灌注是人体的一项重要生理功能，它是指血流通过毛细血管网将其携带的氧和营养物质输送到组织细胞的过程．根据文献^[1]所述，很多疾病的发生将会导致灌注异常，如慢性脑血管疾病、急性脑缺血、中风和癫痫等．局部脑血流量值(Reginal Cerebral Blood Flow，rCBF)是灌注的一项重要参数，测定它可以提供重要的临床信息，有利于上述疾病的准确诊断及早期发现．

现今已有许多脑功能CBF成像技术，如注射放射性标记物的正电子发射型计算机断层扫描(PET)成像和单光子发射计算机断层扫描(SPECT)成像，注射以碘化物为造影剂的电子计算机断层扫描(CT)成像和以顺磁性物质为造影剂的磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)．然而这些技术均需外部注射放射性标记物或造影剂，这些注入物不但制备过 程复杂、价格昂贵，而且注射过程对人体造成创伤．目前以注射顺磁性物质为造影剂的MRI技术已被广泛投入临床使用，因为它可以获取准确的灌注信号．

但正如上文所述，这是有创的操作方法，对于婴儿或者是有特殊疾病的患者，这种方法并不适用；另外注射造影剂的方法不能重复操作，这样对于疾病的检测以及评价药物疗效等方面均不适用．而动脉自旋标记(Arterial Spin Labeling,ASL) MRI技术是唯一无创的，并能直接获得rCBF的成像技术．它是以血液中被标记的氢质子作为示踪剂，无需注入对比剂或标记物，因此可避免由外界注入给病人带来的不适感及危险性，另外扫描过程可以重复多次，并且能同时获得解剖和功能信息，但它主要的缺点是信噪比较低．

ASL技术最早由Detre J A等人于1992年提出^[1]，它的工作原理是，通过射频脉冲标记动脉中的血液，这里的标记指的是将颈动脉里的氢质子磁化矢量饱和或反转，这些被标记的氢质子，伴随着血液的流动以及灌注这一生理过程，将随着毛细血管网进入脑组织中，此时对脑组织处成像，就得到由于灌注效应影响的磁共振图像．这幅图像称之为标记图像．另外，在不施加射频脉冲的情况下，对同一位置的脑组织成像，此时获得的图像称之为对照图像，由对照图像(M_ctrl)减去标记图像(M_tag)获得的差值图像（磁化矢量的变化量，ΔM）既反应了灌注的生理状态，又去除了背景组织信号的影响．图 1描述了ASL技术的工作原理．

图 1 ASL工作原理 Fig. 1 Depiction of ASL principle

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根据标记方式的不同，可分为连续性动脉自旋标记技术(Continuous Arterial Spin Labeling,CASL)和脉冲式动脉自旋标记技术(Pulsed Arterial Spin Labeling,PASL)^[15]．

PASL技术施加的射频标记脉冲，它的持续时间一般为10~20 ms，配合选层梯度，一次激发则可标记较大范围的动脉血，它主要的优势在于对系统以及硬件的要求简单，实际易操作，但是标记效率低，原因有以下两点：1) 由于PASL序列使用单个射频脉冲同时反转动脉血液区域中的氢质子的磁化矢量，因此在施加射频脉冲到图像获取这段时间里，这一片标记区域的任何位置都经历了纵向弛豫(T₁)衰减，降低了获取的ASL信号．而在CASL技术中，流动的氢质子仅是在标记平面被反转，相当于缩短了T₁衰减时间．2) 由于发射射频脉冲的线圈的限制，PASL技术实际的有效标记范围为10~20 cm．而动脉血的平均流速为20 cm/s左右，所以标记的有效血液的持续时间为1 s或者更少，降低了实际的灌注信号．CASL技术对硬件的要求较高，它需要连续的施加长时间的射频脉冲，配合梯度的使用以及血液的流动，能够确保血液中的氢质子的磁化矢量被完全绝热反转，而且标记时间较长，当且仅当血液通过标记平面时质子才会反转，这就降低了T₁衰减．综上所述，CASL技术的标记效率高，但是对硬件的要求较高．为了减少磁化转移(Magnetic Transfer，MT)效应^[14]带来的信号降低，通常需要独立的颈动脉射频发射线圈．为了同时满足效率和硬件上的要求，出现了准连续性动脉自旋标记(Pseudo Continuous Arterial Spin Labeling，pCASL)技术，它主要是利用一串间隔时间很短的射频脉冲模拟CASL序列中的连续射频脉冲，实现流动下的磁化矢量绝热反转效应^[4]．根据文献^[2]，在人体实验中，pCASL的标记效率为CASL的96%，而且对硬件的要求低，不需要独立的颈动脉标记线圈和可提供长时间射频的射频放大器，操作简单．因此可以作为临床序列，开展广泛应用．

