磁共振氧摄取分数成像在缺血性脑卒中的应用初探

郭林英， 张顺， 石晶晶， 张水霞， 姚义好， 朱文珍



·中枢神经影像学·

磁共振氧摄取分数成像在缺血性脑卒中的应用初探

郭林英， 张顺， 石晶晶， 张水霞， 姚义好， 朱文珍

目的：初步探讨磁共振氧摄取分数(OEF)成像在缺血性脑卒中的应用价值。方法：本研究纳入13例缺血性脑卒中患者，均行常规MRI序列(T1WI、T2WI、T2-FLAIR)、DWI、三维动脉自旋标记成像(3D-ASL)及OEF序列扫描，观察脑梗死区域的氧摄取分数(OEF)、静脉血容量百分数(vCBV)、可逆性横向驰豫率(R2*)较对侧正常镜像区域的变化情况。结果：13例患者中，6例脑梗死区域OEF增加，其中4例vCBV、R2*增加，1例vCBV减低、R2'无明显变化，1例vCBV、R2*信号均无明显变化；7例脑梗死区域OEF减低，其中6例vCBV、R2*减低，1例vCBV增加、R2*无明显变化。结论：MRI-OEF序列有望应用于评估缺血性脑卒中患者的血流动力学变化及组织细胞氧代谢状态。

磁共振成像； 氧摄取分数成像； 缺血性脑卒中

缺血性脑卒中是一种常见的脑血管病，具有发病率、病死率、致残率和复发率较高的特点。最常见的病因是动脉硬化性血管狭窄、急性血栓形成造成的局部脑血管闭塞。局部脑血管闭塞引起血流灌注压下降，脑血流量(cerebral blood flow，CBF)减少，初期脑细胞通过增加氧摄取分数以代偿供能，但超过代偿极限后，细胞能量供应出现障碍，逐渐崩解死亡，最终失去摄氧能力。磁共振功能成像技术在缺血性脑卒中的早期诊断及指导溶栓治疗中可发挥重要作用。

磁共振氧摄取分数(oxygen extraction fraction，OEF)成像是近年来发展起来的一项MRI新技术，可活体评价组织器官的血流动力学氧代谢情况。通过采用非对称自旋回波(asymmetric spin-echo，ASE)快速平面回波成像(echo-planar imaging，EPI)技术[1-2]，基于脑组织细胞的代谢状态，可无创性地定量获得组织的OEF、静脉血容量百分数(fractional cerebral venous blood volume，vCBV)、可逆性横向驰豫率(reversible transverse relaxation rate，R2*)等参数[3-4]，从而可评价血流动力学相关参数在缺血性脑卒中的变化。与2D多回波自旋/梯度回波(multi-echo gradient echo/spin echo，GESSE)相比，ASE序列EPI技术具有扫描时间短、患者可耐受性好、可多层采集、运动伪影少等优点[5]。本研究初步探讨了磁共振氧摄取分数成像在缺血性脑卒中的临床应用价值。

材料与方法

1.研究对象

2014年9月-2015年1月本院43例急性缺血性脑卒中患者中共13例患者符合本研究的纳入标准，其中男8例，女5例，中位年龄55岁。病例纳入标准：①符合脑梗死的相应临床症状；②经常规MRI平扫及随后复查确诊为脑梗死；③病变位于单侧大脑半球。病例排除标准：①MRI图像上运动伪影明显；②脑干或小脑梗死；③有其它脑器质性病变或脑外伤者。13例患者自出现临床症状至MRI检查的时间间隔为4 h～10 d，其中超急性期(<6 h)2例，急性期(6 h～3 d)6例，亚急性期(3～14 d)5例。所有研究对象签署了知情同意书。

2.MRI检查方法

使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振扫描仪，32通道头线圈。MRI扫描序列及参数如下。T1WI：TR 2992 ms，TE 23.4 ms，TI 869.0 ms，视野24 cm×18 cm，矩阵320×320，激励次数1；T2WI：TR 4599.0 ms，TE 105.3 ms，视野24 cm×18 cm，矩阵320×224，激励次数2；T2-FLAIR：TR 8000.0 ms，TE 164.4 ms，TI 2100.0 ms，视野24 cm×24 cm，矩阵256×256，激励次数1；DWI：EPI序列，TR 3000 ms，TE 65.5 ms，视野24 cm×24 cm，矩阵160×160，激励次数4，b=0、1000 s/mm2；3D-动脉自旋标记成像：TR 4787.0 ms，TE 14.6 ms，视野24 cm×24 cm，分辨率1024×8，激励次数3，标记后延迟时间1525 ms；OEF成像：EPI序列，ASE脉冲，TR 4000 ms，TE 77.6 ms，视野24.0 cm×24.0 cm，矩阵128×128，激励次数2，扫描时间3 min 16 s。2例行T1WI、T2WI、3D-ASL复查，其中1例加扫TOF-MRA，1例加扫OEF检查。

