磁共振腦氧代謝成像原理在缺血性腦卒中應(yīng)用

張順， 朱文珍， Yi Wang

缺血性腦卒中是中國乃至世界上致死率致殘率居高不下的疾病之一，嚴(yán)重危害人類健康和患者的生存質(zhì)量，給家庭和社會帶來巨大負(fù)擔(dān)。

近年來多中心的研究證實即使臨床治療時已經(jīng)超過常規(guī)的治療時間窗，血管內(nèi)取栓或血管內(nèi)重組組織型纖溶酶原激活劑(rtPA)溶栓治療可以顯著改善缺血性腦卒中患者的預(yù)后[1,2]。腦梗死早期存在缺血半暗帶(ischemic penumbra,IP)，屬于潛在可挽救的腦組織，其特點是氧攝取分?jǐn)?shù)(oxygen extraction fraction,OEF)增加，以維持腦氧代謝率(cerebral metabolic rate of oxygen,CMRO2)的平衡。15O-PET成像被認(rèn)為是定量評估腦氧代謝參數(shù)的金標(biāo)準(zhǔn)，但其程序復(fù)雜、花費高昂，且存在輻射暴露，難以在臨床常規(guī)開展[3]。因此，采用無創(chuàng)快速的磁共振氧代謝成像對于急性缺血性腦卒中患者的全面影像學(xué)評估、缺血半暗帶的快速準(zhǔn)確識別大有裨益。

本文闡述基于磁共振定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping，QSM)的腦氧代謝成像技術(shù)基本原理及在缺血性腦卒中的初步應(yīng)用，旨在提高對缺血性腦卒中氧代謝變化的認(rèn)識，為臨床治療決策提供依據(jù)。

QSM的腦氧代謝成像基本原理

CMRO2(μmol/100g/min)和OEF(%)的關(guān)系：

CMRO2=CBF·OEF·[H]a

(1)

其中[H]a為動脈氧合分?jǐn)?shù)。動脈血以氧合血紅蛋白(抗磁性)為主，而靜脈血則主要以脫氧血紅蛋白(順磁性)為主，當(dāng)血液從動脈流至靜脈，其中的氧氣被腦組織消耗，伴隨著血液磁化率(χ)的改變。利用QSM成像測量動脈、靜脈磁化率的差異，結(jié)合三維動脈自旋標(biāo)記(3D-ASL)序列計算得到的CBF即可計算估計腦氧代謝相關(guān)參數(shù)。

早期基于QSM、3D-ASL的腦氧代謝參數(shù)計算需要借助于口服咖啡[4]、或者過度通氣[5]的方式來實現(xiàn)，通過測量干預(yù)前后腦血流量的變化，結(jié)合QSM測得磁化率的改變來擬合CMRO2及OEF。這種方式在正常志愿者中經(jīng)證實可行，可獲得良好的CMRO2及OEF圖，但掃描過程中需要額外的干預(yù)，無法在臨床患者常規(guī)開展。

為了克服人為干預(yù)的限制，最新的腦氧代謝參數(shù)計算方法[6，7]同時利用QSM采集序列中的相位及幅度信息，聯(lián)合運用QSM及qBOLD(QSM+qBOLD)計算方法，同時利用多回?fù)艿姆刃盘栯S時間演變的聚類分析方法(cluster analysis of time evolution,CAT)來計算OEF，可避免使用不必要的參數(shù)假設(shè)，并明顯提高圖像的信噪比(signal to noise ratio,SNR)，理論上較其它模型更加準(zhǔn)確?；贑AT-QSM+qBOLD模型來計算腦氧代謝參數(shù)的基本理念是將具有相同幅度信號衰減特征的體素作為一個聚類(cluster)，采用特定的算法(k-means)將全腦的體素分為若干個不同的組(圖1)，再分別對不同的組作為一個整體來計算OEF。其基本計算公式如下：

(2)

Y*,ν*,χnb*=argminY,ν,χnb‖F(xiàn)QSM(Y,ν,χnb)-QSM‖22

(3)

圖1利用CAT-QSM+qBOLD模型在正常受試者(a～c)及1例腦卒中患者(d～f)中計算得到的組分析結(jié)果及相應(yīng)的OEF圖。分割圖(segmentation，b、e)上不同的顏色代表k-means計算得到的不同的組；OEF圖有良好的信噪比，且可區(qū)分病變與正常區(qū)域。K-means循環(huán)自動將正常受試者分為8個組，將腦卒中患者分為17個組。

圖21例急性缺血性腦卒中患者的氧代謝參數(shù)圖，磁共振檢查時間距離癥狀發(fā)作時間約為18h。a、b、c、e中紅色區(qū)域為DWI圖確定的梗死區(qū)域，a、b、c中黃色區(qū)域代表CBF與DWI存在不匹配區(qū)(mismatch)。a) OEF圖上梗死區(qū)域較對側(cè)稍減低，內(nèi)見部分稍高信號；不匹配區(qū)呈稍高信號，代表缺血半暗帶或良性灌注減低區(qū); b) CMRO2圖病變區(qū)和不匹配區(qū)均呈低信號; c) CBF圖病變區(qū)和不匹配區(qū)血流灌注減低; d) QSM圖不能確定病變區(qū)域的界限; e) 病變區(qū)域在DWI圖表現(xiàn)為高信號; f) ADC圖為低信號。

圖3病變及對側(cè)鏡像區(qū)域的OEF絕對值及OEF相對值變化。a) 每1例患者病變及對側(cè)鏡像區(qū)域的OEF絕對值； b) 急性期、亞急性早期、亞急性晚期組的OEF絕對值變化； c) 不同時期的OEF相對值的變化。病變區(qū)域的OEF絕對值及OEF相對值隨發(fā)病時間的延長均逐漸減低。

(4)

CAT-QSM+qBOLD的氧代謝成像在缺血性腦卒中的應(yīng)用

研究發(fā)現(xiàn)運用CAT-QSM+qBOLD模型來計算氧代謝參數(shù)可準(zhǔn)確反映缺血性腦卒中患者缺血區(qū)域的演變規(guī)律(圖2、3)。較腦梗死對側(cè)正常區(qū)域相比，OEF升高代表缺血組織存在代償，以維持腦細(xì)胞正常的生理功能；當(dāng)OEF出現(xiàn)減低時，預(yù)示著這部分腦組織將發(fā)生不可逆性腦梗死(圖2)。圖2中患者同時存在CBF/DWI不匹配區(qū)，其在OEF圖上呈不均勻高信號，預(yù)示著此部分區(qū)域為缺血半暗帶或者良性灌注減低區(qū)，如果腦血流灌注及時恢復(fù)，其可完全恢復(fù)正常。腦梗死區(qū)域的OEF絕對值及相對值(病變側(cè)/對側(cè)鏡像區(qū))隨著發(fā)病時間的延長可觀察到逐漸減低的趨勢，符合腦缺血的病理生理改變，同時提示OEF越低則腦組織更接近于死亡(圖3)。然而，由于3D-ASL計算出的CBF存在低估病變區(qū)域CBF的可能[8]，通過CBF計算得到CMRO2圖也存在低估病變區(qū)域腦氧代謝率的可能。

綜上所述，基于QSM序列的CAT-QSM+qBOLD模型計算腦氧代謝參數(shù)提供了區(qū)別于常規(guī)形態(tài)學(xué)特征的腦氧代謝信息，有助于明確腦缺血的病理生理狀態(tài)及周圍是否存在缺血半暗帶，為急性缺血性腦卒中的精準(zhǔn)、綜合影像評估提供了基礎(chǔ)，并有利于臨床治療決策的制定。