三维动脉自旋标记在脑血管疾病中的应用进展▲

王一媚 张 千 张 兆 胡北泉

(广西南宁市第一人民医院神经内科一区，南宁市 530021)

【提要】 脑血管疾病的发病率、死亡率及致残率均高，并且趋于年轻化。我国流行病学资料表明，脑血管疾病在人口死因中占据重要位置。随着影像学设备及技术的发展，脑血管疾病能更早期被发现，从而能更及时地进行干预，对提高患者预后及生活质量具有重要意义。随着影像学的发展，越来越多的成像技术不断用于脑血管疾病的诊断与评估中，而三维动脉自旋标记(3D-ASL)作为一项新的成像技术已应用于临床并取得满意的效果，其具有无创伤、重复性好、简便易行等优势。

脑血管疾病包括因栓塞和血栓形成导致的血管腔闭塞、血管破裂、血管壁损伤或通透性发生改变，及血黏度增加或血液成分异常变化引起的疾病。脑血管疾病现成为导致人类死亡的重要原因，幸存的患者中大部分人有不同程度的偏瘫、肢体麻木及言语障碍等后遗症，对身心健康及生命安全造成严重威胁，故早诊断和早治疗是改善患者预后的重要手段。灌注成像的发展为脑血管疾病的诊断翻开了新的篇章，其有助于发现缺血半暗带及血流动力学异常。单光子计算机断层成像术(single photon emission computed tomography，SPECT)、弥散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)、灌注加权成像(perfusion weighted imaging，PWI)的飞速发展为脑血管疾病的诊断及治疗作出了巨大贡献。SPECT能灵敏反映局部脑血流量的变化，在脑血管疾病诊断方面有重要应用价值[1]，但因其对人体有辐射而不能被广泛运用。DWI技术对活体组织内水分子扩散的检测可以基于无创条件实现，可及时发现早期脑梗死病变，其不足之处在于对脑血流灌注异常难以发现和显示。PWI技术可以对脑血流灌注进行检测并对异常情况及时提示，其不足之处在于对血脑屏障完整性具有一定的依赖性。另外，在对比剂过敏、肾功能差及静脉开通条件差的患者中应用受到了一定限制。近年来三维动脉自旋标记(three-dimensional arterial spin labeling，3D-ASL)技术得到快速发展，它是一项无创性灌注功能成像技术，并具有可重复性、简便易行等优点，在脑血管疾病中的应用日益广泛。

1 3D-ASL技术的发展

动脉自旋标记(arterial spin labeling，ASL)技术的最早提出始于1992年，在功能MRI(functional MRI，f MRI)技术的发展过程中，临床检测为了实现对组织血流灌注情况进行显示和反应，基于ASL的理论及新序列的开发研究，在核磁共振成像的基础上发展出了无创性灌注功能成像的ASL技术，该技术因其无创性，一经提出便在临床应用中赢得广泛认同[2]。ASL技术的基本成像原理是对动脉血中近端的氢质子用连续反转恢复脉冲进行标记，组织中未标记的氢质子与标记的氢质子发生交换作用并产生相应的信号被核磁共振线圈接收，即可得到标记像，未标记的氢质子流出静脉后也可产生信号，此时扫描得到的图像即为控制像；标记像和控制像的差值即得到脑血流量(cerebral blood flow，CBF)图像[3]。ASL按照动脉性质可以分为三种类型，第一种是脉冲式动脉自旋标记(pulsed arterial spin labeling，PASL)，第二种是连续动脉自旋标记(continuous arterial spin labeling，CASL)，第三种是假连续脉冲动脉自旋标记(pseudo-continuous arterial spin labeling，PCASL)。其中CASL具有成像范围大、信噪比高、测量层面多、层面大小可调节性高的优点，但是由于硬件设备的技术限制，其在实际临床治疗上应用较少，主要原因在于其长脉冲的要求对临床大部分MRI设备而言目前难以实现[4]。而PASL在临床诊断上应用广泛，主要优点在于脉冲时间短、设备要求不高，不过该技术也存在一定的不足和局限性，主要体现在信噪比低、灌注不均匀等，容易对成像造成干扰，影响最终成像质量[5]。PCASL技术的主要优点在于对CASL技术和PASL技术进行了优点综合，信噪比较PASL高50%，标记率较CASL高12%[6]。3D-ASL能在1.5 s内完成准连续式标记的次数超过1 000次，大范围灌注成像，提高了灌注成像的可靠性及对比性。不仅如此，3D-ASL采用阿基米德螺旋spiral K空间采集技术，最终影像的构建通过对spiral K空间原始数据进行转换来实现，具有很高的保真度。就采集效率而言，在目前的所有采集技术当中，spiral采集方式位居第一，比回波平面成像(echo planar imaging，EPI)高20%[7]。另外，spiral采集的另外两个优点表现为提升信噪比和减少伪影，有效地提升了最终成像质量[8]。众多国内外专家学者在脑组织血流灌注的临床应用上对3D-ASL技术进行了实验验证，结果表明其准确性较高，与PWI技术相比，在临床脑血流异常灌注的检测效果上并无差异，不仅如此，大量实验显示其敏感性更高[9]，对于DWI与MRA双阴性的灌注异常具有很高的辨识率[10]。一项临床对比试验对ASL和PWI对异常灌注的显示概率进行了研究[11]，基于32名缺血性脑梗死患者的试验结果显示前者相比于后者具有更高的检出率。3D-ASL技术是组织灌注成像领域的前沿技术，其主要优点包括：(1)信噪比高、成像范围大，具有更高的异常灌注检出率；(2)操作简单，具有无创性，患者的依从性高；(3)费用低、重复性好，具有很好的经济性，利于临床大范围普及应用[12]。3D-ASL对于灌注异常的责任血管的分辨并不准确，而联合应用MRA提高了检查的特异性及敏感性[12]。但随着血管编码动脉自旋标记技术、流速选择性动脉自旋标记技术等[13]的出现，对于责任血管的定位更加准确，这都将使ASL在脑血管疾病中的应用前景更加广阔。

