1、.,ASL的基本原理及常見應(yīng)用,楊雙 山東省醫(yī)學(xué)影像學(xué)研究所 2016.05.19,.,灌注(Perfusion)可定義為血液向組織轉(zhuǎn)運(yùn)的穩(wěn)定狀態(tài)。許多生理學(xué)家用“灌注”一詞強(qiáng)調(diào)血液與組織的聯(lián)系，或者代之以毛細(xì)血管血流。 灌注是說明液性分子在組織中微觀運(yùn)動的又一物理概念。與擴(kuò)散不同的是，它是建立在流動效應(yīng)基礎(chǔ)之上的。對體內(nèi)的灌注過程進(jìn)行測量，就可實(shí)現(xiàn)灌注(加權(quán))成像(Perfusion Imaging),.,常見灌注類型,腦血流灌注是臨床十分關(guān)心的問題，目前能提供灌注成像的影像技術(shù)主要有3種: SPECT/PET-CT核素灌注顯像, 利用放射性示蹤劑,如18F、14C成像； CT灌注成像(I、

2、Xe)； MRI灌注成像。 前兩種方法有一定輻射存在, 且CT灌注存在對比劑過敏及輻射劑量較大的潛在隱患, 而MRI灌注成像安全性高, 效果良好, 已成為重要的檢查技術(shù)。,.,磁共振灌注成像(perfusion weighted magnetic resonance imaging，PWI)是用來 反映組織的微血管分布及血流灌注情況的磁共振新技術(shù)，可以提供血流動力學(xué)方面的信息。利用MR進(jìn)行腦灌注成像可測量局部腦組織的血液灌注,了解其血液動力學(xué)及功能變化對臨床診斷及治療均有重要參考價值。,.,磁共振灌注簡介,1、使用外源性示蹤劑,指對比劑首過磁共振灌注成像法，其中最常用的是動態(tài)磁敏感對比增強(qiáng) （

3、DSC）灌注成像。,不需注入對比劑，利用動脈血中水質(zhì)子作為內(nèi)源性示蹤劑，即ASL。,2、使用內(nèi)源性示蹤劑,.,DSC原理及特點(diǎn),MRI灌注最常見的為動態(tài)磁敏感對比加權(quán)成像（DSC），為外源性示蹤法。其基本原理為通過靜脈內(nèi)團(tuán)注順磁性對比劑，在對比劑首次通過毛細(xì)血管床時，組織的磁化率發(fā)生變化引起局部磁場不均勻，T1，和T 2值縮短，組織信號改變，此時用快速成像技術(shù)對興趣區(qū)進(jìn)行掃描獲取圖像。然后用相應(yīng)的血流動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行定量表達(dá)，如局部腦血容量（rCBV)、平均通過時間(MTT)、局部腦血流量(rCBF)等。,.,DSC技術(shù)建立在對比劑只在血管內(nèi)而不向血管外擴(kuò)散的假設(shè)基礎(chǔ)上，所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受血腦屏

4、障完整性的影響。PWI的另一種方法稱為動脈自旋標(biāo)記示蹤法(arterial spin labeling，ASL)基于示蹤劑可以從血管內(nèi)向組織間隙自由擴(kuò)散的理論假設(shè)，利用磁性標(biāo)記的動脈血內(nèi)水質(zhì)子流入成像層面和組織交換產(chǎn)生的信號降低進(jìn)行成像，對標(biāo)記前后的圖像進(jìn)行減影分析，可以得到CBF的定性、定量圖。,.,ASL原理,MRI對于流動質(zhì)子自旋與靜態(tài)組織質(zhì)子自旋磁化程度的差異十分敏感。ASL就是利用這一原理，以動脈血內(nèi)水質(zhì)子為內(nèi)源性示蹤劑并對其進(jìn)行標(biāo)記，待其流入成像層面，即對這種差異進(jìn)行測量成像。通常在水質(zhì)子流入成像層面之前，用翻轉(zhuǎn)或飽和RF脈沖對其進(jìn)行標(biāo)記。當(dāng)標(biāo)記血液中質(zhì)子進(jìn)入細(xì)胞外間隙并與靜態(tài)組織

5、中質(zhì)子進(jìn)行交換后，組織的凈磁化矢量與無標(biāo)記質(zhì)子的對照狀態(tài)相比明顯減小。將對照成像信息與標(biāo)記成像信息相減，消除靜態(tài)組織的信號，即得到灌注圖像。,.,所有的ASL 技術(shù), 整個圖像采集、處理過程一般 都遵循下列步驟。 反轉(zhuǎn)脈沖標(biāo)記動脈血質(zhì)子。 延遲一段時間后, 被標(biāo)記的動脈血質(zhì)子流入感興趣區(qū)所在層面采集圖像, 此時所采集的圖像稱為標(biāo)記圖像(tag image) 。標(biāo)記圖像的信號強(qiáng)度依賴于成像層面內(nèi)自身組織特點(diǎn)及流入動脈血標(biāo)記質(zhì)子數(shù)量。 在成像參數(shù)相同情況下, 動脈血質(zhì)子標(biāo)記前獲取同層面的圖像,稱為對照圖像(control image) 。 對照圖像和標(biāo)記圖像相減,得到灌注圖像。根據(jù)采用的TI 不同

