摘要
传统的动脉自旋标记（ASL）灌注磁共振成像无法准确评估闭塞性脑血管病（CVD）患者的脑缺血严重程度，因为单一标记后延迟（PLD）设置无法校正受影响血管区域中动脉血流到达的延迟。本研究提出了一种基于双PLD设置的双ASL灌注成像方法，用于评估脑缺血的新血液动力学参数。
研究纳入了67名烟雾病（MMD）患者和22名大动脉粥样硬化（LAA）患者，采用3.0 T MRI进行双ASL灌注成像。PLD分别设定为1525毫秒（早期图像）和2525毫秒（晚期图像）。在早期图像中，观察到动脉血自旋缓慢流入脑组织以及皮质动脉内的停滞情况；在晚期图像中，评估了动脉血自旋填充的完整或不完整程度，以及晚期停滞和过度停滞现象。
结果显示，在早期图像中，几乎所有MMD患者（97%）和所有LAA患者（100%）均显示“早期缓慢流入”现象；而“早期停滞”现象则在MMD患者中占72%，在LAA患者中占32%。在晚期图像中，MMD患者中有33%出现“晚期不完全填充”，而LAA患者中仅有14%；相反，“晚期完全填充”在MMD患者中占67%，而在LAA患者中高达86%。此外，MMD患者组的“晚期停滞”现象更频繁，且存在一定的“过度停滞”。
通过双ASL灌注成像，可以将早期缓慢流入、晚期填充、早期停滞及晚期停滞作为独立的新血液动力学参数加以区分，从而更好地评估闭塞性脑血管病患者的脑缺血状况。
背景与目标
烟雾病（MMD）无论是否接受手术治疗，都需要长期随访。在门诊护理中，通常定期进行磁共振成像/磁共振血管造影（MRI/MRA），以评估疾病进展和恶化阶段，包括新发脑组织病变如脑梗死、白质病变和微出血，以及脑血管病变如颅内动脉狭窄进展和烟雾病血管增加等。然而，无症状情况下脑组织或脑血管病变的变化需要筛查影像来判断是否存在血液动力学性脑损伤。
尽管动脉自旋标记（ASL）灌注MRI可以通过动脉血自旋作为内源性示踪剂轻松进行，但由于单一标记后延迟（PLD）设置无法校正受影响血管区域中动脉血流到达的延迟，因此传统方法难以精确估计闭塞性脑血管病患者的脑缺血严重程度。为此，本研究旨在通过双PLD设置下的双ASL灌注成像，提出新的血液动力学参数，用于筛查脑缺血严重程度。
方法
研究共纳入67名烟雾病（MMD）患者（年龄范围10~83岁）和22名大动脉粥样硬化（LAA）患者（年龄范围35~72岁），并使用3.0 T MRI进行双ASL灌注成像分析。在ASL灌注成像中，颈部血管被射频（RF）照射一段时间以反转动脉血自旋（标记时间：1800毫秒），随后记录动脉血自旋在特定时间（即标记后延迟：PLD）到达脑组织后的分布情况，形成灌注图像。脉冲连续ASL（pCASL）被选作动脉标记方法，双PLD分别设定为1525毫秒（早期图像）和2525毫秒（晚期图像）。数据采集时间为早期图像2.19分钟，晚期图像3.55分钟，获得36个轴向切片，层厚为4毫米。
一般而言，在没有闭塞性脑血管病的情况下，ASL灌注图像中动脉血自旋从颈部动脉均匀供应至脑组织，并在PLD 1525毫秒时根据脑血流量分布到脑组织，其充足性在PLD 2525毫秒时得以维持，因此两幅图像之间不会出现显著差异。然而，对于烟雾病和大动脉粥样硬化等闭塞性脑血管病，可能会导致动脉血自旋对皮质动脉的不均匀供应，以及脑组织中的延迟到达和填充，从而在PLD 1525毫秒和2525毫秒时出现动脉血自旋分布的分离。
因此，针对每幅ASL灌注图像，根据动脉血自旋在脑组织和皮质动脉中的分布情况，建立了新的血液动力学参数。具体定义如下：在早期图像中，“早期缓慢流入”指动脉血自旋进入脑组织的延迟；“早期停滞”指动脉血自旋在皮质动脉中的停滞。在晚期图像中，“晚期填充”指动脉血自旋在脑组织中的完整或不完整填充，这反映了脑缺血的严重程度（侧支循环发展的程度）；“晚期停滞或过度停滞”指动脉血自旋在皮质动脉中的停滞，其中过度停滞反映了代偿性脑血管扩张。需要分别评估脑组织和皮质动脉中动脉血自旋的变化。
结果
通过对67名烟雾病患者和22名大动脉粥样硬化患者的研究，发现以下结果（见表1）。在烟雾病患者组中，早期图像显示“早期缓慢流入”发生率为97%（65/67），“早期停滞”发生率为72%（48/67）；晚期图像中，“晚期不完全填充”（疑似中度缺血）发生率为33%（22/67），“晚期完全填充”发生率为67%（45/67），“晚期停滞”发生率为72%（48/67），“过度停滞”发生率为12%（8/67）。在大动脉粥样硬化患者组中，早期图像显示所有患者（100%，22/22）均出现“早期缓慢流入”，“早期停滞”发生率为32%（7/22）；晚期图像中，“晚期不完全填充”发生率为14%（3/22），“晚期完全填充”发生率为86%（19/22），“晚期停滞”发生率为45%（10/22），“过度停滞”发生率为9%（2/22）。
在烟雾病患者组中，有四例症状性缺血患者在晚期图像中表现为不完全填充伴轻微停滞。这些发现被认为是中度脑缺血的迹象，是进一步进行单光子发射计算机断层扫描（CBF-SPECT）或正电子发射断层扫描（PET）检查的首要候选者。
