多延迟动脉自旋标记技术在动脉重度狭窄或闭塞患者脑灌注评估中的价值

李璐璐，尚松安，莫小小,3，梅超,3，张宁贵，王雪,3，杨鑫,3，伍雅婷,3，叶靖*

作者单位 1.扬州大学临床医学院，扬州 225001；2.苏北人民医院医学影像科，扬州 225001；3.大连医科大学，大连 116031

0 引言

缺血性脑卒中（ischemic stroke, IS）是临床工作中最为常见的一类脑血管疾病，以中老年群体好发[1]，其发病后会严重损害患者的身心健康，且治疗预后较差，容易导致偏瘫等较为严重的并发症[2-3]。既往研究证实，颅内动脉狭窄或闭塞性改变是IS 发生的首要病因[4-5]，且精确地评估由此所导致的脑组织灌注变化可以有效地指导早期临床干预、保护神经功能、改善患者预后[6]。在神经影像学领域，CT 灌注成像（computed tomography perfusion imaging, CTP）、动态磁敏感对比增强（dynamic susceptibility contrast,DSC）及动脉自旋标记（arterial spin labeling, ASL）是较为常用的脑灌注成像方法[7-9]。其中，CTP 及DSC是基于使用对比剂进行成像，因其有创、难重复、潜在肾损伤等，一定程度上限制了其适用人群[10]。而ASL 则属于一项非侵入性检查技术，在不使用外源性对比剂的条件下即可实现脑血流量（cerebral blood flow, CBF）的量化，逐渐受到临床研究及应用的青睐[11-14]。

目前，准连续式动脉自旋标记序列（pseudo continuous arterial spin labeling, pCASL）是临床应用最广泛的方法，该技术较连续式ASL 及脉冲式ASL有较高的信噪比及高标记效能[15]，具有良好的可重复性[16]。但ASL 信号的变化受动脉到达时间（arterial transit time, ATT）这一关键血流因素的影响，尤其在表现为供血动脉发生狭窄或闭塞的人群中，ATT 是显著延长的。因此，应将ATT 纳入考虑以减少对CBF的测量误差[17]，既往有研究采用多延迟动脉自旋标记（muti-delayed arterial spin labeling, mASL）技术设置多个标记后延迟（posted labeling delay, PLD）时间计算ATT，获得校正后的CBF，从而获取更加准确的脑血流灌注信息[18-20]。尽管如此，对于供血动脉重度狭窄或闭塞患者的脑组织低灌注状态，pCASL 及mASL 技术对其CBF 的测量是否存在差异性，尚亟待研究证实。此外，pCASL仅获得CBF参数，而通过mASL 技术能够获取ATT 及动脉脑血容量（artery cerebral blood volume, aCBV）这些额外信息，其在评估脑组织血流变化方面的价值还需进一步探讨。本研究对比分析应用pCASL 和采用5 个PLD 时间的mASL在评估单侧颈内动脉或大脑中动脉重度狭窄、闭塞患者脑灌注中的差异并深入探讨ATT 及aCBV在脑组织灌注评估中的意义。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经江苏省苏北人民医院伦理委员会批准，全体受试者均签署了知情同意书，批准文号：2023js011。前瞻性纳入2022 年6 月至2023 年6 月于江苏省苏北人民医院神经内科就诊表现为缺血性脑血管病症状并且经三维时间飞跃法[21]（3D time of flight, 3D TOF）磁共振血管成像（magnetic resonance angiography, MRA）证实为单侧颈内动脉或大脑中动脉重度狭窄、闭塞。其中，动脉狭窄程度测量标准参照北美症状性颈动脉内膜剥脱试验[22]：狭窄率（%）=[1-（最狭窄处动脉直径/狭窄远端正常动脉直径）]×100%，狭窄率在70%～99%为重度狭窄，狭窄程度＞99%为闭塞。主要临床症状表现包括肢体无力、活动不利、偏身麻木、头晕头痛和言语不清等。入院至检查时间在7天以内。

