会议信息
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
主要会议嘉宾及分享题目
Dimo Ivanov, PhD
Assistant Professor
Maastricht University
Email: [email protected]
Researchgate: https://www.researchgate.net/profile/Dimo-Ivanov
娄昕, MD
主任医师、教授、博士生导师
中国人民解放军总医院第一医学中心（301医院）放射诊断科主任
Email: [email protected]
导读
动脉自旋标记（ASL）技术是一种无创、无辐射、无需额外注射示踪剂的组织灌注成像方法。ASL利用磁共振射频脉冲特异性标记即将灌注入组织的上游动脉血液，使其成为内源性的示踪剂，无需注射示踪剂便可获取目标器官像素级灌注定量信息。目前，ASL在颅脑部位的技术开发已日趋成熟，并被应用于多种颅脑疾病的诊断和评估。超高场能够为ASL成像提供高信噪比的优势，利用此优势可提升ASL识别病变的特异性，或用来获取更高分辨率的ASL定量图像。然而，不可否认，超高场ASL仍面临场不均匀性、T2*值缩短、SAR限制等挑战。
本次视频会议展示并讨论了动脉自旋标记（ASL）技术在超高场中应用的技术要点（Diomo Ivanov, PhD | Maastricht Brain Imaging Center）和临床应用潜力（娄欣 | 解放军总医院第一医学中心）。
目录
1. 超高场ASL灌注成像基础
1.1 ASL技术原理
1.2 ASL原理
1.3 高场ASL的机会与挑战
1.4 高场ASL成像技术要点
2. 超高场ASL的应用
2.1 脑功能成像ASL-fMRI
2.2 临床疾病诊断及评估
3. 总结
1. 超高场ASL灌注成像基础
1.1 ASL技术原理
动脉自旋标记（arterial spin labeling, ASL）技术是一种无创、无辐射的磁共振成像技术，其无需注射造影剂便能够获取组织血液灌注量的定量测量。目前，ASL已广泛应用于脑卒中、神经退行性疾病等脑部疾病的诊断与评估。此外，由于神经-血管耦合（neuro-vascular coupling）机制的存在，ASL亦具有探究脑功能的潜力。
☆ ASL成像在颅内的两个主要应用及技术要求
◢ 颅脑血流灌注量（cerebral blood flow, CBF）的定量测量
① ASL成像范围需覆盖全脑
② 可接受较低的时间分辨率
◢ 类似于脑功能成像（functional MRI, fMRI）的功能CBF成像
① 可接受仅针对部分颅脑部分层面成像
② 需达到较高的时间分辨率
1.2 ASL原理
ASL成像无需注射示踪剂即能实现CBF的定量测量，其通过射频脉冲标记上游血液，使其成为内源性示踪剂。其成像原理如下：利用射频脉冲对入颅动脉的血液进行标记，等待一段时间后采集标记图像（labeled）；保持等待时间与采集模式不变，但无需对入颅动脉的血液进行标记，采集控制图像（control）。由于两幅图像采集时唯一的区别是流入血液是否被标记，因此自标记后不同时间点labeled和control图像中的某一特定像素点具有不同的血液信号强度（Mz blood）。利用control图像减去labeled图像则可以得到灌注加权图像，其信号与CBF呈正比（图1）。
如观察ASL信号，则可以发现其包络线可表征BOLD（即功能磁共振）信号，而通过动力学模型可进一步算出CBF值（图1）。
图 1 ASL原理示意图
常见的ASL类型（图2）：
◢（伪）连续标记ASL（CASL/pCASL）：
① 技术原理：利用一系列小角度的脉冲对经过某一层面的上游血液进行标记，使得流经该层面的血液纵向磁化矢量被反转，等待延迟标记时间（PLD）后进行成像；
② 优点：较高的信噪比；
③ 缺点：高SAR值、标记效率较低且标记效率对于血流速度、场不均匀性等敏感。
◢ 脉冲标记ASL（PASL）：
① 技术原理：采用单个脉冲实现血液的标记，等待一段反转时间（TI）后采集图像；由于对于PASL标记血液时长通常未知，因此常使用QUIPSS II饱和脉冲饱和TI1时间后的标记血液，使得标记血液时长固定为TI1，以实现准确的灌注定量；
② 优点：标记效率高；
③ 缺点：较于pCASL信噪比稍低。
