血管选择性动脉自旋标记技术研究进展及临床应用

徐慧敏，刘颖，袁慧书

血管选择性动脉自旋标记技术研究进展及临床应用

徐慧敏，刘颖，袁慧书*

作者单位：北京大学第三医院放射科，北京，100191

了解单支脑供血动脉的精确灌注区域对诊断和治疗多种脑血管疾病具有重要意义。血管选择性动脉自旋标记技术(territorial-ASL；t-ASL)在动脉自旋标记基础上，附加针对性的血管选择技术，实现了对单支血管的选择性标记，进而获得脑灌注区域分布图像。且鉴于t-ASL具有无需对比剂、无电离辐射的优点，因此，该技术具有非常广泛的应用前景。作者介绍了t-ASL的技术原理及研究进展，并且对基于该技术的临床应用进行了归纳总结。

血管选择性动脉自旋标记；脑灌注区域成像

脑灌注成像对于了解多种颅脑疾病的发生发展过程、指导临床治疗方案的制订意义重大。目前，基于核医学、CT、MRI等技术的脑灌注成像方法较多，在临床应用中各有优势。然而，这些方法仅能进行全脑灌注成像。在一些特定情况下，如判断中风病灶的责任血管，单支血管供血区域成像对于临床工作具有重要的指导意义。

为了实现单支血管供血区域的可视化，目前，临床上最常用的方法是数字减影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)[1]。然而，DSA检查是有创性的，电离辐射剂量大，且显示的是脑血管树分布而非脑血流灌注，并不能对供血区域血流量进行量化。同时，由于对比剂须借助高压注射器推入，致使颅内血流动力学改变，导致了脑血管树分布的评估错误[2]。

血管选择性动脉自旋标记技术(territorial arterial spin labeling，t-ASL)是一种能显示单支血管供血区域的磁共振技术，具有无创、无辐射的特点，且能够在不改变血流动力学状态的情况下反映血流量，近年来发展迅速。因此，笔者对t-ASL技术原理、研究进展及其临床应用进行综述。

1 ASL及t-ASL技术原理

动脉自旋标记技术是一种利用体内动脉血中水分子作为内源性示踪剂的无创性MR灌注成像技术[3]。它在成像层面近端对动脉血中水分子进行标记，经过一定延迟时间，在成像层面采集标记图像，然后与同一层面未标记图像进行减影得到灌注图像。根据血液反转标记方法不同，ASL技术主要分为三类：脉冲式动脉自旋标记(pulsed arterial spin-labelling，PASL)、连续式动脉自旋标记(continuous arterial spin labeling，CASL)和伪连续动脉自旋标记(pseudo-continuous arterial spin labeling，pCASL)。t-ASL是在ASL基础上通过不同技术方法对单支血管进行选择标记，以得到显示不同供血血管的灌注区域分布图像，是在CASL、PASL、pCASL成像技术基础上发展起来的[4]。

2 t-ASL技术进展

2.1 基于CASL原理的t-ASL技术

CASL技术使用连续脉冲标记感兴趣层面近端一个较薄层面内的血液，标记平面薄，能够减少对运动的敏感性，因此，信噪比高。但是该技术对设备要求高，需要额外线圈，且受检者的能量吸收率高，目前临床应用较少[5]。

1994年，Detre等[6]首次通过改变标记平面角度，利用一个斜平面来标记左侧或右侧脑供血动脉来获得脑半球的血流灌注图像，然而这种方法并不能区分单支动脉的灌注范围。Zhang等[7]利用一个额外的表面线圈首次实现了单支动脉的选择性标记。这种线圈针对表面血管，且体积小，可以实现血管选择。但该方法仅能对位于表面较浅位置的颈总动脉进行选择，且易受邻近血管污染，因此该方法的应用受到了限制。

2.2 基 于PASL原理的t-ASL技术

PASL使用多个短脉冲标记成像层面近端的一个较厚层面内的血液。技术优点是硬件需求低，操作简便，且受检者能量吸收率较低、组织磁化转移效应较小。缺点是PASL覆盖范围小，信噪比低[5]。

Davis等[8]利用PASL技术开发了使用二维铅笔束脉冲进行标记的2D 脉冲法。这种方法需要标记平行于成像层面的颈内动脉虹吸段，技术难度高；同时有效标记长度一般仅为2.5 cm，信噪比低。因此不能在有限时间内得到一幅清晰的灌注图像。

