會議信息

Title:ISMRM Perfusion Study Group – Ultra-High Field Perfusion MRI: Reality, Not Fantasy

Date:?21 October 2022

Moderator:?Prof. Danny J. J. Wang & Prof. Markenroth Bloch

主要會議嘉賓及分享題目

Dimo Ivanov, PhD

Assistant Professor

Maastricht University

Email: dimo.ivanov@maastrichtuniversity.nl

Researchgate: https://www.researchgate.net/profile/Dimo-Ivanov

婁昕, MD

主任醫(yī)師、教授、博士生導師

中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學中心（301醫(yī)院）放射診斷科主任

Email: louxin@301hospital.com.cn

導讀

動脈自旋標記（ASL）技術是一種無創(chuàng)、無輻射、無需額外注射示蹤劑的組織灌注成像方法。ASL利用磁共振射頻脈沖特異性標記即將灌注入組織的上游動脈血液，使其成為內(nèi)源性的示蹤劑，無需注射示蹤劑便可獲取目標器官像素級灌注定量信息。目前，ASL在顱腦部位的技術開發(fā)已日趨成熟，并被應用于多種顱腦疾病的診斷和評估。超高場能夠為ASL成像提供高信噪比的優(yōu)勢，利用此優(yōu)勢可提升ASL識別病變的特異性，或用來獲取更高分辨率的ASL定量圖像。然而，不可否認，超高場ASL仍面臨場不均勻性、T2*值縮短、SAR限制等挑戰(zhàn)。

本次視頻會議展示并討論了動脈自旋標記（ASL）技術在超高場中應用的技術要點（Diomo Ivanov, PhD | Maastricht Brain Imaging Center）和臨床應用潛力（婁欣 | 解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學中心）。

目錄

1. 超高場ASL灌注成像基礎

1.1 ASL技術原理

1.2 ASL原理

1.3 高場ASL的機會與挑戰(zhàn)

1.4 高場ASL成像技術要點

2. 超高場ASL的應用

2.1 腦功能成像ASL-fMRI

2.2 臨床疾病診斷及評估

3. 總結(jié)? ? ??

1. 超高場ASL灌注成像基礎

1.1 ASL技術原理??

動脈自旋標記（arterial spin labeling, ASL）技術是一種無創(chuàng)、無輻射的磁共振成像技術，其無需注射造影劑便能夠獲取組織血液灌注量的定量測量。目前，ASL已廣泛應用于腦卒中、神經(jīng)退行性疾病等腦部疾病的診斷與評估。此外，由于神經(jīng)-血管耦合（neuro-vascular coupling）機制的存在，ASL亦具有探究腦功能的潛力。

☆ ASL成像在顱內(nèi)的兩個主要應用及技術要求

◢ 顱腦血流灌注量（cerebral blood flow, CBF）的定量測量

①?ASL成像范圍需覆蓋全腦

② 可接受較低的時間分辨率

◢ 類似于腦功能成像（functional MRI, fMRI）的功能CBF成像

①?可接受僅針對部分顱腦部分層面成像

②?需達到較高的時間分辨率

1.2 ASL原理??

ASL成像無需注射示蹤劑即能實現(xiàn)CBF的定量測量，其通過射頻脈沖標記上游血液，使其成為內(nèi)源性示蹤劑。其成像原理如下：利用射頻脈沖對入顱動脈的血液進行標記，等待一段時間后采集標記圖像（labeled）；保持等待時間與采集模式不變，但無需對入顱動脈的血液進行標記，采集控制圖像（control）。由于兩幅圖像采集時唯一的區(qū)別是流入血液是否被標記，因此自標記后不同時間點labeled和control圖像中的某一特定像素點具有不同的血液信號強度（Mz blood）。利用control圖像減去labeled圖像則可以得到灌注加權圖像，其信號與CBF呈正比（圖1）。

