馬 進(jìn) 張 翱

3D-ASL技術(shù)的研究進(jìn)展及臨床應(yīng)用

馬 進(jìn) 張 翱*

動(dòng)脈自旋標(biāo)記（ASL）技術(shù)是一種內(nèi)源性對(duì)比劑的功能MRI（fMRI）技術(shù)，由于利用脈沖標(biāo)記的動(dòng)脈血水質(zhì)子作為內(nèi)源性對(duì)比劑，使其具備無(wú)創(chuàng)、成本低、操作簡(jiǎn)單、可重復(fù)檢查等優(yōu)點(diǎn)，有效避免了外源性對(duì)比劑所帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。3D-ASL是基于快速自旋回波（FSE）的螺旋K（spiral K）空間采集，能有效克服平面回波成像（EPI）所帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)偽影和磁敏感偽影。與常規(guī)ASL相比，其主要優(yōu)勢(shì)包括成像范圍更廣，影像質(zhì)量更好，采集速度更快，信號(hào)定位更精準(zhǔn)等，故較常規(guī)ASL應(yīng)用范圍更廣，現(xiàn)就3D-ASL技術(shù)的研究進(jìn)展及臨床應(yīng)用予以綜述。

三維動(dòng)脈自旋標(biāo)記；功能磁共振成像；腦血流量；動(dòng)態(tài)磁敏感對(duì)比增強(qiáng)；阿爾茨海默病

動(dòng)脈自旋標(biāo)記（arterial spin labeling，ASL）技術(shù)是反映組織血流灌注情況的一種功能MRI（functional MRI,fMRI）技術(shù)，自1992年問(wèn)世以來(lái)，ASL的理論研究及新序列開發(fā)不斷深入，它作為一種無(wú)創(chuàng)性灌注功能成像，得到了臨床醫(yī)生的廣泛認(rèn)可[1]。目前主要應(yīng)用于腦部臨床診斷及功能研究。

1 ASL的基本原理及分類

1.1 ASL的基本原理 ASL的工作原理是利用射頻脈沖標(biāo)記動(dòng)脈血內(nèi)水質(zhì)子，帶標(biāo)記的動(dòng)脈血流入成像平面后對(duì)組織進(jìn)行灌注成像，此時(shí)采集圖像稱為“標(biāo)記像”，標(biāo)記像信號(hào)包括了流入標(biāo)記血流信號(hào)和原組織靜態(tài)信號(hào)；另單獨(dú)采集未標(biāo)記的靜態(tài)信號(hào)稱為“控制像”，將標(biāo)記像與控制像減影便得到灌注像，由于灌注像信號(hào)強(qiáng)度小、信噪比低，常需多次采集，最終才得到較理想的灌注像。

1.2 ASL的分類

1.2.1 連續(xù)動(dòng)脈自旋標(biāo)記（continuous-ASL，CASL）CASL是利用連續(xù)快速反轉(zhuǎn)射頻脈沖對(duì)即將流進(jìn)圖像采集區(qū)的動(dòng)脈血進(jìn)行標(biāo)記，其優(yōu)點(diǎn)主要有信噪比高、成像范圍大、標(biāo)記平面可根據(jù)要求隨意調(diào)節(jié)且可測(cè)量多層灌注影像[2]。由于CASL需要長(zhǎng)時(shí)間的脈沖來(lái)維持磁場(chǎng)方向與磁化方向的夾角保持穩(wěn)定（即“隔熱”），而臨床目前廣泛使用的MRI設(shè)備不能滿足產(chǎn)生長(zhǎng)脈沖的硬件要求，故臨床應(yīng)用較少。

1.2.2 脈沖式動(dòng)脈自旋標(biāo)記（pulsed-ASL，PASL）

PASL是利用較短脈沖（10 ms）對(duì)即將流進(jìn)采集區(qū)域的動(dòng)脈水質(zhì)子高效標(biāo)記。其設(shè)備要求相對(duì)較低、操作簡(jiǎn)單，在臨床上應(yīng)用廣泛，但因其脈沖短，對(duì)脈沖傳輸時(shí)間敏感性高，信噪比低、灌注均勻性較差且偽影較大而限制了成像范圍。

1.2.3 假連續(xù)脈沖動(dòng)脈自旋標(biāo)記 （pseudo-CASL，PCASL） PCASL通過(guò)連串的射頻脈沖模擬連續(xù)的反轉(zhuǎn)脈沖，綜合了CASL與PASL的優(yōu)點(diǎn)。研究表明，PCASL技術(shù)的信噪比較PASL高50%，標(biāo)記率較CASL高12%[3]。

