阅读说明：本技术 一种低氧环境下动态测量氧代谢率的方法 (The method of oxygen metabolism rate is dynamically measured under a kind of low-oxygen environment ) 是由 高家红 张垚煜 于 2019-07-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及磁共振成像和生理参数检测领域,具体涉及一种低氧环境下动态测量氧代谢率的方法：一方面,结合动脉和静脉血中dHb对于BOLD信号的影响建立了新的模型；另一方面,建立了低氧环境下的M与正常氧环境下的M之间的关系。本发明提出的方法能够解决现有的动态测量CMRO<Sub>2</Sub>的模型不能适用于低氧环境的问题,为低氧环境下研究脑功能和脑疾病提供了新的工具。(The present invention relates to magnetic resonance imagings and physio-parameter detection field, and in particular to the method for oxygen metabolism rate is dynamically measured under a kind of low-oxygen environment: on the one hand, the influence in conjunction with dHb in artery and venous blood for BOLD signal establishes new model；On the other hand, the relationship between the M under the M and normal oxygen conditions under low-oxygen environment is established.Method proposed by the present invention is able to solve existing dynamic measurement CMRO 2 Model the problem of being not applied for low-oxygen environment, to study brain function under low-oxygen environment and cerebral disease provides new tool.)

一种低氧环境下动态测量氧代谢率的方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像和生理参数检测领域，具体涉及一种低氧环境下动态测量氧代谢率的方法。

背景技术

大脑的氧代谢率(CMRO2)表征单位体积的脑组织在单位时间内的氧气消耗量，是大脑重要的生理参数。CMRO2已被证明与多种脑疾病(如脑中风、脑肿瘤和阿尔兹海默症等)密切相关。动态测量CMRO2有助于探究大脑在执行任务时的工作机制。

基于磁共振成像(MRI)技术，传统的动态测量CMRO2的方法利用了Davis等人提出的模型(以下简称“Davis模型”)¹。Davis模型假设大脑处于正常的氧环境下，或者说动脉血的氧饱和度(Ya)近似于1，脱氧血红蛋白(dHb)的浓度近似于0。通过MRI技术获得脑血体积(CBV)信号、脑血流(CBF)信号、血氧水平依赖 (BOLD)信号以及矫正参数M，建立方程式即可推算出CMRO2信号¹。

然而，在高原或者特定的脑疾病环境下，大脑处于低氧环境，或者说Ya低于0.9。此时，Davis模型不再适用，原因有二。其一，在Davis模型Ya～1的假设下，BOLD 信号主要来源于静脉血中的dHb的浓度变化¹，即忽略了动脉血的贡献。而在低氧环境下，动脉和静脉血中的dHb都对BOLD信号有贡献。其二，在Davis模型中，M是在正常氧环境下利用吸入高碳酸气体时CBF上升，但CMRO2不变的生理现象测量得到¹。而在低氧环境下，该生理现象被打破，低氧环境下的M无法按照原方法测得。

发明内容

为了解决Davis模型不适用于低氧环境的问题，本发明基于MRI技术，提出一种在低氧环境下动态测量CMRO2的方法。一方面，结合动脉和静脉血中dHb对于 BOLD信号的影响建立了新的模型；另一方面，建立了低氧环境下的M与正常氧环境下的M之间的关系。本发明提出的方法能够解决Davis模型不能适用于低氧环境的问题，为低氧环境下研究脑功能和脑疾病提供了新的工具。

本发明提出的一种在低氧环境下动态测量CMRO2的方法，包括以下模型方案：

在以下方案中，定义下标0、a和v分别代表静息状态、动脉和静脉；上标norm 和hypo分别代表正常氧和低氧状态；字母δ代表信号在任务状态下相对于静息状态下的百分比，例如δΒOLD＝BOLD/BOLD₀-1。

Boxerman等人提出有效横向弛豫时间的变化量，与血液中的氧饱和度(Y)以及CBV之间的关系为²：

其中A是一个由场强和样本性质所决定的常数；β是一个表征与血液和组织间磁化率差异的关系的常数，β＝1.5。

Davis等人提出δBOLD和之间的关系为¹：

其中TE为回波时间。

结合公式(1)和(2)，可得：

将血液分为动脉血和静脉血(毛细血管的血液按比例分配到动、静脉血中)³，Y

可以表示为：

Y＝αY_a+(1-α)Y_v, (4)

