7.0T MR下純氧吸入后大鼠腦灰、白質弛豫值與腦血流變化

高 欣，湯偉軍，王 霞，劉士遠，陶曉峰

研究表明氧過多狀態可使血液、肺、骨骼肌、腦脊液和腦等組織的T1弛豫值縮短[1-7]。因為氧過多狀態下，血液中溶解的游離氧量增多，具有兩個不成對電子的游離氧為順磁性物質。同時，血液中氧合血紅蛋白(O-Hb)的含量增多，順磁性的去氧血紅蛋白(deoxy-Hb)減少，使組織的T2弛豫值延長[6,8-11]。

新近的動物實驗研究結果推測：氧過多狀態下，T2值的延長是由于O-Hb比例的升高，而不是腦血流量或血容量增加[12]，但同以往類似實驗研究一樣，上述實驗也沒有對氧過多狀態下的實驗動物的腦血流量進行測量，無法得到腦血流量變化的定量化數據。目前，采用動脈自旋標記(ASL)技術所獲得的局部腦血流量與其他技術方法獲得的腦血流量有很好的一致性和可重復性，但現在臨床應用的磁共振掃描儀上ASL技術的空間分辨力非常有限，無法準確測量吸入純氧前后大鼠的腦血流量的變化。本研究采用新的超高場7.0 T磁共振系統可以獲得更高的空間分辨力及更精確的數據，目的是闡明吸入純氧后，血中氧含量和腦血流變化對大鼠腦組織弛豫值的影響。為進一步研究運用氧過多刺激，觀察腦血流變化奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 一般資料

大鼠腦組織弛豫值測量采用正常Sprague-Dawley雄性大鼠12只，體重200～250 g，SPF級，由中國人民解放軍軍事醫學科學院實驗動物中心提供。大鼠MRI腦血流量(CBF)測量采用正常Sprague-Dawley雄性大鼠8只，體重200～250 g，麻醉方式均采用腹腔內注射8%水合氯醛0.5 ml·mg-1·kg-1。

1.2 磁共振成像

Bruker PhamaScan磁共振成像系統，場強7.0 T，孔徑16 cm，梯度場強300 mT/m。采用四通道相共振頭線圈，俯臥位，雙側頭部以耳釘固定防止頭動，體部以膠帶固定于線圈上。掃描過程中生命監視系統監測呼吸頻率。氣體麻醉導管通入100%O2，氧流量8 L/min，掃描過程中采用水浴床維持大鼠恒定體溫于37±0.5℃范圍內。

1.3 T1、T2、T2*弛豫值的測量

T1值測量為單層SE序列，定位為嗅球后5 mm，在6個不同的TR下得到(0.3，0.6，1，1.5，2和5 s)，TE 11 ms，層厚1 mm，掃描時間16分38秒。T2值采用SE序列6個不同TE(20，40，60，80，100和120 ms)，TR 3000 ms，層厚1 mm，層間隔1 mm，掃描時間9分36秒。T2*值采用6個不同TE的梯度回波序列(5，11，17，23，29和35 ms)，TR 700 ms，翻轉角20°，層厚1 mm，層間隔1 mm，掃描時間11分56秒。各序列均為NEX 4；FOV 3.5 cm×3.5 cm，Matrix 192×256。其他參數(頻率、傳送、接受調節)每次掃描時保持不變。每只受試大鼠在室內空氣條件下分別進行T1、T2、T2*序列掃描。掃描結束后，進行吸入純氧后的T1、T2、T2*序列掃描，每次掃描前均持續開放氧氣6分鐘，掃描過程中氧氣保持開放。

1.4 CBF測量

采用四通道相共振頭線圈，ASL/FAIR灌注成像序列掃描，定位嗅球后5 mm，層厚2 mm，TR 18000 ms，TE 13.5 ms，TI 分別為26、426、826和1226 ms，FOV 3.5 cm × 3.5 cm，Matrix 80×64。

1.5 數據處理分析

(1)弛豫值的計算：在GE AW4.3工作站T1、T2、T2*弛豫值測量軟件上完成。感興趣區(ROIs)分別放置于額葉的大腦皮層、皮層下紋狀體和胼胝體(兩名觀察者)，每一解剖結構處各選取3個感興趣區，取平均值。數據分析采用SPSS 13.0軟件包，配對Student t檢驗比較吸入純氧前后的弛豫值變化。P＜0.05者認為有顯著統計學意義。采用單因素方差分析比較吸入純氧前后大鼠灰、白質弛豫值的變化率。弛豫值變化率(%)=(吸純氧后弛豫值—吸純氧前弛豫值)/吸純氧前弛豫值×100%)，P＜0.05認為有顯著統計學意義。