Hendrikse等提出依据磁共振血管成像(magnetic resonance angiography，MRA)显示的脑血管解剖结构，通过旋转标记体来实现单支血管选择。这种方法最大的问题是只限制了血管选择方向上标记体的层数，而其他两个方向是无限延伸的，这样就会导致标记板与成像层面相交。因此需要使用WET饱和性方案在标记同时对成像层面进行预饱和以避免伪影形成[9]，也就意味着该方法不能对Willis环以上水平的动脉进行标记。同时，由于血管走行区域彼此邻近，这种方法易受邻近血管的污染。此外，这种选择性PASL方法需要对每个标记体进行规划，非常耗时，因此，多名学者尝试利用双血管标记计划、使用一个共同的控制像等方法，加快扫描速度[10-11]。

2.3 基于pCASL原理的t-ASL技术

pCASL技术通过切换梯度场和多个短脉冲组合实现 CASL 长脉冲效果，常规MRI设备即可使用，不需要专用线圈，操作简便。pCASL综合了PASL技术的高标记效率和CASL技术的高信噪比，已成为目前最为推荐使用的ASL技术[3，4]。目前最常用的两种t-ASL技术都基于pCASL技术：血管编码动脉自旋标记技术(vessel encoded ASL，VE-ASL)和超选择性动脉自旋标记技术(superselective ASL，ss-ASL)[12]。

VE-ASL是通过在标记层面施加额外横向梯度场，改变同一层面内不同位置的标记效率，从而实现对不同脑供血动脉的选择，进而产生一个清晰的脑血流分布图像[13]。VE-ASL最突出的优势是具有相对较高的时间效率，它可以同时对多支血管进行选择，通常在3.5～5.0 min内即可一次性获得多支血管的脑血流分布图像。同时，利用VEASL来也可以实现Willis环以上水平的动脉选择性标记[14]。自动化VE-ASL (planning-free VE-ASL)的诞生使其标记规划也变得非常简单，不再需要额外MRA图像进行规划，只需要把标记平面置于成像层面下方，且与成像层面平行、颈内动脉和椎动脉走行相垂直的位置即可。这种方法已被证实具有很高的可重复性和准确性[15]。与其他t-ASL技术相比，VE-ASL最大的缺点是图像后处理非常复杂。选择性标记动脉的同时，还需要以相同参数获得一幅非选择性全脑灌注图，然后将获得的不同血管编码图像与全脑灌注图像相比较。假定同一支血管的灌注区域内的各体素具有相同的供血分数，随后可以利用不同的技术(如k均值聚类法和贝叶斯框架)将这些相同区域提取出来。因为血管编码过程中标记效率是不断变化的，VE-ASL灌注图是不可以直接进行量化。当需要进行脑血流定量测定，建议增加一个非选择性pCASL序列[4]。

ss-ASL通过施加垂直于标记层面的、随时间变化的梯度，产生一个标记焦点，置于感兴趣动脉而实现单支动脉的选择性标记[16]。ss-ASL的优点是即使在标记血管与周围血管非常邻近的情况下，依然可以实现对标记血管的精确选择。早期研究已经使用ss-ASL实现对Willis环水平上方的直径约为1.2 mm、与周围邻近血管间隔5.0 mm的小动脉进行标记[15]。ss-ASL的缺点是需要一个额外MRA对每支血管做扫描前规划，使该技术扫描时间间隔较长，对患者运动敏感。同时由于要分别对每支血管进行扫描，成像时间较长，使得它多应用于感兴趣血管较少的情况下。现阶段多个研究尝试利用双血管标记计划、使用一个共同控制像等方法来对ss-ASL进行提速，使其具有良好的应用价值[17-18]。

3 t-ASL的临床应用

3.1 正常脑血流分布及常见变异

颅脑主要供血动脉是颈内动脉系统和椎基底动脉系统，进入颅内后再分为双侧大脑前动脉、大脑中动脉和大脑后动脉。前交通动脉在双侧大脑前动脉之间形成侧支循环通路，后交通动脉则是沟通前循环和后循环之间的主要侧支循环途径。据统计，健康受试者的大脑总血流量平均约为600 ml/min，其中双侧颈内动脉系统各占40%，椎基底动脉系统占20%[19]。

