血管選擇性動脈自旋標記技術研究進展及臨床應用

徐慧敏，劉穎，袁慧書

血管選擇性動脈自旋標記技術研究進展及臨床應用

徐慧敏，劉穎，袁慧書*

作者單位：北京大學第三醫院放射科，北京，100191

了解單支腦供血動脈的精確灌注區域對診斷和治療多種腦血管疾病具有重要意義。血管選擇性動脈自旋標記技術(territorial-ASL；t-ASL)在動脈自旋標記基礎上，附加針對性的血管選擇技術，實現了對單支血管的選擇性標記，進而獲得腦灌注區域分布圖像。且鑒于t-ASL具有無需對比劑、無電離輻射的優點，因此，該技術具有非常廣泛的應用前景。作者介紹了t-ASL的技術原理及研究進展，并且對基于該技術的臨床應用進行了歸納總結。

血管選擇性動脈自旋標記；腦灌注區域成像

腦灌注成像對于了解多種顱腦疾病的發生發展過程、指導臨床治療方案的制訂意義重大。目前，基于核醫學、CT、MRI等技術的腦灌注成像方法較多，在臨床應用中各有優勢。然而，這些方法僅能進行全腦灌注成像。在一些特定情況下，如判斷中風病灶的責任血管，單支血管供血區域成像對于臨床工作具有重要的指導意義。

為了實現單支血管供血區域的可視化，目前，臨床上最常用的方法是數字減影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)[1]。然而，DSA檢查是有創性的，電離輻射劑量大，且顯示的是腦血管樹分布而非腦血流灌注，并不能對供血區域血流量進行量化。同時，由于對比劑須借助高壓注射器推入，致使顱內血流動力學改變，導致了腦血管樹分布的評估錯誤[2]。

血管選擇性動脈自旋標記技術(territorial arterial spin labeling，t-ASL)是一種能顯示單支血管供血區域的磁共振技術，具有無創、無輻射的特點，且能夠在不改變血流動力學狀態的情況下反映血流量，近年來發展迅速。因此，筆者對t-ASL技術原理、研究進展及其臨床應用進行綜述。

1 ASL及t-ASL技術原理

動脈自旋標記技術是一種利用體內動脈血中水分子作為內源性示蹤劑的無創性MR灌注成像技術[3]。它在成像層面近端對動脈血中水分子進行標記，經過一定延遲時間，在成像層面采集標記圖像，然后與同一層面未標記圖像進行減影得到灌注圖像。根據血液反轉標記方法不同，ASL技術主要分為三類：脈沖式動脈自旋標記(pulsed arterial spin-labelling，PASL)、連續式動脈自旋標記(continuous arterial spin labeling，CASL)和偽連續動脈自旋標記(pseudo-continuous arterial spin labeling，pCASL)。t-ASL是在ASL基礎上通過不同技術方法對單支血管進行選擇標記，以得到顯示不同供血血管的灌注區域分布圖像，是在CASL、PASL、pCASL成像技術基礎上發展起來的[4]。

2 t-ASL技術進展

2.1 基于CASL原理的t-ASL技術

CASL技術使用連續脈沖標記感興趣層面近端一個較薄層面內的血液，標記平面薄，能夠減少對運動的敏感性，因此，信噪比高。但是該技術對設備要求高，需要額外線圈，且受檢者的能量吸收率高，目前臨床應用較少[5]。

1994年，Detre等[6]首次通過改變標記平面角度，利用一個斜平面來標記左側或右側腦供血動脈來獲得腦半球的血流灌注圖像，然而這種方法并不能區分單支動脈的灌注范圍。Zhang等[7]利用一個額外的表面線圈首次實現了單支動脈的選擇性標記。這種線圈針對表面血管，且體積小，可以實現血管選擇。但該方法僅能對位于表面較淺位置的頸總動脈進行選擇，且易受鄰近血管污染，因此該方法的應用受到了限制。

