动脉自旋标记(ASL)功能磁共振成像:优点,理论约束和实验神经科学的挑战

文摘

脑血流量(CBF)是一种行之有效的关联的大脑功能,因此一个基本参数为研究大脑在正常和病理结构。动脉自旋标记(ASL)是一种无创性功能磁共振成像技术,它使用动脉水作为一种内源性衡量CBF的示踪剂。美国手语为可靠的CBF绝对量化提供了空间和时间分辨率高于其他技术。然而,美国手语的常规应用已经比较有限。在本文中,我们首先强调理论的复杂性和技术挑战美国手语fMRI基础和临床研究。同时强调美国手语的主要优点和其他技术,如大胆,我们还阐述在美国手语灌注成像固有的挑战和混淆。最后,我们阐述几个令人兴奋的领域的发展,我们相信会让美国手语在神经科学研究中充分发挥潜力。

1。介绍

直到我们找到一个方法,可以直接和无创测量的生产和消费ATP, ATP的我们必须依靠测量生理相关研究大脑的激活和疾病等各种功能状态。脑血流量(CBF)就是这样的一个关联。CBF提供葡萄糖和氧气到大脑保持基底ATP生产和补充在神经元活动增加。CBF变化伴随的神经活动的变化,如发生在任务激活,或代谢的变化通常表明存在疾病(1]。因为这个与脑功能密切耦合,CBF是一个重要的生理参数,这就是为什么很多努力一直致力于开发可靠的方法来测量它。

所有主要的测量方法,开发了CBF的原则是基于区划的建模和示踪动力学。这些原则产生的动力学模型,描述示踪剂随着它穿过动脉树到大脑的微脉管系统(nondiffusible示踪剂)和组织(扩散示踪剂)前静脉冲刷。不同的方法使用不同类型的示踪剂。美国手语fMRI的主要优势之一是,与大多数其他方法,它使用动脉水作为一种内源性示踪剂,因此不需要注射外源性示踪剂,可以不舒服,可能有害。同时,因为美国手语是无创性,重复是安全随着时间的推移,因此可以用来跟踪CBF的变化例如那些由于疾病进展或药物治疗。重要,美国手语收益率CBF的绝对测量,因此任何变化流可以表示在生理上有意义的单位而不是变化百分比。此外,美国手语收益率CBF高时空分辨率的图像比其他任何当前的技术。

然而,尽管有这些众多的优势,美国手语尚未成为首选的技术测量CBF基线或在任务激活。本文的主要动机是假设在美国手语的主要原因相对速度缓慢的进步。为了这个目标,我们首先从美国手语的一般理论框架的描述包括各种标签实现开发。然后我们突出美国手语的关键优势和其他方法,阐述其理论的局限性和实验的挑战。我们密切与回顾该领域的最新发展,使美国手语的承诺在大脑研究中充分发挥其潜力。

2。美国手语功能磁共振成像的理论框架

在所有美国手语方法,动脉水的质子自旋标记之前到达成像体积。“标签”是指改变流入旋转的磁状态的饱和或反转。一旦自旋标记,在一个时间延迟,允许他们交流的组织,一个图像,称为“标签”,是获得(2]。在这幅图像中,血液水是在一个不同的磁化状态的静态组织水。如果一个模型的静态组织作为一个向上,,矢量标记水要么是0(饱和度)或−1(反转)。的信号从一个给定的体素标记图像代表一个求和血液和组织旋转(图1左面板)。

除了“标签”的形象,“控制”的形象被收购,理想情况下,动脉水旋转并没有改变,因此静态组织旋转和旋转血都在相同的磁状态收购(图1中间面板)。现在你可以看到(图1右面板),在每个成像体素,控制和标签之间的差异图像体素的流动提供数量成正比。

美国手语信号通常表示为一个分数比(1)之间的差异,(),图像和控制,,形象,代表平衡磁化(4] CBF图像是通过应用一组测量或计算先生认为生理和参数对ASL-signal图像获取voxelwise流值绝对生理单位流(图1)。多个双标签,以确保获得和控制图像的平均几个心脏输出获得。

