馬 進 張 翱

3D-ASL技術(shù)的研究進展及臨床應(yīng)用

馬 進 張 翱*

動脈自旋標(biāo)記（ASL）技術(shù)是一種內(nèi)源性對比劑的功能MRI（fMRI）技術(shù)，由于利用脈沖標(biāo)記的動脈血水質(zhì)子作為內(nèi)源性對比劑，使其具備無創(chuàng)、成本低、操作簡單、可重復(fù)檢查等優(yōu)點，有效避免了外源性對比劑所帶來的潛在風(fēng)險。3D-ASL是基于快速自旋回波（FSE）的螺旋K（spiral K）空間采集，能有效克服平面回波成像（EPI）所帶來的運動偽影和磁敏感偽影。與常規(guī)ASL相比，其主要優(yōu)勢包括成像范圍更廣，影像質(zhì)量更好，采集速度更快，信號定位更精準(zhǔn)等，故較常規(guī)ASL應(yīng)用范圍更廣，現(xiàn)就3D-ASL技術(shù)的研究進展及臨床應(yīng)用予以綜述。

三維動脈自旋標(biāo)記；功能磁共振成像；腦血流量；動態(tài)磁敏感對比增強；阿爾茨海默病

動脈自旋標(biāo)記（arterial spin labeling，ASL）技術(shù)是反映組織血流灌注情況的一種功能MRI（functional MRI,fMRI）技術(shù)，自1992年問世以來，ASL的理論研究及新序列開發(fā)不斷深入，它作為一種無創(chuàng)性灌注功能成像，得到了臨床醫(yī)生的廣泛認(rèn)可[1]。目前主要應(yīng)用于腦部臨床診斷及功能研究。

1 ASL的基本原理及分類

1.1 ASL的基本原理 ASL的工作原理是利用射頻脈沖標(biāo)記動脈血內(nèi)水質(zhì)子，帶標(biāo)記的動脈血流入成像平面后對組織進行灌注成像，此時采集圖像稱為“標(biāo)記像”，標(biāo)記像信號包括了流入標(biāo)記血流信號和原組織靜態(tài)信號；另單獨采集未標(biāo)記的靜態(tài)信號稱為“控制像”，將標(biāo)記像與控制像減影便得到灌注像，由于灌注像信號強度小、信噪比低，常需多次采集，最終才得到較理想的灌注像。

1.2 ASL的分類

1.2.1 連續(xù)動脈自旋標(biāo)記（continuous-ASL，CASL）CASL是利用連續(xù)快速反轉(zhuǎn)射頻脈沖對即將流進圖像采集區(qū)的動脈血進行標(biāo)記，其優(yōu)點主要有信噪比高、成像范圍大、標(biāo)記平面可根據(jù)要求隨意調(diào)節(jié)且可測量多層灌注影像[2]。由于CASL需要長時間的脈沖來維持磁場方向與磁化方向的夾角保持穩(wěn)定（即“隔熱”），而臨床目前廣泛使用的MRI設(shè)備不能滿足產(chǎn)生長脈沖的硬件要求，故臨床應(yīng)用較少。

1.2.2 脈沖式動脈自旋標(biāo)記（pulsed-ASL，PASL）

PASL是利用較短脈沖（10 ms）對即將流進采集區(qū)域的動脈水質(zhì)子高效標(biāo)記。其設(shè)備要求相對較低、操作簡單，在臨床上應(yīng)用廣泛，但因其脈沖短，對脈沖傳輸時間敏感性高，信噪比低、灌注均勻性較差且偽影較大而限制了成像范圍。

1.2.3 假連續(xù)脈沖動脈自旋標(biāo)記 （pseudo-CASL，PCASL） PCASL通過連串的射頻脈沖模擬連續(xù)的反轉(zhuǎn)脈沖，綜合了CASL與PASL的優(yōu)點。研究表明，PCASL技術(shù)的信噪比較PASL高50%，標(biāo)記率較CASL高12%[3]。

