3D伪连续动脉自旋标记技术在中枢神经系统疾病诊断中的研究进展

刘梦琦，陈志晔，马林

1. 解放军总医院海南分院放射科，海南三亚 572013；2.解放军总医院放射科，北京 100853；

动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）是一种非对比剂标记的无创性脑灌注成像技术，可用于定量评估脑灌注状态。3D伪连续动脉自旋标记（threedimensional pseudo-continuous arterial spin labeling，3D-pCASL）是新近发展的3D容积灌注成像技术，采用快速自旋回波序列，螺旋填充K空间，具有高分辨率的特点，可进行全脑扫描，故具有较高的临床应用价值。本文对3D-pCASL技术相关研究进展及其在神经系统疾病诊断中的应用进行综述。

1 3D-pCASL的基本原理

ASL的基本原理是对动脉血中的氢质子进行射频脉冲标记，带标记的动脉血流入成像平面进行灌注成像，此时的图像称为“标记像”，包括流入组织和静态组织的血液信息。另外，对成像区进行非标记血液成像称为“非标记像”，同时包括静态背景组织信息，两者之差即为灌注像[1-2]。

目前 ASL的分类包括连续型 ASL（continuous ASL，CASL）[3]及脉冲型ASL（pulsed ASL，PASL）。CASL具有信噪比高、扫描范围大等优点，但对硬件要求较高，目前临床应用较少。PASL临床常用的序列包括血流敏感性的交替反转恢复（flow sensitive alterna inversion recovery，FAIR）[4]及 3D-pCASL 序列[5]。FAIR技术采用EPI序列进行扫描，图像分辨率低，扫描参数有限，目前基本已退出临床使用。3D-pCASL是一项新近推出的全脑灌注成像技术，基于FSE序列，图像伪影较小[5]。该技术采用3D采集，可有效提高图像的信噪比；采用螺旋采集填充K空间可有效加快扫描速度；同时进行连续标记，提高了标记效率。

2 3D-pCASL的可重复性及与PET-CT一致性

尽管脑沟的脑脊液及背景生理性噪声对 3D-pCASL的结果可能有一定的影响，但不同设计的可重复性检验研究证实3D-pCASL具有较高的可重复性。既往研究对皮层下灰质进行分割，进而自动计算出皮层下灰质结构的脑血流量（cerebral blood flow，CBF）值，结果显示相同受试者不同时间点进行3D-pCASL检查，CBF值具有较高的组内相关系数值，提示可重复性较高[6]。因此，基于脑图像分割提取脑组织CBF值的方法可以避免传统的感兴趣法测量所引起的主观偏倚，值得临床推广。刘梦琦等[6]采用3D-pCASL对健康成人全脑灌注进行可重复性研究发现，无论 MR设备是否相同，3D-pCASL对全脑CBF值的评估均具有较高的可重复性。采用3D-pCASL序列对局部脑组织，如视觉皮层的CBF值测量进行可重复性检验证实，经过校正后的3D-pCASL具有较高的可重复性，适用于多中心或神经眼科疾病的长期随访观察[7]。Xu等[8]研究发现，3D-pCASL与15O-Water PET灌注具有较高的一致性，可用于无创活体评估阿尔茨海默病患者脑部早期病理生理改变。同时，既往研究证实3D-pCASL与PET/CT在脑部肿瘤性疾病、炎性脱髓鞘、代谢性疾病等灌注评估中的一致性较高[9]。

3 3D-pCASL在脑肿瘤诊断中的应用

临床实践中通常采用动态磁敏感对比剂灌注成像（dynamic susceptibility contrast-enhanced perfusion weighted imaging，DSC-PWI）对神经上皮肿瘤进行分级，但DSC-PWI的缺点是采用EPI序列进行扫描，分辨率较低，靠近颅底的部位磁敏感伪影重，影响肿瘤CBF值的测量。3D-pCASL技术可有效克服上述缺点，同时无需注射MR对比剂，尤其适用于肾功能不全患者。3D-pCASL可替代 DSC-PWI进行星型细胞瘤的良恶性分级，准确性可达到86%；而结合扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）进行良恶性分级时，准确性可以达到95%[10]。同时，3D-pCASL与 DSC-PWI之间也具有较好的相关性（r=0.81，P＜0.001）[11]。另一项研究表明，3D-pCASL诊断后颅窝肿瘤良恶性的敏感性及特异性分别为96%、97%；诊断大脑半球肿瘤良恶性的敏感性及特异性分别为90%、93%，截断值为 50 ml/（min·100 g）[12]。相关性分析证实，肿瘤的 CBF值与微血管密度显著相关（r=0.66，P＜0.001）。总之，3D-pCASL可有效用于神经上皮肿瘤分级，灌注越高，级别越高（图1），且灌注的高低与患者生存时间成反比[13]；同时也可用于预测脑肿瘤的微血管密度[14]。

图1 女，44岁，右侧额叶胶质母细胞瘤（IV级），呈混杂长T2信号影，3D-pCASL灌注成像呈显著高灌注。A.横轴位T2WI；B.横轴位3D-pCASL；箭示肿瘤

除神经上皮肿瘤分级外，3D-pCASL也可用于诊断其他脑部肿瘤。鞍旁脑膜瘤与鞍旁海绵状血管瘤有时鉴别困难，而不同的诊断结果将影响后续治疗方案的选择。鞍旁脑膜瘤一般采用手术切除治疗，鞍旁海绵状血管瘤一般需要先进行放疗再手术治疗，因此术前准确诊断显得尤为重要。研究表明，脑膜瘤的灌注显著高于海绵状血管瘤，可以用于鉴别两者，尤其是当两者常规MR表现相似时[15]。但由于此区域DSCPWI采用平面回波成像，颅底的磁敏感伪影较重，图像显示较差；而3D-pCASL采用自旋回波采集，图像分辨率高，伪影较少。因此，3D-pCASL可以较好地评估两者的灌注情况，进而达到鉴别的目的。

