腦氧代謝的影像學(xué)測(cè)定方法研究

雷少暉 張永海

摘 ? 要：隨著年齡的不斷增長(zhǎng)，腦血管疾病的發(fā)生率越來(lái)越高，對(duì)于腦血管疾病的血運(yùn)動(dòng)力學(xué)的研究越來(lái)越重要，能更好的認(rèn)識(shí)腦血管疾病，從而能更早的發(fā)現(xiàn)、治療及預(yù)防腦血管疾病。判斷血液動(dòng)力學(xué)的參數(shù)有腦血流量﹑灌注壓、顱內(nèi)壓、氧攝取率、腦脊液和腦氧代謝率，正常狀態(tài)下腦攝取與腦利用之間處于動(dòng)態(tài)的平衡，當(dāng)出現(xiàn)腦血管疾病時(shí)各參數(shù)之間將會(huì)出現(xiàn)變化，對(duì)于參數(shù)的研究能敏感的反應(yīng)腦氧代謝的差異，從而更好的指導(dǎo)臨床，更早的對(duì)疾病進(jìn)行治療，延緩惡化，同時(shí)為臨床科研項(xiàng)目提供更加重要的線索。

關(guān)鍵詞：腦血流量;氧攝取率;腦氧代謝率;磁共振成像;動(dòng)脈自旋標(biāo)記

中圖分類號(hào)：R774 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.05.015

文章編號(hào)：1006-1959（2018）05-0038-04

Imaging Study of Brain Oxygen Metabolism

LEI Shao-hui1，2，ZHANG Yong-hai2

（1.Qinghai University，Xining 810000，Qinghai，China;

2.Qinghai Provincial People's Hospital，Xining 810000，Qinghai，China）

Abstract：With the increasing of age，the incidence of cerebrovascular diseases is increasing.It is more and more important to study the blood dynamics of cerebrovascular diseases，which can better understand cerebrovascular diseases，so that we can discover，treat and prevent cerebrovascular diseases earlier.The hemodynamic parameters of cerebral hemodynamics include cerebral blood flow， perfusion pressure，intracranial pressure，oxygen uptake rate，cerebrospinal fluid，and cerebral oxygen metabolism rate.Under normal conditions，there is a dynamic balance between brain uptake and brain utilization.When cerebrovascular disease occurs changes will occur between the parameters.The study of parameters can be sensitive to the differences in cerebral oxygen metabolism，so as to better guide the clinical，early treatment of the disease，delay deterioration，and provide more important clinical research projects clue.

Key words：Cerebral blood flow;Oxygen uptake rate;Cerebral oxygen metabolism rate;Magnetic resonance imaging;Arterial spin labeling

不同人群、不同年齡、不同性別間的腦氧代謝的情況有所差別，它可能是由于腦血管粗細(xì)程度、血紅蛋白運(yùn)轉(zhuǎn)速度的快慢、神經(jīng)纖維的電沖動(dòng)的活躍情況有關(guān)，對(duì)于腦氧代謝的研究有助于了解不同人們之間的腦血流、氧攝取分?jǐn)?shù)之間的差別，從而讓我們可以從更細(xì)微的角度對(duì)腦氧代謝的變化進(jìn)行分析。因此對(duì)于腦氧代謝的精確測(cè)量就成為目前研究的熱門，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，腦氧代謝的測(cè)量方法也在不斷發(fā)生著變化，從有創(chuàng)到無(wú)創(chuàng)，從有輻射到無(wú)輻射，從需要對(duì)比劑到無(wú)需對(duì)比劑，方法在不斷的更新?lián)Q代，通過(guò)對(duì)不同測(cè)量計(jì)算方法的介紹，給讀者一清晰明了的認(rèn)識(shí)，希望有讀者能受啟發(fā)，在此基礎(chǔ)上會(huì)有更好的方法的創(chuàng)新，能盡快實(shí)現(xiàn)腦血管疾病的早發(fā)現(xiàn)、早治療，提高患者的預(yù)后。