2 3D-ASL技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)

2.1 3D-ASL技術(shù)原理 常規(guī)的流動(dòng)敏感交換式反轉(zhuǎn)回復(fù)序列 （fluid attenuated inversion recovery，F(xiàn)AIR）及信號(hào)靶向交替射頻序列采用2D和平面回波成像（echo planar imaging，EPI）采集，此法無(wú)法克服運(yùn)動(dòng)偽影和磁敏感偽影，且信噪比低。CASL信噪比高、成像范圍大，但對(duì)設(shè)備的要求較高。PASL標(biāo)記率高，對(duì)設(shè)備要求較低，但信噪比低，成像范圍小。3D-ASL依托于高穩(wěn)定性和高保真度的射頻平臺(tái)，能在短時(shí)間（1.5 s）內(nèi)完成1 000次以上的準(zhǔn)連續(xù)式標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)了大范圍的全腦容積灌注成像，克服了PASL存在的信噪比低及灌注不均勻等缺點(diǎn)。此外，3D-ASL采用基于快速自旋回波（FSE）的螺旋K（spiral K）空間采集技術(shù)，MR成像系統(tǒng)將spiral K空間原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最后重建出高保真度的影像。spiral也稱為阿基米德螺旋，spiral采集是目前采集效率最高的采集方式，比EPI高20%[4]。同時(shí)spiral采集因其特殊的采集方式也可提高影像信噪比及降低運(yùn)動(dòng)偽影。

2.2 3D-ASL的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及可靠性 3D-ASL技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在無(wú)需對(duì)比劑，是一種利用內(nèi)源性質(zhì)子作為對(duì)比的灌注成像技術(shù)，它完全無(wú)創(chuàng)，避免了因?qū)Ρ葎┮鸩涣挤磻?yīng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，且成本較低，可重復(fù)檢查，操作方便。在ASL技術(shù)廣泛應(yīng)用于臨床前已經(jīng)有多種組織灌注成像方法，主要有單光子發(fā)射體層成像 （single-photon emission computed tomography，SPECT）、正電子發(fā)射體層成像（positron emission tomography，PET）。SPECT采用放射性示蹤劑作為標(biāo)志物，標(biāo)記穩(wěn)定性高，但分子質(zhì)量較大，受組織滲透影響較大，且病人會(huì)受到一定劑量的輻射損傷，PET采用15O標(biāo)記的水分子作為標(biāo)志物，其主要缺點(diǎn)是15O半衰期較短，對(duì)時(shí)間敏感性高，操作較復(fù)雜。CT灌注需要外源性碘化物作為對(duì)比劑，且受輻射劑量較大。動(dòng)態(tài)磁敏感對(duì)比增強(qiáng)（dynamic susceptibility contrast，DSC）是將順磁性對(duì)比劑注入體內(nèi)，利用磁敏感引起的信號(hào)改變來(lái)反映組織的灌注情況。大量研究證實(shí)采用ASL技術(shù)獲得了腦血流量（cerebral blood flow，CBF）值與 PET的吻合[5-7]，Chugh等[8]對(duì)小鼠模型的研究也表明3D-ASL技術(shù)能準(zhǔn)確提供12個(gè)大腦區(qū)域的CBF值。

3 3D-ASL的臨床應(yīng)用

3.1 3D-ASL在顱腦病變中的應(yīng)用 3D-ASL能夠較準(zhǔn)確地反映顱內(nèi)組織的灌注情況，對(duì)顱內(nèi)病變的定位及定性提供重要信息。3D-ASL技術(shù)可根據(jù)腫瘤血管密度及對(duì)血腦屏障破壞程度對(duì)腫瘤分類及分級(jí)，還可根據(jù)組織的灌注異常對(duì)腦血管病變、腦功能異常、腦損傷提供準(zhǔn)確的診斷信息。

