姜曼，李傳富

（1.安徽中醫(yī)藥大學研究生部，安徽 合肥 230038；2.安徽中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院影像中心，安徽 合肥 230031）

動脈自旋標記技術(shù)在顱腦疾病診斷及功能研究中的應用進展

姜曼1，李傳富2

（1.安徽中醫(yī)藥大學研究生部，安徽 合肥 230038；2.安徽中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院影像中心，安徽 合肥 230031）

動脈自旋標記技術(shù)（arterial spin labeling imaging，ASL）是一種非侵入性MRI灌注成像技術(shù)。它利用反轉(zhuǎn)脈沖序列標記上游動脈中的水質(zhì)子，將下游獲得的標記像與沒有標記的控制像減影獲得器官的血流量圖。ASL在顱腦疾病診斷及腦功能成像研究等方面具有重要價值，本文將其基本原理、檢查方法及其應用作一綜述。

動脈自旋標記；腦血流量；磁共振腦功能成像

動脈自旋標記成像（arterial spin labeling imaging，ASL）是MRI灌注成像中的一種［1］。灌注是指血液-毛細血管床氧和養(yǎng)分及代謝物交換的過程［2］，組織器官正常代謝及功能維持有賴于充足的血液灌注。灌注不僅是組織行使正常生物學功能的保證，也是腫瘤及病變生長的基礎(chǔ)，通過研究組織或病變的灌注，可獲得組織或病變活性、功能及代謝狀態(tài)等方面的信息［3］。臨床常用腦灌注成像技術(shù)包括PWI、PET、SPECT、動態(tài)增強CT灌注（dynamic enhanced CT perfusion，DE-CTP），但均需注射對比劑或放射性示蹤劑，其中多數(shù)存在輻射損傷［4］，一般不適用于兒童、年老體弱者和長期需要重復測量的患者。與這些常規(guī)的灌注技術(shù)相比，ASL圖像SNR和分辨力相對較低，但隨著技術(shù)的不斷完善，ASL因其無創(chuàng)、定量及可重復等優(yōu)點逐步成為研究人體血流動力學基礎(chǔ)的重要方法［4］。

1 ASL基本原理和方法

1.1 基本原理ASL利用動脈血中的水質(zhì)子作為內(nèi)源性示蹤劑，利用反轉(zhuǎn)恢復脈沖序列標記水質(zhì)子。標記過的水質(zhì)子隨血液流入成像平面后，與組織中未標記的水質(zhì)子混合，引起局部組織縱向弛豫時間T1發(fā)生變化，從而產(chǎn)生標記圖像。將所得圖像與未標記圖像減影即得到灌注圖像［5-6］：在進行掃描的過程中，標記像與控制像（未標記像）交替采集，兩者的信號差異與腦組織的灌注成正比，最后獲得灌注圖，即腦血流量（cerebral blood flow，CBF）圖［6-7］。

1.2 不同質(zhì)子標記方法根據(jù)ASL技術(shù)質(zhì)子標記方式的不同，一般分為連續(xù)法（continuous-ASL，CASL）和脈沖法（pulsed-ASL，PASL），CASL采用快速反轉(zhuǎn)脈沖進行標記，能夠得到高SNR的圖像且能全腦成像，但MRI機器硬件不能滿足CASL所需長時間脈沖的要求［8］，且功率沉積大，易產(chǎn)生磁化轉(zhuǎn)移效應，故臨床應用較少。PASL使用多個短脈沖進行標記，常規(guī)設(shè)備即可應用，標記效率高且基本無磁化轉(zhuǎn)移效應，但SNR低，覆蓋范圍小。偽連續(xù)法（pseudo-CASL，pCASL）集CASL、PASL優(yōu)勢，很好地平衡了SNR和標記效率，采用一系列離散射頻脈沖進行標記，且對血液流速變化和血管幾何結(jié)構(gòu)不敏感。2014年的國際MRI學會（ISMRM）已達成共識，pCASL可作為臨床ASL檢查的標記方法［9］。

