动脉自旋标记(ASL)基本原理及应用.ppt

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1、ASL的基本原理及常见应用,杨双山东省医学影像学研究所,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

2、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

3、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

4、 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

5、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

6、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H2

7、15O 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 parameterssuch as relaxation time of the blood and the tissue T1a,T1,transit timedelay of arterial blood,equilibrium magnetization M0,blood-tissuepartition coefficient and inversion efficiency are generallyrequ

8、ired in order to quantify the perfusion,ASL原理,根据标记方法不同ASL分为以下两类：,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;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。,2010-4-18,ASL 技术,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,

9、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。,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-sensiti

10、ve 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

11、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

12、个非反转RF 脉冲。,ASL主要应用,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

13、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。,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 transvers

14、e-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

15、 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 arte

16、ry,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 appearblack,values 2.0 appear white).(Right)ROI-based MBF map from 20 breathholds(LV myocardium is divided

17、 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（rCBV)、平均通过时间(MTT)、局部脑血流量(rCBF)，组织峰值时间（TTP）等。很长一段时间内ASL的只能得到CBF值，现在通过后处理技术可以得到Arterial transit times(ATT)arterial cerebr

18、al blood volume(CBV)。时间和空间分辨力相对较差。ASL不能准确评价低于10ml/100g/min的血流,当然,如果血流大于150ml/100g/min,ASL评价也不准确,因为被标记的血流在采集的体素内流空了,信号明显减弱,这在动物实验中得到证实。,总结，ASL优缺点,谢谢,爱是什么？一个精灵坐在碧绿的枝叶间沉思。风儿若有若无。一只鸟儿飞过来，停在枝上，望着远处将要成熟的稻田。精灵取出一束黄澄澄的稻谷问道：“你爱这稻谷吗？”“爱。”“为什么？”“它驱赶我的饥饿。”鸟儿啄完稻谷，轻轻梳理着光润的羽毛。“现在你爱这稻谷吗？”精灵又取出一束黄澄澄的稻谷。鸟儿抬头望着远处的一湾泉水

19、回答：“现在我爱那一湾泉水，我有点渴了。”精灵摘下一片树叶，里面盛了一汪泉水。鸟儿喝完泉水，准备振翅飞去。“请再回答我一个问题，”精灵伸出指尖，鸟儿停在上面。“你要去做什么更重要的事吗？我这里又稻谷也有泉水。”“我要去那片开着风信子的山谷，去看那朵风信子。”“为什么？它能驱赶你的饥饿？”“不能。”“它能滋润你的干渴？”“不能。”爱是什么？一个精灵坐在碧绿的枝叶间沉思。风儿若有若无。一只鸟儿飞过来，停在枝上，望着远处将要成熟的稻田。精灵取出一束黄澄澄的稻谷问道：“你爱这稻谷吗？”“爱。”“为什么？”“它驱赶我的饥饿。”鸟儿啄完稻谷，轻轻梳理着光润的羽毛。“现在你爱这稻谷吗？”精灵又取出一束黄澄澄

20、的稻谷。鸟儿抬头望着远处的一湾泉水回答：“现在我爱那一湾泉水，我有点渴了。”精灵摘下一片树叶，里面盛了一汪泉水。鸟儿喝完泉水，准备振翅飞去。“请再回答我一个问题，”精灵伸出指尖，鸟儿停在上面。“你要去做什么更重要的事吗？我这里又稻谷也有泉水。”“我要去那片开着风信子的山谷，去看那朵风信子。”“为什么？它能驱赶你的饥饿？”“不能。”“它能滋润你的干渴？”“不能。”,其实，世上最温暖的语言，“不是我爱你，而是在一起。”所以懂得才是最美的相遇！只有彼此以诚相待，彼此尊重，相互包容，相互懂得，才能走的更远。相遇是缘，相守是爱。缘是多么的妙不可言，而懂得又是多么的难能可贵。否则就会错过一时，错过一世！择

21、一人深爱，陪一人到老。一路相扶相持，一路心手相牵，一路笑对风雨。在平凡的世界，不求爱的轰轰烈烈；不求誓言多么美丽；唯愿简单的相处，真心地付出，平淡地相守，才不负最美的人生；不负善良的自己。人海茫茫，不求人人都能刻骨铭心，但求对人对己问心无愧，无怨无悔足矣。大千世界，与万千人中遇见，只是相识的开始，只有彼此真心付出，以心交心，以情换情，相知相惜，才能相伴美好的一生，一路同行。然而，生活不仅是诗和远方，更要面对现实。如果曾经的拥有，不能天长地久，那么就要学会华丽地转身，学会忘记。忘记该忘记的人，忘记该忘记的事儿，忘记苦乐年华的悲喜交集。人有悲欢离合，月有阴晴圆缺。对于离开的人，不必折磨自己脆弱的生

22、命，虚度了美好的朝夕；不必让心灵痛苦不堪，弄丢了快乐的自己。擦汗眼泪，告诉自己，日子还得继续，谁都不是谁的唯一，相信最美的风景一直在路上。人生，就是一场修行。你路过我，我忘记你；你有情，他无意。谁都希望在正确的时间遇见对的人，然而事与愿违时，你越渴望的东西，也许越是无情无义地弃你而去。所以美好的愿望，就会像肥皂泡一样破灭，只能在错误的时间遇到错的人。岁月匆匆像一阵风，有多少故事留下感动。愿曾经的相遇，无论是锦上添花，还是追悔莫及；无论是青涩年华的懵懂赏识，还是成长岁月无法躲避的经历愿曾经的过往，依然如花芬芳四溢，永远无悔岁月赐予的美好相遇。其实，人生之路的每一段相遇，都是一笔财富，尤其亲情、友情和爱情。在漫长的旅途上，他们都会丰富你的生命，使你的生命更充实，更真实；丰盈你的内心，使你的内心更慈悲，更善良。所以生活的美好，缘于一颗善良的心，愿我们都能善待自己和他人。一路走来，愿相亲相爱的人，相濡以沫，同甘共苦，百年好合。愿有情有意的人，不离不弃，相惜相守，共度人生的每一个朝夕直到老得哪也去不了，依然是彼此手心里的宝，感恩一路有你！,