动脉自旋标记技术在颅脑疾病诊断及功能研究中的应用进展

姜曼，李传富

（1.安徽中医药大学研究生部，安徽 合肥 230038；2.安徽中医药大学第一附属医院影像中心，安徽 合肥 230031）

动脉自旋标记技术在颅脑疾病诊断及功能研究中的应用进展

姜曼1，李传富2

（1.安徽中医药大学研究生部，安徽 合肥 230038；2.安徽中医药大学第一附属医院影像中心，安徽 合肥 230031）

动脉自旋标记技术（arterial spin labeling imaging，ASL）是一种非侵入性MRI灌注成像技术。它利用反转脉冲序列标记上游动脉中的水质子，将下游获得的标记像与没有标记的控制像减影获得器官的血流量图。ASL在颅脑疾病诊断及脑功能成像研究等方面具有重要价值，本文将其基本原理、检查方法及其应用作一综述。

动脉自旋标记；脑血流量；磁共振脑功能成像

动脉自旋标记成像（arterial spin labeling imaging，ASL）是MRI灌注成像中的一种［1］。灌注是指血液-毛细血管床氧和养分及代谢物交换的过程［2］，组织器官正常代谢及功能维持有赖于充足的血液灌注。灌注不仅是组织行使正常生物学功能的保证，也是肿瘤及病变生长的基础，通过研究组织或病变的灌注，可获得组织或病变活性、功能及代谢状态等方面的信息［3］。临床常用脑灌注成像技术包括PWI、PET、SPECT、动态增强CT灌注（dynamic enhanced CT perfusion，DE-CTP），但均需注射对比剂或放射性示踪剂，其中多数存在辐射损伤［4］，一般不适用于儿童、年老体弱者和长期需要重复测量的患者。与这些常规的灌注技术相比，ASL图像SNR和分辨力相对较低，但随着技术的不断完善，ASL因其无创、定量及可重复等优点逐步成为研究人体血流动力学基础的重要方法［4］。

1 ASL基本原理和方法

1.1 基本原理ASL利用动脉血中的水质子作为内源性示踪剂，利用反转恢复脉冲序列标记水质子。标记过的水质子随血液流入成像平面后，与组织中未标记的水质子混合，引起局部组织纵向弛豫时间T1发生变化，从而产生标记图像。将所得图像与未标记图像减影即得到灌注图像［5-6］：在进行扫描的过程中，标记像与控制像（未标记像）交替采集，两者的信号差异与脑组织的灌注成正比，最后获得灌注图，即脑血流量（cerebral blood flow，CBF）图［6-7］。

1.2 不同质子标记方法根据ASL技术质子标记方式的不同，一般分为连续法（continuous-ASL，CASL）和脉冲法（pulsed-ASL，PASL），CASL采用快速反转脉冲进行标记，能够得到高SNR的图像且能全脑成像，但MRI机器硬件不能满足CASL所需长时间脉冲的要求［8］，且功率沉积大，易产生磁化转移效应，故临床应用较少。PASL使用多个短脉冲进行标记，常规设备即可应用，标记效率高且基本无磁化转移效应，但SNR低，覆盖范围小。伪连续法（pseudo-CASL，pCASL）集CASL、PASL优势，很好地平衡了SNR和标记效率，采用一系列离散射频脉冲进行标记，且对血液流速变化和血管几何结构不敏感。2014年的国际MRI学会（ISMRM）已达成共识，pCASL可作为临床ASL检查的标记方法［9］。

传统的ASL存在SNR低、分辨力低、磁敏感伪影重、扫描层数少等缺点。3D-ASL技术突破了传统2D-ASL的局限，基于离散射频脉冲实现高效（1.5 s内1 000次）连续标记［4］，采用Spiral K空间中心的过采样、更低的相位编码及FSE读取方式，大大提高了图像SNR，克服了磁敏感伪影、运动伪影及图像失真［10］，使灌注图像更均匀，对靠近颅顶的顶叶、额叶及靠近颅底的小脑、小脑蚓部区域信号更稳定［11］，实现了全脑容积灌注三维成像。

2 ASL在颅脑疾病诊断及研究中的应用

脑位于坚硬的颅骨中，靠高速率的血流给养。ASL技术获得的CBF测量结果，与PET所获得的结果高度相关，评估灌注情况的能力基本一致［12-13］。ASL对大动脉和静脉不敏感，其信号主要来自于小血管及周围组织血流交换。颅脑疾病与脑血流量的变化密切相关，根据脑血流量的变化情况可把脑内常见疾病分为脑血流量减少型和脑血流量增加型［14］。脑血流量减少多见于脑缺血性疾病、脑变性疾病、脑积水、脑肿瘤治疗后改变等；脑血流量增加多见于恶性脑肿瘤、高碳酸血症等。

