動(dòng)脈自旋標(biāo)記asl基本原理及應(yīng)用

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(dòng)的又一物理概念。與擴(kuò)散不同的是，它是建立在流動(dòng)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

2、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、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 mag

3、netic 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(dòng)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(dòng)力學(xué)及功能變化對臨床診斷及治療均有重要參考價(jià)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(dòng)態(tài)磁敏感對比增強(qiáng) （DSC）灌注成像。,不需注入對比劑，利用動(dòng)脈血中水質(zhì)子作為內(nèi)源性示蹤劑，即

4、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(dòng)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(shí)，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(shí)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(dòng)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(shí)間(MTT)、局部腦血流量(rCBF)等。,DSC

5、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)確性受血腦屏障完整性的影響。PWI的另一種方法稱為動(dòng)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(dòng)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(dòng)質(zhì)子自旋與靜態(tài)組織質(zhì)子自旋磁化程度

6、的差異十分敏感。ASL就是利用這一原理，以動(dòng)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(gè)圖像采集、處理過程一般都遵循下列步

7、驟。⑴反轉(zhuǎn)脈沖標(biāo)記動(dòng)脈血質(zhì)子。⑵延遲一段時(shí)間后, 被標(biāo)記的動(dòng)脈血質(zhì)子流入感興趣區(qū)所在層面采集圖像, 此時(shí)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(dòng)脈血標(biāo)記質(zhì)子數(shù)量。⑶在成像參數(shù)相同情況下, 動(dòng)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) 。⑷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, 可以顯示自大動(dòng)脈直至毛細(xì)血管水平的灌

8、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。⑸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

9、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 , 半衰期長達(dá)幾分鐘。盡管兩者遵循同樣的藥代動(dòng)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

10、of parameterssuch as relaxation time of the blood and the tissue T1a, T1, transit timedelay τ of arterial blood, equilibrium magnetization M0, blood-tissuepartition coefficient λ and inversion efficiency α are general

11、lyrequired 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(dòng)脈血流經(jīng)過標(biāo)記平面時(shí)，在一個(gè)持續(xù)的梯度下，動(dòng)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(gè)動(dòng)脈血自旋厚塊的磁化被一個(gè)絕熱的雙曲正割脈沖所反轉(zhuǎn)，標(biāo)記一段時(shí)間內(nèi)的動(dòng)脈血液，常用序列如EPISTAR、HIT、FA

12、IR等。,ASL 技術(shù),2010-4-18,中國深圳,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(dòng)方向施加一個(gè)梯度場,在發(fā)生標(biāo)記這段時(shí)間內(nèi),連續(xù)施加RF翻轉(zhuǎn) 脈沖。RF 頻率在某一個(gè)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(dòng)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(dòng)脈血質(zhì)子流入圖像采集層面時(shí), 采集圖像。因?yàn)檫B續(xù)施加標(biāo)記脈沖

13、，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。,,ASL－CASL,采用單次短反轉(zhuǎn)脈沖，通常采用雙曲線正交脈沖(hyperbolic secant pulse)，反轉(zhuǎn)標(biāo)記圖像采集層面近端的一段距離內(nèi)的動(dòng)脈血質(zhì)子，而不是像CASL僅對一個(gè)層面反轉(zhuǎn)標(biāo)記，標(biāo)記持續(xù)的時(shí)間很短,典型的為10ms。,PASL Techniques,FAIR（flow-sensitive alternating inversion recovery

14、 ） 流動(dòng)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(signal—noise 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。 PASL 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

15、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(gè)飽和脈沖, 這樣可以消除施加標(biāo)記脈沖和對照脈沖時(shí)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(shí), 可在圖像采集層面的遠(yuǎn)端施加一個(gè)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(dòng)脈血

16、質(zhì)子被標(biāo)記。PASL中的EPI - STAR 序列,標(biāo)記圖像采集時(shí), 在圖像采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(shí),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(shí),在同側(cè)施加一個(gè)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

