血管選擇性動脈自旋標記在顱腦疾病中的應用進展*

李晨, 周智鵬

桂林醫(yī)學院附屬醫(yī)院放射科(廣西桂林 541000)

磁共振腦灌注成像對于多種顱腦疾病的應用非常廣泛,其對于顱腦疾病的發(fā)生、發(fā)展、診斷治療、預后評估具有重要意義。目前,常用腦灌注成像需要外源性的示蹤劑(如一些順磁性的對比劑)通過注入靜脈血流中,追蹤其在腦組織中的蓄積且只能得到全腦的灌注分布圖。動脈自旋標記(arterial spin labeling,ASL)技術,是一種新興的無創(chuàng)性磁共振灌注成像技術。ASL腦灌注成像使用的是內源性的示蹤劑,即動脈血中的氫質子,不需要注入對比劑即能得到腦灌注成像,其衍生技術t-ASL則可標記某支血管并得到其灌注區(qū)域圖像。且同時具有無創(chuàng)性、無輻射、禁忌證少等優(yōu)勢,近年來在顱腦疾病中得到了廣泛的關注及迅速的發(fā)展。

1 ASL灌注技術原理

ASL技術通過射頻脈沖對血液中的水分子進行激發(fā),對其進行選擇性“標記”,使“水分子”成為內源性對比劑。經(jīng)過一定的時間后,被“標記”的血液進入腦組織,此時采集腦內的“標記血液”就能得到標記像。同時也要在同一范圍內采集不施加脈沖的腦組織圖像,作為對照像。將標記像與對照像進行剪影,除去腦組織信號,就能得到流入標記動脈與未標記動脈的血液信號之差[1]。ASL潛在概念相對簡單:從概念上講,它非常類似于示蹤劑注射灌注測量(例如,團注跟蹤核磁共振、放射自顯影、PET等)。不同的是,示蹤劑不是向血液中注入示蹤劑并跟蹤其在組織中的積聚,而是由動脈本身中的水分子組成。這種示蹤劑是通過反轉動脈中血液的磁化來產(chǎn)生的,動脈為感興趣的器官提供一連串的射頻脈沖。當這種“標記的”血液流入組織時,它會降低組織中的可用磁化強度。因此,在標簽位置下游收集的圖像看起來稍微暗一些。通過從一組對照圖像中減去標記圖像,我們可以計算自標記周期開始以來進入器官的血量[2-3]。

ASL分主要分為3種:連續(xù)式動脈自旋標記(continuous arterial spin labeling,CASL)、脈沖式動脈自旋標記(pulsed arterial spin-labelling,PASL)、和偽連續(xù)動脈自旋標記(pseudo-continuous arterial spin labeling,p-CASL)[4]。在PASL,通過應用單個反轉脈沖,例如,通過在頸部的主要腦供血動脈上放置厚的反轉板,大量的血液被立即反轉。相反,在CASL,薄標記平面用于在標記期間使用恒定的流動方向梯度和恒定的射頻應用來連續(xù)反轉流動的血液自旋,這使得該方法對掃描儀硬件的要求更高,并且與PASL相比提高了吸收率。這兩種方法的結合運用就是偽(或脈沖)連續(xù)動脈自旋標記(p-CASL)[5]。而這兩種方法的組合是偽(或脈沖)連續(xù)動脈自旋標記(p-CASL)。盡管方法不同,但所有方法都有一個共同點,即在圖像采集開始之前,反轉的血液旋轉必須有足夠的時間到達組織的毛細血管床。這被稱為貼標后延遲(PLD)時間[6]。

