动脉自旋标记(ASL)基本原理及应用.pptx

ASL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18F、14C成像； CT灌注成像(I、Xe)； 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 价值。 磁共振灌注简介 1、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。 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 ASL。 2、使用内源性示踪剂 DSC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。PWI的另一种方法称为动脉自旋标记示踪法 (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。 ASL原理 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。 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。 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1s (血 液的T1 值) ,而不是像PET 技术中的示踪剂如 H215O , 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ASL“示踪剂”半衰期 只有1s ,ASL 主要反映了被标记的血质子进入组 织的速率, 而H215O PET 除了速率外,还与组织 中水分交换,示踪剂的清除有关。 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 M0, blood-tissue partition coefficient and inversion efficiency are generally required in order to quantify the perfusion ASL原理 根据标记方法不同ASL分为以下两类 ： u连续法CASL：当动脉血流经过标记平面时 ，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; u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 2010-4-18中国深圳 CASL Techniques 1. 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。 TransmissionTransmission Imaging PlaneImaging Plane Inversion Label ASLCASL 采用单次短反转脉冲，通常采用双曲线正交脉冲 (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 10ms。 PASL Techniques FAIR（flow-sensitive alternating inversion recovery ） 流动敏感交互反转恢复序列) CASL和PASL的主要影响因素 CASL由于磁化转移，生物组织的偏共振射 频引起信号和T 值的降低，与ASL产生的变化相 似，使灌注效应被高估，而且观察到的信号减 弱，影响量化，信噪(signalnoise ratio，SNR) 降低。因此CASL的参照图像与标记图像的偏共 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 磁化传递效应。在标记脉冲和对照脉冲前额外 施加一个饱和脉冲, 这样可以消除施加标记脉 冲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 像一样的磁化传递效应, 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EPI - STAR 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 ASL应用 脑灌注 脑缺血 脑肿瘤 其他，癫痫，抑郁症，脑损 伤等 肺灌注 肾灌注 心肌灌注 单相位fair 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、PCA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 血管内标记质子到感兴趣区的时间确定标 记位置。现在的ASL是同时标记所有的血管 ，尽量减少不同血管内质子到达感兴趣区 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ASL ASL的灌注区与其MRA的血管供血区是完全相吻合的。 中国深圳 4D-ASL MR images in a 75-year-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-sigmoid 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 these 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定量进展 肺ASL 心肌ASL MBF maps (ml/ml/min)from one healthy volunteer with moderate physiological noise.(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). 优点： 不用注射对比剂、完全为非侵入性的方法。 对于有出血、钙化或位于颅底的病变, ASL 测量数据稳定, 明显优于DSC。 主要因为ASL是多次快速采集的平均值,受磁敏感伪影的影响较小。 可重复性强。 相对DSC，不可控因素较少，如对比剂量、注射速度等。 缺点： 参数较少。DSC相应的血流动力学参数，如局部脑血容量（