血管选择性动脉自旋标记在颅脑疾病中的应用进展*

李晨, 周智鹏

桂林医学院附属医院放射科(广西桂林 541000)

磁共振脑灌注成像对于多种颅脑疾病的应用非常广泛,其对于颅脑疾病的发生、发展、诊断治疗、预后评估具有重要意义。目前,常用脑灌注成像需要外源性的示踪剂(如一些顺磁性的对比剂)通过注入静脉血流中,追踪其在脑组织中的蓄积且只能得到全脑的灌注分布图。动脉自旋标记(arterial spin labeling,ASL)技术,是一种新兴的无创性磁共振灌注成像技术。ASL脑灌注成像使用的是内源性的示踪剂,即动脉血中的氢质子,不需要注入对比剂即能得到脑灌注成像,其衍生技术t-ASL则可标记某支血管并得到其灌注区域图像。且同时具有无创性、无辐射、禁忌证少等优势,近年来在颅脑疾病中得到了广泛的关注及迅速的发展。

1 ASL灌注技术原理

ASL技术通过射频脉冲对血液中的水分子进行激发,对其进行选择性“标记”,使“水分子”成为内源性对比剂。经过一定的时间后,被“标记”的血液进入脑组织,此时采集脑内的“标记血液”就能得到标记像。同时也要在同一范围内采集不施加脉冲的脑组织图像,作为对照像。将标记像与对照像进行剪影,除去脑组织信号,就能得到流入标记动脉与未标记动脉的血液信号之差[1]。ASL潜在概念相对简单:从概念上讲,它非常类似于示踪剂注射灌注测量(例如,团注跟踪核磁共振、放射自显影、PET等)。不同的是,示踪剂不是向血液中注入示踪剂并跟踪其在组织中的积聚,而是由动脉本身中的水分子组成。这种示踪剂是通过反转动脉中血液的磁化来产生的,动脉为感兴趣的器官提供一连串的射频脉冲。当这种“标记的”血液流入组织时,它会降低组织中的可用磁化强度。因此,在标签位置下游收集的图像看起来稍微暗一些。通过从一组对照图像中减去标记图像,我们可以计算自标记周期开始以来进入器官的血量[2-3]。

ASL分主要分为3种:连续式动脉自旋标记(continuous arterial spin labeling,CASL)、脉冲式动脉自旋标记(pulsed arterial spin-labelling,PASL)、和伪连续动脉自旋标记(pseudo-continuous arterial spin labeling,p-CASL)[4]。在PASL,通过应用单个反转脉冲,例如,通过在颈部的主要脑供血动脉上放置厚的反转板,大量的血液被立即反转。相反,在CASL,薄标记平面用于在标记期间使用恒定的流动方向梯度和恒定的射频应用来连续反转流动的血液自旋,这使得该方法对扫描仪硬件的要求更高,并且与PASL相比提高了吸收率。这两种方法的结合运用就是伪(或脉冲)连续动脉自旋标记(p-CASL)[5]。而这两种方法的组合是伪(或脉冲)连续动脉自旋标记(p-CASL)。尽管方法不同,但所有方法都有一个共同点,即在图像采集开始之前,反转的血液旋转必须有足够的时间到达组织的毛细血管床。这被称为贴标后延迟(PLD)时间[6]。

2 t-ASL灌注技术原理

t-ASL则是在ASL基础上通过特殊的方法对单支血管选择性进行标记,以得到不同供血血管的灌注区域分布图像,是在CASL、PASL、p-CASL成像技术基础上发展起来的[7]。血管选择性标记通常在射频脉冲之间使用额外的平面梯度信号(垂直于切片选择性梯度),并跟踪下一个射频脉冲目标位置的累积相位。目前常用的t-ASL多是在p-CASL技术的基础上进行衍生扩展,目前应用较广的则是血管编码动脉自旋标记和超选择性动脉自旋标记。血管编码动脉自旋标记(vessel encoded ASL,VE-ASL)基本原理是在伪连续动脉自旋标记脉冲序列基础上施加一个横向梯度,用以调节相位,实现了分别显示某支血管的目的,进而能够显示标记血管的灌注情况[8-9]。超选择性动脉自旋标记(selective arterial spin labeling,SASL)通过改变垂直于流动方向的横向梯度的梯度矩,可以使标记焦点适应所选动脉的管腔,其主要范围主要包括脑供血动脉,甚至是Willis环远端的小分支。表明可以标记各种血管中的血液,例如颅内-颅外旁路或动静脉畸形(AVM)[10]。与其他选择性p-CASL技术相比,超选择性p-CASL在两个方向上修改了标记效率,从而创建了一个圆形标记点。通过改变横向梯度的零矩,可以调节标记焦点的大小,因此能够适应特定的血管结构,即彼此靠近的血管。该方法的技术可行性已经确立,但临床可用性和益处仍需证明。这项研究证明超选择性p-CASL在临床环境中的实用性。其目的是获得有关有助于诊断的特定脑动脉血流分布的详细信息[11]。

