衰老进程中脑氧代谢及灌注参数的变化规律研究.docx

    衰老进程中脑氧代谢及灌注参数的变化规律研究    吴迪,朱文珍,张顺,张巨人类大脑重量约占全身重量的2%,但是氧气消耗量却占全身氧消耗的20%之高[1]静息状态下,大脑几乎全部依赖葡萄糖有氧代谢以满足其神经活动所需要的能量供应,缺血缺氧数分钟即可导致脑组织发生不可逆的损伤甚至死亡[2]所以,脑氧代谢率(cerebral metabolic rate of oxygen,CMRO2)是反应脑组织活性和功能的关键指标,其调节对于维持正常认知功能至关重要[3-5]研究健康人群不同阶段脑氧代谢的变化将有助于我们理解大脑发育、成熟乃至衰老进程中神经活动的自发性改变以及对刺激的反应,对脑血管疾病、精神疾病、神经退行性疾病、颅脑创伤性损伤以及肿瘤等神经系统疾病的脑代谢及脑功能研究具有重要意义[3,5-9]CMRO2衡量组织氧摄取以及血液氧供给之间的相互作用关系在大脑衰老的过程中,针对静息状态下CMRO2的变化,不同研究所持观点不同部分学者认为CMRO2随年龄增长而降低,其原因与动脉粥样硬化所致持续低灌注和低氧气供给有关,或者与衰老伴随的细胞丢失(表现为灰质体积减少)或细胞功能改变(表现为氧利用率降低)相关[10,11]。

也有学者表示,尽管随年龄增长大脑结构进行性萎缩,但脑功能可以相对长时间维持稳定,这表明老年人群的大脑相较于青年人群消耗的能量更多,即CMRO2随年龄增长而上升[1]通过测量任务态下功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)信号变化,有研究发现信号改变随年龄上升而增加,推测CMRO2的改变也增加,但其他研究则报道工作记忆任务中CMRO2变化分数在体素水平随年龄降低,说明在发育过程中,大脑趋于向“高效节能”状态发展[11,12]因此,年龄与CMRO2之间的关系有待进一步明确CMRO2成像的金标准为正电子发射断层扫描(positron emission tomography,PET)PET利用静脉注射正电子核素15O标记的H215O定量脑血流量(cerebral blood flow,CBF),以及吸入15O2气体定量脑氧摄取分数(oxygen extraction fraction,OEF)和CMRO2但该项技术操作复杂且有创,具有较高辐射危害,放射性15O示踪剂制备及保存困难,空间分辨率低及部分容积效应显著,这些特点限制其临床应用。

MRI技术的发展使高空间分辨率全脑水平或体素水平的精准CMRO2定量得以实现氧合血红蛋白和去氧血红蛋白磁化性质的差异是MRI-CMRO2成像的基础MR信号,通常指横向弛豫时间(transverse relaxation time,T2)受血液中顺磁性去氧血红蛋白浓度的调节去氧血红蛋白浓度升高,T2缩短,MR信号降低,反之亦然既往研究中所用到的CMRO2成像技术有基于信号幅度(T2、T2*或T2’)的定量血氧水平依赖(quantitative blood oxygen level dependent,qBOLD)技术、自旋标记T2驰豫(T2-relaxation-under-spin-tagging,TRUST)技术、非对称自旋回波(asymmetric spin echo,ASE)技术等[13-15],也有基于信号相位的磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging,SWI)和定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping,QSM)等[16,17]结合信号幅度及相位信息,Cho等[18]提出了一种定量体素水平OEF的新方法:基于时间演变聚类分析(cluster analysis of time evolution,CAT)的QSM与qBOLD联合模型(QSM+qBOLD,),下文中均以“CAT-”表示。

该方法无需吸入混合气体或呼吸控制进行参数矫正,也克服了单独应用QSM或qBOLD技术时的参数假设,模型准确性在与PET金标准的对比研究中得到了印证,结合灌注成像定量的CBF即可最终获得CMRO2[19,20]基于此,本研究旨在利用CAT-技术联合磁共振灌注成像,探究健康人群衰老进程中大脑CMRO2、OEF以及CBF的变化规律,同时探讨性别、灰白质以及不同脑区之间的参数差异,以帮助理解脑氧代谢在衰老和疾病发生发展过程中的作用及意义,并进一步验证CAT-技术的可行性,为其在临床疾病中的应用夯实基础材料与方法1.健康志愿者招募本研究已通过机构医学伦理委员会的审查及批准,所有志愿者入组前均已知悉研究目的及内容,并签署知情同意书纳入标准:①20～70周岁;②无磁共振扫描禁忌症,如有支架、心脏起搏器、钢钉钢板等体内金属植入物,幽闭恐惧症等;③既往无重大躯体疾病史,如脑卒中、颅脑损伤、颅脑手术、精神分裂症、癫痫、恶性肿瘤等排除标准:①磁共振图像质量差,如较大运动伪影、部分图像缺失等;②磁共振图像预处理质量差研究队列:本研究共招募123例符合纳入标准的志愿者,9例志愿者的磁共振图像质量差,6例志愿者图像预处理质量差。

