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3D-ASL在缺血性脑血管病的研究现状与进展

点击次数：  更新时间：2017/2/17 11:09:13  

三维动脉自旋标记（3D-arterial spin labeling，3D-ASL）是一种完全无创、无需对比增强的磁共振灌注技术。它利用磁化标记的动脉质子迁移到脑组织，进行三维快速成像，随后减去灌注信号得出3D-ASL的信号。3D-ASL的信号主要取决于脑血流量（Cerebral blood flow，CBF），脑和组织的T1及标记的动脉血从标记层至成像层的时间等多种因素。所以说，ASL所属的CBF图并没有真正反映真实的CBF，尤其在首先以脑血流变化为基础的缺血性脑血管病（Ischemic cerebrovascular disease，ICVD）中。本文从3D-ASL技术方面、CBF的影响因素以及在ICVD研究进展方面予以综述。

 

1.3D-ASL技术原理与相关序列

 

ASL技术利用血液中自由弥散的氢质子作为内源性示踪剂，使用相关射频脉冲，在标记层对流入的血流进行标记，被标记的血流进入感兴趣区后采集图像，由于被标记的血流进入组织并与组织中的水进行交换，组织的T1值会发生变化，将标记前后感兴趣区组织T1信号相减即可获得CBF的灌注信息。3D-ASL是在ASL基础上，使用单发射3D采集图像的采集方式，为获得更高信噪比。

 

既往二维信号采集中，每个层面的延迟时间（Post label delays，PLD）是变化的，这导致不同层面相同部位的CBF测量值存在明显差异；当进行脑灌注的三维容积采集时，采集范围内脑组织的PLD一致，因此对全脑灌注的CBF测量更准确。3D-ASL图像的获得需要两个步骤，分别是图像的标记与图像的采集。

 

1.1图像的标记

 

根据质子标记技术的不同，将ASL技术主要分为3类：①连续式动脉自旋标记（continuous ASL，cASL）：该技术能够提高信噪比及标记效率，但梯度与射频的准确性较差，受磁化转移效应的影响大，沉积在组织内的能量过高；②脉冲式动脉自旋标记（pulsed ASL，pASL），该方法虽然克服了cASL的缺点，但pASL信噪比低且扫描范围缩小；③伪连续式动脉自旋标记（pseudo continuous ASL，pCASL），是目前主要的应用序列，它聚集了两者的优点，模仿较长连续标记模式，提高了标记效率，具有较高的信噪比，能够减少能量吸收率，同时还可以减轻磁化转移效应。

 

1.2图像的采集

 

多元化的采集方式促进了ASL技术的发展。自从螺旋K空间采集技术的引用，传统采集方式中损失的信号被收集起来，降低了对运动伪影的敏感性，但同时这使得拥有更高磁化率的梯度自旋回波（Gradient and spin echo，GRASE）和稳态自由进动（Steady-state free precession，SSFP）等采集方式得到应用，更容易显示后颅窝的结构及减轻小金属带来的伪影。

 

现如今3D全脑容积覆盖成像已投入临床使用，加上如FSE-SPIRAL与类EPI（GRASE）的应用不仅可以改善图像的质量，有利于去除静态组织中的信号，与2DGRE-EPI序列相比，能提供更好的SNR及更少的磁敏感伪影。

 

2.3D-ASL参数相对CBF（rCBF）的正常人群表现特点及影响因素

 

ICVD局部脑组织血流灌注会出现异常变化。所以，明确异常脑灌注区部位、范围、程度以及演变等相关信息非常重要，而对异常灌注区进行相对准确、有效、可重复性高的测量方法是不可或缺的关键。

 

3D-ASL唯一量化的指标的CBF为多次采集信号所得到的rCBF，但目前有研究显示，rCBF受多种因素的影响。了解rCBF的影响因素，在一定程度上有助于ICVD进行更深入的研究。

 

2.1正常人的脑血流灌注特点

 

①有研究显示，健康成人全脑平均CBF值约为55mL/（min·100g）。正常人脑白灰质血流灌注存在差异，灰质微血管含量较多、血液流速较快，所产生信号较强，并且在显示病变方面，灰质较白质显示更准确。此外，脑功能区血流灌注CBF存在差异，在对全脑12个脑功能区CBF定量研究中发现：灌注多的脑功能区为初级躯体运动区、初级躯体感觉区、视觉区、运动性语言中枢区、视觉性语言中枢区及书写性语言中枢区，相对灌注较低的脑功能区为听觉区、听觉性语言中枢区。②生理性的调节导致健康成人脑存在过度灌注与低灌注的区域。过度灌注常出现在枕部与额部区域，中青年较为常见，但随着年龄增长和心血管风险因素增加，过度灌注不常发生，低灌注区域常发生在额部枕角至顶枕叶皮质。③头部的位置。仰头位、正中位及低头位扫描，对脑后循环区域和半卵圆中心白质部位CBF测量值会产生影响；后循环区域和信噪比较低的区域易受头颅位置的影响。