本文将基于pCASL理论基础，在1.5 T的磁共振系统上实现这一序列开发，通过临床志愿者测试获取不同情况下的最优参数．并在最优参数下进行多组志愿者测试，定量化灰质区域CBF的均值，并同正常范围内数值比较．

pCASL的序列实现主要包括两个方面，标记部分和成像部分，主要参照文献^[3]．标记部分主要负责将动脉中的质子磁化矢量饱和或反转．在CASL技术中，需施加一长时间的射频脉冲，并伴随施加流动方向上的梯度场，快速流动的血液、长时间的射频脉冲以及梯度场，三者的结合正好满足绝热反转理论^[4]，确保流过成像层面的血液被连续翻转．但是目前，由于硬件的限制，CASL技术无法在磁共振系统上很好的实现．

pCASL技术则是针对CASL技术做了一些改进：主要方法是将连续长时间的射频脉冲分成很多个间隔时间很短的饱和脉冲，模拟连续的作用效果．然而相邻脉冲间隔时间内，磁化矢量相位会发生变化，实际的反转角度并不是简单的反转角度累加，另外由于血液在快速流动，被标记的质子相位也会随流速的不同而发生变化，所以流动方向上的梯度场还需要施加一回聚梯度，控制质子相位的变化．对于CASL技术，如果使用局部发射线圈进行动脉自旋标记的话（参见文献^[12]），MT效应可以很好的抑制，无需设置对照组就能获得可靠的灌注结果．但在pCASL中，体线圈(VTC)发射射频脉冲将引起很大的MT效应，因为体线圈发射的射频能量范围较宽，成像位置的大分子组织由于频谱较宽，产生共振效应．所以必须设置对照组排除MT带来的磁化矢量的变化．由MT效应的产生原理可知，标记部分的射频脉冲是主要原因，所以为了产生与标记组相同的磁化转移效应以消除其它影响ASL的灌注信号，对照组的射频脉冲的大小和个数应同标记组保持一致，这样可以保证标记组和对照组产生的MT效应一致．但是设置对照组的目的不仅是消除MT效应，还应去除背景组织的影响，并且不影响实际的灌注信号．以上可通过设计射频脉冲的相位来实现．根据文献^[2]，可将奇数个数的射频脉冲相位设为0°，而偶数个数的射频脉冲的相位设为180°．

pCASL的序列如图 2所示．由于标记部分是多个不连续脉冲的作用，须严格控制自旋质子的相位变化，因此对静磁场（B₀场）的均匀性以及梯度场的变化量均有严格要求，一般可将标记位置置于近磁体中心，保证B₀场的均匀性，而由于相邻射频脉冲之间有短时的时间间隔，在这段时间里，被射频标记的质子的磁化矢量将会发生转动，施加下一个射频脉冲时不能确定质子翻转的角度，这里通过施加回聚梯度，控制间隔时间内质子的相位变化．

图 2 pCASL 标记部分序列图 Fig. 2 Sequence diagram of pCASL spin labeling

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ASL技术成像部分主要使用快速成像序列，理由有以下两点：首先需要标记组和对照组图像相减获得灌注图像，所以它对运动非常敏感；其次，一般ASL技术带来的信号变化量仅有1%~2%，更有必要减少磁化矢量纵向弛豫带来的信号降低．本文中，使用的读出序列为快速平面回波成像序列(EPI)．

对照组和标记组的差值得到的仅仅是磁化矢量的变化量，但对于用户来说，关注的是CBF值，所以需要进行定量分析，结合灌注的生理过程，考虑磁化转移效应的影响，参见文献^[4]和^[5]可得到CBF的定量公式：