3.1.1 顱內(nèi)腫瘤的分類及分級(jí) 顱內(nèi)腫瘤臨床類型較多，不同類型腫瘤及不同級(jí)別腫瘤治療方案不同，良性腫瘤手術(shù)難度小，復(fù)發(fā)率低；惡性腫瘤預(yù)后差，手術(shù)難度大，術(shù)后易復(fù)發(fā)，故對(duì)腫瘤進(jìn)行分類及分級(jí)顯得特別重要。3D-ASL技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的全新的容積灌注成像技術(shù)，與傳統(tǒng)如PET、SPECT、DSC技術(shù)相比有較明顯優(yōu)勢(shì)，也突破了常規(guī)ASL的各種限制。王[9]對(duì)20例腦腫瘤病人（術(shù)后病理學(xué)檢查確診：轉(zhuǎn)移瘤7例，腦膜瘤6例，低級(jí)別膠質(zhì)瘤4例，高級(jí)別膠質(zhì)瘤2例，淋巴瘤1例）分別進(jìn)行3D-ASL、MR常規(guī)+增強(qiáng)及DSC掃描，將采集圖像分析處理得出20例腫瘤的影像表現(xiàn)及局部相對(duì)腦血流量（relative cerebral blood flow，rCBF），結(jié)果經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示均有意義。3D-ASL計(jì)算結(jié)果示高級(jí)別膠質(zhì)瘤rCBF：3.0±1.3，低級(jí)別膠質(zhì)瘤rCBF：0.6±0.2；轉(zhuǎn)移瘤強(qiáng)化部分表現(xiàn)為高灌注，中心壞死部分及周圍水腫部分為低灌注；淋巴瘤表現(xiàn)為稍高灌注，rCBF：1.8±0.3；腦膜瘤表現(xiàn)為高灌注，rCBF：3.5±1.9。3D-ASL和DSC計(jì)算出的CBF對(duì)比無(wú)差異。結(jié)果表明，3D-ASL能夠根據(jù)CBF值準(zhǔn)確地對(duì)不同腫瘤進(jìn)行分類及分級(jí)，且與DSC相比無(wú)明顯差異。

對(duì)膠質(zhì)瘤常規(guī)增強(qiáng)掃描時(shí)，往往可見腫瘤強(qiáng)化邊界，但此邊界只能代表血腦屏障的破壞范圍，3DASL能夠清楚顯示異常高灌注范圍，顯示真正腫瘤邊界。許多腫瘤在常規(guī)增強(qiáng)時(shí)表現(xiàn)相似，如腦膜瘤及腦外海綿狀血管瘤，因均無(wú)血腦屏障，增強(qiáng)時(shí)都表現(xiàn)為明顯的均一強(qiáng)化，但海綿狀血管瘤病理基礎(chǔ)為血管腔隙缺少新生血管，3D-ASL掃描顯示為低灌注，而腦膜瘤則表現(xiàn)為高灌注。3D-ASL能評(píng)價(jià)腫瘤供血的改變狀況，這有助于判斷腫瘤的生長(zhǎng)情況及侵襲性，也能根據(jù)腫瘤血供改變判斷腫瘤療效、復(fù)發(fā)等情況。

3.1.2 腦功能病變 阿爾茨海默病（Alzheimer disease，AD）與輕度認(rèn)知功能障礙（mild cognitive impairment，MCI）是引起癡呆的最常見病因。早先研究證實(shí)該病變與腦灌注密切相關(guān)。PET過(guò)去被認(rèn)為是評(píng)價(jià)腦灌注的金標(biāo)準(zhǔn)，利用PET對(duì)AD病人的研究提示其新陳代謝及血流灌注發(fā)生改變。但PET有諸多劣勢(shì)，如需要注射放射性示蹤劑，重復(fù)性低，費(fèi)用高等。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的3D-ASL技術(shù)是一種完全無(wú)創(chuàng)的組織灌注成像技術(shù)，逐漸成為研究AD灌注異常的有力工具。Ding等[10]應(yīng)用3D-ASL序列對(duì)24例AD病人、17例MCI病人及21名正常對(duì)照者進(jìn)行全腦掃描，測(cè)出相應(yīng)區(qū)域的CBF值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MCI病人相對(duì)于AD病人右側(cè)邊緣葉及基底節(jié)區(qū)（包括殼核、尾狀核、丘腦等）表現(xiàn)為高灌注，左側(cè)額葉、頂葉皮質(zhì)、右側(cè)枕葉、左側(cè)扣帶回為低灌注區(qū)，MCI病人與正常對(duì)照者比較，雙側(cè)額葉灌注量增高，AD病人與正常對(duì)照者比較顯示雙側(cè)額葉、頂葉及枕葉CBF值降低。結(jié)果表明，3D-ASL技術(shù)能夠?yàn)檠芯緼D及MCI的病理基礎(chǔ)及灌注不足的代償機(jī)制提供有效信息。Takahashi等[11]對(duì)68例可疑AD病人行3D-ASL及SPECT檢查，結(jié)果表明3D-ASL與血流動(dòng)力學(xué)因素相關(guān)性更大，對(duì)AD的診斷效率幾乎與SPECT相當(dāng)。Binnewijzend等[12]對(duì)71例AD病人、35例MCI病人及71名正常對(duì)照者行3D-ASL全腦掃描，測(cè)出相應(yīng)區(qū)域CBF值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果證實(shí)3D-ASL MR成像有助于檢測(cè)AD病人前驅(qū)階段及更高階段的腦功能變化，從而評(píng)估AD嚴(yán)重程度。

