静息态脑灌注中两种动脉自旋标记的比较研究

静息态脑灌注中两种动脉自旋标记的比较研究

动脉旋转轴技术血流注射是指同时通过血管进入器官的血液量。它反映了血液通过毛细血管地板和组织交换氧气、养分和代谢的过程。灌注不足,会导致组织缺氧、细胞损害、代谢和功能障碍等。在脑梗塞、癫痫、中风等诊断中,灌注的下降或异常是临床诊断的重要生理参数之一。X-CT(X-raycomputedtomography)、PET(positronemissiontomography)、SPECT(singlephotonemissioncomputedtomography)等有创血流灌注成像方法可以测量患者的脑灌注值[1～3],但这些方法需要吸入或注射具有放射性的外源性对比剂,成本高,且具有一定的危险性,尤其对儿童和肾衰竭的病人更不能使用。磁共振成像提供了一种无损测量脑血流量(cerebralbloodflow,CBF)的动脉自旋标记(arterialspinlabeling,ASL)技术,该技术在脑供给动脉中,用电磁标记动脉血中的水分子,经过一段时间延迟后,在脑组织里观察动脉血的标记反转,进而根据标记反转前后图像的差值得到包含脑血流信息的灌注图像。ASL技术作为一种完全无创、不需注射对比剂的磁共振灌注功能成像新方法,结合了功能和解剖信息,具有高的时空分辨,可重复多次对大脑进行功能成像和评价,对临床诊断和病理研究具有重要意义。ASL技术根据标记方式的不同,可分为连续式动脉自旋标记(continuousarterialspinlabeling,CASL)、脉冲式动脉自旋标记(pulsedarterialspinlabeling,PASL)和伪连续式动脉自旋标记(pseudocontinuousarterialspinlabeling,pCASL)。Wolf等首次用CASL技术对顽固性颞叶癫痫病人进行术前评估,发现病人癫痫侧的CBF比对侧低。Lim等对11名正常人与10名内侧颞叶癫痫患者同时采集了PASL和PET影像数据,比较发现,PASL和PET在颞叶区域测得的平均脑血流量没有显著差别。现有ASL技术中,CASL技术虽然信噪比(signaltonoiseratio,SNR)高,但标记效率较低(68%),同时需要增加额外的磁共振线圈采集数据,因此应用较少。目前临床广泛使用的PASL技术,标记效率虽高(95%),但信噪比较低。近年来提出的pCASL技术能够较好地平衡信噪比和标记效率,被视为ASL技术的发展趋势。pCASL技术已经从动物实验,发展到利用其研究正常人脑血流与吗啡和酒精的关系,甚至用于帕金森症患者的脑灌注改变情况研究。本文对PASL和pCASL技术进行了对比研究,探讨了pCASL替代PASL进行脑部疾病研究和诊断的应用前景。材料和方法研究目的及对象本研究经南京军区南京总医院医学伦理委员会批准通过,所有被试均签署了书面知情通知书。由于本文的研究目的是对比研究PASL和pCASL两种技术的静息态脑灌注情况,实验设计时,为了使实验结果具有普遍性,所以选取了不同年龄段的健康人群为实验对象。本实验共选取10例健康志愿者,年龄最小24岁,最大76岁,平均年龄33岁,均无神经或精神类疾病病史,所有被试者均为右利手。基于paol的call-cbf检测应用MPRAGE序列采集3D结构像。TR/TE/TI=2300ms/2.98ms/900ms。bandwidth=240Hz/pixel,层厚1mm,FOV=256mm×256mm,矩阵256×256,连续获取176层矢状位图像以覆盖全脑。分别应用PASL序列和pCASL序列采集ASL功能像。PASL序列成像参数如下:TR/TE=2600ms/12ms,TI1/TI2=700ms/1800ms,bandwidth=3126Hz/pixel,层数18,层厚5mm,FOV=230mm×230mm,矩阵80×80。每个对象采集91帧图像,第一帧作为M0,用于局部组织脑血流量计算。去除前两对控制-标记图像,剩余86帧(即43对)图像用于计算。pCASL序列成像参数如下:TR/TE=4000ms/12ms,DelayTime=1800ms,bandwidth=3126Hz/pixel,层数18,层厚5mm,FOV=230mm×230mm,矩阵80×80。每个对象均采集90帧图像,去除前两对控制-标记图像,剩余85帧(即42对)图像用于计算。使用SPM8工具箱使用基于SPM的ASLtbx工具箱(arterialspinlabelingperfusionMRIdataprocessingtoolbox)进行CBF的计算。PASL技术的CBF计算公式如下:其中,△M为标记像与控制像进行逐像素相减所得的差值信号;M0wm为白质区域的信号强度,由M0计算得到;α为标记效率,PASL技术下取0.95;脑组织密度λ为0.9g/mL;T1B=1664ms;校正系数q=0.85;TI1/TI2=700ms/1800ms。pCASL技术计算CBF的公式为:其中,CBF为脑血流量;λ为血脑分配系数;△M为灌注变化量;M0为平衡状态下脑白质中的磁化强度;τ为脉冲标记的持续时间;ω为距离上一次标记的延迟时间,分别为1.5s和1s;α为标记效率,pCASL技术取0.82。