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这里，为每100 g脑组织每分钟流过的脑血流量(mL)．根据文献^[3]，可获得以下参数的经验值：a指的是标记脉冲的标记效率，根据仿真实验，设为0.81；l为血脑分配比的系数，设为0.98 mL/g；d为血流从标记位置到成像层面的流动转移时间，设为2 s；为标记结束点到图像获取开始处的等待时间，根据协议给定为1.2 s；为脑组织的T₁值，设为1.165 s；指动脉血液的T₁值，这里默认1.624 s；为偏共振因素影响下的脑组织的T₁值，设为 0.75 s；指的是脑组织部位未经标记影响的初始磁化矢量值，另外，上标ctrl和tag分别表示对照组及标记组，可以从对照组图像上的灰质感兴趣区域(ROI)的磁化矢量均值通过计算获得，其中，设为0.986 s．计算公式为：

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对于ASL技术，获得的灌注信号的强弱主要由标记部分的标记效率决定．对于pCASL序列更是如此，原因是标记脉冲是由多个间隔很短的射频脉冲组成，为了达到饱和或反转的效果，需要严格控制自旋质子的相位变化，而相位的变化又和诸如静磁场的均匀性．梯度场的线性变化以及施加的平均梯度的大小均有关系．在本序列中，我们参考了文献^[3]，并且根据自身磁共振系统的性能特性选定了标记参数：标记脉冲的总持续时间为1.5 s，由1 000个持续时间为0.5 ms的射频脉冲组成；相邻脉冲的时间间隔为1.5 ms；射频脉冲的翻转角为30°；每个射频脉冲波形为Hanning-Sinc，选层梯度的大小为11.4 mT/m；回聚梯度大小为14.7 mT/m；选择了110 mm×400 mm的圆柱形水模作为扫描对象，水模的T₁值为314 ms，横向弛豫(T₂)为267 ms．

根据文献^[5]，标记脉冲结束时和成像激发脉冲开始前的延迟时间以及成像层面中心和标记位置中心的距离均会影响最终的灌注效果，由于灌注的生理学特性，以上两个参数并不是独立影响灌注效果，因此为了获得最优信噪比下的参数，设计了如下实验：硬件上以双通道的体线圈作为标记部分的射频激发线圈，16通道的头颈联合线圈作为信号接收线圈．成像序列使用单次激发的平面回波成像技术(GRE-EPI)，EPI序列的翻转角为90°；重复时间TR为4 s；回波时间TE为27 ms；成像层面的视野FOV为24 cm ×24 cm；层厚为12 cm；分辨率为64×64；为了获得较高信噪比的图像，扫描序列均设置6次平均．在以上参数条件下，每次扫描序列的时长为2.5 min．为了保证灌注图像质量，在扫描序列开始前，我们需要进行匀场和压脂等处理．在同一正常受试者上采集16组数据，延迟时间分别为1 000 ms、1 200 ms、1 400 ms和1 600 ms，在每个延迟时间下均采集了标记距离为60 mm、70 mm、75 mm和80 mm四组数据．对比以上16组灌注结果的信噪比，选定合适参数存入协议．

为了测试pCASL序列在不同受试者上的可靠性和稳定性，我们设计了如下人体试验，在1.5 T磁共振系统（上海联影医疗科技有限公司uMR560）上分别采集12组经pCASL序列扫描的志愿者数据．其中女性3名，男性9名；年龄在21到26岁间的志愿者共有8名，其余志愿者年龄分别为37岁、39岁、58岁和67岁．每次扫描时，扫描序列的参数选择参照实验二；另外，最优标记距离和延迟时间可通过实验二的结果获得．病人摆位时将定位灯定位在眉心处，需在头线圈内壁左右侧各塞一软垫以固定头部位置．对于不同受试者，由于个体不同，扫描层面也是不尽相同．每次扫描获得两幅图像，对照组和标记组，利用对照组图像减去标记组图像获得磁化矢量的变化图．对于每组受试者，使用MATLAB 2011a软件，利用(1)式，分别获得各组结果中脑部灰质区域的CBF值．

实验一的结果如图 3所示，Control图是对照组图像，由标记部分为图 2中的Control序列获得；Tag图为标记组图像，经图 2中的Tag序列扫描获得．两次结果均是获取水模的矢状位图，ΔM图为Control图减去Tag图后的结果，可以看出，前后两次信号有很大的变化，标记部分起到了标记效果，完全可应用于pCASL序列．

