文献信息

Title: Update on state-of-the-art for arterial spin labeling (ASL) human perfusion imaging outside of the brain

Year: 2023

Journal Name/Impact Factor: Magnetic Resonance in Medicine/4.108

DOI: 10.1002/mrm.29609

导读

本文是一篇体部ASL的综述，是国际磁共振学会（ISMRM）灌注研究组的专家共识，总结了体部ASL的常见挑战，并分析了ASL应用于不同器官的背景、挑战、技术发展及注意事项，包括肾脏、肺、胎盘、心脏（心肌）、肝脏、眼睛（视网膜）、胰腺和肌肉，介绍了其在在肿瘤学、肾脏病学、心脏病学和内分泌学等领域中的应用潜力。

目录

1 背景

2 体部ASL的一般情况和常见挑战

2.1 ASL方法总结

2.2 体部ASL挑战

3 ASL在不同器官中的应用

3.1 肾脏

3.2 肺

3.3 胎盘

3.4 心脏（心肌）

3.5 肝脏

3.6 眼睛（视网膜）

3.7 胰腺

3.8 肌肉

3.9 其他部位

4 结论

1. 背景

动脉自旋标记（ASL）灌注成像最初是用于测量脑血流的，自出现30年以来已成为神经科学中的常用工具，近年来体部ASL的应用也逐渐增多。

体部ASL定义为应用于大脑以外任何人体部位的ASL，这项技术还在发展中，目前尚不适合常规临床应用。脑外器官对无创无辐射无造影剂灌注成像需求很高，体部ASL可以提供绝对定量的、可重复的血流测量，这在肿瘤学、肾脏病学、心脏病学和内分泌学等领域中均有应用潜力。

本文是体部ASL的全面综述，总结了一些常见挑战，并分析了ASL应用于不同器官的背景、挑战、技术发展及注意事项。

2. 体部ASL的一般情况和常见挑战

2.1 ASL方法总结

ASL利用动脉血中的水作为内源性示踪剂，利用射频脉冲和梯度磁场对其进行标记，三种常用的标记方法如图1所示。

（1）脉冲ASL（PASL、FAIR），使用较短的（约10 ms）单时间点反转脉冲，可以标记较大范围的血流。

（2）连续ASL/伪连续ASL（CASL/PCASL），与PASL相比，在更长的时间内（约1-2秒）标记较薄层面的血流。

（3）速度选择ASL（VS-ASL），利用速度选择性而不是空间选择性来实现标记。

图1 FAIR、PCASL和VS-ASL三种方法的原理图及优缺点。

2.2 体部ASL挑战

胸腹ASL在应用中会受到如下生理运动的影响：（1）心脏收缩期和舒张期之间的心肌运动；（2）呼气和吸气时的诱导运动；（3）胃肠道的不自主收缩和蠕动。这会使图像发生移位和模糊，导致标记和控制图像失配，生成错误结果。

此外，在整个心脏周期中，降主动脉的流速变化很大，收缩期为40 - 120 cm/s，舒张期为< 10 cm/s，且有逆行血流。这可能会大大降低ASL标记效率，特别是PCASL。

ASL对静磁场（B0）和射频场（B1+）的不均匀性较为敏感（图2），这会导致图像失真，降低标记效率。B0不均匀性来源于空气，主要出现在肺泡和肠道中；B1+不均匀性取决于身体的几何形状以及组织构成，心脏、肾脏和乳房处较为严重。

图2 两名志愿者在1.5 T和3 T下的腹部B0/B1+分布示意图。

3. ASL在不同器官中的应用

3.1 肾脏

3.1.1 背景 

随着肾动脉灌注减少，肾小球滤过率（GFR）降低，目前GFR异常是常用的定义和诊断肾脏病理的指标。但是GFR是肾脏功能的整体指标，实用性有限。此外，严重慢性肾病（CKD）和急性肾损伤（AKI）患者检查中无法使用造影剂。灌注成像可以评估局部肾功能，且ASL无需造影剂，故肾脏ASL有应用前景。

