符芳雄，陳旺生

正常人腦的重量僅占全身總量的2%，但耗氧量占全身的20%[1]，腦氧代謝率(cerebral metabolism rate of oxygen，CMRO2)是反映人腦功能代謝的一個(gè)重要參考指標(biāo)，也是研究人腦正常生理功能及疾病狀態(tài)的重要參數(shù)[2]，尤其在缺血性腦血管病方面，對(duì)于研究缺血性腦梗死的發(fā)生發(fā)展、中風(fēng)危險(xiǎn)的預(yù)測(cè)及各種內(nèi)、外科治療效果的判定均有重要意義。

人腦能量平衡的生理參數(shù)包括腦血流量(cerebral blood flow，CBF)、氧攝取分?jǐn)?shù)(oxygen extraction fraction，OEF)和腦氧代謝率[1]；三者具有以下關(guān)系：CMRO2=OEF×CBF×Ca/CBF×(Ya-Yv)×Ca,Ya是動(dòng)脈血氧飽和度(arterial oxygen saturation，Ya)，可以通過脈搏血氧儀測(cè)量，通常取98%；Yv為靜脈血樣飽和度(venous oxygen saturation，Yv)，Ca是單位血液體積中氧分子數(shù)，通常取常數(shù)833.7μmolO2/100mL[3]。因此，測(cè)量CMRO2的關(guān)鍵參數(shù)是CBF、OEF和Yv。

目前，定量測(cè)量CMRO2的金標(biāo)準(zhǔn)主要是正電子發(fā)射斷層顯像(positron emission tomography，PET)。傳統(tǒng)的方法通過單次吸入15O標(biāo)記的CO、靜脈注射15O標(biāo)記的H2O以及單次吸入15O標(biāo)記的O2分別用于測(cè)量腦血容量(cerebral blood volume，CBV)、CBF、OEF和最終的CMRO2計(jì)算[4]，該方法的復(fù)雜性、較為耗時(shí)以及為了穩(wěn)定成像導(dǎo)致的高劑量輻射限制了其臨床適用性。也有學(xué)者采用單次大劑量吸入15O2來測(cè)定再循環(huán)的H2O和O2,通過動(dòng)態(tài)時(shí)間-活動(dòng)曲線擬合同時(shí)得到CBF、CBV和OEF值，進(jìn)一步估計(jì)CMRO2值[5]，但結(jié)果顯示CBF和CMRO2等多個(gè)參數(shù)的估計(jì)不具有重復(fù)性，缺乏可預(yù)測(cè)性，會(huì)導(dǎo)致難以避免的統(tǒng)計(jì)誤差。

近紅外光譜(near-infrared spectroscopy，NIRS)技術(shù)利用氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白和水對(duì)不同波長的近紅外光的光吸收率的不同來估計(jì)氧合蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度，從而得出相對(duì)血氧飽和度[6]。NIRS技術(shù)具有低成本和床邊檢查的優(yōu)勢(shì)，但空間分辨力較低，且需要對(duì)動(dòng)靜脈腦血容量進(jìn)行估計(jì)，因此無法絕對(duì)定量CMRO2。

近些年來，隨著影像技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了較多無創(chuàng)的腦氧代謝磁共振成像技術(shù),根據(jù)其原理，大體上分為三類，第一類為血氧水平依賴(bold oxygen level depend，BOLD)技術(shù)，基于血液中脫氧血紅蛋白與氧合血紅蛋白比例變化，以及脫氧血紅蛋白的強(qiáng)順磁性和氧合血紅蛋白抗磁性造成局部磁場(chǎng)不均勻的原理，利用磁場(chǎng)不均勻性對(duì)橫向弛豫速率的影響，在假設(shè)Ya為常數(shù)的前提下，得到Y(jié)v，再通過菲克原理來定量腦氧代謝的主要參數(shù)；第二類為T2弛豫自旋標(biāo)記成像(T2relaxation under spin tagging，TRUST)技術(shù)，通過測(cè)量上矢狀竇中純血的T2弛豫時(shí)間來得到Y(jié)v，再通過菲克原理來進(jìn)行腦氧代謝主要參數(shù)的定量；第三類為基于靜脈血的磁敏感值測(cè)量Yv的相位技術(shù)。本文對(duì)這些技術(shù)的基本原理及研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