如觀察ASL信號，則可以發(fā)現(xiàn)其包絡線可表征BOLD（即功能磁共振）信號，而通過動力學模型可進一步算出CBF值（圖1）。

圖 1 ASL原理示意圖

常見的ASL類型（圖2）：

◢（偽）連續(xù)標記ASL（CASL/pCASL）：

① 技術原理：利用一系列小角度的脈沖對經(jīng)過某一層面的上游血液進行標記，使得流經(jīng)該層面的血液縱向磁化矢量被反轉(zhuǎn)，等待延遲標記時間（PLD）后進行成像；

② 優(yōu)點：較高的信噪比；

③ 缺點：高SAR值、標記效率較低且標記效率對于血流速度、場不均勻性等敏感。

◢ 脈沖標記ASL（PASL）：

①?技術原理：采用單個脈沖實現(xiàn)血液的標記，等待一段反轉(zhuǎn)時間（TI）后采集圖像；由于對于PASL標記血液時長通常未知，因此常使用QUIPSS II飽和脈沖飽和TI1時間后的標記血液，使得標記血液時長固定為TI1，以實現(xiàn)準確的灌注定量；

②?優(yōu)點：標記效率高；

③?缺點：較于pCASL信噪比稍低。

圖 2 常見ASL技術示意圖

此外，除了CBF的定量測量外，ASL技術還可用作腦功能成像。與腦功能成像的經(jīng)典技術BOLD相比，ASL-fMRI的優(yōu)勢與劣勢如下：

◢ ASL-fMRI的優(yōu)勢：

① ASL支持同時獲取CBF和BOLD信號；

② CBF較于BOLD信號的時間穩(wěn)定性更強；

③ 與BOLD相比，CBF的受試者間差異更??；

④ 與BOLD相比，CBF和神經(jīng)活動更相關；

◢?ASL-fMRI的劣勢：

① 與BOLD相比，ASL-fMRI的時間分辨率更低；

② CBF成像的時間信噪比（temporal SNR, tSNR）比BOLD低。

此外，場強、標記血液長度和標記效率、PLD、讀出模式、回波時間（TE）、背景抑制情況、并行成像加速系數(shù)、成像分辨率等都可能影響ASL-fMRI的敏感性。

1.3 高場ASL的機會與挑戰(zhàn)?

高場/超高場MRI為ASL成像提供了機會，其包括：

◢ 高場/超高場MRI有助于提升ASL灌注信號的信噪比，所提升的信噪比可以進一步用于提高ASL成像的空間分辨率，可實現(xiàn)亞豪米級別的ASL-fMRI成像或?qū)崿F(xiàn)對腦小血管病變和新生皮層血管結(jié)構的評估，這對于理解神經(jīng)元活動和血流動力學反應之間的神經(jīng)-血管耦合機制至關重要；

◢ 在高場/超高場下，組織具有更長的T1弛豫時間，這意味著能夠設定更長的PLD時間，對于患者（尤其是因動脈狹窄而導致血液抵達時間延長患者）成像更有益；

◢?高場/超高場有助于提升ASL-fMRI成像中類BOLD信號的敏感性。

然而，高場/超高場也對ASL成像提出了一些挑戰(zhàn)：

◢?高場/超高場MRI中B0和B1場不均勻性更嚴重，這將進一步降低標記效率；

° 可使用電介質(zhì)墊子、射頻脈沖優(yōu)化、線圈優(yōu)化等方式解決或緩解；

◢?在高場/超高場下，組織T2*值縮短；

◢?在高場/超高場下，SAR值升高，這意味著超高場ASL技術可能需要使用SAR值更低的讀出策略，如考慮小翻轉(zhuǎn)角等。

1.4 高場ASL成像技術要點

1.4.1 標記模式：PASL vs. pCASL?

◢ 與PASL相比，pCASL的標記時長更長；

◢?PASL的標記血液受T1弛豫的影響更大，因此pCASL通常能獲得更高的灌注信號信噪比；

◢?與pCASL相比，PASL的標記效率更高；

◢?pCASL對B0和B1場不均勻性更敏感，其標記效率將受到影響；

◢?pCASL標記的射頻能量更大，因此SAR值更高。

綜合考慮，PASL更適宜超高場fMRI應用。另外，應該注意，對于基于灌注的ASL-fMRI來說，其恢復時間（TR）是一關鍵指標，其決定了相應技術的時間分辨率。

1.4.2 讀出模式和回波時間（TE） ?