自原始创新的基本ASL技术威廉姆斯等人于1992年(4),大量的美国手语序列已经开发出来。基于标签是如何实现的,这些序列通常分为连续的美国手语(CASL),标签持续时间相对较长(秒),或者脉冲美国手语(PASL),使用短脉冲(毫秒)标签(5]。最近,美国手语已经修改为包括背景抑制脉冲序列静态组织旨在抑制信号为了提高稳定性和信噪比的美国手语6,7]。因此,甚至存在一些排列在同一手语主要类别。此外,最近的进展如pseudo-continuous美国手语(pCASL) [8)和速度选择美国手语(VSASL) [9]这二分CASL和PASL有点过时了。而识别分类的局限性,综述我们强调的基本原则以及优势和局限性CASL, pCASL PASL, VSASL,分别。

2.1。连续动脉自旋标记(CASL)

CASL,流入动脉水旋转“连续”标签通过反演过程称为绝热快速通道(法新社)(2,4,10,11]。绝热发生反转,必须满足两个条件:首先,整个标识过程需要速度比弛豫时间(因此术语“快速”法新社),,第二,有效磁场的方向,,需要改变速度足够慢的夹角和净磁化强度保持不变(因此“绝热”)这个词。理论上,标记脉冲必须足够长的时间来达到稳定状态(4]。然而,考虑到硬件和实验的限制,标记脉冲通常~ 2 s。反转发生在一层平面称为“标签飞机”一般定位于颈动脉平均流速的同时确保绝热条件得到满足。

CASL的主要缺点之一是要求长标记脉冲带来的绝热反演。这个需求复杂化CASL理论和实际的观点。从理论上讲,长共振射频脉冲引起的信号损失是什么通常被称为磁化传递(MT)的影响12]。因为图片不需要标记脉冲控制,其信号不会太影响。因此,不同不仅能反映血液流动,还会损失信号由于太影响存在但不是。太影响约束的初始应用程序CASL一片,为了平衡这些影响,两个标签图片,上面和下面一个成像片(13]。绕过这个限制,奥尔索普和必要的射频脉冲调幅(AM)相同的时间标记脉冲期间控制图像的采集14]。而造成约太影响的收购期间控制图像标记,是脉冲影响双反转,也就是说,没有净反转,流入旋转从而会议的要求没有改变在磁化状态控制图像的采集14]。的引入是脉冲移动CASL从单片全脑成像从而打开新场馆的应用程序。

实际上,要求长射频脉冲在硬件上征税,大多数商用扫描仪不提供CASL先生作为软件包的一部分。许多技术已经开发来克服这个问题。他们不同的标签和控制扫描实现(15]。在最近的一项研究中,Pohmann等人调查的敏感性四个CASL技术使用仿真和实验数据(15]。简单地说,CASL实现测试如下:(我)双线圈(DC-CASL)是上述传统CASL方法除了它使用两个单独的卷标签和成像,分别为(16,17]。因为标签是独立于实现成像,太影响是完全可以避免的。然而,需要一个额外的传输通道增加水平的专业技术和硬件需求因此DC-CASL困难对于常规应用程序。(2)几乎连续的美国手语(ACASL)标记脉冲经常和短暂中断从而减轻负担生产长脉冲射频放大器。确保平等太影响标签和控制图像,收购被认为是两个不同的控制:一个限制成像卷到一个片,称为ss-ACASL,而其他允许多层收购因此称为ms-ACASL。(3)Pseudo-continuous美国手语(pCASL),而不是一个长矩形标记脉冲应用短和形结合到梯度脉冲绝热地反流入旋转(18]。DC-CASL相比,这个序列的一个优势是,它不需要额外的标签线圈,并且可以实现与标准线圈由制造商提供。

像预期的那样从理论考虑,ss-ACASL获得更高的信噪比紧随其后的是双线圈DC-CASL收购。然而,这些方法限制了应用程序的常规CBF CASL测量作为第一个限制到单个片而第二个需要额外的人员的专业技能和硬件实现工作。实际上,pCASL是最佳选择,因为它可以广泛应用在信噪比使用标准的硬件没有实质性的牺牲。正如下面所讨论的,我们认为,目前pCASL前景最好的美国手语在高磁场的常规应用。

2.2。Pseudo-Continuous美国手语(pCASL)

如上所述,CASL的主要缺点之一是要求长脉冲射频标签,除了造成太影响使美国手语信号,硬件上也很费力,因此没有广泛使用。因为PASL使用短射频脉冲,它不太容易太影响。然而,PASL患有低灵敏度CASL相比;PASL可以30%到50%的信噪比低于CASL [19- - - - - -21]。

