磁共振氧攝取分數(shù)成像在缺血性腦卒中的應用初探

郭林英， 張順， 石晶晶， 張水霞， 姚義好， 朱文珍

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·中樞神經(jīng)影像學·

磁共振氧攝取分數(shù)成像在缺血性腦卒中的應用初探

郭林英， 張順， 石晶晶， 張水霞， 姚義好， 朱文珍

目的：初步探討磁共振氧攝取分數(shù)(OEF)成像在缺血性腦卒中的應用價值。方法：本研究納入13例缺血性腦卒中患者，均行常規(guī)MRI序列(T1WI、T2WI、T2-FLAIR)、DWI、三維動脈自旋標記成像(3D-ASL)及OEF序列掃描，觀察腦梗死區(qū)域的氧攝取分數(shù)(OEF)、靜脈血容量百分數(shù)(vCBV)、可逆性橫向馳豫率(R2*)較對側(cè)正常鏡像區(qū)域的變化情況。結(jié)果：13例患者中，6例腦梗死區(qū)域OEF增加，其中4例vCBV、R2*增加，1例vCBV減低、R2'無明顯變化，1例vCBV、R2*信號均無明顯變化；7例腦梗死區(qū)域OEF減低，其中6例vCBV、R2*減低，1例vCBV增加、R2*無明顯變化。結(jié)論：MRI-OEF序列有望應用于評估缺血性腦卒中患者的血流動力學變化及組織細胞氧代謝狀態(tài)。

磁共振成像； 氧攝取分數(shù)成像； 缺血性腦卒中

缺血性腦卒中是一種常見的腦血管病，具有發(fā)病率、病死率、致殘率和復發(fā)率較高的特點。最常見的病因是動脈硬化性血管狹窄、急性血栓形成造成的局部腦血管閉塞。局部腦血管閉塞引起血流灌注壓下降，腦血流量(cerebral blood flow，CBF)減少，初期腦細胞通過增加氧攝取分數(shù)以代償供能，但超過代償極限后，細胞能量供應出現(xiàn)障礙，逐漸崩解死亡，最終失去攝氧能力。磁共振功能成像技術(shù)在缺血性腦卒中的早期診斷及指導溶栓治療中可發(fā)揮重要作用。

磁共振氧攝取分數(shù)(oxygen extraction fraction，OEF)成像是近年來發(fā)展起來的一項MRI新技術(shù)，可活體評價組織器官的血流動力學氧代謝情況。通過采用非對稱自旋回波(asymmetric spin-echo，ASE)快速平面回波成像(echo-planar imaging，EPI)技術(shù)[1-2]，基于腦組織細胞的代謝狀態(tài)，可無創(chuàng)性地定量獲得組織的OEF、靜脈血容量百分數(shù)(fractional cerebral venous blood volume，vCBV)、可逆性橫向馳豫率(reversible transverse relaxation rate，R2*)等參數(shù)[3-4]，從而可評價血流動力學相關(guān)參數(shù)在缺血性腦卒中的變化。與2D多回波自旋/梯度回波(multi-echo gradient echo/spin echo，GESSE)相比，ASE序列EPI技術(shù)具有掃描時間短、患者可耐受性好、可多層采集、運動偽影少等優(yōu)點[5]。本研究初步探討了磁共振氧攝取分數(shù)成像在缺血性腦卒中的臨床應用價值。

材料與方法

1.研究對象

2014年9月-2015年1月本院43例急性缺血性腦卒中患者中共13例患者符合本研究的納入標準，其中男8例，女5例，中位年齡55歲。病例納入標準：①符合腦梗死的相應臨床癥狀；②經(jīng)常規(guī)MRI平掃及隨后復查確診為腦梗死；③病變位于單側(cè)大腦半球。病例排除標準：①MRI圖像上運動偽影明顯；②腦干或小腦梗死；③有其它腦器質(zhì)性病變或腦外傷者。13例患者自出現(xiàn)臨床癥狀至MRI檢查的時間間隔為4 h～10 d，其中超急性期(<6 h)2例，急性期(6 h～3 d)6例，亞急性期(3～14 d)5例。所有研究對象簽署了知情同意書。