2 3D-ASL技術(shù)原理及優(yōu)勢

2.1 3D-ASL技術(shù)原理 常規(guī)的流動敏感交換式反轉(zhuǎn)回復(fù)序列 （fluid attenuated inversion recovery，F(xiàn)AIR）及信號靶向交替射頻序列采用2D和平面回波成像（echo planar imaging，EPI）采集，此法無法克服運動偽影和磁敏感偽影，且信噪比低。CASL信噪比高、成像范圍大，但對設(shè)備的要求較高。PASL標(biāo)記率高，對設(shè)備要求較低，但信噪比低，成像范圍小。3D-ASL依托于高穩(wěn)定性和高保真度的射頻平臺，能在短時間（1.5 s）內(nèi)完成1 000次以上的準(zhǔn)連續(xù)式標(biāo)記，實現(xiàn)了大范圍的全腦容積灌注成像，克服了PASL存在的信噪比低及灌注不均勻等缺點。此外，3D-ASL采用基于快速自旋回波（FSE）的螺旋K（spiral K）空間采集技術(shù)，MR成像系統(tǒng)將spiral K空間原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最后重建出高保真度的影像。spiral也稱為阿基米德螺旋，spiral采集是目前采集效率最高的采集方式，比EPI高20%[4]。同時spiral采集因其特殊的采集方式也可提高影像信噪比及降低運動偽影。

2.2 3D-ASL的技術(shù)優(yōu)勢及可靠性 3D-ASL技術(shù)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在無需對比劑，是一種利用內(nèi)源性質(zhì)子作為對比的灌注成像技術(shù)，它完全無創(chuàng)，避免了因?qū)Ρ葎┮鸩涣挤磻?yīng)的潛在風(fēng)險，且成本較低，可重復(fù)檢查，操作方便。在ASL技術(shù)廣泛應(yīng)用于臨床前已經(jīng)有多種組織灌注成像方法，主要有單光子發(fā)射體層成像 （single-photon emission computed tomography，SPECT）、正電子發(fā)射體層成像（positron emission tomography，PET）。SPECT采用放射性示蹤劑作為標(biāo)志物，標(biāo)記穩(wěn)定性高，但分子質(zhì)量較大，受組織滲透影響較大，且病人會受到一定劑量的輻射損傷，PET采用15O標(biāo)記的水分子作為標(biāo)志物，其主要缺點是15O半衰期較短，對時間敏感性高，操作較復(fù)雜。CT灌注需要外源性碘化物作為對比劑，且受輻射劑量較大。動態(tài)磁敏感對比增強（dynamic susceptibility contrast，DSC）是將順磁性對比劑注入體內(nèi)，利用磁敏感引起的信號改變來反映組織的灌注情況。大量研究證實采用ASL技術(shù)獲得了腦血流量（cerebral blood flow，CBF）值與 PET的吻合[5-7]，Chugh等[8]對小鼠模型的研究也表明3D-ASL技術(shù)能準(zhǔn)確提供12個大腦區(qū)域的CBF值。

3 3D-ASL的臨床應(yīng)用

3.1 3D-ASL在顱腦病變中的應(yīng)用 3D-ASL能夠較準(zhǔn)確地反映顱內(nèi)組織的灌注情況，對顱內(nèi)病變的定位及定性提供重要信息。3D-ASL技術(shù)可根據(jù)腫瘤血管密度及對血腦屏障破壞程度對腫瘤分類及分級，還可根據(jù)組織的灌注異常對腦血管病變、腦功能異常、腦損傷提供準(zhǔn)確的診斷信息。