2 3D-ASL在脑血管疾病中的应用

2.1 在颈内动脉系统狭窄方面的应用 临床发现，许多颈内动脉系统狭窄的患者并未发生脑血管意外，是因为颈内动脉系统重度狭窄或闭塞会导致脑组织呈低灌注状态，但在血管狭窄部位、脑血管反应性及侧支循环等多因素的影响下，最终并不会发展至短暂性脑缺血发作，甚至于脑梗死。血管狭窄引起的脑组织灌注不足向脑梗死发展需要经历三个主要的病理生理过程：第一，血管狭窄引起脑组织灌注压在一定范围内波动，机体利用毛细血管及小血管扩张的方式进行代偿，使得CBF保持相对稳定；第二，脑组织灌注压逐步下降，机体的多种代偿方式均不足以维持CBF的稳定，CBF就会随之下降，部分神经功能开始出现异常，但此时CBF仍处于可逆性阶段；第三，脑灌注压逐渐下降，机体各项储备能力开始进入失代偿期，CBF迅速降低超出阈值，神经细胞将出现不可逆性损害，形成脑梗死[14]。故早期了解颈内动脉系统狭窄患者是否存在灌注异常，对脑卒中的预防有着至关重要的作用。饶钦盼等[15]对经头颈部CT血管造影(computed tomography angiography，CTA)检查筛选出的17例颈内动脉狭窄者(病例组，并分为轻、中、重三级)及16例颈内动脉无狭窄者(正常组)的研究中发现，通过磁共振3D-ASL技术测量各感兴趣区的平均CBF值，可以定量地评估颈内动脉狭窄患者的脑血流灌注特征，从而为临床预防、治疗缺血性脑血管病提供影像学依据。宋宏涛[16]对22例经数字减影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)或磁共振血管成像(magnetic resonance angiography，MRA)诊断为单侧大脑中动脉或颈内动脉重度狭窄或闭塞的患者(分为重度狭窄组和闭塞组)进行研究，通过3D-ASL分别测量患侧与健侧的CBF值，评估颈内动脉系统狭窄或闭塞后的脑组织灌注情况，对患侧、健侧血流量差异较大者起到警示作用，对于指导临床早期制定个体化治疗方案具有重要意义，可减少脑血管疾病的发生、发展。

2.2 在短暂性脑缺血发作方面的应用 短暂性脑缺血发作(transient ischemic attack，TIA)指的是脑动脉短暂性供血障碍，导致数分钟到数小时不等的局灶性神经功能缺损或视网膜功能障碍，一般不超过 24 h，不遗留神经功能缺损症状及体征。TIA患者发生卒中的概率比一般人群高，一次TIA发作后1个月内有4%～8%的概率发生脑卒中，1年内达12%～13%[17]。由此可见TIA的早期诊断对预后尤为重要。PWI能够显示TIA患者发作间期的脑灌注异常，其可为TIA的诊断、治疗提供进一步的影像学依据[18]。对血管狭窄TIA微循环灌注的临床诊断而言，PWI是最有效的方法[19]。PWI需要注射对比剂，在临床上的运用存在一定的局限性，而3D-ASL无这方面的限制。3D-ASL与PWI两种方法对判断TIA患者的血流灌注情况具有一致性[20-21]。3D-ASL可定量分析全脑血流灌注情况，作为一种无创的影像学检查方法，对研究TIA的血流动力学具有重要价值。申强等[22]研究表明，ASL检测TIA脑血流量灌注异常时与PWI具有相同的效果，但其敏感度更高。由此可见3D-ASL灌注成像对TIA的灵敏度更高，但其不能反映责任血管的情况。而有研究表明[23]，3D-ASL与MRA联合应用既能显示脑组织灌注异常程度及范围，又能明确血管病变部位及狭窄程度，提高TIA诊断的灵敏度及特异度，为临床制订精细、个体化的治疗方案提供有利依据。