2.MRI檢查方法

使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振掃描儀，32通道頭線圈。MRI掃描序列及參數(shù)如下。T1WI：TR 2992 ms，TE 23.4 ms，TI 869.0 ms，視野24 cm×18 cm，矩陣320×320，激勵次數(shù)1；T2WI：TR 4599.0 ms，TE 105.3 ms，視野24 cm×18 cm，矩陣320×224，激勵次數(shù)2；T2-FLAIR：TR 8000.0 ms，TE 164.4 ms，TI 2100.0 ms，視野24 cm×24 cm，矩陣256×256，激勵次數(shù)1；DWI：EPI序列，TR 3000 ms，TE 65.5 ms，視野24 cm×24 cm，矩陣160×160，激勵次數(shù)4，b=0、1000 s/mm2；3D-動脈自旋標記成像：TR 4787.0 ms，TE 14.6 ms，視野24 cm×24 cm，分辨率1024×8，激勵次數(shù)3，標記后延遲時間1525 ms；OEF成像：EPI序列，ASE脈沖，TR 4000 ms，TE 77.6 ms，視野24.0 cm×24.0 cm，矩陣128×128，激勵次數(shù)2，掃描時間3 min 16 s。2例行T1WI、T2WI、3D-ASL復查，其中1例加掃TOF-MRA，1例加掃OEF檢查。

3.磁共振OEF成像的理論基礎及評價參數(shù)

OEF可以用公式表示為：

(1)

其中CaO2(arterial oxygen content)代表動脈血氧含量，CvO2(venous oxygen content)代表靜脈血氧含量，在正常的生理條件下，可以將動脈血氧含量看作全飽和狀態(tài)，即CaO2為100%，則OEF=1-CvO2。因此，可將腦組織中毛細血管和靜脈內(nèi)脫氧血紅蛋白的含量作為OEF的特征性標記物。

R2*可通過R2*= R2*-R2獲得。其中R2*為總橫向馳豫率，R2*=1/T2*；R2為不可逆性橫向馳豫率，R2=1/T2，R2與脫氧血紅蛋白含量成正比[3]，主要反映因磁場不均勻性引起的信號丟失。

vCBV實際為磁敏感性物質(zhì)所占的百分比，其主要由脫氧血紅蛋白的含量決定，如果假定動脈血氧完全飽和，則脫氧血紅蛋白主要位于腦組織內(nèi)的靜脈血管及毛細血管網(wǎng)中，故而可以反映含有脫氧血紅蛋白的靜脈血管及毛細血管網(wǎng)的百分比。

生理狀態(tài)下腦組織的局部氧代謝率(regional cerebral metabolic rate for oxygen，rCMRO2)維持在一定的穩(wěn)定水平，計算公式為[6]：

rCMRO2=rCBF×rOEF

(2)

4.圖像處理與分析

將所有原始圖像傳輸至GE ADW4.5工作站。采用Functool軟件處理獲得CBF偽彩圖及OEF、vCBV和R2*參數(shù)圖。對比分析患側(cè)與健側(cè)的OEF、vCBV、R2*值 。

結(jié) 果

DWI檢查顯示13例患者的腦組織內(nèi)均有大小不等的高信號病變。13例患者的各項參數(shù)變化情況見表1。與對側(cè)比較 ，病灶的CBF值均降低；6例病灶的OEF增加，其中4例vCBV、R2*增加， 1例vCBV減低、R2*無明顯變化，1例vCBV、R2*均無明顯變化；7例病灶的OEF減低，其中6例vCBV、R2*減低，1例vCBV增加、R2*無明顯變化。13例患者病灶側(cè)DWI高信號區(qū)ASL-CBF減低。

1例超急性期患者出現(xiàn)癥狀后4 h的MRI檢查結(jié)果顯示DWI高信號區(qū)的CBF減低、OEF增加、vCBV增加、R2*增加；經(jīng)溶栓、抗血小板聚集等治療后3個月行MRI復查，T2-FLAIR圖像顯示腦組織內(nèi)未見明顯異常信號(圖1)。1例急性期患者出現(xiàn)癥狀后32 h的MRI檢查結(jié)果顯示，DWI高信號區(qū)的CBF減低、OEF增加、vCBV增加、R2*增加；5 d后復查示DWI高信號區(qū)中心區(qū)域的OEF減低、vCBV減低、R2*減低(圖2)。

