脑氧代谢的磁共振成像研究及进展

符芳雄，陈旺生

正常人脑的重量仅占全身总量的2%，但耗氧量占全身的20%[1]，脑氧代谢率(cerebral metabolism rate of oxygen，CMRO2)是反映人脑功能代谢的一个重要参考指标，也是研究人脑正常生理功能及疾病状态的重要参数[2]，尤其在缺血性脑血管病方面，对于研究缺血性脑梗死的发生发展、中风危险的预测及各种内、外科治疗效果的判定均有重要意义。

人脑能量平衡的生理参数包括脑血流量(cerebral blood flow，CBF)、氧摄取分数(oxygen extraction fraction，OEF)和脑氧代谢率[1]；三者具有以下关系：CMRO2=OEF×CBF×Ca/CBF×(Ya-Yv)×Ca,Ya是动脉血氧饱和度(arterial oxygen saturation，Ya)，可以通过脉搏血氧仪测量，通常取98%；Yv为静脉血样饱和度(venous oxygen saturation，Yv)，Ca是单位血液体积中氧分子数，通常取常数833.7μmolO2/100mL[3]。因此，测量CMRO2的关键参数是CBF、OEF和Yv。

目前，定量测量CMRO2的金标准主要是正电子发射断层显像(positron emission tomography，PET)。传统的方法通过单次吸入15O标记的CO、静脉注射15O标记的H2O以及单次吸入15O标记的O2分别用于测量脑血容量(cerebral blood volume，CBV)、CBF、OEF和最终的CMRO2计算[4]，该方法的复杂性、较为耗时以及为了稳定成像导致的高剂量辐射限制了其临床适用性。也有学者采用单次大剂量吸入15O2来测定再循环的H2O和O2,通过动态时间-活动曲线拟合同时得到CBF、CBV和OEF值，进一步估计CMRO2值[5]，但结果显示CBF和CMRO2等多个参数的估计不具有重复性，缺乏可预测性，会导致难以避免的统计误差。

近红外光谱(near-infrared spectroscopy，NIRS)技术利用氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和水对不同波长的近红外光的光吸收率的不同来估计氧合蛋白和脱氧血红蛋白的浓度，从而得出相对血氧饱和度[6]。NIRS技术具有低成本和床边检查的优势，但空间分辨力较低，且需要对动静脉脑血容量进行估计，因此无法绝对定量CMRO2。

近些年来，随着影像技术的发展，出现了较多无创的脑氧代谢磁共振成像技术,根据其原理，大体上分为三类，第一类为血氧水平依赖(bold oxygen level depend，BOLD)技术，基于血液中脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白比例变化，以及脱氧血红蛋白的强顺磁性和氧合血红蛋白抗磁性造成局部磁场不均匀的原理，利用磁场不均匀性对横向弛豫速率的影响，在假设Ya为常数的前提下，得到Yv，再通过菲克原理来定量脑氧代谢的主要参数；第二类为T2弛豫自旋标记成像(T2relaxation under spin tagging，TRUST)技术，通过测量上矢状窦中纯血的T2弛豫时间来得到Yv，再通过菲克原理来进行脑氧代谢主要参数的定量；第三类为基于静脉血的磁敏感值测量Yv的相位技术。本文对这些技术的基本原理及研究进展进行综述。

基于BOLD的方法

1990年美国贝尔实验室的Ogawa等[7]提出BOLD效应，发现血液中氧合血红蛋白具有抗磁性，其磁性与周围组织难以区分，而脱氧血红蛋白具有强的顺磁性，可以造成局部磁场的不均匀，引起血管内外T2WI、T2*WI信号的减低。传统的血氧水平依赖技术根据双室模型，假设血管外的脑组织具有均一性，而血管中脱氧血红蛋白的强顺磁性会造成其与周围脑组织的局部磁场的改变，引起T2WI、T2*WI信号减低，利用高场强磁共振梯度回波序列来检测这种变化，再根据Yablonskiy等[8]提出的数学模型计算OEF。具体公式可以简化如下：

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为静脉血容量百分比，γ为核旋磁比，Hct为红细胞比容，△χ0为动静脉血的磁敏感的差值，Yv为静脉血氧饱和度，Bo为主磁场的强度。R2*为横向弛豫率，R2＇为局部磁场不均匀对横向弛豫速率的贡献。所以，在已知R2＇的值时，可以计算出Yv，当动脉血饱和度取100%时，OEF=1-Yv。再结合CBF，可以计算出CMRO2。