3.1.1 顱內(nèi)腫瘤的分類及分級 顱內(nèi)腫瘤臨床類型較多，不同類型腫瘤及不同級別腫瘤治療方案不同，良性腫瘤手術(shù)難度小，復(fù)發(fā)率低；惡性腫瘤預(yù)后差，手術(shù)難度大，術(shù)后易復(fù)發(fā)，故對腫瘤進行分類及分級顯得特別重要。3D-ASL技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的全新的容積灌注成像技術(shù)，與傳統(tǒng)如PET、SPECT、DSC技術(shù)相比有較明顯優(yōu)勢，也突破了常規(guī)ASL的各種限制。王[9]對20例腦腫瘤病人（術(shù)后病理學(xué)檢查確診：轉(zhuǎn)移瘤7例，腦膜瘤6例，低級別膠質(zhì)瘤4例，高級別膠質(zhì)瘤2例，淋巴瘤1例）分別進行3D-ASL、MR常規(guī)+增強及DSC掃描，將采集圖像分析處理得出20例腫瘤的影像表現(xiàn)及局部相對腦血流量（relative cerebral blood flow，rCBF），結(jié)果經(jīng)統(tǒng)計學(xué)分析顯示均有意義。3D-ASL計算結(jié)果示高級別膠質(zhì)瘤rCBF：3.0±1.3，低級別膠質(zhì)瘤rCBF：0.6±0.2；轉(zhuǎn)移瘤強化部分表現(xiàn)為高灌注，中心壞死部分及周圍水腫部分為低灌注；淋巴瘤表現(xiàn)為稍高灌注，rCBF：1.8±0.3；腦膜瘤表現(xiàn)為高灌注，rCBF：3.5±1.9。3D-ASL和DSC計算出的CBF對比無差異。結(jié)果表明，3D-ASL能夠根據(jù)CBF值準(zhǔn)確地對不同腫瘤進行分類及分級，且與DSC相比無明顯差異。

對膠質(zhì)瘤常規(guī)增強掃描時，往往可見腫瘤強化邊界，但此邊界只能代表血腦屏障的破壞范圍，3DASL能夠清楚顯示異常高灌注范圍，顯示真正腫瘤邊界。許多腫瘤在常規(guī)增強時表現(xiàn)相似，如腦膜瘤及腦外海綿狀血管瘤，因均無血腦屏障，增強時都表現(xiàn)為明顯的均一強化，但海綿狀血管瘤病理基礎(chǔ)為血管腔隙缺少新生血管，3D-ASL掃描顯示為低灌注，而腦膜瘤則表現(xiàn)為高灌注。3D-ASL能評價腫瘤供血的改變狀況，這有助于判斷腫瘤的生長情況及侵襲性，也能根據(jù)腫瘤血供改變判斷腫瘤療效、復(fù)發(fā)等情況。

3.1.2 腦功能病變 阿爾茨海默病（Alzheimer disease，AD）與輕度認(rèn)知功能障礙（mild cognitive impairment，MCI）是引起癡呆的最常見病因。早先研究證實該病變與腦灌注密切相關(guān)。PET過去被認(rèn)為是評價腦灌注的金標(biāo)準(zhǔn)，利用PET對AD病人的研究提示其新陳代謝及血流灌注發(fā)生改變。但PET有諸多劣勢，如需要注射放射性示蹤劑，重復(fù)性低，費用高等。近年來發(fā)展起來的3D-ASL技術(shù)是一種完全無創(chuàng)的組織灌注成像技術(shù)，逐漸成為研究AD灌注異常的有力工具。Ding等[10]應(yīng)用3D-ASL序列對24例AD病人、17例MCI病人及21名正常對照者進行全腦掃描，測出相應(yīng)區(qū)域的CBF值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MCI病人相對于AD病人右側(cè)邊緣葉及基底節(jié)區(qū)（包括殼核、尾狀核、丘腦等）表現(xiàn)為高灌注，左側(cè)額葉、頂葉皮質(zhì)、右側(cè)枕葉、左側(cè)扣帶回為低灌注區(qū)，MCI病人與正常對照者比較，雙側(cè)額葉灌注量增高，AD病人與正常對照者比較顯示雙側(cè)額葉、頂葉及枕葉CBF值降低。結(jié)果表明，3D-ASL技術(shù)能夠為研究AD及MCI的病理基礎(chǔ)及灌注不足的代償機制提供有效信息。Takahashi等[11]對68例可疑AD病人行3D-ASL及SPECT檢查，結(jié)果表明3D-ASL與血流動力學(xué)因素相關(guān)性更大，對AD的診斷效率幾乎與SPECT相當(dāng)。Binnewijzend等[12]對71例AD病人、35例MCI病人及71名正常對照者行3D-ASL全腦掃描，測出相應(yīng)區(qū)域CBF值，統(tǒng)計結(jié)果證實3D-ASL MR成像有助于檢測AD病人前驅(qū)階段及更高階段的腦功能變化，從而評估AD嚴(yán)重程度。

