脑氧代谢的影像学测定方法研究

雷少晖 张永海

摘   要：随着年龄的不断增长，脑血管疾病的发生率越来越高，对于脑血管疾病的血运动力学的研究越来越重要，能更好的认识脑血管疾病，从而能更早的发现、治疗及预防脑血管疾病。判断血液动力学的参数有脑血流量﹑灌注压、颅内压、氧摄取率、脑脊液和脑氧代谢率，正常状态下脑摄取与脑利用之间处于动态的平衡，当出现脑血管疾病时各参数之间将会出现变化，对于参数的研究能敏感的反应脑氧代谢的差异，从而更好的指导临床，更早的对疾病进行治疗，延缓恶化，同时为临床科研项目提供更加重要的线索。

关键词：脑血流量;氧摄取率;脑氧代谢率;磁共振成像;动脉自旋标记

中图分类号：R774                                   文献标识码：A                                 DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.05.015

文章编号：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、不同性别间的脑氧代谢的情况有所差别，它可能是由于脑血管粗细程度、血红蛋白运转速度的快慢、神经纤维的电冲动的活跃情况有关，对于脑氧代谢的研究有助于了解不同人们之间的脑血流、氧摄取分数之间的差别，从而让我们可以从更细微的角度对脑氧代谢的变化进行分析。因此对于脑氧代谢的精确测量就成为目前研究的热门，随着科学技术的不断发展，脑氧代谢的测量方法也在不断发生着变化，从有创到无创，从有辐射到无辐射，从需要对比剂到无需对比剂，方法在不断的更新换代，通过对不同测量计算方法的介绍，给读者一清晰明了的认识，希望有读者能受启发，在此基础上会有更好的方法的创新，能尽快实现脑血管疾病的早发现、早治疗，提高患者的预后。

1 概述

年龄的增长使得血液动力学发生改变，使得血液粘稠比、粘滞性、聚集性增高，使得血红蛋白含氧量减低，对于多个身体脏器造成不良影响，其中大脑虽然只占体重的2%，但它接受15%的心输出量，消耗20%的心输出量，从而可以看出脑组织需氧、耗氧量最大，也就意味着脑组织对缺氧耐受力最差。一旦出现氧供不够，将会出现功能性损伤，使得脑血管纤颤、收缩，持续如此脑内将出现缺血灶、梗死灶，甚至更加严重的症状[1，2]。因此脑氧能量的测定对于早期高原病的预防具有至关重要的作用。人类脑组织的氧摄取与氧代谢的动态稳定取决于脑血流量（CBF）的多少﹑氧摄取率（OEF）的比值及脑氧代谢率（CMRO2）[3]。首先脑血流（CBF）代表血流的速度，它与脑灌注压成正比，与脑代谢需求相匹配。脑血流是根据脑循环的结构性和自适应性通过脑血流自动调节（cerebral autoregulation，CA）来完成[4]。其次氧摄取率（OEF） 指血液流经毛细血管床后被组织摄取氧的百分比，血液循环中的分子氧主要与红细胞中的血红蛋白结合，溶解于血浆中的氧分子很少，可忽略，进入氧组织的氧，不能进行储存，只能进行脑氧代谢，生成水。最后脑氧代谢率（CMRO2）表示机体脑组织的有氧代谢活动，是衡量脑组织的氧代谢利用状况的一个综合性指标。三者之间的关系为：CMRO2 = CBF×OEF，即脑氧代谢率为脑血流与氧摄取率的乘积。随着CT和MRI的广泛应用，用影像手段发现不同民族间脑氧代谢率的不同，对研究不同民族急性脑梗死疾病的发展过程、脑出血的预测以及各种内外科治疗效果的差异进行判定有着非常重要的意义，可以更早的发现脑循环的失衡，尽早帮助临床进行干预治疗，从而预防脑出血梗死的发生。

2 影像学研究进展

测定脑氧代谢的方法有很多，从应用PET-CT到进一步的研究方法单光子发射计算机体层摄影（SPECT）到CT方面的CT 灌注成像（CTP）技术及最新、最热的MR灌注技术[5]。

2.1 PET  使用超短半衰期的具有放射性的核素对人体内的基础元素进行标记，从而作为示踪剂，从分子水平定量分析脑组织血流灌注、氧摄取分数、脑氧血红蛋白和氨基酸的代谢率等功能信息[6]。可以反应脑组织的各种生理变化过程。常用的示踪剂有13N-氨水、15O-H2O等。崔璨等[7]认为，PET是测量脑血流量的重要方法，能够对其进行准确的定量测定。当对比剂注入人体内时，能增强靶器官与周围组织之间的差别，使所需测定的数据更加简单、快捷，而且对比剂的半衰期较短，能很快的完成显影及代谢。但PET对环境要求较高，价位偏高，同时需要具有放射性的显像剂等问题，在临床及科研中的应用受到限制。

2.2 SPECT  功能性脑显像[8]，是使用不同类型的离子示踪剂进入脑组织后，在脑内不同部位集聚量的不同，从而了解局部血流情况，然后使用SPECT对血流分布进行扫描，采集不同层面的图像，对所采集的图像进行影像学分析，得到具体的脑组织血量灌注情况。I-安非他明（123I-IMP）为最常用的示踪剂，能精确测定rCBF，但由于需要加速器生产，价格昂贵，国内很少使用，而其空间分辨率不及PET。

