基于ASL技術(shù)探討模擬微重力環(huán)境對人腦灌注的影響

1.江蘇省常州市第一人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科 (江蘇 常州 213003)

2.解放軍第306醫(yī)院磁共振室(北京 100000)

顧正章1 邢 偉1 金 真2 李 科2

腦血流灌注(即腦血流量(cerebral blood flow，CBF))是指血液通過毛細(xì)血管網(wǎng)與組織進行氧和營養(yǎng)物質(zhì)交換的過程，它的正常與否在一定程度上能夠反映器官的活性和功能情況。關(guān)于模擬微重力環(huán)境對腦灌注的影響，一直以來是學(xué)者爭相研究的熱點之一。微重力環(huán)境下，流體靜水壓消失，血液由下肢轉(zhuǎn)移到上身，引起腦灌注的改變[1]。

脈沖式動脈自旋標(biāo)記(pulsed arterial spin labeling, PASL)技術(shù)以磁化標(biāo)記的水質(zhì)子作為內(nèi)源性示蹤劑，可獲得腦血流量等灌注參數(shù)，具有顯著優(yōu)點。本研究采用PASL技術(shù)，對14例志愿者模擬微重力實驗前后腦灌注數(shù)據(jù)進行測量比較，探討模擬微重力環(huán)境對正常人腦灌注的影響。

1 材料與方法

1.1 研究對象

1.1.1 受試對象：招募18名男性健康志愿者，年齡范圍為21～35歲，平均年齡27.78±4.51歲，受試者均為右利手，經(jīng)過三級甲等醫(yī)院體檢證實身體健康；所有志愿者實驗前均簽署了知情同意書。其中4例志愿者中途退出本次實驗，最終有效數(shù)據(jù)為14名。

1.1.2 臥床試驗：采用-6°頭低腳高位臥床休息30天來模擬微重力實驗，受試者一切日?；顒泳?6°床上完成。

1.2 數(shù)據(jù)采集 所有受試者于模擬微重力實驗開始前一天和實驗結(jié)束當(dāng)日接受頭顱磁共振掃描。使用儀器為Siemens Verio 3.0T磁共振及32通道相控陣頭部線圈。受試者采取仰臥位平躺，同時采用海綿墊固定頭部減少運動偽影，靜息、閉目，掃描序列和參數(shù)如下：

表1 模擬微重力環(huán)境引起的志愿者的灌注增加腦區(qū)（組分析結(jié)果）n=14

表2 模擬微重力環(huán)境引起的志愿者的灌注減少腦區(qū)（組分析結(jié)果） n=14

圖1-3 中彩色區(qū)域分別代表左側(cè)后扣帶回、右側(cè)顳中回及右側(cè)島葉為發(fā)生灌注增加的區(qū)域。圖4中彩色區(qū)域代表左側(cè)顳上回發(fā)生灌注減少的區(qū)域。藍色十字線交叉點顯示為解剖定位，圖像右下方為色階，色階越高則代表該部位灌注增加或減少的越顯著。

(1)采用快速自旋回波序列(fast spin echo,FSE)采集常規(guī)軸位T 2 W I，用于排除顱內(nèi)其它疾病。掃描參數(shù)為：TR/TE=5000ms/96ms，F(xiàn) O V=192 m m×192 m m，M a t r i x=256×320，層厚/層間距=6 m m/1 m m,層數(shù)=14層，偏轉(zhuǎn)角=150°，分辨率=0.8mm×0.6mm×6mm，成像時間=1分27秒。

(2)采用矢狀位T 1加權(quán)磁化準(zhǔn)備快速梯度回波成像(magnetization prepared rapid acquisition gradient echo，MPRAGE)序列采集高分辨率解剖成像，掃描范圍覆蓋全腦。掃描參數(shù)：TR/TE=1900ms/2.19ms，F(xiàn)OV=250mm×250mm，Matrix=215×256，層厚/層間距=1mm/0 mm，層數(shù)=156層，偏轉(zhuǎn)角=9°，分辨率=1mm×1mm×1mm，成像時間=6分01秒。

(3)采用梯度回波(gradient echo，GRE)序列采集P A S L腦灌注圖像。掃描參數(shù)：TR/TE=2514ms/18ms F O V=192 m m×192 m m，Matrix=64×64，層厚/層間距=6mm/1.5mm，層數(shù)=14層，偏轉(zhuǎn)角=90°，分辨率=3mm×3mm×6mm，成像時間=4分20秒。每個志愿者采集101幀圖像，第一幀作為M0用于CBF計算，去除前兩對控制-標(biāo)記圖像，剩余96幀，即48對圖像用于計算。

1.3 數(shù)據(jù)后處理與統(tǒng)計分析使用在Matlab環(huán)境下運行的SPM8軟件包對高分辨率解剖成像及灌注成像MR數(shù)據(jù)進行離線后處理。對48對控制-標(biāo)記灌注圖像及M0進行頭動校正，消除圖像掃描過程中患者的呼吸、心臟搏動等輕微性運動對圖像的影響。把校正后的腦灌注圖像變換到Talairach坐標(biāo)，然后進行逐體素分析，得到每個體素的反應(yīng)曲線和F值，超過域值的F值用偽彩色顯示，最終疊加于平均三維結(jié)構(gòu)像上生成統(tǒng)計參數(shù)圖。