17、延遲時(shí)間，一般腦內(nèi)在這種情況下如果組織的實(shí)際動(dòng)脈通過時(shí)間大于標(biāo)記延遲時(shí)間，即標(biāo)記后圖像采集時(shí)間過早，會(huì)低估了實(shí)際CBF。多相位ASL在一次標(biāo)記后，不同的延遲時(shí)間點(diǎn)采集圖像，可解決了這一問題,多相位ASL（PHILIPS）,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(dòng)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

18、性ASL；另外還有時(shí)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(shí)間確定標(biāo)記位置?，F(xiàn)在的ASL是同時(shí)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(shí)間差 。無論各種ASL的優(yōu)缺點(diǎn)如何，必須同時(shí)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。,中國深圳,4D-ASL,MR images in a 75-year-old man with dural AVF at the l

19、eft 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

20、 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

21、(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

22、, 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 noise.(Left) Voxelwise M

23、BF map from one breathhold (values 0.0 appearblack, 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

24、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?？芍貜?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(dòng)力學(xué)參數(shù)，如局部腦血容量（rCBV)、平均通過時(shí)間(MTT)、局部腦血流量(rCBF)，組織峰值時(shí)間（TTP）等。很長一段時(shí)間內(nèi)ASL的只能得到CBF值，現(xiàn)在通過后處理技術(shù)可以得到Arterial tra

25、nsit times (ATT) arterial cerebral blood volume(CBV)。時(shí)間和空間分辨力相對較差。ASL不能準(zhǔn)確評價(jià)低于10ml/100g/min的血流, 當(dāng)然, 如果血流大于150ml/100g/min, ASL評價(jià)也不準(zhǔn)確, 因?yàn)楸粯?biāo)記的血流在采集的體素內(nèi)流空了, 信號明顯減弱, 這在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。,總結(jié)，ASL優(yōu)缺點(diǎn),謝謝,愛是什么？一個(gè)精靈坐在碧綠的枝葉間沉思。風(fēng)兒若有若無。一只

26、鳥兒飛過來，停在枝上，望著遠(yuǎn)處將要成熟的稻田。精靈取出一束黃澄澄的稻谷問道：“你愛這稻谷嗎？”“愛?！薄盀槭裁?？”“它驅(qū)趕我的饑餓。”鳥兒啄完稻谷，輕輕梳理著光潤的羽毛?！艾F(xiàn)在你愛這稻谷嗎？”精靈又取出一束黃澄澄的稻谷。鳥兒抬頭望著遠(yuǎn)處的一灣泉水回答：“現(xiàn)在我愛那一灣泉水，我有點(diǎn)渴了?！本`摘下一片樹葉，里面盛了一汪泉水。鳥兒喝完泉水，準(zhǔn)備振翅飛去?！罢?jiān)倩卮鹞乙粋€(gè)問題，”精靈伸出指尖，鳥兒停在上面?！澳阋プ鍪裁?/p>

27、更重要的事嗎？我這里又稻谷也有泉水?！薄拔乙ツ瞧_著風(fēng)信子的山谷，去看那朵風(fēng)信子。”“為什么？它能驅(qū)趕你的饑餓？”“不能?！薄八茏虧櫮愕母煽?？”“不能?！睈凼鞘裁矗恳粋€(gè)精靈坐在碧綠的枝葉間沉思。風(fēng)兒若有若無。一只鳥兒飛過來，停在枝上，望著遠(yuǎn)處將要成熟的稻田。精靈取出一束黃澄澄的稻谷問道：“你愛這稻谷嗎？”“愛?！薄盀槭裁?？”“它驅(qū)趕我的饑餓。”鳥兒啄完稻谷，輕輕梳理著光潤的羽毛?！艾F(xiàn)在你愛這稻谷嗎？”精靈