2.2 基 于PASL原理的t-ASL技術

PASL使用多個短脈沖標記成像層面近端的一個較厚層面內的血液。技術優點是硬件需求低，操作簡便，且受檢者能量吸收率較低、組織磁化轉移效應較小。缺點是PASL覆蓋范圍小，信噪比低[5]。

Davis等[8]利用PASL技術開發了使用二維鉛筆束脈沖進行標記的2D 脈沖法。這種方法需要標記平行于成像層面的頸內動脈虹吸段，技術難度高；同時有效標記長度一般僅為2.5 cm，信噪比低。因此不能在有限時間內得到一幅清晰的灌注圖像。

Hendrikse等提出依據磁共振血管成像(magnetic resonance angiography，MRA)顯示的腦血管解剖結構，通過旋轉標記體來實現單支血管選擇。這種方法最大的問題是只限制了血管選擇方向上標記體的層數，而其他兩個方向是無限延伸的，這樣就會導致標記板與成像層面相交。因此需要使用WET飽和性方案在標記同時對成像層面進行預飽和以避免偽影形成[9]，也就意味著該方法不能對Willis環以上水平的動脈進行標記。同時，由于血管走行區域彼此鄰近，這種方法易受鄰近血管的污染。此外，這種選擇性PASL方法需要對每個標記體進行規劃，非常耗時，因此，多名學者嘗試利用雙血管標記計劃、使用一個共同的控制像等方法，加快掃描速度[10-11]。

2.3 基于pCASL原理的t-ASL技術

pCASL技術通過切換梯度場和多個短脈沖組合實現 CASL 長脈沖效果，常規MRI設備即可使用，不需要專用線圈，操作簡便。pCASL綜合了PASL技術的高標記效率和CASL技術的高信噪比，已成為目前最為推薦使用的ASL技術[3，4]。目前最常用的兩種t-ASL技術都基于pCASL技術：血管編碼動脈自旋標記技術(vessel encoded ASL，VE-ASL)和超選擇性動脈自旋標記技術(superselective ASL，ss-ASL)[12]。

VE-ASL是通過在標記層面施加額外橫向梯度場，改變同一層面內不同位置的標記效率，從而實現對不同腦供血動脈的選擇，進而產生一個清晰的腦血流分布圖像[13]。VE-ASL最突出的優勢是具有相對較高的時間效率，它可以同時對多支血管進行選擇，通常在3.5～5.0 min內即可一次性獲得多支血管的腦血流分布圖像。同時，利用VEASL來也可以實現Willis環以上水平的動脈選擇性標記[14]。自動化VE-ASL (planning-free VE-ASL)的誕生使其標記規劃也變得非常簡單，不再需要額外MRA圖像進行規劃，只需要把標記平面置于成像層面下方，且與成像層面平行、頸內動脈和椎動脈走行相垂直的位置即可。這種方法已被證實具有很高的可重復性和準確性[15]。與其他t-ASL技術相比，VE-ASL最大的缺點是圖像后處理非常復雜。選擇性標記動脈的同時，還需要以相同參數獲得一幅非選擇性全腦灌注圖，然后將獲得的不同血管編碼圖像與全腦灌注圖像相比較。假定同一支血管的灌注區域內的各體素具有相同的供血分數，隨后可以利用不同的技術(如k均值聚類法和貝葉斯框架)將這些相同區域提取出來。因為血管編碼過程中標記效率是不斷變化的，VE-ASL灌注圖是不可以直接進行量化。當需要進行腦血流定量測定，建議增加一個非選擇性pCASL序列[4]。

ss-ASL通過施加垂直于標記層面的、隨時間變化的梯度，產生一個標記焦點，置于感興趣動脈而實現單支動脈的選擇性標記[16]。ss-ASL的優點是即使在標記血管與周圍血管非常鄰近的情況下，依然可以實現對標記血管的精確選擇。早期研究已經使用ss-ASL實現對Willis環水平上方的直徑約為1.2 mm、與周圍鄰近血管間隔5.0 mm的小動脈進行標記[15]。ss-ASL的缺點是需要一個額外MRA對每支血管做掃描前規劃，使該技術掃描時間間隔較長，對患者運動敏感。同時由于要分別對每支血管進行掃描，成像時間較長，使得它多應用于感興趣血管較少的情況下。現階段多個研究嘗試利用雙血管標記計劃、使用一個共同控制像等方法來對ss-ASL進行提速，使其具有良好的應用價值[17-18]。