Pseudo-continuous手语被开发成一种中间技术,利用CASL的优越的信噪比和PASL标记效率高而不需要长标记脉冲(18,20.,22]。这是通过使用火车的射频脉冲而不是连续射频带来反演的水旋转(22]。鉴于美国手语信号表示标记的数量自旋捕获在一个成像体素,一个更有效的标记脉冲和减少太影响pCASL应该反映在更高的信噪比相比,传统的美国手语。这个理论语句被吴等人经验评估与标准相比优化pCASL PASL和CASL 3 t [20.]。作者发现pCASL PASL提供相比,信噪比提高了50%和18%的增加标记效率相比CASL(分别为80%和68%,分别地。)20.]。

除了intrasubject增加信噪比和可行性,pCASL已被证明主体间变异性较低标准相比美国手语(23]。Gevers等人相比pCASL的重现性和可靠性,传统CASL和PASL基于图像获得6日健康志愿者扫描两次在三个不同的成像中心(23]。相比传统CASL PASL, pCASL背景抑制显示最少的数据分散和最佳再现性(23]。尽管Gevers等人研究了只有健康的青年志愿者,徐等人相比pCASL与的可靠性和精度¹⁵O宠物8日年轻健康受试者和14个老年人,2,被诊断出患有早期阿尔茨海默病(AD) [24]。作者发现,相比以前的美国手语和宠物灌注研究pCASL提供一样好甚至更好的可靠性在年轻人和老年人的重复测量。之间的关系量化手语CBF、年龄、和广告被发现与先前的报道一致,进一步验证方法(24]。

最近,戴等人提出了一种新的方法实现pseudo-continuous的动脉自旋标记效率高于CASL同样的功率沉积在3 t [18]。这个实现的主要新特性是,它取代了矩形的射频脉冲与更复杂的汉宁脉冲实现更精确的标签配置文件在不影响前面的标记效率pCASL实现(18]。在与吴好协议的研究中,标签与pCASL体内成像的效率为81%相同的权力作为标准CASL 3 t。

pCASL序列的其他修改,寻求有选择地标签个人船只黄了(25和赫勒等。26]。黄结合血管区域成像(27- - - - - -29日)与pCASL序列(22)同时获得两个或两个以上的血管的灌注图像领土与信噪比接近标准手语在相同的总扫描时间(图2(一个))。应用不同的序列修饰,赫勒等人也用pCASL选择性和独立编码血管喂养成不同的灌注领土(图2 (b))。稍后我们将讨论综述,这些新发展美国手语,允许独立的标签不同的流地区尤其相关的临床研究。

2.3。脉冲美国手语(PASL)

PASL CASL相比,标签是通过使用更容易实现短脉冲(通常10 - 15 ms),反旋转在一个特定的区域通常被称为反转板(一次彻底的审查PASL技术cf。5])。取决于标签应用的成像体积,PASL技术主要分为两类:对称和不对称的。原对称PASL名为flow-sensitive交替反转恢复(公平),在1990年代中期开发邝et al。30.金),(31日],Schwarzbauer et al。32]。由两个反转恢复序列收购:一个涉及slice-selective反演,即磁化反向只有在选片,而另一个是non-slice-selective反演。介绍了延迟后每个反转脉冲和图像采集。延迟后,组织磁化slice-selective反演成像卷的包括信号的流入uninverted血。另一方面,非选择性反转磁化后的组织预计将大约相等的组织(假设的血液大约一样的组织一个假设,灰质的效果相对较好)。CASL相似,区别两个连续使用两种反演获得的图像,分别导致perfusion-weighted形象。虽然开发了各种版本的公平(5),原始公平序列仍然是最常用的。金等人扩展应用程序的原始公平多层螺旋采集使用单一反转脉冲保持低时间分辨率足够检测电动机激活(33]。虽然公平很容易实现和相对简单的应用程序中,多层应用程序仍然是由于工件缺陷造成的问题的反演片(5,33]。

不对称PASL序列,称为回波平面成像和信号定位和交替射频(EPISTAR),埃德尔曼等人于1998年第一次被提出(34,35]。在这个序列,磁化倒在厚板成像片近端,其次是快速成像(EPI)经过短暂的延迟,允许反向磁化达到成像片。额外的控制图像同样获得反相磁化后板坯对称远成像片,从而拥有相同的太影响。近端反转控制的共振效应(PICOREs) [36)和转让不敏感标记技术(倾斜)37)序列是基于原始EPISTAR技术。

