基于3D动脉自旋标记技术核磁灌注成像中动脉通过时间的研究

王筝，傅雪梅，曾祥柱，刘颖，袁慧书

1.北京大学第三医院 放射科，北京100198；2.北京大学 生物医学工程学院，北京 100871

基于3D动脉自旋标记技术核磁灌注成像中动脉通过时间的研究

王筝1，傅雪梅2，曾祥柱1，刘颖1，袁慧书1

1.北京大学第三医院 放射科，北京100198；2.北京大学 生物医学工程学院，北京 100871

目的 测定阿尔茨海默病（AD）患者全脑3D伪连续动脉自旋标记（3D pcASL）成像中动脉通过时间（ATT）分析其与脑血流灌注减低的相关性。方法 对12例AD患者（AD组）和17例年龄匹配的认知功能正常者（对照组）进行常规MR和3D pcASL灌注成像。使用SPM 8软件对ATT成像图进行预处理，比较两组ATT差异，评价ATT升高脑区ATT值与CBF减低的相关性。结果 AD组ATT升高区主要见于左侧岛叶，左侧额下回，左侧颞上回及颞中回，双侧后扣带回，双侧楔前叶，左侧海马旁回（t=2.4727，P＜0.001）。结论 灌注减低区的ATT值与脑血流灌注减低存在相关性。

动脉通过时间；脑血流量；动脉自旋标记；阿尔茨海默病

0 前言

脑血流量（Cerebral Blood Flow，CBF）是单位时间内流经一定量脑组织血管结构的血流量[1]。CBF的改变是大脑被激活的早期标志，是评价大脑健康状态的重要指标[2]。它是诊断和治疗脑梗塞、脑出血、动脉瘤和先天性动脉和静脉血管畸形等脑血管疾病的主要依据。目前，测量脑血流的方式主要由PET、SPECT、氙133吸入技术、氙-CT、灌注CT成像、MRI技术，其中，PET被认为是测量人脑局部脑血流的标准。随着磁共振成像技术的不断提高，动脉自旋标记（Arterial Spin Labeling，ASL）技术作为一种完全无创性的新的灌注技术已经逐渐被用于CBF的测量。在核磁灌注ASL序列中，动脉通过时间（Arterial Transit Time，ATT）是指动脉血从标记处到达成像所在的组织毛细管的时间，反映自旋标记的分子到达感兴趣区域的持续时间[3]，是用来计算CBF绝对值的主要参数。本文对ATT的原理进行介绍，探讨ATT作为一种新的表征参量应用在阿尔茨海默病中的早期诊断中应用价值。

1 材料与方法

1.1 一般资料

本研究纳入AD患者12例，其中男性5例，女性7例，年龄58~84岁，平均74.0岁，很可能的AD采用2011年NIA/AA诊断标准。

另外选择年龄性别匹配的对照者17例，男性4例，女性13例，年龄56~84岁，平均69.0岁。入组标准：①无记忆障碍或认知能力下降的主诉；② 常规头颅MRI检查无异常发现。排除标准：①脑卒中史；②影响认知的内科疾病，如甲状腺功能低下、未纠正的维生素B12缺乏、贫血等；③慢性酒精中毒或药物成瘾史；④严重头外伤史；⑤精神分裂症、抑郁症及双相情感障碍；⑥梅毒感染、严重的心肝肾等疾病。

1.2 仪器与方法

采用GE Discovery MR 750 3.0T MR对头部进行扫描对全部被试者进行头颅ASL成像检查，通过3DpcASL序列扫描获取原始脑血流图，扫描序列3D pcASL，重复时间（TR）为4632 ms，回波时间（TE）为10.5360 ms，反转时间（TI）为1525 ms，标记后延迟时间1500 ms，TR/TE=4632/10.5，体素=1.8 mm×1.8 mm×4 mm。T1扫描序列采用快速扰相梯度回波序列，TR为4632 ms，TE为10.5360 ms，TI为1525 ms，体素=1 mm×1 mm×1 mm。

T1像分辨率为256×256×166，ΔM像、PD像、CBF像分辨率为128×128×36，所以上图中T1像与其他图像比例不同。磁共振成像扫描方位为轴位（也称横断位）。

1.3 数据分析

由于在ASL技术中，分为脉冲动脉自旋标记PASL和连续动脉自旋标记CASL，相对应的CBF的计算如下所示[4-5]。

连续动脉自旋标记CASL的CBF计算：

CBF(v）=dM(v）*-λ/[4α*M0A(v）*T1_gm*[exp(-(tau (slicenumber(v））+w）/T1A）-exp(-w/T1_gm）] (1）

