3.0T场强PCASL和多b值扩散加权成像在皮层下脑梗塞的应用初步研究2.docx

3.0T场强PCASL和多b值DWI在脑梗死的应用初步研究Preliminary application of PCASL and multi-b-valueDWIat 3.0T MR imaging in subcortical cerebral infarction罗海龙，黄力，凌雪英，王颖，肖泽宇，余奕滨【摘要】目的 探讨3.0T 场强 MR 动脉自旋标记灌注（ASL）和双指数多b值扩散加权成像（DWI）在皮层下脑梗死的应用价值。方法 对13例皮层下脑梗死病人行ASL、常规DWI，0s/mm2-4000s/mm2 之间共12个b值DWI扫描，并对多b值DWI按照双指数模型拟合。对比梗死灶和镜像对照区之间rCBF、ADC、D、D*、fD*差异，并对比rCBF和D、D*、fD*，ADC和D、D*、fD*的相关性。结果梗死灶rCBF下降（p0.001），ADC、D、fD*升高（p0.001）。rCBF和fD*存在相关性（p=0.05、r=0.58），但和D、D*无明显相关性；ADC和D存在相关性（p0.001、r=0.92），但和D*、fD*无明显相关性。结论 在3.0T设备应用PCASL能够有效的显示脑梗死的灌注改变，包括深部脑组织灌注改变。双指数模型多b值DWI的D能够反映脑组织的扩散改变，但D*仍不足以用于灌注测量。【Abstract】Purpose: To investigate the feasibility of arterial spin labeling perfusion and biexponential multi-b-value DWI in cerebral infarction at 3.0T MR. Materials and methods: 13 patients with cerebral infarction patients with ASL, DWI and multi-b-value DWI scans. The multi-b-value DWI was applied using a biexponential model with 12 b values between 0s/mm2-4000s/mm2. Difference of rCBF, ADC, D, D *, fD * between infarct area and the mirror control were compared. Correlation of rCBF and D, D *, ADC and D *, fD * were investigated. Results: rCBF of infarction decreased. ADC, D, fD * of infarction increased. Correlation between rCBF and fD * (p = 0.049, r = 0.58) had statistically significant but not be seen in rCBFvsD and rCBFvsD *. Correlation between ADC and D had statistically significant(p0.001, r=0.92) but not be seen in ADCvsD and ADCvsfD*. Conclusion: PCASL can effectively display cerebral perfusion change in 3.0T MR, including changes in deep brain tissue perfusion. D of biexponential multi-b-value DWI reflected changes of diffusion, while D * is still not adequate for perfusion measurements.【关键字】伪连续动脉自旋标记灌注、多b值、扩散加权成像、双指数模型、脑梗死【keyword】 PCASL, multi-b-value, DWI, biexponential model, cerebral infarction脑梗死是一种致残率、致死率较高的常见病,在脑梗死的临床诊治，二级预防以及基础研究中，影像学都是其不可或缺的重要内容。随着影像学技术的发展，越来越多的新技术应用于脑梗死的临床和基础研究，不仅可以提供脑梗死组织的解剖信息，还有助于了解病变组织的微循环和代谢情况。动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）灌注成像是一种磁共振灌注技术，通过在血流上游层面（标记层）对流入血进行标记，被标记的血流进入组织并和组织中的水进行交换，使组织的纵向弛豫时间T1发生变化，将标记前后感兴趣区组织T1信号相减即可获得脑血流（cerebral blood flow，CBF）的灌注信息。故此ASL无需外源性对比剂，具有完全无创，无电离辐射的优点。伪连续动脉自旋标记灌注（Pseudo-Continuous ASL，PCASL）是近年出现的新ASL技术，具有较高信噪比并且缩短的扫描时间，提高了ASL技术的易用性。扩散加权成像（Diffusion Weighted-imaging， DWI）是临床诊断脑梗死的重要技术，近年还出现多b值DWI技术。Bihan等1, 2提出使用特殊的DWI扫描可以将水分子运动的“体素内不相关运动（Intravoxel Incoherent Motion， IVIM）”分离出来，获得更充分的信息。