血管空间功能性磁共振成像的原理

1、血管空间功能性磁共振成像的原理【关键词】血管空间功能性磁共振成像血氧程度依赖性磁共振成像绝对脑血容量20世纪90年代以来,功能磁共振成像(funtinalagnetiresnaneiage,fri)技术除具有非侵入性、无放射性同位素参与以及可重复检查等优点外,其显著的优势在于具有较高的空间和时间分辨力,能将解剖和功能图像融为一体。特别是近年来清醒灵长类动物图像的成功获得,使神经生理学、神经药理学、神经心理学和病理生理学的活体实验影像研究成为现实，尤其对大脑认知功能的研究做出了宏大的奉献。目前所进展的fri研究大多基于血氧程度依赖法bld成像。其根本原理是:当大脑受到某种刺激或执行一项任务时，相

2、应区域大脑皮层活动增加，脑活动的增加伴随部分血流灌注和氧耗的增加，脑功能区皮质微血管的血流量、流速及脑血管容量增加，而细胞耗氧量增加相对并不明显，两者增加的不成比例导致功能活动区氧合血红蛋白增加，脱氧血红蛋白减少。由于人体血液中的氧合血红蛋白是抗磁性物质，脱氧血红蛋白是顺磁性物质，综合效应导致t2弛豫时间延长，r信号增强1。但是随着研究深化，发现bld-fri仍然存在诸多的缺乏之处，比方：在同一激活区内，血红蛋白中氧状态的变化，不仅受激活神经活动区域周围的微血管的信号影响，也受周围大血管的信号影响。这就容易造成激活信号并不非常准确地定位在灰质上。这种现象在低场强表现得尤为突出，尽管在高场强进步

3、分辨率的情况下可以进步定位的准确性，但是不能真正将神经活动区域内扩张的微血管和大血管内的血液信号完全区分开来2,3。2022年由luhz等首次提出了一种新技术-血管空间功能性磁共振成像vasularspaeupany-dependentfri，vas-fri)4,5，它消除了大血管中的血液信号，从而进步定位的准确性，而且它还能对脑血容量bv)进展定量检测，后者对于疾病的诊断和治疗有很大的帮助。vas-fri的原理及实现方法大脑血液受双重供应：一重是大血管，它们受交感神经的调控，对部分的脑血流不起主要作用；另一重是直径在100-200u的微血管，主要受内环境稳态的影响，比方2,n,前列腺素及k+

4、。脑功能成像不应来源于大血管，而是由相应脑激活区部分组织微血管和脑本质所产生的。所以，假如消除了大血管内的血液信号，就可以更准确的反响部分脑组织的激活。vas-fri是利用翻转回复序列ir消除脑大血管信号，然后使用平面回波序列epi进展bld信号采集。其原理类似于短反转时间的反转恢复序列(shrttiinversinrevery，stir)和液体衰减反转恢复序列fluidattenuatedinversinrevery，flair。在产生信号的90度脉冲前附加一个180度脉冲，两脉冲间隔时间称为反转恢复时间(ti)，根据大血管血液和脑组织t1值不同，选择不同的ti数值，选择性的抑制特定组织的信

5、号，如在场强为0.2t时,ti设为90-108s(脂肪t1值的69%),可以抑制脂肪信号;ti设为12001500s(游离水t1值的69%),可以抑制水信号。在大多数的vas试验中将ti设为710-1106s，就可以抑制大血管血液信号。所用序列为非层面选择反转恢复序列nsirnn-slie-seletiveinversinrevery，如图a所示4:两个90脉冲间的时间间隔是ts，90和180脉冲间的时间间隔为ts/2。1由于此序列只能在一次扫描中得到一个图像，既耗时得到的图像数量也少，2022年lu等对序列进展了改良，修改后序列为agi-vasultipleaquisitinsithglba

6、linversinyling,如图b所示6:在原来的180射频脉冲后连续使用三个90脉冲-epi的组合，这样得到的图像数就是原来的三倍。值得注意的是把ti从936s变为898s，因为在180和180的间隔之间要获得3层图像，信号的获取时间就要做相应的调整，在血液信号消除之前的那层获取时间要略微短些，而在消除血液信号之后的那层获取时间要略微长些。所以，将ti设为898s，可以从总体上到达消除血液信号的目的。vas-fri的应用1.脑功能成像使用vas-fri的图像的定位不是依赖血氧的浓度，而是消除了大血管血液信号后利用脑激活区内的水分子运动来实现定位。2022年lu等在1.5tr扫描机上使用va

7、s-fri，对17个受试者进展了黄蓝格子变化的视觉刺激脑功能成像实验，并将实验结果与使用传统bld技术获得的结果进展了比照。他们发现bld图像中激活点的分布范围很大，有13.7%分布在脑沟，甚至在上矢状窦及脑沟的位置都有激活点出现；vas可以清楚的将脑灰质、白质、血液区分开来，尤其是在灰质的定位准确行性可以到达98.6%以上。结果说明，vas在脑功能区激活定位方面比bld更加准确。随后，lu等分别使用屏气和过度通气的刺激方式，对2个男性受试者，分别进展vas和bld功能成像实验。详细刺激形式为重复屏气和自由呼吸6次，时间为20/40s；重复过度通气和自由呼吸4次，时间是40/40s。实验结果同