上一节中提到的,一些手语方法已经开发出来,而不是标签的所有喂养动脉,允许个人的选择性成像灌注领土。区域灌注成像(RPI)技术开发的范Laar等人基于连接倾斜标签序列脉冲,允许将标签板定位在任何角度对成像容积(38]。零售价格指数(RPI)技术是第一个允许地区CBF测量个人饲养的动脉。然而,序列是非常敏感的磁场,因此非均质而不是最适合高场成像。最近的一个序列,脉冲恒星标签动脉区域(脉冲星),(29日,39]基于原始EPISTAR序列,利用一个优化水抑制脉冲presaturates成像体积从而增加信号的敏感性流动(39]。原来的零售物价指数方法相比,脉冲星技术不太敏感的领域,非均质性有更好的标记效率和更高的信噪比。然而,序列难以实现和遭受低灵敏度。

脉冲星标记技术结合look-locker方法抽样在多个时间点和一个周期性饱和方案清晰定义的动脉血液丸,定量明星动脉区域(类星体)[标签40技术开发。Deconvolving信号从多个时间点,类星体方法产量同时测量两个动脉的血流量(含量)和CBF [40]。

虽然尚未成为大脑的功能成像的例程,其他几项研究已经报道了同时测量酒精和CBF3,41,42]。同时测量酒精和CBF使用内源性示踪剂可能会成为一个重要的工具在研究疾病的两个生理参数可能是分离的。

2.4。速度选择美国手语(VSASL)

虽然VSASL的脉冲序列包含了所有传统的美国手语收购的主要元素标签和控制图像,所不同的是,在VSASL标签实现基于动脉水的速度,而不是它的位置。使用选择性脉冲速度,速度截止,,与生成的标记图像包含了,至少从理论上讲,只有旋转的速度,,符合条件。假设动脉树的速度是单调下降,血液标记的数量在给定成像体素,即美国手语信号,只是 在哪里和代表的流和postlabeling延迟量体素(9]。

的影响(2)是美国手语信号的相互依存通过和。吴等人之间的交互进行了系统评价和并对实验数据显示,虽然是在良好的协议与灰质预期流量值,一个重要的信号从大型船只持续速度(43]。因此,作者建议低截止脑组织血流灌注的定量测定。

3所示。美国手语是更好吗?

与所有可用的美国手语的实现,一个显而易见的问题是“哪一个是最好的?”答案是复杂的,也许认股权证审查自己的论文,但选择将取决于应用程序和显然应该涉及,其中,考虑可用性的硬件,软件,和技术专长,以及大脑所需覆盖和信噪比由权力承担分析测试假设。不幸的是,选择往往是基于可用性而非科学的因素。专业技术序列发展的需要,这在一定程度上取决于类型的扫描仪,阻碍了美国手语的特定于应用程序的优化成像。

一般来说,PASL已被广泛应用,因为它是更容易实现和概念上比CASL更加直接。另外,因为短标签需要脉冲,PASL序列受太低于标准CASL序列。然而,缺点是仍然存在,如信噪比低,灵敏度高,运输时间,和大脑切片轮廓的工件可以限制报道。虽然更难实现,CASL,另一方面,已被证明比PASL收益率更高的信噪比整个大脑成像。虽然在VSASL承诺,该技术仍然相对较新,需要更多的研究来评估其灵敏度和适用性在疾病和激活的研究(44]。

pCASL的最近发展,利用各自的优势CASL和PASL提供可靠的灌注图像信噪比高,导致大幅提高美国手语在3 t的应用程序。由于其效率高、多层功能,和相对易于实现没有规范的硬件,pCASL正在成为最好的选择范围广泛的应用在大脑研究。pCASL的潜力也有选择地标签容器不同的大小和方向在不影响信噪比可能宝贵的学习疾病诊断、病程和治疗。

在并行成像和随之而来的进步快速采集脉冲,美国手语是准备成为重要的功能磁共振成像大脑研究的方法。然而,正如上面提到的,美国手语信号转化为生理CBF单元使用一组已知或假定先生和生理参数,比如放松时间,分配系数,运输时间,反演效率等等(45]。由此可见,任何错误的估计或假设这些参数会影响CBF的绝对量化。此外,美国手语图像通常要经历一个处理算法,包括调整、组织分割,和正常化MNI或Talairach空间组分析(46]。的详细描述这些参数和步骤如何影响流的量化是超出了本文的范围。这里我们关注的基本原则CBF量化和描述最近的分析方法,开发了提高美国手语的敏感性检测CBF的变化而减少混淆的影响如部分体积效应(私营企业)和交通干线乘以(att)。