 

2.2rCBF的影响因素

 

PLD：血液从标记层面到采集层面之间的时间，是可调的参数之一。扫描过程缩短PLD会出现低灌注区相对扩大、低灌注程度放大的现象；延长PLD，低灌注区将会相对缩小、灌注程度缩小。

 

多PLD研究分析显示，Delay2.5比较适用于年纪较大、血管状态较差的患者，其结果更接近真实血流量；而Delay1.5更敏感，更能早期发现脑血流动力学异常，适合短暂性脑缺血发作（Transient ischemic attack，TIA）患者、血管病变不严重的患者、行血管术后的患者。尽管在不同PLD所得的CBF数值不同的，但其低灌注区域是不变的。应用多PLD会提供更多的脑血流灌注信息。

 

动脉通过时间（Aterial transit time，ATT）：ATT作为另一个参数，反映标记的血液从标记区流到成像区所需要的时间，它在不同的病理状态是不确定的。PLD与ATT关系复杂，当PLD显著低于ATT时，CBF会被低估，这是由于一部分被标记的血液在这个时间框架内还没有到达血管床，反之当PLD显著高于ATT的时候，CBF会增加。

 

目前已经有多种方法提出来测量ATT，调整ATT与PLD的关系可修正CBF的错估，实现CBF的精准测量。钆类造影剂：钆类对比剂将会缩短T1值，从而影响3DASL扫描，所以不应在3D-ASL扫描前增强注射钆对比剂，在注射对比剂后12h内勿行ASL技术。除此之外，3D-ASL定量测量CBF还受到多种因素的影响，包括脑组织和血液T1值、标记效率及毛细血管通透性，被检者体质量指数等，还需要进一步的研究。

 

3.3D-ASL技术在ICVD中的应用

 

ICVD是由于脑组织处于低灌注状态而引起的脑缺血缺氧的一类疾病，其主要原因为脑供血不足，包括TIA和脑梗死等。由于脑组织对缺血耐受性差，一旦发生缺血，短时间内即可产生不可逆的脑损伤，所以对脑组织灌注异常的早期评价显得相当重要。

 

3.13D-ASL技术在TIA的应用TIA是指由于脑动脉一过性供血不足引起的短暂发作的局灶性脑功能障碍，是急性脑梗死的预警信号。常规MRI序列对于TIA通常无阳性发现，有研究表明，DWI为阴性时3D-ASL序列可在早期发现血流灌注减低状态，提高对TIA的早期检出率。

 

TIA分为前循环TIA（颈内动脉系统）和后循环TIA（椎基底动脉系统）。

 

①颈内动脉血管狭窄是前循环TIA的主要病因，但只有侧支循环建立不充分，才会引起脑血流动力学的异常。研究表明，ASL与MRA联合应用可以对相应低灌注区的动脉血管进行评估，可提高因血管狭窄造成供血不足的病因检出，两者联合应用提高了检查的敏感性及特异性。若MRA检查中显示部分脑血管主干动脉近端重度狭窄，而ASL检查中并未出现低灌注，提示该区域存在侧支供血，则无需介入处理。反之，如果血管狭窄所影响的区域与低灌注一致，则表明该区域侧支循环未建立，存在有可能发展为梗死的低灌注组织，需要相应的积极治疗，以避免反复发生TIA或脑梗死。

 

②后循环TIA病因复杂，与椎基底动脉挛缩及血管狭窄关系密切，一旦发展成椎基底动脉血栓，其病死率可高达20%~30%。有关后循环TIA的灌注研究较少，老年患者会出现后循环区域低灌注的情况，有研究解释这与病理条件下ATT时间增加有关，此时选择较长时间的PLD，使被标记血液流入成像层面的时间接近血液的T1时间，判断是否为后循环TIA还是ASL误差所导致的低灌注。

 

如上所述，rCBF与PLD及ATT的关系密切。当ATT显著低于PLD时，标记的质子经过一定的循环时间不能到达相应的脑组织，会发生到达延迟，大量的标记质子存在于侧支血管内，形成了明显的高信号，利用这一特点，有研究发现，ASL技术可以探测烟雾病的侧支血流的存在和强度，同理，ASL技术已经成功应用于评估脑动-静脉畸形。

 

利用ASL对微血管敏感的特点，可以提供梗死周围侧支循环的信息。因此，3D-ASL技术可提供TIA患者的灌注信息，结合MRA技术探讨血管狭窄和低灌注与TIA关系，可对TIA病因诊断、治疗方案的选择、观察疗效及评价预后提供了一种新的无创检查方法。

 

