导读

动脉自旋标记(Arterial spin labeling，ASL)是一种磁共振灌注成像技术，可以在不使用静脉钆造影剂的情况下量化脑血流量(CBF)。了解ASL的技术基础和灌注的生理变化对于识别正常变异和伪影很重要。灌注的病理变化见于多种疾病，包括急慢性缺血、血管病变、血管畸形、肿瘤、创伤、感染/炎症、癫痫和痴呆。

前言

动脉自旋标记(ASL)是一种磁共振灌注成像技术，可以在不使用静脉注射的钆造影剂的情况下量化脑血流量(CBF)。与增强技术(如动态磁敏感对比(DSC)和动态对比增强(DCE)灌注)相比，ASL易于重复，不容易受到磁敏感伪影的影响，适用于禁用钆造影剂的情况(例如幼儿、孕妇和肝肾功能衰竭的虚弱患者等)。此外，ASL图像后处理相对自动化；不依赖于静脉造影剂注入剖面，能够对绝对CBF而不是相对CBF进行量化。了解ASL的技术基础和灌注生理变化对于识别正常变异和伪影非常重要。灌注的病理变异可见于包括急性和慢性缺血、血管病变、血管畸形、肿瘤、创伤、感染/炎症、癫痫和痴呆等多种疾病。过去，ASL主要用于医疗中心进行急性和慢性脑卒中评估。ASL在其他疾病过程中的常规使用历来受到技术理解和实际可用性的限制。此外，鉴于其许多解释上的微妙之处，鼓励更广泛地使用该序列，以便放射领域的研究人能够熟悉各种各样的成像外观。本研究将呈现多个成像示例，以突出该技术的各种临床应用，并讨论ASL图像解读中的要点和注意事项。

技术

ASL技术利用射频(RF)脉冲来反转大脑底部的自由水质子。在随后的标记后延迟(PLD)中，动脉循环中的标记质子流入脑实质并与毛细血管循环保持平衡。由于信号衰减大约为几秒钟，所以临床PLD值通常设置在1000-3000ms之间。高信噪比(SNR)的序列(例如回波平面成像、快速自旋回波或梯度回波)可用于评估标记图像和对照(非标记)图像之间的脑信号变化。由于标记效率、信号衰减和血流速率存在变化，临床ASL序列通常包含多个交错采集的标记和对照图像。然后通过对标记图像和对照图像进行两两相减来计算灌注量，然后根据至少双隔室(血液和组织)的一般动力学模型进行因子校正。这产生了以生理单位ml/100g/min表示的绝对CBF参数和可以以灰度(常规)或各种颜色显示的可视化CBF图。有几种不同的质子标记技术，包括脉冲式、连续式、伪连续式和速度选择性ASL。在脉冲ASL(PASL)中，使用多个短射频脉冲进行标记，而连续ASL(CASL)则需要专门的线圈，能够连续标记通过给定平面的质子。伪连续ASL(PCASL)是一种模拟CASL的混合方法，使用多个短脉冲，无需专门的硬件。这些技术中的每一种都可以用于选择性动脉标记，以绘制灌注区域。其他技术包括多延迟ASL和速度选择性ASL(VS-ASL)，这些技术可以计算脑血容量(CBV)和动脉通过时间(ATT)，以及用于动态血管造影的时间分辨ASL。

正常变异和伪影

正常的脑灌注随年龄和血流动力学功能的变化而有很大差异。健康新生儿的脑血流(CBF)总体较低，优先流向活跃髓鞘化的皮质脊髓束和代谢活跃的基底神经节(图1A-B)。随着大脑的持续生长和髓鞘化，CBF在生命的最初几年内迅速增加；在儿童晚期到青春期达到峰值，并在成年期、中年和老年期逐渐下降。健康成人的CBF值为40-70mL/100g/min，运动员可能更高。此外，灰质的正常灌注大约是白质的2-4倍，反映了不同的功能和代谢需求。对于每例患者，应根据患者年龄和成像指征确定最佳的PLD设置，较长的时间对较慢的流速更为敏感，但也会导致标记质子(自旋标记衰减)的信号损失更大(图1C-D)。在美国梅奥诊所神经放射科机构中，婴幼儿默认PLD设置为2500ms，幼儿为2000ms，大龄儿童和青少年为1500ms，正常成年人为2000ms，老年人为2500ms。在出现局部或全局性血管功能受损的情况下，例如中风、血管病变和器官功能衰竭，可能需要使用更长的PLD进行测量。