2.1 在脑血流量减少型疾病中的应用

2.1.1 急性脑缺血病灶急性脑缺血病灶在常规MRI的T1WI和T2WI上通常表现为阴性，DWI可较敏感显示急性缺血阶段，但对更早期（此时已达神经细胞电活动功能衰竭的阈值，但形态学无改变或轻微改变）的血流灌注减少却无法显示，因ASL图像信号来源于动脉和小血管，对缺血缺氧更为敏感，可显示低灌注区的存在。一般来说，病变区域的CBF维持在正常的50%以上便可出现脑组织缺血，但无临床症状；小于50%即可出现临床症状；ASL技术可显示相应部位的灌注减低并能测出CBF值。在急性脑缺血患者中，ASL具有检出低灌注和灌注-弥散不相匹配区域的临床作用［15］，可为临床提供有关血流动力学损害程度的重要信息，临床可据此选择适当的药物和外科治疗方案。

2.1.2 慢性脑缺血疾病颈内动脉闭塞或脑血流量不足的患者有发展为脑梗死的危险。血流量的减低靠侧支循环和阻力血管扩张的代偿反应往往不能满足大脑的血供需求，因此，及时、准确评估闭塞血管的严重程度非常重要。例如，Moyamoya病是一种慢性进行性闭塞性动脉病，影响双侧颈内动脉末端和大脑Willis环近端分支（大脑前动脉和大脑中动脉狭窄甚至闭塞），导致颅底及软脑膜出现异常血管网，大脑后动脉也可受累。ASL可发现脑血管病进展中的第一信号——CBF减少，早于脑血管造影发现狭窄［14］。Hartkamp等［15］发现ASL灌注图像不仅可检测到区域灌注减少，还可检测到流动缓慢的血管团及烟雾病患者的血液流动情况。因此，ASL灌注成像可较早发现并确定血管疾病的严重程度、评估脑血管储备以帮助制订治疗方案。

2.1.3 神经退行性病变脑缺血缺氧性损伤引起的迟发性神经元死亡在神经系统退行性变中发挥着重要的作用。阿尔茨海默病（AD）是最常见伴有神经变性的痴呆，需要一种实用、经济的检查方法来帮助诊断。Takahashi等［16］通过68例AD患者的ASL和SPECT显像检查结果对比分析发现，ASL和SPECT对AD的诊断能力几乎相同。且AD患者的脑灌注改变先于脑结构改变，ASL检查提供的灌注信息可用于针对脑灌注不足代偿机制的进一步的病理和神经心理学研究。刘颖等［17］提出ASL可发现AD患者脑区灌注减低区的CBF值与认知功能减低存在着相关性，CBF值可提示认知功能改变。Bangen等［18］提出ASL所提供的异常静息态CBF和记忆编码CBF变化可能是AD发展过程中脑功能障碍的早期指标。最新的ASL技术具有的高SNR、无外源性示踪剂注入、能精确测量CBF值的优点，有助于早期发现AD患者的认知障碍，为临床治疗提供帮助。

2.1.4 脑积水脑积水通常是由于颅脑疾病使脑脊液分泌过多或吸收障碍而致颅内脑脊液量增加、脑室系统扩大和/或蛛网膜下腔扩大的一种病症［19］。颅内容物的总量之和，即脑组织、脑血流量及脑脊液量的总和保持恒定，如果其中一种成分增加必然导致另2种成分减少，当脑脊液容量增加时，必然导致脑组织和脑血流量的减少。由于脑组织容积相对恒定，且具有非弹性特征，所以可变性很小，因此只能依靠脑血流量的变化起到调节作用［20］。脑灌注改变在脑积水的病理生理机制中是否起重要作用以及是否有助于预测分流手术的预后一直存在争议。Walter等［21］通过试验得出，MRI灌注检查提高了对脑积水患者分流术后预后情况的预测，并为研究脑积水的病理生理机制提供了新视角。Yeom等［22］通过ASL发现失代偿性脑积水脑区CBF较健康对照组减少，而梗阻性脑积水缓解后可见CBF增加，因此ASL检测作为一个潜在的无创方法可随访颅内压的变化，有可能成为未来神经外科评估脑积水的一个重要指标。