6、, 可以顯示自大動脈直至毛細(xì)血管水平的灌注情況。值得提出的是, 由于血質(zhì)子的標(biāo)記是質(zhì)子磁矩的反轉(zhuǎn),磁化矢量降低,使得標(biāo)記圖像信號強(qiáng)度下降。因此, 兩者相減的方向是對照圖像減標(biāo)記圖 像,而不是標(biāo)記圖像減對照圖像。 由于標(biāo)記圖像與對照圖像之間的信號強(qiáng)度差異較小(約為靜態(tài)組織信號的1 %) , 因此需要進(jìn)行多次采集信號，進(jìn)行均衡處理(signal averaging) 。,ASL原理,.,從上述過程不難看出, ASL 技術(shù)實(shí)際上相當(dāng)于一種減影技術(shù),也類似于其他示蹤技術(shù)。但是ASL 中的“示蹤劑”的“半衰期”很短,只有1s (血液的T1 值) ,而不是像PET 技術(shù)中的示蹤劑如H215O , 半衰期長

7、達(dá)幾分鐘。盡管兩者遵循同樣的藥代動力學(xué)模型, 但由于ASL“示蹤劑”半衰期只有1s ,ASL 主要反映了被標(biāo)記的血質(zhì)子進(jìn)入組織的速率, 而H215O PET 除了速率外,還與組織中水分交換,示蹤劑的清除有關(guān)。,ASL原理,.,Fig. 1 Principle of the ASL technique. Knowledge of parameters such as relaxation time of the blood and the tissue T1a, T1, transit time delay of arterial blood, equilibrium magnetization

8、 M0, blood-tissue partition coefficient and inversion efficiency are generally required in order to quantify the perfusion,ASL原理,.,根據(jù)標(biāo)記方法不同ASL分為以下兩類：,連續(xù)法CASL：當(dāng)動脈血流經(jīng)過標(biāo)記平面時，在一個持續(xù)的梯度下，動脈血的磁化被持續(xù)的射頻脈沖連續(xù)的反轉(zhuǎn)，常用序列包括DAI、SPDI、originalCASL; 脈沖法PASL：一個動脈血自旋厚塊的磁化被一個絕熱的雙曲正割脈沖所反轉(zhuǎn)，標(biāo)記一段時間內(nèi)的動脈血液，常用序列如EPISTAR、HIT、FAIR

9、等。,2010-4-18,.,ASL 技術(shù),.,CASL Techniques,1. CASL 在流入圖像采集層面前的一段范圍內(nèi)沿著血液流動方向施加一個梯度場,在發(fā)生標(biāo)記這段時間內(nèi),連續(xù)施加RF翻轉(zhuǎn) 脈沖。RF 頻率在某一個層面上與血質(zhì)子自旋頻率發(fā)生共振, 這就決定了標(biāo)記層面。流經(jīng)標(biāo)記層面的動脈血質(zhì)子磁矩被反轉(zhuǎn)脈沖標(biāo)記, 磁矩方向與主磁場方向相反。被反轉(zhuǎn)標(biāo)記的動脈血質(zhì)子流入圖像采集層面時, 采集圖像。因?yàn)檫B續(xù)施加標(biāo)記脈沖，所以標(biāo)記層面可以任意設(shè)置但應(yīng)保證標(biāo)記層面和血流方向垂直。,.,ASLCASL,.,采用單次短反轉(zhuǎn)脈沖，通常采用雙曲線正交脈沖 (hyperbolic secant pulse

10、)，反轉(zhuǎn)標(biāo)記圖像采集層面近 端的一段距離內(nèi)的動脈血質(zhì)子，而不是像CASL僅對 一個層面反轉(zhuǎn)標(biāo)記，標(biāo)記持續(xù)的時間很短,典型的為10ms。,PASL Techniques,.,FAIR（flow-sensitive alternating inversion recovery ） 流動敏感交互反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列),.,CASL和PASL的主要影響因素,CASL由于磁化轉(zhuǎn)移，生物組織的偏共振射頻引起信號和T 值的降低，與ASL產(chǎn)生的變化相似，使灌注效應(yīng)被高估，而且觀察到的信號減弱，影響量化，信噪(signalnoise ratio，SNR)降低。因此CASL的參照圖像與標(biāo)記圖像的偏共振效應(yīng)必須相同。 PA

