脑血流在平原及高海拔地区动态变化的动脉自旋标记灌注成像研究

刘文佳 LIU Wenjia刘 洁 LIU Jie娄 昕 LOU Xin李 锐,3 LI Rui郑丹丹 ZHENG Dandan马 林 MA Lin

论著

脑血流在平原及高海拔地区动态变化的动脉自旋标记灌注成像研究

刘文佳1LIU Wenjia
刘 洁2LIU Jie
娄 昕1LOU Xin
李 锐1,3LI Rui
郑丹丹4ZHENG Dandan
马 林1MA Lin

作者单位1.解放军总医院放射诊断科 北京 100853 2.西藏军区总医院放射科 西藏拉萨 850000 3.南开大学医学院 天津 300071 4. 通用电气（中国）医疗集团MR影像研究中心 北京 100176

目的平原人口在急进高原时因低压缺氧会发生脑血流量改变。本研究利用动脉自旋标记技术测量平原受试者在平原及高海拔地区脑血流量值，进一步了解高原低压缺氧环境下脑血流量的动态变化。资料与方法6名平原健康受试者快速进驻高原并停留5 d，然后返回平原。扫描在平原和高原两地进行，试验仪器为2台同一机型的3.0T MR扫描仪。共进行8次MRI扫描，所有扫描参数一致，观察受试者脑血流量值的变化。结果受试者快速进驻高原后，脑血流量值较平原脑血流量值明显上升，并达到一定的峰值，进驻高原第1天全脑、灰质及白质区域的脑血流量值与平原脑血流量值相比，差异有统计学意义（P＜0.05）；高原停留第2天，脑血流量值有一定程度的下降，第3天稍有上升，然后脑血流量值持续下降至低于进驻高原前在平原的脑血流量值；回到平原1周后，全脑、灰质、白质区域的脑血流量值仍低于进驻高原前在平原的脑血流量值，差异有统计学意义（P＜0.05）。结论平原人口快速进驻高原后，脑血流量会有一定程度的升高，随着高原习服，脑血流量逐渐降低至低于平原脑血流量水平。

缺氧；脑血管循环；磁共振成像；灌注成像；动脉自旋标记；图像处理，计算机辅助；高海拔

人类进入高海拔地区时，由于海拔高、大气压低、空气稀薄、氧含量低等原因，会引起头痛、乏力、恶心、呕吐、失眠等一系列症状，称为急性高原反应[1]，其中头痛是诊断急性高原反应的必要条件。尽管高原头痛最常发生于急性暴露于低压缺氧环境的人群，但其发病机制目前尚未阐明[2]。脑外伤、脑出血及脑梗死等多种病理过程可以导致脑供氧不足[3]。由于脑外伤或者脑血管意外发生的部位及患者的特征差别较大，研究由此产生的脑缺氧的生理病理变化极其困难，无法实现可重复性及可控的研究。因此，探讨平原人口在高原缺氧环境下的脑血流变化对于研究脑血管疾病中脑缺氧时脑血流的改变具有极为重要的意义。既往关于高海拔缺氧环境下脑血流量的变化研究较多，大多数研究应用经颅多普勒或通过在平原模拟高原缺氧环境的方法测量脑血流量值的变化，但这两种方式均存在自身的不足，不能真实地反映高原环境下脑血流量的改变[2,4-5]。本研究利用动脉自旋标记（3D arterial spin-labeling，3D ASL）技术测量平原人口在平原及高海拔地区脑血流量值的变化，进一步了解高海拔低压缺氧环境下脑血流量的动态变化。

1 资料与方法

1.1 研究对象 健康志愿者6名，其中男3名，女3名；年龄24～27岁。所有受试者均为右利手，均受过高等教育，既往身体健康，无高原（海拔＞1500 m）进驻史。排除标准：脑部器质性病变、颅脑外伤、精神类疾病史、近期服用药物。MRI和磁共振血管造影（MRA）检查排除脑部疾病和血管变异的志愿者。本研究通过医学伦理委员会批准，明确研究对象无MRI检查禁忌证，志愿者在试验开始前签署知情同意书。受试者在试验期间禁止吸烟及饮用咖啡、含酒精类饮料。

1.2 仪器与方法 试验地点为北京（海拔20～60 m）和拉萨（海拔3658 m），试验仪器为2台同一机型的3.0T MR扫描仪（GE Discovery MR 750）。所有受试者首先在平原扫描，扫描结束后乘飞机前往高原，下飞机后当天进行扫描。在高原停留5 d，每天在相同时间进行扫描。然后返回平原，当天进行一次扫描，返回7 d后进行另一次扫描。共扫描8次。