1 概述

年齡的增長(zhǎng)使得血液動(dòng)力學(xué)發(fā)生改變，使得血液粘稠比、粘滯性、聚集性增高，使得血紅蛋白含氧量減低，對(duì)于多個(gè)身體臟器造成不良影響，其中大腦雖然只占體重的2%，但它接受15%的心輸出量，消耗20%的心輸出量，從而可以看出腦組織需氧、耗氧量最大，也就意味著腦組織對(duì)缺氧耐受力最差。一旦出現(xiàn)氧供不夠，將會(huì)出現(xiàn)功能性損傷，使得腦血管纖顫、收縮，持續(xù)如此腦內(nèi)將出現(xiàn)缺血灶、梗死灶，甚至更加嚴(yán)重的癥狀[1，2]。因此腦氧能量的測(cè)定對(duì)于早期高原病的預(yù)防具有至關(guān)重要的作用。人類腦組織的氧攝取與氧代謝的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定取決于腦血流量（CBF）的多少﹑氧攝取率（OEF）的比值及腦氧代謝率（CMRO2）[3]。首先腦血流（CBF）代表血流的速度，它與腦灌注壓成正比，與腦代謝需求相匹配。腦血流是根據(jù)腦循環(huán)的結(jié)構(gòu)性和自適應(yīng)性通過(guò)腦血流自動(dòng)調(diào)節(jié)（cerebral autoregulation，CA）來(lái)完成[4]。其次氧攝取率（OEF） 指血液流經(jīng)毛細(xì)血管床后被組織攝取氧的百分比，血液循環(huán)中的分子氧主要與紅細(xì)胞中的血紅蛋白結(jié)合，溶解于血漿中的氧分子很少，可忽略，進(jìn)入氧組織的氧，不能進(jìn)行儲(chǔ)存，只能進(jìn)行腦氧代謝，生成水。最后腦氧代謝率（CMRO2）表示機(jī)體腦組織的有氧代謝活動(dòng)，是衡量腦組織的氧代謝利用狀況的一個(gè)綜合性指標(biāo)。三者之間的關(guān)系為：CMRO2 = CBF×OEF，即腦氧代謝率為腦血流與氧攝取率的乘積。隨著CT和MRI的廣泛應(yīng)用，用影像手段發(fā)現(xiàn)不同民族間腦氧代謝率的不同，對(duì)研究不同民族急性腦梗死疾病的發(fā)展過(guò)程、腦出血的預(yù)測(cè)以及各種內(nèi)外科治療效果的差異進(jìn)行判定有著非常重要的意義，可以更早的發(fā)現(xiàn)腦循環(huán)的失衡，盡早幫助臨床進(jìn)行干預(yù)治療，從而預(yù)防腦出血梗死的發(fā)生。

2 影像學(xué)研究進(jìn)展

測(cè)定腦氧代謝的方法有很多，從應(yīng)用PET-CT到進(jìn)一步的研究方法單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)體層攝影（SPECT）到CT方面的CT 灌注成像（CTP）技術(shù)及最新、最熱的MR灌注技術(shù)[5]。

2.1 PET ?使用超短半衰期的具有放射性的核素對(duì)人體內(nèi)的基礎(chǔ)元素進(jìn)行標(biāo)記，從而作為示蹤劑，從分子水平定量分析腦組織血流灌注、氧攝取分?jǐn)?shù)、腦氧血紅蛋白和氨基酸的代謝率等功能信息[6]?？梢苑磻?yīng)腦組織的各種生理變化過(guò)程。常用的示蹤劑有13N-氨水、15O-H2O等。崔璨等[7]認(rèn)為，PET是測(cè)量腦血流量的重要方法，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行準(zhǔn)確的定量測(cè)定。當(dāng)對(duì)比劑注入人體內(nèi)時(shí)，能增強(qiáng)靶器官與周圍組織之間的差別，使所需測(cè)定的數(shù)據(jù)更加簡(jiǎn)單、快捷，而且對(duì)比劑的半衰期較短，能很快的完成顯影及代謝。但PET對(duì)環(huán)境要求較高，價(jià)位偏高，同時(shí)需要具有放射性的顯像劑等問(wèn)題，在臨床及科研中的應(yīng)用受到限制。