28、又取出一束黃澄澄的稻谷。鳥兒抬頭望著遠(yuǎn)處的一灣泉水回答：“現(xiàn)在我愛那一灣泉水，我有點(diǎn)渴了?！本`摘下一片樹葉，里面盛了一汪泉水。鳥兒喝完泉水，準(zhǔn)備振翅飛去?！罢?jiān)倩卮鹞乙粋€(gè)問題，”精靈伸出指尖，鳥兒停在上面?！澳阋プ鍪裁锤匾氖聠?？我這里又稻谷也有泉水?！薄拔乙ツ瞧_著風(fēng)信子的山谷，去看那朵風(fēng)信子。”“為什么？它能驅(qū)趕你的饑餓？”“不能。”“它能滋潤你的干渴？”“不能?！?其實(shí)，世上最溫暖的語言，“ 不是我愛你

29、，而是在一起?！?#160; 所以懂得才是最美的相遇！只有彼此以誠相待，彼此尊重，相互包容，相互懂得，才能走的更遠(yuǎn)?！　∠嘤鍪蔷墸嗍厥菒?。緣是多么的妙不可言，而懂得又是多么的難能可貴。否則就會(huì)錯(cuò)過一時(shí)，錯(cuò)過一世！　　擇一人深愛，陪一人到老。一路相扶相持，一路心手相牽，一路笑對風(fēng)雨。在平凡的世界，不求愛的轟轟烈烈；不求誓言多么美麗；唯愿簡單的相處，真心地付出，平淡地相守，才不負(fù)最美的人生；不負(fù)善良的自己。　　人海茫茫，不求人人都能

30、刻骨銘心，但求對人對己問心無愧，無怨無悔足矣。大千世界，與萬千人中遇見，只是相識的開始，只有彼此真心付出，以心交心，以情換情，相知相惜，才能相伴美好的一生，一路同行?！　∪欢?，生活不僅是詩和遠(yuǎn)方，更要面對現(xiàn)實(shí)。如果曾經(jīng)的擁有，不能天長地久，那么就要學(xué)會(huì)華麗地轉(zhuǎn)身，學(xué)會(huì)忘記。忘記該忘記的人，忘記該忘記的事兒，忘記苦樂年華的悲喜交集。　　人有悲歡離合，月有陰晴圓缺。對于離開的人，不必折磨自己脆弱的生命，虛度了美好的朝夕；不必讓心靈痛苦不

31、堪，弄丟了快樂的自己。擦汗眼淚，告訴自己，日子還得繼續(xù)，誰都不是誰的唯一，相信最美的風(fēng)景一直在路上?！　∪松?，就是一場修行。你路過我，我忘記你；你有情，他無意。誰都希望在正確的時(shí)間遇見對的人，然而事與愿違時(shí)，你越渴望的東西，也許越是無情無義地棄你而去。所以美好的愿望，就會(huì)像肥皂泡一樣破滅，只能在錯(cuò)誤的時(shí)間遇到錯(cuò)的人?！　q月匆匆像一陣風(fēng)，有多少故事留下感動(dòng)。愿曾經(jīng)的相遇，無論是錦上添花，還是追悔莫及；無論是青澀年華的懵懂賞識，還是成

32、長歲月無法躲避的經(jīng)歷……愿曾經(jīng)的過往，依然如花芬芳四溢，永遠(yuǎn)無悔歲月賜予的美好相遇?！　∑鋵?shí)，人生之路的每一段相遇，都是一筆財(cái)富，尤其親情、友情和愛情。在漫長的旅途上，他們都會(huì)豐富你的生命，使你的生命更充實(shí)，更真實(shí)；豐盈你的內(nèi)心，使你的內(nèi)心更慈悲，更善良。所以生活的美好，緣于一顆善良的心，愿我們都能善待自己和他人?！　∫宦纷邅?，愿相親相愛的人，相濡以沫，同甘共苦，百年好合。愿有情有意的人，不離不棄，相惜相守，共度人生的每一個(gè)朝夕……