动脉自旋标记(ASL)基本原理及应用

ASL的基本原理及常见应用杨双山东省医学影像学研究所2016.05.19灌注(Perfusion)可定义为血液向组织转运的稳定状态。许多生理学家用“灌注”一词强调血液与组织的联系，或者代之以毛细血管血流。灌注是说明液性分子在组织中微观运动的又一物理概念。与扩散不同的是，它是建立在流动效应基础之上的。对体内的灌注过程进行测量，就可实现灌注(加权)成像(PerfusionImaging)常见灌注类型脑血流灌注是临床十分关心的问题，目前能提供灌注成像的影像技术主要有3种:SPECT/PET-CT核素灌注显像,利用放射性示踪剂,如18F、14C成像；CT灌注成像(I、Xe)；MRI灌注成像。前两种方法有一定辐射存在,且CT灌注存在对比剂过敏及辐射剂量较大的潜在隐患,而MRI灌注成像安全性高,效果良好,已成为重要的检查技术。磁共振灌注成像(perfusionweightedmagneticresonanceimaging，PWI)是用来反映组织的微血管分布及血流灌注情况的磁共振新技术，可以提供血流动力学方面的信息。利用MR进行脑灌注成像可测量局部脑组织的血液灌注,了解其血液动力学及功能变化对临床诊断及治疗均有重要参考价值。磁共振灌注简介1、使用外源性示踪剂指对比剂首过磁共振灌注成像法，其中最常用的是动态磁敏感对比增强（DSC）灌注成像。不需注入对比剂，利用动脉血中水质子作为内源性示踪剂，即ASL。2、使用内源性示踪剂DSC原理及特点MRI灌注最常见的为动态磁敏感对比加权成像（DSC），为外源性示踪法。其基本原理为通过静脉内团注顺磁性对比剂，在对比剂首次通过毛细血管床时，组织的磁化率发生变化引起局部磁场不均匀，T1，和T2值缩短，组织信号改变，此时用快速成像技术对兴趣区进行扫描获取图像。然后用相应的血流动力学参数进行定量表达，如局部脑血容量（rCBV)、平均通过时间(MTT)、局部脑血流量(rCBF)等。DSC技术建立在对比剂只在血管内而不向血管外扩散的假设基础上，所得数据的准确性受血脑屏障完整性的影响。PWI的另一种方法称为动脉自旋标记示踪法(arterialspinlabeling，ASL)基于示踪剂可以从血管内向组织间隙自由扩散的理论假设，利用磁性标记的动脉血内水质子流入成像层面和组织交换产生的信号降低进行成像，对标记前后的图像进行减影分析，可以得到CBF的定性、定量图。ASL原理MRI对于流动质子自旋与静态组织质子自旋磁化程度的差异十分敏感。ASL就是利用这一原理，以动脉血内水质子为内源性示踪剂并对其进行标记，待其流入成像层面，即对这种差异进行测量成像。通常在水质子流入成像层面之前，用翻转或饱和RF脉冲对其进行标记。当标记血液中质子进入细胞外间隙并与静态组织中质子进行交换后，组织的净磁化矢量与无标记质子的对照状态相比明显减小。将对照成像信息与标记成像信息相减，消除静态组织的信号，即得到灌注图像。所有的ASL技术,整个图像采集、处理过程一般都遵循下列步骤。⑴反转脉冲标记动脉血质子。⑵延迟一段时间后,被标记的动脉血质子流入感兴趣区所在层面采集图像,此时所采集的图像称为标记图像(tagimage)。标记图像的信号强度依赖于成像层面内自身组织特点及流入动脉血标记质子数量。⑶在成像参数相同情况下,动脉血质子标记前获取同层面的图像,称为对照图像(controlimage)。⑷对照图像和标记图像相减,得到灌注图像。根据采用的TI不同,可以显示自大动脉直至毛细血管水平的灌注情况。值得提出的是,由于血质子的标记是质子磁矩的反转,磁化矢量降低,使得标记图像信号强度下降。因此,两者相减的方向是对照图像减标记图像,而不是标记图像减对照图像。⑸由于标记图像与对照图像之间的信号强度差异较小(约为静态组织信号的1%),因此需要进行多次采集信号，进行均衡处理(signalaveraging)。ASL原理从上述过程不难看出,ASL技术实际上相当于一种减影技术,也类似于其他示踪技术。但是ASL中的“示踪剂”的“半衰期”很短,只有1s(血液的T1值),而不是像PET技术中的示踪剂如H215O,半衰期长达几分钟。尽管两者遵循同样的药代动力学模型,但由于ASL“示踪剂”半衰期只有1s,ASL主要反映了被标记的血质子进入组织的速率,而H215OPET除了速率外,还与组织中水分交换,示踪剂的清除有关。ASL原理Fig.1PrincipleoftheASLtechnique.KnowledgeofparameterssuchasrelaxationtimeofthebloodandthetissueT1a,T1,transittimedelayτofarterialblood,equilibriummagnetizationM0,blood-tissuepartitioncoefficientλandinversionefficiencyαaregenerallyrequiredinordertoquantifytheperfusionASL原理根据标记方法不同ASL分为以下两类：连续法CASL：当动脉血流经过标记平面时，在一个持续的梯度下，动脉血的磁化被持续的射频脉冲连续的反转，常用序列包括DAI、SPDI、originalCASL;脉冲法PASL：一个动脉血自旋厚块的磁化被一个绝热的双曲正割脉冲所反转，标记一段时间内的动脉血液，常用序列如EPISTAR、HIT、FAIR等。ASL技术2010-4-18中国深圳CASLTechniques1.CASL在流入图像采集层面前的一段范围内沿着血液流动方向施加一个梯度场,在发生标记这段时间内,连续施加RF翻转脉冲。RF频率在某一个层面上与血质子自旋频率发生共振,这就决定了标记层面。流经标记层面的动脉血质子磁矩被反转脉冲标记,磁矩方向与主磁场方向相反。被反转标记的动脉血质子流入图像采集层面时,采集图像。因为连续施加标记脉冲，所以标记层面可以任意设置但应保证标记层面和血流方向垂直。