磁共振定量血氧水平依赖成像对大鼠脑氧代谢评估的可行性研究.pdf

EXPERIMENTALSTUDY116实验研究磁共振定量血氧水平依赖成像对大鼠脑氧代谢评估的可行性研究刘云！高梦迪？王东东?巫伟伟？【摘要】目的：探讨磁共振定量血氧水平依赖（qBOLD）成像评估大鼠脑组织氧代谢的可行性。方法：利用7.0 T磁共振成像仪分别对5只健康SD大鼠以及5只C6胶质瘤大鼠麻醉后行qBOLD成像扫描，计算R2*、脑血流量（CBF）、氧饱和度（SO,）、氧摄取分数（OEF）和脑氧代谢率（CMRO,）。勾画荷瘤大鼠肿瘤组织、对侧脑灰质，记录正常脑组织、并比较肿瘤与对侧健康灰质氧代谢参数差异，研究BOLD成像信号影响因素。结果：健康大鼠灰质和白质的R2*值（单位：Hz）分别为37.41.2、36.2 1.7，SO,值分别为6 6.43.2、53.22.6（P 0.0 0 1），CBF值【单位：mL（10 0 g）-1mi n-分别为10 5.6 15.3、10 0.418.5（P=0.03），OEF值分别为0.330.0 2、0.310.0 1，CMRO,值【单位：mL（10 0 g）-1.mi n-分别为3.8 0.4、3.30.3（P 0.0 1）。荷瘤组大鼠肿瘤及对侧健康组织R2*、SO 2、CBF、O EF、CM RO,值分别为37.11.8、38.6 16.3，61.44.2、6 3.54.3（P=0.0 2)，10 4.416.3、12 0.32 0.3（P 0.0 1)，0.330.0 2、0.38 0.0 3（P 0.0 1)，3.6 0.3、3.9+0.6（P=0.0 4）。结论：磁共振qBOLD成像是评估大鼠脑氧代谢情况可靠、无创方法，可识别胶质瘤组织氧代谢变化。【关键词】磁共振成像；胶质瘤；氧代谢；血氧水平依赖中图分类号：R445.2文献标志码：A文章编号：10 0 6-57 41(2 0 2 4)0 1-0 116-0 4Evaluation of Cerebral Oxygen Metabolism in Rat by Quantitative Blood-Oxygen-Level-Dependent Imaging:An Exploratory ResearchLIU Yun,GAO Mengdi,WANG Dongdong,WU Weiwei?Abstract】Pu r p o s e:T o i n v e s t i g a t e t h e f e a s i b i l i t y o f q u a n t i t a t i v e b l o o d-o x y g e n-l e v e l-d e p e n d e n t i ma g i n g i nevaluating cerebral oxygen metabolism in rats.Methods:Five healthy SD rats and five SD rats with C6 glioma werescanned using a 7.0 T magnetic resonance imaging scanner,and the sequences included T2 map,T2star map anddynamic susceptibility contrast(DSC)perfusion imaging.The R2*,cerebral blood flow(CBF),oxygen saturation(SO,),oxygen extraction fraction(OEF)and cerebral metabolic rate of oxygen(CMRO,)maps were generated byMATLAB.The gray matter,white matter,left and right cerebral hemisphere of healthy rats,the tumor tissue andcontralateral gray matter were outlined manually.The R2*,CBF,SO2,OEF and CMRO,values of them wererecorded and analyzed.Results:The R2*(unit:Hz),SO,CBF unit:mL/(100 gmin),OEF,CMRO,unit:mL/(100 gmin)values of gray and white matter of the healthy rats were 37.41.2 and 36.21.7,66.43.2 and 53.22.6(P0.001),105.615.3 and 100.418.5(P0.05),0.330.02 and 0.310.01,3.80.4 and 3.30.3(P0.01),respectively.The R2*,SO2,CBF,OEF,CMRO,values of the tumors and the contralateral gray matter were 37.11.8 and 38.616.3,61.44.2 and 63.54.3(P=0.02),104.416.3 and 120.320.3(P0.01),0.330.02 and 