入组标准：（1）临床表现为缺血性脑血管疾病症状的患者；（2）经3D TOF MRA 证实为单侧颈内动脉及大脑中动脉重度狭窄、闭塞；（3）发病至入院时间＞4.5 h，入院后未接受溶栓或血管内治疗；（4）患者年龄＞18周岁，未合并颅内出血、占位、感染性疾病及严重贫血、心力衰竭等影响血容量的疾病；（5）患者或家属签署知情同意书。排除标准：（1）双侧颈内动脉或/和大脑中动脉发生重度狭窄、闭塞；（2）经弥散加权成像证实发生大面积脑梗死者；（3）脑梗死慢性期患者。

1.2 扫描仪器及参数

所有患者均采用联影MR790扫描仪及32通道头颈联合线圈进行检查，均行常规颅脑MRI 扫描序列[T1WI、T2WI、T2 液体衰减反转恢复（fluid-attenuated inversion-recovery, FLAIR）序列加权成像、弥散加权成像]、pCASL及mASL扫描序列。

pCASL使用三维准连续式动脉自旋标记序列，扫描参数如下：重复时间5 080 ms，回波时间13.86 ms，标记时间1 800 ms，PLD 时间2 020 ms，覆盖全脑，视野224 mm×224 mm，层厚4 mm，扫描时间1 min 31 s。

mASL使用三维准连续式动脉自旋标记序列，扫描参数如下：重复时间5 768 ms，回波时间13.86 ms，标记时间1 800 ms，5 个PLD 时间分别为500、1 000、1 500、2 000、2 500 ms，覆盖全脑，视野224 mm×224 mm，层厚4 mm，扫描时间3 min 19 s。

1.3 图像处理与分析

ASL原始数据信息导入联影后处理工作站，应用脑灌注分析软件HSW-uWS-MR-BrainPerfusion-ASL 3D 进行处理，将pCASL 及mASL 所得原始图像导入脑灌注分析软件，经运动校正后分别自动生成全脑CBF 伪彩图及校正后全脑cCBF（corrected cerebral blood flow, cCBF）、ATT 和aCBV 伪彩图。所有图像分别由两名分别具有10 年（医师1，副主任医师）和5 年（医师2，主治医师）神经影像诊断经验的医师采取随机、双盲法进行分析，分析内容包括：观察并测量动脉狭窄侧pCASL 及mASL 所显示的异常灌注区域及病变区脑皮层表面与皮层下是否存在匍匐走行条线状异常高信号，将其分为低灌注、正常灌注、高灌注及低灌注伴局部高信号，其中，将动脉狭窄侧CBF＜40 mL/（100 g·min）定义为低灌注，40≤CBF≤100 mL/（100 g·min）定义为正常灌注，CBF＞100 mL/（100 g·min）定义为高灌注。将两名医师的判断结果逐一进行比较，当意见不一致时通过协商解决分歧。其次，分别在全脑CBF 伪彩图及校正后全脑cCBF、ATT 和aCBV 伪彩图上选取灌注异常区域手动勾画感兴趣区（region of interest, ROI）获得脑灌注参数值CBF2020ms及cCBF、ATT、aCBV 和对侧动脉到达时间（relative arterial transit time, rATT），每例患者选取5 个不同的部位测量并取平均值，对侧的ROI通过后处理软件的对称功能以确保位于相同位置。其中，aCBV＜0.5 mL/100 g 定义为脑血容量（cerebral blood volume, CBV）减少，0.5≤aCBV≤1.2 mL/100 g 定义为CBV正常，aCBV＞1.2 mL/100 g定义为CBV增加。

1.4 统计学方法

应用SPSS 26.0统计学分析软件，P＜0.05表示差异有统计学意义。本研究的连续变量采用Shapiro-Wilk检验，均服从正态分布，计量资料以均数±标准差表示，计数资料以例（%）表示。采用Kappa一致性检验分析两位观察者评判pCASL 及mASL 显示动脉狭窄侧灌注结果是否具有一致性。其中，Kappa 值在0～1 之间，0.00～0.20 表明一致性极低，0.21～0.40 表明一致性一般，0.41～0.60表明一致性中等，0.61～0.80表明高度一致，0.81～1.00 表明几乎完全一致。采用配对样本t检验分析比较受试者动脉狭窄侧pCASL 和mASL 分别所得灌注参数值CBF2020ms与cCBF 的差异，独立样本t检验分析比较受试者ATT 与rATT 的差异。