早期多采用梯度自旋回波序列(gradient echo sampling of spin echo，GESSE)在一次扫描中同时获得T2WI和T2*WI值，再根据二室模型计算出OEF。结合灌注成像测得的CBF，根据菲克原理，可以计算出CMRO2值。但GESSE序列扫描时间较长，容易出现运动伪影，并且覆盖的感兴趣区域小，限制了其临床应用性。Fernndez-Seara等[9]提出了非对称自旋回波(asymmetric spin echo,ASE)多次平面回波成像序列的采集方法，解决了扫描时间长的问题，提高了信噪比，且无需测量R2值，克服了T2弛豫对信号的影响。

上述方法均需要吸入特殊的气体(通常是CO2或O2)，而Liu等[10]提出一种非侵入、无需特殊气体的BOLD技术来测量基线和视觉刺激状态下的绝对CMRO2，发现用速度选择性激发和动脉调零(velocity-selective excitation and arterial nulling,VSEAN)技术测得的OEF值与以前的文献报道用PET测得的值相似，而对响应视觉刺激的CMRO2的动态变化的估计与传统的基于特殊气体刺激的动态变化的估计也具有较好的一致性，这些结果说明无气体刺激的方法用于定量生理状态下CMRO2具有一定潜力。

双室模型将血管外脑组织视为均一性，忽略了脑脊液和水分子扩散运动的影响。随后又提出了多室模型(quantitative BOLD，qBOLD)。多室模型考虑到了不同脑组织成分如脑灰白质、脑脊液以及血液弛豫特点的不同，但需要多个参数进行拟合，存在较多不确定性，产生难以避免的误差。为了解决这个问题，Lee等[11]提出了交错式qBOLD(interleaved qBOLD，iqBOLD)方法，在单个脉冲序列中交错ASE和速度选择性自旋标记(velocity-selective spin -labeling,VSSL)模块,并在VSSL之前抑制脑脊液信号，从而可靠地估计脑静脉血体积分数及氧合血红蛋白的先验值，提高多参数拟合的稳健性，减少误差。但是，在极大地减少估计误差的前提下，iqBOLD技术目前只能做到单层面成像。如果进行多层面成像，不仅扫描时间成比例增加，而且先验值对估计误差的改善也不明显。

总的来说，BOLD技术结合CBF的测量可用于CMRO2的评估，但只能评估任务态和静息态CMRO2的改变，无论是通过无气体刺激的方法还是高碳酸血症的方法，均难以测量区域CMRO2的绝对值。

基于T2的方法

静脉窦是全脑静脉集结处，刘亚等[12]提出TRUST技术，通过上矢状窦纯血的T2弛豫时间定量Yv,利用菲克原理计算CMRO2。TRUST技术在成像层面之前，采用饱和脉冲来标记回流的静脉血液，将标记的与未标记的图像相减以获得只含有静脉血信号的图像。扫描序列由数据采集瓣和控制扫描瓣交错使用，每次采集包括4个范围为0～160 ms的有效回波时间，每次扫描前先采用预饱和序列来抑制静态组织信号，以提高信噪比。在标记回流静脉血液之前，图像采集前加入180°反转脉冲来提高纵向磁豫信号强度，再对成像层面进行未标记血成像来得到控制像，随后加入控制脉冲标记回流的静脉血，等待间隔1.2 s后采集图像，与控制像相减得到只有静脉血信号的灌注像。再用测得的T2WI值通过校正实验拟合出Yv，采用相位对比(phase-contrast，PC)技术结合3D结构像计算出的脑重量来评估大脑平均血流量[3]，最后根据菲克原理，得到Yv和CBF计算CMRO2。

传统的TRUST技术测定上矢状窦YV时仍需用PC技术单独测量全脑血流量。而基于T2的上矢状窦Yv测定方法和PC-MRI都是梯度回波序列，因此可以组合成一个序列，即双回波梯度回波(dual-echo gradient-recalled echo，OxFlow)序列。Rodgers等[13]提出一种新的组合方法-交错式TRUST (interleaved TRUST,iTRUST)技术，通过在T1弛豫周期内交错OxFlow,将时间分辨率提高到6 s，且实现了同时测量Yv和CBF。