3.1.3 缺血性腦血管病變 缺血性腦血管病變是由于腦組織處于低灌注狀態(tài)而引起的腦缺血缺氧的一系列癥狀，其主要原因?yàn)槟X供血不足，包括腦血栓、腦梗死和短暫性腦缺血發(fā)作（transient inchemic attack，TIA），由于腦組織對(duì)缺血缺氧非常敏感且耐受性差，一旦缺血極易造成腦組織不可逆性損傷，特別是急性腦缺血，臨床上把握有效治療時(shí)間非常難，故對(duì)腦組織灌注異常的早期評(píng)價(jià)顯得相當(dāng)重要。研究發(fā)現(xiàn)，TIA病人3個(gè)月內(nèi)發(fā)生腦梗死概率平均為11%，發(fā)生腦梗死、TIA再發(fā)、心肌梗死及心肌梗死導(dǎo)致猝死總概率達(dá)到25%[13-15]。3D-ASL技術(shù)因其操作簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)創(chuàng)、檢查時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)為急性腦缺血的診斷提供很大幫助。以往有研究者對(duì)腦梗死病人行3D-ASL及DSC掃描，證明3DASL技術(shù)測(cè)量CBF與DSC有相似的敏感性，并且3D-ASL具有成像范圍更廣、無(wú)創(chuàng)、重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)；另對(duì)30例TIA病人和30例急性或亞急性腦栓塞病人行3D-ASL及DWI掃描，結(jié)果證實(shí)3D-ASL對(duì)TIA病人有更高的檢出率，并且能更準(zhǔn)確地評(píng)估缺血半暗帶，為臨床治療提供可靠依據(jù)。初等[16]對(duì)105例基底動(dòng)脈供血不足、腦梗死或不明原因頭暈病人及18例健康對(duì)照者行3D-ASL、DSC、MRA檢查，其中對(duì)71例TIA及腦梗死病人3D-ASL顯示的病變位置、程度與MRA一致，臨床表現(xiàn)異常所對(duì)應(yīng)的大腦投射區(qū)域與大腦灌注異常區(qū)域基本一致，且對(duì)TIA檢出率比DSC更高，與以往類似研究結(jié)果一致[17]。以上研究表明，3D-ASL能夠?yàn)槿毖阅X血管病變提供可靠有效的影像依據(jù)。

3.1.4 其他 黃等[18]利用3D-ASL序列對(duì)43例急性創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）病人進(jìn)行研究，結(jié)果顯示TBI病人存在不同程度的局部或全腦灌注減低，證實(shí)3D-ASL技術(shù)能夠?yàn)榕R床診治TBI提供客觀的影像依據(jù)。另有研究者對(duì)無(wú)血管病變的頸性眩暈病人進(jìn)行檢查，結(jié)果證實(shí)在眩暈發(fā)作時(shí)大腦某些血管供血區(qū)域CBF值明顯下降，眩暈原因可能與后循環(huán)缺血有關(guān)[19]。

3.2 3D-ASL的體部應(yīng)用 目前常規(guī)ASL技術(shù)已用于評(píng)價(jià)體部臟器灌注情況，但有關(guān)3D-ASL技術(shù)應(yīng)用于體部臟器的相關(guān)文獻(xiàn)較少?；?D-ASL的眾多優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于體部如肺、心臟、腎、肝臟、前列腺等臟器的研究將成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

肺灌注作為一種無(wú)創(chuàng)的檢查方法其臨床應(yīng)用價(jià)值非常高，以往因心臟搏動(dòng)及呼吸運(yùn)動(dòng)偽影干擾重、磁敏感不均勻、氣體含量高等因素，MR灌注成像質(zhì)量不高，隨著MR設(shè)備及理論的不斷完善，3DASL技術(shù)應(yīng)用于肺部疾病的診斷已經(jīng)取得初步效果。Schraml等[20]對(duì)33例肺纖維化病人及5例健康對(duì)照者行3D-ASL檢查，結(jié)果提示肺纖維化病人灌注量明顯低于健康對(duì)照者。另有研究[21]證明3D-ASL技術(shù)能夠?yàn)榉尾考膊≡\斷提供客觀有效的幫助。