表1 所有患者病變區(qū)各參數(shù)的變化情況

注：出現(xiàn)癥狀至MRI檢查的時間間隔；↑表示病灶區(qū)的參數(shù)值較對側(cè)相應正常區(qū)域增加，↓表示病灶區(qū)參數(shù)值較對側(cè)相應正常區(qū)域減低，─ 表示病灶區(qū)參數(shù)值與對側(cè)相應正常區(qū)域無明顯差異。

討 論

在腦缺血事件中，腦血流動力學及代謝改變處于動態(tài)變化中。顱內(nèi)血管閉塞等導致動脈灌注壓降低時，主要有兩種代償反應：血管自動調(diào)節(jié)和增加氧攝取分數(shù)。最初，機體通過舒張血管、降低循環(huán)阻力、增加血容量來維持一定的腦血流量，同時rCMRO2相應的輕度減低以適應血流量的減少[7]；當灌注壓進一步降低時，腦血流量明顯減少，其減少的幅度遠高于機體適應性rCMRO2減少，當血管塌陷、血管舒張調(diào)節(jié)機制受損，血容量明顯減低，機體僅依靠增加氧攝取分數(shù)來滿足正常的氧代謝需求，此時，磁共振氧攝取分數(shù)成像可探測到這種變化，表現(xiàn)為OEF圖上信號增加，因局部代謝產(chǎn)生相對較多的脫氧血紅蛋白，vCBV和R2*值輕度升高；當灌注壓嚴重降低、氧攝取分數(shù)達到極限(即100%)仍不足以維持代謝需求時，局部rCMRO2明顯減少直至零，能量供應不足，鈉鉀泵功能障礙，細胞內(nèi)鈉水潴留，細胞水腫崩解，結(jié)構(gòu)完整性破壞，失去攝氧能力，發(fā)生不可逆性損傷，與此同時，血管舒張調(diào)節(jié)能力亦逐漸減低至消失，血容量降至零[8-10]，磁共振氧攝取分數(shù)成像表現(xiàn)為病灶的OEF值明顯減小，因血流和代謝停止、局部脫氧血紅蛋白減少，vCBV和R2*值減小。

圖1 男，47歲，突發(fā)言語不清4h入院，MRI檢查示左側(cè)頂葉腦梗死。a) DWI示左頂葉有條片狀高信號區(qū)(箭)； b) ASL-CBF偽彩圖顯示左側(cè)頂葉病灶的CBF值(長箭)較對側(cè)減低，其前部額頂交界處見匍匐狀高信號區(qū) (短箭)，提示為側(cè)支循環(huán)血管開放； c) OEF圖像顯示左側(cè)頂葉病灶的OEF值較對側(cè)增高(長箭)，其前部額頂交界處可見一片狀OEF值減低區(qū)(短箭)，提示為側(cè)支循環(huán)的代償灌注； d) vCBV圖像顯示左側(cè)頂葉病灶的vCBV值較對側(cè)增高，其前部額頂交界處可見一片狀vCBV值增高區(qū)； e) R2*偽彩圖顯示左頂葉病灶的R2*值較對側(cè)增高(長箭)，其前部額頂交界處可見一片狀R2*值增高區(qū)(短箭)； f) 3個月后復查T2-FLAIR，顯示原病灶區(qū)未見明顯異常信號。

Grubb等[9]將腦缺血事件中血流動力學變化的演變過程分為3期。0期：血流灌注壓力正常，血流量與組織代謝需求平衡；Ⅰ期：血管舒張減小血流阻力來維持一定的血流量，即血管自我調(diào)節(jié)機制，此期血容量增加；Ⅱ期：灌注壓力嚴重減低，超出血管舒張的自我調(diào)節(jié)機制，血流量明顯減低，細胞通過增加氧攝取分數(shù)維持氧代謝和腦功能。有研究者將II期稱為貧困灌注期(misery perfusion)[11]，以低血流量及高氧攝取分數(shù)為特點，磁共振氧攝取分數(shù)成像顯示缺血灶信號增加。本研究中6例患者顯示病灶的OEF增加，處于貧困灌注期，此時細胞結(jié)構(gòu)的完整性存在，積極有效地改善血流可使其恢復。