最终,本研究共纳入108例志愿者,其中男42例,女66例,20～29岁共19例,30～39岁共15例,40～49岁共14例,50～59岁共43例,60～69岁共17例2.磁共振图像采集所有MR图像的采集均由3.0T MR扫描仪(Discovery MR750,GE Healthcare)完成,采用32通道头部线圈,并使用弹性泡沫塑料限制头部运动告知志愿者检查当天勿剧烈运动、饮茶或饮咖啡磁共振序列及参数如下:①扩散加权成像(diffusion-weighted imaging,DWI):自旋回波平面成像,重复时间(repeat time,TR)3000 ms,回波时间(echo time,TE)65.5 ms,b值为0、1000 s/mm2,视野(field of view,FOV)240 mm×240 mm,矩阵160×160,层厚5 mm,层间距1.5 mm,层数20,采集时间42秒②T2液体衰减反转恢复序列(T2fluid attenuated inversion recovery,T2-FLAIR):自旋回波反转恢复,TR 8000 ms,TE 165 ms,反转时间(inversion time,TI)2100 ms,FOV 240 mm×240 mm,矩阵256×256,层厚5 mm,层间距1.5 mm,层数20,采集时间2分9秒。

③三维增强梯度回波T2*加权血管成像(enhanced gradient echo T2star weighted angiography,ESWAN),TR 42.8 ms,8个TE,TE1 4.5 ms,ΔTE 4.9 ms,FOV 240 mm×240 mm,矩阵416×320,层厚2 mm,层间距0 mm,层数70,翻转角20°,采集时间5分59秒④三维伪连续动脉自旋标记成像(three-dimensional pseudo-continuous arterial spin labeling,3D-pCASL):螺旋堆叠快速自旋回波,TR 4787 ms,TE 14.6 ms,标记时间(labeling duration,LD)1500 ms,标记后延迟时间(post-labeling delay,PLD)1525 ms,FOV 240 mm×240 mm,层厚4 mm,层间距0 mm,34对标记相和控制相,采集时间4分38秒⑤三维T1脑容积成像(three-dimensional T1brain volume,3D-T1BRAVO):扰相梯度回波序列,矢状面扫描,TR 7.1 ms,TE 2.7 ms,TI 450 ms,FOV 240 mm×280 mm,矩阵256×256,层厚1 mm,层间距0 mm,层数172,翻转角12°,采集时间4分16秒。

3.磁共振图像分析①参数图重建首先,联合ESWAN数据中的相位信息和幅度信息,基于CAT方法,进行OEF参数图的重建[18,21]CAT方法的核心思想为:具有相似幅度信号衰减特征的体素也具有相似的组织参数,将这些体素归为一个聚类,可以有效地提升信噪比,K均值聚类方法可以用于识别这些聚类其次,将3D-pCASL原始数据传入GE AW 4.6工作站,采用FuncTool工具获得CBF参数图最后,采用牛津大学脑功能磁共振成像中心软件库(FSL)的线性图像配准工具(FLIRT)[22,23]将重建后的CBF参数图配准至OEF参数图,使其具备相同的空间分辨率和空间位置,通过公式:CMRO2=CBF·OEF·[H]a(1)即可获得CMRO2参数图,其中[H]a表示血细胞比容为0.357的动脉血氧合血红蛋白浓度([H]a=7.377)②参数值提取步骤1:序列间图像配准采用FLIRT将3D-T1BRAVO图像配准至OEF参数图步骤2:结构像的空间标准化采用MATLAB中的CAT12工具包[24],对配准后的3D-T1BRAVO图像进行个体原始空间灰质、白质以及脑脊液的分割,得到个体原始空间灰质、白质以及全脑体积,相对体积为灰质(或白质)体积与全脑体积的比值。

同时,获得标准空间(MNI空间)的T1图像、全脑灰质及白质概率图,分别提取概率值大于0.7的体素制作全脑灰质及白质模板[25]步骤3:参数图的空间标准化采用步骤2中获得的T1到MNI空间的形变场,将CMRO2、OEF、CBF参数图配准至MNI空间步骤4:基于模板的不同脑区参数值提取采用ITK-SNAP软件(www.itksnap.org)和步骤2中获取的标准空间全脑灰质及白质模板,提取全脑灰质及白质的CMRO2、OEF、CBF值;利用全脑灰质模板以及标准空间的脑叶模板(额叶、颞叶、顶叶、岛叶、枕叶、小脑),生成只包含灰质区域的脑叶模板,并提取各参数值;利用标准空间的深部灰质核团模板(尾状核、壳核、苍白球、丘脑),提取各参数值参数值提取流程见图1图1 图像处理及参数提取流程4.统计分析统计分析与制图在IBM SPSS Statistics软件(阿蒙克,纽约,美国; Prism软件(圣地亚哥,加利福尼亚,美国;)中完成采用Kolmogorov-Smirnov检验及Levene检验进行连续型变量的正态分布及方差齐性检验连续型变量均用“均值±标准差”表示CMRO2、OEF、CBF参数值在全脑灰质与白质之间、男女性别之间的差异采用两样本t检验或者Mann-WhitneyU检验进行比较。

全脑灰白质相对体积与年龄的相关性、不同脑区各参数值与年龄的相关性、各参数值在脑区之间的相关性利用偏相关或Pearson相关性检验进行分析相关系数r取绝对值后,0～<0.1为无相关性,0.1～<0.3为弱相关,0.3～<0.5为中等相关,0.5～1.0为强相关[26]采用Bonferroni多重比较矫正的单因素方差分析比较各参数值在不同年龄段间的差异性脑区双尾P<0.05表示差异具有统计学意义今年，由他研发的APP经过一段时间推行后，使用软件的焊工、技术员比不使用的每天可节约1.5小时大家看到软件带来的好处后，开始慢慢接受新的理念和管理方式项目部分阶段取消了纸质版焊材领用卡很快，两个软件在十建项目现场全面使用，并取得了很好的效果今年3月份，十建组织各项目部来创新观摩，并将该项目部定为创新基地结 果1.全脑分析108例健康志愿者的全脑灰质CMRO2、OEF和CBF值分别为(122.22±27.30)μmol/(100g·min)、(27.80±4.09)%和(59.97±10.85)m。