图 3 水模标记结果 Fig. 3 Tagging results of phantom

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在实验二中，我们选择中央旁小叶中份的横断层面为目标观测层面．总共得到16组数据．有些结果受到运动或者大血管的影响，导致灌注异常，应丢弃．当延迟时间为1 000 ms，标记距离为60 mm时，由于血管的影响，导致信号量较大，不能反映灌注的情况；对于同一志愿者，接受测试的时间较长，在扫描过程中，有3组灌注数据有较大的运动，导致灌注的结果出错，分别是延迟时间为1 000 ms、标记距离为75 mm，延迟时间为 1 200 ms、标记距离为75 mm，以及延迟时间为1 600 ms、标记距离为70 mm．对于余下的数据，主要分析了图像的信噪比．我们选取了颞叶的皮层周边36个像素大小的区域（如图 4所示）作为感兴趣区域，计算平均值S_Mean；背景噪声区域的选取应避开由平面回波序列所产生的N/2鬼影，这里选择图像右下侧背景部分（如图 4所示）的36个像素大小区域，求噪声的方差N_SD．利用(3)式计算

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图 4 信噪比计算区域 Fig. 4 The signal to noise ratio

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表 1列出了不同参数条件下的信噪比．

实验三中总共获得了12组数据，经过处理后分别得到了磁化矢量变化图以及CBF图，选取其中6组数据显示在图 5中，其中图 5(a)为pCASL序列扫描获得的对照组图像，图 5(b)为对照组减去标记组后得到的磁化矢量变化图．选择灰质区域，分析每个受试者对应的局部脑血流量值．对于已经处理的 12组数据，分别选取中央旁小叶的36个像素大小的灰质区域[可见图 5(a)中虚框标记]，计算出目标区域的均值，并根据(2)式得到的值；每组结果的磁化矢量变化图[图 5(b)]经(1)式计算可得对应的CBF图[见图 5(c)]．选取12组对象的CBF图里中央旁小叶附近36个像素大小的区域灰质区域[可见图 5(c)中实框标记]，计算获取平均后的CBF值，各组对象的灰质部分CBF结果对比见图 6．

图 5 6组对象的 (a) 对照组图；(b) 磁化矢量变化图；(c) 对应区域的定量计算值 Fig. 5 (a) Control images for 6 subjects,(b) Perfusion difference images,(c) Corresponding CBF image

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图 6 12组对象的灰质区域的CBF值 Fig. 6 The CBF value of gray matter for 12 subjects

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在1.5 T磁共振系统上，我们设计出了pCASL序列应用于临床灌注功能的检测．本文的主要目的是：第一，优化这一序列中的标记距离和延迟时间这两个参数；第二，基于已经优化的实验参数，进行多组志愿者的扫描测试，验证这一序列的稳定性和可靠性．实验一表明，pCASL的标记部分的标记性能可以达到ASL技术的需求．实验二结果表明标记距离为70 mm，延迟时间为1 200 ms时，图像的信噪比达到最大．因此我们将此实验获取值设为该1.5 T磁共振系统上的pCASL序列的最优参数值．实验三结果表明在最优参数条件下12名正常测试者在同一测试序列扫描时灰质部分信号强度较大，白质部分信号较低，灰白质之间有很好的区分度；其中10组数据，信号分布比较均匀，满足正常志愿者的实际灌注信号分布，其余2组信号分布并不均匀；除4组灌注信号低于正常年轻个体的正常值外，其余8组满足不同个体不同年龄正常脑部灰质大小的CBF分布．

综上所述，我们设计的这款pCASL序列在1.5 T磁共振系统上表现出一定的稳定性，定量计算上具有一定的准确性，绝大多数结果可以反映正常人体灌注的信号分布情况和正常CBF值的大小．但是，由于受试者的运动影响，个体血流流速的差异与现有的序列参数不能完美匹配和磁共振系统性能限制，以及接收头线圈等的不确定因素，导致我们不能保证每次扫描均能获得稳定的灌注结果和准确的CBF值．扫描过程中的运动影响，可以通过运动校正去除；系统性能问题，比如梯度场的非线性将会导致N/2鬼影，对灌注信号的分布和定量计算CBF值都将带来很大影响，但是目前这一问题无法避免；个体的血流速度不一致，影响标记部分的标记效率，这样的影响可通过设置多个延迟时间控制；对于扫描结果不理想的情况，也可以重复扫描以获得最佳结果．