3 t-ASL的臨床應用

3.1 正常腦血流分布及常見變異

顱腦主要供血動脈是頸內動脈系統和椎基底動脈系統，進入顱內后再分為雙側大腦前動脈、大腦中動脈和大腦后動脈。前交通動脈在雙側大腦前動脈之間形成側支循環通路，后交通動脈則是溝通前循環和后循環之間的主要側支循環途徑。據統計，健康受試者的大腦總血流量平均約為600 ml/min，其中雙側頸內動脈系統各占40%，椎基底動脈系統占20%[19]。

1874年Duret等[20]首次繪制出詳細的顱腦血管供血區域圖譜以闡釋顱內血流分布狀況。隨后有大量研究表明，腦血管供血區域變異非常廣泛[21-22]，且很大程度上是由于Willis環結構變異引起的。Krabbe-Hartkamp等[22]采用3D-TOF MRA技術對健康人群的Willis環結構進行了大樣本研究，發現僅有約42%的受試者具有完整的Willis環。而在眾多的Willis環解剖變異類型中，對腦主要動脈灌注區域影響最大的變異主要有兩種：(1)胚胎型大腦后動脈，即至少一側大腦后動脈(主要)經后交通動脈由同側頸內動脈發出，其發生率約為32%；(2)一側大腦前動脈A1段發育不全或缺如，此時，雙側大腦前動脈均由一側頸內動脈供血，發生率約為5%。Hendrikse等[19]和Van Laar等[23]利用t-ASL方法證實了上述Willis環的解剖變異會導致雙側頸內動脈及基底動脈的供血量及供血區域發生明顯變化。此外，在腦實質深部，不同動脈的灌注區域也存在很大的變異。變異最明顯的是丘腦核團——通常由頸內動脈和后交通動脈共同參與供血，而尾狀核的血液供應是來自于同側還是對側頸內動脈則取決于Heubner返動脈的起源與走行[24]。隨后利用t-ASL技術研究基底節區及丘腦的腦血流分布，發現在胚胎型大腦后動脈人群中，丘腦完全由同側頸內動脈供血，而在A1段發育不全或缺如的人群中，尾狀核的供血更多來源于對側頸內動脈[25]。

Kansagra等[26]利用VE-ASL方法對雙側椎動脈進行選擇性標記，得到雙側椎動脈供血區域分布圖像，發現雙側椎動脈供血分布高度可變，并且左、右側椎動脈的血液在基底動脈中并不是完全混合，它們分別有各自獨特的供血區域。Hartkamp等[27]利用ss-ASL方法選擇性標記雙側椎動脈，由于小腦后下動脈(posterior inferior cerebellar artery，PICA)均起自同側椎動脈遠端，同側椎動脈灌注區域圖像中均缺失對側PICA的灌注區域，因此可以將一側PICA供血的小腦灌注區域從雙側椎動脈混合的混合灌注區域中分離開來。在未來，這種方法可能有助于更準確地對小腦梗死原因進行分類。

3.2 急性與亞急性腦卒中

腦卒中是一種高致死率的疾病，需要可靠的方法來評估梗死面積、位置和嚴重程度，以便及時指導臨床制訂合理有效的治療方案。血栓栓塞和血流動力學損害在短暫性腦缺血發作和腦卒中發作中起著重要的作用。