基于BOLD的方法

1990年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Ogawa等[7]提出BOLD效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)血液中氧合血紅蛋白具有抗磁性，其磁性與周圍組織難以區(qū)分，而脫氧血紅蛋白具有強(qiáng)的順磁性，可以造成局部磁場(chǎng)的不均勻，引起血管內(nèi)外T2WI、T2*WI信號(hào)的減低。傳統(tǒng)的血氧水平依賴技術(shù)根據(jù)雙室模型，假設(shè)血管外的腦組織具有均一性，而血管中脫氧血紅蛋白的強(qiáng)順磁性會(huì)造成其與周圍腦組織的局部磁場(chǎng)的改變，引起T2WI、T2*WI信號(hào)減低，利用高場(chǎng)強(qiáng)磁共振梯度回波序列來檢測(cè)這種變化，再根據(jù)Yablonskiy等[8]提出的數(shù)學(xué)模型計(jì)算OEF。具體公式可以簡化如下：

R2＇=λ·γ·4/3·△χ0·Hct·(1-Yv)·B0

(1)

R2＇=R2*-1/T2

(2)

R2*=1/T2*

(3)

OEF=1-Yv/Ya

(4)

λ為靜脈血容量百分比，γ為核旋磁比，Hct為紅細(xì)胞比容，△χ0為動(dòng)靜脈血的磁敏感的差值，Yv為靜脈血氧飽和度，Bo為主磁場(chǎng)的強(qiáng)度。R2*為橫向弛豫率，R2＇為局部磁場(chǎng)不均勻?qū)M向弛豫速率的貢獻(xiàn)。所以，在已知R2＇的值時(shí)，可以計(jì)算出Yv，當(dāng)動(dòng)脈血飽和度取100%時(shí)，OEF=1-Yv。再結(jié)合CBF，可以計(jì)算出CMRO2。

早期多采用梯度自旋回波序列(gradient echo sampling of spin echo，GESSE)在一次掃描中同時(shí)獲得T2WI和T2*WI值，再根據(jù)二室模型計(jì)算出OEF。結(jié)合灌注成像測(cè)得的CBF，根據(jù)菲克原理，可以計(jì)算出CMRO2值。但GESSE序列掃描時(shí)間較長，容易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影，并且覆蓋的感興趣區(qū)域小，限制了其臨床應(yīng)用性。Fernndez-Seara等[9]提出了非對(duì)稱自旋回波(asymmetric spin echo,ASE)多次平面回波成像序列的采集方法，解決了掃描時(shí)間長的問題，提高了信噪比，且無需測(cè)量R2值，克服了T2弛豫對(duì)信號(hào)的影響。

上述方法均需要吸入特殊的氣體(通常是CO2或O2)，而Liu等[10]提出一種非侵入、無需特殊氣體的BOLD技術(shù)來測(cè)量基線和視覺刺激狀態(tài)下的絕對(duì)CMRO2，發(fā)現(xiàn)用速度選擇性激發(fā)和動(dòng)脈調(diào)零(velocity-selective excitation and arterial nulling,VSEAN)技術(shù)測(cè)得的OEF值與以前的文獻(xiàn)報(bào)道用PET測(cè)得的值相似，而對(duì)響應(yīng)視覺刺激的CMRO2的動(dòng)態(tài)變化的估計(jì)與傳統(tǒng)的基于特殊氣體刺激的動(dòng)態(tài)變化的估計(jì)也具有較好的一致性，這些結(jié)果說明無氣體刺激的方法用于定量生理狀態(tài)下CMRO2具有一定潛力。