傳統(tǒng)的ASL存在SNR低、分辨力低、磁敏感偽影重、掃描層數(shù)少等缺點。3D-ASL技術(shù)突破了傳統(tǒng)2D-ASL的局限，基于離散射頻脈沖實現(xiàn)高效（1.5 s內(nèi)1 000次）連續(xù)標記［4］，采用Spiral K空間中心的過采樣、更低的相位編碼及FSE讀取方式，大大提高了圖像SNR，克服了磁敏感偽影、運動偽影及圖像失真［10］，使灌注圖像更均勻，對靠近顱頂?shù)捻斎~、額葉及靠近顱底的小腦、小腦蚓部區(qū)域信號更穩(wěn)定［11］，實現(xiàn)了全腦容積灌注三維成像。

2 ASL在顱腦疾病診斷及研究中的應用

腦位于堅硬的顱骨中，靠高速率的血流給養(yǎng)。ASL技術(shù)獲得的CBF測量結(jié)果，與PET所獲得的結(jié)果高度相關(guān)，評估灌注情況的能力基本一致［12-13］。ASL對大動脈和靜脈不敏感，其信號主要來自于小血管及周圍組織血流交換。顱腦疾病與腦血流量的變化密切相關(guān)，根據(jù)腦血流量的變化情況可把腦內(nèi)常見疾病分為腦血流量減少型和腦血流量增加型［14］。腦血流量減少多見于腦缺血性疾病、腦變性疾病、腦積水、腦腫瘤治療后改變等；腦血流量增加多見于惡性腦腫瘤、高碳酸血癥等。

2.1 在腦血流量減少型疾病中的應用

2.1.1 急性腦缺血病灶急性腦缺血病灶在常規(guī)MRI的T1WI和T2WI上通常表現(xiàn)為陰性，DWI可較敏感顯示急性缺血階段，但對更早期（此時已達神經(jīng)細胞電活動功能衰竭的閾值，但形態(tài)學無改變或輕微改變）的血流灌注減少卻無法顯示，因ASL圖像信號來源于動脈和小血管，對缺血缺氧更為敏感，可顯示低灌注區(qū)的存在。一般來說，病變區(qū)域的CBF維持在正常的50%以上便可出現(xiàn)腦組織缺血，但無臨床癥狀；小于50%即可出現(xiàn)臨床癥狀；ASL技術(shù)可顯示相應部位的灌注減低并能測出CBF值。在急性腦缺血患者中，ASL具有檢出低灌注和灌注-彌散不相匹配區(qū)域的臨床作用［15］，可為臨床提供有關(guān)血流動力學損害程度的重要信息，臨床可據(jù)此選擇適當?shù)乃幬锖屯饪浦委煼桨浮?/p>

2.1.2 慢性腦缺血疾病頸內(nèi)動脈閉塞或腦血流量不足的患者有發(fā)展為腦梗死的危險。血流量的減低靠側(cè)支循環(huán)和阻力血管擴張的代償反應往往不能滿足大腦的血供需求，因此，及時、準確評估閉塞血管的嚴重程度非常重要。例如，Moyamoya病是一種慢性進行性閉塞性動脈病，影響雙側(cè)頸內(nèi)動脈末端和大腦Willis環(huán)近端分支（大腦前動脈和大腦中動脈狹窄甚至閉塞），導致顱底及軟腦膜出現(xiàn)異常血管網(wǎng)，大腦后動脈也可受累。ASL可發(fā)現(xiàn)腦血管病進展中的第一信號——CBF減少，早于腦血管造影發(fā)現(xiàn)狹窄［14］。Hartkamp等［15］發(fā)現(xiàn)ASL灌注圖像不僅可檢測到區(qū)域灌注減少，還可檢測到流動緩慢的血管團及煙霧病患者的血液流動情況。因此，ASL灌注成像可較早發(fā)現(xiàn)并確定血管疾病的嚴重程度、評估腦血管儲備以幫助制訂治療方案。