3.磁共振OEF成像的理论基础及评价参数

OEF可以用公式表示为：

(1)

其中CaO2(arterial oxygen content)代表动脉血氧含量，CvO2(venous oxygen content)代表静脉血氧含量，在正常的生理条件下，可以将动脉血氧含量看作全饱和状态，即CaO2为100%，则OEF=1-CvO2。因此，可将脑组织中毛细血管和静脉内脱氧血红蛋白的含量作为OEF的特征性标记物。

R2*可通过R2*= R2*-R2获得。其中R2*为总横向驰豫率，R2*=1/T2*；R2为不可逆性横向驰豫率，R2=1/T2，R2与脱氧血红蛋白含量成正比[3]，主要反映因磁场不均匀性引起的信号丢失。

vCBV实际为磁敏感性物质所占的百分比，其主要由脱氧血红蛋白的含量决定，如果假定动脉血氧完全饱和，则脱氧血红蛋白主要位于脑组织内的静脉血管及毛细血管网中，故而可以反映含有脱氧血红蛋白的静脉血管及毛细血管网的百分比。

生理状态下脑组织的局部氧代谢率(regional cerebral metabolic rate for oxygen，rCMRO2)维持在一定的稳定水平，计算公式为[6]：

rCMRO2=rCBF×rOEF

(2)

4.图像处理与分析

将所有原始图像传输至GE ADW4.5工作站。采用Functool软件处理获得CBF伪彩图及OEF、vCBV和R2*参数图。对比分析患侧与健侧的OEF、vCBV、R2*值 。

结 果

DWI检查显示13例患者的脑组织内均有大小不等的高信号病变。13例患者的各项参数变化情况见表1。与对侧比较 ，病灶的CBF值均降低；6例病灶的OEF增加，其中4例vCBV、R2*增加， 1例vCBV减低、R2*无明显变化，1例vCBV、R2*均无明显变化；7例病灶的OEF减低，其中6例vCBV、R2*减低，1例vCBV增加、R2*无明显变化。13例患者病灶侧DWI高信号区ASL-CBF减低。

1例超急性期患者出现症状后4 h的MRI检查结果显示DWI高信号区的CBF减低、OEF增加、vCBV增加、R2*增加；经溶栓、抗血小板聚集等治疗后3个月行MRI复查，T2-FLAIR图像显示脑组织内未见明显异常信号(图1)。1例急性期患者出现症状后32 h的MRI检查结果显示，DWI高信号区的CBF减低、OEF增加、vCBV增加、R2*增加；5 d后复查示DWI高信号区中心区域的OEF减低、vCBV减低、R2*减低(图2)。

表1 所有患者病变区各参数的变化情况

注：出现症状至MRI检查的时间间隔；↑表示病灶区的参数值较对侧相应正常区域增加，↓表示病灶区参数值较对侧相应正常区域减低，─ 表示病灶区参数值与对侧相应正常区域无明显差异。

讨 论

在脑缺血事件中，脑血流动力学及代谢改变处于动态变化中。颅内血管闭塞等导致动脉灌注压降低时，主要有两种代偿反应：血管自动调节和增加氧摄取分数。最初，机体通过舒张血管、降低循环阻力、增加血容量来维持一定的脑血流量，同时rCMRO2相应的轻度减低以适应血流量的减少[7]；当灌注压进一步降低时，脑血流量明显减少，其减少的幅度远高于机体适应性rCMRO2减少，当血管塌陷、血管舒张调节机制受损，血容量明显减低，机体仅依靠增加氧摄取分数来满足正常的氧代谢需求，此时，磁共振氧摄取分数成像可探测到这种变化，表现为OEF图上信号增加，因局部代谢产生相对较多的脱氧血红蛋白，vCBV和R2*值轻度升高；当灌注压严重降低、氧摄取分数达到极限(即100%)仍不足以维持代谢需求时，局部rCMRO2明显减少直至零，能量供应不足，钠钾泵功能障碍，细胞内钠水潴留，细胞水肿崩解，结构完整性破坏，失去摄氧能力，发生不可逆性损伤，与此同时，血管舒张调节能力亦逐渐减低至消失，血容量降至零[8-10]，磁共振氧摄取分数成像表现为病灶的OEF值明显减小，因血流和代谢停止、局部脱氧血红蛋白减少，vCBV和R2*值减小。