2 结果

2.1 一般资料分析

本研究共纳入患者34例，其中男23例，女11例，年龄（60.1±2.4）岁，包括动脉重度狭窄患者18 例，动脉闭塞患者16例。责任血管包含颈内动脉及大脑中动脉：单侧颈内动脉重度狭窄或闭塞患者14例，包括颈内动脉起始段7 例，颈内动脉颅内段6 例及颈内动脉颅外段合并颅内段1例；单侧大脑中动脉重度狭窄或 闭 塞 患 者16 例，包 括M1 段8 例，M2 段4 例 及M1段合并M2段4例；单侧颈内动脉合并大脑中动脉重度狭窄或闭塞患者4例。

2.2 观察者间一致性比较

对于pCASL 及mASL 所得灌注图像动脉狭窄侧异常灌注表现的判定，两名观察者间的Kappa系数为0.788，P值＜0.001，表明两观察者间具有高度的一致性。

2.3 pCASL及mASL显示脑组织灌注特点

在34 例患者中，10 例pCASL 及mASL 显示灌注结果一致，其中8例均表现为动脉狭窄侧低灌注，2例均表现为低灌注伴局部高信号；24 例显示灌注结果不完全一致，其中3 例pCASL 表现为正常灌注，mASL 表现为低灌注，21 例pCASL 表现为低灌注伴局部高信号，mASL 表现为低灌注，见表1。显然，在显示低灌注方面，mASL（94.1%）较pCASL（23.5%）更具优势。

在34 例患者中，mASL 示动脉狭窄侧ATT 值大于rATT 值[（1 625.1±213.5）ms vs.（1 207.1±235.9）ms，P＜0.001]，差异具有统计学意义。

在8 例pCASL 及mASL 均表现为低灌注的患者中，动脉狭窄侧CBF2020ms值低于cCBF 值[（19.5±10.0）mL/（100 g·min）vs.（24.8±12.8）mL/（100 g·min），P=0.173]，差异无统计学意义；mASL 显示动脉狭窄侧ATT 值较对侧延长[（1 512.8±284.8）ms vs.（1 319.6±242.8）ms，P=0.005]，差异具有统计学意义，见图1。

图1 女，79岁，左侧肢体无力，言语不清1天。1A：3D TOF MRA示右侧颈内动脉起始段重度狭窄，1B：DWI示右侧额顶叶及半卵圆中心多发急性梗死灶；1C～1F依次为pCASL处理后得到的CBF伪彩图，mASL处理后得到的cCBF、ATT及aCBV伪彩图，提示pCASL及mASL灌注结果显示一致，表现为右侧额顶叶低灌注，未见局部异常高信号，ATT较对侧延长，aCBV减少。图2 女，65岁，发作性言语不清伴肢体无力4天。2A：3D TOF MRA 示左侧颈内动脉颅内外段多发重度狭窄；2B：DWI 示左侧额叶亚急性梗死灶；2C～2F 依次为pCASL 处理后得到的CBF 伪彩图，mASL 处理后得到的cCBF、ATT 及aCBV 伪彩图，提示pCASL及mASL灌注结果显示一致，左侧额顶叶低灌注伴局部高信号，并可见cCBF伪彩图局部高信号减少，左侧额顶叶ATT 较对侧延长，局部aCBV增加。3D TOF MRA：三维时间飞跃法磁共振血管成像；DWI：弥散加权成像；pCASL：准连续式动脉自旋标记序列；CBF：脑血流量；mASL：多延迟动脉自旋标记；cCBF：校正后的脑血流量；ATT：动脉到达时间；aCBV：动脉脑血容量。Fig.1 Female, 79-year-old , presented with left limb weakness and slurred speech for 1 day.1A: 3D TOF MRA shows severe stenosis in the initial segment of the right internal carotid artery; 1B: DWI shows multiple acute infarction in the right frontal-parietal lobe and centrum ovale; 1C-1F: CBF processed from pCASL, cCBF, ATT and aCBV processed from mASL, indicating that pCASL and mASL perfusion results are consistent, with right frontal-parietal hypoperfusion, no local abnormal high signal,ATT is longer with the opposite side, and the aCBV is decreased.Fig.2 Female, 65-year-old , presented with paroxysmal slurred speech and limb weakness for 4 days.2A: 3D TOF MRA shows multiple severe stenosis in the intracranial and external segments of the left internal carotid artery; 2B: DWI shows left frontal subacute infarction;2C-2F: CBF processed from pCASL, cCBF, ATT and aCBV processed from mASL, indicating consistent perfusion results, left frontal-parietal hypoperfusion with local high signal, and cCBF shows local high signal decreased, left frontal-parietal ATT is longer with the contralateral side, and local aCBV is increased.3D TOF MRA: 3D time of flight magnetic resonance angiography; DWI: diffusion-weighted imaging; pCASL: pseudo continuous arterial spin labeling; CBF: cerebral blood flow; mASL:muti-delayed arterial spin labeling; cCBF: corrected cerebral blood flow; ATT: arterial transit time; aCBV: artery cerebral blood volume.