針對高場/超高場的ASL成像，其讀出模式可分為2D和3D成像，相應的常用讀出方式如下：

◢?2D

°?單次激發(fā)成像（single-shot）

°?平面回波（EPI）

°?螺旋軌跡（Spiral）

°?多次激發(fā)成像（segmented）

°?快速梯度回波（TFL）

◢?3D

°?EPI

°?自旋回波類型的平面回波（GRASE）

°?TFL

°?自旋回波類型的多層螺旋軌跡采集（SE stack-of-spiral）

同時，需關注上述讀出方法的下列參數(shù)：

◢?短回波時間（TE）：CBF敏感性更高，BOLD信號敏感性更低

◢?長TE：CBF敏感性降低，BOLD敏感性增高

◢?自旋回波（SE）類型采集：BOLD敏感性降低

1.4.3 背景抑制和數(shù)據(jù)讀出 ?

◢?背景抑制技術可以去除生理噪聲，但會增加射頻能量（SAR升高）；

◢?背景抑制技術在超高場（7T）成像中并非必須；

◢?SE類型的數(shù)據(jù)讀出模式所得圖像信噪比更高，但SAR也更高，短TE的梯度回波（GRE）數(shù)據(jù)讀出模式（如，2D SMS， 3D trubo-Flash 和 2D SMS spiral）更適宜。

1.4.4 成像覆蓋范圍、分辨率和成像時間 ?

3D成像可以提供更高的圖像分辨率和成像覆蓋范圍，但成像時間也隨之增長（圖3）。在超高場下，ASL成像能夠達到更高的空間分辨率（各向同性1mm），其所獲CBF定量圖、抵達時間（ATT）定量圖與高質(zhì)量的血管密度圖具有可比性（圖4）。超高場使得亞豪米級別的CBF定量成像成為了可能。

圖 3使用pCASL 3D GRASE進行7T下的CBF定量成像

圖 4 ASL成像能夠達到更高的空間分辨率（各向同性1mm），其所獲CBF定量圖、抵達時間（ATT）定量圖與高質(zhì)量的血管密度圖具有可比性

在3T和7T場強下分別進行層面分辨率1×1 mm2的ASL成像，7T下的成像結(jié)果明顯優(yōu)于3T（圖5）；在7T下進行3D成像，較于2D成像，其信噪比得到了進一步提升（圖6）。

圖 5 3T和7T場強下的高分辨率（1×1 mm2）結(jié)果

圖 6 7T下的2D與3D ASL成像結(jié)果

由于7T能夠提供較于3T tSNR更高的原始圖像（圖7），因此有望在7T上實現(xiàn)亞豪米級別的ASL成像。另外，需要注意，同在7T上，3D采集能得到較2D采集更高的tSNR（圖8）。

圖 7 7T能夠提供較于3T tSNR更高的ASL原始圖像

圖 8 在7T場強下，3D采集能得到較2D采集更高的tSNR

1.4.5腦功能成像ASL-fMRI的技術要點 ?

高場/超高場ASL為亞豪米級別的腦功能成像提供了潛在的方案，其成像需注意如下技術要點：

◢?可能并不必要覆蓋全腦成像；

◢?由于需要獲取動態(tài)信息，因此有必要進行單次激發(fā)圖像采集；

◢?為滿足時間分辨率的需求，TR時間應短于3s；

◢?有必要實現(xiàn)亞豪米級的成像；

◢?需要等待足夠長的PLD時間以滿足CBF的準確測量。

2. 超高場ASL的應用??

2.1 腦功能成像ASL-fMRI?