2.1.3 神經(jīng)退行性病變腦缺血缺氧性損傷引起的遲發(fā)性神經(jīng)元死亡在神經(jīng)系統(tǒng)退行性變中發(fā)揮著重要的作用。阿爾茨海默?。ˋD）是最常見伴有神經(jīng)變性的癡呆，需要一種實用、經(jīng)濟的檢查方法來幫助診斷。Takahashi等［16］通過68例AD患者的ASL和SPECT顯像檢查結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn)，ASL和SPECT對AD的診斷能力幾乎相同。且AD患者的腦灌注改變先于腦結(jié)構(gòu)改變，ASL檢查提供的灌注信息可用于針對腦灌注不足代償機制的進一步的病理和神經(jīng)心理學研究。劉穎等［17］提出ASL可發(fā)現(xiàn)AD患者腦區(qū)灌注減低區(qū)的CBF值與認知功能減低存在著相關(guān)性，CBF值可提示認知功能改變。Bangen等［18］提出ASL所提供的異常靜息態(tài)CBF和記憶編碼CBF變化可能是AD發(fā)展過程中腦功能障礙的早期指標。最新的ASL技術(shù)具有的高SNR、無外源性示蹤劑注入、能精確測量CBF值的優(yōu)點，有助于早期發(fā)現(xiàn)AD患者的認知障礙，為臨床治療提供幫助。

2.1.4 腦積水腦積水通常是由于顱腦疾病使腦脊液分泌過多或吸收障礙而致顱內(nèi)腦脊液量增加、腦室系統(tǒng)擴大和/或蛛網(wǎng)膜下腔擴大的一種病癥［19］。顱內(nèi)容物的總量之和，即腦組織、腦血流量及腦脊液量的總和保持恒定，如果其中一種成分增加必然導致另2種成分減少，當腦脊液容量增加時，必然導致腦組織和腦血流量的減少。由于腦組織容積相對恒定，且具有非彈性特征，所以可變性很小，因此只能依靠腦血流量的變化起到調(diào)節(jié)作用［20］。腦灌注改變在腦積水的病理生理機制中是否起重要作用以及是否有助于預測分流手術(shù)的預后一直存在爭議。Walter等［21］通過試驗得出，MRI灌注檢查提高了對腦積水患者分流術(shù)后預后情況的預測，并為研究腦積水的病理生理機制提供了新視角。Yeom等［22］通過ASL發(fā)現(xiàn)失代償性腦積水腦區(qū)CBF較健康對照組減少，而梗阻性腦積水緩解后可見CBF增加，因此ASL檢測作為一個潛在的無創(chuàng)方法可隨訪顱內(nèi)壓的變化，有可能成為未來神經(jīng)外科評估腦積水的一個重要指標。

2.1.5 惡性腫瘤放療后惡性腦腫瘤是危害人類健康的常見疾病，發(fā)病率及死亡率均較高。放射治療是治療惡性腦腫瘤的重要輔助手段。正確鑒別放療后腫瘤復發(fā)和放射性損害是臨床關(guān)心的重要問題。Yamamoto等［23］利用ASL技術(shù)評估髓外腫瘤患者放療前后的效果，腦膜瘤放療后腫瘤最大血流量較前減少，且治療前后腫瘤體積比和腫瘤血流量有很強的相關(guān)性。新生血管是惡性腫瘤復發(fā)中不可或缺的因素，ASL灌注成像能反映有無新生血管生成，放療后灌注減少而復發(fā)灌注增多。Ozsunar等［24］報道利用ASL測量腫瘤放化療前后CBF的變化，可以了解腫瘤及周圍血供情況，區(qū)分壞死與復發(fā)，間接推斷腫瘤的預后情況。

2.2 在腦血流增加類疾病中的應用

2.2.1 惡性腫瘤血管的生成在腦腫瘤發(fā)展和惡性腫瘤轉(zhuǎn)移中起著關(guān)鍵作用，因此腦血流量的測量對腦腫瘤的診斷、治療及預后非常重要。鄭國清［25］利用ASL觀測腦膠質(zhì)瘤腫瘤及其對側(cè)大腦半球的腦血流量，評價ASL對腦膠質(zhì)瘤分級的敏感性和特異性，發(fā)現(xiàn)ASL能獲得較高的敏感性和特異性；認為ASL無需注射對比劑且無創(chuàng)，可用于術(shù)前對腦膠質(zhì)瘤進行分級判斷，是膠質(zhì)瘤術(shù)前評價較好方法。因此，ASL技術(shù)不失為評估腦腫瘤的血供、膠質(zhì)瘤術(shù)前分級等的一種好方法。