在2 例pCASL 与mASL 均表现动脉狭窄侧低灌注伴局部高信号患者中，mASL灌注表现中局部高信号减少，且ATT延长，局部aCBV增加，见图2。

在21例pCASL表现为动脉狭窄侧低灌注伴局部高信号，mASL表现为低灌注患者中， CBF2020ms值显著高于cCBF[（38.9±11.7）mL/（100 g·min）vs.（21.0±6.6）mL/（100 g·min），P＜0.001]，动脉狭窄侧ATT值显著长于rATT[（1 669.0±145.8）ms vs.（1 154.4±190.2）ms，P＜0.001]，差异均有统计学意义，见图3。

图3 男，45岁，右侧上肢乏力7小时。3A：3D TOF MRA示左侧大脑中动脉M1段重度狭窄；3B：DWI示左侧额顶叶多发急性梗死，考虑分水岭梗死；3C～3F依次为pCASL处理后得到的CBF伪彩图，mASL处理后得到的cCBF、ATT及aCBV伪彩图，提示pCASL及mASL显示灌注结果不完全一致，pCASL提示左侧额顶叶低灌注伴局部高信号，mASL提示左额顶叶低灌注，未见局部高信号，ATT显著延长，aCBV减少。 图4 女，55岁，头晕4天。4A：3D TOF MRA示右侧颈内动脉起始段重度狭窄；4B：DWI示无明显急性梗死灶；4C～4F依次为pCASL处理后得到的CBF伪彩图，mASL处理后的cCBF、ATT及aCBV伪彩图，pCASL示未见明显异常低灌注区域，mASL 示右侧顶叶低灌，ATT 延长，aCBV 保持正常。3D TOF MRA：三维时间飞跃法磁共振血管成像；DWI：弥散加权成像；pCASL：准连续式动脉自旋标记序列；CBF：脑血流量；mASL：多延迟动脉自旋标记；cCBF：校正后的脑血流量；ATT：动脉到达时间；aCBV：动脉脑血容量。Fig.3 Male, 45 years old, presented with right upper limb weakness for 7 hours.3A: 3D TOF MRA shows severe stenosis in the M1 segment of the left middle cerebral artery; 3B: DWI shows multiple acute infarction in the left frontal-parietal lobe, considering watershed infarction; 3C-3F: CBF processed from pCASL,cCBF, ATT and aCBV processed from mASL, indicate that pCASL and mASL showed incomplete consistent perfusion results, pCASL indicates hypoperfusion of left frontal and parietal lobes with local hyperintensity, mASL indicates hypoperfusion of left frontal and parietal lobes, no local hyperintensity, significant extension of ATT, and reduced aCBV.Fig.4 Female, 55-year-old, presented with dizziness for 4 days.4A: 3D TOF MRA shows severe stenosis in the initial segment of the right internal carotid artery; 4B: DWI shows no obvious acute infarction; 4C-4F: CBF processed from pCASL, cCBF, ATT and aCBV processed from mASL,pCASL shows no obvious abnormal hypoperfusion area, mASL shows right parietal hypoperfusion, ATT extension, and the aCBV remains normal.3D TOF MRA:3D time of flight magnetic resonance angiography; DWI: diffusion-weighted imaging; pCASL: pseudo continuous arterial spin labeling; CBF: cerebral blood flow;mASL: muti-delayed arterial spin labeling; cCBF: corrected cerebral blood flow; ATT: arterial transit time; aCBV: artery cerebral blood volume.