3.1.3 缺血性腦血管病變 缺血性腦血管病變是由于腦組織處于低灌注狀態(tài)而引起的腦缺血缺氧的一系列癥狀，其主要原因為腦供血不足，包括腦血栓、腦梗死和短暫性腦缺血發(fā)作（transient inchemic attack，TIA），由于腦組織對缺血缺氧非常敏感且耐受性差，一旦缺血極易造成腦組織不可逆性損傷，特別是急性腦缺血，臨床上把握有效治療時間非常難，故對腦組織灌注異常的早期評價顯得相當(dāng)重要。研究發(fā)現(xiàn)，TIA病人3個月內(nèi)發(fā)生腦梗死概率平均為11%，發(fā)生腦梗死、TIA再發(fā)、心肌梗死及心肌梗死導(dǎo)致猝死總概率達(dá)到25%[13-15]。3D-ASL技術(shù)因其操作簡單、成本低、無創(chuàng)、檢查時間短等優(yōu)勢為急性腦缺血的診斷提供很大幫助。以往有研究者對腦梗死病人行3D-ASL及DSC掃描，證明3DASL技術(shù)測量CBF與DSC有相似的敏感性，并且3D-ASL具有成像范圍更廣、無創(chuàng)、重復(fù)性強等優(yōu)勢；另對30例TIA病人和30例急性或亞急性腦栓塞病人行3D-ASL及DWI掃描，結(jié)果證實3D-ASL對TIA病人有更高的檢出率，并且能更準(zhǔn)確地評估缺血半暗帶，為臨床治療提供可靠依據(jù)。初等[16]對105例基底動脈供血不足、腦梗死或不明原因頭暈病人及18例健康對照者行3D-ASL、DSC、MRA檢查，其中對71例TIA及腦梗死病人3D-ASL顯示的病變位置、程度與MRA一致，臨床表現(xiàn)異常所對應(yīng)的大腦投射區(qū)域與大腦灌注異常區(qū)域基本一致，且對TIA檢出率比DSC更高，與以往類似研究結(jié)果一致[17]。以上研究表明，3D-ASL能夠為缺血性腦血管病變提供可靠有效的影像依據(jù)。

3.1.4 其他 黃等[18]利用3D-ASL序列對43例急性創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）病人進行研究，結(jié)果顯示TBI病人存在不同程度的局部或全腦灌注減低，證實3D-ASL技術(shù)能夠為臨床診治TBI提供客觀的影像依據(jù)。另有研究者對無血管病變的頸性眩暈病人進行檢查，結(jié)果證實在眩暈發(fā)作時大腦某些血管供血區(qū)域CBF值明顯下降，眩暈原因可能與后循環(huán)缺血有關(guān)[19]。

3.2 3D-ASL的體部應(yīng)用 目前常規(guī)ASL技術(shù)已用于評價體部臟器灌注情況，但有關(guān)3D-ASL技術(shù)應(yīng)用于體部臟器的相關(guān)文獻(xiàn)較少?；?D-ASL的眾多優(yōu)點，將其應(yīng)用于體部如肺、心臟、腎、肝臟、前列腺等臟器的研究將成為該領(lǐng)域的熱點之一。

肺灌注作為一種無創(chuàng)的檢查方法其臨床應(yīng)用價值非常高，以往因心臟搏動及呼吸運動偽影干擾重、磁敏感不均勻、氣體含量高等因素，MR灌注成像質(zhì)量不高，隨著MR設(shè)備及理論的不斷完善，3DASL技術(shù)應(yīng)用于肺部疾病的診斷已經(jīng)取得初步效果。Schraml等[20]對33例肺纖維化病人及5例健康對照者行3D-ASL檢查，結(jié)果提示肺纖維化病人灌注量明顯低于健康對照者。另有研究[21]證明3D-ASL技術(shù)能夠為肺部疾病診斷提供客觀有效的幫助。