2.2.2 高碳酸血癥高碳酸血癥能升高顱內(nèi)壓，增加腦水腫。但最近的研究［26］表明，在不同的病理狀態(tài)下或不同的處理條件下，高碳酸血癥也可以增加腦血流量和氧供，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有一定的保護作用。其機制可能是CO2作用于腦微血管內(nèi)皮細胞，通過一氧化氮合成酶誘導產(chǎn)生一氧化氮等而起到擴張腦血管、改善腦血流的作用，從而通過增加腦血流量和腦供氧促進氧化代謝和葡萄糖的利用，維持組織的高能磷酸儲備起到腦保護作用［27］。因此，確定高碳酸血癥的有效性和安全性的界限非常重要。Heijtel等［28］通過研究證實，在高碳酸血癥中基于ASL CBF的測量與15O-H2O PET的精準度具有很好的可比性，并可見高碳酸血癥期間腦血流量的增加，這些結(jié)果為ASL在高碳酸血癥的臨床和研究中的定量應用鋪平了道路。

3 ASL在腦功能研究方面的應用

基于BOLD的常規(guī)腦fMRI的基本原理是運用MRI快速成像的方法來檢測大腦功能區(qū)活動時其內(nèi)部血氧水平的變化，并通過它來間接地研究大腦功能。BOLD是一種經(jīng)典的成像方法，是目前臨床進行腦功能活動檢測分析的主要方法，但易受腦回淺表靜脈的影響導致遠離激活區(qū)域神經(jīng)元活動的錯誤激活［29］。ASL灌注成像幾乎是與BOLD同步發(fā)展起來的一種非侵襲性腦功能成像技術(shù)［30］。ASL信號來源于動脈和小血管，避免了靜脈的偽影［31］。與基于BOLD的fMRI相比，ASL提供了更可靠的CBF定量，可重復性和穩(wěn)定性高；其原因在于ASL的T1弛豫率較BOLD更接近血液的T1弛豫，能夠提供更為精確的神經(jīng)元活動定位［32］。

基于BOLD的fMRI在觀察腦功能的瞬時改變有優(yōu)勢，然而由于受到基線漂移的影響，在用于研究一段時間的腦功能變化則存在不足。而ASL信號來源于2個圖像之間的差異，避免了BOLD中存在的基線漂移的影響。因此，ASL與BOLD相比，可以用來反映大腦功能慢性改變［33］。Borogovac等［33］用ASL-fMRI檢測1～30 d期間給予運動-視覺刺激前后的腦血流變化，在同一任務中，腦血流變化程度在第1天與第30天差異無統(tǒng)計學意義，表明ASL-fMRI適合長期觀察腦功能的變化。

4 展望

ASL與其他灌注成像方法相比，具有非侵入性及可重復性的優(yōu)勢。盡管ASL技術(shù)本身仍然存在SNR偏低的問題，但最近的研究也提出了很多的解決方案，如Ghariq等［34］設(shè)計了一些抑制背景的方案，Schmithorst等［35］提出的雙激發(fā)全腦灌注成像、多次激發(fā)三維灌注成像等；此外，還有研究［37］表明較高場強的MRI設(shè)備可以得到較高的SNR。隨著ASL技術(shù)的不斷發(fā)展、成熟，ASL也由單純的灌注功能成像技術(shù)向代謝功能成像技術(shù)發(fā)展，與其他技術(shù)如與BOLD同步能夠為腦代謝及腦功能的研究注入新鮮的血液［36］。

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2015-06-12）

10.3969/j.issn.1672-0512.2016.02.034

國家973計劃項目（2010CB530505）；國家自然科學基金項目（81202768）；安徽省教委重大科研項目（KJ2011ZD05）；安徽省自然科學基金項目（1208085MH147）。

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