图1.正常变异和伪影。A.健康1岁男婴。ASL显示全局CBF低，但皮质脊髓束(白色箭头)和默认模式网络(黑色箭头)表现出选择性高灌注。B.健康1岁男婴。视觉激活导致外侧膝状体核(黑色箭头)和枕叶皮层(白色箭头)过度灌注。C.健康3岁女童。PLD=2000ms时，ASL显示大脑皮层血流均匀，明显高于白质。D.健康3岁女童。PLD=2500ms时，ASL显示出总体信号下降并更加异质的情况，这是由于自旋标记衰减所导致的。E.头皮静脉曲张。ASL显示右枕部软组织呈曲线状高信号(白色细箭头)。F.鼻腔循环。ASL显示左侧鼻黏膜不对称性高灌注(箭头所示)，并结合解剖图像证实了暂时性同侧黏膜水肿。G.线圈异质性。ASL显示非生理分布中右侧和前方视野的不对称信号衰减。H.环状伪影。患者运动导致头皮组织的周围出现光环。此外，由于基底动脉瘤线圈的存在导致局部信号丢失(箭头所示)。

技术伪影对于识别和区分病理是非常重要的。尤其是在年轻患者中，可以看到发育中的边缘结构、楔前叶或默认模式(无任务)网络中的生理高活性。如果患者睁眼并移动，视觉刺激可以表现为枕叶皮层和外侧膝状体核的激活(图1B)。在软组织中，各种皮肤和头皮肿块可能表现出不同的灌注特征(图1E)。此外，鼻黏膜的生理循环可能导致鼻黏膜吸收不对称(图1F)。线圈梯度和标记脉冲的异质性可能导致非生理性信号衰减，例如在左右或前后方向上(图1G)。患者运动可能导致对照和标记图像之间的减影失败，以及典型的“环状”伪影(图1H)。来自空气、钙、血液和金属或硬件的局部敏感性也可能导致局部信号丢失。然而，与传统的DSC灌注技术相比，ASL受磁敏感伪影的影响较小。

缺血性疾病和血管病变

ASL在脑卒中方面的应用最为广泛。在急性卒中患者中，ASL可联合扩散加权成像(DWI)进行快速成像评估。在急性缺血中，核心梗死区域通过DWI上的扩散限制区域标定，其血流量相当于正常血流量的10-25%(＜10-12mL/100g/min)。ASL上的低灌注周围区域表示缺血半暗带，相当于正常血流量的50-75%(＜20mL/100g/min)。这两个区域之间的不匹配表明组织处于风险状态(图2A-C)。相比之下，慢性大血管缺血表现为低灌注和脑软化(图2D-E)。

图2.缺血性疾病：A.急性右侧MCA供血区缺血。轴向DWI显示右后侧放射冠的线性扩散受限区域(箭头)。B.ASL显示在下部MCA供血区有更广泛的低灌注(箭头所示)，表明组织存在潜在风险。C.ASL图像显示血栓区域和远端侧裂MCA分支的血流缓慢，同时伴有高信号伪影。D.慢性右侧MCA供血区缺血。ASL显示整个右侧MCA分布的血流减少，同时在上覆皮层血管中出现血流减缓。E.慢性双侧ICA闭塞。ASL显示了双侧ICAs中捕获的信号，以及弥漫性低灌注脑实质。F.左侧PCA动脉瘤。ASL显示出动脉瘤内标记质子的滞留，以及后循环的慢性灌注不足。G.小血管缺血性疾病。ASL显示出深灰质和白质的灌注不均匀。H.华勒氏变性。ASL显示慢性右侧MCA梗死(白色粗箭头)，并伴有同侧脑脚的低灌注(白色细箭头)。I.ASL显示出交叉性小脑失联络，左侧小脑灌注不足。