2.2 SPECT ?功能性腦顯像[8]，是使用不同類型的離子示蹤劑進(jìn)入腦組織后，在腦內(nèi)不同部位集聚量的不同，從而了解局部血流情況，然后使用SPECT對(duì)血流分布進(jìn)行掃描，采集不同層面的圖像，對(duì)所采集的圖像進(jìn)行影像學(xué)分析，得到具體的腦組織血量灌注情況。I-安非他明（123I-IMP）為最常用的示蹤劑，能精確測(cè)定rCBF，但由于需要加速器生產(chǎn)，價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)很少使用，而其空間分辨率不及PET。

2.3 CTP ?它是基于CT的影像學(xué)技術(shù)，簡(jiǎn)單易行。進(jìn)行對(duì)比劑注射后所感興趣區(qū)域的CT掃描，從而獲得所感興趣區(qū)域的參數(shù)[9]，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為注射對(duì)比劑后增加的CT值，根據(jù)時(shí)間-密度曲線計(jì)算CBV、對(duì)比劑峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間（TTP）、對(duì)比劑平均通過(guò)需要的時(shí)間（MTT）的數(shù)據(jù)。腦血流的自我調(diào)節(jié)由CBV及對(duì)比劑平均通過(guò)時(shí)間決定，對(duì)比劑的平均通過(guò)時(shí)間相比而言更重要一些。CBF是CBV與MTT的比值，以評(píng)價(jià)腦血流灌注情況[10]。因此CBV與MTT是測(cè)定腦血流灌注的重要數(shù)據(jù)。CTP對(duì)腦血流的測(cè)定所需時(shí)間短，而且圖像的后處理相比而言更加的簡(jiǎn)捷，所獲得參數(shù)也比較全面，CTP檢查所需的費(fèi)用較低[11]。另外多層螺旋CT的廣泛應(yīng)用，使CTP成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

2.4 MR ?血液動(dòng)力學(xué)是維持機(jī)體穩(wěn)定的重要因素，大腦皮層的活躍性需要腦血流的維持，腦血流量的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的，磁共振灌注成像（MR perfusion weighted imaging，MR-PWI）可以準(zhǔn)確的分析大腦血流量的分布情況，提供敏感的大腦血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)[12，13]。隨著技術(shù)的發(fā)展，MR的可操作性越來(lái)越強(qiáng)，可重復(fù)性也越來(lái)越好，外加沒(méi)有放射性，使得對(duì)于腦氧代謝的研究更加容易進(jìn)行，但其在技術(shù)方面需要更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尼槍?duì)性成為制約研究的一大因素。目前 MR-PWI僅應(yīng)用于腦、肝臟、腎及前列腺等臟器的血流灌注評(píng)價(jià)。

2.4.1 BOLD技術(shù) ?血氧依賴功能磁共振成像技術(shù)（BOLD-fMRI）[14]始于上世紀(jì)90年代被提出，脫氧血紅蛋白含量的改變引起Ta或Ta*信號(hào)的改變是BOLD技術(shù)的基礎(chǔ)，根據(jù)其可分為正性BOLD及負(fù)性BOLD效應(yīng)，當(dāng)神經(jīng)元細(xì)胞活動(dòng)時(shí)，脫氧血紅蛋白與氧合血紅蛋白的動(dòng)態(tài)改變，使得血流量隨之發(fā)生變化。當(dāng)血流量增加，脫氧血紅蛋白與氧合血紅蛋白的比值降低，氧供大于氧利用，則為正性BOLD效應(yīng);由于氧血流量下降，氧供給減少，神經(jīng)元細(xì)胞活躍性降低，代償性提高氧利用率，使得脫氧血紅蛋白與氧合血紅蛋白的比值升高，則為負(fù)性BOLD效應(yīng)。通過(guò)功能磁共振成像技術(shù)可以采集到腦組織的信號(hào)強(qiáng)度變化，從而得到腦區(qū)的的血流量圖像，后處理得到腦氧代謝率的不同。其具有安全無(wú)創(chuàng)、可耐受、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)[15]。BOLD 效應(yīng)是依賴于生理參數(shù)腦血流（CBF）、氧攝取率（OEF）、腦血流量（CBV）和腦氧代謝率（CMRO2）的一個(gè)綜合效應(yīng)，因此BOLD可以敏感的反映OEF、CMRO2的變化。