圖； f) 復查DWI； g) 復查ASL-CBF圖； h) 復查OEF圖； i) 復查vCBV圖； j) 復查R2*圖。

圖2 男，66歲，突發(fā)右側(cè)肢體無力失語32小時入院。a～e) 入院時MRI：DWI示左側(cè)額頂顳葉、基底節(jié)區(qū)可見楔形異常高信號區(qū)，ASL-CBF圖示病灶的CBF較對側(cè)明顯減低，OEF、vCBV、R2*圖示病灶OEF、vCBV、R2*值較對側(cè)增高； f～j) 治療5d后復查MRI：DWI示病灶范圍較前略擴大，病灶的CBF較前增高、但仍低于對側(cè)，OEF、vCBV、R2*圖示左側(cè)擴散受限區(qū)域的中心部位可見OEF、vCBV、R2*值較對側(cè)減低(短箭)，但其周圍的OEF、vCBF和R2*較對側(cè)增高(長箭)。a) DWI； b) ASL-CBF圖； c) OEF圖； d) vCBV圖； e) R2*

整體觀察13例患者可發(fā)現(xiàn)，隨腦卒中出現(xiàn)臨床癥狀至進行檢查的時間間隔的增加，病灶在OEF圖像上呈現(xiàn)信號增高轉(zhuǎn)為減低的趨勢。本組2例患者分別于出現(xiàn)癥狀后4和32 h首次行MRI檢查，ASL-CBF圖顯示缺血區(qū)的血流量減少，OEF成像顯示缺血區(qū)信號增高；其中1例患者于出現(xiàn)癥狀5 d后進行復查，顯示缺血灶的血流量仍未恢復，血流量持續(xù)減低使缺血灶(DWI高信號區(qū))中心部位的OEF發(fā)生變化，由32 h時的增加轉(zhuǎn)為減低，發(fā)展為梗死核心區(qū)，這一現(xiàn)象與腦缺血事件未受干預時的血流動力學及細胞代謝狀態(tài)一致。而2號患者及時進行溶栓治療后，低血流灌注得到改善，左頂葉DWI高信號區(qū)于3月后行T2-FLAIR復查時已基本恢復。另外1例患者出現(xiàn)腦卒中癥狀5 d后OEF成像顯示缺血灶的OEF增加，似乎不符合隨時間增加OEF逐漸減低的趨勢。但Baron等[11]在對腦卒中患者進行PET的研究中發(fā)現(xiàn)，腦卒中癥狀發(fā)生后9、12、24 h和3～4 d后分別在100%、83%、57%和35%～45%的患者中發(fā)現(xiàn)貧困灌注現(xiàn)象。隨腦卒中癥狀發(fā)生后時間的延長，存在貧困灌注區(qū)的患者雖逐漸減少，但仍可見于少數(shù)患者中。因此，提示本組中1例患者在腦卒中癥狀發(fā)生5 d后仍顯示缺血灶的OEF值增加，可能為少數(shù)貧困灌注現(xiàn)象仍未消失的原因。

