磁共振腦氧代謝成像原理在缺血性腦卒中應用

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，嚴重危害人類健康和患者的生存質量，給家庭和社會帶來巨大負擔。

近年來多中心的研究證實即使臨床治療時已經超過常規的治療時間窗，血管內取栓或血管內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，其特點是氧攝取分數(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成像被認為是定量評估腦氧代謝參數的金標準，但其程序復雜、花費高昂，且存在輻射暴露，難以在臨床常規開展[3]。因此，采用無創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評估、缺血半暗帶的快速準確識別大有裨益。

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基本原理及在缺血性腦卒中的初步應用，旨在提高對缺血性腦卒中氧代謝變化的認識，為臨床治療決策提供依據。

QSM的腦氧代謝成像基本原理

CMRO2(μmol/100g/min)和OEF(%)的關系：

CMRO2=CBF·OEF·[H]a

(1)

其中[H]a為動脈氧合分數。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，結合三維動脈自旋標記(3D-ASL)序列計算得到的CBF即可計算估計腦氧代謝相關參數。

早期基于QSM、3D-ASL的腦氧代謝參數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，通過測量干預前后腦血流量的變化，結合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，無法在臨床患者常規開展。

為了克服人為干預的限制，最新的腦氧代謝參數計算方法[6，7]同時利用QSM采集序列中的相位及幅度信息，聯合運用QSM及qBOLD(QSM+qBOLD)計算方法，同時利用多回撥的幅度信號隨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假設，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確。基于CAT-QSM+qBOLD模型來計算腦氧代謝參數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‖FQSM(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果及相應的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，且可區分病變與正常區域。K-means循環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圖，磁共振檢查時間距離癥狀發作時間約為18h。a、b、c、e中紅色區域為DWI圖確定的梗死區域，a、b、c中黃色區域代表CBF與DWI存在不匹配區(mismatch)。a) OEF圖上梗死區域較對側稍減低，內見部分稍高信號；不匹配區呈稍高信號，代表缺血半暗帶或良性灌注減低區; b) CMRO2圖病變區和不匹配區均呈低信號; c) CBF圖病變區和不匹配區血流灌注減低; d) QSM圖不能確定病變區域的界限; e) 病變區域在DWI圖表現為高信號; f) ADC圖為低信號。

圖3病變及對側鏡像區域的OEF絕對值及OEF相對值變化。a) 每1例患者病變及對側鏡像區域的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。病變區域的OEF絕對值及OEF相對值隨發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用

研究發現運用CAT-QSM+qBOLD模型來計算氧代謝參數可準確反映缺血性腦卒中患者缺血區域的演變規律(圖2、3)。較腦梗死對側正常區域相比，OEF升高代表缺血組織存在代償，以維持腦細胞正常的生理功能；當OEF出現減低時，預示著這部分腦組織將發生不可逆性腦梗死(圖2)。圖2中患者同時存在CBF/DWI不匹配區，其在OEF圖上呈不均勻高信號，預示著此部分區域為缺血半暗帶或者良性灌注減低區，如果腦血流灌注及時恢復，其可完全恢復正常。腦梗死區域的OEF絕對值及相對值(病變側/對側鏡像區)隨著發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存在低估病變區域CBF的可能[8]，通過CBF計算得到CMRO2圖也存在低估病變區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提供了區別于常規形態學特征的腦氧代謝信息，有助于明確腦缺血的病理生理狀態及周圍是否存在缺血半暗帶，為急性缺血性腦卒中的精準、綜合影像評估提供了基礎，并有利于臨床治療決策的制定。