1.3 扫描方法 8次扫描均采用GE Discovery MR 750扫描仪，采集线圈采用8通道颅脑线圈。扫描序列包括三维快速扰相梯度回波（3D T1-FSPGR）和3D ASL。3D T1-FSPGR扫描参数：TR 6.9 ms，TE 2.9 ms，视野256 mm×256 mm，矩阵256×256，层厚1.0mm，扫描层数为188层，扫描时间4 min 47 s。3D ASL扫描参数：TR 4844 ms，TE 10.53 ms，标记后延迟2.0s，视野240 mm×240 mm，激励次数3，层厚4 mm，扫描层数为36层，扫描时间4 min 41 s。

1.4 脑血流量图像数据处理 采用GE ADW 4.5工作站获取脑血流量数据，并将其进行存储。利用Matlab、SPM、ASLtoolbox软件包对脑血流量图像进行基于体素水平的预处理，其中去颅骨部分需要调用FSL工具包中的bet程序算法来实现。具体操作为：①使用SPM8将脑血流量的原始数据（DICOM格式）转化成NIFTI格式；②实现T1加权像与脑血流量图像的融合，即将T1加权像上采样到脑血流量图像空间；③将脑血流量图像进行去颅骨操作，使用FSL的bet程序算法去除颅骨，以减少非脑组织噪声信号对分析结果的影响；④实现对脑血流量图像和标准空间的配准，将T1加权像分割成灰质、白质和脑脊液，利用分割过程中生成的转化矩阵，将脑血流量图像配准到标准的蒙特利尔空间（MNI空间）（图1）；⑤对脑血流量图像做平滑操作，使用8 mm（FWHM）高斯核对标准化后的图像做平滑。

1.5 统计学方法 按照数据采集时间将6名受试者的数据分成8组，绘制基于时间点的脑血流量变化曲线。将第2～8个时间点的数据和第1个时间点的数据分别做比较，采用配对t检验进行分析，P＜0.05表示差异有统计学意义。

图1 3D T1加权像分割成灰质、白质，将其与脑血流量图像融合获取灰质、白质区域脑血流

2 结果

6名受试者在平原及高海拔地区8个不同时间点的全脑、灰质及白质区域脑血流量平均值见图2。由图2可见，快速进驻高原后，全脑、灰质及白质区域的脑血流量值与平原脑血流量值相比明显上升，并达到一定的峰值。进驻高原第1天全脑、灰质及白质区域的脑血流量值与平原脑血流量值相比，差异有统计学意义（P＜0.05），其中白质区域的脑血流量值增加更为显著。在高原停留期间，可见在高原第2天，全脑、灰质及白质区域的脑血流量值有一定程度的下降，第3天稍有上升，然后脑血流量值持续下降。返回平原后，全脑、灰质及白质区域的脑血流量值均低于进驻高原前水平，但仅白质脑血流量值差异有统计学意义（P＜0.05）。回到平原1周后，全脑、灰质、白质区域的脑血流量值仍低于进驻高原前在平原的脑血流量值，差异有统计学意义（P＜0.05）。

图2 受试者在平原及高海拔地区脑血流量的动态变化

3 讨论

经颅多普勒具有便于携带、无创等优点，广泛用于检测高海拔地区脑血流，但是其本身具有很大的局限性：①每次操作者探头摆放的角度不同，检测的数据会存在较大差异，使2次测量之间缺乏较好的可重复性；②用多普勒计算脑血流量值的基础是认为血流为层流，通过使用最大大脑中动脉直径及血流的速度计算脑血流量值。该检测方法中认为大脑中动脉的直径是恒定的，这在一定程度上是不准确的。Wilson等[6]在高海拔地区使用经颅双功能彩色多普勒超声检测人大脑中动脉直径及血流速度，同时在平原地区模拟低氧情况下使用MRI检测大脑中动脉直径，发现尽管2次检测之间大脑中动脉直径的变化趋势一致，但多普勒超声和MRI检测的大脑中动脉直径存在较大的差异。另外，在低氧环境下，大脑中动脉的直径会发生改变[6]。在平原模拟高海拔地区缺氧条件进行脑血流量的测量，与真实高原环境下脑血流量的改变也存在不同。低氧仅仅是高海拔地区与平原环境的众多不同点之一，高海拔地区缺氧同时伴随大气压力低、空气干燥等诸多因素。同时，在平原模拟低氧时，受试者暴露于低氧环境时间短，不能有效地模拟在高海拔地区停留时脑血流量的改变。