3 t-ASL灌注技术的优势

到目前为止,临床可用的灌注成像技术可以同时获得所有脑供血动脉的灌注图。对于单根动脉的选择性评估,动脉内数字减影血管造影(DSA)被认为是金标准,因为它能够通过选择性和超选择性插管进行单动脉成像。然而,DSA是侵入性的,需要接受电离辐射,在使用之前必须有明确的适应证。此外,DSA通常比MRI需要更多的时间和精力。它的采集通常仅限于2D投影图像,不能反映血管的灌注情况。此外,由于对比剂的注射是手动或通过高压自动注射器进行的,因此使用DSA可能会改变血流分布,而导致血流动力学的改变[7]。技术上的问题也会出现在血管高度弯曲的患者身上,这可能会阻止血管造影导管进入。Chng等[12]通过比较t-ASL技术和MR血管造影(MRA)技术联合与DSA技术对侧支循环的评估,得出结论:MRA与t-ASL联合检查的诊断质量与DSA相当。t-ASL提供的侧支循环信息与DSA类似。MRA和t-ASL都不涉及电离辐射或注射外源性对比剂,可在同一检查中与其他常规MR成像结合。结合这些技术的联合可以极大地提高我们对侧支循环的了解,并有可能在脑血管病患者的临床评估中补充或取代DSA。

CBF值是反映脑血流改变稳定与否的重要指标,ASL技术除了提供CBF外,其重要参数——PLD时间的不同也会影响脑血流量改变的判断及其灌注评估。数个学者提供研究指出两个甚至数个PLD时间的ASL图像除了能够定量分析CBF,还可以通过后处理技术得到动脉通过时间图,这两个重要指标的联合分析将更好地反映脑血流动力学的改变[13-14]。不同于ASL技术等大部分脑灌注技术呈现的是颅脑整体的灌注图像,t-ASL能够只显示某一支血管所供应区域的灌注图像,这给临床评估脑缺血疾病尤其是脑缺血侧支循环的形成提供了新的可能[9]。

4 t-ASL临床应用

4.1 缺血性脑血管疾病 导致人类死亡的三大疾病分别是心脏病、恶性肿瘤以及脑血管疾病,其中脑缺血性疾病在脑血管疾病中的发生率高达70%[15]。急性缺血性脑血管病,是严重威胁我国人民身体健康的重大疾病,致残率及病死率极高。在急性缺血性脑血管病的治疗中,如果只依靠时间窗或临床表现来评估患者基本情况和制定治疗方案并不全面,这时影像学就能够为患者的血流灌注情况以及血管情况提供至关重要的影像学信息[16]。随着科技的发展,ASL在缺血性脑血管疾病的作用日益增加,主要用于检测脑梗死,观察具有潜在脑梗死高危因素的患者脑内血流灌注的改变以及评价脑内血管的侧支循环。Okell等[17]对29例在症状出现后18 h内出现急性缺血性卒中的患者进行多个PLD时间的血管编码的伪连续动脉自旋标记(VE-PCASL)序列采集,发现多个PLD时间的VE-PCASL采集为量化急性卒中患者的侧支灌注和血液到达延迟及其与组织存活的关系提供了可能。Hartkamp等[18]通过检查卒中患者梗死部位和Willis环的形态来确定责任动脉,并用t-ASL灌注MRI评估脑供血动脉的脑灌注范围。研究表明,试图使用脑组织供血动脉来区分分水岭梗死和区域性梗死时,传统的灌注区域图并不可靠。这意味着,在大部分拥有颈动脉狭窄或者是颈动脉闭塞的中风患者中,通过传统的磁共振成像评估,是很难区分血栓栓塞和梗死灶的低灌注来源,但t-ASL技术可以为有症状的脑供血动脉的分类提供重要的补充信息。