图1 男，47岁，突发言语不清4h入院，MRI检查示左侧顶叶脑梗死。a) DWI示左顶叶有条片状高信号区(箭)； b) ASL-CBF伪彩图显示左侧顶叶病灶的CBF值(长箭)较对侧减低，其前部额顶交界处见匍匐状高信号区 (短箭)，提示为侧支循环血管开放； c) OEF图像显示左侧顶叶病灶的OEF值较对侧增高(长箭)，其前部额顶交界处可见一片状OEF值减低区(短箭)，提示为侧支循环的代偿灌注； d) vCBV图像显示左侧顶叶病灶的vCBV值较对侧增高，其前部额顶交界处可见一片状vCBV值增高区； e) R2*伪彩图显示左顶叶病灶的R2*值较对侧增高(长箭)，其前部额顶交界处可见一片状R2*值增高区(短箭)； f) 3个月后复查T2-FLAIR，显示原病灶区未见明显异常信号。

Grubb等[9]将脑缺血事件中血流动力学变化的演变过程分为3期。0期：血流灌注压力正常，血流量与组织代谢需求平衡；Ⅰ期：血管舒张减小血流阻力来维持一定的血流量，即血管自我调节机制，此期血容量增加；Ⅱ期：灌注压力严重减低，超出血管舒张的自我调节机制，血流量明显减低，细胞通过增加氧摄取分数维持氧代谢和脑功能。有研究者将II期称为贫困灌注期(misery perfusion)[11]，以低血流量及高氧摄取分数为特点，磁共振氧摄取分数成像显示缺血灶信号增加。本研究中6例患者显示病灶的OEF增加，处于贫困灌注期，此时细胞结构的完整性存在，积极有效地改善血流可使其恢复。

图； f) 复查DWI； g) 复查ASL-CBF图； h) 复查OEF图； i) 复查vCBV图； j) 复查R2*图。

图2 男，66岁，突发右侧肢体无力失语32小时入院。a～e) 入院时MRI：DWI示左侧额顶颞叶、基底节区可见楔形异常高信号区，ASL-CBF图示病灶的CBF较对侧明显减低，OEF、vCBV、R2*图示病灶OEF、vCBV、R2*值较对侧增高； f～j) 治疗5d后复查MRI：DWI示病灶范围较前略扩大，病灶的CBF较前增高、但仍低于对侧，OEF、vCBV、R2*图示左侧扩散受限区域的中心部位可见OEF、vCBV、R2*值较对侧减低(短箭)，但其周围的OEF、vCBF和R2*较对侧增高(长箭)。a) DWI； b) ASL-CBF图； c) OEF图； d) vCBV图； e) R2*

整体观察13例患者可发现，随脑卒中出现临床症状至进行检查的时间间隔的增加，病灶在OEF图像上呈现信号增高转为减低的趋势。本组2例患者分别于出现症状后4和32 h首次行MRI检查，ASL-CBF图显示缺血区的血流量减少，OEF成像显示缺血区信号增高；其中1例患者于出现症状5 d后进行复查，显示缺血灶的血流量仍未恢复，血流量持续减低使缺血灶(DWI高信号区)中心部位的OEF发生变化，由32 h时的增加转为减低，发展为梗死核心区，这一现象与脑缺血事件未受干预时的血流动力学及细胞代谢状态一致。而2号患者及时进行溶栓治疗后，低血流灌注得到改善，左顶叶DWI高信号区于3月后行T2-FLAIR复查时已基本恢复。另外1例患者出现脑卒中症状5 d后OEF成像显示缺血灶的OEF增加，似乎不符合随时间增加OEF逐渐减低的趋势。但Baron等[11]在对脑卒中患者进行PET的研究中发现，脑卒中症状发生后9、12、24 h和3～4 d后分别在100%、83%、57%和35%～45%的患者中发现贫困灌注现象。随脑卒中症状发生后时间的延长，存在贫困灌注区的患者虽逐渐减少，但仍可见于少数患者中。因此，提示本组中1例患者在脑卒中症状发生5 d后仍显示缺血灶的OEF值增加，可能为少数贫困灌注现象仍未消失的原因。