本研究首次在高海拔地区采用3D ASL技术测量脑血流量值的变化，该技术与经颅多普勒相比，具有以下优点：①3D ASL技术测量脑血流量具有较好的可信度及可重复性[7]。②3D ASL不但可以测量全脑的脑血流量值，还可以基于体素对脑血流量值进行分析，获得区域性的脑血流量值。本研究发现，6名受试者快速进驻高原后，全脑、灰质及白质区域的脑血流量平均值显著高于在平原的脑血流量值，并达到一定的峰值，这一发现与既往研究结果一致。Severinghaus等[8]最先报道在最初进驻高原6～12 h内，脑血流量与平原脑血流量相比明显增加。③本研究发现，白质区域的脑血流量值增加较灰质更为显著。既往研究发现，高原性脑水肿时水肿主要局限于白质区域，一定程度上是由于白质的血管调节能力有限[9]。这一现象可能与高海拔缺氧环境下白质脑血流量值的增加高于灰质有关。

本组受试者进驻高原第1天，全脑、灰质及白质区域的脑血流量与刚到高原相比开始下降。尽管第3天有少许升高，第4天与第5天脑血流量持续下降。返回平原后脑血流量继续下降至低于进驻高原前在平原的脑血流量值。Severinghaus等[8]研究发现，在高原停留2～4 d后脑血流量与初到高原时相比下降，慢慢恢复至平原时水平[8]。本研究发现，在高原停留2～3 d后脑血流量开始下降，返回平原及返回平原1周后脑血流量持续下降至低于进驻高原前在平原的脑血流量值，推测这种脑血流量的改变可能是诸多因素作用的结果。脑血流受4种调节因素作用：低氧通气反应、高碳酸通气反应、缺氧性脑血管扩张和低碳酸性脑血管收缩[8]。快速进入高海拔地区时，缺氧会导致多种介质的释放，如腺苷、P物质、前列腺素、一氧化氮等，从而引起脑血管扩张，进而使脑血流增加。随着对高海拔的习服，红细胞生成增加，过度通气引起的低碳酸血症会引起脑血管收缩，同时酸碱平衡、血液学改变、血管生成等因素会使脑血流慢慢下降，甚至低于平原水平。

本研究利用3D ASL技术测量平原人群在平原地区及高海拔地区脑血流量值的变化，增强了对于高海拔低氧环境下脑血流改变的认识，对进一步探讨脑在高海拔环境下适应缺氧过程、功能改变及其机制具有重要意义。未来可以将高海拔地区脑适应缺氧的过程作为急性或者慢性缺氧对于脑部影响的研究模型，为更好地研究临床急性或慢性缺氧性疾病（如缺氧性脑卒中）提供条件。

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[3]Zhang K,Zhu LL,Fan M. Oxygen,a key factor regulating cell behavior during neurogenesis and cerebral diseases. Front Mol Neurosci,2011,4: 5.

[4]Feddersen B,Neupane P,Thanbichler F,et al. Regional differences in the cerebral blood flow velocity response to hypobaric hypoxia at high altitudes. J Cereb Blood Flow Metab,2015,35(11): 1846-1851.

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（本文编辑 张春辉）

Three-dimensional Arterial Spin-labeling Perfusion Imaging in Measuring the Dynamic Changes of Cerebral Blood Flow Between Plain and High Altitude Areas

PurposeIt is well known hypobaric hypoxia occurs with acute exposure to high altitude,with commonly associated change of cerebral blood flow (CBF). In this work,three-dimensional arterial spin-labeling (3D ASL) was used to monitor the change of CBF to further extend our understanding of hypobaric hypoxia.Materials and MethodsSix healthy subjects were recruited for this study,they were asked to stay at high altitude areas for 5 days,and then returned to the plain. All subjects received MRI examination in both plain and high altitude areas using exactly the same 3.0T MR scanner. A total of 8 MR scans were performed,and all the parameters were kept the same,the changes of cerebral blood flow were observed.ResultsCBF increased obviously and reached its peak after acute exposure to high altitude,at the first day at high altitude,CBF measurements in global brain,grey matter and white matter increased significantly compared to the plain,the difference was statistically significant (P＜0.05); after that,the CBF measurements started to gradually decrease in the second day and a small climb on the third day at high altitude,then the CBF continued to drop after returning to sea level,even below that at sea level prior to departure. After 1 week back to the plain area,CBF measurements in global brain,grey matter and white matter were still lower than those before departure for high altitude areas,with a statistically significant difference (P＜0.05).ConclusionCBF measurements had obvious increase upon initial arrival at high altitude,and then the CBF continued to drop even below that at sea level prior to departure.

Anoxia; Cerebrovascular circulation; Magnetic resonance imaging; Perfusion imaging; Arterial spin-labeling; Image processing,computer-assisted; Altitude

10.3969/j.issn.1005-5185.2015.12.001

马 林

Department of Radiology,PLA General Hospital,Beijing 100853,China

Address Correspondence to: MA Lin E-mail: cjr.malin@vip.163.com

R445.2

2015-11-17

修回日期：2015-12-08

中国医学影像学杂志2015年第23卷12期：881-883，891

Chinese Journal of Medical Imaging 2015 Volume 23(12): 881-883,891