动脉自旋标记技术的原理及其在缺血性脑卒中诊断中的应用

闫　蕾，王效春，张　辉，谭　艳，秦江波，张　磊，吴晓峰

动脉自旋标记技术的原理及其在缺血性脑卒中诊断中的应用

闫蕾1，王效春2，张辉2，谭艳2，秦江波2，张磊2，吴晓峰2

1.山西医科大学(太原 030001)；2.山西医科大学第一医院

关键词：缺血性脑卒中；动脉自旋标记；磁共振成像；灌注成像

脑组织的血流灌注对于脑的正常代谢具有至关重要的作用，血管闭塞或血栓形成时，氧输送量下降，脑组织处于低灌注状态，由于脑组织对缺血缺氧耐受性差，因此就会发生缺血性脑卒中，在出现临床症状的同时，也伴随着一定的影像学异常表现。近年来，随着脑灌注成像检查的逐步发展应用，通过灌注评价卒中前一段时间的脑血流和脑功能情况，对临床上预防诊断和治疗脑卒中有着深远的影响。动态磁敏感对比增强(dynamic susceptibility weighted contrast enhanced，DSC)灌注成像，血氧水平依赖对比脑功能成像(blood oxygen level dependent fMRI，Bold-fMRI)和动脉自旋标记法成像(arterial spin labeling，ASL)是目前了解颅内血供情况的3种主要的磁共振灌注方法，其中DSC需要静脉注入顺磁性对比剂，具有一定的创伤性，Bold-fMRI主要用于脑功能成像[1]，相比较而言，ASL利用动脉血中的水分子作为内源性示踪剂，该技术可重复性高，无需注射对比剂，属于非侵入性检查，因此该技术对临床诊断及治疗有重要的参考价值，发展前景极为广阔。现就ASL技术对缺血性脑卒中的原理及其应用价值综述如下。

1ASL技术原理

ASL技术是利用自体动脉血中的水分子作为内源性示踪剂，在成像平面近端对动脉血中的水分子进行反转脉冲标记，自旋弛豫状态改变后的水质子经过一段时间后对组织进行灌注，并在成像层面与组织中没有标记过的水质子进行交换，引起局部组织纵向弛豫时间T1发生改变，这时采集到的图像即为标记图像(tag image)，它的信号强度与成像区域的血流有关。在成像参数相同的情况下，没有标记过的同一层面的图像称为对照图像(control image)，将对照图像与标记图像进行减影得到灌注图像，灌注程度越高，图像的信号强度就越强，这种技术既可以显示相应缺血部位的灌注降低或缺损，也能够测出相应部位的局部脑血流量(regional cerebral blood flow，rCBF)值[2]。由于多种参数例如血液流速、血液传递延迟、血液和组织的T1值等的不同、血管内信号的不确定性，与组织信号相比而言，标记图像与对比图像的信号差异通常很小，因此一般要在多次采集之后对采集到的信号进行均衡理(signal averaging)[3]。总之，ASL技术实际上属于一种示踪减影技术，其使用的内源性示踪剂的半衰期通常只有1 s左右，因此ASL技术反映的主要是水质子进入组织的速率。

2ASL分类

动脉自旋标记技术根据标记方法的不同分为连续动脉自旋标记(continuous arterial spin labeling，CASL)和脉冲动脉自旋标记(pulsed arterial spin labeling，PASL)。CASL技术是最早的ASL方法，主要由Detre等[4]于1992年提出，该技术使用连续的低强度射频脉冲对动脉血流过层面进行标记反转，采集范围内各层面的信号基本均衡；PASL则采用的是短射频脉冲，对一段距离内的水质子进行双曲线正交脉冲反转，Luh等[5]引入QUIPSS(quantitative imaging of perfusion using a single subtraction)和QUIPSSⅡ，并对QUIPSSⅡ进行改良，提出了Q2TIPS(QUIPSSⅡ with thin-slice TI1 periodic saturation)，使多层采集得以实现。这两种方法中CASL主要的优势是信噪比高，理想状态下可达2.718[6-7]，但其对过渡时间敏感，并且在1.5T以上的高场强MRI扫描时，CASL的成像参数选择就会受到一定的限制；PASL对硬件需要少，获取时间短，其标记效能也明显高于CASL，但是覆盖面相对较小。在这两种方法的基础上，吴冰等[8]提出了伪连续动脉自旋标记技术(pulsed continuous ASL methods，pASL)，它很巧妙地结合了CASL和PASL的优点，不仅提高了信噪比，标记效能也得到了提升，有研究表明，pASL技术的信噪比在PASL基础上提高了约50%，同时，标记效能在CASL的基础上提高了约12%[4]。近年来，为了更好地克服平面回波成像所带来的运动伪影和磁敏感效应，在常规的ASL基础上又衍生出了3D-ASL技术，该技术采用了快速自旋回波的螺旋K空间(spiral K)采集技术，具有更高的保真度以及稳定性，成像范围覆盖全脑[9]，影像质量也有很大程度的提高。