3.1.2 挑战  

（1）B0不均匀性和B1+不均匀性会影响肾脏ASL的标记效率，特别是对于PCASL，因为它的标记平面必须接近肺部。

（2）呼吸运动是所有腹部器官共同面临的挑战，产生图像移位和模糊。

（3）在肾脏中稳定测量髓质也是一个挑战，因为相对于皮质，髓质的流量较低，传输时间较长，会导致信噪比降低和信号污染。

3.1.3 技术发展 

（1）由于肾皮质的高灌注水平，肾脏是ASL应用最成功的颅外器官。针对肾脏进行参数优化后的PCASL可显著提高标记效率，平衡PCASL可实现标记/控制图像间的涡流差异最小化，而非平衡PCASL对标记位置的场不均匀性更具鲁棒性。

（2）VS-ASL方法也可应用于肾脏，比如VSI-ASL，但在应用时需考虑B0不均匀性的影响。

（3）3D采集方式可解决采集时间长、段间移动和对磁场不均匀性敏感等问题。3D-FSE较为常用，也可以与压缩感知和螺旋采集等方法结合使用。此外还有3D-GRASE、SE-EPI和SSFSE等方法，如图3所示。

（4）在定量方面，多时间点（多TI/PLD）方法与FAIR方法结合使用，可以同时测量血流量和传输时间。

图3 （A）FAIR和PCASL的标记示意图。（B）健康志愿者使用PCASL-SSFSE序列和PCASL-SE-EPI序列得到的ASL和定量RBF结果。

3.1.4 总结  

（1）适合肾脏ASL的标记方式：FAIR和PCASL。

（2）为了对B0不均匀性更具鲁棒性，采用PCASL时最好用非平衡方式，标记位于肾脏上方8 – 10 cm的降主动脉。

（3）推荐的采集方式：SE-EPI、SSFSE和bSSFP。

（4）推荐的采集方向：冠状倾斜位。

（5）自由呼吸采集并回顾性调整以进行运动矫正。

（6）单时间点成像与单室建模易于实施。

（7）因为髓质血流量测量不可靠，故仅应报告皮质血流量。

3.2 肺

3.2.1 背景  

相比于肺灌注常用的CT方法，ASL的优势在于无电离辐射、无需造影剂。肺部ASL可以评估肺生理学和表征各种病理，如囊性纤维化，常用于慢性阻塞性肺疾病（COPD）和肺栓塞（PE）等疾病中。具体应用如图4所示。

图4 （A）PCASL标记平面（红色）位于肺动脉主干上方，冠状位成像定位（浅绿色）用于肺灌注成像。FAIR标记平面和成像平面位于浅绿色处。（B）健康志愿者3 T下FAIR-SSFSE序列结果。

3.2.2 挑战  

（1）高搏动的血流加上肺血管复杂的解剖结构，使得血管内信号贡献较小，导致标记和采集困难。

（2）肺中质子密度低，导致信噪比较低。

（3）空气/组织界面会降低图像质量，特别是梯度回波和EPI采集方式。

（4）信号采集时必须同时考虑心脏和呼吸运动

3.2.3 技术发展  

（1）大多数肺部ASL应用均在1.5 T下进行，使用SSFSE采集和FAIR标记，如图4所示。由于心脏周期会影响成像，一般还会施加心脏门控。

（2）由于血管解剖结构复杂，标记位置的选择较为重要，有如下两种：下腔静脉（IVC）和右肺动脉（RPA）。

（3）ECG触发的肺主动脉PCASL配合bSSFP采集，可以实现自由呼吸下的肺灌注成像。

（4）由于信噪比较低，需要多次信号平均，所以传统肺部ASL大多只能采集单层图像。使用优化的背景抑制，可在自由呼吸时，使用FAIR方法进行多层采集，在5分钟内扫描整个肺部。