2 t-ASL灌注技術原理

t-ASL則是在ASL基礎上通過特殊的方法對單支血管選擇性進行標記,以得到不同供血血管的灌注區(qū)域分布圖像,是在CASL、PASL、p-CASL成像技術基礎上發(fā)展起來的[7]。血管選擇性標記通常在射頻脈沖之間使用額外的平面梯度信號(垂直于切片選擇性梯度),并跟蹤下一個射頻脈沖目標位置的累積相位。目前常用的t-ASL多是在p-CASL技術的基礎上進行衍生擴展,目前應用較廣的則是血管編碼動脈自旋標記和超選擇性動脈自旋標記。血管編碼動脈自旋標記(vessel encoded ASL,VE-ASL)基本原理是在偽連續(xù)動脈自旋標記脈沖序列基礎上施加一個橫向梯度,用以調節(jié)相位,實現(xiàn)了分別顯示某支血管的目的,進而能夠顯示標記血管的灌注情況[8-9]。超選擇性動脈自旋標記(selective arterial spin labeling,SASL)通過改變垂直于流動方向的橫向梯度的梯度矩,可以使標記焦點適應所選動脈的管腔,其主要范圍主要包括腦供血動脈,甚至是Willis環(huán)遠端的小分支。表明可以標記各種血管中的血液,例如顱內-顱外旁路或動靜脈畸形(AVM)[10]。與其他選擇性p-CASL技術相比,超選擇性p-CASL在兩個方向上修改了標記效率,從而創(chuàng)建了一個圓形標記點。通過改變橫向梯度的零矩,可以調節(jié)標記焦點的大小,因此能夠適應特定的血管結構,即彼此靠近的血管。該方法的技術可行性已經(jīng)確立,但臨床可用性和益處仍需證明。這項研究證明超選擇性p-CASL在臨床環(huán)境中的實用性。其目的是獲得有關有助于診斷的特定腦動脈血流分布的詳細信息[11]。

3 t-ASL灌注技術的優(yōu)勢

到目前為止,臨床可用的灌注成像技術可以同時獲得所有腦供血動脈的灌注圖。對于單根動脈的選擇性評估,動脈內數(shù)字減影血管造影(DSA)被認為是金標準,因為它能夠通過選擇性和超選擇性插管進行單動脈成像。然而,DSA是侵入性的,需要接受電離輻射,在使用之前必須有明確的適應證。此外,DSA通常比MRI需要更多的時間和精力。它的采集通常僅限于2D投影圖像,不能反映血管的灌注情況。此外,由于對比劑的注射是手動或通過高壓自動注射器進行的,因此使用DSA可能會改變血流分布,而導致血流動力學的改變[7]。技術上的問題也會出現(xiàn)在血管高度彎曲的患者身上,這可能會阻止血管造影導管進入。Chng等[12]通過比較t-ASL技術和MR血管造影(MRA)技術聯(lián)合與DSA技術對側支循環(huán)的評估,得出結論:MRA與t-ASL聯(lián)合檢查的診斷質量與DSA相當。t-ASL提供的側支循環(huán)信息與DSA類似。MRA和t-ASL都不涉及電離輻射或注射外源性對比劑,可在同一檢查中與其他常規(guī)MR成像結合。結合這些技術的聯(lián)合可以極大地提高我們對側支循環(huán)的了解,并有可能在腦血管病患者的臨床評估中補充或取代DSA。

CBF值是反映腦血流改變穩(wěn)定與否的重要指標,ASL技術除了提供CBF外,其重要參數(shù)——PLD時間的不同也會影響腦血流量改變的判斷及其灌注評估。數(shù)個學者提供研究指出兩個甚至數(shù)個PLD時間的ASL圖像除了能夠定量分析CBF,還可以通過后處理技術得到動脈通過時間圖,這兩個重要指標的聯(lián)合分析將更好地反映腦血流動力學的改變[13-14]。不同于ASL技術等大部分腦灌注技術呈現(xiàn)的是顱腦整體的灌注圖像,t-ASL能夠只顯示某一支血管所供應區(qū)域的灌注圖像,這給臨床評估腦缺血疾病尤其是腦缺血側支循環(huán)的形成提供了新的可能[9]。