依據(jù)缺血的嚴重程度和對治療的反應，可將腦卒中缺血區(qū)分為中心壞死區(qū)、缺血半暗帶及良性低灌注區(qū)[12]。Pappat等[13]在大腦中動脈閉塞的狒狒模型中證實氧攝取分數(shù)增加區(qū)首先發(fā)生于中心部位，然后隨時間進展逐漸向外發(fā)展。3 h后梗死中心區(qū)或深部大腦中動脈供血區(qū)的rCMRO2降低，而在外周皮質(zhì)區(qū)rCMRO2僅輕度減低，細胞未發(fā)生崩解死亡。這種rCMRO2由中心向周圍逐漸減低的現(xiàn)象稱為動態(tài)半暗帶現(xiàn)象[14]。本研究中3號患者(表1)磁共振復查時有類似表現(xiàn)：低血流灌注持續(xù)存在，其OEF減低區(qū)首先發(fā)生于DWI高信號區(qū)的中心部位，此時細胞結(jié)構(gòu)完整性破壞，發(fā)生不可逆性損傷，攝氧能力受損，于OEF圖上顯示信號減低。而周邊部位細胞OEF尚未明顯減低。但可預測若嚴重低血流灌注狀態(tài)持續(xù)而無法得到改善時，OEF減低區(qū)范圍將由中心向周圍逐漸擴大，rCMRO2由中心至周圍逐漸減低，出現(xiàn)動態(tài)半暗帶現(xiàn)象。

另外，本研究中2號患者左側(cè)額頂交界處OEF值減低，而CBF值增加，依據(jù)rCMRO2=rCBF×rOEF，可能因側(cè)支循環(huán)使局部血流供應增加，OEF相對減低，但其CMRO2仍維持在一定的穩(wěn)定水平。

腦缺血事件發(fā)生后，若血流灌注持續(xù)減低，ASL-CBF持續(xù)下降，組織細胞代償性增加OEF，發(fā)展為可逆性損傷區(qū)，即缺血半暗帶(ischemic penumbra，IP)，此時細胞代謝障礙但結(jié)構(gòu)完整性存在，隨后可有兩種演變趨勢，如及時進行溶栓治療等使局部出現(xiàn)血流再灌注，細胞可恢復功能；若持續(xù)缺血，細胞結(jié)構(gòu)完整性被破壞，將發(fā)生不可逆性損傷。采用PWI-DWI模型評估缺血半暗帶已得到一定的認可，但仍存在不足。DWI顯示的擴散受限區(qū)域，細胞不一定發(fā)生不可逆性損傷，如給予及時的血流灌注，部分細胞可恢復正常，由此可推斷DWI顯示的擴散受限區(qū)域不能很好地代表梗死核心區(qū)。磁共振OEF成像是基于細胞代謝水平的成像方法，可獲得細胞的代謝信息，能很好地反映血流灌注改變時細胞結(jié)構(gòu)的完整性，對細胞的可逆性狀態(tài)進行評估，有望更加準確地鑒別梗死核心區(qū)和缺血半暗帶。

需要指出的是，本研究中未發(fā)現(xiàn)vCBV和R2*在缺血性腦卒中事件發(fā)生后的動態(tài)演變規(guī)律，可能為樣本量有限所致，未來需要進一步擴大樣本量進行更深入細致地研究。

總之，磁共振OEF成像作為一種無創(chuàng)性技術(shù)，可以定量測量細胞氧攝取分數(shù)、靜脈血容量百分數(shù)、可逆性橫向馳豫率，打破了常規(guī)MRI僅僅依據(jù)形態(tài)學及血流灌注評估腦卒中的限制。OEF成像從代謝方面反映了缺血區(qū)血流及細胞狀態(tài)的改變，有望更加準確地區(qū)分梗死核心區(qū)、缺血半暗帶和良性低灌注區(qū)，動態(tài)監(jiān)測DWI高信號區(qū)的演變，有利于指導臨床選擇正確的溶栓治療時間及治療方案，在缺血性腦血管病中有重要的應用價值，可作為常規(guī)序列應用于臨床工作中。

[1] Stables LA,Kennan RP,Gore JC.Asymmetric spin-echo imaging of magnetically inhomogeneous systems: theory,experiment, and numerical studies[J].Magn Reson Med,1998,40(3):432-442.

[2] Houston GC,Papadakis NG,Carpenter TA,et al.Mapping of the cerebral response to hypoxia measured using graded asymmetric spin echo EPI[J].Magn Reson Imaging,2000,18(9):1043-1054.

[3] An H,Lin W.Impact of intravascular signal on quantitative mea-sures of cerebral oxygen extraction and blood volume under normo- and hypercapnic conditions using an asymmetric spin echo approach[J].Magn Reson Med,2003,50(4):708-716.