2.3 CTP  它是基于CT的影像学技术，简单易行。进行对比剂注射后所感兴趣区域的CT扫描，从而获得所感兴趣区域的参数[9]，对其进行对比分析，横坐标为时间，纵坐标为注射对比剂后增加的CT值，根据时间-密度曲线计算CBV、对比剂峰值对应的时间（TTP）、对比剂平均通过需要的时间（MTT）的数据。脑血流的自我调节由CBV及对比剂平均通过时间决定，对比剂的平均通过时间相比而言更重要一些。CBF是CBV与MTT的比值，以评价脑血流灌注情况[10]。因此CBV与MTT是测定脑血流灌注的重要数据。CTP对脑血流的测定所需时间短，而且图像的后处理相比而言更加的简捷，所获得参数也比较全面，CTP检查所需的费用较低[11]。另外多层螺旋CT的广泛应用，使CTP成为了当前的研究热点。

2.4 MR  血液动力学是维持机体稳定的重要因素，大脑皮层的活跃性需要脑血流的维持，脑血流量的稳定性是至关重要的，磁共振灌注成像（MR perfusion weighted imaging，MR-PWI）可以準确的分析大脑血流量的分布情况，提供敏感的大脑血流动力学参数[12，13]。随着技术的发展，MR的可操作性越来越强，可重复性也越来越好，外加没有放射性，使得对于脑氧代谢的研究更加容易进行，但其在技术方面需要更加严谨的针对性成为制约研究的一大因素。目前 MR-PWI仅应用于脑、肝脏、肾及前列腺等脏器的血流灌注评价。

2.4.1 BOLD技术  血氧依赖功能磁共振成像技术（BOLD-fMRI）[14]始于上世纪90年代被提出，脱氧血红蛋白含量的改变引起Ta或Ta*信号的改变是BOLD技术的基础，根据其可分为正性BOLD及负性BOLD效应，当神经元细胞活动时，脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白的动态改变，使得血流量随之发生变化。当血流量增加，脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白的比值降低，氧供大于氧利用，则为正性BOLD效应;由于氧血流量下降，氧供给减少，神经元细胞活跃性降低，代偿性提高氧利用率，使得脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白的比值升高，则为负性BOLD效应。通过功能磁共振成像技术可以采集到脑组织的信号强度变化，从而得到脑区的的血流量图像，后处理得到脑氧代谢率的不同。其具有安全无创、可耐受、操作简便等优势[15]。BOLD 效应是依赖于生理参数脑血流（CBF）、氧摄取率（OEF）、脑血流量（CBV）和脑氧代谢率（CMRO2）的一个综合效应，因此BOLD可以敏感的反映OEF、CMRO2的变化。

2.4.2 ASL技术  利用动脉血内被磁性标记的水质子流入成像层面与相应组织进行交换产生的信号差异进行成像，采集两次不同数据，生成一对标记像及对照像，标记像与对照像中的静态组织信号无差别，差别在于流入的血流有无被反转。所谓标记过程是将反转脉冲施加于颈部进行标记，被标记的流入动脉血液中水分子反转180°，经过一定时间血液流入目标层面，由于被标记的血液与未被标记的血液信号之间存在差别，对图像进行后处理可得到脑血流量（cerebral blood flow，CBF）的区域对比图像[16]，该图像同样可以显示血流动力学的变化，对图像参数进行分析，了解脑氧代谢率的变化。ASL技术随着时间的发展，出现了连续式动脉自旋标记（CASL）[17]，随着对动脉血研究的深入及科学技术的进步，随之出现了与CASL不同的方法，即脉冲式动脉自旋标记（PASL）。连续式动脉自旋标记需要额外的硬件设备发射连续式射频脉冲，在常规机器上无法使用，而且容易导致能量聚集，使得SAR值较高，所以CASL的使用有一定的局限性;PASL 技术使用非选择性反转脉冲进行全脑标记，采集对照像是仅在成像层面选择性的施加脉冲，因此其标记效能高，可达95%。但是其仍有局限性，比如标记溶剂不能过厚也不能太薄，否则采集对照像是可能激励到静脉血液，导致定量错误。综合了CASL高信噪比以及PASL高标记效能的优点，使用一连串不连续的小的射频，并在射频发射期间施加梯度波来模拟CASL的连续脉冲方法称为伪连续式动脉自旋标记技术（pulsed continuous ASL methods，pCASL）[18]。pCASL具有射频能量沉积少，无需额外硬件设备的优点[19]，此外PASL具有良好的可重复性[20]。

3 总结

脑氧代谢（CMRO2）的不同将会影响到临床根据不同情况进行治疗的方案，因此测定脑氧代谢的差异是更好的进行临床的重要基础。随着多模态医学影像技术快速发展，PET、SPECT以及氙CT（Xe-CT）等检查将组织结构与相应的功能及代谢情况进行统一分析，使得图像更清晰，相应层面空间分辨率更高，但由于信噪比低、灌注效果不均、价格昂贵、安全性以及适用范围窄等原因并未广泛用于脑氧代谢的测定。磁共振检查对软组织有良好的分辨力、无电离辐射危害，而广受临床青睐。多种序列的出现对于脑氧代谢率的测定也发挥着很重要的作用。BOLD、GESSE序列的研究有利于更精准的测定氧摄取率（OEF），为更好的研究氧代谢（CMRO2）提供了有力的支持，3D 动脉自旋标记（3D-ASL）作为一种新型的灌注成像技术，由于它集合了磁共振的无放射性、安全、高效及其自身的高信噪比、定位准确等特点，对脑血流量的变化具有高度敏感性，使得对脑氧代谢的研究更加的深入。

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