有關缺血性卒中或者短暫性缺血性腦發作的治療指南中指出，患者應該在發病2周之內得到有效的血運重建治療——通過藥物溶栓或手術方法去除大動脈栓子的方式來解除栓塞[28]。因此，確定癥狀區域的責任血管對于治療方案的制訂非常重要。目前，臨床醫師主要通過標準圖譜來判斷導致梗死灶的栓子來源——來自于哪支腦供血動脈。然而，腦供血血管灌注區存在變異，當合并腦血管疾病時變異會變得更加復雜。近期，有研究將t-ASL血管區域成像與利用標準圖譜確定梗死灶責任血管的傳統方法(MRI結合MRA)進行比較，發現約10%邊緣帶腦梗死被誤認為由于單支動脈堵塞而引起的皮質梗死，而約8%的皮質梗死的責任血管判斷失誤[29]。利用t-ASL可以更加清晰地顯示每支腦主要供血動脈的血流分布，因而可以更精確地識別栓子來源并且鑒別邊緣帶梗死和單支血管栓塞所致的皮質梗死[30]，這對于指導臨床治療方案的制訂具有不可忽視的作用。

目前，t-ASL尚未用于急性腦卒中發作的最初幾小時內，因其在急性發作期一旦明確診斷后要盡快接受治療，很難額外再延長時間進行t-ASL成像。縮短t-ASL的成像時間，同時保持足夠的信號強度，可能會使t-ASL在將來的急性腦卒中患者檢查中得到應用[4]。

3.3 腦供血動脈狹窄閉塞性疾病

既往研究證實，除血栓栓塞外，由腦供血動脈狹窄閉塞引起的腦血流供應不足也是引發短暫性腦缺血發作或腦卒中的重要原因之一[31]。在這種情況下，缺血事件多是由于經Willis環形成的一級側支循環或通過軟腦膜動脈、眼動脈形成的二級側支循環等代償能力缺失所致[32]。因此，評價顱內側支循環開放程度及腦血流供應狀況對早期預測缺血事件的發生發展具有重要意義。盡管DSA、經顱彩色多普勒超聲、CT或MR血管成像技術均可以判斷有無側支循環形成，但它們均不能評價側支循環對血流灌注的真正影響程度。

Chng等[33]以DSA作為參考標準，使用t-ASL技術評估慢性腦血管疾病患者的側支循環代償程度時，提示t-ASL技術與DSA具有良好的一致性。t-ASL技術已被用于在血流灌注層面上反映顱外動脈狹窄閉塞對腦血流分布狀況及血流灌注量的影響，證實病變側大腦中動脈灌注區域的腦血流量通常會明顯低于對側的相應區域[34]。van Laar等[35]利用t-ASL方法對單側頸內動脈閉塞患者腦供血動脈血流分布狀況進行研究，發現閉塞側大腦中動脈的灌注區域主要由基底動脈側支血流供應，而大腦前動脈灌注區域則主要依賴于對側頸內動脈側支血流提供。隨后，他們利用相同方法對單側頸內動脈閉塞患者的同側頸外動脈進行選擇性標記，發現頸外動脈對同側閉塞頸內動脈灌注區域亦有較強的代償功能。約有60%的患者存在頸外動脈的側支血流供應大腦前、中動脈供血區域[36]。

t-ASL還可用于監測頸動脈狹窄閉塞疾病的治療效果。頸動脈內膜剝脫術或顱外–顱內動脈搭橋手術是治療頸內動脈狹窄閉塞疾病的常用方法。多個研究證實利用t-ASL監測手術前后腦血流灌注范圍及腦血流量的改變比單純依靠狹窄程度的變化來評估手術價值及患者預后更加可靠[34，37]。