雙室模型將血管外腦組織視為均一性，忽略了腦脊液和水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響。隨后又提出了多室模型(quantitative BOLD，qBOLD)。多室模型考慮到了不同腦組織成分如腦灰白質(zhì)、腦脊液以及血液弛豫特點(diǎn)的不同，但需要多個(gè)參數(shù)進(jìn)行擬合，存在較多不確定性，產(chǎn)生難以避免的誤差。為了解決這個(gè)問題，Lee等[11]提出了交錯(cuò)式qBOLD(interleaved qBOLD，iqBOLD)方法，在單個(gè)脈沖序列中交錯(cuò)ASE和速度選擇性自旋標(biāo)記(velocity-selective spin -labeling,VSSL)模塊,并在VSSL之前抑制腦脊液信號(hào)，從而可靠地估計(jì)腦靜脈血體積分?jǐn)?shù)及氧合血紅蛋白的先驗(yàn)值，提高多參數(shù)擬合的穩(wěn)健性，減少誤差。但是，在極大地減少估計(jì)誤差的前提下，iqBOLD技術(shù)目前只能做到單層面成像。如果進(jìn)行多層面成像，不僅掃描時(shí)間成比例增加，而且先驗(yàn)值對(duì)估計(jì)誤差的改善也不明顯。

總的來說，BOLD技術(shù)結(jié)合CBF的測(cè)量可用于CMRO2的評(píng)估，但只能評(píng)估任務(wù)態(tài)和靜息態(tài)CMRO2的改變，無論是通過無氣體刺激的方法還是高碳酸血癥的方法，均難以測(cè)量區(qū)域CMRO2的絕對(duì)值。

基于T2的方法

靜脈竇是全腦靜脈集結(jié)處，劉亞等[12]提出TRUST技術(shù)，通過上矢狀竇純血的T2弛豫時(shí)間定量Yv,利用菲克原理計(jì)算CMRO2。TRUST技術(shù)在成像層面之前，采用飽和脈沖來標(biāo)記回流的靜脈血液，將標(biāo)記的與未標(biāo)記的圖像相減以獲得只含有靜脈血信號(hào)的圖像。掃描序列由數(shù)據(jù)采集瓣和控制掃描瓣交錯(cuò)使用，每次采集包括4個(gè)范圍為0～160 ms的有效回波時(shí)間，每次掃描前先采用預(yù)飽和序列來抑制靜態(tài)組織信號(hào)，以提高信噪比。在標(biāo)記回流靜脈血液之前，圖像采集前加入180°反轉(zhuǎn)脈沖來提高縱向磁豫信號(hào)強(qiáng)度，再對(duì)成像層面進(jìn)行未標(biāo)記血成像來得到控制像，隨后加入控制脈沖標(biāo)記回流的靜脈血，等待間隔1.2 s后采集圖像，與控制像相減得到只有靜脈血信號(hào)的灌注像。再用測(cè)得的T2WI值通過校正實(shí)驗(yàn)擬合出Yv，采用相位對(duì)比(phase-contrast，PC)技術(shù)結(jié)合3D結(jié)構(gòu)像計(jì)算出的腦重量來評(píng)估大腦平均血流量[3]，最后根據(jù)菲克原理，得到Y(jié)v和CBF計(jì)算CMRO2。

傳統(tǒng)的TRUST技術(shù)測(cè)定上矢狀竇YV時(shí)仍需用PC技術(shù)單獨(dú)測(cè)量全腦血流量。而基于T2的上矢狀竇Yv測(cè)定方法和PC-MRI都是梯度回波序列，因此可以組合成一個(gè)序列，即雙回波梯度回波(dual-echo gradient-recalled echo，OxFlow)序列。Rodgers等[13]提出一種新的組合方法-交錯(cuò)式TRUST (interleaved TRUST,iTRUST)技術(shù)，通過在T1弛豫周期內(nèi)交錯(cuò)OxFlow,將時(shí)間分辨率提高到6 s，且實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)量Yv和CBF。

