脑氧代谢的影像学测定方法研究(2)
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。
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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。
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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]。
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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。, 百拇医药(雷少晖 张永海)
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。
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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。
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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]。
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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。, 百拇医药(雷少晖 张永海)