Dimo Ivanov教授團隊使用以上的包括MP2RAGE結(jié)構相和3D-EPI ASL序列進行了亞豪米級別ASL fMRI的研究。

◢?MR成像儀和線圈：Siemens Magnetom 7T，NOVA 32通道頭線圈

◢?受試者：7名健康受試者

◢?成像序列

°?結(jié)構成像：MP2RAGE，分辨率各向同性0.9mm，成像時間12min

°?ASL成像：FAIR 3D EPI，分辨率各向同性0.9mm，平均次數(shù) 4，成像時間11min

◢?針對受試者施加視覺刺激

研究結(jié)果如下圖所示：

根據(jù)上述結(jié)果可知：

◢?利用超高場ASL成像技術可以在視覺刺激下獲取魯棒的各向同性0.9 mm CBF定量圖；

◢?CBF和BOLD定量圖在空間上不完全重疊；

◢?相較于BOLD，CBF信號不受到大靜脈信號的影響。

2.2 臨床疾病診斷及評估

2.2.1 ASL相關的臨床應用 ?

作為一種無創(chuàng)、無輻射、無需注射示蹤劑的腦灌注定量成像技術，ASL目前已廣泛應用于多種腦部疾病，包括腫瘤疾病、腦血管疾病、神經(jīng)退行性疾病等（圖9）。

圖 9 ASL被廣泛應用于多種腦部疾病

此外，國內(nèi)外相關研究小組均發(fā)布了ASL的臨床應用共識或白皮書文件：

° Alsop DC, Detre JA, Golay X, et al. Recommended implementation of arterial spin-labeled perfusion MRI for clinical applications: A consensus of the ISMRM perfusion study group and the European consortium for ASL in dementia. Magn Reson Med. 2015;73(1):102-16.

° 中華醫(yī)學會放射學分會質(zhì)量管理與安全管理學組, 中華醫(yī)學會放射學分會磁共振學組. 動脈自旋標記腦灌注MRI技術規(guī)范化應用專家共識[J]. 中華放射學雜志, 2016(11):817-824.

2.2.2 典型病例及典型影像 ?

圖10為一位65歲女性患者的磁共振影像，其進行了膠質(zhì)瘤切除并接受放療5年，就診時左腿抽搐2周。T2加權圖像及SWI圖像上高信號，上側(cè)相應區(qū)域在DWI圖像上呈現(xiàn)高信號，增強T1加權圖像上上述區(qū)域呈現(xiàn)明顯強化，需進一步判定該區(qū)域為膠質(zhì)瘤或放射治療效應。

圖 10 MRI結(jié)構成像（一例65歲女性患者，膠質(zhì)瘤切除并接受放療5年后左腿抽搐2周）

ASL圖像上呈現(xiàn)高信號，尤其是7T ASL圖像上病變區(qū)域與正常組織間邊緣輪廓更銳利（圖11），這使得醫(yī)生對膠質(zhì)瘤的判定更具備信心。

圖 11 7T和3T場強下的ASL成像（一例65歲女性患者，膠質(zhì)瘤切除并接受放療5年后左腿抽搐2周）

較于3T場強下的3D ASL成像，7T下的2D ASL成像能夠達到更高的空間分辨率，所受容積效應影響更小，更適宜檢測小病變（圖12-13）。

圖 12 7T和3T下ASL成像示意圖，7T ASL能達到更高的成像分辨率、更小的容積效應，適宜更小病變的識別和評估

圖 13 7T和3T下ASL成像示意圖，7T ASL能達到更高的成像分辨率

可以觀察到7T和3T場強下的ASL影像之間有些許差異，可能的原因是：

◢?標記效率發(fā)生變化

◢?采集方式和相應的序列參數(shù)不同

3.總結(jié)??

超高場磁共振有可能提升ASL信號信噪比，為亞豪米級別的高分辨率ASL提供了可能，但磁場不均勻性、SAR等限制也為超高場ASL提出了挑戰(zhàn)。Dimo Ivanov教授的講座全面地回顧了ASL和超高場ASL的原理與技術要點，婁昕教授則通過精彩的病例和圖片展示說明了超高場ASL在臨床轉(zhuǎn)化應用領域的廣闊應用場景。