TRUST技術(shù)通過從周圍腦組織中分離出血流信號(hào)，避免了手動(dòng)選擇感興趣區(qū)以及圖像的體素要小于血管腔的前提條件，但TRUST技術(shù)空間分辨力低，無法識(shí)別小靜脈的T2WI值信號(hào)，只能對(duì)全腦的平均氧代謝進(jìn)行定量，而無法定量區(qū)域CMRO2。

基于相位的方法

脫氧血紅蛋白主要位于靜脈內(nèi)，在外加磁場(chǎng)的作用下，血液內(nèi)脫氧血紅蛋白的強(qiáng)順磁性導(dǎo)致靜脈血管與周圍腦組織的局部磁場(chǎng)間差異(ΔBvein-tissue)，相應(yīng)質(zhì)子失相位程度不同，最終導(dǎo)致相位的差異(Δφvein-tissue)，在高場(chǎng)強(qiáng)條件下，利用SWI的相位差圖像可以檢測(cè)到靜脈血管與周圍腦組織間相位的差異，利用Δφvein-tissue與ΔBvein-tissue的近似關(guān)系以及ΔBvein-tissue和靜脈與周圍腦組織磁化率的差異(Δχvein-tissue)的線性關(guān)系，可以得出Δχvein-tissue，再根據(jù)Δχvein-tissue與脫氧血紅蛋白濃度的線性關(guān)系，可以計(jì)算出Yv。結(jié)合測(cè)得的局部或全腦CBF,利用菲克原理，可以測(cè)得局部或全腦的CMRO2。

Jain等[14]采用OxFlow的方法，對(duì)8位受試者以交錯(cuò)的方式在上矢狀竇和頸部兩個(gè)位置之間交替切換4個(gè)周期的梯度回波序列，在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)Yv和總腦血流量(total cerebral blood flow，tCBF)的同時(shí)測(cè)量，避免了相位重疊。所測(cè)得的CMRO2值與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的值非常接近。該技術(shù)的無創(chuàng)性、穩(wěn)定性使其適用于臨床對(duì)腦氧代謝障礙相關(guān)疾病的評(píng)估，同時(shí)快速掃描的優(yōu)勢(shì)使其能在生理挑戰(zhàn)下(如高碳酸血癥、咖啡因刺激等)研究CMRO2的動(dòng)態(tài)變化。Miao等[15]利用該方法測(cè)量缺氧和高碳酸血癥狀態(tài)下的靜脈血氧含量,并與TRUST技術(shù)和臨床金標(biāo)準(zhǔn)(頸內(nèi)靜脈導(dǎo)管置入術(shù))測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果與經(jīng)頸靜脈置管測(cè)得的值一致性較好，但顯著高于TRUST測(cè)得的結(jié)果，說明在缺氧和高碳酸血癥狀態(tài)下TRUST技術(shù)測(cè)得的結(jié)果可能被低估了。

與TRUST技術(shù)相比，基于相位的腦氧代謝測(cè)量方法結(jié)合ASL技術(shù)，可以定量區(qū)域CMRO2,同時(shí)高時(shí)間分辨率使其適用于生理挑戰(zhàn)下的腦氧代謝的研究，但這是在假設(shè)血管為無限長的圓柱體且與主磁場(chǎng)平行的前提下[16],而這與血管的實(shí)際情況存在差異；紅細(xì)胞比容(hematocrit，Hct)也多采用常數(shù)0.42，這容易受到主體間可變性的影響，在用于CMRO2的估算時(shí)會(huì)產(chǎn)生難以避免的誤差。