3.23D-ASL技术在脑梗死中的应用

 

脑组织缺血性疾病中最多见的是脑梗死。在3D-ASL对急性（亚急性）脑梗死灶的显示中：对小面积的梗死灶，3DASL显示不敏感，这可能与病变区处于低灌注区、梗死后血管通过时间不确定有关；大面积脑梗死，有多数研究显示会存在ASL-DWI不匹配区。

 

缺血半暗带（Ischemic penumbra，IP）是发展为脑梗死必需探讨的问题，其能量代谢保存而血供受抑制，明确并恢复IP具有积极的治疗意义。有研究使用ASL-DWI不匹配区为IP，但也有研究认为其存在过度评估，因ASL反映脑缺血状态更敏感，而且ASL-DWI不匹配区除包含IP也存在良性灌注不足。但如前所述，脑血流低灌注区会受PLD及ATT的影响，所以利用ASL-DWI不匹配区来评估IP还有待进一步研究。但可以明确的是，尽管灌注范围会存在显示的变化，ASL仍然可以对大面积梗死敏感地发现低灌注区域。

 

对于慢性脑血管病患者，有初步研究表明，3D-ASL与乙酰唑胺注射或CO2联合使用，能够评价脑血管发生舒张和收缩的能力即脑血管反应性且可重复性好。动态磁敏感对比成像（Dynamic susceptibility contrast，DSC）一直以来作为灌注成像的常用手段，一些定量研究显示脑梗死低灌注区ASL-CBF值与DSC-CBF及峰值时间（TTP）在前循环的急性脑卒中患者中相关性最高，同时TTP也是DSC中多参数图像中反映缺血性脑梗死最敏感的指标，主要反映病灶区血流达峰时间延迟，所以在一定程度上ASL-CBF与DSC-TTP有更好的关联性。

 

同时也有研究表明，当rASL低于0.585，它可以以中度精准度预测CBF的减少，而当rASL减低到0.585～0.9，则可以预测MTT的延长，所以根据rASL的数值，我们可以推测DSC的灌注图。DSC也有一部分缺点如对比剂不能自由通过血脑屏障，当注射速率过高可导致对比剂外渗及钆对比剂可诱发肾源性纤维化，相比之下，对于有禁忌症的患者可采用3D-ASL技术。所以说3D-ASL在ASL-DWI不匹配区的IP还有一定局限性，对于检查受限的患者，3D-ASL一定程度上可成为代替DSC。同时对于急性脑梗死在溶栓之后，3D-ASL序列还可以及时反映缺血梗死区域的血流灌注恢复情况，发现有无血流灌注增高的区域，有利于全面评估脑组织的血流灌注信息。

 

3.33D-ASL在ICVD应用的不足

 

尽管3D-ASL在TIA和脑卒中有一定临床价值和广阔的发展前景，但也存在着许多局限性。其中最重要的即是对ATT及PLD的敏感性，如上所述，在大动脉狭窄或闭塞的情况下，rCBF图会出现过度灌注，选择较长的PLD会减轻过度灌注，但其通过时间过长，降低了图像的信噪比。还有对于动脉到达时间较长的老年患者，容易导致降低信噪比，这意味着需要增加的信号平均和随后较长的成像扫描。

 

另一种情况是，如果病人身上有即使很小的金属物质如铁片或牙科设备、支架或手术夹，经常会严重影响磁场的均匀性，动脉的标记被影响，形成与大动脉闭塞相似的影响。还有尽管有纠正运动伪影的技术存在，扫描时间较长可能会增加患者不自主运动伪影出现的概率。

 

4.总结与展望

 

综上所述，3D-ASL标记技术效率高、扫描范围广，配合三维全脑的采集方式增加了图像信噪比，降低了伪影，后处理简单，所得的CBF图可以与MRI解剖图像融合，显示异常灌注信息更加准确，相对于传统的ASL成像具有优势。此外，在3D-ASL基础上，兼具多种应用价值的改良技术不断涌现，如血管编码动脉自旋标记和流速选择动脉自旋标记等，在一定程度上拓宽了动脉自旋标记技术的应用范围。

 

3D-ASL凭借其上述诸多特点，在ICVD的临床及科研方面具有一定优势。3D-ASL联合MRA、DWI等技术不仅可以提高TIA的检出率，还可对闭塞的血管区域评估其侧支循环，评估烟雾病侧支血流及其强度，对慢性ICVD患者脑血管反应性的评价等。尽管在ICVD中还存在一定局限性，但随着相关技术及研究的发展，3D-ASL有更广阔的发展空间，并逐步体现其应用价值。

 

作者：任冬晴，边杰，大连医科大学附属第二医院放射科；何丹，辽宁省人民医院放射科

（本文转载中国临床医学影像杂志2016年第27卷第10期）