4所示。从信号到CBF的绝对量化

美国手语是基于示踪动力学理论,首次申请测量人类CBF Kety和施密特在1948年(47]。在美国手语,示踪剂是磁标记动脉水,这是一种扩散性的内源性示踪剂。这个理论提供了数学工具描述动脉标记水浓度之间的关系和由此产生的组织浓度。这些数学工具的基础“通用动力学模型定量灌注成像与美国手语”由巴克斯顿et al。48)的布洛赫方程对纵向磁化改性包括交付和间隙局部血流量成比例见(3): 在哪里是平衡磁化的组织,是水的分配系数,和代表组织和动脉血液的时间纵向磁化,分别,48]。

基于该通用模型,则有以下几种解决方案CASL和PASL技术(39,45]。同时,根据采集的时间参数,模型构造的数学描述信号从大脑内部的各个隔间(2,21,45]。短postlabeling延迟,大多数的标签被认为是动脉舱而更长时间延迟两舱制模型分离的组织信号从动脉血液。尽管许多研究都显示良好的协议CBF值与更传统的流量测量技术,如放射自显影法,微球的方法,和宠物49- - - - - -51),有几个混淆影响CBF的绝对量化与美国手语。在接下来的几节中,我们回顾一些混淆和描述新的分析方法,开发了它们对CBF量化的影响降到最低。

4.1。部分体积效应

手语成像约束之一是快速图像采集需要确保血液标记的信号捕获之前放松平衡状态。完成快速成像的空间分辨率,这意味着信号从一个给定的体素将反映信号生成的混合物从所有三个主要的大脑tissues-gray (GM),白质(WM), CSF-comprising体素(52]。因为流值从这些组织是不同的,不同的流值两个像素点之间可能只是由于不同组织的异质性,而不是一个真正的不同流。这些cross-tissue污染影响,称为部分体积效应(私营企业),是有限的空间分辨率成像的直接后果。在美国手语,私营企业是加剧了信号的非线性依赖组织异质性通过来自通用汽车、WM, CSF在控制的图像,的分母(1),(cf。52]详情)。

私营企业可以很明显的皮质区域通用可以瘦2毫米。给这些影响的大小,包含80%通用和20%的体素CSF通常会假定和分析作为一个通用体素(52]。这样的体素,一个简单的计算基于(1)和假设的相对组织磁化强度为SE-EPI M_脑脊液:M_通用汽车:M_WM~ 1.6:1.2:1.0,通用汽车将被低估的CBF ~ 24% (52]。

最近,后处理算法开发了对私营企业在美国手语成像(52,53]。在我们小组开发的原始方法,线性回归算法是空间应用于不同,、图像以及控制,,形象。算法假定在一个给定的空间选择性内核,平衡磁化价值观和血流量均匀分布(52]。为图像,该算法模型给定的平衡磁化体元的加权和的贡献每个组织和体素在内核中。为形象,即perfusion-weighted图像,每个像素点的强度表示为一个加权和流分布的通用和WM在内核中,独立。在这两种情况下,获得的权重系数是组织的部分卷作为后验概率值从高分辨率图像的分割52]。

这种方法收益率衡量流动,称为“纯流”或“流密度”是独立的体素的组织内容。换句话说,一个可以计算纯灰质CBF ()和一个纯白质CBF ()图像,独立。对于每个体素,从一个给定的组织代表体素的血流量会被这完全由组织(52]。下面我们讨论一些细节,这本小说参数,,已被证明是更敏感的检测比净CBF CBF的变化随着时间的推移获得与传统美国手语(54,55]。

该方法的一个缺点是,应用线性回归空间造成一个固有的空间平滑的原始数据。由于信噪比方面的考虑,更大的空间内核线性回归信噪比越高。另一方面,内核越大,越大的平滑作用通过修正(PVEc)算法。这可能有损检测局部变化在CBF如发现中风或高度本地化的激活模式。绕过这个缺点,Chappell等人实施了上述方法在时域通过收购多个美国手语图像不同延迟时间(53]。因为它是应用于时间而不是空间,这个PVEc方法保护CBF的空间特性,从而避免引入了平滑的边界地区的不足或hyperperfusion(图3)。在这种情况下,缺点是所需的时间来获取数据,这是一个障碍对于激活研究或研究病人的时间在扫描仪是受限制的。