TRUST技术通过从周围脑组织中分离出血流信号，避免了手动选择感兴趣区以及图像的体素要小于血管腔的前提条件，但TRUST技术空间分辨力低，无法识别小静脉的T2WI值信号，只能对全脑的平均氧代谢进行定量，而无法定量区域CMRO2。

基于相位的方法

脱氧血红蛋白主要位于静脉内，在外加磁场的作用下，血液内脱氧血红蛋白的强顺磁性导致静脉血管与周围脑组织的局部磁场间差异(ΔBvein-tissue)，相应质子失相位程度不同，最终导致相位的差异(Δφvein-tissue)，在高场强条件下，利用SWI的相位差图像可以检测到静脉血管与周围脑组织间相位的差异，利用Δφvein-tissue与ΔBvein-tissue的近似关系以及ΔBvein-tissue和静脉与周围脑组织磁化率的差异(Δχvein-tissue)的线性关系，可以得出Δχvein-tissue，再根据Δχvein-tissue与脱氧血红蛋白浓度的线性关系，可以计算出Yv。结合测得的局部或全脑CBF,利用菲克原理，可以测得局部或全脑的CMRO2。

Jain等[14]采用OxFlow的方法，对8位受试者以交错的方式在上矢状窦和颈部两个位置之间交替切换4个周期的梯度回波序列，在很短的时间内实现了对Yv和总脑血流量(total cerebral blood flow，tCBF)的同时测量，避免了相位重叠。所测得的CMRO2值与相关文献报道的值非常接近。该技术的无创性、稳定性使其适用于临床对脑氧代谢障碍相关疾病的评估，同时快速扫描的优势使其能在生理挑战下(如高碳酸血症、咖啡因刺激等)研究CMRO2的动态变化。Miao等[15]利用该方法测量缺氧和高碳酸血症状态下的静脉血氧含量,并与TRUST技术和临床金标准(颈内静脉导管置入术)测得的结果进行了比较,结果与经颈静脉置管测得的值一致性较好，但显著高于TRUST测得的结果，说明在缺氧和高碳酸血症状态下TRUST技术测得的结果可能被低估了。

与TRUST技术相比，基于相位的脑氧代谢测量方法结合ASL技术，可以定量区域CMRO2,同时高时间分辨率使其适用于生理挑战下的脑氧代谢的研究，但这是在假设血管为无限长的圆柱体且与主磁场平行的前提下[16],而这与血管的实际情况存在差异；红细胞比容(hematocrit，Hct)也多采用常数0.42，这容易受到主体间可变性的影响，在用于CMRO2的估算时会产生难以避免的误差。

早期的基于相位的方法，得到的只是磁敏感差异导致的相位变化信息，是磁敏感的半定量方法，近年来又兴起了定量磁敏感图(quantitative susceptibility mapping，QSM)技术。QSM技术通过相位信号来定量组织磁化率，再根据脱氧血红蛋白的浓度与组织磁化率之间的线性关系，可以无创测定Yv，且可以在任意方向和几何形状的静脉中对静脉血氧饱和度进行定量而不依赖于血管模型。目前的QSM技术通常采用多回波梯度序列来获取相位图像，并利用流动补偿(flow-compensated，FC)技术来克服由邻近快速血流引起的相移导致的局部伪影。通过相位图拟合、相位解缠绕来恢复相位周期、去除宽大的背景场，以及采用由场溯源的反演计算得到定量磁化率图(QSM)，可以计算每个体素内的磁化率值[17]。

场强不均匀以及组织间界面的磁化率的变化等，造成了背景场的宽大，降低了组织间的对比度。传统的SWI技术仅采用高通滤波的方法来去除背景场，同时也会过滤掉部分有用信息[18]。为了得到高质量的QSM，对背景场的去除提出了更高的要求。目前效果最好的两种方法分别是复杂谐波伪影去除法(sophisticated harmonic artifact reduction for phase data，SHARP)[19]和偶极场投影法(projection onto dipole fields,PDF)[20]，前者利用VOI内的外部磁场扰动不具有谐波而内部磁场产生的扰动具有谐波的特点，在保留VOI内有用信息的同时，去除了其内的外部磁场的扰动[17]。而后者认为在有限的空间内难以分离局部磁场与背景场，且容易造成计算误差。因此，通过扫描参照物，利用ROI外偶极背景场与ROI内偶极背景场内积接近0的特点，来分离局部磁场与背景场，很好地去除了空气-组织交界处的低频伪影。