由此衍生出使用多个b值进行DWI扫描并进行双指数模型拟合的方法，可以得出D*（pseudodiffusion coefficient）、D（pure diffusion）、fD*( factor of D*)。但对于这些参数改变的生理机制仍未完全阐明，其临床价值也还需要更多研究。本研究旨在了解PCASL在脑梗死的应用价值，并对比传统DWI和双指数多b值DWI的方法， 探讨D*、D、f(D*)的意义和临床价值。1 资料与方法1.1 一般资料收集2013年1月6月暨南大学附属第一医院确诊脑梗死患者15例，排除其中因头动影响图像质量2例、对侧颈内动脉狭窄导致镜像对照区低灌注1例，所纳入12例中男8例，女4例，年龄44-78岁（61.78+11.42），所有患者临床诊断明确，梗死灶均无出血性转化。起病1-7天内进行MRI检查。所有患者均知情同意。1.2 仪器和方法 采用3.0T GE Discovery 750 MRI设备，8通道头颈线圈。患者先行头部MRI常规序列扫描，包括T1WI、T2WI、T2FLAIR、DWI（b=1000 s/mm2）、3D TOF MRA；之后行T1BRAVO、PCASL和多b值DWI扫描。图像分析采用GE公司Advantage workstation 4.5(ADW4.5)工作站。PCASL参数为：TR=4460毫秒（ms），TE=9ms，PLD=1525ms，扫描层数=48层，层厚=4mm，层间距为零，螺旋桨填充K空间，图像矩阵128128，像素大小1.881.88mm2，扫描时间4分18秒。数据传输至ADW4.5工作站，使用Functool处理得到脑血流量图。参考常规DWI和结构MRI图像后手动勾取梗死灶ROI，获得梗死灶局部脑血流量（region CBF，rCBF）。使用自动镜像工具选取镜像对照区。多b值DWI参数为： TR=3000ms，TE=88.1ms，b值取0s/mm2-4000s/mm2 之间共12个b值，扫描层数=20层，层厚=5mm，层距=6.5mm，图像矩阵256256，扫描时间4分55秒。数据传输至ADW4.5工作站，使用Functool 按双指数模型拟合得到D*、D图，参考PCASL所选取部位勾取ROI获得梗死灶和镜像对照区的D*值、D值。参考PCASL所选取部位勾取ROI获得梗死灶和镜像对照区的常规DWI单指数模型的ADC值（ADC）。1.3 统计分析使用SPSS19.0版本软件进行统计分析，使用配对t检验对比梗死灶和对侧的rCBF、ADC值、D*值、D值改变幅度，p0.05为有显著性差异；相关性检验使用Person相关性检验，p0.5有相关性。2 结果2.1 13例脑梗死病人的梗死灶rCBF测值，12例降低，1例升高。梗死灶rCBF、ADC、D、D*、fD*与镜像对照区的配对t检验结果见表1，可见梗死灶rCBF、ADC值、D值均明显下降，与镜像对照区对比有统计学差异，而D*值改变镜像对照区对比无统计学差异。表1 梗死灶与镜像对照区的rCBF、ADC、D、D*、fD*对比梗死灶（均值+标准差）镜像对照区（均值+标准差）PrCBF(mL/（100min）)20.32+8.8932.61+7.220.002ADC(1000 s/mm210-5)39.32+16.0461.63+17.030.000*D (1000 s/mm210-5)33.87+13.1953.37+16.030.000*D* (1000 s/mm210-3)13.39+11.8713.03+21.200.92fD*（%）11.62+4.5820.43+6.040.000*p0.0012.2 rCBF、ADC、D*、D、fD*的相对下降值（对侧-患侧）/对侧）分布图见图1：图 1 rCBF、ADC、D*、D、fD*的相对下降值分布图2.3 rCBF和D 、D*、fD*的相关性及ADC和D 、D*、fD*的Person相关性检验结果见表2（p0.05），可见rCBF和fD*相关性有统计学意义，ADC和D相关性有统计学意义。表 2 rCBF、ADC和D 、D*、fD*的Person相关性。DD*fD*prprprrCBF0.730.110.52-0.210.0490.58ADC0.00*0.920.50-0.210.190.41* p 0.001 图 2 梗死灶和镜像对照区的rCBF和D 、D*、fD*图 3梗死灶和镜像对照区的ADC和D 、D*、fD*3 讨论：传统ASL灌注技术按照对流入血的标记方式可分为连续式动脉自旋标记（continuous ASL，CASL）和脉冲式动脉自旋标记（pulsed ASL，PASL）。CASL使用连续饱和脉冲对流入血进行反转标记，信噪比较好，但是需要专用硬件，射频脉冲能量累积率较高而标记效率较低，主要存在于实验研究中。PASL使用较短时间隔热射频脉冲对大层厚的标记层血流进行反转标记，具有更高的反转效率和更低的射频脉冲能量累积，但PASL的信噪比低，其测量结果受多种因素干扰3。此外，ASL在脑白质灌注的可靠性存在争议4, 5。刘永光等6报道在1.5T设备使用商用PASL序列观察脑梗死的研究中，在脑白质区测得负值，并且发现对于梗死面积小于 3 cm2的脑梗死显示效果不佳。近年随着影像学技术的发展，多种新技术应用于ASL中，包括PCASL、超高场设备的应用、3D采集模式、使用快速自旋回波（fast spin echo，FSE）序列采集感兴趣区信号等。PCASL使用多个短脉冲模拟CASL的连续饱和脉冲，在无需专用硬件的前提下提高信噪比，有研究表明PCASL的信噪比较PASL提高50%，比CASL的标记效率提高12%，在标记效率和信噪比间取得较好的平衡7。