t-ASL灌注成像技术还能用于评估脑卒中有颈动脉狭窄的患者手术前后病变部位的血管再通情况及灌注状态,以便更好地判断预后。Wang等[19]对47例大脑中动脉(MCA)梗死患者在再通前后均接受MR检查,获得3D-pcASL和t-ASL脑血流(CBF)图,并评估相应的Alberta卒中操作早期急性卒中分级评分(ASPECTS评分)。结果显示,再通后t-ASL所显示的患侧和对侧之间的绝对CBF值显著高于手术前,因此,t-ASL可以确定负责血管灌注区的低灌注并预测临床结果。Yamamoto等[20]发现可以通过t-ASL评估狭窄的颈内动脉在血运重建前后的灌注范围来检测颈动脉狭窄患者脑灌注的异常和变化。t-ASL技术可以明确显示颈动脉内膜剥脱术(CEA)和颈动脉支架植入术(CAS)所引起的有狭窄的颈内动脉灌注量的增加情况,从而使左右颈内动脉的灌注量趋于平衡。术前灌注量减少的患者往往比灌注量在正常范围内的患者更明显地增加。这种灌注量的增加抵消了颈动脉狭窄手术矫正后由于颈内动脉(ICA)流量增加而导致的CBF的显著增加。然而,在一些灌注容量减少的患者中,灌注容量仅有轻微增加,而ICA流量明显增加,导致CBF大幅增加,甚至过度灌注。这些发现提示,灌注容量增加和ICA流量增加之间的不平衡可能在导致术后CBF异常增加或过度灌注的病理生理学中起重要作用。在预测CEA/CAS术后可能发生大的高灌注综合征方面,t-ASL技术也具有重要的参考价值。徐慧敏[21]对30例颈动脉狭窄并拟行颈动脉内膜切除术的患者在术前及术后均进行t-ASL扫描,并对比前后脑血流量图及脑供血分布图。得出结论:(1)术后在患侧及对侧的CBF值均上的基础上,患侧的CBF 值升高大于健侧;(2)CEA术后双侧颈内动脉供血区及椎-基底动脉供血区的灌注体积(PV)明显升高;(3)CEA术后发生高灌注患者的术前PV显著低于非高灌注组,术后两组PV之间未见明显差异。由此可见,t-ASL作为一项新兴的脑灌注成像技术,既可以用于颈动脉内膜切除术术前风险预测,又可以用于术后的疗效评估。

4.2 t-ASL在脑肿瘤中的应用 t-ASL技术还可用于判断脑肿瘤的主要滋养血管,从而为临床的手术医生提供更多脑肿瘤的信息。脑膜瘤是最常见的良性颅内肿瘤,占中枢神经系统原发肿瘤的13%～26%。一般称为血供充足的肿瘤,大多由颈外动脉(ECA)分支供应,也有部分由ICA分支供应。手术是治疗有症状的大脑膜瘤(直径超过3 cm)的首选方法。数字减影血管造影(DSA)是目前评估脑膜瘤血液供给来源的金标准,但由于其费用高昂、有创性、对比剂造成的肾毒性等多因素使血管造影技术在临床上的使用受到一定限制。CTA虽然能够同时反映颅脑组织及颅骨的骨质情况,但却不能反映因肿瘤而改变的血流动力学信息。Lu等[22]通过研究提出t-ASL与3D-TOF-MRA联合能够更好识别脑膜瘤的主要供血动脉。而王猛等[23]的研究表明将t-ASL与3D-ASL联合运用能提高识别脑膜瘤供血来源的准确性,给临床医生进行手术方案的制订及评估预后提供了重要的参考;除此之外,在判定脑膜瘤血供来源的一致性上,联合ASL技术判定比单独用t-ASL或3D-TOF-MRA都要高。两者都通过t-ASL与其他技术的联合应用,对脑膜瘤供血血管进行的深入研究,并应用于临床实践。

颅内脑膜瘤的切除术可以通过术前栓塞来减少出血并发症。一般情况下通常通过DSA获得颈内和颈外动脉分支供血的详细信息,以防止非靶点栓塞,并有助于术前计划。Jensen-Kondering等[10]通过探讨超选择性动脉自旋标记(SASL)替代DSA的可能性。提示超选择性ASL可半定量描述颅内脑膜瘤的血供。对于可能从DSA和栓塞中获益的患者,它可以作为一种筛查方法。