动脉穿行伪影(ATA)常出现在局部或全脑缺血区域，比DSC灌注更敏感。血管进流缓慢和/或代偿侧支循环(奢侈灌注)会导致自旋标记物的累积，在CBF图上出现高信号的伪影。这种情况可以在狭窄或闭塞的血管、为感兴趣区域供血的动脉瘤或血管畸形中观察到；同时也可以在覆盖缺血区域的皮层分支血管中观察到。在较长PLD值下获取的图像可以确认感兴趣区域质子的最终流出情况，但可能会受到自旋标记衰减和全局低信噪比的限制(图2C-F)。

小血管缺血性疾病通常表现为皮质下和深部白质中的轻度不均匀灌注，反映了小穿透动脉的分布情况。还可能伴有急性或慢性栓塞性梗死和脑白质萎缩。边界征是指外侧边界区域(即前中动脉和中后动脉分布)内大脑皮层的对称性低灌注，在老年患者中较为常见(图2G)。大脑远端区域可以通过长白质束的通信来显示灌注和代谢变化的耦合。在急性脑卒中后，在亚急性-慢性期出现结构萎缩之前，可以通过灌注(ASL)和代谢(PET)成像发现早期改变。长束征包括同侧皮质脊髓束的沃勒氏变性，以及交叉性小脑失联络，后者涉及对侧小脑半球，并由皮层-脑桥-小脑通路调节(图2H-I)。

各种血管病变都可能出现ASL成像异常。在这些情况下，灌注数据可作为解剖和血管评估的有用补充。影像学表现因疾病发病机制、发病急性程度和受累血管大小(大、中、小)而异。脑血管自主调节障碍，如可逆性后部白质脑病(PRES)和可逆性脑血管收缩(RCVS)，可表现为横跨多个血管分布的不均匀和可逆性灌注区域。在短暂性小血管收缩的情况下，解剖学成像可能显示微妙或没有相应的血管异常。ASL可以识别血管内或皮质血流缓慢的关键区域，并伴随继发性脑灌注不足，如果不治疗可能会发展为不可逆的梗死(图3A-K)。

图3.血管病变。A.可逆性后部白质脑病(PRES)。轴向FLAIR显示双侧顶枕区皮质和白质对称性高信号。B.SWI显示重叠的蛛网膜下腔出血。C.ASL显示了皮质和白质区域的灌注不足。D.可逆性脑血管收缩(RCVS)。SWI显示左侧脑凸面有多发性蛛网膜下腔出血。E.ASL显示左侧大脑半球反应性过度灌注，包括皮质和深部灰质核团。F.伴皮质下梗死和白质脑病的常染色体显性遗传性脑动脉病(CADASIL)。轴向FLAIR图像显示前颞叶和脑干出现了斑片状高信号。G.ASL显示前颞叶和脑干存在不均匀的低灌注。H.脑淀粉样血管病。SWI显示右侧额叶脑内血肿(白色粗箭头)，点状微出血和多发性蛛网膜下腔出血(白色细箭头)。I.ASL显示脑灌注不均匀，血肿周围血流增加(白色粗箭头)，皮质和白质血流弥漫性减少，尤其是在蛛网膜下腔出血区域(白色细箭头)。J.溃疡性结肠炎相关血管病变。SWI显示急性左额叶脑内血肿及其周围水肿。K.SWI显示皮质和白质灌注不均，水肿区血流减少。

