MRI动脉自旋标记技术发展及其在临床中的应用

康 钰，史 浩，刘华秀

（1.泰山医学院，山东 泰安 271000；2.山东省千佛山医院影像科，山东 济南 250014；3.山东大学，山东 济南 250014）

动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）作为一种反映组织血流灌注情况的fMRI技术，自问世以来不断进步发展。随着2012年国际医学MRI协会（internationalsociety for magnetic resonance in medicine，ISMRM）、欧洲 ASL 和痴呆研究小组（European consortium ASL in dementia，AID）起草了ASL技术及应用的白皮书，2015年《动脉自旋标记脑灌注MRI技术规范化应用专家共识》的提出，ASL技术的应用开始走向规范化道路，并越来越多地应用于临床及科研工作［1］。

1 ASL发展史

ASL灌注成像这一理念是在1992年由Detre等［2］提出。他通过老鼠试验证实ASL可用于研究脑灌注成像。该技术是连续动脉自旋标记（continuous arterial spin labeling，CASL）技术，随后也陆续得到了一定的改进和发展。

1994年，Edelman等［3］提出了基于靶向射频平面回波成像（echo planar MR imaging and signal targeting radio frequency，EPISTAR）技术的脉冲式动脉自旋标记（pulsed arterial spin labeling，PASL）技术。1995年，Kwong等［4］提出了基于流动敏感选择翻转恢复（flow sensitive alternating inversion recovery，FAIR）的PASL技术，作者利用选择性反转获得的血流敏感图和非选择性反转获得的血流不敏感图相减影获得血流加权图像。1998年，Wong等［5］引入了单次剪影量化灌注成像二代（quantitative imaging of perfusion using a single subtraction Ⅱ，QUIPSSⅡ）方案，以便于量化血流灌注情况。 1999年，Luh等［6］将QUIPSSⅡ方案改进为QUIPSSⅡ薄层TI1周期性饱和脉冲（QUIPSSⅡ with thin slice TI1 periodic saturation，Q2TIPS）方案，使得PASL的灌注测量更为准确，并解决了多层采集的问题。

上述早期ASL灌注成像方案均基于二维成像方法，由于技术局限性，ASL技术一直未应用于临床。2008 年，Dai等［7］基于伪连续式动脉自旋标记（pseudo continuous arterial spin labeling，pCASL） 技术提出了全脑三维灌注解决方案，即3D ASL，为ASL技术应用于临床打下了基础。

2 ASL基本原理

ASL技术的总体目标是由“标记像”和“控制像”产生血流敏感图像。ASL以磁标记的动脉血内的水质子作为内源性示踪剂，利用射频脉冲对成像平面流入侧的动脉血进行反转即“标记”，被标记的动脉血流到达毛细血管，并与组织液之间进行物质交换，从而在成像平面产生灌注信号，此时采集的图像被称为“标记像”，标记像是由流入标记血流信号和原组织静态信号组成。为消除静态组织信号，对流入成像平面行另一次未标记血成像，得到“控制像”［8］。将标记像与控制像减影得到仅与标记血有关的血流敏感图像及“灌注像”［8］。由于血液被反转，标记像中流入组织标记血部分的信号强度降低，而静态组织的信号比灌注信号大的多，因此灌注像的信号强度很低（仅为全部信号的0.5%～1.5%），为保证足够的信号强度，需反复采集［8］。

3 ASL分类

根据标记方式的不同，ASL目前可分为CASL、PASL及pCASL。其中，pCASL是在CASL技术基础上发展而来。连续式和脉冲式2种标记方式的本质区别在于标记的空间范围和持续时间不同，这使得2种标记方法各有其优势和不足。

CASL技术将较长的连续射频脉冲（1～3 s）施加于成像平面流入侧较窄层面，对动脉血进行标记，从而产生流驱动绝热反转，并在流入方向施加梯度场。理论上，较长的标记脉冲可提供相对更高的SNR，但血液流速变化会影响标记效率［9］，大大削弱了其提高SNR的优势；且目前MRI设备不能满足产生较长连续脉冲的要求，限制了CASL的临床应用［10］。