3.2.4 总结 

（1）FAIR和PCASL两种标记方式均可用于肺部ASL，其中PCASL必须仔细规划标记平面的位置，如图4所示。

（2）由于对B0不均匀性敏感，肺部ASL常在1.5 T应用。

（3）常用采集序列为SSFSE和bSSFP，EPI不常用。

3.3 胎盘

3.3.1 背景 

胎盘灌注成像可用于检测早期胎盘功能不全，这是母胎并发症如胎儿生长受限和先兆子痫的最常见原因。由于无电离辐射、不使用造影剂，ASL非常适合这种怀孕期间的应用。

3.3.2 挑战 

（1）胎盘ASL主要挑战为确定最佳标记区域，这是因为母体动脉血液流向胎盘的主要途径是降主动脉、髂内动脉和子宫动脉，次要途径是降主动脉和卵巢动脉，两条通路都十分曲折复杂。

（2）ASL标记位置普遍距离胎盘较远，导致低信噪比。

3.3.3 技术发展 

（1）第一项胎盘ASL研究出现在二十多年前，使用FAIR标记方法和Look-Locker单层成像。

（2）PCASL可用于胎盘ASL，在降主动脉分叉处放置标记平面，可有效区分高危妊娠和健康妊娠。

（3）VS-ASL也可用于胎盘ASL，其信噪比高于PCASL，两种技术在正常妊娠中的应用见图5。

图5 （A）胎盘PCASL实现方式。（B）PCASL和VS-ASL结果对比，下方是对应的T2结构像对照。

3.3.4 总结 

PCASL和VS-ASL均适用于胎盘ASL，需要进一步进行大规模临床研究，以确定上述方法作为早期筛查和诊断有风险怀孕工具的稳定性。

3.4 心脏（心肌）

3.4.1 背景 

冠状动脉疾病是心血管相关死亡的最常见原因之一，而心肌灌注是评估冠状动脉疾病的重要指标。心脏ASL可以测量心肌灌注储备（MPR），这是检测严重冠状动脉狭窄的关键参数。

3.4.2 挑战 

（1）心脏ASL的主要挑战为，血液进入冠状动脉前难以标记，因为血液通过心脏的路径比较曲折，且存在心脏和呼吸运动。

（2）血管舒张高峰时稳定采集时间较短。

3.4.3 技术发展  

（1）大多数心脏ASL研究采用FAIR标记方法，定量模型分为两组：强度差和表观T1方法，前者利用在单一TI下获得的标记图像和控制图像之间的强度差进行量化；后者需要采集不同TI的图像，利用标记图像和控制图像之间的心肌T1比值进行量化。

（2）心肌FAIR ASL已在猪模型和人体研究中得到验证。自由呼吸FAIR ASL可以提高扫描的时间分辨率，有效降低TR。bSSFP结合压缩感知、EPI等方法均可用于心肌FAIR ASL采集。FAIR-bSSFP序列结果如图6所示。