將實驗對象分為模擬微重力實驗前后兩組，計算不同區(qū)域的相對腦血流量(relative cerebral blood flow，rCBF)，并進行配對t檢驗。利用SPM8軟件進行基于體素的分析，選取p＜0.001作為兩組之間檢驗結(jié)果具有顯著性差異的標(biāo)準(zhǔn)，選取體素閾值為30，凡在閾值以上的腦區(qū)被認(rèn)為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

在經(jīng)歷30天模擬微重力實驗后，14名受試者的組分析結(jié)果顯示為兩側(cè)大腦半球為非對稱性灌注增加和減少，灌注增加的腦區(qū)為左側(cè)后扣帶回、右側(cè)島葉及右側(cè)顳中回(表1，圖1-3)，差異具有統(tǒng)計學(xué)顯著性(p＜0.001)。相連續(xù)體素數(shù)目增加最顯著的腦區(qū)是左側(cè)后扣帶回，其次是右側(cè)顳中回和右側(cè)島葉。同時我們也發(fā)現(xiàn)左側(cè)顳上回腦灌注顯著減少(表2，圖4)，差異具有統(tǒng)計學(xué)顯著性(p＜0.001)。

3 討 論

傳統(tǒng)腦灌注成像包括以正電子發(fā)射斷層攝影(positron emission tomography，PET)、單光子發(fā)射計算機斷層攝影(single photon emission computed tomography，SPECT)、CT灌注及MRI靜脈灌注成像，上述成像方法中均存在放射線或造影劑過敏反應(yīng)的危害性。ASL技術(shù)是利用動脈血中的水質(zhì)子作為內(nèi)源性示蹤劑且無創(chuàng)、不需要注射造影劑、無輻射的MR灌注成像技術(shù)。1994年將該項技術(shù)初步應(yīng)用于人腦灌注研究[2]。隨著醫(yī)療設(shè)備的不斷發(fā)展以及成像技術(shù)不斷提高，ASL技術(shù)在臨床及科研中得到廣泛應(yīng)用并能提供相應(yīng)的醫(yī)學(xué)價值，甚至從腦灌注擴展到全身其他臟器的灌注成像[3,4]。本次實驗采用的PASL方法是應(yīng)用一個選擇性的射頻脈沖，脈沖式的標(biāo)記成像層面近端的一個厚塊中的血液，經(jīng)過一段時間后使標(biāo)記的血與組織充分混合，然后成像，具有以下優(yōu)點[5]：PASL技術(shù)的射頻能量蓄積較小，在高場儀器上具有一定優(yōu)勢；組織磁化轉(zhuǎn)移對結(jié)果影響較小。

既往研究發(fā)現(xiàn)微重力環(huán)境會對身體的各個系統(tǒng)造成不同程度的影響，而腦灌注方面的研究結(jié)果不一致，腦灌注增加與降低報道皆有[6，7，9]，但多數(shù)文獻報道為腦血流量增加。筆者考慮出現(xiàn)這種研究結(jié)果不一致的原因可能有：(1)經(jīng)歷微重力/模擬微重力實驗的時間不同，中長期的實驗，腦循環(huán)經(jīng)過自我調(diào)節(jié)適應(yīng)了微重力環(huán)境，頸動脈血流量逐漸減少，可能會造成部分腦區(qū)血流量降低；(2)測量灌注變化的方法不同；(3)可能和模擬微重力環(huán)境采用的頭低位角度不同有關(guān)；(4)腦血流自身的不對稱性。

既往對模擬微重力環(huán)境下腦灌注的研究基本上是對全腦灌注的整體評估，無法探明發(fā)生腦灌注變化的具體腦區(qū)，本次實驗運用ASL技術(shù)發(fā)現(xiàn)了模擬微重力環(huán)境下發(fā)生灌注變化的腦區(qū)，灌注增加的腦區(qū)為左側(cè)后扣帶回、右側(cè)島葉及右側(cè)顳中回，以左側(cè)后扣帶回增加最顯著，灌注減少的腦區(qū)為左側(cè)顳上回。筆者考慮左側(cè)后扣帶回灌注增加最顯著可能與頭低位臥床，后扣帶回位于下后方的體位，血流的頭向及后方分布有關(guān)。本次實驗中兩側(cè)大腦半球顯示為非對稱性灌注增加，右側(cè)大腦半球腦灌注增加明顯，目前還無法證實這種不對稱性的變化是否和大腦半球優(yōu)勢相關(guān)。從全腦灌注的總體來看，模擬微重力環(huán)境下人腦灌注是增加的，這和以往多數(shù)研究者的文獻報道是一致的。

雖然ASL技術(shù)仍存在一些不足[8]，如ASL信噪比較低，磁化傳遞效應(yīng)，易受運動偽影影響等，但運用ASL技術(shù)發(fā)現(xiàn)了常規(guī)影像學(xué)檢查無法探明的模擬微重力環(huán)境下人腦灌注變化的腦區(qū)，盡管現(xiàn)在我們尚無法明確解釋僅僅是上述腦區(qū)發(fā)生灌注變化而不是全腦，但這種方法為我們今后的研究指明了方向，為航天醫(yī)學(xué)提供了新的依據(jù)，也進一步證明了ASL技術(shù)在臨床和科研應(yīng)用中的價值及可行性。

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