动脉自旋标记灌注MR成像（ASL-MRI）

动脉自旋标记灌注MR成像（ASL-MRI）摘要：灌注成像（Perfusion Imaging）可以用来评价组织的生理活动，基于磁共振（Magnetic Resonance, MR）的灌注成像质量好、安全性高。

利用MR可以使用外源性示踪剂进行MR灌注成像，也可以应用内源性示踪剂进行动脉自旋标记（Arterial Spin Labeling，ASL）灌注成像。

本文主要介绍利用ASL技术进行灌注成像的发展历史、基本原理、最新前沿及应用（发展的新动态、新趋势、新水平、新原理、新技术、新应用等）以及仍然存在的问题。

关键词：灌注成像；动脉自旋标记；磁共振成像背景灌注（Perfusion）是指血液通过毛细血管网与组织进行氧、养分及代谢物交换，维持组织器官的活性和功能的过程。

灌注过程中，携带含氧血红蛋白的动脉血给细胞供氧并带走代谢产生的CO2，形成带有脱氧血红蛋白的静脉血。

灌注成像可以很好地评价组织生理活动。

在ASL成像中，灌注一般指的是血流量（Blood flow）。

血流的定量测量基于物质守恒的费克定律（Fick principle），通过测量组织中示踪剂的浓度，假设已知部分系数（partition coefficient）λ 和动脉中示踪剂的浓度，可以计算得到血流量 f（mL/(100g组织·min)）。

正电子发射断层成像（PET）和单光子发射断层成像（SPECT）都可以定位放射性核素的发源地，从而对血流量进行测量。

其中，PET背景噪声较低，是目前最准确的灌注测量技术。

这两种技术采用连续注入半衰期较短示踪剂，示踪剂随血流在组织内分布和聚集，根据示踪剂局部积累和衰减情况及进行定量评价；而ASL MRI 则利用标记过的水作为示踪剂，通过标记水和组织进行交换来定量灌注，T1 弛豫提供一个可测量的衰减率。

ASL MRI 技术因其不需要外源性示踪剂，无辐射而在灌注方面得到广泛的应用。

发展历史1992年，Detre等人用连续的RF脉冲链来标记颈部动脉（CASL），成功地得到了大鼠脑部灌注图像。

1994年，Edelman等提出了基于靶向射频平面回波成像（EPISTAR）技术的脉冲式动脉自旋标记（PASL）技术。

1995年，Kwong等提出了基于流动敏感选择翻转恢复（FAIR）的PASL技术。

1998年，Wong等引入了单次剪影量化灌注成像二代（quantitative imaging of perfusion using a single subtractionⅡ，QUIPSSⅡ）方案[1]，以便于量化血流灌注情况。

1999年，Luh等将QUIPSSⅡ方案改进为QUIPSSⅡ薄层TI1周期性饱和脉冲（QUIPSSⅡwith thin slice TI1 periodic saturation，Q2TIPS）方案，使得PASL的灌注测量更为准确，并解决了多层采集的问题。

2006年，Wong提出了速度选择动脉自旋标记方法（ Velocity selective )。

2007年，Wong首次提出了血管编码动脉自旋标记技术（ Vessel-encoded ASL ）。

2007年，Wu等人提出了伪连续动脉自旋标记技术（PCASL）。

2008年，Dai等基于pCASL技术提出了全脑三维灌注解决方案，即3DASL，为ASL技术应用于临床打下了基础。

2012年，国际医学MRI协会（international society for magnetic resonance in medicine, ISMRM）、欧洲ASL和痴呆研究小组（European consortium ASL in dementia, AID）起草了ASL技术及应用的白皮书。

2015年，中华医学会放射学分会磁共振学组提出《动脉自旋标记脑灌注MRI技术规范化应用专家共识》[2]。

2016年，Lyu等采用2个甚至多个标记后延迟时间，为ASL量化侧支循环血流提供了可能。

ASL技术的应用开始走向规范化道路，并越来越多地应用于临床及科研工作。

基本原理如果动脉血液中的自旋弛豫状态与组织自旋不同，当血液流入组织后会改变组织的整体磁化强度，磁共振技术可以检测出这种变化。

ASL便是利用这种现象，采用饱和（saturation）或翻转（inversion）脉冲来标记动脉血液中的自旋，标记过的血液自旋可看作自由扩散的内源性的示踪剂，能够与脑组织进行水交换并达到一个稳态，此时采集的MR信号受到多种因素的影响，例如，脑血流（CBF）、血液T1、脑组织T1、脑-血部分系数等。

正是利用这种MR信号与血流的相关性，才能够从MR图像中获得血流信息。

如图1中所示，ASL技术分别采集标记像和参照像，将标记像与参照像相减，差值图像中包含了成像区域内组织的灌注信息，从而可以定量计算出灌注图像[3]。

图 1 标记图像和参考图像的获得。

ASL技术定量测量灌注，依赖与T1弛豫率、标记方式、成像质量等多种因素。

按标记方式可以大致分为两大类：连续动脉自旋标记（Continuous ASL）和脉冲动脉自旋标记（Pulsed ASL）。

连续动脉自旋标记（Continuous ASL）CASL是最早实现的MR脑灌注成像的标记方式。

CASL技术在成像层面的上游施加了连续的RF脉冲，改变流入目标组织区域内的血液自旋纵向磁化强度Mz，标记的时间较长，图像整体信噪比较高。

CASL标记脉冲可以采用连续饱和[4]或者连续翻转脉冲[5]。

连续饱和脉冲连续饱和脉冲动脉自旋标记计算通过使用连续饱和脉冲饱和流过颈部特定层面的动脉血的自旋以达到标记的目的。

饱和的自旋作为内源性的示踪剂，经过一段时间后流入脑部，与大脑中的自旋进行交换，达到稳态后采集特定大脑层面的图像，图像的信号大小反映了局部的脑血流量信息，同时受到局部的T1影响。