PASL技术通过多个较短的射频脉冲（总持续时间一般为10～20 ms）标记一个较厚区域内的动脉血［11］。PASL对流速变化不敏感，可提供97%以上的标记效率［12］；目前PASL成为灌注成像的研究热门，并产生了许多至今被广泛应用的序列，如FAIR、EPISTAR及其衍生序列。但PASL也存在一些缺陷，如与 CASL相比，PASL的标记时间较短，SNR较低，同时短波脉冲带来了较长的传输时间、降低了效率；层面伪影使得PASL不能实现全脑扫描［8］。

pCASL技术是通过使用每毫秒大于1 000次的高频射频脉冲，并在流入方向施加梯度场实现的。实验数据［12］表明，与 PASL相比，SNR 提高了 50%左右，标记效率比调幅CASL明显提高。pCASL具有将CASL和PASL的优点结合起来的潜力，硬件需求少、标记效率高，SNR高。此外，pCASL具有良好的可重复性［13］，目前已广泛应用于临床。

4 ASL与其他MRI灌注技术对比

4.1 动态对比增强灌注成像（dynamic contrast-enhanced perfusion weighted imaging，DCE-PWI） DCEPWI又称T1加权灌注成像。定量参数，如容量转移常数（volume transfer constant，Ktrans）、速率常数（rate constant，Kep）、血管外细胞外间隙容积分数（extravascular extracellular volume fraction，Ve）可较全面反映组织的微循环血流灌注情况，现已被广泛用于肿瘤微环境的定量评估［14］。

4.2 动态磁敏感增强灌注成像（dynamic susceptibility contrast perfusion weighted imaging，DSC-PWI）DSC-PWI又称T2加权灌注成像或T2*加权灌注成像。基于首过灌注成像原理，通过灌注成像可获得多个参数，包括脑血流容量（cerebralblood volume，CBV）、脑血流量（cerebral blood flow，CBF）、平均通过时间（mean transit time，MTT）和达峰时间（time to peak，TTP）。由于 CBV、CBF 受多种因素影响，实际工作中多采用相对脑血容量（relative CBV，rCBV）、相对脑血流量（relative CBF，rCBF）［15］。 此技术主要用于研究脑部灌注情况，现已用于缺血性脑血管病的评估及脑肿瘤的分级。

以上2种技术通过静脉团注对比剂使局部毛细血管内磁敏感性增加致局部磁场不均匀，质子自旋去相位，引起T2、T2*或T1值的明显缩短，获得一系列动态影像，通过定量指标反映局部灌注情况［15］。与以上2种技术相比，ASL技术不依赖于血脑屏障，无需注射对比剂、磁敏感伪影较少，具备无创、成本低、操作简单、可重复检查等优点，但ASL获得的灌注参数较少，时间和空间分辨力相对较差，这也限制了其临床应用。

5 ASL的临床应用

5.1 ASL在脑部的应用

5.1.1 缺血性脑血管病 该病是ASL技术最先涉及的一个领域。对急性或亚急性脑梗死，ASL可定量反映缺血程度、与DWI结合可显示缺血半暗带。动脉通过伪影是指被标记血残留于血管内所导致的条状匍匐高信号影，ATA结合ASL灌注情况，可判断侧支循环建立程度［16］。 2016 年，Lyu 等［17］采用 2 个甚至多个标记后延迟时间，为ASL量化侧支循环血流提供了可能。在短暂缺血发作（transient ischemic attack，TIA）方面，相关研究［18］表明，ASL 可在早期发现血流灌注减低状态，提高对TIA的早期检出率。ASL与MRA联合应用可对相应低灌注区的动脉血管进行评估，提高因血管狭窄造成供血不足的病因检出，以及检查的敏感性及特异性［19］。此外，ASL技术为脑血管疾病治疗后再灌注的评估、疗效观察及预后评价提供了一种新的无创检查方法。