其中α为动脉血体积分数，α＝0.3。

根据菲克定律，CMRO2，CBF以及动、静脉氧含量(C_aO₂和C_vO₂)之间的关系可表示为：

CMRO₂＝CBF(C_aO₂-C_vO₂). (5)

其中C_aO₂和C_vO₂可进一步表示为：

其中代表血红蛋白(Hb)的携氧能力；[Hb]代表Hb的浓度；Y_a和Y_v分别代表动、静脉血的氧饱和度；P_aO₂和P_vO₂分别代表动、静脉血的氧分压；ε代表氧气在血液中的溶解度。在公式(6)和(7)中，等式右侧第一项代表与Hb结合的氧气，第二项代表溶解在血液中的氧气，后者<<前者，因此可被忽略。

结合公式(5)、(6)和(7)，可得：

结合公式(3)、(4)和(8)，可以推导出：

公式(1)-(9)适用于正常氧和低氧环境。

在正常氧环境下，将Y_a＝Y_a，0＝1带入公式(9)，可得

其中δCBV^norm、δCBF^norm和δBOLD^norm可以通过MRI手段测量得到，M^norm可以通过吸入高碳酸气体、高氧气体或高碳酸、高氧混合气体的方式测量得到¹。

低氧环境下的M^hypo无法通过吸入高碳酸的方式测量得到，但可以通过公式(3) 和(4)联系起来：

其中 可以通过MRI手段测量得到，可以通过脉搏血氧饱和度仪在手指端测量得到。

在求得M^hypo后，可将M^hypo带入公式(9)，得到一种低氧下动态测量CMRO2 的方法为：

本发明提出的一种在低氧环境下动态测量CMRO2的方法，包括以下操作步骤 (见图1)：

(1)使用者吸入高碳酸气体、高氧气体或高碳酸、高氧混合气体的方式测量 M^norm。

(2)获取使用者正常氧、静息状态下动脉血氧饱和度静脉血氧饱和度和脑血体积信号

(3)获取使用者低氧、静息状态下动脉血氧饱和度静脉血氧饱和度脑血体积信号脑部血氧水平依赖信号脑血流信号的变化百分比和低氧、完成特定任务状态下动脉血氧饱和度脑血体积信号CBV^hypo、脑部血氧水平依赖信号BOLD^hypo、脑血流信号的变化百分比CBF^hypo；

(4)基于上述所获取的各信号值计算低氧环境下矫正参数M^hypo；

(5)基于上述低氧环境下所获取的各信号值及步骤(3)中所得的M^hypo计算低氧环境下该使用者在完成特定任务时的脑氧代谢率相对于静息状态下的变化百分比δCMRO2^hypo。

进一步地，上述方法中吸入高碳酸气体、高氧气体或高碳酸、高氧混合气体的方式测量M^norm的方法参照Davis等人¹、Chiarelli等人⁴或Gauthier等人⁵的方法。

进一步地，上述方法中静脉血氧饱和度通过MRI手段测量或者先验知识得到(见表1)；动脉血氧饱和度通过脉搏血氧饱和度仪在手指端测量得到。

进一步地，上述方法中脑部δBOLD、δCBF和δCBV信号通过MRI手段测量得到。

进一步地，步骤(1)中所述高碳酸气体由5％CO₂，21％O₂和74％N₂组成。

进一步地，步骤(2)中所述低氧环境指动脉血氧水平低于90％。

附图说明

图1是本发明的在低氧环境下测量CMRO2的流程图。

图2是在正常氧环境和低氧环境下视觉任务引起的CMRO2变化结果比较。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便于本领域技术人员对本发明更为彻底的理解。应该明白的是，本文公开的仅是具有代表性的一种较佳实施例。显然，本发明并不局限于本文所描述的任何具体结构、功能、器件和方法，也可以具有其他实施方式，或者是其他实施方式的组合。本发明中所描述的元素数目也可以设想为多个，除非明确限制为单数。此外，为避免其他例与本发明发生混淆，对于本领域中众所周知的一些技术特征和细节未进行描述。