（3）稳定脉冲ASL通过标记主动脉根部和bSSFP采集实现（图6）。

（4）心肌VS-ASL可避免在低速流动和长时间传输延迟下的信号丢失，标记脉冲针对这一情况进行了优化，以获得更高的标记效率。

图6 （A）心肌FAIR和稳定脉冲ASL的标记示意图。（B）健康志愿者3 T下使用FAIR-bSSFP序列得到的解剖、灌注加权和定量心肌血流结果。

3.4.4 总结 

（1）FAIR法、稳态脉冲法和VS法已成功应用于心肌灌注定量。此外，FAIR还可在临床实践中检测充血变化。

（2）心肌ASL技术还处于研究阶段，为了在临床中使用，未来研究重点是实现全心覆盖、自动化分析和提高敏感性。

3.5 肝脏

3.5.1 背景  

肝脏是人体最大的内脏器官之一，由大小和形状不等的两个叶组成，参与多种代谢功能。灌注成像对检测和表征肝脏疾病（包括弥漫性和局灶性）至关重要。

3.5.2 挑战 

肝脏有来自肝动脉和门静脉的双血供，肝动脉占25%，门静脉占75%。肝脏疾病可以影响两支血管的整体和相对流速，故临床对上述两根血管的灌注均有重要意义。

3.5.3 技术发展  

（1）首次肝脏ASL尝试在1.5 T下使用CASL分别标记了动脉血和静脉血，来测量全局灌注。

（2）FAIR方法可测量肝脏总灌注和传输时间，该方法在健康被试中的重复性良好，但在慢性肝病人群中血流量分布较广。该技术还可用于评估代偿性和失代偿性肝硬化。

（3）门脉灌注测量方法：使用多延迟PASL-PICORE和Q2TIPS选择性标记肠系膜和门脉区域，避免腹腔干。门脉灌注信号在TI = 3 s时达到峰值。

（4）使用PASL-EPISTAR和PCASL在单次采集中量化门静脉和动脉灌注，采用EPISTAR标记静脉血，采用PCASL标记降主动脉动脉血。

（5）在3 T下采用两次单独的多延迟PCASL采集量化门静脉和动脉灌注。第一次采集中，标记平面位于垂直于肝上降主动脉的位置，标记肝动脉中的血液；第二次采集中，标记平面位于垂直于门静脉的位置，但也与肝动脉和降主动脉相交。

（6）采用两次PCASL采集，首先将标记平面定位于门静脉与肝动脉相交，测量总流量，而第二次扫描标记平面定位于肝动脉下方，交叉于肠系膜上、下静脉和脾静脉，测量门静脉流量，最后用减法计算动脉灌注。PCASL-EPI序列结果如图7所示。

图7 （A）用PCASL序列测量肝脏全灌注、门静脉灌注和动脉灌注的标记方法示意图。（B）解剖像、灌注加权像和定量肝血流图像。

3.5.4 总结 

（1）PASL和PCASL标记方法适用于肝脏ASL，PCASL是单独估计门脉或动脉灌注的首选方法。

（2）由于肝脏T1较短，需使用多个时间点和更复杂的模型进行准确的灌注定量。

（3）需要进行背景抑制和回顾性运动矫正，特别是在自由呼吸检查中。

3.6 眼睛（视网膜） 

3.6.1 背景 

视网膜是一个极薄的器官，通过眼动脉的两个分支接受血液供应：视网膜中央动脉是主要血液来源，灌注视网膜内层；睫状体后动脉灌注视网膜外层。视网膜血流成像具有很高的临床潜力，因为大多数视网膜病变都与不规则灌注有关。

3.6.2 挑战  

（1）器官非常薄，需要高空间分辨率。

（2）附近鼻窦中的空气产生B0不均匀性，降低图像质量。

（3）眼球运动，导致图像移位和模糊。

3.6.3 技术发展  

（1）视网膜灌注的首次应用为在1.5 T下使用多延迟FAIR标记和2D SSFSE采集，尽量减少磁敏感效应，且采用强背景抑制，最大限度地减少运动伪影。

（2）在3 T下，使用多延迟PCASL和类似的读出策略，在强背景抑制下测量视网膜血流量，结果如图8所示。灌注信号在PLD = 1500 ms时达到峰值，通过拟合ASL信号与时间延迟的函数来计算单位面积的绝对血流量。此技术还可用于评估视网膜血管的反应性。

（3）使用定制的接收眼圈提高信噪比，实现高层内空间分辨率。通过眼睛注视目标并使呼吸和眨眼与最终采集同步来最小化运动。最后使用PCASL标记和3D-GRASE采集视网膜薄层图像。