5.1.2 脑肿瘤 颅内肿瘤病变的灌注成像研究有重要的临床意义。首先，ASL能评估肿瘤的良恶性并分级，目前主要用于胶质瘤的术前分级，随着肿瘤恶性程度的增高，灌注程度也随之增高［20］。其次，胶质瘤通常在3D ASL上较常规增强扫描能显示更大范围的异常信号区，因此能够更准确的显示肿瘤边界。ASL可用于不同肿瘤病变的鉴别诊断，如脑膜瘤和颅内脑外的海绵状血管瘤，前者常表现为高灌注，后者常为低灌注；淋巴瘤和胶质瘤，前者通常为低灌注，后者通常为高灌注；还可用于非肿瘤病变，如瘤样脱髓鞘和肿瘤性病变的鉴别。此外，ASL可用于判断脑肿瘤放化疗后有无复发，放疗后改变通常为低灌注，而肿瘤复发则为高灌注［21］。

5.1.3 脑功能病变 ASL目前已用于众多脑功能疾病的诊断及疾病研究，如颞叶癫痫、阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）、帕金森病和快速动眼睡眠障碍等。Wolf等［22］使用CASL技术发现了颞叶癫痫患者内侧颞叶CBF于发作期间较对侧明显下降，目前ASL技术可用于癫痫病灶的评估。研究［23］发现，AD患者颞叶、顶叶、额叶及后扣带回出现灌注量减少，且顶下小叶及后扣带回灌注量减少的程度与疾病程度呈正相关，ASL可能会成为AD早期诊断、药物治疗随访的有效方法。此外，ASL还可应用于AD疾病进展程度的评估，以明确受试者所处的认知障碍阶段［24］。

除上述方面，ASL技术对于创伤性脑损伤、脑动静脉畸形、动脉瘤、静脉窦血栓形成、偏头痛、多发性硬化、抑郁症等疾病的研究近几年也取得一定进展。

5.2 ASL在其他部位的应用

5.2.1 肾脏 目前应用于肾脏的ASL多采用FAIR技术。相关研究［25］表明，ASL在评估肾损害时肾功能改变、判断肾肿瘤血供情况、对恶性肿瘤进行分型、监测肿瘤治疗情况及肾脏药物反应、评估移植后肾功能及预后等，均有很好的临床研究及应用前景。已有研究［26］发现，乳头状肾细胞癌的灌注水平低于其他类型的肾细胞癌，肾嗜酸细胞腺瘤的平均灌注水平和灌注峰值高于乳头状癌、嫌色细胞癌和未分化型肾癌。

5.2.2 前列腺 近年来，采用FAIR技术的ASL序列被证实可定量测量前列腺灌注（prostate blood flow，PBF），并在前列腺癌的诊断中具有一定价值，并发现前列腺癌PBF较正常前列腺组织明显增加［27］。

5.2.3 肺部 ASL在肺栓塞、肺气肿等肺疾病的诊断和评价中具有广阔的应用前景。Mai等［28］通过MRI通气-灌注成像（V/Q）技术证实，肺栓塞时V/Q常不匹配；慢性阻塞性肺疾病时V/Q往往不匹配。前些年，Schraml等［29］发现肺囊性纤维化患者灌注量较健康人低，为该病提供了新的检查方法。

5.2.4 心脏 心脏ASL成像技术多基于FAIR方式。目前，心脏ASL研究多集中于啮齿动物，由于技术尚不成熟，国内外尚无人体心脏ASL研究报道［30］。

5.2.5 儿科 ASL在儿科疾病应用中有很大优势，ASL与常规MRI序列联合应用可更全面反映新生儿缺血缺氧性脑病的病理过程，通过测量丘脑及豆状核区rCBF值有助于该病的早期诊断［31］。另外，多期动脉自旋标记MRI灌注成像技术可无创、定量测定局部CBF，在新生儿脑血流动力学研究中优势明显［32］。

6 ASL技术进展

近些年新技术不断涌现，如血管选择性动脉自旋标记技术（territorial-ASL，t-ASL）、四维动脉自选标记MRI血管成像技术、时间编码动脉自旋标记、指纹动脉自选标记等［33］，这些新技术的发展将拓宽ASL的临床应用范围。其中，t-ASL已应用于监测脑血流分布及变异、判断脑肿瘤的供血动脉等［34］。

总之，ASL技术近年来发展迅猛，临床应用日益广泛。相信在不久的将来，ASL将带给我们更多的惊喜并创造更多的经济及社会效益。