(2)CBF的計算：數據處理采用Paravision灌注成像后處理軟件。ROIs分別放置于CBF圖上額葉的大腦皮層和皮層下紋狀體(兩名觀察者)，取3個感興趣區的平均值，測量位置與弛豫值測量位置保持一致。CBF變化率=(吸純氧后CBF－吸純氧前CBF)/吸純氧前CBF×100% 。

2 結果

2.1 T1弛豫值的變化

吸入純氧后大鼠腦組織的T1值均有顯著的縮短(圖1)。大腦皮層的變化率為(-6.8±2.2)%；紋狀體為(-4.6±1.2)%，胼胝體為(-3.0±1.5)%，吸入純氧后T1值的縮短在鼠腦灰、白質之間存在顯著差異(P＜0.001)(表1)。T1值的變化率依次為大腦皮層＞紋狀體＞胼胝體。

2.2 T2弛豫值的變化

吸入純氧后大鼠腦組織T2值有明顯延長(圖2)。大腦皮層的變化率為(3.2±1.6)%；紋狀體為(7.0±1.8)%，胼胝體為(12.4±7.5)%，吸入純氧后T2值的延長在鼠腦灰、白質之間存在顯著差異(P＜0.001)(表2)。T2值的變化率依次為大腦皮層＜紋狀體＜胼胝體。

圖1 T1 mapping后處理偽彩圖(圖1A、B的窗寬和窗位相同)。圖1A顯示吸入空氣時腦組織T1弛豫值的偽彩圖，圖1B顯示吸入100%氧氣后腦組織T1弛豫值的偽彩圖，前后比較顯示腦組織T1值在吸入100%氧氣后較吸入空氣時縮短Fig 1 Post-processing color T1 maps (Fig 1A and 1B are in the same window width and window level).Fig 1A: T1 map of the rat brain during inhalation of room air.Fig 1B: T1 map of the rat brain during inhalation of 100% oxygen.Shortening of T1 value is identifi ed in the rat brain after being exposed to 100% oxygen.

圖2 T2 mapping后處理偽彩圖(圖2A、B的窗寬和窗位相同)。圖2A顯示吸入空氣時腦組織T2弛豫值的偽彩圖，圖2B顯示吸入100%氧氣后腦組織T2弛豫值的偽彩圖，前后比較顯示腦組織T2值在吸入100%氧氣后較吸入空氣時延長Fig 2 Post-processing color T2 maps (Fig 2A and 2B are in the same window width and window level).Fig 2A: T2 map of the rat brain during inhalation of room air.Fig 2B: T2 map of the rat brain during inhalation of 100% oxygen.Prolongation of T2 value is demonstrated in the rat brain after inhaling 100% oxygen.

圖3 T2* mapping后處理偽彩圖(圖3A、B的窗寬和窗位相同)。圖3A顯示吸入空氣時腦組織T2*弛豫值的偽彩圖，圖3B顯示吸入100%氧氣后腦組織T2*弛豫值的偽彩圖，前后比較顯示腦組織T2*值在吸入100%氧氣后較吸入空氣時延長Fig 3 Post-processing color T2* maps (Fig 3A and 3B are in the same window width and window level).Fig 3A:T2* map of the rat brain during inhalation of room air.Fig 3B: T2* map of the rat brain during inhalation of 100%oxygen.Prolongation of T2* value is visually apparent in the rat brain after being exposed to 100% oxygen.

表1 100%氧氣下大鼠腦組織T1值的變化(n=12)Tab 1 T1 changes under 100% oxygen in rat brain (n=12)

圖4 吸入純氧后大鼠腦灰、白質弛豫時間變化率的比較(%)吸入純氧后T1值的縮短、T2值和T2*值的延長在灰、白質之間存在顯著差異(P＜0.001)，T1值和T2*值的變化率依次為大腦皮層＞紋狀體＞胼胝體；T2值的變化率依次為大腦皮層＜紋狀體＜胼胝體Fig 4 Comparison of percentage changes of the relaxation time in rat brain after inhaling 100% oxygen (%).Percentage changes in all values between the cortex, striatum and corpus callosum were different (P＜0.001) when exposed to 100% oxygen.Percentage changes of T1 and T2* value is respectively biggest in the cortex (cortex ＞ striatum ＞ corpus callosum), whereas that of T2 value is biggest in the corpus callosum (cortex ＜ striatum ＜ corpus callosum).