图 2 常见ASL技术示意图
此外，除了CBF的定量测量外，ASL技术还可用作脑功能成像。与脑功能成像的经典技术BOLD相比，ASL-fMRI的优势与劣势如下：
◢ ASL-fMRI的优势：
① ASL支持同时获取CBF和BOLD信号；
② CBF较于BOLD信号的时间稳定性更强；
③ 与BOLD相比，CBF的受试者间差异更小；
④ 与BOLD相比，CBF和神经活动更相关；
◢ ASL-fMRI的劣势：
① 与BOLD相比，ASL-fMRI的时间分辨率更低；
② CBF成像的时间信噪比（temporal SNR, tSNR）比BOLD低。
此外，场强、标记血液长度和标记效率、PLD、读出模式、回波时间（TE）、背景抑制情况、并行成像加速系数、成像分辨率等都可能影响ASL-fMRI的敏感性。
1.3 高场ASL的机会与挑战
高场/超高场MRI为ASL成像提供了机会，其包括：
◢ 高场/超高场MRI有助于提升ASL灌注信号的信噪比，所提升的信噪比可以进一步用于提高ASL成像的空间分辨率，可实现亚豪米级别的ASL-fMRI成像或实现对脑小血管病变和新生皮层血管结构的评估，这对于理解神经元活动和血流动力学反应之间的神经-血管耦合机制至关重要；
◢ 在高场/超高场下，组织具有更长的T1弛豫时间，这意味着能够设定更长的PLD时间，对于患者（尤其是因动脉狭窄而导致血液抵达时间延长患者）成像更有益；
◢ 高场/超高场有助于提升ASL-fMRI成像中类BOLD信号的敏感性。
然而，高场/超高场也对ASL成像提出了一些挑战：
◢ 高场/超高场MRI中B0和B1场不均匀性更严重，这将进一步降低标记效率；
° 可使用电介质垫子、射频脉冲优化、线圈优化等方式解决或缓解；
◢ 在高场/超高场下，组织T2*值缩短；
◢ 在高场/超高场下，SAR值升高，这意味着超高场ASL技术可能需要使用SAR值更低的读出策略，如考虑小翻转角等。
1.4 高场ASL成像技术要点
1.4.1 标记模式：PASL vs. pCASL
◢ 与PASL相比，pCASL的标记时长更长；
◢ PASL的标记血液受T1弛豫的影响更大，因此pCASL通常能获得更高的灌注信号信噪比；
◢ 与pCASL相比，PASL的标记效率更高；
◢ pCASL对B0和B1场不均匀性更敏感，其标记效率将受到影响；
◢ pCASL标记的射频能量更大，因此SAR值更高。
综合考虑，PASL更适宜超高场fMRI应用。另外，应该注意，对于基于灌注的ASL-fMRI来说，其恢复时间（TR）是一关键指标，其决定了相应技术的时间分辨率。
1.4.2 读出模式和回波时间（TE）
针对高场/超高场的ASL成像，其读出模式可分为2D和3D成像，相应的常用读出方式如下：
◢ 2D
° 单次激发成像（single-shot）
° 平面回波（EPI）
° 螺旋轨迹（Spiral）
° 多次激发成像（segmented）
° 快速梯度回波（TFL）
◢ 3D
° EPI
° 自旋回波类型的平面回波（GRASE）
° TFL
° 自旋回波类型的多层螺旋轨迹采集（SE stack-of-spiral）
同时，需关注上述读出方法的下列参数：
◢ 短回波时间（TE）：CBF敏感性更高，BOLD信号敏感性更低
◢ 长TE：CBF敏感性降低，BOLD敏感性增高
◢ 自旋回波（SE）类型采集：BOLD敏感性降低
1.4.3 背景抑制和数据读出
◢ 背景抑制技术可以去除生理噪声，但会增加射频能量（SAR升高）；
◢ 背景抑制技术在超高场（7T）成像中并非必须；
◢ SE类型的数据读出模式所得图像信噪比更高，但SAR也更高，短TE的梯度回波（GRE）数据读出模式（如，2D SMS， 3D trubo-Flash 和 2D SMS spiral）更适宜。
1.4.4 成像覆盖范围、分辨率和成像时间
3D成像可以提供更高的图像分辨率和成像覆盖范围，但成像时间也随之增长（图3）。在超高场下，ASL成像能够达到更高的空间分辨率（各向同性1mm），其所获CBF定量图、抵达时间（ATT）定量图与高质量的血管密度图具有可比性（图4）。超高场使得亚豪米级别的CBF定量成像成为了可能。
图 3使用pCASL 3D GRASE进行7T下的CBF定量成像
图 4 ASL成像能够达到更高的空间分辨率（各向同性1mm），其所获CBF定量图、抵达时间（ATT）定量图与高质量的血管密度图具有可比性