1874年Duret等[20]首次绘制出详细的颅脑血管供血区域图谱以阐释颅内血流分布状况。随后有大量研究表明，脑血管供血区域变异非常广泛[21-22]，且很大程度上是由于Willis环结构变异引起的。Krabbe-Hartkamp等[22]采用3D-TOF MRA技术对健康人群的Willis环结构进行了大样本研究，发现仅有约42%的受试者具有完整的Willis环。而在众多的Willis环解剖变异类型中，对脑主要动脉灌注区域影响最大的变异主要有两种：(1)胚胎型大脑后动脉，即至少一侧大脑后动脉(主要)经后交通动脉由同侧颈内动脉发出，其发生率约为32%；(2)一侧大脑前动脉A1段发育不全或缺如，此时，双侧大脑前动脉均由一侧颈内动脉供血，发生率约为5%。Hendrikse等[19]和Van Laar等[23]利用t-ASL方法证实了上述Willis环的解剖变异会导致双侧颈内动脉及基底动脉的供血量及供血区域发生明显变化。此外，在脑实质深部，不同动脉的灌注区域也存在很大的变异。变异最明显的是丘脑核团——通常由颈内动脉和后交通动脉共同参与供血，而尾状核的血液供应是来自于同侧还是对侧颈内动脉则取决于Heubner返动脉的起源与走行[24]。随后利用t-ASL技术研究基底节区及丘脑的脑血流分布，发现在胚胎型大脑后动脉人群中，丘脑完全由同侧颈内动脉供血，而在A1段发育不全或缺如的人群中，尾状核的供血更多来源于对侧颈内动脉[25]。

Kansagra等[26]利用VE-ASL方法对双侧椎动脉进行选择性标记，得到双侧椎动脉供血区域分布图像，发现双侧椎动脉供血分布高度可变，并且左、右侧椎动脉的血液在基底动脉中并不是完全混合，它们分别有各自独特的供血区域。Hartkamp等[27]利用ss-ASL方法选择性标记双侧椎动脉，由于小脑后下动脉(posterior inferior cerebellar artery，PICA)均起自同侧椎动脉远端，同侧椎动脉灌注区域图像中均缺失对侧PICA的灌注区域，因此可以将一侧PICA供血的小脑灌注区域从双侧椎动脉混合的混合灌注区域中分离开来。在未来，这种方法可能有助于更准确地对小脑梗死原因进行分类。

3.2 急性与亚急性脑卒中

脑卒中是一种高致死率的疾病，需要可靠的方法来评估梗死面积、位置和严重程度，以便及时指导临床制订合理有效的治疗方案。血栓栓塞和血流动力学损害在短暂性脑缺血发作和脑卒中发作中起着重要的作用。

有关缺血性卒中或者短暂性缺血性脑发作的治疗指南中指出，患者应该在发病2周之内得到有效的血运重建治疗——通过药物溶栓或手术方法去除大动脉栓子的方式来解除栓塞[28]。因此，确定症状区域的责任血管对于治疗方案的制订非常重要。目前，临床医师主要通过标准图谱来判断导致梗死灶的栓子来源——来自于哪支脑供血动脉。然而，脑供血血管灌注区存在变异，当合并脑血管疾病时变异会变得更加复杂。近期，有研究将t-ASL血管区域成像与利用标准图谱确定梗死灶责任血管的传统方法(MRI结合MRA)进行比较，发现约10%边缘带脑梗死被误认为由于单支动脉堵塞而引起的皮质梗死，而约8%的皮质梗死的责任血管判断失误[29]。利用t-ASL可以更加清晰地显示每支脑主要供血动脉的血流分布，因而可以更精确地识别栓子来源并且鉴别边缘带梗死和单支血管栓塞所致的皮质梗死[30]，这对于指导临床治疗方案的制订具有不可忽视的作用。

目前，t-ASL尚未用于急性脑卒中发作的最初几小时内，因其在急性发作期一旦明确诊断后要尽快接受治疗，很难额外再延长时间进行t-ASL成像。缩短t-ASL的成像时间，同时保持足够的信号强度，可能会使t-ASL在将来的急性脑卒中患者检查中得到应用[4]。

3.3 脑供血动脉狭窄闭塞性疾病

既往研究证实，除血栓栓塞外，由脑供血动脉狭窄闭塞引起的脑血流供应不足也是引发短暂性脑缺血发作或脑卒中的重要原因之一[31]。在这种情况下，缺血事件多是由于经Willis环形成的一级侧支循环或通过软脑膜动脉、眼动脉形成的二级侧支循环等代偿能力缺失所致[32]。因此，评价颅内侧支循环开放程度及脑血流供应状况对早期预测缺血事件的发生发展具有重要意义。尽管DSA、经颅彩色多普勒超声、CT或MR血管成像技术均可以判断有无侧支循环形成，但它们均不能评价侧支循环对血流灌注的真正影响程度。