早期的基于相位的方法，得到的只是磁敏感差異導(dǎo)致的相位變化信息，是磁敏感的半定量方法，近年來又興起了定量磁敏感圖(quantitative susceptibility mapping，QSM)技術(shù)。QSM技術(shù)通過相位信號(hào)來定量組織磁化率，再根據(jù)脫氧血紅蛋白的濃度與組織磁化率之間的線性關(guān)系，可以無創(chuàng)測(cè)定Yv，且可以在任意方向和幾何形狀的靜脈中對(duì)靜脈血氧飽和度進(jìn)行定量而不依賴于血管模型。目前的QSM技術(shù)通常采用多回波梯度序列來獲取相位圖像，并利用流動(dòng)補(bǔ)償(flow-compensated，F(xiàn)C)技術(shù)來克服由鄰近快速血流引起的相移導(dǎo)致的局部偽影。通過相位圖擬合、相位解纏繞來恢復(fù)相位周期、去除寬大的背景場(chǎng)，以及采用由場(chǎng)溯源的反演計(jì)算得到定量磁化率圖(QSM)，可以計(jì)算每個(gè)體素內(nèi)的磁化率值[17]。

場(chǎng)強(qiáng)不均勻以及組織間界面的磁化率的變化等，造成了背景場(chǎng)的寬大，降低了組織間的對(duì)比度。傳統(tǒng)的SWI技術(shù)僅采用高通濾波的方法來去除背景場(chǎng)，同時(shí)也會(huì)過濾掉部分有用信息[18]。為了得到高質(zhì)量的QSM，對(duì)背景場(chǎng)的去除提出了更高的要求。目前效果最好的兩種方法分別是復(fù)雜諧波偽影去除法(sophisticated harmonic artifact reduction for phase data，SHARP)[19]和偶極場(chǎng)投影法(projection onto dipole fields,PDF)[20]，前者利用VOI內(nèi)的外部磁場(chǎng)擾動(dòng)不具有諧波而內(nèi)部磁場(chǎng)產(chǎn)生的擾動(dòng)具有諧波的特點(diǎn)，在保留VOI內(nèi)有用信息的同時(shí)，去除了其內(nèi)的外部磁場(chǎng)的擾動(dòng)[17]。而后者認(rèn)為在有限的空間內(nèi)難以分離局部磁場(chǎng)與背景場(chǎng)，且容易造成計(jì)算誤差。因此，通過掃描參照物，利用ROI外偶極背景場(chǎng)與ROI內(nèi)偶極背景場(chǎng)內(nèi)積接近0的特點(diǎn)，來分離局部磁場(chǎng)與背景場(chǎng)，很好地去除了空氣-組織交界處的低頻偽影。

除了對(duì)背景場(chǎng)的去除提出更高的要求之外，QSM還需要特定的算法，對(duì)得到的局部場(chǎng)圖進(jìn)行重建，來得到磁化率圖像，從而精確定量磁化率。目前主要的重建方法包括多方向采樣磁化率計(jì)算法[21]、貝葉斯正則化法[22]、k空間加權(quán)微分法[23]等。

Kudo等[24]利用QSM技術(shù)評(píng)估26例慢性單側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈或大腦中動(dòng)脈狹窄患者和15例健康受試者的OEF，并與金標(biāo)準(zhǔn)PET測(cè)得的值進(jìn)行比較，結(jié)果與PET測(cè)得的值在大腦半球水平具有較好的一致性，但局部一致性不高，這可能與對(duì)靜脈的分割程度以及脫氧血紅蛋白的濃度有關(guān)。因此，優(yōu)化掃描參數(shù)以及后處理方法可能會(huì)更有利于精準(zhǔn)量化OEF。Fan等[25]對(duì)3位健康志愿者采集相位圖以重建QSM圖，來計(jì)算磁化率值和評(píng)估Yv，并比較L1和L2正則化的QSM圖。測(cè)得的Yv在正常生理范圍內(nèi)，且L1正則化在所有血管傾斜方向的Yv絕對(duì)誤差小于10%，并提供了比L2正則化更準(zhǔn)確的Yv估計(jì)。Zhang等[26]采用QSM和ASL技術(shù)做了13位29～41歲健康受試者攝入200 mg咖啡因前后和OEF變化的定量CMRO2實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)攝取咖啡因后的OEF顯著增加，且與CBF的減少趨勢(shì)相一致，而所測(cè)得的CMRO2值也與相關(guān)文獻(xiàn)采用PET技術(shù)測(cè)得的結(jié)果非常一致。說明在兩種不同的生理狀態(tài)下(咖啡因激發(fā)前和激發(fā)后)，采用QSM結(jié)合ASL可以絕對(duì)定量CMRO2。