在3T和7T场强下分别进行层面分辨率1×1 mm2的ASL成像，7T下的成像结果明显优于3T（图5）；在7T下进行3D成像，较于2D成像，其信噪比得到了进一步提升（图6）。
图 5 3T和7T场强下的高分辨率（1×1 mm2）结果
图 6 7T下的2D与3D ASL成像结果
由于7T能够提供较于3T tSNR更高的原始图像（图7），因此有望在7T上实现亚豪米级别的ASL成像。另外，需要注意，同在7T上，3D采集能得到较2D采集更高的tSNR（图8）。
图 7 7T能够提供较于3T tSNR更高的ASL原始图像
图 8 在7T场强下，3D采集能得到较2D采集更高的tSNR
1.4.5脑功能成像ASL-fMRI的技术要点
高场/超高场ASL为亚豪米级别的脑功能成像提供了潜在的方案，其成像需注意如下技术要点：
◢ 可能并不必要覆盖全脑成像；
◢ 由于需要获取动态信息，因此有必要进行单次激发图像采集；
◢ 为满足时间分辨率的需求，TR时间应短于3s；
◢ 有必要实现亚豪米级的成像；
◢ 需要等待足够长的PLD时间以满足CBF的准确测量。
2. 超高场ASL的应用
2.1 脑功能成像ASL-fMRI
Dimo Ivanov教授团队使用以上的包括MP2RAGE结构相和3D-EPI ASL序列进行了亚豪米级别ASL fMRI的研究。
◢ MR成像仪和线圈：Siemens Magnetom 7T，NOVA 32通道头线圈
◢ 受试者：7名健康受试者
◢ 成像序列
° 结构成像：MP2RAGE，分辨率各向同性0.9mm，成像时间12min
° ASL成像：FAIR 3D EPI，分辨率各向同性0.9mm，平均次数 4，成像时间11min
◢ 针对受试者施加视觉刺激
研究结果如下图所示：
根据上述结果可知：
◢ 利用超高场ASL成像技术可以在视觉刺激下获取鲁棒的各向同性0.9 mm CBF定量图；
◢ CBF和BOLD定量图在空间上不完全重叠；
◢ 相较于BOLD，CBF信号不受到大静脉信号的影响。
2.2 临床疾病诊断及评估
2.2.1 ASL相关的临床应用
作为一种无创、无辐射、无需注射示踪剂的脑灌注定量成像技术，ASL目前已广泛应用于多种脑部疾病，包括肿瘤疾病、脑血管疾病、神经退行性疾病等（图9）。
图 9 ASL被广泛应用于多种脑部疾病
此外，国内外相关研究小组均发布了ASL的临床应用共识或白皮书文件：
° 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.
° 中华医学会放射学分会质量管理与安全管理学组, 中华医学会放射学分会磁共振学组. 动脉自旋标记脑灌注MRI技术规范化应用专家共识[J]. 中华放射学杂志, 2016(11):817-824.
2.2.2 典型病例及典型影像
图10为一位65岁女性患者的磁共振影像，其进行了胶质瘤切除并接受放疗5年，就诊时左腿抽搐2周。T2加权图像及SWI图像上高信号，上侧相应区域在DWI图像上呈现高信号，增强T1加权图像上上述区域呈现明显强化，需进一步判定该区域为胶质瘤或放射治疗效应。
图 10 MRI结构成像（一例65岁女性患者，胶质瘤切除并接受放疗5年后左腿抽搐2周）
ASL图像上呈现高信号，尤其是7T ASL图像上病变区域与正常组织间边缘轮廓更锐利（图11），这使得医生对胶质瘤的判定更具备信心。
图 11 7T和3T场强下的ASL成像（一例65岁女性患者，胶质瘤切除并接受放疗5年后左腿抽搐2周）
较于3T场强下的3D ASL成像，7T下的2D ASL成像能够达到更高的空间分辨率，所受容积效应影响更小，更适宜检测小病变（图12-13）。
图 12 7T和3T下ASL成像示意图，7T ASL能达到更高的成像分辨率、更小的容积效应，适宜更小病变的识别和评估
图 13 7T和3T下ASL成像示意图，7T ASL能达到更高的成像分辨率
可以观察到7T和3T场强下的ASL影像之间有些许差异，可能的原因是：
◢ 标记效率发生变化
◢ 采集方式和相应的序列参数不同
3.总结
超高场磁共振有可能提升ASL信号信噪比，为亚豪米级别的高分辨率ASL提供了可能，但磁场不均匀性、SAR等限制也为超高场ASL提出了挑战。Dimo Ivanov教授的讲座全面地回顾了ASL和超高场ASL的原理与技术要点，娄昕教授则通过精彩的病例和图片展示说明了超高场ASL在临床转化应用领域的广阔应用场景。