图8 （A）采用PCASL和单层采集的视网膜灌注成像原理图。（B）多延迟PCASL-SSFSE视网膜灌注结果。

3.6.4 总结  

（1）PASL和PCASL标记方法适用于视网膜ASL。

（2）标记平面应位于成像区域下方5 - 7cm处，标记颈内动脉内的血液。

（3）建议采用对磁场不均匀性不敏感的采集方式。

（4）成像层面选取为轴向倾斜位。

（5）高层内空间分辨率、采集薄层图像。

（6）需要背景抑制以最小化运动影响并增加tSNR。

（7）在扫描过程中使用视觉固定、在后处理过程中使用运动校正，以减少运动伪影。

3.7 胰腺

3.7.1 背景 

胰腺是一个独特的器官，同时具有内分泌功能（负责产生控制血糖的激素）和外分泌功能（分泌消化酶）。所以，胰腺灌注成像在糖尿病、慢性胰腺炎和胰腺癌中的表现是相关的。

3.7.2 挑战 

（1）胰腺周围肠道存在大气囊，导致严重的局部磁场不均匀性。

（2）蠕动运动、呼吸运动。

（3）胰腺血供复杂，胰腺动脉来自肠系膜上动脉分支和脾动脉，胰腺的不同区域由不同的动脉供血。

（4）胰腺的T1非常短，1.5 T下为584 ms，3 T下为725 ms，信号衰减快。

3.7.3 技术发展 

（1）2006年，健康志愿者在1.5 T下使用FAIR-bSSFP完成了胰腺ASL，得到的结果与CT灌注结果相当。2008年，同样方法得到的结果与DCE结果相当。

（2）在3 T下使用背景抑制PCASL-SSFSE，使用连续多延迟方法测量血流量和传输时间，如图9所示。

图9 （A）胰腺灌注成像中FAIR和PCASL两种标记方法示意图。（B）健康志愿者在3 T下使用PSASL-SSFSE得到的解剖像、灌注加权像和血流量结果。

3.7.4 总结 

（1）FAIR和PCASL标记方法适用于胰腺ASL。

（2）较长的胰腺T1可能有利于在3 T下应用。

（3）使用双室模型（血液和组织）进行血流定量更准确。

（4）需要背景抑制，以减少生理运动的影响。

3.8 肌肉

3.8.1 背景  

与其他器官相比，骨骼肌在休息和最大充血状态之间的灌注变化更大，且灌注可能会中断几分钟到几小时，不会持续发生。近端止血带可以阻止动脉流入，为下肢手术创造无血手术野，这种原理可以用来研究诱导缺血后的动态反应，如图10所示。

图10 PCASL和PASL标记方法示意图。健康志愿者骨骼肌的解剖图像（A），静息（B）、诱导缺血后（C）和足底屈曲运动后（D）的灌注图像。

3.8.2 挑战 

（1）基线肌肉灌注极低，在常规ASL的检出限以下。

（2）需要高时间分辨率来评估动态反应。

（3）需要背景抑制来纠正信号误差。

（4）肌肉的血供复杂，且静止和充血状态之间的动脉血流波形有变异性。

3.8.3 技术发展 

（1）PASL、CASL、PCASL、和VS-ASL都可用于肌肉灌注，分析策略侧重于与运动或反应性充血相关的动态变化，而不是静息或活动状态下的稳态灌注定量。

（2）专门用于骨骼肌灌注量化的序列：FAWSETS（CASL变体）、SATIR（FAIR变体）。上述序列只能用于单层采集。

（3）肌肉ASL可以和其它模态进行多模态研究，比如与1H/31P-MRS联合评估缺血运动后的灌注、脱氧肌红蛋白浓度和磷酸肌酸再合成率；与BOLD联合评估相对氧合与血流变化之间的关系。

3.8.4 总结 

（1）PASL和PCASL标记方法都适用于肌肉ASL，但PASL可以得到更高的时间分辨率，更加适合研究响应动力学。

（2）静止状态下肌肉灌注极低，因此大多数研究评估血管活性刺激（如运动或诱导缺血）后的灌注动力学。

（3）进行动力学灌注ASL时，必须对T2*加权信号强度变化进行校正，方法1：对标记图像和控制图像进行时间匹配；方法2：背景抑制。

3.9 其他部位  

除了上面提到的区域，脊髓、甲状腺、脾脏、前列腺和生殖器官也有进行ASL研究的潜力。

4. 结论

近年来，体部ASL的应用蓬勃发展，特别是在肾脏成像方面。可以说，ASL现在是一种能够从头到脚成像的灌注技术。虽然具体应用方法因具体的器官要求各异，但专家组认为在应用体部ASL时应考虑以下共性特征:

（1）背景抑制在体部ASL中是必需的。

（2）1.5 T和3 T在都可应用，3T可以提高信噪比，但在某些应用中，1.5 T可以降低磁敏感效应和介电效应。

（3）运动校正非常重要，具体在前瞻性、回顾性和两者的组合之间选择适合目标器官和序列的方法。

最后，可重复、标准化成像以及验证策略是体部ASL广泛应用的关键。