4 t-ASL臨床應用

4.1 缺血性腦血管疾病 導致人類死亡的三大疾病分別是心臟病、惡性腫瘤以及腦血管疾病,其中腦缺血性疾病在腦血管疾病中的發(fā)生率高達70%[15]。急性缺血性腦血管病,是嚴重威脅我國人民身體健康的重大疾病,致殘率及病死率極高。在急性缺血性腦血管病的治療中,如果只依靠時間窗或臨床表現(xiàn)來評估患者基本情況和制定治療方案并不全面,這時影像學就能夠為患者的血流灌注情況以及血管情況提供至關重要的影像學信息[16]。隨著科技的發(fā)展,ASL在缺血性腦血管疾病的作用日益增加,主要用于檢測腦梗死,觀察具有潛在腦梗死高危因素的患者腦內血流灌注的改變以及評價腦內血管的側支循環(huán)。Okell等[17]對29例在癥狀出現(xiàn)后18 h內出現(xiàn)急性缺血性卒中的患者進行多個PLD時間的血管編碼的偽連續(xù)動脈自旋標記(VE-PCASL)序列采集,發(fā)現(xiàn)多個PLD時間的VE-PCASL采集為量化急性卒中患者的側支灌注和血液到達延遲及其與組織存活的關系提供了可能。Hartkamp等[18]通過檢查卒中患者梗死部位和Willis環(huán)的形態(tài)來確定責任動脈,并用t-ASL灌注MRI評估腦供血動脈的腦灌注范圍。研究表明,試圖使用腦組織供血動脈來區(qū)分分水嶺梗死和區(qū)域性梗死時,傳統(tǒng)的灌注區(qū)域圖并不可靠。這意味著,在大部分擁有頸動脈狹窄或者是頸動脈閉塞的中風患者中,通過傳統(tǒng)的磁共振成像評估,是很難區(qū)分血栓栓塞和梗死灶的低灌注來源,但t-ASL技術可以為有癥狀的腦供血動脈的分類提供重要的補充信息。

t-ASL灌注成像技術還能用于評估腦卒中有頸動脈狹窄的患者手術前后病變部位的血管再通情況及灌注狀態(tài),以便更好地判斷預后。Wang等[19]對47例大腦中動脈(MCA)梗死患者在再通前后均接受MR檢查,獲得3D-pcASL和t-ASL腦血流(CBF)圖,并評估相應的Alberta卒中操作早期急性卒中分級評分(ASPECTS評分)。結果顯示,再通后t-ASL所顯示的患側和對側之間的絕對CBF值顯著高于手術前,因此,t-ASL可以確定負責血管灌注區(qū)的低灌注并預測臨床結果。Yamamoto等[20]發(fā)現(xiàn)可以通過t-ASL評估狹窄的頸內動脈在血運重建前后的灌注范圍來檢測頸動脈狹窄患者腦灌注的異常和變化。t-ASL技術可以明確顯示頸動脈內膜剝脫術(CEA)和頸動脈支架植入術(CAS)所引起的有狹窄的頸內動脈灌注量的增加情況,從而使左右頸內動脈的灌注量趨于平衡。術前灌注量減少的患者往往比灌注量在正常范圍內的患者更明顯地增加。這種灌注量的增加抵消了頸動脈狹窄手術矯正后由于頸內動脈(ICA)流量增加而導致的CBF的顯著增加。然而,在一些灌注容量減少的患者中,灌注容量僅有輕微增加,而ICA流量明顯增加,導致CBF大幅增加,甚至過度灌注。這些發(fā)現(xiàn)提示,灌注容量增加和ICA流量增加之間的不平衡可能在導致術后CBF異常增加或過度灌注的病理生理學中起重要作用。在預測CEA/CAS術后可能發(fā)生大的高灌注綜合征方面,t-ASL技術也具有重要的參考價值。徐慧敏[21]對30例頸動脈狹窄并擬行頸動脈內膜切除術的患者在術前及術后均進行t-ASL掃描,并對比前后腦血流量圖及腦供血分布圖。得出結論:(1)術后在患側及對側的CBF值均上的基礎上,患側的CBF 值升高大于健側;(2)CEA術后雙側頸內動脈供血區(qū)及椎-基底動脈供血區(qū)的灌注體積(PV)明顯升高;(3)CEA術后發(fā)生高灌注患者的術前PV顯著低于非高灌注組,術后兩組PV之間未見明顯差異。由此可見,t-ASL作為一項新興的腦灌注成像技術,既可以用于頸動脈內膜切除術術前風險預測,又可以用于術后的療效評估。