2.3 在脑梗死方面的应用 脑梗死[24]指的是脑部供血障碍造成不可逆性脑组织缺血、缺氧性坏死。脑梗死致残致死率高，在世界范围内发病率逐年升高，临床治疗的关键在于早期确诊、责任血管再通和侧支循环的重新建立。CT能早期排除出血性脑梗死，但一般情况下未能显示24 h内的脑梗死病灶。而磁共振具有较高的软组织分辨力，在脑梗死等疾病诊断中更具有优势。DWI技术对活体组织内水分子扩散的检测为无创的，对于早期脑梗死病变可及时发现，但是其不足之处在于对脑血流灌注异常难以发现和显示。PWI技术可以对脑血流灌注进行检测并对异常情况及时提示，其不足之处在于对血脑屏障的完整性具有一定的依赖性。另外在对比剂过敏、肾功能差及静脉开通条件差的患者中应用受到一定限制。3D-ASL可无创性检测出脑组织灌注异常，对早期诊断脑梗死起到关键作用。符沁芯[25]探讨3D-ASL联合MRA及DWI评价急性脑梗死缺血半暗带的临床应用价值，发现3D-ASL可以客观反映急性脑梗死区血流灌注情况，联合MRA及DWI扫描能够准确判断缺血半暗带的存在并界定其范围。3D-ASL能够显示脑梗死溶栓术后低灌注向高灌注的转换，为评价急性脑梗死患者的溶栓疗效提供重要依据[26]。3D-ASL不仅能对缺血性脑卒中进行定性、定位诊断，还能对其严重程度进行定量评估，有望成为脑血管病的常规定量检查方法，有助于缺血性脑梗死的早期预测和诊断[27]。目前3D-ASL已经不断运用于临床，相信在不久的将来，可作为脑梗死的一项常规检查手段，能明确诊断早期脑梗死，使脑梗死的治疗更及时，预后更好。

2.4 在蛛网膜下腔出血方面的应用 蛛网膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage，SAH)后迟发性脑缺血(delayed cerebral ischemia，DCI) 通常发生在SAH后4～14 d。DCI的主要诱因在于炎性反应等诱发脑血管痉挛[28-29]，其预防和治疗目前较为困难。动脉瘤性蛛网膜下腔出血(aneurismal subarachnoid hemorrhage，aSAH)在脑梗死患者中占比仅5%，但是其致残致死率达到40%[30]。对DCI术后并发症的研究发现，脑缺血概率达到20%～81%[31]。因此，若能早期预测aSAH的脑缺血并发症，可显著改善患者的预后。陈琳等[32]对30例aSAH患者术后随访3个月，将所有患者分为非迟发性脑缺血组和迟发性脑缺血组，而对照组则选择同一时期收治的10例动脉瘤未破裂出血患者。所有患者均在起病后3～14 d内行3D-ASL检查，分析血流动力学变化情况。结果显示DCI的发生与患者早期预后显著相关，3D-ASL为aSAH早期预后评估的一种有效的影像学检查工具。

2.5 在烟雾病方面的应用 烟雾病[33]是脑血管疾病的一种，分为儿童型和成年型。儿童型以脑缺血为主，成人型以脑出血为主。目前该病发病原因尚未明确，会出现多种神经系统症状，对患者的影响极大，故早期诊断烟雾病非常重要。田冰等[34]对24例成人烟雾病患者行全脑CT灌注成像及3D-ASL检查，计算大脑中动脉供血区的相对CBF后，发现3D-ASL可以较为准确地对成人烟雾病患者皮层灌注状态进行定量评估，且与全脑CT灌注成像具有良好的一致性。王芳等[35]对16例脑血管病变患儿(烟雾病9例，脑血管畸形7例)均行3.0T MR T1WI、T2WI、T2-FLAIR、DWI、MRA及3D-ASL检查，测量两组患者病变部位的CBF，计算病变与对侧的相对CBF并进行分析。结果显示儿童烟雾病所累及区域的相对CBF往往低于脑血管畸形，3D-ASL可对CBF值进行定量分析并能更准确地显示病变的具体部位。3D-ASL对脑血管疾病的定性诊断发挥着举足轻重的作用，但其成像参数较为单一，故在烟雾病等特殊血流动力学表现的疾病中应用的准确性和稳定性尚需要进一步研究。

3 总结和展望

综上所述，3D-ASL在颈内动脉狭窄、短暂性脑缺血发作、脑梗死、蛛网膜下腔出血及烟雾病等脑血管疾病的诊治方面得到广泛应用，逐渐成为脑血管疾病诊断、治疗后评价的重要影像学手段。虽然3D-ASL仍存在不足，但随着磁共振技术的不断发展和完善，3D-ASL的发展和应用空间也不断拓宽，并对脑血管疾病的临床诊断、治疗及随访评价产生重要影响。