将所得的被试的平均CBF图像标准化到MNI模板,体素大小为1.5mm×1.5mm×1.5mm。为了消除被试者间CBF基线的差异,提高结果敏感性,将被试的CBF图像除以个体白质区域的CBF,进行归一化处理。对归一化处理后的灌注像进行平滑,平滑时,各向同性高斯核的FWHM(fullwidthofhighmaximum)取6mm×6mm×6mm。tsnr和脑认同网络为了量化对比PASL和pCASL的成像质量,分析两种技术的优劣,我们分别计算了两种序列的原始信噪比(rawsignal-to-noiseratio,rSNR)和时间信噪比(temporalSNRsignal-to-noiseratio,tSNR)。rSNR定义如下:其中,Signalmean为有效标记区域的灌注平均值,Noisebackground为背景噪声平均值。tSNR定义如下:其中,Singaltime为扫描过程中的灌注平均值,SDtime为扫描过程中灌注大小的标准差。ASL序列扫描过程中,常因信噪比较低而产生负灌注,即CBF为负值,而这与人脑生理模型不符。因此,文中统计了PASL和pCASL数据负灌注体素的个数,用以比较两种序列的差异。人脑在清醒静息状态下,某些区域会呈现较强的活动状态,形成一个连通功能网络,这些区域即被称为脑默认网络(defaultmodenetwork,DMN)。脑默认网络主要分布于后扣带回(posteriorcingulatecortex,PCC)、前扣带回(anteriorcingulatecortex,ACC)、楔前叶(precuneus)、内侧前额叶(medialprefrontalcortex,MPFC)和角回(angulargyrus)等区域。本研究结合脑默认网络及自动标定解剖模型(automatedanatomicallabeling,AAL),将采集的脑部MRI图像分割成中央间脑、额叶、颞叶、顶叶、枕叶、边缘叶、岛叶、皮层下核团、小脑、小脑蚓及灰质、白质、全脑共13个脑区,同时利用全脑平均CBF值归一化灌注像,计算楔前叶、角回、岛叶和后扣带回等脑区的相对CBF值。计算不同的显著性差异对CBF、负灌注量、rSNR、tSNR的计算结果均采用配对t检验(pairedt-test),选取P<0.05作为多重比较校正显著性差异的标准。paol和pcall的灌注图像分析在灌注统计中(表1),除枕叶、小脑和小脑蚓外,PASL计算得出的灌注量小于pCASL,在白质、额叶、顶叶、小脑和小脑蚓部两种技术测量得到的值有显著性差异。其中,楔前叶、角回、岛叶和后扣带回的相对CBF值高于全脑平均水平(图1)。图2为一名被试的归一化到MNI空间后的PASL和pCASL脑灌注图像。从图中可以看到,在同一层面下,PASL的灌注像信号强度较低,在脑组织之外有较多噪声点,而pCASL的灌注信号强度明显高于PASL,噪声点的数量少,强度也较低。从表2和表3中可知,PASL技术计算得到的负灌注体素个数为11014.40±8736.93个,约占脑组织总体素量(451859个)的2.44%,而pCASL的负灌注体素个数仅为92.00±169.72个,几乎可以忽略不计。信噪比方面,pCASL的rSNR比PASL提高了550%,在各个脑区的tSNR也要显著地高于PASL(配对t检验,P<0.05),全脑范围平均约提高173%。静息态脑灌注特性本研究发现,在大部分脑区,PASL计算得到的CBF值要小于pCASL,在白质、额叶、顶叶、小脑和小脑蚓部有显著性差异。以往的研究结果表明,人类大脑灰质的CBF绝对值通常在60ml/100g·min左右,但不同文献报道的CBF量化取值范围在38ml/100g·min至98ml/100g·min之间,这种差异可能是由于测量手段不同、空间分辨率不同、ROI选择不同等各种原因造成的。本研究中,计算出PASL技术下灰质部分的CBF大小为(33.11±6.64)ml/100g·min,pCASL技术下为(36.59±5.65)ml/100g·min,与Petersen等人得到的结果基本一致。Zou等人对静息态下的人脑灌注情况进行研究,发现被试者在后扣带回(posteriorcingulatecortex,PCC)、内侧前额叶(medialprefrontalcortex,MPFC)、岛叶等区域的CBF明显高于全脑平均水平,而这些区域基本属于脑默认网络。本研究也得到类似结果,无论是PASL还是pCASL,在楔前叶、角回、岛叶和后扣带回这些脑区的相对CBF均高于全脑平均灌注,pCASL在楔前叶和角回尤为显著。这说明ASL技术,特别是pCASL,在测量静息态脑灌注中的结果是可靠的。作为一种无损的脑血流测量技术,ASL技术的目标是取代目前临床上最常使用的PET、SPECT等有损脑灌注测量手段,但由于ASL技术存在信噪比较低等缺点,制约了其在临床的应用推广。ASL技术扫描过程中的噪声主要来自两个方面,即射频标记时产生的热噪声及呼吸等生理活动产生的生理噪声。如何进一步提高ASL采集过程中的信噪比,对ASL技术的推广应用具有重要的意义。pca