3.0TMRI设备的应用能够有效改善ASL信噪比较低的问题，Zhang等和Mak等在针对阿兹海默氏病的ASL研究中采用3T设备，分别在各自的研究中获得可重复性良好的脑白质灌注数据8, 9。3D采集模式能够获得容积数据，并且减少血流达到近端和远端组织间时间差带来的系统误差。使用FSE作为读取序列可以有效减少运动伪影和磁敏感伪影带来的干扰。本研究在3.0T设备中使用商用PCASL，读取序列为3D FSE，本组资料中有8例梗死灶位于基底节区和半卵圆中心，累及深部脑白质，其中7例显示梗死灶灌注降低情况，所显示的梗死灶最小面积为0.5cm2，说明在3.0T设备上PCASL能够有效显示深部脑组织梗死的灌注改变。一般认为，灌注降低区域大于扩散异常区域时，灌注与扩散错配区即为“缺血半暗带”。但在本研究中为纳入的1例镜像对照区出现灌注降低，但没有DWI异常信号，同时MR血管成像显示对侧颈内动脉狭窄。这说明脑血管疾病时ASL能够显示脑血流储备功能下降，但对于脑梗死而言，尤其是伴有明显脑血管病变的脑梗死，ASL可能错估缺血半暗带的范围。IVIM是指同一体素内水分子运动含有从宏观的液体流动到微观的水分子随机运动多种成分，常规DWI所测得的ADC值，反映的是多种成分运动综合在一起的结果。如果能够将这些成分分离出来，则能够获得组织从灌注到扩散多方面的信息1, 2。实际上，活体组织的中的水分子运动非常复杂，目前尚无法实现这一目的。有学者将组织中水分子运动简化为“快速质子扩散池”和“慢速质子扩散池”，使用多个b值扫描并用双指数模型拟合可以得出D*和D、fD*11。这些参数改变的生理机制仍未完全阐明，有学者将细胞外液和细胞内液不同的扩散状态分别和D*值和D值联系在一起12-14，但是这一理论仍缺乏病理生理学证据支持。本组资料对比了脑梗死病人ASL灌注的rCBF值、传统单指数模型DWI测得的ADC、双指数模型多b值DWI的D*、D、fD*等四个参数的改变，结果显示D下降幅度稍大于ADC，两者有明显相关性（p0.001相关系数r=0.92），。这一结果符合D值反映扩散、ADC值反映多种成分水分子运动的理论，并与此前的研究结果一致15, 16。本组资料中D*值与rCBF无明显相关性（p=0.52，r=-0.21），与文献报道一致17, 18。从图1可见本子资料中不同病人梗死灶D*值变化差异较大。Brugieres等19的研究中观察到3例脑梗死病人出现D*值升高。这些结果说明用灌注来解释D*值的改变是不充分的。根据Behin1的理论，脑组织中的水分子运动除了扩散和灌注，还存在其它成分，比如脑脊液流动、细胞内外水分子交换等，虽然双指数模型分离出其中扩散的成分，但仍有其它成分混杂于D*值之中，可能造成对灌注定量的干扰。此外，本组资料中rCBF与fD*的相关性有统计学意义（p=0.049、r=0.58）。已有多项研究报道脑梗死时的fD*降低16, 19, 20。一般认为，fD*反映血容量（blood volume，BV）17, 21，脑梗死后血容量降低22，fD*随之降低。rCBF与fD*虽然存在相关性，但反映的是不同的生理机制变化。本研究探讨了PCASL、双指数模型多b值DWI在脑梗死的应用，结果表明在3.0T设备应用PCASL能够有效的显示脑梗死的灌注改变，包括深部脑组织梗死的灌注改变。双指数模型多b值DWI的D能够反映脑组织的扩散改变，但D*D*仍不足以用于灌注测量。1. Le Bihan D, Breton E, Lallemand D, et al. Separation of diffusion and perfusion in intravoxel incoherent motion MR imaging. Radiology 1988; 168:497-505.2. Le Bihan D, Breton E, Lallemand D, et al. MR imaging of intravoxel incoherent motions: application to diffusion and perfusion in neurologic disorders. Radiology 1986; 161:401-407.3. Pollock JM, Tan H, Kraft RA, et al. Arterial spin-labeled MR perfusion imaging: clinical applications. Magn Reson Imaging Clin N Am 2009; 17:315-38.4. van Gelderen P, de Zwart JA, Duyn JH. Pittfalls of MRI measurement of white matter perfusion based on arterial spin labeling. Magn Reson Med 2008; 59:788-95.5. van Osch MJ, Teeuwisse WM, van Walderveen MA, et al. Can arterial spin labeling detect white matter perfusion signal? Magn Reson Med 2009; 62:165-73.6. 刘永光, 徐坚民, 龚静山, 等. 1.5T场强MR动脉自旋标记灌注成像在脑梗死中的初步应用. 放射学实践 2010; 25:733-736.7. Wu WC, Fernandez-Seara M, Detre JA, et al. 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