最后获得T1app图像，标记图像和参考图像以计算反映脑血流量的量化灌注图像。

连续翻转脉冲连续翻转脉冲动脉自旋与连续饱和脉冲动脉自旋标记的主要区别在于用于标记自旋的脉冲不同。

连续翻转脉冲通过翻转自旋纵向磁化强度来对自旋进行标记[6]。

连续翻转脉冲实现起来更加容易，图像信号的动态范围提高了两倍，并且提高了时间分辨率和空间分辨率。

为了消除磁化转移效应，再采集参考图像时，同样使用了标记脉冲，但是施加在相对于成像层面，标记图像的镜像位置，如图2所示。

图2 连续动脉自选标记标记像和参考像标记脉冲及其标记层面位置。

连续动脉自旋标记技术的主要缺点是需要较长（1~3s）的标记脉冲施加于成像层面流入侧的较窄平面；标记的自旋在流入脑的期间会发生弛豫导致最终的灌注信号下降；连续的脉冲容易导致能量的聚集，使得SAR值较高；自旋标记的效率会受到流入血液流速和角度的影响，所以需要尽量使得标记层面于动脉垂直；CASL还会受到磁化强度转移效应的影响，虽然可以使用镜像标记或者双线圈的方法进行消除，但是对MRI成像设备提出了更高的要求。

脉冲自旋标记（Pulsed ASL）与CASL不同的是，CASL采用连续的RF脉冲来进行磁化标记，而脉冲自旋标记技术使用的是单个短RF脉冲（总持续时间一般为10～20 ms）来进行标记的。

使用比较多的脉冲标记方式包括：EPISTAR (echo-planar MR imaging and signal targeting with alternating radio frequency，靶向射频平面回波成像)[7]、PICORE (proximal inversion with a control for off-resonance effects，近端反转控制偏共振效应)[8]和FAIR (flow-sensitive alternating inversion recovery，流动敏感交替反转恢复)[9]。

EPISTAREPISTAR利用EPI进行图像采集，是PASL第一个实现方案。

标记像采集时对靠近成像平面的一片区域实施翻转，参照像则在标记区域相对成像平面的镜像区域进行翻转，如图3所示。

PICOREPICORE中，标记像的标记方式与EPISTAR相同，但是对于参考像，施加翻转脉冲时没有梯度场的存在，如图 3所示。

FAIRFAIR的参考像是通过对成像区域进行选择性翻转脉冲完成的；标记像是对大范围区域实施非选择性翻转，如图 3所示。

图3 EPISTAR、PICORE、FAIR标记方式所对应的标记方式。

其中，虚线表示的是参考图像标记位置，实线表示的是标记图像标记位置。

不同的PASL脉冲标记方法之间的主要区别，在于对静脉流入效应的敏感性不同。

从大脑上部流入成像层面的静脉血在FAIR技术采集的图像里会引起正的伪影，在EPISTAR里会引起负的伪影，PICORE则不产生伪影，如图4所示。

FAIR标记方法是一种稳妥谨慎的策略，可以确保完全标记所有流入的动脉血液，不会遗漏任何一侧流入感兴趣区域的动脉血液。

FAIR的切片边界通常比EPISTAR和PICORE更窄，标记边界的轮廓也更将锐利。

虽然三种标记方式所获的的图像都是可以接受的，但是应用较多的还是FAIR标记技术。

图4 不同标记方式下灌注图像中显示的不同静脉血伪影。

蓝色框中标出的是静脉窦所在位置。

PASL对流速变化不敏感，标记效能高于CASL（可超过95%）；产生更低的RF能量沉积（相较于PCASL)，也就是SAR值比较低；但是，PASL的信噪比比CASL低30%~50%。

其他形式的自旋标记伪连续动脉自旋脉冲（PCASL）PCASL标记技术是介于CASL和PASL之间的中间技术[10]，结合了CASL的高SNR和PASL的高标记效率特性，被广泛应用。

PCASL 技术无需很长的连续标记脉冲，而是使用一连串的短RF构成标记脉冲链（图 5），对流动的自旋进行翻转标记，降低了MT效应。

图5 PCASL中使用的脉冲链以及对应的梯度链。

其中δ表示RF 脉冲的持续时间；T表示RF脉冲的周期；Gmax表示的是选层梯度的最大幅值；Gave戴白哦净平均梯度。

PCASL因其磁化转移效应轻；标记效率高（大约０.７～０.８）；图像信噪比较高；射频能量沉积少；无需额外的硬件设备；对于不同的扫描仪兼容性好并且具有良好的可重复性，所以成为目前临床上备受推崇的扫描序列。

速度选择动脉自旋标记（VSASL）速度选择动脉自旋标记通过速度选择（VS）脉冲来标记速度高于Vc（截止频率）的血液（regardless of location）[11]。

一段延迟之后，采集流动速度为静止或者小于Vc的自旋所形成的速度选择图像。

只有那些在TI时间段速度从大于Vc减小到小于Vc的自旋能够被成像。

理论上，VSASL能够在最靠近毛细血管的位置标记将要流入目标组织区域的血液自旋，从而最大可能地缩短了示踪剂地传输延时，同时降低了空间范围内传输延时地波动性。