2.4.2 ASL技術(shù) ?利用動(dòng)脈血內(nèi)被磁性標(biāo)記的水質(zhì)子流入成像層面與相應(yīng)組織進(jìn)行交換產(chǎn)生的信號(hào)差異進(jìn)行成像，采集兩次不同數(shù)據(jù)，生成一對(duì)標(biāo)記像及對(duì)照像，標(biāo)記像與對(duì)照像中的靜態(tài)組織信號(hào)無(wú)差別，差別在于流入的血流有無(wú)被反轉(zhuǎn)。所謂標(biāo)記過(guò)程是將反轉(zhuǎn)脈沖施加于頸部進(jìn)行標(biāo)記，被標(biāo)記的流入動(dòng)脈血液中水分子反轉(zhuǎn)180°，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間血液流入目標(biāo)層面，由于被標(biāo)記的血液與未被標(biāo)記的血液信號(hào)之間存在差別，對(duì)圖像進(jìn)行后處理可得到腦血流量（cerebral blood flow，CBF）的區(qū)域?qū)Ρ葓D像[16]，該圖像同樣可以顯示血流動(dòng)力學(xué)的變化，對(duì)圖像參數(shù)進(jìn)行分析，了解腦氧代謝率的變化。ASL技術(shù)隨著時(shí)間的發(fā)展，出現(xiàn)了連續(xù)式動(dòng)脈自旋標(biāo)記（CASL）[17]，隨著對(duì)動(dòng)脈血研究的深入及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，隨之出現(xiàn)了與CASL不同的方法，即脈沖式動(dòng)脈自旋標(biāo)記（PASL）。連續(xù)式動(dòng)脈自旋標(biāo)記需要額外的硬件設(shè)備發(fā)射連續(xù)式射頻脈沖，在常規(guī)機(jī)器上無(wú)法使用，而且容易導(dǎo)致能量聚集，使得SAR值較高，所以CASL的使用有一定的局限性;PASL 技術(shù)使用非選擇性反轉(zhuǎn)脈沖進(jìn)行全腦標(biāo)記，采集對(duì)照像是僅在成像層面選擇性的施加脈沖，因此其標(biāo)記效能高，可達(dá)95%。但是其仍有局限性，比如標(biāo)記溶劑不能過(guò)厚也不能太薄，否則采集對(duì)照像是可能激勵(lì)到靜脈血液，導(dǎo)致定量錯(cuò)誤。綜合了CASL高信噪比以及PASL高標(biāo)記效能的優(yōu)點(diǎn)，使用一連串不連續(xù)的小的射頻，并在射頻發(fā)射期間施加梯度波來(lái)模擬CASL的連續(xù)脈沖方法稱為偽連續(xù)式動(dòng)脈自旋標(biāo)記技術(shù)（pulsed continuous ASL methods，pCASL）[18]。pCASL具有射頻能量沉積少，無(wú)需額外硬件設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)[19]，此外PASL具有良好的可重復(fù)性[20]。

3 總結(jié)

腦氧代謝（CMRO2）的不同將會(huì)影響到臨床根據(jù)不同情況進(jìn)行治療的方案，因此測(cè)定腦氧代謝的差異是更好的進(jìn)行臨床的重要基礎(chǔ)。隨著多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)快速發(fā)展，PET、SPECT以及氙CT（Xe-CT）等檢查將組織結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的功能及代謝情況進(jìn)行統(tǒng)一分析，使得圖像更清晰，相應(yīng)層面空間分辨率更高，但由于信噪比低、灌注效果不均、價(jià)格昂貴、安全性以及適用范圍窄等原因并未廣泛用于腦氧代謝的測(cè)定。磁共振檢查對(duì)軟組織有良好的分辨力、無(wú)電離輻射危害，而廣受臨床青睞。多種序列的出現(xiàn)對(duì)于腦氧代謝率的測(cè)定也發(fā)揮著很重要的作用。BOLD、GESSE序列的研究有利于更精準(zhǔn)的測(cè)定氧攝取率（OEF），為更好的研究氧代謝（CMRO2）提供了有力的支持，3D 動(dòng)脈自旋標(biāo)記（3D-ASL）作為一種新型的灌注成像技術(shù)，由于它集合了磁共振的無(wú)放射性、安全、高效及其自身的高信噪比、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，對(duì)腦血流量的變化具有高度敏感性，使得對(duì)腦氧代謝的研究更加的深入。

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