依据缺血的严重程度和对治疗的反应，可将脑卒中缺血区分为中心坏死区、缺血半暗带及良性低灌注区[12]。Pappat等[13]在大脑中动脉闭塞的狒狒模型中证实氧摄取分数增加区首先发生于中心部位，然后随时间进展逐渐向外发展。3 h后梗死中心区或深部大脑中动脉供血区的rCMRO2降低，而在外周皮质区rCMRO2仅轻度减低，细胞未发生崩解死亡。这种rCMRO2由中心向周围逐渐减低的现象称为动态半暗带现象[14]。本研究中3号患者(表1)磁共振复查时有类似表现：低血流灌注持续存在，其OEF减低区首先发生于DWI高信号区的中心部位，此时细胞结构完整性破坏，发生不可逆性损伤，摄氧能力受损，于OEF图上显示信号减低。而周边部位细胞OEF尚未明显减低。但可预测若严重低血流灌注状态持续而无法得到改善时，OEF减低区范围将由中心向周围逐渐扩大，rCMRO2由中心至周围逐渐减低，出现动态半暗带现象。

另外，本研究中2号患者左侧额顶交界处OEF值减低，而CBF值增加，依据rCMRO2=rCBF×rOEF，可能因侧支循环使局部血流供应增加，OEF相对减低，但其CMRO2仍维持在一定的稳定水平。

脑缺血事件发生后，若血流灌注持续减低，ASL-CBF持续下降，组织细胞代偿性增加OEF，发展为可逆性损伤区，即缺血半暗带(ischemic penumbra，IP)，此时细胞代谢障碍但结构完整性存在，随后可有两种演变趋势，如及时进行溶栓治疗等使局部出现血流再灌注，细胞可恢复功能；若持续缺血，细胞结构完整性被破坏，将发生不可逆性损伤。采用PWI-DWI模型评估缺血半暗带已得到一定的认可，但仍存在不足。DWI显示的扩散受限区域，细胞不一定发生不可逆性损伤，如给予及时的血流灌注，部分细胞可恢复正常，由此可推断DWI显示的扩散受限区域不能很好地代表梗死核心区。磁共振OEF成像是基于细胞代谢水平的成像方法，可获得细胞的代谢信息，能很好地反映血流灌注改变时细胞结构的完整性，对细胞的可逆性状态进行评估，有望更加准确地鉴别梗死核心区和缺血半暗带。

需要指出的是，本研究中未发现vCBV和R2*在缺血性脑卒中事件发生后的动态演变规律，可能为样本量有限所致，未来需要进一步扩大样本量进行更深入细致地研究。

总之，磁共振OEF成像作为一种无创性技术，可以定量测量细胞氧摄取分数、静脉血容量百分数、可逆性横向驰豫率，打破了常规MRI仅仅依据形态学及血流灌注评估脑卒中的限制。OEF成像从代谢方面反映了缺血区血流及细胞状态的改变，有望更加准确地区分梗死核心区、缺血半暗带和良性低灌注区，动态监测DWI高信号区的演变，有利于指导临床选择正确的溶栓治疗时间及治疗方案，在缺血性脑血管病中有重要的应用价值，可作为常规序列应用于临床工作中。

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The preliminary application of oxygen extraction fraction imaging in ischemic stroke:a 3T MRI study

GUO Lin-ying,ZHANG Shun,SHI Jing-jing,et al.

Department of Radiology,Tongji Hospital,Tongji Medical College,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430030,P.R.China

Objective:To estimate the feasibility and application value of magnetic resonance oxygen extraction fraction imaging (MRI-OEF) in ischemic stroke.Methods:Thirteen patients with ischemic stroke were enrolled in this study.All subjects underwent DWI,3D-ASL,OEF,and routine magnetic resonance imaging (T1WI、T2WI、T2FLAIR) scanning.The differences between ischemic region and the contralateral normal area in OEF、vCBV、R2*maps were observed.Results:Six of the thirteen patients showed high signal on OEF maps,four of the six demonstrated high signal on both vCBV and R2*maps,one demonstrated low signal on vCBV maps and normal on R2*maps,one looked normal in both vCBV and R2*maps.Another seven patients showed low signal on OEF maps,of which six showed low signal on both vCBV and R2*maps,the other one demonstrated high signal on vCBV maps and normal on R2*maps.Conclusion:MRI-OEF could be an additional method in evaluating the hemodynamic changes and assessing aerobic metabolism of cells in cerebral ischemic tissue,also it might have a great potential application in ischemic stroke.

Magnetic resonance imaging； Oxygen extraction fraction； Ischemic stroke

430030 武汉，华中科技大学同济医学院附属同济医院放射科

郭林英(1991-)，女，河南驻马店人，硕士研究生，主要从事中枢神经系统影像学研究工作。

朱文珍，E-mail：zhuwenzhen@hotmail.com

国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAI08B10)；国家自然科学基金项目(81171308、81401389)

R445.2； R743.3

A

1000-0313(2015)08-0817-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2015.08.004

2015-04-21

2015-06-01)