其中dM(v）为体素V的平均对照与标记图像的差值；MoA(v）为平衡动脉血磁场强度；T1_gm 为 灰质的纵向弛豫时间；tau(slicenumber(v））为到达体素V所在层的标记到达时间；w为标记宽度；T1A动脉血的纵向弛豫时间；α为标记效率。

动脉通过时间ATT计算方法：

公式（2）常用来计算CBF的，将方程变换为用其他参数表达τa，则得到公式（3），用来计算动脉通过时间。

T1app是表观纵向弛豫时间，T1app可由T1计算得到：

对T1像数据采用SPM8进行降分辨率（resliced）处理。将数据转换成128×128×36的分辨率。对求得的ATT图在SPM中进行采用GE公司的Discovery MR 750 3.0T磁共振对全部被试者进行头颅ASL成像检查，通过3DpcASL序列扫描获取原始脑血流图，同时采用基于单个体素的算法通过Matlab软件计算每个体素的ATT值，生成ATT成像图。

1.4 统计学分析

利用SPM8软件分别对ATT成像图进行图像配准和标准化，并采用两个样本t检验对两组（AD组和正常组）ATT成像图进行统计分析得到两组ATT存在差异的激活脑区。

2 结果

与对照组相比，AD 组患者局部脑组织动脉通过时间明显延长，见图1，以下区域为著见表1，主要累及左侧岛叶，左侧额下回，左侧颞上回及颞中回，双侧后扣带回，双侧楔前叶，左侧海马旁回（t=2.4727，P＜0.001）；这与文献中提到的多数AD组患者脑血流量在双侧颞叶（颞中回、颞下回）、双侧海马旁回、双侧后扣带回及左侧岛叶也有明显下降的阐述相吻合[7-12]，从而验证了此算法在AD患者CBF灌注计算中的可行性。

表1 1累及脑区的ATT值比较

图1 正常组与对照组两个样本t检验后动脉通过时间差异激活图

3 讨论

ATT是影响由强度差值图像（ΔM）计算的CBF绝对值的主要因素。在ASL里，ATT指动脉血从标记处到达成像所在的组织毛细管的时间，ATT是开始射频标记到获得数据之间最小的延时，为了计算CBF绝对值，必须知道ATT。既往研究已提出多种测定ATT的方法，包括通过改变后标记延时来确定ATT值[8]。这些方法依赖于几何设置，如层厚和方向，成像的位置，标记和层间隔。但由于这些计算方法耗时、信噪比低，测量结果不准确，因此这些研究没有广泛应用于临床。本研究中使用基于体素的形态学方法，直接基于CBF值得出ΔM值，然后通过ΔM和T1和PD图像求出ATT值，在无需人工勾划感兴趣区的情况下对全脑体素ATT值进行统计分析[4,7]，避免人为误差，实用性强、准确性高。

4 结论

ASL是一种MR灌注成像技术，可定量测定CBF，其内源性对比剂为磁标记的动脉血，内源性示踪剂为流动血液中的水分子，不必注射对比剂，无电离辐射，安全无创，不受血脑屏障破坏的影响，本研究采用的3D 伪连续式ASL[13-18]，信噪比及标记效率高，图像质量好，准确率高，重复性好，且全脑覆盖测定CBF，评估脑功能，成像时间短，可作为常规MR扫描方式对AD患者进行筛查。而对动脉通过时间的测定又是脑血流量测定的重要指标，上述结果验证了此动脉动过时间的算法在AD患者血流灌注减低研究中的准确性，说明动脉通过时间成像可以辅助脑血流量在阿尔茨海默病的临床诊断和治疗提供有用的依据。

[1]Liu TT,Brown GG.M easurement of cerebral perfusion w ith arterial spin labeling：Part 1.Methods[J].J Int Neuropsychol Soc, 2007,13(3）：517-525.

[2]Yang Y,Engelien W,Xu S,et al.Transit time, trailing time, and cerebral blood flow during brain activation：M easurement using multislice, pulsed spin-labeling perfusion imaging[J].Magn Reson Med,2000,44(5）：680-685.

[3]Wang J,Alsop DC,Song HK,et al.Arterial transit time imaging with flow encoding arterial spin tagging (FEAST）[J].Magn Reson Med, 2003,50(3）：599-607.