TransmissionImagingPlaneInversionLabelASL－CASL采用单次短反转脉冲，通常采用双曲线正交脉冲(hyperbolicsecantpulse)，反转标记图像采集层面近端的一段距离内的动脉血质子，而不是像CASL仅对一个层面反转标记，标记持续的时间很短,典型的为10ms。PASLTechniquesFAIR（flow-sensitivealternatinginversionrecovery）流动敏感交互反转恢复序列)CASL和PASL的主要影响因素CASL由于磁化转移，生物组织的偏共振射频引起信号和T值的降低，与ASL产生的变化相似，使灌注效应被高估，而且观察到的信号减弱，影响量化，信噪(signal—noiseratio，SNR)降低。因此CASL的参照图像与标记图像的偏共振效应必须相同。PASL中对照图像和标记图像中静态组织的差异主要是层面轮廓缺陷,而不是CASL中的磁化传递效应。在标记脉冲和对照脉冲前额外施加一个饱和脉冲,这样可以消除施加标记脉冲和对照脉冲时静态组织的磁化矢量,从而将层面轮廓缺陷伪影减少到最小程度。CASL和PASL的主要影响因素各种不同ASL新序列产生的根本是标记方式的改变和消除磁化转移效应及层面轮廓缺陷的方式。如CASL方式，在采集对照图像时,可在图像采集层面的远端施加一个RF脉冲,这样既可以产生与标记图像一样的磁化传递效应,又可以避免图像采集层面近端动脉血质子被标记。PASL中的EPI-STAR序列,标记图像采集时,在图像采集层面近端的一段距离内施加反转脉冲。对照图像采集时,则在远端的一段距离内施加反转脉冲。FAIR序列,标记图像是非选择性反转,对照图像是选择性反转。PICORE序列,标记反转脉冲和EPI-STAR相同,但对照图像采集时,在同侧施加一个非反转RF脉冲。ASL主要应用ASL应用脑灌注脑缺血脑肿瘤其他，癫痫，抑郁症，脑损伤等肺灌注肾灌注心肌灌注单相位fair多相位ASL目前常用的ASL多为单相位ASL，即采用固定的标记延迟时间，一般脑内在这种情况下如果组织的实际动脉通过时间大于标记延迟时间，即标记后图像采集时间过早，会低估了实际CBF。多相位ASL在一次标记后，不同的延迟时间点采集图像，可解决了这一问题多相位ASL（PHILIPS）ASL图像显示肿瘤组织高灌注(黄色箭头指示)选择性ASL选择性ASL技术是选择性饱和或标记某支动脉而观察其供血区域的一种方法。如可分别显示ICA的供血区和左、右大脑ICA、ACA、PCA及VBA等，称之谓区域选择性ASL；另外还有时间选择性ASL，根据不同血管内标记质子到感兴趣区的时间确定标记位置。现在的ASL是同时标记所有的血管，尽量减少不同血管内质子到达感兴趣区的时间差。无论各种ASL的优缺点如何，必须同时获取全脑可对比的CBF灌注图像。血管选择ASLASL的灌注区与其MRA的血管供血区是完全相吻合的。中国深圳4D-ASLMRimagesina75-year-oldmanwithduralAVFatthelefttransverse-sigmoidsinus.intensityprojectionsof4DASLbasedMRangiographicimages.Thelefttransverse-sigmoidsinusisdepictedearlyintheearlyarterialtothearterialphase.ThesiteoftheduralAVF(thickarrows)appearstobethelefttransverse-sigmoidsinus.Theleftoccipitalarteryhasalargecaliberandiswellvisualizedfromtheearlyarterialphase(arrowheads).Theposteriormeningealarteryisalsodepicted(thinarrows).Retrogradecorticalvenousdrainageisseenfromthelefttransversesinus(dottedcircle).Onthebasisofthesefindings,bothobserversjudgedthatthelefttransverse-sigmoidsinuswasthefistulasite,thatthisduralAVFwasprimarilyfedbytheoccipitalartery,andthatvenousdrainagewastype2.ASL定量进展肺ASL心肌ASLMBFmaps(ml/ml/min)fromonehealthyvolunteerwithmoderatephysiologicalnoise.(Left)VoxelwiseMBFmapfromonebreathhold(values0.0appearblack,values2.0appearwhite).(Right)ROI-basedMBFmapfrom20breathholds(LVmyocardiumisdividedintoeightradialsegments).优点：•不用注射对比剂、完全为非侵入性的方法。•对于有出血、钙化或位于颅底的病变,ASL测量数据稳定,明显优于DSC。•主要因为ASL是多次快速采集的平均值,受磁敏感伪影的影响较小。•可重复性强。•相对DSC，不可控因素较少，如对比剂量、注射速度等。缺点：•参数较少。DSC相应的血流动力学参数，如局部脑血容量（rCBV)、平均通过时间(MTT)、局部脑血流量(rCBF)，组织峰值时间（TTP）等。很长一段时间内ASL的只能得到CBF值，现在通过后处理技术可以得到Arterialtransittimes(ATT)arterialcerebralbloodvolume(CBV)。•时间和空间分辨力相对较差。•ASL不能准确评价低于10ml/100g