《NMR in Biomedicine》：Concurrent Four-Dimensional Dynamic MRA and Perfusion Imaging Using Dual-Module Arterial Spin Labeling MRI With Stack-Of-Stars Golden-Angle Radial Acquisition
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动脉自旋标记（ASL）已被用于灌注成像和非对比增强动态MR血管造影（MRA），两者均已成为脑血管疾病临床诊断和治疗计划的有利工具。通常需要单独的序列来获取脑部血管血流动力学和下游灌注信息。然而，在单次采集中同时进行动态MRA和灌注成像可以提供空间共配准的大血管
动脉自旋标记（ASL）已被用于灌注成像和非对比增强动态MR血管造影（MRA），两者均已成为脑血管疾病临床诊断和治疗计划的有利工具。通常需要单独的序列来获取脑部血管血流动力学和下游灌注信息。然而，在单次采集中同时进行动态MRA和灌注成像可以提供空间共配准的大血管和微血管图谱，以增强诊断信心和效率。在这项工作中，研究人员开发了一种双模块ASL技术，以从单次扫描中同时获得四维（4D）MRA和脑灌注图像。具体而言，伪连续ASL（pCASL）和脉冲ASL（PASL）模块被集成并用3D堆叠之星黄金角径向采集编码。通过成对减法生成4D MRA和灌注对比。使用稀疏约束图像重建从径向k空间数据的不同部分生成4D MRA和灌注图像。进行了数值模拟和体内实验以证明技术可行性。使用所提出的双模块ASL技术，成功地从单次扫描中获得了具有高时空分辨率的时间分辨MRA和具有良好对比度的灌注加权图像。将所提出技术的性能与参考4D MRA技术在血管描绘和血流动力学方面进行比较，并与常规pCASL灌注成像（使用3D GRASE进行脑血流量（CBF）测量）进行比较。双模块ASL在描绘动脉血流动力学和灰质CBF定量方面分别与参考4D MRA和3D GRASE pCASL表现出相当的性能（p=0.73）。这些结果表明所提出的技术对于从单次扫描同时进行4D MRA和灌注成像的可行性，这可能成为详细表征通过脑血管结构及其下游灌注的动态血流模式的潜在强大成像工具。
脑血管疾病（cerebrovascular diseases）的临床诊断、治疗计划制定和随访依赖于对脑血流动力学（cerebral hemodynamics）中宏观血管（macrovascular）和微血管（microvascular）系统的全面评估。传统临床实践中，脑血管和下游灌注（perfusion）通常通过单独扫描进行，如动态对比增强磁共振血管造影（dynamic contrast-enhanced MR angiography, CE-MRA）用于描绘血流动力学，以及动态磁敏感对比（dynamic susceptibility contrast, DSC）MRI和动态对比增强（dynamic contrast-enhanced, DCE）MRI用于检测灌注缺损。这些技术需要注射钆对比剂，存在脑内钆沉积风险，且需额外血管通路和扫描时间，而扫描间头部运动可能干扰诊断。因此，无需对比剂注射的单次MRI采集，同时提供血管造影（angiography）和灌注对比，能提高扫描效率，减少运动伪影，并增强诊断信心。
动脉自旋标记（arterial spin labeling, ASL）是一种利用磁标记动脉血作为内源性示踪剂的非侵入性MRI技术，已用于非对比增强MRA和灌注成像。伪连续动脉自旋标记（pseudo-continuous ASL, pCASL）结合背景抑制可实现可靠的脑血流量（cerebral blood flow, CBF）测量，而基于ASL的四维磁共振血管造影（four-dimensional MRA, 4D MRA）在评估脑血管疾病方面表现出与常规CE-MRA相当的性能。然而，现有ASL技术通常仅聚焦于血管造影或灌注成像，需单独序列进行综合评估。近期研究探索了在单次扫描中同时获取血管造影和灌注对比的可行性，如时间编码方法和CAPRIA（combined angiography and perfusion imaging using radial imaging and arterial spin labeling）。
为克服上述局限，本研究提出一种双模块ASL技术（dual-module ASL technique），旨在单次扫描内同时获得时间分辨的4D血管造影和定量灌注图像。该技术整合了pCASL和脉冲动脉自旋标记（pulsed ASL, PASL）模块，采用堆叠之星（stack-of-stars, SOS）黄金角（golden-angle）径向读出（radial readout），通过编码和成对减法分离两种对比。通过数值模拟和体内实验评估技术可行性，并将4D MRA和CBF量化结果与参考技术进行比较。研究发表在《NMR in Biomedicine》。
