的腎細(xì)胞癌，腎嗜酸細(xì)胞腺瘤的平均灌注水平和灌注峰值高于乳頭狀癌、嫌色細(xì)胞癌和未分化型腎癌。

5.2.2 前列腺 近年來(lái)，采用FAIR技術(shù)的ASL序列被證實(shí)可定量測(cè)量前列腺灌注（prostate blood flow，PBF），并在前列腺癌的診斷中具有一定價(jià)值，并發(fā)現(xiàn)前列腺癌PBF較正常前列腺組織明顯增加［27］。

5.2.3 肺部 ASL在肺栓塞、肺氣腫等肺疾病的診斷和評(píng)價(jià)中具有廣闊的應(yīng)用前景。Mai等［28］通過(guò)MRI通氣-灌注成像（V/Q）技術(shù)證實(shí)，肺栓塞時(shí)V/Q常不匹配；慢性阻塞性肺疾病時(shí)V/Q往往不匹配。前些年，Schraml等［29］發(fā)現(xiàn)肺囊性纖維化患者灌注量較健康人低，為該病提供了新的檢查方法。

5.2.4 心臟 心臟ASL成像技術(shù)多基于FAIR方式。目前，心臟ASL研究多集中于嚙齒動(dòng)物，由于技術(shù)尚不成熟，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)人體心臟ASL研究報(bào)道［30］。

5.2.5 兒科 ASL在兒科疾病應(yīng)用中有很大優(yōu)勢(shì)，ASL與常規(guī)MRI序列聯(lián)合應(yīng)用可更全面反映新生兒缺血缺氧性腦病的病理過(guò)程，通過(guò)測(cè)量丘腦及豆?fàn)詈藚^(qū)rCBF值有助于該病的早期診斷［31］。另外，多期動(dòng)脈自旋標(biāo)記MRI灌注成像技術(shù)可無(wú)創(chuàng)、定量測(cè)定局部CBF，在新生兒腦血流動(dòng)力學(xué)研究中優(yōu)勢(shì)明顯［32］。

6 ASL技術(shù)進(jìn)展

近些年新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如血管選擇性動(dòng)脈自旋標(biāo)記技術(shù)（territorial-ASL，t-ASL）、四維動(dòng)脈自選標(biāo)記MRI血管成像技術(shù)、時(shí)間編碼動(dòng)脈自旋標(biāo)記、指紋動(dòng)脈自選標(biāo)記等［33］，這些新技術(shù)的發(fā)展將拓寬ASL的臨床應(yīng)用范圍。其中，t-ASL已應(yīng)用于監(jiān)測(cè)腦血流分布及變異、判斷腦腫瘤的供血?jiǎng)用}等［34］。

總之，ASL技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅猛，臨床應(yīng)用日益廣泛。相信在不久的將來(lái)，ASL將帶給我們更多的驚喜并創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。