董等[22]對(duì)13例急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）病人行3D-ASL掃描，結(jié)果表明3D-ASL能為AKI病人的腎血流量（renal blood flow，RBF）進(jìn)行可靠的量化分析。Rossi等[23]對(duì)9例腎功能損傷病人行ASL掃描，結(jié)果提示病人RBF值與健康對(duì)照者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，證明3D-ASL能檢測(cè)腎功能紊亂及監(jiān)測(cè)腎功能變化。另有研究者[24-25]在對(duì)腎腫瘤分類及評(píng)價(jià)藥物導(dǎo)致腎毒性等方面均證實(shí)了3D-ASL技術(shù)對(duì)腎臟疾病診斷的價(jià)值。

4 展望

3D-ASL作為一種組織灌注成像的全新技術(shù)，能夠更安全地評(píng)價(jià)組織灌注水平，克服了常規(guī)ASL信噪比低、成像范圍小、采集時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，具有無(wú)創(chuàng)、操作簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)[16]。目前利用非局部均值法（non-local means，NLM）對(duì)ASL去噪，可實(shí)現(xiàn)在較少次數(shù)采集的基礎(chǔ)上得到更精確的血流影像。但3D-ASL作為一種新技術(shù)，理論基礎(chǔ)還需進(jìn)一步完善，成像的精確性有待進(jìn)一步提高。Roy等[26]對(duì)64例膠質(zhì)瘤病人研究表明3D-ASL技術(shù)能為膠質(zhì)瘤分級(jí)提供準(zhǔn)確信息，但由于自身的不足目前暫不能完全替代DSC技術(shù)。隨著MRI技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了多種改良技術(shù)，如流速選擇性動(dòng)脈自旋標(biāo)記、高選擇性血管成像、血管編碼動(dòng)脈自旋標(biāo)記(vessel encoded-ASL，VE-ASL)等，這些新技術(shù)不但提高了成像質(zhì)量，而且拓寬了ASL的應(yīng)用范圍[27]。3D-ASL作為一種灌注成像技術(shù)，今后的發(fā)展方向除了自身理論及技術(shù)的完善，同時(shí)也需要和其他技術(shù)聯(lián)合，如 3D-ASL結(jié)合平衡式穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)（balance-steady state free precession，B-SSFP）顯示血管更加清晰，甚至能結(jié)合呼吸門控對(duì)肝腎動(dòng)脈及其他內(nèi)臟血管的清楚顯示。另外，3D-ASL結(jié)合血氧水平依賴（blood oxygenation level dependent，BOLD）技術(shù)測(cè)量CBF更加精確。

總之，3D-ASL技術(shù)作為一種無(wú)創(chuàng)性的組織灌注成像法，對(duì)評(píng)價(jià)組織灌注已經(jīng)取得初步效果，目前主要應(yīng)用于顱內(nèi)病變的研究和診斷，隨著相關(guān)理論及技術(shù)的發(fā)展和完善，3D-ASL的臨床價(jià)值將越來(lái)越高，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。

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（收稿2014-07-16）

The research progress and clinical application of three-dimensional arterial spin labeling

MA Jin,ZHANG Ao.Department of Radiology,Yongchuan Hospital of Chongqing Medical University,Yongchuan 402160,China

Arterial spin labeling(ASL)utilizing the water in arteries as an endogenous contrast media is a functional magnetic resonance imaging with advantages of noninvasive,lower cost,simpler operation and repetition,and avoiding the potential side effects from exogenous contrast agents.Three-dimensional arterial spin labeling(3D-ASL)which is based on fast spin echo(FSE)spiral K space gathering can effectively overcome motion artifacts and magnetic susceptibility artifacts come from EPI.Compared with the conventional ASL,the main advantages of ASL are more wider image,better quality,faster gathering speed,more accurate signal location and so on.All of the mentioned advantages make it wider application than conventional ASL.The research progress and clinical application of 3D-ASL were reviewed.

Three-dimensional arterial spin labeling;Functional magnetic resonance imaging;Cerebral blood flow; Dynamic susceptibility contrast;Alzheimer’s disease

10.3874/j.issn.1674-1897.2015.01.Z0111

402160重慶，重慶醫(yī)科大學(xué)附屬永川醫(yī)院放射科

張翱，E-mail：826251694@qq.com

*審校者