血管畸形

颅内血管畸形是一种发育异常的血管集合，可以是低血流型：发育性静脉异常(DVA)和海绵状血管畸形；或者高血流型：动静脉畸形(AVM)和动静脉瘘(AVF)。根据血管畸形的大小和流经的血流速率，血液会通过异常血管发生可变重定向，导致毛细血管瘀滞和周围组织不同程度的缺血性窃血。ASL对解剖成像中难以察觉或隐匿的小血管畸形具有较高的敏感性。在畸形区域可以看到局部的血液聚集(可能由静脉、毛细血管和/或动脉组成)。周围组织的灌注不足可以归因于亚急性期脑水肿和慢性期脑软化(图4A-F)。

图4.血管畸形。A.发育性静脉异常。轴位增强T1加权图像显示右侧额叶发育性静脉异常，由多个异常的放射状静脉汇集到一个共同的中央干。B.ASL显示与静脉畸形相关的毛细血管淤滞信号升高。DVA周围存在轻度的脑实质灌注不足，与静脉高压引起的缺血性窃血一致。C.磁共振血管成像(MRA)显示左侧额叶动静脉畸形，并且是伴有弥漫性病灶(白色粗箭头)和静脉扩张性引流的动静脉畸形(白色细箭头)。D.ASL显示病灶内血池(白色粗箭头)和引流静脉的信号增高(白色细箭头)。AVM周围存在轻度的脑实质灌注不足，与高流量血管窃血一致。E.动静脉瘘。轴向高分辨率增强T1加权图像显示高血流的迂曲血管扩大了右侧横窦-乙状窦交界处(白色粗箭头)。头皮上的枕动脉支形成经骨供血的血管(白色细箭头)。F.ASL显示硬脑膜AVF静脉(白色粗箭头)和动脉(白色细箭头)内血池信号的升高。颅内结构周围存在轻度的脑实质灌注不足，符合高流量血管窃血的特征。

肿瘤

虽然动态对比增强灌注成像(DSC)是临床肿瘤评估的公认标准，但这种技术需要注射钆造影剂并放置一个大口径静脉导管。在幼儿、孕妇以及存在肝/肾功能衰竭可能引发肾源性系统性纤维化的患者中，ASL是一种很有前景的选择。对于胶质瘤患者来说，高灌注程度可以帮助提示肿瘤分级、指导活检和手术计划、随访治疗反应，并区分肿瘤复发和放射性坏死。即使在部分出血或坏死的情况下，ASL也能确认高血管转移灶(图5A-I)。外脑膜肿瘤(如脑膜瘤)，在血脑屏障之外生长且血管丰富，通常表现出明显的增强和与血管密度相关的过度灌注。ASL信号的变化取决于肿瘤的组织学类型。在多发性脑膜瘤的情况下，当术后纤维化难以在常规成像序列中与复发性肿瘤区分时，ASL尤其有用(图6A-F)。

图5.轴内肿瘤。A.浸润性胶质母细胞瘤。轴向FLAIR显示出一个膨胀性肿块，累及右侧颞枕区皮层和白质。呈不均匀高信号，伴有局灶性结节状等强信号。B.轴向增强T1加权图像呈非均匀增强，在FLAIR等信号异常区域可见明显结节。C.扩散加权成像(DWI)表现为不均匀的扩散特征，在解剖信号异常区域出现局灶性限制。D.ASL显示胶质母细胞瘤的多灶性膨胀性高灌注。E.环状强化胶质母细胞瘤。轴向增强T1加权图像显示左顶叶不规则环状强化肿块。F.轴向T2加权图像显示周围结节状组织和中央坏死，伴有轻度周围水肿。G.ASL显示周围实质成分的高灌注状态。H.食管癌转移。轴向增强T1加权图像显示右侧额顶叶大而不均匀的环状强化转移灶，并伴有中央坏死及其周围血管源性水肿。I.ASL显示环状强化转移灶的边缘高灌注，坏死区域中央呈低灌注。