3ASL在缺血性脑卒中诊断中的应用

灌注技术由于能够反映脑组织的血流情况，因此最常应用于对缺血性脑卒中的评价，自从发现ASL技术可以反映组织灌注情况以来，它就被应用于脑血管病方面的动物试验和临床研究。

在对存在一过性大脑中动脉闭塞的大鼠模型进行研究后，Calamante等[10]认为ASL可用来显示动物脑脑缺血后血流的低灌注情况，该技术同样能够作为缺血-再灌注的进程及脑梗死的治疗效果的一种监测手段。通过对脑血管狭窄和脑血管意外病人脑血流量的评价；Detre等[11，12]利用CASL技术发现了某一血管分布区的低灌注，因此他们提出对于脑血管病病人，ASL技术可以为其提供高质量的CBF图。以上研究为利用ASL技术评价脑组织的灌注情况提供了最初的依据。

在对比了ASL技术和DSC技术所得到的CBF图后，有学者[13]发现二者对于急性缺血性脑卒中病人的血流灌注异常区域的划定基本一致；Zaharchuk等[14]收集51例急性脑梗死病人，应用1.5T磁共振对上述病人分别采集ASL-DWI和PWI-DWI图像，对二者显示的失匹配区进行对比研究后，发现上述两种方法具有较高的一致性(κ=0.92；95%CI：0.80～1.00)。在对16例脑动脉闭塞的脑梗死病人同时应用ASL和PET两种检查方法后，Kamano等[15]经一致性检验，κ=0.520。以上的研究结果表明，对于急性脑梗死的诊断，ASL方法与传统的灌注方法具有较高的一致性，把ASL技术和MR常规检查序列结合起来，能够最大限度地提高急性期脑梗死的诊断率，并能够对急性脑梗死的治疗和预后做出更加全面而准确的评估。

另有研究发现，短暂性脑缺血发作(TIA)病人3个月内发生脑梗死的几率约为11%，及早的发现与治疗成显得尤为重要。陈耿等[16]收集了60例缺血性脑卒中病人，分别使用DWI和ASL进行诊断，结果发现DWI对于处于急性期和亚急性期的脑卒中具有100%的检出率，但却不能诊断出短暂性脑缺血发作，而ASL在100%检测出急性期和亚急性期脑梗死的基础上，对于TIA有着70%的检出率，因此他们认为两种方法的联合使用有助于早期检出TIA。

以上众多研究均表明，ASL技术与传统的灌注技术具有较高的一致性，相对于传统的MRI检查序列，ASL不仅能检出急性脑梗死，对于TIA亦有着重要的诊断价值。

4ASL技术的不足及展望

ASL由于信噪比较低，对运动的敏感度高，空间分辨率及时间分辨率低，这些都能使ASL灌注测量出现偏差。脑血管病病人通常血流量较低，部分病人容易焦躁不安而不配合扫描，这些无疑都增加了检查的难度。当脑缺血区域周围有丰富的侧支循环形成时，侧支循环的血液到达梗死区的时间就会延长，使得CBF量化降低，甚至在正常CBF区采集不到信号，这使得缺血性脑卒中的ASL成像技术变得更为复杂。近年来随着高磁场磁共振设备的不断出现和使用，ASL技术更是得到了大力改进，新的序列及改良技术不断被提出，如血管编码动脉自旋标记技术、流速选择性动脉自旋标记技术等，这些新技术的潜在应用领域在不断地被开发[17]，其在缺血性卒中方面的研究也将有着更加广阔的发展，应用前景十分可观。

参考文献：

[1]Fernandez-Seara MA，Wang J，Wang Z.Imaging mesial temporal lobe activation during scene encoding：comparison of fMRI using BOLD and arterial spin labeling[J].Hum Brain Mapp，2007，28(12)：1391-1400.