0.380.03(P0.01),中国医学计算机成像杂志，2 0 2 4，30：116-119作者单位：1江西省新干县人民医院影像科2复旦大学附属华山医院宝山院区放射介人科通信地址：上海市宝山区陆翔路10 8 号，上海2 0 19 0 0通信作者：巫伟伟（电子邮箱：）基金项目：上海市卫健委临床卫生研究专项青年项目（2 0 2 0 4Y0423）Chin Comput Med Imag,2024,30:116-1191 Department of Radiology,Xingan County People s Hospital ofJiangxi Province2 Department of Radiological Intervention,Huashan Hospital North,Fudan UniversityAddress:108 Luxiang Road,Shanghai 201900,ChinaCorrespondence to:WUWeiwei(E-mail:weiweiwuma )Foundation item:Youth Program of Special Project for Clinical Researchof Shanghai Municipal Health Commission(20204Y0423)117ChinComputMedImag,2024,30(1)中国医学计算机成像杂志2 0 2 4年第30 卷第1期3.60.3 and 3.90.6(P-0.04),respectively.Conclusion:Quantitative blood-oxygen-level-dependent imaging is areliable and noninvasive method to evaluate the cerebral oxygen metabolism and can be used to identify the changesof oxygen metabolism in glioma.Key words Magnetic resonance imaging;Glioma;Oxygen metabolism;Blood-oxygen-level-dependent脑是人体重要器官，对能量代谢需求高，消耗人体所需总氧气的2 0%。评估氧代谢水平有助于了解脑中风、脑肿瘤等病理过程2 。磁共振功能成像具有无辐射、重复性好的优点，目前已有关于氧代谢的磁共振成像研究报道3。本研究通过对健康大鼠以及荷瘤大鼠进行磁共振定量血氧水平依赖负(quantitative blood-oxygenation-level-dependent,qBOLD)成像扫描，来验证qBOLD成像对大鼠脑氧代谢参数检测的可行性。方法1.大鼠胶质瘤模型对生长时间6 周的10 只（5只健康、5只荷瘤）雄性SD大鼠，1周后使用3.0 T磁共振仪对大鼠行T2WI扫描，当肿瘤体积达到50 0 mm时进人后续研究。2.磁共振扫描研究采用7.0 T小动物磁共振扫描仪(BrukerPharmaScan，Et t l i n g e n，G e r ma n y），分别于大鼠麻醉后行磁共振扫描。常规序列（T2WI）采集参数：TR4500ms，T E110 m S。q BO LD 成像采集参数如下。（1）T2mapping：T R=1 50 0 ms，T E=15ms，视野=30 mmx30mmx4mm，采集时间为40 0 s。(2）T 2 ST A R ma p p i n g：T R=10 0 ms，T E=4 ms，视野=30 mmx30mmx4mm，采集时间为38 0 s。（3）动态磁敏感对比增强虽(dynamic susceptibilitycontrast，D SC）成像：TR=400ms，T E=7.3ms，视野=30 mm30mm4mm，在DSC灌注扫描第10 期对大鼠行尾静脉注射造影剂0.6 mL，采集时间为32 0 s。3.图像处理与分析将扫描获取的DSC图像进行处理，评估DSC灌注曲线，计算全脑组织局部脑血容量量（rCBV）、局部脑血流量（rCBF）。利用Matalab计算得出R2*、氧饱和度（SO,）、氧摄取分数（OEF）、脑氧代谢率（CM RO,）值。在T2WI图像上选取肿瘤最大径层面，手动勾画每只荷瘤大鼠肿瘤组织的感兴趣区（ROI)。对于胶质瘤边界不清楚者，由2 名工作时间大于6 年的高年资医生讨论后进行。勾画同一层面肿瘤对侧纹状体，将前述ROI复制后分别置于R2*、CBF、SO,、OEF和CMRO,图上，并记录数据结果。4.乡统计学分析数据分析采用配对t检验，以比较肿瘤区域和对侧健康脑组织的数值差异，P值小于0.0 5时认定为有统计学意义。采用皮尔逊相关系数以检验R2*、SO,、CBF、O EF和CMRO,的相关性。5.ROI选择和排除标准（1）D SC灌注曲线异常；（2）拟合不收敛的体素；（3）CBV及CBF值为负值的体素（对应非生理值）；（4）SO,的计算值高于10 0%的体素（对应非生理值）；（5）CBV及CBF值超出有效性范围的体素。结果1.健康组大鼠健康大鼠灰质和白质的R2*值（单位：Hz）分别为37.41.2 和36.2 1.7，SO，值分别6 6.43.2 和53.2 2.6，CBF值单位：mL（10 0 g）-1min-分别为105.615.3和10 0.418.5，OEF值分别为0.330.0 2 和0.310.01，CM RO,值单位：mL（10 0 g）一1.min-分别为3.8 0.4和3.30.3，具体见表1、图1。