[4] 張敬，陳英敏，張云亭.猴可復性大腦中動脈閉塞模型腦缺血半暗帶的血氧水平依賴效應[J].中華放射學雜志,2010,44(1):90-95.

[5] Wang Z,Xiao J,Xie S,et al.MR evaluation of cerebral oxygen metabolism and blood flow in stroke-like episodes of MELAS[J].J Neurol l Sci,2012,323(1-2):173-177.

[6] An H,Lin W.Quantitative measurements of cerebral blood oxygen saturation using magnetic resonance imaging[Z].2000,20(8):1225-1236.

[7] Powers WJ,Grubb RJ,Raichle ME.Physiological responses to focal cerebral ischemia in humans[J].Ann Neurol,1984,16(5):546-552.

[8] Derdeyn CP,Videen TO,Yundt KD,et al.Variability of cerebral blood volume and oxygen extraction:stages of cerebral haemodynamic impairment revisited[J].Brain,2002,125(3):595-607.

[9] Grubb RJ,Derdeyn CP,Fritsch SM,et al.Importance of hemodynamic factors in the prognosis of symptomatic carotid occlusion[J].JAMA,1998,280(12):1055-1060.

[10] Powers WJ.Cerebral hemodynamics in ischemic cerebrovascular disease[J].Ann Neurol,1991,29(3):231-240.

[11] Baron JC,Bousser MG,Rey A,et al.Reversal of focal "misery-perfusion syndrome" by extra-intracranial arterial bypass in hemodynamic cerebral ischemia:a case study with positron emission tomography[J].Stroke,1981,12(4):454-459.

[12] An H,Ford AL,Vo KD,et al.Imaging oxygen metabolism in acute stroke using MRI[J].Curr Radiol Rep,2014,2(3):39.DOI:10.1007/S40134-013-0039-3.

[13] Pappata S,Fiorelli M,Rommel T,et al.PET Study of changes in local brain hemodynamics and oxygen metabolism after unilateral middle cerebral artery occlusion in Baboons[J].J Cerebr Blood Flow Metabol,1993,13(3):416-424.

[14] Heiss WD,Graf R,Wienhard K,et al.Dynamic penumbra demonstrated by sequential multitracer PET after middle cerebral artery occlusion in cats[J].J Cerebr Blood Flow Metabol,1994,14(6):892-902.

The preliminary application of oxygen extraction fraction imaging in ischemic stroke:a 3T MRI study

GUO Lin-ying,ZHANG Shun,SHI Jing-jing,et al.

Department of Radiology,Tongji Hospital,Tongji Medical College,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430030,P.R.China

Objective:To estimate the feasibility and application value of magnetic resonance oxygen extraction fraction imaging (MRI-OEF) in ischemic stroke.Methods:Thirteen patients with ischemic stroke were enrolled in this study.All subjects underwent DWI,3D-ASL,OEF,and routine magnetic resonance imaging (T1WI、T2WI、T2FLAIR) scanning.The differences between ischemic region and the contralateral normal area in OEF、vCBV、R2*maps were observed.Results:Six of the thirteen patients showed high signal on OEF maps,four of the six demonstrated high signal on both vCBV and R2*maps,one demonstrated low signal on vCBV maps and normal on R2*maps,one looked normal in both vCBV and R2*maps.Another seven patients showed low signal on OEF maps,of which six showed low signal on both vCBV and R2*maps,the other one demonstrated high signal on vCBV maps and normal on R2*maps.Conclusion:MRI-OEF could be an additional method in evaluating the hemodynamic changes and assessing aerobic metabolism of cells in cerebral ischemic tissue,also it might have a great potential application in ischemic stroke.

Magnetic resonance imaging； Oxygen extraction fraction； Ischemic stroke

430030 武漢，華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬同濟醫(yī)院放射科

郭林英(1991-)，女，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事中樞神經(jīng)系統(tǒng)影像學研究工作。

朱文珍，E-mail：zhuwenzhen@hotmail.com

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAI08B10)；國家自然科學基金項目(81171308、81401389)

R445.2； R743.3

A

1000-0313(2015)08-0817-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2015.08.004

2015-04-21

2015-06-01)