4 3D-pCASL在缺血性脑血管病中的应用

缺血性脑血管病指脑供血不足，脑组织处于缺氧状态所导致的一类疾病，包括短暂性脑缺血发作（transient ischemic attack，TIA）、急性脑梗死、慢性脑血管病等。3D-pCASL可准确反映脑组织的灌注情况（图2），为脑血管病的早期诊断及预后评估提供重要诊断线索。

TIA指局部脑血流灌注不足引起的突发脑功能损伤，通常持续时间小于24 h。由于缺乏客观的诊断标准，TIA的诊断主要依赖于临床ABCD2评分[16]。TIA与脑卒中的区别在于脑组织是否发生梗死。DWI目前是诊断急性脑卒中的“金标准”，即急性脑梗死在DWI显示为显著高信号；而对于具有临床症状而DWI为阴性的患者，DWI的评估存在局限性。Kleinman等[17]研究提示ASL可有效提高TIA患者脑部缺血性病变的检出率。张丽等[18]研究发现，3D-ASL联合DWI检查可以更好地确诊TIA，追踪病情改变，应作为TIA诊断的常规扫描序列。

图2 男，49岁，病变位于左侧基底节区、额叶、颞叶及顶叶，DWI呈显著高信号，3D-pCASL左侧大脑半球呈低灌注，范围明显大于DWI梗死区。A.横轴位DWI；B.横轴位3D-pCASL

3D-pCASL在急性脑梗死中的主要应用价值是评估对缺血半暗带（ischemic penumbra，IP）。IP指灌注成像上低灌注区域减去DWI上高信号的梗死核心区[19]。灌注成像通常达峰时间小于 6 s，并伴有脑血容量下降（＜55%）及CBF值下降（＜25%）[20]。邢飞等[21]对34例急性脑卒中患者行3D-pCASL及DSC-PWI检查发现，两者对IP的评估具有较好的一致性，与既往研究结果一致[22-23]。

3D-pCASL可有效评估脑卒中患者血管远端分支的闭塞，尤其是 MRA阴性患者。Majer等[24]研究发现，MRA阴性患者中，65%（11/17）3D-pCASL可观察到远端分支闭塞，可能与慢血流有一定的关系。临床实践中也可观察到3D-pCASL反映生理状态下的血流灌注信息，敏感性高于DSC-PWI。生理状态下，如达峰时间延迟，DSC-PWI的脑血容量及CBF图均可表现为正常，而3D-pCASL的CBF图可表现为明显灌注减低。

标记时间（post labeling delay，PLD）是 3D-pCASL扫描时的一个重要参数，一般与血流速度成反比。Akiyama等[25]采用双期PLD（PLD的时间分别为1.5 s、2.5 s）发现，PLD为1.5 s时灌注减低的区域在2.5 s时升高，双期 PLD扫描方法同时可计算逆向血流百分比，对侧支循环血流量储备进行评估[26]。

5 3D-pCASL在偏头痛诊断中的应用

3D-pCASL作为一种无需对比剂即可进行全脑容积灌注成像技术，近年来逐渐用于评估偏头痛的脑血流变化。Gil-Gouveia等[27]对13例无先兆性偏头患者研究发现，偏头痛发作期与间隙期比较，全脑或局部脑灌注无明显差异，由此提示不伴有先兆发作的偏头痛疼痛期与脑灌注改变无关。Wolf等[28]对2例先兆性偏头痛及2例头痛早期患者进行3D-pCASL研究，结果发现先兆性偏头痛患者发作期可观察到高灌注及低灌注脑区，而在头痛早期仅观察到局部高灌注脑区，因此3D-pCASL可用于评估先兆性偏头痛患者脑部灌注的可逆变化。Burns等[29]研究发现，持续先兆性偏头痛患者发病3 h后整个左侧大脑半球表现为低灌注；而在持续先兆症状28 h时，左侧额叶恢复为正常灌注，而左侧顶枕叶表现为低灌注。Law-Ye等[30]研究发现，先兆性偏头痛发作期主要表现为脑灌注减低，可累及前、后循环。Hodkinson等[31]对间歇期偏头痛患者进行ASL灌注成像研究，结果发现右侧初级躯体感觉皮质的相对CBF减低，CBF值的变化与发作频率呈正相关，此结果证实偏头痛患者存在三叉-皮层通路的疾病特异性功能缺陷，可能与功能重塑所致有关，此结果也可部分解释偏头痛发作时的感觉变化。Pollock等[32]研究发现，11例偏头痛患者中3例发作期表现为皮层高灌注。

3D-pCASL也可用于评估药物疗效。Kato等[33]对1例32岁的偏头痛患者发作1 h后进行ASL灌注成像，发现双侧内侧丘脑、下丘脑呈低灌注，双侧额叶皮层呈高灌注。口服利扎曲坦1 h后再次进行ASL成像，发现双侧内侧丘脑及下丘脑灌注得到改善，提示下丘脑及邻近区域参与偏头痛的发作。

6 结束语

3D-pCASL作为一种全新的容积灌注成像已广泛应用于神经系统疾病的研究，如神经上皮肿瘤分级[12]、脑血管病的血流储备及灌注评估[23-24]、偏头痛的评估[25,34]等。尽管临床应用较为广泛，但也存在一些问题，如敏感性过高而导致过度评估的问题、PLD时间尚无统一标准等。三维脑结构分割及配准、基于体素的统计学分析、高级神经影像后处理等技术的发展为准确测量目标脑区的CBF值及精准统计提供了契机，有望成为3D-pCASL的一站式分析评估的重要工具。