除了对背景场的去除提出更高的要求之外，QSM还需要特定的算法，对得到的局部场图进行重建，来得到磁化率图像，从而精确定量磁化率。目前主要的重建方法包括多方向采样磁化率计算法[21]、贝叶斯正则化法[22]、k空间加权微分法[23]等。

Kudo等[24]利用QSM技术评估26例慢性单侧颈内动脉或大脑中动脉狭窄患者和15例健康受试者的OEF，并与金标准PET测得的值进行比较，结果与PET测得的值在大脑半球水平具有较好的一致性，但局部一致性不高，这可能与对静脉的分割程度以及脱氧血红蛋白的浓度有关。因此，优化扫描参数以及后处理方法可能会更有利于精准量化OEF。Fan等[25]对3位健康志愿者采集相位图以重建QSM图，来计算磁化率值和评估Yv，并比较L1和L2正则化的QSM图。测得的Yv在正常生理范围内，且L1正则化在所有血管倾斜方向的Yv绝对误差小于10%，并提供了比L2正则化更准确的Yv估计。Zhang等[26]采用QSM和ASL技术做了13位29～41岁健康受试者摄入200 mg咖啡因前后和OEF变化的定量CMRO2实验，发现摄取咖啡因后的OEF显著增加，且与CBF的减少趋势相一致，而所测得的CMRO2值也与相关文献采用PET技术测得的结果非常一致。说明在两种不同的生理状态下(咖啡因激发前和激发后)，采用QSM结合ASL可以绝对定量CMRO2。

使用单一的QSM技术定量CMRO2时 ,需要摄入特殊气体以及假设CBF与静脉血液体积分数是线性关系，或者基于最小局部方差(minimal local variance,MLV)[27]的算法，无需摄入特殊气体,但要在假设每种组织区块内(灰质和白质)CMRO2和非血液组织磁化率恒定的前提下，而qBOLD技术虽然能根据数据计算出静脉血液体积分数，需要假设非血液组织磁化率是常数[28]。由于两种方法都通过梯度回波序列获取数据，可以将QSM技术与qBOLD技术结合起来定量测量CMRO2,并克服这些假设条件。同时结合时间演变的聚类分析(cluster analysis of time evolution,CAT)方法，来提高反演qBOLD图像造成的低信噪比。

Cho等[29]采用QSM+qBOLD(QQ)技术重建11位健康受试者的CMRO2图，并与单独使用QSM和qBOLD技术进行对比，结果显示QQ技术获得CMRO2图的灰白质间对比度最高，OEF图比QSM技术获得的更均匀，比qBOLD技术获得的噪声更小，证明了QSM+qBOLD(QQ)技术的可行性。Cho等[30]利用QSM+qBOLD(QQ)技术，结合CAT评估了11位健康受试者与5位缺血性脑卒中患者的CMRO2及OEF,同时与未使用CAT时相比较，结果显示使用CAT时，在缺血性脑卒中患者中出现了预期的低OEF值，而未使用CAT时不能观察到；说明CAT能显著提高OEF图的信噪比及QQ技术的稳健性，为QQ技术的临床应用提供了可能。不能忽略的是，不同的聚类方法会产生不同的合适聚类数，可能对生成的OEF图产生影响。

值得注意的是，QSM提供的是相对的磁化率值，且扫描时间较长，这是未来研究中需要解决的问题。

小结及展望

脑氧代谢率是研究脑组织生理和病理状态的重要指标，适时了解脑氧代谢的动态变化对于疾病的发生发展极为重要，尤其在缺血性脑血管病方面。随着磁共振技术的不断发展，脑氧代谢成像不再局限于正电子发射断层显像技术。新的非侵入技术如QSM与以前的技术相比越发成熟、完善，但每种技术都有其优劣势。不同技术间的相互补充是比较理想的选择，比如QSM与qBOLD的组合，在实现量化CMRO2和OEF的同时,避免了特殊气体的摄入，成为近年研究的热点,通过引入CAT,能显著提高信噪比，为该技术的临床应用提供更大的可能性。而合适的聚类选择方法及最佳聚类数，以及实现iqBOLD的同步多层面成像是未来研究需要解决的问题。