[2]Lewandowski C，Barsan W.Treatment of acute ischemic stroke[J].Ann Emerg Med，2001，37(2)：202-216.

[3]Wolf Ronald L，Detre John A.Clinical neuroimaging using arterial spin-labeled perfusion magnetic resonance imaging[J].Neurotherapeutics，2007，4(3)：346-359.

[4]Wu WC，Fernández-Seara M，Detre JA，et al.A theoretical and experimental investigation of the tagging efficiency of pseudocontinuous arterial spin labeling [J].Magn Reson Med，2007，58：1020-1027.

[5]Luh WM，Wong EC，Bandettini PA，et al.QUIPSS Ⅱ with thin-slice TI1 periodic saturation：a method for improving accuracy of quantitative perfusion imaging using pulsed arterial spin labeling[J].Magn Reson Med，1999，41(6)：1246-1254.

[6]Paiva Fernando F，Alberto T，Silva Afonso C.Measurement of cerebral perfusion territories using arterial spin labelling[J].NMR Biomed，2007，20(7)：633-642.

[7]Robson PM，Dai W，Shankaranarayanan A，et al.Time -resolved vessel-selective digital subtraction MR angiography of the cerebral vasculature with arterial spin labeling [J].Radiology，2010，257：507-515.

[8]吴冰，王晶，郭佳，等.血管编码动脉自旋标记MR脑灌注成像初步研究[J].中华放射学杂志，2008，42(11)：1151-1154.

[9]Chugh BP，Bishop J，Zhou YQ，et al.Robust method for 3D arterialspin labeling in mice[J].Magn Reson Med，2012，68：98-106.

[10]Calamante F，Thomas DL，Pell GS，et al.Measuring cerebral blood flow using magnetic resonance imaging techniques[J].J Cereb Blood Flow Metab，1999，19(7)：701-735.

[11]Detre JA，Alsop DC，Vives LR，et al.Noninvasive MRI evaluation of cerebral blood flow in cerebrovascular disease[J].Neurology，1998，50(3)：633-641.

[12]Detre JA，Samuels OB，Alsop DC，et al.Noninvasive magnetic resonance imaging evaluation of cerebral blood flow with acetazolamide challenge in patients with cerebrovascular stenosis[J].J Magn Reson Imaging，1999，10(5)：870-875.

[13]Wang DJ，Alger JR，Qiao JX，et al.The value of arterial spin-labeled perfusion imaging in acute ischemic stroke：comparison with dynamic susceptibility contrast-enhanced MRI[J].Stroke，2012，43(4)：1018-1024.

[14]Zaharchuk Greg，EI Mogy Ibraheem S，Fischbein Nancy J，et al.Comparison of arterial spin labeling and bolus perfusion-weighted imaging for detecting mismatch in acute stroke[J].Stroke，2012，43(7)：1843-1848.

[15]Kamano H，Yoshiura T，Hiwatashi A，et al.Arterial spin labeling in patients with chronic cerebral artery steno-occlusive disease：correlation with (15)O-PET[J].Acta Radiol，2013，54(1)：99-106.

[16]陈耿，宦怡，徐俊卿，等.MR扩散加权成像与动脉自旋标记在缺血性脑血管急性诊断中的临床应用[J].实用放射学，2010，26(8)：1100-1103.

[17]罗海龙，黄力.动脉自旋标记的新进展及其在缺血性脑血管病的应用[J].国际医学放射学杂志，2014，37：58-62.

(本文编辑郭怀印)

通讯作者：王效春，E-mail：2010xiaochun@163.com

中图分类号：R743R255.2

文献标识码：B

doi：10．3969/j．issn．1672-1349．2016．02．038

文章编号：1672-1349(2016)02-0213-02

(收稿日期：2015-08-27)