比较两组患者的结果发现，晚期不完全填充、早期停滞和晚期停滞在烟雾病组中更为常见。具体来说，烟雾病组在晚期图像中的不完全填充率（中度缺血：33% vs. 14%）高于大动脉粥样硬化组。在皮质动脉中动脉血自旋停滞的比较中，烟雾病组在早期图像中“早期停滞”（72% vs. 32%）和晚期图像中“晚期停滞”（72% vs. 45%）以及“过度停滞”（12% vs. 9%）的发生率也更高。
讨论
ASL灌注图像能够以非侵入性和简短的方式重建动脉血自旋作为内源性示踪剂的早期脑分布，其临床应用范围广泛，已被证明在痴呆、急性与慢性卒中、小瘘管型脑动静脉畸形和硬脑膜动静脉瘘、癫痫灶及脑肿瘤分级等方面具有替代氟脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描（FDG-PET）的潜力。此外，研究表明其在评估烟雾病患者血管重建术后高灌注方面也具有重要意义。
在正常对照组的双ASL灌注成像中，早期和晚期图像通常显示几乎相同的动脉血自旋输入分布。这一发现表明，动脉血自旋输入可能从早期PLD到晚期PLD保持一致。然而，闭塞性脑血管病患者通过侧支血管的动脉血自旋输入尚未得到充分研究。通常情况下，通过侧支血管的动脉血自旋输入可能在受影响的血管区域表现出“缓慢流入和缓慢流出”。因此，通过设置两个PLD，双ASL灌注成像可以在时间轴上捕捉到皮质动脉中动脉血自旋的停滞以及闭塞病变外围血管领域中脑组织的填充情况，从而实现对同一区域内脑缺血严重程度的筛查。
图3示意性地展示了健康个体、轻度脑缺血烟雾病患者和中度脑缺血烟雾病患者在时间轴上的动脉血自旋延迟到达（缓慢流入）及其填充（填充完成）关系。在健康个体中，动脉血自旋到达无延迟，脑组织中的完全填充在PLD 1525毫秒时实现并在PLD 2525毫秒时保持。相比之下，在轻度脑缺血烟雾病患者中，PLD 1525毫秒时出现动脉血自旋到达延迟（早期缓慢流入），但在PLD 2525毫秒时实现完全填充（晚期完全填充）。此外，在中度脑缺血烟雾病患者中，PLD 1525毫秒时动脉血自旋到达延迟加剧（显著早期缓慢流入），而在PLD 2525毫秒时仅实现不完全填充（晚期不完全填充）。
随着血液动力学性脑缺血严重程度的增加，动脉血自旋到达延迟和脑组织填充不完全的现象变得更加明显，晚期图像中动脉血自旋填充的程度（晚期填充）可作为临床评估脑缺血严重程度或侧支血液循环发展程度的指标。在本研究中，烟雾病组的晚期不完全填充发生率高于大动脉粥样硬化组（33% vs. 14%），而晚期完全填充发生率低于后者（67% vs. 86%），表明烟雾病组中存在更严重的血液动力学性脑缺血病例。
另一方面，在ASL灌注成像中，当主要脑动脉闭塞导致动脉血自旋向脑组织分布延迟时，动脉血自旋可能在皮质动脉中停滞。这种停滞现象在评估脑组织灌注时被视为一个问题。烟雾病组中动脉血自旋在皮质动脉中的停滞发生率高于大动脉粥样硬化组（早期图像中分别为72% vs. 32%，晚期图像中分别为72% vs. 45%），这可能是由于烟雾病组中循环时间显著延长和代偿性血管扩张所致。正如最新PET研究所示，烟雾病患者血液动力学性脑缺血的特征包括循环时间延长和显著的血管扩张代偿能力，这一点与大动脉粥样硬化患者不同。此外，烟雾病组在晚期图像中皮质动脉中“过度停滞”的较高发生率（12% vs. 9%）也可能归因于显著的代偿性血管扩张。
为了从ASL灌注图像中重建类似于PET-CBF或CBF-SPECT的区域性脑血流量（CBF）图像，需要在每个像素处获取动脉血自旋的时间序列数据（多PLD ASL），并去除皮质动脉中的动脉血自旋成分。从这个角度来看，在单PLD设置下，闭塞性脑血管病患者的脑组织灌注无法评估，因为在ASL灌注图像中，皮质动脉中的动脉血自旋分布可能与脑组织中的分布重叠。另一方面，双ASL灌注成像通过设置两个PLD，可以区分脑组织中动脉血自旋的填充与皮质动脉中动脉血自旋的停滞。然而，在评估血液动力学性脑缺血患者的双ASL灌注图像时，需要更好地理解通过侧支血管的动脉血自旋停滞机制。
综上所述，通过设置动脉血自旋到达延迟和其在脑组织中的填充，以及皮质动脉中动脉血自旋的停滞作为脑血液动力学参数，并分别对其进行评估，双ASL灌注成像可以筛查和评估闭塞性脑血管病患者的血液动力学性脑缺血严重程度和侧支血流的发展程度。
结论
通过双ASL灌注成像，可以将动脉血自旋早期缓慢流入和晚期填充到脑组织，以及动脉血自旋在皮质动脉中的早期和晚期停滞作为独立的新血液动力学参数加以识别。仅通过动脉血自旋的早期缓慢流入和晚期填充（完整或不完整）即可评估血液动力学性脑缺血的严重程度和侧支循环的发展。动脉血自旋的早期和晚期停滞不能直接反映脑缺血，而烟雾病组中这些参数的较高发生率可能反映了代偿性血管扩张和循环时间延长。
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