[4]Qiu M,Paul Maguire R,Arora J,et al.Arterial transit time effects in pulsed arterial spin labeling CBF mapping：insight from a PET and MR study in normal human subjects[J].Magn Reson Med,2010, 63(2）：374-384.

[5]Raichle ME,Martin WR,Herscovitch P,et al.Brain blood flow measured w ith intravenous H 2(15）O.II.Implementation and validation[J].J Nucl Med,1983,24(9）：790-798.

[6]Noguchi T,Yoshiura T,H iwatashi A,et al.Perfusion imaging of brain tumors using arterial spin-labeling：correlation w ith histopathologic vascular density[J].AJNR Am J Neuroradiol, 2008,29(4）：688-693.

[7]张娜,樊东升.磁共振动脉自旋标记成像在阿尔茨海默病脑血流灌注的研究[J].神经损伤与功能重建,2013,8(2）：109-113.

[8]Chen Y,W ang DJJ,Detre JA.Com parison of arterial transit times estimated using arterial spin labeling[J].MAGMA,2012, 25(2）：135-144.

[9]Naganawa S,Kawai H,Fukatsu H,et al.High-speed imaging at 3 Tesla：a technical and clinical review w ith an emphasis on wholebrain 3D imaging[J].Magn Reson Med Sci,2004,3(4）：177-187.

[10]Dai W,Lopez OL,Carmichael OT,et al.M ild Cognitive Impairment and Alzheimer Disease：Patterns of Altered Cerebral Blood Flow at MR Imaging1[J].Radiology,2009,250(3）：856-866.

[11]王蕊,李飒英,张晨,等.磁共振动脉自旋标记技术对阿尔茨海默病脑血流量的初步研究[J].中华老年医学杂志,2009,28：725 -728.

[12]倪萍,张英魁,史凯宁,等.全脑3D动脉自旋标记成像及其在颅内肿瘤病变中的应用[J].中国医疗设备,2013,28(10）：16-19.

[13]凌华威,张泳,丁蓓,等.基于体素分析的三维动脉自旋标记成像在阿尔茨海默病脑血流灌注中的应用研究[J].诊断学理论与实践,2012,11：370-374.

[14]Xu G,Row ley HA,W u G,et al.Reliability andprecision of pseudocontinuous arterial spin labelingperfusion MR I on 3.0T and comparion w ith O-water PET in elderly subjects at risk for Alzheimei disease[J].NMR Biomed,2010,23：286-293.

[15]W u WC,Fernandez-Seara M,Detre JA,et al.Atheoretical and experimental investigation of the taggingefficiency of pseudocontinuous arterial spin labeling[J].Magn Reson Med,2007,58：1020-1027.

[16]刘颖,袁慧书,曾祥柱,等.三维动脉自旋标记技术评价阿尔茨海默病患者脑血流灌注[J].中国医学影像技术,2014,30(5）：693 -697.

Study on the Arterial Transit Time in the 3D Arterial Spin Labeling Technique

WANG Zheng1, FU Xue-m ei2, ZENG Xiang-zhu1, LIU Ying1, YUAN Hui-shu1
1.Departm ent of Radiology, Peking University Third Hospital, Beijing 100198, China；2.School of Bio-Medical Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

Objective To determ ine the arterial transit time (ATT）in 3D pseudo continuous arterial spin labeling (3D pcASL）imaging and analyze its relevance w ith the reduction of cerebral blood fl ow (CBF）in patients w ith Blzheimer's disease (AD）. Methods Conventional MR and pcASL 3D perfusion imaging were performed in 12 patients w ith AD (AD Group）and 17 age-matched normal subjects (Control Group）. The SPM 8 software was used to pre-process the ATT images and compare the differences between the two groups so as to evaluate the correlation between the ATT value and reduction of CBF in the encephalic region w ith increased ATT. Results The increased ATT area in AD Group mainly occurred in the left insula and left inferior frontal gyrus, left superior temporal gyrus and m iddle temporal gyrus, bilateral posterior cingulate gyrus, bilateral precuneus, left parahippocampal back (t=2.4727, P＜0.001）. Conclusion The ATT value in the decreased perfusion area was correlated w ith the decrease of cerebral blood fl ow perfusion.

arterial transit time；cerebral blood fl ow；arterial spin labeling；alzheimer disease

R749.1；R445.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.09.006

1674-1633(2015）09-0024-03

2015-06-10

2015-07-13

袁慧书，教授，主任医师。

通讯作者邮箱：huishuy@sine.com