在3例pCASL 表现为正常灌注的患者中，mASL表现为动脉狭窄侧局部低灌注，ATT 显著延长，aCBV保持正常，见图4。

3 讨论

本研究对比分析应用pCASL 和采用5 个PLD 时间的mASL 评估单侧颈内动脉或大脑中动脉重度狭窄、闭塞患者脑灌注的差异，结果显示在供血动脉重度狭窄、闭塞患者中，采用mASL成像技术，基于ATT进行校正，可以改善pCASL 对CBF 量化的低估，减少动脉通过伪影（artery transmit artifact, ATA）对脑灌注评估的影响，联合参数ATT及aCBV能够更加全面评估脑组织缺血后复杂多变的灌注状态，为临床医师选择个体化治疗方案提供依据。本研究是国内首次探讨mASL 成像技术在单侧颈内动脉或大脑中动脉重度狭窄、闭塞患者的脑灌注评估中的价值。

3.1 mASL成像技术的优越性

在IS 患者中，维持脑血流动力学稳定至关重要，因此临床上需要对脑组织灌注进行评估以选择最优的治疗策略。ASL 是一种无创的脑灌注定量评估技术，已广泛应用于临床研究[23]。当ASL 应用于伴有供血动脉重度狭窄或闭塞的患者时，由于ATT 延长，应适当选择较长的PLD 时间提高CBF 量化的准确性[24]。依据动脉自旋标记脑灌注MRI 技术规范化应用专家共识[25]，在应用单个PLD 时间进行ASL 成像时，推荐设置时间为2 025 ms。然而，由于脑组织血管床血液含量不同及供血动脉不同病理状态会导致不同体素之间ATT 的差异，进而影响CBF 测量的准确性。mASL 技术通过设置多个PLD 时间计算全脑各体素ATT，并依此校正CBF，可以有效地消除ATT差异导致的测量CBF 的误差。LYU 等[26]研究认为设置5 个PLD 时间对于测量CBF 具有较好的重复性。因此，本研究采用PLD 时间为2 020 ms 的pCASL 和设置5 个PLD 时间的mASL 技术同时对患者进行脑灌注成像，比较两者显示灌注异常的差异，结果表明pCASL 对动脉狭窄侧灌注减低区域存在一定程度的低估，这与既往研究结果[27-28]一致。由此可见，mASL技术能够改善对脑组织CBF 的低估，并通过计算获取参数ATT 及aCBV，从而全面评估脑组织缺血后灌注变化。

3.2 ATA 在动脉重度狭窄或闭塞患者脑血流量评估中的影响

在供血动脉发生严重狭窄或闭塞导致的慢性脑缺血过程中，ATT 显著延长[28]，本研究得出相一致的结论，笔者分析包含以下两个潜在原因：一是因为供血动脉狭窄，直接导致血流速度缓慢；二是因为供血动脉发生重度狭窄及闭塞导致大脑启用迂曲细长的侧支循环进行代偿，间接影响脑血流到达时间。既往研究表明侧支循环是ATT 延长的主要原因[18]。在pCASL成像中，当ATT延长，将导致被标记的血液滞留于血管内，显示为病变区脑皮层表面与皮层下匍匐走行的条线状异常高信号[23,29]，被称为ATA，在一定程度上会导致对脑血流量的高估。本研究发现，多数患者在pCASL 成像中出现ATA 现象，当采用mASL 技术成像时，多数患者表现为灌注减低，ATA现象消失。这表明采用mASL 可以有效减少ATT 延长导致的ATA 现象，从而突出被ATA 现象所掩盖的低灌注区域，有效避免其对CBF 量化的影响，据此诊断医师能够更加敏感地发现脑组织缺血区域，提高诊疗效率。

