[发明专利]一种动态测量脑氧代谢率的方法

说明书

本发明公开了一种动态测量脑氧代谢率的方法，该方法采用基于灌注成像的多个非对称性自旋回波‑回波平面成像技术，即采用选层反转标记与非选层反转标记交替切换所组成的多回波信号采集方式，以选层与非选层信号相加/减的形式同步获得OEF和CBF加权图像，并结合费克定律最终实现了对CMRO₂动态变化的测量。本发明从根本上解决了校准BOLD法需要气体校准导致的一系列问题，大大提高了受试者的舒适度，扩大了适用人群，大幅度降低了操作的复杂性以及测量成本，进而有望建立不同人群的脑健康和脑疾病机制的研究，并推动推动神经科学和临床医学的发展。

技术领域

本发明涉及磁共振成像和生理参数测量领域，更具体地，涉及一种动态测量脑氧代谢率的方法。

背景技术

大脑约占人体总体重的2％，但消耗的能量却占人体消耗总能量的20％。大脑的能量需求几乎完全依赖于有氧代谢。因此，脑氧代谢率(Cerebral Metabolic Rate ofOxygen，CMRO₂)——大脑消耗氧的速度，被认为是脑组织活力和脑功能的关键指标。许多病症与CMRO₂的改变有关，例如亨廷顿氏病，阿尔茨海默病和脑卒中等。此外，CMRO₂的量化测量有助于理解静息状态、大脑活动和生理挑战期间的正常脑生理学。因此，开发安全无创的CMRO₂动态测量技术对了解脑正常功能和脑疾病神经生理机制、维护大脑健康、提升脑疾病的诊治水平，都具有重大的科学研究价值和潜在的临床应用前景。

基于磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)技术测量CMRO₂的方法主要为校准血氧水平依赖(Blood Oxygen Level Dependent，BOLD)法，是目前唯一一种能够用于测量CMRO₂动态变化的方法。该方法利用产生BOLD信号所依赖的脑血流量(CerebralBlood Flow，CBF)、脑血容量(Cerebral Blood Volume，CBV)、CMRO₂等生理量变化的生理模型来计算CMRO₂的动态变化。该方法不仅测量CBF、CBV和BOLD信号的变化，还需要对模型校准参数M进行定量测量。

目前，测量校准参数M的方法主要有三种：1)高碳酸气体校准法，该方法假设气体只会引起CBF的增加而CMRO₂保持不变，通过测量CBV、CBF和BOLD信号的变化来评估M；2)高氧气体校准法，假设高氧气体只改变静脉中的脱氧血红蛋白浓度，使得BOLD信号发生变化，而CBF和CMRO₂保持不变来计算得到M；3)高碳酸和高氧气体混合校准法，通过结合高碳酸气体和高氧气体法各自的优势进一步提高校准参数M的准确性。

综上所述，基于校准BOLD法测量CMRO₂的动态变化需要额外添加气体实验，这不仅增加了扫描时间，同时还因需要复杂的气体控制装置，增加了操作的复杂性以及测量成本。此外，气体实验所使用的一些混合气体并不适用于老人、儿童以及病人，从而限制了研究成果的受益人群，不利于对脑健康和脑疾病生理机制的全面研究。

发明内容

为了解决校准BOLD法测量脑氧代谢率需要额外使用气体的问题，本发明提出一种无需额外使用气体动态测量脑氧代谢率的方法，该方法将动脉自旋标记(Arterial SpinLabeling，ASL)技术与多个非对称性基于自旋回波的回波平面成像(MultiechoAsymmetric Spin Echo，MASE)技术相结合，同时得到脑血流量(Cerebral Blood Flow，CBF)和脑氧摄取分数(Oxygen Extraction Fraction，OEF)的变化信息，再由费克定律(δCMRO₂＝(1+δCBF)·(1+δOEF)-1)最终实现对脑氧代谢率CMRO₂动态变化的测量。因此，本发明提供一种基于灌注成像的多个非对称性自旋回波-回波平面成像技术(Perfusion MASE，PMASE)来动态测量脑氧代谢率。