3.4 顱內血管畸形

顱內動靜脈畸形(arteriovenous malformation，AVM)是由一支或幾支彎曲擴張的動脈和靜脈直接相通而形成血管團。其臨床癥狀以自發性腦出血為主。畸形血管切除術為AVM最合理的治療方案，術前應明確主要的供血動脈和引流靜脈的數目、部位、來源、大小和對側參與供血的情況。DSA是目前公認的診斷標準，但該檢查是有創有輻射的。t-ASL的出現為AVM提供了一個新的無創的術前檢查手段。Kukuk等[38]和Yu等[39]分別利用選擇性PASL、VE-ASL技術評價不同腦供血動脈(雙側頸內動脈和椎動脈)對AVM畸形血管團的供血貢獻，并以DSA作為參考標準進行比較，發現均具有良好的一致性。超選擇性ASL方法可以實現對顱內單支細小動脈的選擇性標記，從而確定AVM的供血血管，并可以區分單獨AVM供血動脈及腦組織供血動脈，這對于制訂治療方案、手術規劃以及治療監測都是非常重要的[40-41]。

煙霧病又名Moyamoya病，是一組以雙側頸內動脈末端或Willis環主要分支血管起始部慢性進行性狹窄、閉塞，繼發腦底廣泛側支循環形成為特征的疾病[42]。其臨床癥狀主要表現為缺血性腦卒中，患者可以通過顱內外動脈搭橋手術實現顱內血運重建的目的。Saida等[43]利用t-ASL實現了對顱內外動脈搭橋術后顱外顳淺動脈血流灌注范圍的監測，對預測患者預后具有重要價值。

3.5 其他應用

t-ASL還可用于判斷腦腫瘤的供血動脈，從而為神經外科醫師提供良好的術前信息[44]。此外，t-ASL還可以用于腦功能方面研究：Mutsaerts等[45]利用VE-ASL方法對健康老年志愿者的腦血流分布圖像進行分析，發現雙側腦血流分布不對稱程度與記憶功能減退的程度呈正相關，相關性較腦萎縮、腦白質脫髓鞘變性等更加顯著。

4 總結

t-ASL技術是一種可以無創觀察單支腦供血動脈灌注區域的新興MRI技術。從最初只能選擇性標記雙側頸內動脈到實現椎基底動脈的標記，再到可以利用超選擇性t-ASL實現對顱內單支小動脈選擇性標記，t-ASL技術發展迅速、現已較為成熟。在臨床應用上，t-ASL對于監測腦血流分布及變異、預測諸多腦血管疾病進展以及指導臨床決策制定方面都有重要的價值。此外，鑒于t-ASL具有無創、無輻射的優勢，未來在某些方面存在替代DSA檢查的潛在實力。但是，t-ASL尚存在技術原理較難、成像時間較長以及成像規劃、后處理較復雜等缺陷，因此，阻礙了其在臨床中推廣應用。筆者通過對t-ASL技術的發展過程、不同技術原理及臨床應用進行歸納總結，旨在幫助更多的放射科醫師和其他相關臨床醫師更好地理解該項技術，并能更容易地利用它指導臨床工作。

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Technical advances and clinical applications of territorial arterial spin labeling

XU Hui-min, LIU Ying, YUAN Hui-shu*

Department of Radiology, Peking University Third Hospital, Beijing 100191, China
*>Yuan HS, E-mail: huishuy@sina.com

To know the exact cerebral perfusion territory supplied by individual cerebral artery is of great significance to the diagnosis and treatment of many cerebrovascular diseases. On the basis of arterial spin labeling MRI techniques,territorial arterial spin labeling (t-ASL) using different technology methods to selectively label individual cerebral artery and then to obtain the cerebral perfusion territories mapping. Besides, since t-ASL has the advantages of no contrast agents and non-ionizing radiation, it has wide application foreground. This review provides an overview of the development and different technical principles of territorial ASL techniques, and summarizes its clinical applications.

Territorial arterial spin labeling; Cerebral perfusion territories

Received 10 Jan 2017, Accepted 6 Apr 2017

袁慧書，E-mail：huishuy@sina.com

2017-01-10

接受日期：2017-04-06

R445.2

A

10.12015/issn.1674-8034.2017.05.012

徐慧敏, 劉穎, 袁慧書. 血管選擇性動脈自旋標記技術研究進展及臨床應用.磁共振成像, 2017, 8(5): 378-383.