3.3 aCBV 在动脉重度狭窄或闭塞患者脑灌注评估中的意义

aCBV 是评估脑组织灌注状态和血管活性的重要指标[30-31]。它直接反映了脑组织的血液供应能力，是维持脑组织正常生理功能和代谢活动的必要条件。aCBV 的变化会影响脑组织的正常功能，因此对其进行监测和评估具有重要意义。参照高培毅[32]研究将梗死前低灌注状态分期，其中脑循环储备失代偿期的Ⅱ期表现为达峰时间、平均通过时间延长以及相对脑血流流量下降，相对CBV 基本正常或轻度下降。该阶段内脑循环及脑代谢均失代偿，星形胶质细胞足板易发生肿胀，部分神经元已处于凋亡过程中，若缺血进一步加重，将导致神经元不可逆的损伤。本研究发现，在部分单侧供血动脉发生重度狭窄、闭塞患者中，pCASL 成像中未提示明显的低灌注区域，而采用mASL 成像时，可以发现存在低灌注区域并伴有ATT 延长，但aCBV 保持正常，且患者均未发生急性梗死灶。我们推测这部分患者在发生单侧供血动脉重度狭窄或闭塞时，颅内可以形成代偿良好的侧支循环维持aCBV，满足脑细胞的基本代谢需求，从而避免发生急性缺血事件。但由于侧支循环的迂曲细长，在采用pCASL成像时，被标记的血液相对缓慢，部分停留在微血管间，导致采集信号增高，进而在一定程度上高估了脑血流灌注，无法提示缺血区域。因此，mASL获得多参数可以早期敏感地识别因供血动脉狭窄处于脑循环储备失代偿期的脑组织，及时采取积极的干预措施，延缓脑组织缺血进展。

本研究中，2 例患者在mASL 成像校正后，仍存在低灌注区域伴有局部高信号，但局部高信号数量减少，同时aCBV 显著增加，表明患者存在局部脑组织高灌注。分析其主要原因可能是长期脑动脉狭窄或闭塞条件下，颅内可代偿开放前、后交通动脉，大脑前与中动脉之间、大脑中与后动脉之间的吻合侧支循环，由于局部低氧代谢，血管扩张，血流缓慢，从而导致局部血容量增加。其次，可能与病变血管部分自发性再通有关。既往有研究显示约30%未经过血管内治疗的脑梗死患者的责任血管在症状出现后的1 周内仍会出现自发性再通[33]。研究证明，3D pCASL 检查下显示的梗死后高灌注与出血转化相关，且认为迟发（首发症状12 h 以上）的过度灌注更有可能发生严重的出血转化[34-35]。mASL技术可以显著减少ATA 对脑组织局部高灌注评估的干扰，同时结合参数aCBV 可以更为精准地呈现高灌注区域，为患者预后评估提供有益的线索和依据。

3.4 本研究的局限性

本研究尚存在以下局限性：第一，本研究样本量较小，仅纳入颈内动脉及大脑中动脉重度狭窄、闭塞患者进行对侧比较性研究，还需要进一步扩大研究样本细化责任血管进行定量分析。第二，本研究采用动脉供血区域手工勾画ROI 获取平均值的方法，未能分别测量供血动脉ROI 灰质和白质的脑血流灌注参数，不利于分析对于脑血流灌注更加敏感的灰质区域，且手工勾画ROI 可重复性较差，依赖于操作者，需在多个层面上手动绘制ROI，耗时较长。今后需要开展自动分割技术以提高效率并进行脑实质的分区进行深入探讨。第三，本研究未纳入美国国立卫生院卒中量表及脑卒中改良Rankin 量表等神经量表对患者的转归进行相关性研究，后续将进一步跟踪随访。

4 结论

综上所述，mASL 技术获取多个灌注参数，更加全面地对脑组织血流变化进行评估，为供血动脉重度狭窄、闭塞患者的脑灌注评估提供了一种无创、准确且敏感的检查方法，从而协助临床医生选择适当的诊治措施以及评估治疗效果，具有极高的应用价值和发展前景。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。

作者贡献声明：叶靖设计本研究的方案，对稿件关键内容进行了修改，获得了扬州市重点研发项目及苏北人民医院科研基金项目的资助；李璐璐起草和撰写稿件，获取、分析和解释本研究的数据；尚松安、莫小小、梅超、张宁贵获取、分析本研究的影像资料，对稿件重要内容进行了修改；王雪、杨鑫、伍雅婷获取、分析本研究的临床数据，对稿件重要内容进行了修改；全体作者都同意发表最后的修改稿，同意对本研究的所有方面负责，确保本研究的准确性和诚信。