4.3 在脑部疾病中的其他潜在应用 烟雾病(Moyamoya disease)是一种慢性进行性脑血管病,以其主要特征是两侧颈内动脉末端及其主要分支血管进行性的狭窄和闭塞,并伴有广泛的侧支血管生成[24]。包括异常的烟雾血管,来自Willis环的侧支,来自大脑后动脉的软脑膜侧支,以及来自眼动脉和颈外动脉(ECA)系统的跨硬脑膜侧支[25]。成人烟雾病(MMD)的首选治疗方法是手术血管重建术,将大脑的血管供应从缺血的ICA系统转换为ECA系统。刘兴炬[26]通过研究指出VE-ASL可以更直接地评估烟雾病搭桥手术的术前术后情况,为可能存在高灌注综合征的患者在术前及术后提供更多更有效的血流动力学信息。Gao等[27]为了探讨MMD术前单侧ICA、ECA和双侧椎动脉(VAS)供血的脑内灌注和灌注范围,进一步明确成人MMD术前出血的危险因素,联合t-ASL和3D-TOF-MRA技术表明t-ASL能以无创、直观、无放射性、平扫的方式全面显示MMD脑血流灌注,显示单侧ICA、ECA引起的灌注区域移位,3D-TOF-MRA可根据负责血流的动脉对t-ASL灌注区域移位进行细分。次级侧支的灌注区域移位是MMD患者术前出血的潜在独立危险因素。由此可见t-ASL和3D-TOF-MRA相结合的方法在MMD的评估、管理和手术策略规划中是一种可行的工具。Yuan等[28]通过对30例实施单侧颞浅动脉至大脑中动脉搭桥术治疗烟雾病的患者进行术前、术后,双侧颈内动脉、双侧颈外动脉和基底动脉的灌注检查,并用t-ASL与CT血管造影进行比较。得出t-ASL可直接显示血运重建所获得的血运重建面积(RA)及术后脑主要动脉灌注范围的改变。Hwang等[29]对诊断为烟雾病的患者在手术前后进行DSA和SS-ASL检查,使用DSA作为参考,评估了接受术前和术后SS-ASL研究的亚组中灌注状态的变化,结果显示SS-ASL的敏感度为92%。由此可见,t-ASL技术是烟雾病患者术后评估的一项有发展前景的技术。

5 展望

5.1 t-ASL灌注技术的不足 首先t-ASL技术的成像原理复杂、扫描时间长、扫描设备及技术要求高,因此部分区域及医院无法达到相应的设备要求。同时,操作者需要拥有丰富的经验以免发生扫描上的失误。其次,t-ASL技术在标记和成像之间存在延迟时间,一般来说,对于健康志愿者来说,这一延迟时间足以将标记血液充分输送到大脑,然而,随着主要供血动脉的严重阻塞和软脑膜侧支循环的延迟灌流,标记血液到达大脑的时间可能会增加。这可能会导致对血流范围或灌注量的低估,而较长的传输时间也限制了我们测量白质血流的适用性。最后扫描时需要患者高度配合,因此临床应用上仍受到不同程度的限制,急性起病的患者或无法配合磁共振扫描的患者并不适用于本技术。

5.2 t-ASL灌注技术的发展 t-ASL灌注技术可以监测脑供血血管的灌注面积,具有无创性,无需注射对比剂的优势,同时还可以分别显示椎动脉、基底动脉灌注面积和单侧椎动脉脑内供血面积、大脑Willis环及其各及分支血管区域甚至是脑内的小血管所供应的灌注区。与MRA相比,t-ASL灌注技术对于评估远端侧支循环血流具有优势。与其他灌注技术相比,选择性灌注图显示了3条主要供血血管的血运范围,便于更直观地显示责任血管严重狭窄或闭塞区域的灌注情况。

随着技术的不断改进,t-ASL技术有望实现不同的延迟时间的扫描,并对CBF、CBV等进行可视化测量;同时在扫描时间方面能够在保证图像质量的前提下缩短扫描时间,为临床诊治争取时间,实现对急性脑缺血疾病的精确评估。此外,因其可以对单根血管灌注情况的显示,区别与传统PWI及3D-ASL对整体脑血流灌注情况的显示,在替代PWI及3D-ASL等技术具有一定的优势。

利益相关声明：论文的全部作者声明,在课题研究和论文撰 写过程中不存在利益冲突。

作者贡献说明：论文构思为李晨和周智鹏,李晨进行相关检索与筛选,李晨撰写论文,周智鹏审校论文。