2.荷瘤组大鼠荷瘤组大鼠肿瘤及对侧健康组织R2*、SO,、表1健康组大鼠磁共振氧代谢参数扫描部位R2*/HzSO2CBF/mL-(100 g)-l min-OEFCMRO,mL(100 g)-Imin-)灰质37.41.266.43.2105.615.30.330.023.80.4白质36.21.753.22.6100.418.50.310.013.30.3左半球36.81.560.12.2103.314.50.320.013.60.5右半球36.32.360.43.1103.618.80.320.023.60.4118ChinComputMedImag,2024,30(1)中国医学计算机成像杂志2 0 2 4年第30 卷第1期1B1F图1健康大鼠qBOLD成像A为冠状位T2WI解剖图；B为相同层面CBF；C为R2*值；DF分别为SO,、O EF和CMRO,图。CBF、O EF、CM RO,值分别为37.11.8、38.6 16.3，61.44.2、6 3.54.3，10 4.416.3、12 0.32 0.3，0.330.02、0.38 0.0 3，3.6 0.3、3.9 0.6。具体见表2、图2。表2荷瘤组大鼠磁共振氧代谢参数扫描部位R2*/HzSO2CBF/mL(100 g)-1 min-OEFCMRO,/mL(100 g)-1 min-健康组织37.11.861.44.2104.416.30.330.023.60.3肿瘤组织38.616.363.54.3120.320.30.380.033.90.62B20图2荷瘤大鼠qBOLD成像A为冠状位T2WI解剖图；B为相同层面CBF；C为R2*值；DF分别为SO2、O EF和CMRO,图。AF白色箭头所示为胶质瘤区域，红色圈为感瓶区讨论基于超顺磁性氧化铁计算血流分数的qBOLD成像方法对脑氧代谢的检测在人体得到验证，该研究3 认为多参数qBOLD成像可以获得脑氧代谢分布图。但有研究【4 纳人15名胶质瘤患者行qBOLD成像扫描、注射超顺磁性氧化铁对比剂后2 名患者的血清铁蛋白水平高于8 0 0 ng/mL，表明铁负荷过重，因此超顺磁性氧化铁对比剂阻碍了该方法的临床推广。而利用剂增强的DSC灌注成像可广泛应用于临床检查，并且除组织119ChinComputMedImag,2024,330(1)中国医学计算机成像杂志2 0 2 4年第30 卷第1期SO,外，还可以计算组织的OEF、CM RO,等氧代谢信息。相比超顺磁性氧化铁，钒剂在临床应用更为广泛。本研究发现健康大鼠脑组织SO,值约为6 1.4%，这与以往文献以及PET-CT获得的6 3%结果相仿5,其中脑灰质的SO2、CBF、O EF、CM RO,均高于白质，这与PET-CT报道的脑内均匀的OEF不同。其主要原因包括：（1）脑白质、灰质中存在不同的磁场扰动源，特别是在高场强磁共振扫描下，白质、灰质间存在显著对比，此时内源性脱氧血红蛋白对该相位对比度的作用很小。由于缺乏适当的数学模型，不容易精确评估这些因素对T2*值的影响。这在qBOLD模型中未被考虑，可以解释本研究中白质、灰质之间约13%的SO,差异（相当于T2*值5ms的差异）；（2）白质的内源性伪影【3；（3）大脑皮质结构在深度麻醉情况下，以灰质为主的功能活动度多于深部核团，特别是CBF明显高于深部白质，因此高灌注所携带的氧气以及氧代谢率、摄取分数均升高。以往研究7 】表明BOLD成像可检测组织氧代谢情况，然而本研究结果显示BOLD成像对荷瘤组大鼠肿瘤组织氧代谢显示结果差异很大，同一源性C6胶质瘤组织的T2*值与正常脑组织相比，结果不稳定（图3），这可能是因为基于T2*值变化的BOLD成像受多个参数影响，除组织血管内氧含量外，还受到T2值（对组织水肿敏感）、血容量分数（CBF，对血管生成敏感）以及宏观磁场不均匀性的影响。所以结合CBF和T2值可以提高基于T2*的血氧饱和度的敏感性和特异性。本研究发现，肿瘤组织平均R2*值与对侧正常组织相仿。然而，这两区域相仿的T2*值是由于肿瘤T2和CBF增加效应（特别是肿瘤生长阶段），而并非血氧水平的直接效应。3B3D图3胶质瘤组织影像及其对应的R2*值图A和C分别为C6胶质瘤组织T2WI影像，图B和D为肿瘤对应的R2*值（白箭头所示），图B的R2*值高于正常脑组织，而图D的R2*值低于正常脑组织。本研究具有一定的局限性：第一，磁共振所获取的组织SO,值，并不是关于目前用于定义肿瘤乏氧的组织氧分压的信息【8 ，而SO,与PO,间存在正性相关，因此SO,可间接反映组织的氧代谢信息。第二，基于数学模型的假设如水弥散受限或血管分布情况，可能会导致SO,值产生偏差，主要原因仍然是体素中存在非血管磁化率源，因此在肿瘤出血情况下，SO,值可能存在偏差。综上所述，磁共振qBOLD成像是评估健康大鼠脑氧代谢水平可靠的检测方法，并且可识别胶质瘤组织氧代谢变化。除SO,外，qBOLD成像还可以提供OEF、CM RO,等其他氧代谢参数信息。参考文献1 Jiang D,Lu H.Cerebral oxygen extraction 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