董等[22]對13例急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）病人行3D-ASL掃描，結(jié)果表明3D-ASL能為AKI病人的腎血流量（renal blood flow，RBF）進行可靠的量化分析。Rossi等[23]對9例腎功能損傷病人行ASL掃描，結(jié)果提示病人RBF值與健康對照者差異有統(tǒng)計學(xué)意義，證明3D-ASL能檢測腎功能紊亂及監(jiān)測腎功能變化。另有研究者[24-25]在對腎腫瘤分類及評價藥物導(dǎo)致腎毒性等方面均證實了3D-ASL技術(shù)對腎臟疾病診斷的價值。

4 展望

3D-ASL作為一種組織灌注成像的全新技術(shù)，能夠更安全地評價組織灌注水平，克服了常規(guī)ASL信噪比低、成像范圍小、采集時間長等缺點，具有無創(chuàng)、操作簡單、費用低、重復(fù)性好等優(yōu)點[16]。目前利用非局部均值法（non-local means，NLM）對ASL去噪，可實現(xiàn)在較少次數(shù)采集的基礎(chǔ)上得到更精確的血流影像。但3D-ASL作為一種新技術(shù)，理論基礎(chǔ)還需進一步完善，成像的精確性有待進一步提高。Roy等[26]對64例膠質(zhì)瘤病人研究表明3D-ASL技術(shù)能為膠質(zhì)瘤分級提供準(zhǔn)確信息，但由于自身的不足目前暫不能完全替代DSC技術(shù)。隨著MRI技術(shù)的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了多種改良技術(shù)，如流速選擇性動脈自旋標(biāo)記、高選擇性血管成像、血管編碼動脈自旋標(biāo)記(vessel encoded-ASL，VE-ASL)等，這些新技術(shù)不但提高了成像質(zhì)量，而且拓寬了ASL的應(yīng)用范圍[27]。3D-ASL作為一種灌注成像技術(shù)，今后的發(fā)展方向除了自身理論及技術(shù)的完善，同時也需要和其他技術(shù)聯(lián)合，如 3D-ASL結(jié)合平衡式穩(wěn)態(tài)自由進動（balance-steady state free precession，B-SSFP）顯示血管更加清晰，甚至能結(jié)合呼吸門控對肝腎動脈及其他內(nèi)臟血管的清楚顯示。另外，3D-ASL結(jié)合血氧水平依賴（blood oxygenation level dependent，BOLD）技術(shù)測量CBF更加精確。

總之，3D-ASL技術(shù)作為一種無創(chuàng)性的組織灌注成像法，對評價組織灌注已經(jīng)取得初步效果，目前主要應(yīng)用于顱內(nèi)病變的研究和診斷，隨著相關(guān)理論及技術(shù)的發(fā)展和完善，3D-ASL的臨床價值將越來越高，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。

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（收稿2014-07-16）

The research progress and clinical application of three-dimensional arterial spin labeling

MA Jin,ZHANG Ao.Department of Radiology,Yongchuan Hospital of Chongqing Medical University,Yongchuan 402160,China

Arterial spin labeling(ASL)utilizing the water in arteries as an endogenous contrast media is a functional magnetic resonance imaging with advantages of noninvasive,lower cost,simpler operation and repetition,and avoiding the potential side effects from exogenous contrast agents.Three-dimensional arterial spin labeling(3D-ASL)which is based on fast spin echo(FSE)spiral K space gathering can effectively overcome motion artifacts and magnetic susceptibility artifacts come from EPI.Compared with the conventional ASL,the main advantages of ASL are more wider image,better quality,faster gathering speed,more accurate signal location and so on.All of the mentioned advantages make it wider application than conventional ASL.The research progress and clinical application of 3D-ASL were reviewed.

Three-dimensional arterial spin labeling;Functional magnetic resonance imaging;Cerebral blood flow; Dynamic susceptibility contrast;Alzheimer’s disease

10.3874/j.issn.1674-1897.2015.01.Z0111

402160重慶，重慶醫(yī)科大學(xué)附屬永川醫(yī)院放射科

張翱，E-mail：826251694@qq.com

*審校者