11、SL 中對照圖像和標(biāo)記圖像中靜態(tài)組織的差異主要是層面輪廓缺陷,而不是CASL 中的磁化傳遞效應(yīng)。在標(biāo)記脈沖和對照脈沖前額外施加一個飽和脈沖, 這樣可以消除施加標(biāo)記脈沖和對照脈沖時靜態(tài)組織的磁化矢量, 從而將層面輪廓缺陷偽影減少到最小程度。,.,CASL和PASL的主要影響因素,各種不同ASL新序列產(chǎn)生的根本是標(biāo)記方式的改變和消除磁化轉(zhuǎn)移效應(yīng)及層面輪廓缺陷的方式。如CASL方式，在采集對照圖像時, 可在圖像采集層面的遠(yuǎn)端施加一個RF 脈沖, 這樣既可以產(chǎn)生與標(biāo)記圖像一樣的磁化傳遞效應(yīng), 又可以避免圖像采集層面近端動脈血質(zhì)子被標(biāo)記。PASL中的EPI - STAR 序列,標(biāo)記圖像采集時, 在圖像采

12、集層面近端的一段距離內(nèi)施加反轉(zhuǎn)脈沖。對照圖像采集時,則在遠(yuǎn)端的一段距離內(nèi)施加反轉(zhuǎn)脈沖。FAIR 序列, 標(biāo)記圖像是非選擇性反轉(zhuǎn),對照圖像是選擇性反轉(zhuǎn)。PICORE 序列, 標(biāo)記反轉(zhuǎn)脈沖和EPI - STAR 相同,但對照圖像采集時,在同側(cè)施加一個非反轉(zhuǎn)RF 脈沖。,.,ASL主要應(yīng)用,.,單相位fair,.,多相位ASL,目前常用的ASL多為單相位ASL，即采用固定的標(biāo)記延遲時間，一般腦內(nèi)在這種情況下如果組織的實(shí)際動脈通過時間大于標(biāo)記延遲時間，即標(biāo)記后圖像采集時間過早，會低估了實(shí)際CBF。多相位ASL在一次標(biāo)記后，不同的延遲時間點(diǎn)采集圖像，可解決了這一問題,.,多相位ASL（PHILIPS）,

13、ASL 圖像顯示腫瘤組織高灌注(黃色箭頭指示),.,選擇性ASL,選擇性ASL技術(shù)是選擇性飽和或標(biāo)記某支動脈而觀察其供血區(qū)域的一種方法。如可分別顯示ICA的供血區(qū)和左、右大腦ICA、ACA、PCA及VBA等，稱之謂區(qū)域選擇性ASL；另外還有時間選擇性ASL，根據(jù)不同血管內(nèi)標(biāo)記質(zhì)子到感興趣區(qū)的時間確定標(biāo)記位置?，F(xiàn)在的ASL是同時標(biāo)記所有的血管，盡量減少不同血管內(nèi)質(zhì)子到達(dá)感興趣區(qū)的時間差 。無論各種ASL的優(yōu)缺點(diǎn)如何，必須同時獲取全腦可對比的CBF灌注圖像。,.,血管選擇ASL,.,ASL的灌注區(qū)與其MRA的血管供血區(qū)是完全相吻合的。,.,4D-ASL,.,MR images in a 75-ye

14、ar-old man with dural AVF at the left transverse-sigmoid sinus. intensity projections of 4D ASLbased MR angiographic images. 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-sig

15、moid sinus. The left occipital artery has a large caliber and is well visualized from the early arterial phase (arrowheads).,The 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 thes

16、e findings, both observers judged that the left transverse-sigmoid sinus was the fistula site, that this dural AVF was primarily fed by the occipital artery, and that venous drainage was type 2.,.,ASL定量進(jìn)展,.,.,肺ASL,.,心肌ASL,MBF maps (ml/ml/min)from one healthy volunteer with moderate physiological noi

17、se.(Left) Voxelwise MBF map from one breathhold (values 0.0 appear black, values 2.0 appear white). (Right) ROI-based MBF map from 20 breathholds (LV myocardium is divided into eight radial segments).,.,優(yōu)點(diǎn)： 不用注射對比劑、完全為非侵入性的方法。 對于有出血、鈣化或位于顱底的病變, ASL 測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定, 明顯優(yōu)于DSC。 主要因?yàn)锳SL是多次快速采集的平均值,受磁敏感偽影的影響較小。 可重復(fù)性強(qiáng)。 相對DSC，不可控因素較少，如對比劑量、注射速度等。 缺點(diǎn)： 參數(shù)較少。DSC相應(yīng)的血流動力學(xué)參數(shù)，如局部腦血容量（rCBV)、平