8、样证实了vas激活定位上的优势4,7。2.临床诊断方面2021年，lu等对h分级ii级以上胶质瘤定位性研究。他们选用39个神经胶质瘤患者作为受试对象，其中ii级包括低级别星形细胞瘤有9名，iii级有20名，iv级10名。在1.5t场强下使用vas-nsir序列进展检测，ti为920s。由于比照剂局限在血管腔内，且血脑屏障保持完好，所以vas图像和常规的bv图像很好的吻合。进一步的试验结果说明vastur表示肿瘤区的vas值可以将ii级星形细胞瘤与高级别星形细胞瘤区别开来，而iii级和iv级之间却无法区分，但是vasrati表示肿瘤区和对侧大脑半球的vas比值可以将ii与iii明显的区分开来，i

9、ii级与iv级之间也可以很好的区分。这样使得对脑胶质瘤的诊断的准确率到达71.8%，以及对不同级别胶质瘤的区分也很有帮助8。3.脑血容量的测定脑血容量bv是一个和脑的活动状态有着亲密关系的生理参数，许多病理状态下都伴随部分脑血容量(rbv)值异常，如急性脑出血、脑肿瘤、阿尔茨海默并动静脉畸形等。因此,bv的测定对于理解脑的生理病理过程具有很重要的作用。十九世纪九十年代，seley、sharzbauer和kuppusay等人9利用使用比照剂的前后ri血管的电位不同来测定部分脑组织的bv。这创始了检测bv的先河，但是seley所使用的这种方法不能在注入比照剂前后形成最大比照度，从而信噪比不高，所以

10、没有得到推广。信号反响了部分脑血流、血容量和血氧浓度的变化，而且在注入比照剂后，由于血脑屏障的阻挡作用，脑组织的t1值不会发生变化，而血液的t1值那么会从几乎为0变为最大，因此使用fri技术能在注入比照剂前后形成最大的比照度，成为检测脑血容量的最正确方法。由于去除了大血管血液信号，使用vas技术可以更加准确的定量检测bv值。2022年，lu等在1.5t的场强下与动态磁敏感比照dynaisuseptibilityntrast，ds进展比较，对10名受试者进展abv的定量试验。使用nsir序列，在注入比照剂前后分别对受试者进展2分12秒的扫描，注入比照剂后经过1分钟来使比照剂到达稳定状态后，再进展

11、扫描，ti分别为920s。通过sp数据后处理由bld信号变化推导出abv变化，从而实现abv值的定量，在灰质为5.5+0.2l/100lbrain而白质为1.4+0.1l/100lbrain。ds技术只能得到bv的值，而且其图像还会轻度的扭曲10。2022年，gu等在3.0t场强下，使用nsir序列，对受试者进展测试。试验分为两部分，第一部分对5个安康受试者进展静息和黑白或白黑方格图案的循环视觉刺激。第二部分对4名受试者使用2hz和8hz的闪烁方格刺激。其中ti选889s时搜集信号，试验测得在静息状态下受试者的avb平均值为5.0+1.5l/100lbrain，在给予视觉刺激时，abv就增加到

12、6.6+1.8l/100lbrain。在采用2hz和8hz的不同强度，发现abv在2hz时从4.5+0.4l/100lbrian增加到5.2+0.6l/100lbrian；在8hz时增加到5.9+0.6l/100lbrain。可见abv的增加和刺激强度的增加成正相关。这种方法既不会对受试者产生任何伤害，而且具有稳定性和可重复性11。2022年，lu等分别在1.5t和3t的场强下，对脊髓的bv进展定量。共选用10个受试者，在1.5t的场强下受试者为6人，在3.0t场强下受试者为4人。用体线圈发射信号，用颈线圈承受信号，其范围是从颈1椎体到颈7椎体。采用nsir序列，在注射比照差异不大，且具有显著

13、性意义12。结语lu等的研究对vas理论的建立和初步的临床应用做出了很大奉献。在他们的研究根底上，不断有学者进一步探究研究，对vas的缺乏如说信噪比较低等加以改良，使之更加完善。例如，benedikta等对vas的序列进展改良，使用ir-haste(inversinreveryhalf-furieraquisitinsingle-shtturbspineh)序列，给予受试者以视觉刺激，试验结果显示与原来的epi相比，使信噪比进步43%13。虽然vas-fri目前尚未大量应用于科研和临床，但其在abv的定量测定和在脑灰质的准确定位方面的优势，相信在将来的研究中会被逐渐认识和利用，并将在疾病的诊断、治疗和预后中发挥更大的作用。【参考文献】6.hanzhanglu,peter.vanzijl,jerenhendrikse,xavierglay.ultipleaquisitinsithglbalinversinyling(agi):aultislietehniquefrvasular-spae-upanydependentfri.agnetiresnaneinediine,2