圖5 吸入純氧后大腦皮層及紋狀體CBF變化率的比較(%為負值) 吸入純氧后8只大鼠的大腦皮層和皮層下CBF均有不同程度下降，大腦皮層的CBF下降更為明顯一些(注：變化率為均為負值，圖中為方便比較取正值)Fig 5 Comparison of percentage changes of the CBF value between cortex and striatum (subcortex) in 8 rats after inhaling 100% oxygen (% is negative value).The decrease of CBF value was found both in the cortex and subcortex after inhaling 100% oxygen in 8 rats.The decrease of CBF value was more obvious in the cortex.(Percentage change is deliberately taken positive value for convenience)

2.3 T2*弛豫值的變化

大鼠腦組織T2*值，在吸入純氧后有顯著延長(圖3)。大腦皮層的變化率為(22.7±3.4)%；紋狀體為(17.4±6.8)%；胼胝體為(12.5±4.8)%。吸純氧后T2*值的延長在鼠腦灰、白質之間存在顯著差異(P＜0.001)(表3)。T2*值的變化率依次為大腦皮層＞紋狀體＞胼胝體(圖4)，變化幅度明顯大于T2值。

2.4 CBF的變化

CBF測量結果顯示與室內空氣相比，吸入純氧后大腦皮層和皮層下平均腦血流量均有不同程度下降，腦血流變化率在大腦皮層更為明顯一些(圖5)。

3 討論

3.1 7.0 T MRI在大鼠腦組織弛豫值測量中的優勢

文獻報道，超高場(4.7～9.4 T)MR已成功運用于正常和腦缺血動物模型腦弛豫值的測量[10-12]。本實驗使用7.0 T小動物專用MR掃描儀，具有7.0 Tesla的超高強磁場和300 mT/m的梯度場強，可以獲得更高的空間分辨力及更精確的數據。理論上7.0 T MR掃描儀的信噪比約為1.5 T的4～5倍，可大大提高受檢組織的信號強度，同時7.0 T MR小孔徑及主磁場的均勻度、穩定性均保證了測量值的準確度。成像參數上采用FOV 3.5 cm×3.5 cm，矩陣192×256，空間分辨力可達到0.2 mm左右，明顯優于1.5 T和3.0 T MRI。 本實驗中針對性地對成像參數進行了優化，克服了3.0 T 以下MRI對實驗動物腦組織T1值測量準確性相對較低的不足。

目前采用ASL/FAIR技術所獲得的局部腦血流量與其他技術方法獲得的腦血流量有很好的一致性和可重復性。7～9 T MR掃描儀的應用優勢在于提高了敏感性并延長了血液的T1值，可在信號變化量增加的同時使自旋標記更好的蓄積[13]。

3.2 7.0T MRI下吸入純氧后大鼠腦灰、白質弛豫值變化率的差異

吸入純氧后大鼠腦灰、白質的T1值均有顯著的縮短，與文獻報道一致[3]。吸入純氧氣后，血液中溶解的游離氧隨著氧分壓的上升含量可由0.3 ml/100 ml升高至1.8 ml/100 ml，約為空氣條件下的6倍[14]，游離氧含量升高產生的順磁性效應，導致T1值的縮短[3]。結果顯示大腦皮層的T1值變化率大于紋狀體，胼胝體最小。由于T1值取決于游離氧含量的多少，本實驗中縮短T1值的效應在大腦皮層和皮層下較胼胝體更為明顯，推測其原因主要由于腦白質內的血流灌注僅為大腦皮層的1/4，腦白質血管內溶解的游離氧濃度變化不如皮層和皮層下明顯所致。

吸入純氧后大鼠腦灰、白質的T2、T2*弛豫值均有明顯延長。由于毛細血管和靜脈系統內溶解氧濃度的升高，可造成順磁性的deoxy-Hb比例減少，導致T2和T2*值的增高。此時T2*值的延長可能反映了組織從血液中攝取的氧含量的增多[15]。結果顯示T2值的變化率在胼胝體和紋狀體比大腦皮層中增長的更為顯著，胼胝體變化率最大。因為腦白質以靜脈和毛細血管分布為主，吸入純氧后靜脈血內的O-Hb的水平更高，O-Hb和deoxy-Hb的比例明顯升高。同時，由于吸入純氧，紋狀體和胼胝體的腦血流量減少遠小于大腦皮層，血液可中使T2值升高的O-Hb含量更高。

