动脉自旋标记(ASL)基本原理及应用

1、AS L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(Perfusion Imaging)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18Fx 14C 成像；*CT灌注成像（I、Xe）

2、；*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(perfusion weighted magnetic resonance imaging, 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磁共振灌注简介1V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。2、使

3、用内源性示踪剂*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 ASLoDS C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T 2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

4、。PWI的另一种方法称为动脉自旋标记不踪法 (arterial spin labeling, 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。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

5、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。ASL原理所有的ASL技术，整个图像采集、处理过程一般都遵循下列步骤。(1)反转脉冲标记动脉血质子。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(tag image)。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。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(control image)。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

6、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。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(signal averaging)。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Is （血液的T1值），而不是像PET技术中的示踪剂如甘50 ,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A

7、SL示踪剂”半衰期只有Is ,ASL主要反映了被标记的血质子进入组织的 速率，而出0 PET除了速率外，还与组织中水分 交换,示踪剂的清除有关。Without magnetic labelingof arterial bloodWith saturation or inversionof arterial bloodi Subtraction image:；厂 Perfusion map I, (in ml/1 OOg/min) z1Fig. 1 Principle of the ASL technique. Knowledge of parameters such as relaxation

8、 time of the blood and the tissue T1a, T1, transit time delay t of arterial blood, equilibrium magnetization MO, blood-tissue partition coefficient A and inversion efficiency a are generally required in order to quantify the perfusion reflects local tissue perfusion 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

9、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Technique, Author, and Year of PublicationLabelingPerfusion TerritoryCASLDetre, 1994 (27)Oblique planeHemisphericZhang et al, 1995 (28)Surface coilCom

10、mon carotid arteryZaharchuk et al, 1999 (29)Surface coilCommon carotid arteryTrampel et al, 2002 (30)Surface coilCommon carotid arteryWerner et al, 2004 (31)Oblique planeHemisphericWerner et al, 2005 (32)Anatomy-driven rotating planeICA, VBA, ACAs, MCAWong, 2006 (33)Anatomy-driven planeICA, VBAPASLE

11、astwood et al, 2002 (34)Sagittal planeHemisphericDavies and Jezzard, 2003 (35)2D radiofrequency pulsesICA, VBATaoka et al, 2004 (36)Sagittal and oblique planeACA, MCASong et al, 2004 (37)Sagittal planeHemisphericHendrikse et al, 2004 (38)Anatomy-driven planeICA, VBAGolay et al, 2005 (39)Anatomy-driv

12、en planeICA, VBAGuenther, 2006 (40)Anatomy-driven planeICA, VBAZimine et al, 2006 (41)Anatomy-driven planeICA, VBACASL Techniques1. 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

13、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。Imaging PlaneTran smissi onPASL Techniques采用单次短反转脉冲，通常举用双曲迭正交脉冲 (hyperbolic secant pulse),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 10msoA FA IR ( flow-sensitive alternating inversion recovery )流动敏感交互反转恢复序列）文范同】刈激咬.柱迟旳冋11爪外聚血就尢法送入n描宏笊A来样第次&佯Gleba! 18

14、0 RFT1小耗用i抄激发.砸迟时问TI后外部軒鲜血洗淮入打描泾TI弱，影响量化，信嗪 signalnoise ratio. SNRCASL和PASL的主要影响因素频 晶鲁翥学Si Bfe生鷲聲鳖I菱靠番 似，便灌洼效应檯鬲估，而且观察到的信号减 降彳氐: 因此CA&的参照蔺像与标记图像葩偏共 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 传盪致应。、在标诬永冲和!或聰脉冲前额处施加 -W和脉冲，这样可以消傑施加标记脉加和对 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

15、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 样的磁化传递改应，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EPISTAR相同，但对照图像采集时在同侧施 加一个非反转RF脉冲。ASL主要应用单相位fair图1急件胞梗死a）扩

16、散卯权成像打:右测双札叶片坎高信号；b）表規扩散系数图不相应区城呈红色，表明ADC值咳低；c）asl-cbfK示相应区土牡提示血凉if注较对侧阴显减低。图2方侧大娥中动脉&妬段动脉瘤5 T:WI J； ：大脑屮动脉起贻段类圆形元佶号灶（苗）；b） NfRA示动眯瘤（爺）的部位和血伏；c） ASL-CBF图示府休（箭）血说虽卄常克（呈红色， 诵更同侧脑组织的CEF较对便咸低.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

17、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、卩CA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 血管內标记质子到感兴趣区的时间确定标_ 记位豈。现居的ASL是同时标记所有的血管， 尽量减少不同血管內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

18、吻合的oLeftICARight ICAVBA4D-ASLAcquisition 1Acquisition 2global180Phase/Phase2PhoseNselective180Phase IPhase!PhaseNAcquisition 1Acquisition 2Subtraction ImageMR images in a 75-year-old man with dural AVF at the left transverse-sigmoid sinus, intensity projections of 4D ASLbased MR angiographic images

19、The left transverse sigmoid sinus is depicted early in the early arterial to the arterial phase. The site of the dural AVF (thick arrows) appears to be the left transverse-sigmoid sinus. The left occipital artery has a large caliber and is well visualized from the early arterial phase (arrowheads).T

20、he posterior meningeal artery is also depicted (thin arrows). Retrograde cortical venous drainage is seen from the left transverse sinus (dotted circle). On the basis of these findings, both observers judged that the left transverse-sigmoid sinus was the fistula site, that this dural AVF was primari

21、ly fed by the occipital artery, and that venous drainage was type 2.ASL定量进展Eq.l (WD)ATT3s0CBF120mL/W0g/mm0aCBV3%0DSCCBF/CBV 5 x MeanASL ATT3.5sASLFLAIRCBF PLD=2sCBFaCBV(4 PLD =1.5, 2, 2.5, 3s)ATTASL CBFsDSCCBFCBVTmaxMTT120ml/100g/minDSC Tmax/MTT10$0DSCCBF/CBV 5 x MeanASL ATT3.5s肺ASL圈2同1例志愿者不同冠状面的FAIR肺灌注伪彩图2A：示左、右两肺灌注均匀;2B：示右肺灌注较左肺低心肌A