4.2 t-ASL在腦腫瘤中的應用 t-ASL技術還可用于判斷腦腫瘤的主要滋養(yǎng)血管,從而為臨床的手術醫(yī)生提供更多腦腫瘤的信息。腦膜瘤是最常見的良性顱內腫瘤,占中樞神經(jīng)系統(tǒng)原發(fā)腫瘤的13%～26%。一般稱為血供充足的腫瘤,大多由頸外動脈(ECA)分支供應,也有部分由ICA分支供應。手術是治療有癥狀的大腦膜瘤(直徑超過3 cm)的首選方法。數(shù)字減影血管造影(DSA)是目前評估腦膜瘤血液供給來源的金標準,但由于其費用高昂、有創(chuàng)性、對比劑造成的腎毒性等多因素使血管造影技術在臨床上的使用受到一定限制。CTA雖然能夠同時反映顱腦組織及顱骨的骨質情況,但卻不能反映因腫瘤而改變的血流動力學信息。Lu等[22]通過研究提出t-ASL與3D-TOF-MRA聯(lián)合能夠更好識別腦膜瘤的主要供血動脈。而王猛等[23]的研究表明將t-ASL與3D-ASL聯(lián)合運用能提高識別腦膜瘤供血來源的準確性,給臨床醫(yī)生進行手術方案的制訂及評估預后提供了重要的參考;除此之外,在判定腦膜瘤血供來源的一致性上,聯(lián)合ASL技術判定比單獨用t-ASL或3D-TOF-MRA都要高。兩者都通過t-ASL與其他技術的聯(lián)合應用,對腦膜瘤供血血管進行的深入研究,并應用于臨床實踐。

顱內腦膜瘤的切除術可以通過術前栓塞來減少出血并發(fā)癥。一般情況下通常通過DSA獲得頸內和頸外動脈分支供血的詳細信息,以防止非靶點栓塞,并有助于術前計劃。Jensen-Kondering等[10]通過探討超選擇性動脈自旋標記(SASL)替代DSA的可能性。提示超選擇性ASL可半定量描述顱內腦膜瘤的血供。對于可能從DSA和栓塞中獲益的患者,它可以作為一種篩查方法。