图6.轴外肿瘤。A.右侧床突旁脑膜瘤。轴向增强T1加权图像显示硬脑膜强化肿块，位于右前床突和大蝶窦翼中心(白色粗箭头)。有广泛的骨浸润，向前通过眶上裂延伸至眶周和向后延伸至海绵窦(白色细箭头)。B.ASL证实肿瘤中心(白色粗箭头)和外周边缘(白色细箭头)血流增加。C.囊性脑膜瘤。轴向增强T1加权图像显示右额部硬脑膜实性和囊性肿块，内表骨质增生。中央实质成分强化(白色粗箭头)，周围出现结节状隔膜(白色细箭头)。D.ASL证实肿瘤实质(白色粗箭头)和周围结节状(白色细箭头)区域的血流增加。E.治疗后脑膜瘤病变。通过脂肪饱和的轴向增强T1加权像显示出一个广泛的颅底脑膜瘤(白色粗箭头)。术后右侧蝶窦发生改变(白色细箭头)。F.ASL显示主要位于颅后窝的脑膜瘤有明显高灌注(白色粗箭头)，而治疗后的右侧颅中窝纤维化区域仅有轻微的高灌注(白色细箭头)。

创伤

创伤性脑损伤(TBI)的解剖和灌注特征因损伤机制、损伤程度(低冲击或高冲击)以及初始创伤事件后成像的时间而异。ASL在这些情况下可以提供更多有关全脑和局部脑灌注的信息，有助于评估损伤机制和患者预后。轻度脑损伤往往表现出不太明显且可逆的解剖、灌注和功能改变。严重脑损伤可以是多发性或弥漫性的，并伴随出血和缺血，在ASL上表现为异常。在急性创伤的情况下，更严重的灌注不足表明大脑自我调节的破坏更为严重，临床影响更为显著。例如，一项关于硬膜下血肿患儿的研究发现，非意外创伤引起的灌注不足更严重，随后与不良的临床结局相关联。慢性TBI的特征为含铁血黄素沉着、脑软化和长束征，ASL上表现为脑灌注不足(图7A-C)。

图7.创伤性脑损伤。A.轴向GRE显示右侧中央沟周围囊性脑软化(星号)和右侧额上沟远隔蛛网膜下腔出血引起的含铁血黄素沉着症(箭头)。B.轴向T2加权图像显示右侧华勒氏变性伴有大脑脚萎缩(箭头)。C.ASL显示右侧中央沟(星号)和额上区域的脑灌注不足。D.ASL显示右侧大脑半球和大脑脚灌注不足(箭头)。

感染性/炎症性疾病

感染和炎症过程可在ASL上显示异常，反映疾病的部位和范围以及血管募集程度。尽管ASL灌注不是首选应用，但它可以提供有关疾病活动和分布的有用信息。急性和亚急性炎症过程可能与增强区域相关的局部高灌注有关。周围脑实质可能因炎症过程的直接延伸和受累而出现过度灌注，也可能因反应性血管源性水肿而出现灌注不足(图8A-K)。

图8.炎症或感染。A.急性多发性硬化症。轴向FLAIR显示右侧中央区有一个叶状病灶，呈等、高信号同心圆，可能存在快速的脱髓鞘/再髓鞘化过程。B.轴向增强T1加权图像显示不完全的环状强化。C.ASL显示斑片状外周高灌注。D.慢性多发性硬化症。轴向FLAIR显示脑室周围和皮质旁附近多个卵圆形区域的高信号，伴随体积减少和中央囊性病变。E.ASL显示白质灌注不均匀，多灶性低灌注对应于慢性脱髓鞘区域。F.Tolosa-Hunt综合征。轴向增强T1加权图像显示左侧海绵窦扩张并向眶上裂延伸。G.ASL显示左侧海绵窦和眶上裂内硬脑膜高灌注炎性过程。H.脓毒性栓塞。轴向增强T1加权图像显示一名已知耐甲氧西林金黄色葡萄球菌脓毒症患者的多个增强灶。I.ASL显示了浅深部脑组织的细微高灌注。J.左侧乳突炎并伴有硬脑膜下积脓。轴向增强T1加权图像显示左侧乳突气房内信号增强(白色粗箭头)。左侧颅中窝和颅后窝可见硬脑膜下脓肿增厚和增强(白色细箭头)。K.ASL显示了左侧凸面硬脑膜和小脑幕相应的高灌注。