Chng等[33]以DSA作为参考标准，使用t-ASL技术评估慢性脑血管疾病患者的侧支循环代偿程度时，提示t-ASL技术与DSA具有良好的一致性。t-ASL技术已被用于在血流灌注层面上反映颅外动脉狭窄闭塞对脑血流分布状况及血流灌注量的影响，证实病变侧大脑中动脉灌注区域的脑血流量通常会明显低于对侧的相应区域[34]。van Laar等[35]利用t-ASL方法对单侧颈内动脉闭塞患者脑供血动脉血流分布状况进行研究，发现闭塞侧大脑中动脉的灌注区域主要由基底动脉侧支血流供应，而大脑前动脉灌注区域则主要依赖于对侧颈内动脉侧支血流提供。随后，他们利用相同方法对单侧颈内动脉闭塞患者的同侧颈外动脉进行选择性标记，发现颈外动脉对同侧闭塞颈内动脉灌注区域亦有较强的代偿功能。约有60%的患者存在颈外动脉的侧支血流供应大脑前、中动脉供血区域[36]。

t-ASL还可用于监测颈动脉狭窄闭塞疾病的治疗效果。颈动脉内膜剥脱术或颅外–颅内动脉搭桥手术是治疗颈内动脉狭窄闭塞疾病的常用方法。多个研究证实利用t-ASL监测手术前后脑血流灌注范围及脑血流量的改变比单纯依靠狭窄程度的变化来评估手术价值及患者预后更加可靠[34，37]。

3.4 颅内血管畸形

颅内动静脉畸形(arteriovenous malformation，AVM)是由一支或几支弯曲扩张的动脉和静脉直接相通而形成血管团。其临床症状以自发性脑出血为主。畸形血管切除术为AVM最合理的治疗方案，术前应明确主要的供血动脉和引流静脉的数目、部位、来源、大小和对侧参与供血的情况。DSA是目前公认的诊断标准，但该检查是有创有辐射的。t-ASL的出现为AVM提供了一个新的无创的术前检查手段。Kukuk等[38]和Yu等[39]分别利用选择性PASL、VE-ASL技术评价不同脑供血动脉(双侧颈内动脉和椎动脉)对AVM畸形血管团的供血贡献，并以DSA作为参考标准进行比较，发现均具有良好的一致性。超选择性ASL方法可以实现对颅内单支细小动脉的选择性标记，从而确定AVM的供血血管，并可以区分单独AVM供血动脉及脑组织供血动脉，这对于制订治疗方案、手术规划以及治疗监测都是非常重要的[40-41]。

烟雾病又名Moyamoya病，是一组以双侧颈内动脉末端或Willis环主要分支血管起始部慢性进行性狭窄、闭塞，继发脑底广泛侧支循环形成为特征的疾病[42]。其临床症状主要表现为缺血性脑卒中，患者可以通过颅内外动脉搭桥手术实现颅内血运重建的目的。Saida等[43]利用t-ASL实现了对颅内外动脉搭桥术后颅外颞浅动脉血流灌注范围的监测，对预测患者预后具有重要价值。

3.5 其他应用

t-ASL还可用于判断脑肿瘤的供血动脉，从而为神经外科医师提供良好的术前信息[44]。此外，t-ASL还可以用于脑功能方面研究：Mutsaerts等[45]利用VE-ASL方法对健康老年志愿者的脑血流分布图像进行分析，发现双侧脑血流分布不对称程度与记忆功能减退的程度呈正相关，相关性较脑萎缩、脑白质脱髓鞘变性等更加显著。

4 总结

t-ASL技术是一种可以无创观察单支脑供血动脉灌注区域的新兴MRI技术。从最初只能选择性标记双侧颈内动脉到实现椎基底动脉的标记，再到可以利用超选择性t-ASL实现对颅内单支小动脉选择性标记，t-ASL技术发展迅速、现已较为成熟。在临床应用上，t-ASL对于监测脑血流分布及变异、预测诸多脑血管疾病进展以及指导临床决策制定方面都有重要的价值。此外，鉴于t-ASL具有无创、无辐射的优势，未来在某些方面存在替代DSA检查的潜在实力。但是，t-ASL尚存在技术原理较难、成像时间较长以及成像规划、后处理较复杂等缺陷，因此，阻碍了其在临床中推广应用。笔者通过对t-ASL技术的发展过程、不同技术原理及临床应用进行归纳总结，旨在帮助更多的放射科医师和其他相关临床医师更好地理解该项技术，并能更容易地利用它指导临床工作。

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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

袁慧书，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, 刘颖, 袁慧书. 血管选择性动脉自旋标记技术研究进展及临床应用.磁共振成像, 2017, 8(5): 378-383.