4.3 在腦部疾病中的其他潛在應用 煙霧病(Moyamoya disease)是一種慢性進行性腦血管病,以其主要特征是兩側頸內動脈末端及其主要分支血管進行性的狹窄和閉塞,并伴有廣泛的側支血管生成[24]。包括異常的煙霧血管,來自Willis環(huán)的側支,來自大腦后動脈的軟腦膜側支,以及來自眼動脈和頸外動脈(ECA)系統(tǒng)的跨硬腦膜側支[25]。成人煙霧病(MMD)的首選治療方法是手術血管重建術,將大腦的血管供應從缺血的ICA系統(tǒng)轉換為ECA系統(tǒng)。劉興炬[26]通過研究指出VE-ASL可以更直接地評估煙霧病搭橋手術的術前術后情況,為可能存在高灌注綜合征的患者在術前及術后提供更多更有效的血流動力學信息。Gao等[27]為了探討MMD術前單側ICA、ECA和雙側椎動脈(VAS)供血的腦內灌注和灌注范圍,進一步明確成人MMD術前出血的危險因素,聯(lián)合t-ASL和3D-TOF-MRA技術表明t-ASL能以無創(chuàng)、直觀、無放射性、平掃的方式全面顯示MMD腦血流灌注,顯示單側ICA、ECA引起的灌注區(qū)域移位,3D-TOF-MRA可根據(jù)負責血流的動脈對t-ASL灌注區(qū)域移位進行細分。次級側支的灌注區(qū)域移位是MMD患者術前出血的潛在獨立危險因素。由此可見t-ASL和3D-TOF-MRA相結合的方法在MMD的評估、管理和手術策略規(guī)劃中是一種可行的工具。Yuan等[28]通過對30例實施單側顳淺動脈至大腦中動脈搭橋術治療煙霧病的患者進行術前、術后,雙側頸內動脈、雙側頸外動脈和基底動脈的灌注檢查,并用t-ASL與CT血管造影進行比較。得出t-ASL可直接顯示血運重建所獲得的血運重建面積(RA)及術后腦主要動脈灌注范圍的改變。Hwang等[29]對診斷為煙霧病的患者在手術前后進行DSA和SS-ASL檢查,使用DSA作為參考,評估了接受術前和術后SS-ASL研究的亞組中灌注狀態(tài)的變化,結果顯示SS-ASL的敏感度為92%。由此可見,t-ASL技術是煙霧病患者術后評估的一項有發(fā)展前景的技術。

5 展望

5.1 t-ASL灌注技術的不足 首先t-ASL技術的成像原理復雜、掃描時間長、掃描設備及技術要求高,因此部分區(qū)域及醫(yī)院無法達到相應的設備要求。同時,操作者需要擁有豐富的經(jīng)驗以免發(fā)生掃描上的失誤。其次,t-ASL技術在標記和成像之間存在延遲時間,一般來說,對于健康志愿者來說,這一延遲時間足以將標記血液充分輸送到大腦,然而,隨著主要供血動脈的嚴重阻塞和軟腦膜側支循環(huán)的延遲灌流,標記血液到達大腦的時間可能會增加。這可能會導致對血流范圍或灌注量的低估,而較長的傳輸時間也限制了我們測量白質血流的適用性。最后掃描時需要患者高度配合,因此臨床應用上仍受到不同程度的限制,急性起病的患者或無法配合磁共振掃描的患者并不適用于本技術。

5.2 t-ASL灌注技術的發(fā)展 t-ASL灌注技術可以監(jiān)測腦供血血管的灌注面積,具有無創(chuàng)性,無需注射對比劑的優(yōu)勢,同時還可以分別顯示椎動脈、基底動脈灌注面積和單側椎動脈腦內供血面積、大腦Willis環(huán)及其各及分支血管區(qū)域甚至是腦內的小血管所供應的灌注區(qū)。與MRA相比,t-ASL灌注技術對于評估遠端側支循環(huán)血流具有優(yōu)勢。與其他灌注技術相比,選擇性灌注圖顯示了3條主要供血血管的血運范圍,便于更直觀地顯示責任血管嚴重狹窄或閉塞區(qū)域的灌注情況。

隨著技術的不斷改進,t-ASL技術有望實現(xiàn)不同的延遲時間的掃描,并對CBF、CBV等進行可視化測量;同時在掃描時間方面能夠在保證圖像質量的前提下縮短掃描時間,為臨床診治爭取時間,實現(xiàn)對急性腦缺血疾病的精確評估。此外,因其可以對單根血管灌注情況的顯示,區(qū)別與傳統(tǒng)PWI及3D-ASL對整體腦血流灌注情況的顯示,在替代PWI及3D-ASL等技術具有一定的優(yōu)勢。

利益相關聲明：論文的全部作者聲明,在課題研究和論文撰 寫過程中不存在利益沖突。

作者貢獻說明：論文構思為李晨和周智鵬,李晨進行相關檢索與篩選,李晨撰寫論文,周智鵬審校論文。