痴呆症

神经退行性疾病可以在疾病的早期阶段显示出独特的低灌注和代谢减退模式，比解剖学发现更早。体积异常的局部特异性萎缩只有在疾病的晚期和一般不可逆的阶段才明显。因此，ASL和PET成像，结合神经心理测试和其他高级序列，可以作为早期检测和干预的成像生物标志物(图9A-J)。

图9.痴呆症。A.阿尔茨海默病。轴向T2加权图像显示颞叶和顶枕区域的体积缩小。B.ASL显示颞顶区域的灌注不足。C.额颞叶痴呆。轴向FLAIR显示全局体积缩小，额叶和颞叶出现重度萎缩。D.ASL显示皮层灌注不均匀，额颞叶明显低灌注。E.路易体痴呆。轴向T2加权图像显示全局体积缩小，枕叶优先萎缩。F.ASL显示弥漫性脑灌注不足，枕叶(白色粗箭头)和基底节区(白色细箭头)过度灌注。G.渐进性核上性麻痹。矢状高分辨率T1加权图像显示全局体积缩小，并伴有不成比例的中脑萎缩，呈现凹陷的上缘。H.ASL显示相对于相邻的幕上结构，中脑存在局部低灌注。I.致死性家族性失眠症。轴向FLAIR显示双侧岛叶皮层(白色粗箭头)和基底节区(白色细箭头)有对称性高信号。J.ASL显示双侧岛叶皮层(白色粗箭头)和基底节区(白色细箭头)出现相应的斑片状高灌注。

癫痫

癫痫发作是由一个或多个致痫灶的扩散性去极化引起的，这些致痫灶可能存在结构或生化异常。神经元过度兴奋可以传播至局部皮层(部分性发作)或整个大脑半球(全面性发作)。ASL是一种非常有用的癫痫显像工具，可以提供类似于核医学灌注(SPECT)和代谢(PET)成像的结果，具有成像时间更短、空间/时间分辨率高的特点，并且不需要静脉插管或电离辐射。多种致痫因素，包括发病机制、发病时间等，都可以影响ASL成像外观，因此在扫描时了解患者的病史和临床表现至关重要(图10A-D)。

图10.癫痫。A.后颞叶癫痫。冠状位T2加权图像显示左侧海马充血，伴有不对称性高信号。B.ASL显示内侧颞叶，特别是海马头区域具有明显的高灌注。C.内侧颞叶硬化。冠状位FLAIR加权图像显示左内侧颞叶硬化，伴有海马萎缩和高信号。D.ASL显示左侧海马头局部灌注不足。

结论

动脉自旋标记已成为一种广泛可用、方便且无创的方法，可用于评估各种神经系统疾病中的脑灌注。作为一种非对比灌注技术，ASL在儿童、孕妇、身体虚弱患者和带有磁共振兼容硬件的患者群体中得到了广泛应用。该序列的常规临床应用可以使人们更加熟悉技术参数、生理变异和相关伪影，从而实现最佳的序列应用和正确的图像解释。ASL可以在各种临床场景中提供有关灌注动力学的重要信息，包括急性和慢性缺血、血管病变、血管畸形、肿瘤、创伤、感染/炎症、癫痫和痴呆症。

参考文献：Mai-Lan Ho, Arterial spin labeling: Clinical applications, Journal of Neuroradiology, Volume 45, Issue 5, 2018, Pages 276-289, ISSN 0150-9861, https://doi.org/10.1016/j.neurad.2018.06.003.

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