2.1.5 恶性肿瘤放疗后恶性脑肿瘤是危害人类健康的常见疾病，发病率及死亡率均较高。放射治疗是治疗恶性脑肿瘤的重要辅助手段。正确鉴别放疗后肿瘤复发和放射性损害是临床关心的重要问题。Yamamoto等［23］利用ASL技术评估髓外肿瘤患者放疗前后的效果，脑膜瘤放疗后肿瘤最大血流量较前减少，且治疗前后肿瘤体积比和肿瘤血流量有很强的相关性。新生血管是恶性肿瘤复发中不可或缺的因素，ASL灌注成像能反映有无新生血管生成，放疗后灌注减少而复发灌注增多。Ozsunar等［24］报道利用ASL测量肿瘤放化疗前后CBF的变化，可以了解肿瘤及周围血供情况，区分坏死与复发，间接推断肿瘤的预后情况。

2.2 在脑血流增加类疾病中的应用

2.2.1 恶性肿瘤血管的生成在脑肿瘤发展和恶性肿瘤转移中起着关键作用，因此脑血流量的测量对脑肿瘤的诊断、治疗及预后非常重要。郑国清［25］利用ASL观测脑胶质瘤肿瘤及其对侧大脑半球的脑血流量，评价ASL对脑胶质瘤分级的敏感性和特异性，发现ASL能获得较高的敏感性和特异性；认为ASL无需注射对比剂且无创，可用于术前对脑胶质瘤进行分级判断，是胶质瘤术前评价较好方法。因此，ASL技术不失为评估脑肿瘤的血供、胶质瘤术前分级等的一种好方法。

2.2.2 高碳酸血症高碳酸血症能升高颅内压，增加脑水肿。但最近的研究［26］表明，在不同的病理状态下或不同的处理条件下，高碳酸血症也可以增加脑血流量和氧供，对中枢神经系统有一定的保护作用。其机制可能是CO2作用于脑微血管内皮细胞，通过一氧化氮合成酶诱导产生一氧化氮等而起到扩张脑血管、改善脑血流的作用，从而通过增加脑血流量和脑供氧促进氧化代谢和葡萄糖的利用，维持组织的高能磷酸储备起到脑保护作用［27］。因此，确定高碳酸血症的有效性和安全性的界限非常重要。Heijtel等［28］通过研究证实，在高碳酸血症中基于ASL CBF的测量与15O-H2O PET的精准度具有很好的可比性，并可见高碳酸血症期间脑血流量的增加，这些结果为ASL在高碳酸血症的临床和研究中的定量应用铺平了道路。

3 ASL在脑功能研究方面的应用

基于BOLD的常规脑fMRI的基本原理是运用MRI快速成像的方法来检测大脑功能区活动时其内部血氧水平的变化，并通过它来间接地研究大脑功能。BOLD是一种经典的成像方法，是目前临床进行脑功能活动检测分析的主要方法，但易受脑回浅表静脉的影响导致远离激活区域神经元活动的错误激活［29］。ASL灌注成像几乎是与BOLD同步发展起来的一种非侵袭性脑功能成像技术［30］。ASL信号来源于动脉和小血管，避免了静脉的伪影［31］。与基于BOLD的fMRI相比，ASL提供了更可靠的CBF定量，可重复性和稳定性高；其原因在于ASL的T1弛豫率较BOLD更接近血液的T1弛豫，能够提供更为精确的神经元活动定位［32］。

基于BOLD的fMRI在观察脑功能的瞬时改变有优势，然而由于受到基线漂移的影响，在用于研究一段时间的脑功能变化则存在不足。而ASL信号来源于2个图像之间的差异，避免了BOLD中存在的基线漂移的影响。因此，ASL与BOLD相比，可以用来反映大脑功能慢性改变［33］。Borogovac等［33］用ASL-fMRI检测1～30 d期间给予运动-视觉刺激前后的脑血流变化，在同一任务中，脑血流变化程度在第1天与第30天差异无统计学意义，表明ASL-fMRI适合长期观察脑功能的变化。

4 展望

ASL与其他灌注成像方法相比，具有非侵入性及可重复性的优势。尽管ASL技术本身仍然存在SNR偏低的问题，但最近的研究也提出了很多的解决方案，如Ghariq等［34］设计了一些抑制背景的方案，Schmithorst等［35］提出的双激发全脑灌注成像、多次激发三维灌注成像等；此外，还有研究［37］表明较高场强的MRI设备可以得到较高的SNR。随着ASL技术的不断发展、成熟，ASL也由单纯的灌注功能成像技术向代谢功能成像技术发展，与其他技术如与BOLD同步能够为脑代谢及脑功能的研究注入新鲜的血液［36］。

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2015-06-12）

10.3969/j.issn.1672-0512.2016.02.034

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