4.2。运输时间混淆

ASL技术,血液标记位置远端从感兴趣的地区。因此,如果并购发生后立即标记脉冲,并不是所有的标记血液进入组织,因此CBF会错估;包含动脉血液的体素与另一个立体像素标记旋转注定会有它的CBF高估而的体素成像之前所有的标记血液到达其CBF值低估了。描述血液的运输时间从标签位置给定成像体素,两个生理参数定义:动脉渡越时间(ATT),代表的平均时间血液穿过血管从标签平面微脉管系统在该地区的利益,和组织运输时间(TTT),这是时间标记血液交换与地区的组织(2]。postlabeling延迟的末尾插入标记的标记脉冲允许血液到达的体积与组织利益和交换。然而,妥协需要延迟的长度和损失之间的信号由于弛豫过程。对于长时间运输的地区,延迟仍不够,和解释数据变得更加复杂(2]。

对于CBF的某些应用程序,需要以一个局部区域,标签之间的距离可以缩短位置和感兴趣的区域(由太影响范围内)和交通的影响最小化。然而,对于许多研究,假设涉及整个大脑收购的CBF CASL技术与标签平面定位在颈动脉的方法选择。在这种情况下,大脑的不同区域有不同的运输时间因此量化需要这些时间为每个地区的知识或估计。研究的某个部位动脉模型使用,也就是说,当血液标记被认为是主要在macrovasculature,丙氨酸的主要参数需要估计;两舱制模型,包括组织微脉管系统、估计的到达目标时间变得至关重要。

通过收购多个美国手语图像不同postlabeling延迟值,攻击力可以通过参数估计的表示部分美国手语信号与时间的曲线(2]。因为这一步需要较长的扫描时间,攻击力并不经常用美国手语成像。相反,当计算CBF,攻击力值通常被认为是整个大脑均匀或均匀分布在一个收购片和不同线性提升片位置。

最近,有两个估计ATT的发展:首先,改进技术和提高信噪比更高领域允许voxelwise和multiple-PLD ROI-wise参数拟合的曲线。第二,一个方法,不同标记时间而不是postlabeling延迟了(55]。这种方法已被证明是~ 30%比multiple-PLD方法(短55]。结果显示明显异质性意味着ATT值在健康青年志愿者的大脑甚至跨科目(图4),(55]。

估计到达目标时间,王等人提出了一个方法涉及使用双相梯度流编码获得的比例在血管和微血管灌注信号隔间postlabeling延迟的函数(56]。全球平均组织运输时间约为1100年和1400年两个条件的女士双相编码速度的梯度29和8毫米/秒,分别。平均到达目标时间测量脑内血管领土最短的深层大脑中动脉(MCA)。概念验证,该方法应用于两个脑血管疾病患者长期组织运输时间在受影响的半球[56]。然而,患有方法依赖于特定的编码速度,和它的常规应用程序受到multiple-PLD收购的必要性。

使用上面的一般背景对美国手语功能磁共振成像的理论基础及其混杂因素在评估CBF,我们进行评估的优势和一些实验挑战美国手语在基础和临床研究中的应用。

5。美国手语fMRI:比大胆吗?

几种成像方法已经开发利用神经活动的神经与血管的耦合当地CBF脑血容量的变化,cb v()都未和其他生理相关(57]。最普遍使用的血氧等级相关(粗体显示)MRI,发现在1990年代初以来,已被广泛用于地图的大脑区域,应对特定于任务激活(58]。

大胆susceptibility-based方法,创造了“功能”,三图像利用当地磁场变化的非均质性含氧和缺氧的相对浓度血红蛋白(dHb)伴随大脑活动58]。

与核医学方法相比,大胆和ASL MRI都使用内源性示踪剂,因此是完全非侵入性,更容易获得。因为大胆的信噪比和高时间分辨率高于美国手语,更适合与事件相关的设计,特别是当绝对量化不是必须被测试的假设。同时,大胆通常更容易实现,不需要任何额外的编程的射频和梯度脉冲已经由制造商提供。

然而,大胆的美国手语提供了几个优势,尤其是在应用缓慢不同脑功能变化研究:

(1)空间定位
因为大胆的效应源于CBF的变化之间的复杂的相互作用,CBV和氧气消耗,它的信号在本质上是复合的,无法确定单个神经元活动的关联(59- - - - - -61年]。此外,由于信号主要来自血管内dHb,激活的实际网站的空间相关性是相对贫穷的和相当大的空间传播到静脉结构(62年]。相比之下,美国手语信号是简单的解释,因为它反映了,至少从理论上讲,一个生理过程,即CBF。因此,特定于任务的模式映射与美国手语产生更好的空间相关性的实际站点区域比大胆参与[63年]。

(2)信号量化
大胆的研究主要是定性的结论自然作为基线值通常下落不明,和表达的信号通常是变化百分比(64年]。基线变化的影响在大胆的功能磁共振成像数据实验证明了科恩et al。65年和棕色等。66年]。这两项研究报道不匹配基准CBF的变化和相应的大胆的反应在同一主题和同样的刺激(65年,66年]。
美国手语,另一方面,生理上产生一个可量化的测量从而使基线水平相比直接激活(之前和之后21]。

(3)功率谱
大胆的功率谱在低频信号显示更高的振幅所描述为1 / f噪声。这个时间自相关使得大胆fMRI不适合应用程序与基本频率低于0.01赫兹实验设计,也就是说,任务事件间距为~ 90秒以上(67年]。相比之下,由于两两相邻时间点的减法,手语的功率谱频率基本上是独立的,这使得它非常适合跟踪慢不同大脑的变化如由于情绪反应,情绪变化,疾病,药物治疗等等。在最近的一项研究中,Borogovac et al。55]PVEc使用美国手语fMRI比较CBF的变化由于motor-visual激活在同一个会话和跨两个会话相隔1个月(图5)。研究强调的效用上述参数检测纵向CBF的变化。因为这个生理参数是相对独立的组织异质性在主题,这是跨时间和更稳定的~ 60%更敏感的检测变化由于激活(55]。

(4)易感性的影响
因为大胆susceptibility-based技术,梯度回波(GE) EPI通常被用来实现最大灵敏度。因此,大胆是倾向于工件的磁化率高的地区如tissue-bone周围空气或组织边界,特别是在高的领域。美国手语,另一方面,可以结合自旋回波(SE)成像技术来减少批量工件磁化率从而产生更大的敏感性降低大脑区域和更精确的定位68年]。然而,随着更高领域扫描仪变得更可用,使用spin-echo-based大胆的功能磁共振成像的可行性也增加。

6。美国手语功能磁共振成像在衰老和疾病

大胆的响应是一个敏感的指标在哪里神经活动发生,但很难解释大胆的大小作为定量反映潜在的生理响应。基线状态的影响也许是最严重的问题大胆的测量结果的解释的疾病。例如,在最近的一项研究的主题广告的风险,弗莱和他的同事们已经找到了一种减少大胆的反应在海马记忆任务的高危对象与控制(69年]。然而,通过测量包括美国手语,他们发现,在任务的性能,流动的两组有类似的绝对水平,但这流在基线状态是高危组升高(69年]。

根据2008年的一项审查论文Deibler et al。70年),期间一年超过3000美国手语程序进行的常规临床脑MRI评估在1.5 T和3.0 T。正如上面提到的,大部分美国手语成像的价值来自其侵入性性质,它可以在一个常规MR扫描获得常用给病人。

一般来说,美国手语应用在临床领域可分为两个主要团体:血管疾病,如中风和颈动脉闭塞性疾病(71年- - - - - -73年),和“功能性”疾病,包括正常老化(54),阿尔茨海默病(AD) [74年),和精神分裂症75年]。这个二分不是应该包容,但它强调观察CBF的生理基础。在血管疾病,CBF的变化反应在大脑结构的变化,如颈动脉遮挡,血肿,肿瘤,或中风和其它缺血性事件的出现。“功能性”疾病,CBF的变化(在时间或与健康人群相比)可能发生独立的脑部结构变化或它们之前。

在最近的评论美国手语的应用程序在日常临床实践中,Deibler等人所描述的美国手语的使用一系列疾病hyperperfusion既可以检测到局部,豪华灌注,自发的血管再通,癫痫活动,肿瘤,其中,并在全球范围内,在年轻的人群,或在血碳酸过多症的条件,报告病例postcarotid动脉内膜切除术(70年,76年]。

