大鼠脑血流量监测方法研究进展

杨 翠, 王庆松

(1.成都医学院，四川成都 610500；2.中国人民解放军成都军区总医院神经内科，四川成都 610083)

脑血管病是一类发病率高、致残率高、病死率高的疾病,严重危害人类的健康和生存质量[1]，而局部脑血流量是反映脑供血状态的客观指标[2]。动物模型是研究脑血管病发病机制及诊治的基础，大鼠除无大脑前交通动脉外，其脑部血管分布、组成及供应几乎与人脑相同,均由左右两侧颈内动脉和椎-基底动脉供应,四血管入颅后通过Willis环相互连接，故脑血管疾病动物模型的制备以大鼠为主[3-4]。如何测量大鼠的局部脑血流量也成为人们不断探索的问题。

临床常用脑血流量监测的方法主要有经颅多普勒、核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)等，但由于动物的特殊性，其采用的方法不同于临床，目前常用的大鼠模型脑血流量监测技术有氢清除法、微球法、动脉自旋标记灌注磁共振成像(arterial spin labeling perfusion magnetic resonance imaging,ASLP-MRI)技术、激光多普勒血流监测(laser doppler flowmetry，LDF)、激光散斑成像(laser speckle imaging,LSI)技术[5]。研究者们依据其研究的需求与特点选择了不同的检测方式，主要分为局部脑血流测量方法和实时监测方法两大类。局部脑血流测量法只能测定某一时间点的脑血流，不能实时动态地监测脑血流量的变化，包括氢清除法(hydrogen clearance method)[6]、微球法(microsphere method)[7]；实时监测方法中动脉自旋标记灌注磁共振成像技术[8]、激光多普勒技术[9]、激光散斑成像技术[10]都能获得相似的动态脑血流量、脑血容量等脑动力学信息。以下将从这些测量方法的原理、操作方式、技术要求、应用范围、优缺点进行讨论。

1 脑血流测量方法

1.1 局部脑血流测量法

1.1.1 氢清除法 麻醉动物，制备骨窗，连接好氢清除组织血流仪后，通氢气，绘制氢清除曲线，得出氢清除时间的半值(T1/2)，并以λ0.693/T1/2×100%=rCBF(mL·100 g·min-1)公式计算出局部脑血流[11]。氢清除法是根据氢气不溶于血液，吸氢后血液和组织中的氢气很快达到饱和,中断吸氢后,氢从组织中被清除，其清除量与血流成比例的原理设计的。在1965年Fiesohi比较详细地介绍了该法测定脑血流量以后,就较广泛地被应用于实验室动物的局部脑血流量测定。氢清除法操作简单,可在同一实验中对动物脑血流量进行重复测定,能够在较长时间内观察血流量变化[12]，测定部位可根据实验者要求任意确定。但该方法存在一些问题：有创性；不能动态监测脑血流量的变化；测量结果受到电源和记录系统的规格的影响。尽管存在一些不足，该法仍是比较常用的测量脑血流量的方法，在脑缺血模型[6]、自发性高血压模型[13]、先兆子痫模型[12]和其他部位的血流量的测量[14]中都得到了很好的应用。

1.1.2 微球法 该法是由Rudolphh等创立的，不仅应用于脑缺血实验和其他实验中[7,15-19]，还在一些实验中作为检测其他测量血流方法效能的“金标准”[15-16]。微球法的基本原理是将一定量大于毛细血管管径的微球(微球可以有不同的选择)[7,20]注入血液系统与血液混合均匀后,分布到全身各个脏器,全部堵塞在毛细血管前，在微球混合均匀的前提下,各脏器、组织分布的微球数与其血流量成正比。实验中将放射性微球悬浮液注入动物血管内，最终处死动物获得测量部位放射性比活度，通过一定计算公式得出局部脑血流量[21]。

微球法、氢清除法都不能实时动态地监测脑血流量的变化。微球法操作较氢清除法更为复杂，创伤也更大，需要在测量点处死每只动物。还值得关注的一点是,微球技术的有效性与组织样品捕获的颗粒数量有关，但大量注射微球又可能会阻塞一定数量的毛细血管床而影响微循环，所以使用该法测量脑血流要注意微球悬浮溶液的浓度和剂量。

1.2 动态监测方法

1.2.1 动脉自旋标记灌注磁共振成像技术 动脉自旋标记灌注磁共振成像技术是在1992年由Detre提出的,其原理是：血流的方向在成像平面的上游事先使血液的自旋状态改变，即标记(可以是饱和或反转)，待标记血对组织灌注后进行成像，并与灌注前同一部位的像相减得到包含灌注信息的像。Hattori Y等[8]就在该技术的支持下完成了双侧颈总动脉狭窄动物模型的脑血流。他们先麻醉动物，将其俯卧保定，头部在磁体内部用定制设计的头部保持器固定，再以一定扫描参数扫描动物并将信息传入工作站，进行数据分析，最终得出脑血流量[8]。该法测量血流无需外加的对比剂(氢气、放射性微球),而且能得到脑血流的绝对值[22]，不仅应用于基础实验[22-24](包括大脑中动脉闭塞的模型[25]、双侧颈动脉狭窄模型[8])中，还应用于临床[22-23]。但是此方法测量脑血流仍存在一系列问题：低信噪比，需要进行多次采集，使信号平均，来增加噪音比；存在运动伪影，需要在实验过程中确保动物保定良好；对磁场的均匀要求高，需要设置双线圈以消除由于磁化转移(MT)不对称性[26]引起的混淆，阻碍了动脉自旋标记(arterial spin labeling,ASL)在啮齿类动物中的广泛应用，后来Xu J等[22]提出了稳态脉冲成像和标记(SPIL)方案，但并未得到广泛认可。并且在脑缺血动物模型中，由于侧枝血流通过时间的增加或动脉流速的降低使得通过时间增加，有时会由于病灶区域大动脉内的剩余标记磁化的作用使得信号变化加大，这与慢性脑缺血动物模型的过度灌注很难区别，而对于该问题仍未得到有效解决。