研究人员开展的研究包括：提出双模块ASL序列设计，结合pCASL与PASL模块，利用SOS黄金角径向bSSFP（balanced steady-state free precession）读出，通过三重复编码和成对减法生成4D MRA和灌注加权图像；采用稀疏约束图像重建（sparsity-constrained reconstruction）从不同k空间子集重建图像；在11名健康志愿者（7名男性，平均年龄27.2±3.82岁，经机构审查委员会批准和知情同意）中进行体内实验，采集于Siemens 3T Prisma系统，使用64通道头线圈；通过数值模拟优化背景抑制（background suppression, BS）和信号演化；将4D MRA与参考PASL-based SOS 4D MRA技术比较，并将CBF量化与常规背景抑制pCASL联合3D GRASE（gradient and spin echo）读出序列比较。关键技术方法包括：双模块ASL制备（pCASL和PASL集成，通过改变第二次反转脉冲的空间覆盖实现编码）、SOS黄金角径向bSSFP读出（允许灵活的时间分辨率和空间分辨率）、低秩子空间重建（low-rank subspace reconstruction）用于4D MRA，压缩感知重建（compressed sensing reconstruction）用于灌注图像。样本队列来源为11名健康参与者（7男，27.2±3.82岁），其中4名额外参与者（4男，25.5±2.89岁）用于进一步CBF比较。
研究结果：
- 数值模拟结果：对pCASL模块下的血信号行为进行布洛赫方程模拟，显示在nPLD=700 ms条件下，第200个径向辐条时约16%的ASL信号保留，用于选择灌注重建的辐条数量。背景抑制下组织信号行为也得到模拟。
- 4D MRA性能评估：重建的图像显示，双模块ASL技术可成功从单次扫描获得高时空分辨率的时间分辨4D MRA（10辐条/帧，47 ms/帧）和良好对比的灌注加权图像。与参考4D MRA比较，双模块ASL的4D MRA MIP图像表现出几乎相同的动态血流模式，定量结构相似性（SSIM）在横断面MIP中为0.951±0.023，冠状面和矢状面为0.888±0.033和0.888±0.035。从大脑中动脉（MCA）和大脑后动脉（PCA）各段提取的动态曲线相关性系数分别为0.933、0.950、0.918、0.977，表明血流动力学高度相似。
- CBF定量评估：使用单室模型计算CBF，比较三个标称PLD（nPLD=500、700、1000 ms）。nPLD=500 ms时出现动脉传输伪影，CBF值偏高；nPLD=700 ms时的灰质CBF（54.44±6.63 mL/100 g/min）与参考3D GRASE pCASL（54.74±6.74 mL/100 g/min）最接近，无统计学差异（p=0.10，配对t检验）。nPLD=1000 ms时CBF值略低但无显著差异。因此选择nPLD=700 ms为最优设定。
- 不同空间和时间分辨率重建：通过调整重建参数，可灵活获得不同空间分辨率（3.5×3.5、2.33×2.33、1.75×1.75 mm2）的灌注图像和不同时间分辨率（47 ms/帧和94 ms/帧）的4D MRA图像，图像质量无明显退化。
讨论部分总结：本研究引入的双模块ASL技术结合SOS黄金角径向读出，实现了单次扫描同时获取动态4D MRA和下游脑灌注。与现有方法相比，该技术通过修改背景抑制中第二次反转脉冲的空间覆盖，集成pCASL和PASL模块，避免了信号干扰。pCASL模块提供稳健的灌注成像，PASL模块提供完整的流入-流出血团通道。4D MRA的血管描绘和血流动力学与参考一致，CBF定量经优化后与常规pCASL序列相当。技术限制包括：bSSFP读出对B0场不均匀性敏感，导致部分区域信号丢失；仅评估灰质CBF，白质灌注较弱；PLD优化针对健康青年，需进一步针对不同人群调整；扫描时间接近两序列之和，需优化以实现临床集成。研究结论翻译：总之，本研究引入了一种双模块ASL技术，可在单个序列内同时获取4D MRA和灌注图像。具体而言，包含pCASL和PASL的双模块ASL方案与SOS黄金角径向bSSFP读出集成。所提出的技术证明了在单次扫描中获取高时空分辨率、时间分辨的4D MRA和具有灵活空间分辨率的定量灌注图像的可行性。该技术可能成为全面表征脑血管系统和微血管系统脑血流动力学的有用成像工具。