重要的是要强调的是,在上述章节中描述的美国手语混淆变得更加相关的临床应用。例如,在中风和颈动脉闭塞性疾病的研究,估计运输时间是最重要的71年,72年]。在这种情况下,伴随的CBF会增加测量渡越时间的测量的可靠性,使解释结果更简单。

研究中涉及到的比较CBF之间的年轻和老年人口,才成为一个萎缩的主要混淆,因为出现在后者(54]。最近,我们组PVEc算法应用于美国手语数据获得年轻和年长的人群。通过最大的贡献是发现在额叶和增加额外的10%,占12%的与年龄相关的CBF区别男性和女性,分别,54]。

7所示。未来美国手语fMRI的方向

在美国手语成像有两个重大的挑战,继续阻碍其大脑研究和常规应用程序构成的主要焦点目前美国手语发展研究:低信噪比和相对较低的时间分辨率。我们的数值模拟,基于组织放松乘以3 T,假设平均通用CBF_d100毫升/ (100 g×分钟)77年)和高斯分布的噪声,表明,实现信噪比最高的是~ 4%。高场成像有利于美国手语,因为除了预期增加信噪比由于领域考虑,信噪比的增加,是由于长T1值在更高的领域;增加T1转化为标签损失更少,也就是说,信号损失,由于放松。PASL王等人表明,信噪比和中国北车增加了2.3倍和2.7倍,分别为静止状态灌注4 T相比1.5 T [21]。然而,没有明显改善灵敏度检测CBF的变化由于电动机激活(21),作者认为增加生理噪声和susceptibility-related构件4 T。因为需要快速顺序扫描控制和标签图片,美国手语通常依靠EPI成像,这是有问题的更高领域由于场均匀性缺陷,引入扭曲高磁化率的地区。一个解决方案是结合快速三维(3 d)与美国手语成像序列,提供更高的信噪比,同时减少图像失真(24,78年]。增加信噪比美国手语的另一个方法是使用相控阵接收线圈,它允许用更短的回波时间图像采集;减少回波时间是有益的信噪比和减少扭曲由于工件磁化率(79年]。

正如上面提到的,时间分辨率也是天生的穷人在美国手语,尤其是对快速检测由于激活大脑功能的变化。这是一个直接后果的成对收购美国手语;获得一个CBF形象,两个图像,控制和标签,必须获得,因此有效TR翻倍,一般4到8年代之间的不同。到目前为止已经有两个新兴的方法提高时间分辨率在美国手语:turbo-ASL [9和单发美国手语80年]。因为信号量化这两种技术的复杂性,他们限制应用程序的绝对量化并不是最重要的。Hernandez-Garcia等人结合双线圈的方法与涡轮CASL检测灌注反应在两块设计和与事件相关的实验81年]。更高的时间分辨率是通过收集控制和标签图片后一个标签。CASL优势的最佳信噪比和提高时间分辨率,作者报道满意的敏感性检测灌注回应与事件相关的模式(81年]。

它变得清楚,鉴于今天大脑研究的复杂性问题,没有一个灵丹妙药的技术可以实验在回答我们面临挑战。解决方案依赖于结合各种成像技术的优势和先进的分析方法为更好地评价生理参数在各种状态,大脑功能的基础。在这方面,美国手语开发分支在三个方向:第一,开发新技术的实现,更适合应用在更高的领域,可以增加CBF的空间和时间分辨率成像。目前,pCASL结合小说快速成像序列拥有最好的承诺。

二是结合美国手语CBF基线测量和大胆,在被称为校准大胆的功能磁共振成像(61年]。与一个单独的测量血流美国手语,可以计算出氧代谢会改变给测量大胆的响应(82年]。然而,直到找到一个替代hypercapnic条件下测量的要求,校准大胆尚未在临床领域得到广泛应用。

第三,因为美国手语患有低信噪比,分析方法的进步,提高方法的灵敏度是必要的。或许更重要的是,复杂的分析方法允许我们问关于大脑功能更复杂的问题。例如,最近美国手语fMRI结合多变量分析来检测协变量CBF模式可以区分AD患者和健康对照组特异性和敏感性(分别占95%和100%83年]。

这些最近的见解和技术发展表明,美国手语fMRI即将为大脑研究实现其全部潜力。

确认

作者非常感谢Scott小,医学博士,for insightful discussions regarding the application of fMRI in disease. They also thank the anonymous reviewer for his/her thorough critique and invaluable suggestions. Partial funding for research included in this review was provided by NIH/NIMH R21MH082308 grant.

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