1.2.2 激光多普勒血流监测仪 激光多普勒血流监测仪是基于激光多普勒频移原理设计的[27]。动物麻醉，仰卧位保定，制备骨窗，将矫正后的探针放置于特定的测量部位，原始信息传入工作站进行数据分析，最终获得脑血流量[28]。该法具有氢清除法的所有优点，而且能实时地监测相应rCBF的动态变化[29]，相较于ASL设备要求相对较低，已经成为神经外科和基础实验[30]中监测血流最常用方法之一。Jia B等[9]就运用了此法测定了脑缺血模型动物的脑血流。但该法脑血流测量值受很多因素影响，包括体内因素血压、血二氧化碳分压(PaCO2)、氧分压(PaO2)、pH、体温、测量点脑组织性质等,体外因素激光源波长、探头型号、组织牵拉、探头移位、光导纤维的摆动等。这就大大降低了脑血流量测量值的可信度，阻碍了其应用。

1.2.3 激光散斑成像技术 麻醉动物，制备骨窗，以一定波长激光半导体通过骨窗照射感兴趣的区域，电荷耦合相机装置收集光强度并传送到计算机用于分析，然后分析图像像素以产生平均灌注值。其原理是通过分析运动颗粒对相干激光的散射特性来获得颗粒运动速度，进一步获得二维血流分布图像[31]。激光散斑成像应用广泛，在逐步取代激光多普勒技术。该法也已经被证实可以用于啮齿类动物CBF的监测[32]，并且Yata K等[10]就运用激光散斑灌注成像技术监测了双侧颈总动脉结扎后的大鼠的头部血流。该技术不仅有激光多普勒技术操作简单,创伤小,能持续、实时监测等优点，其成像视野大，可以保留血管结构细节的同时进行大视场血流动力学无损的监测，能一次性监测多只实验动物[33]，还可达到毫秒量级的时间分辨率和微米量级的空间分辨率，真正实现了实时高分辨血流成像。目前商品化的激光散斑技术系统中，可以112.8帧/s速度获得最高空间分辨率为1 386×1 034像素的图像，可实现最大约为24 cm×24 cm的大视场血流成像[34]。

使用该法测量脑血流需要注意以下几个问题：①曝光时间的选择，曝光时间是激光散斑成像技术中一个重要的参数，如果曝光时间过短，那么血流产生的散斑图像波动来不及被积分，其结果是散斑图像高衬比度过高，反之过长的曝光时间会使散斑图像低衬比度过低。②散斑大小要与像素相匹配，选择合适对比度计算方法。该技术自2002年开始首次运用于实验动物脑血流的监测，并在双光子显微镜技术和高光谱成像技术下验证其测量结果的准确性和可靠性后，一直是许多研究者监测动物脑血流量的首选方法。但该技术仍存在不足：成像系统噪声和背景光影响使得衬比数据动态范围过小,不利于数据的可视化及进一步的速度分析和比较；照射光强度不均匀分布和成像区域曲面效应使得衬比图像中存在不均匀性影响；在体实验中动物自身呼吸心跳影响使得衬比图像的分辨率下降；成像区域血流的时空分布不均匀使得传统的空间和时间衬比分析方法存在较大的估计误差,从而影响了衬比度数据的准确性[35]。经过多年的发展，该技术日趋成熟和完善，这些不足也得到了改善，但同时我们也必须承认该技术还存在一定的局限性，如只能用于表皮的血流成像，无法对深层组织血流成像；以及前面提到的和其他血流成像技术一样，只能测量相对血流速度。研究解决这些问题是激光散斑成像技术未来发展的重要方向。

上述3种动态监测脑血流的实验方法比较见表1。

表1 大鼠脑血流量动态监测方法的比较

2 小结与展望

综上所述，文中所提到的每一种脑血流监测方法在其实际应用中均存有优劣,氢清除法和微球法设备要求低，但不能实时监测脑血流量；动脉自旋标记灌注磁共振成像技术、激光多普勒血流监测仪、激光散斑成像技术虽然能实时监测脑血流，但对于设备要求较高，也存在各自的缺陷与不足，研究者需要根据自身实验情况选择合适的检测技术。随着脑血管疾病研究的深入,局部脑血流监测为脑血管病的研究带来了新的思路,但如何达到临床所期望的效果，这就需要研究者不断完善现有技术的缺陷并创造更多测量精确、方法简单、携带方便的脑血流动力学检测仪器和技术,开拓更广阔的研究前景。

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