采用1.5 T磁共振分別進行T2*加權的FLASH和BOLD掃描發現正常人靜脈竇的T2*信號增強率最大，灰質的增強率大于白質[17,18]，由于人腦灰質與白質腦血容量的比例大約是2∶1[19]，推測吸入純氧對腦組織的增強效應可能與其血容量成比例。本實驗發現吸入純氧后大鼠腦灰、白質T2*值不同程度延長，大腦皮層的T2*值變化率明顯高于胼胝體。本組實驗結果在一定程度上也反映了大鼠灰、白質腦血容量大小的差異。

對于吸入純氧后腦組織弛豫時間的變化，目前僅有Uematsu等[12]運用9.4 T MRI觀察正常小鼠在純氧和95%氧+5%二氧化碳混合氣吸入后大腦皮層和垂體的T1、T2弛豫值變化，發現兩種氣體條件下弛豫值變化所呈現相似的反應。與上述研究不同的是，首先，本實驗測量了正常大鼠在室內空氣下和吸入純氧后腦組織的弛豫值，可以為今后的相關研究提供重要的參考；其次，本實驗對大腦皮層、紋狀體、胼胝體在吸入純氧后的弛豫值變化率進行了比較，進一步明確了灰、白質對于純氧的反應是有差異的。最后，本組實驗中還測量了吸入純氧后的腦血流量變化，研究了腦血流對弛豫值變化率的影響。

3.3 吸入純氧后大鼠腦灰、白質弛豫值和腦血流變化的關系

本實驗比較了吸入純氧后大鼠腦內不同灰質區和腦白質弛豫值的變化差異，同時還進一步結合CBF測量值，更為可靠地解釋了腦血流變化對于弛豫值變化程度的影響。實驗中發現吸入純氧后大腦皮層和紋狀體腦血流量均較空氣狀態下減少，與以往的研究一致[16,20]。大腦皮層的腦血流量較紋狀體減少更明顯，但其T1值的變化率卻在三者中最明顯。所以，吸入純氧后，腦血管收縮引起的腦血流量的減少對于T1值變化率的影響甚小。由于灰質與白質腦血容量的比例大約是2∶1[19]，腦灰質區溶解的游離氧量更多，所以T1值變化率的大小可能與不同區域的腦血容量差異有關。本實驗結果顯示灰、白質的T2*值變化率與T1值變化率相仿，也幾乎不受腦血流量減少的影響，也與腦灰、白質之間腦血容量的差異有關。

本研究結果表明在空氣條件下，由于靜脈的影響，胼胝體(38.9±1.9 ms)比大腦皮層(46.1±2.3 ms)和紋狀體(42.2±1.2 ms)的T2值更低，但在吸入純氧之后，胼胝體內血紅蛋白飽和度有足夠升高，而皮層僅接受動脈供血，可導致胼胝體T2值(43.7±2.8 ms)較接近皮層(47.5±2.0 ms)的T2值。CBF測量結果顯示紋狀體和胼胝體的腦血流量減少遠小于大腦皮層，血液可中使T2值升高的O-Hb含量更多，表明T2值的變化率與血流量變化有關。

綜上所述，運用7.0 T超高強MR掃描儀，可以獲得更高的空間分辨力及更精確、可靠的實驗數據。吸入純氧后，血液中溶解游離氧含量增大，使大鼠腦灰、白質T1弛豫值的縮短。氧合血紅蛋白比例的升高造成腦灰、白質T2、T2*值的延長。大鼠腦灰、白質T2值變化率的差異，主要是由于灰、白質內動、靜脈和毛細血管的分布不同和吸入純氧后腦血流變化所決定的。吸入純氧可以造成腦血管收縮，但是腦血流量減少對T1、T2*弛豫值影響甚少，T1和T2*值弛豫變化率與灰、白質的腦血容量有關。通過吸入純氧這一簡單、有效的途徑，可以將游離氧作為一種外源性的順磁性對比劑，為進一步探索評價腦血管反應的提供了新的方法。

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