使用單一的QSM技術(shù)定量CMRO2時(shí) ,需要攝入特殊氣體以及假設(shè)CBF與靜脈血液體積分?jǐn)?shù)是線性關(guān)系，或者基于最小局部方差(minimal local variance,MLV)[27]的算法，無需攝入特殊氣體,但要在假設(shè)每種組織區(qū)塊內(nèi)(灰質(zhì)和白質(zhì))CMRO2和非血液組織磁化率恒定的前提下，而qBOLD技術(shù)雖然能根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出靜脈血液體積分?jǐn)?shù)，需要假設(shè)非血液組織磁化率是常數(shù)[28]。由于兩種方法都通過梯度回波序列獲取數(shù)據(jù)，可以將QSM技術(shù)與qBOLD技術(shù)結(jié)合起來定量測(cè)量CMRO2,并克服這些假設(shè)條件。同時(shí)結(jié)合時(shí)間演變的聚類分析(cluster analysis of time evolution,CAT)方法，來提高反演qBOLD圖像造成的低信噪比。

Cho等[29]采用QSM+qBOLD(QQ)技術(shù)重建11位健康受試者的CMRO2圖，并與單獨(dú)使用QSM和qBOLD技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示QQ技術(shù)獲得CMRO2圖的灰白質(zhì)間對(duì)比度最高，OEF圖比QSM技術(shù)獲得的更均勻，比qBOLD技術(shù)獲得的噪聲更小，證明了QSM+qBOLD(QQ)技術(shù)的可行性。Cho等[30]利用QSM+qBOLD(QQ)技術(shù)，結(jié)合CAT評(píng)估了11位健康受試者與5位缺血性腦卒中患者的CMRO2及OEF,同時(shí)與未使用CAT時(shí)相比較，結(jié)果顯示使用CAT時(shí)，在缺血性腦卒中患者中出現(xiàn)了預(yù)期的低OEF值，而未使用CAT時(shí)不能觀察到；說明CAT能顯著提高OEF圖的信噪比及QQ技術(shù)的穩(wěn)健性，為QQ技術(shù)的臨床應(yīng)用提供了可能。不能忽略的是，不同的聚類方法會(huì)產(chǎn)生不同的合適聚類數(shù)，可能對(duì)生成的OEF圖產(chǎn)生影響。

值得注意的是，QSM提供的是相對(duì)的磁化率值，且掃描時(shí)間較長，這是未來研究中需要解決的問題。

小結(jié)及展望

腦氧代謝率是研究腦組織生理和病理狀態(tài)的重要指標(biāo)，適時(shí)了解腦氧代謝的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于疾病的發(fā)生發(fā)展極為重要，尤其在缺血性腦血管病方面。隨著磁共振技術(shù)的不斷發(fā)展，腦氧代謝成像不再局限于正電子發(fā)射斷層顯像技術(shù)。新的非侵入技術(shù)如QSM與以前的技術(shù)相比越發(fā)成熟、完善，但每種技術(shù)都有其優(yōu)劣勢(shì)。不同技術(shù)間的相互補(bǔ)充是比較理想的選擇，比如QSM與qBOLD的組合，在實(shí)現(xiàn)量化CMRO2和OEF的同時(shí),避免了特殊氣體的攝入，成為近年研究的熱點(diǎn),通過引入CAT,能顯著提高信噪比，為該技術(shù)的臨床應(yīng)用提供更大的可能性。而合適的聚類選擇方法及最佳聚類數(shù)，以及實(shí)現(xiàn)iqBOLD的同步多層面成像是未來研究需要解決的問題。