实施例：

气体环境：本实例中的高碳酸气体由5％CO₂，21％O₂和74％N₂制成，低氧环境由12％O₂和88％N₂制成，分别储存在气瓶内，以15L/min的流量通过使用者所佩戴的非重复式呼吸面罩。

实验任务：本实例采用区块设计的视觉任务，由12秒预扫描和7个60秒的静息与视觉刺激交替出现的区块组成。视觉刺激被呈现在磁体间的电脑屏幕上，通过一个镜子反射到平躺在扫描床上的使用者眼中。在静息时段内，使用者看到的是一个黑色屏幕以及屏幕中央白色的十字注视点。在视觉刺激时段内，使用者看到的一个圆形的黑白棋盘格，每一个视觉刺激的区块内以1、4或8Hz的频率闪烁。在视觉任务过程中，使用者需要在432秒的任务过程中保持睁眼，并注视屏幕的中央。

MRI扫描：本实例中，δCBV、δCBF和δBOLD通过3 T MRI扫描系统，利用 Yang等人提出的血管空间占有率(VASO)，动脉自选标记(ASL)和BOLD信号同步采集序列获得⁶。针对视觉任务，选取穿过前连合、后连合并延伸到初级视觉皮层 (V1)的一层进行采集。具体的扫描参数为：视野大小＝260x 260mm²，矩阵大小＝ 64x64，层厚＝6mm，三个信号的TE分别为9.4ms、11.6ms和28.1ms，反转厚度＝ 102mm，CBV和CBF信号的反转时间(TI)分别为680ms和1200ms，重复时间 (TR)＝2000ms。

MRI信号处理：对在第一次/第二次/第三次回波采集的标记和非标记图像通过环绕平均/相减/平均的方法⁷获取VASO/ASL/BOLD图像。对视觉任务期间采集的图像去除线性漂移。对所有任务期间采集的图像进行空间平滑。通过一般线性模型(GLM) 来找到反应神经激活的体素。感兴趣区域(ROI)的定义是在低氧环境下，VASO、 ASL和BOLD信号都显著激活的体素。从使用者的ROI提取出他/她在完成任务时的VASO，ASL和BOLD的时间序列并分别标准化到相应信号的基线。基线的定义是每一组任务的第一分钟所有时间点的平均值。为了避免血液动力学响应对于结果的影响，每一个刺激任务开始后的前8s所采集的数据被移除，剩余数据的平均值计作该刺激任务引起的δVASO、δCBF或δBOLD响应。δCBV通过δVASO根据Lin等人的方法计算得到⁸。

进一步，将公式(10)中的δCMRO₂替换为0，并代入在高碳酸气体任务中测量得到的δCBV,δCBF以及δBOLD然后计算得到正常氧环境下的M^norm。低氧环境下的 M^hypo是通过公式(12)计算得到的。在本实例中，公式(11)和(12)中的参数参考表1。在得到M^norm和M^hypo以后，正常氧环境和低氧环境下δCMRO₂可分别通过公式(10)和(12)计算得到。

表1本实施例中公式(11)和(12)中的参数列表

图2是在本实例中测得在正常氧环境和低氧环境下视觉任务引起的CMRO2变化结果比较。低氧环境下视觉任务引起的CMRO2变化低于正常氧环境下视觉任务引起的CMRO2变化，这与使用现有的数学模拟技术所评估的结果一致⁹，说明了本方法的可行性。

参考文献：

1 Davis TL,Kwong KK,Weisskoff RM,Rosen BR.Calibrated functional MRI:Mapping the dynamics of oxidative metabolism.Proceedings of the NationalAcademy of Sciences 1998；95:1834–1839.

2 Boxerman JL,Bandettini PA,Kwong KK,Baker JR,Davis TL,Rosen BR etal.The intravascular contribution to fMRI signal change:Monte Carlo modelingand diffusion- weighted studies in vivo.Magn Reson Med 1995；34:4–10.

3 Lin W,Paczynski RP,Celik A,Kuppusamy K,Hsu CY,PowersWJ.Experimental hypoxemic hypoxia:changes in R2*of brain parenchymaaccurately reflect the combined effects of changes in arterial and cerebralvenous oxygen saturation.Magn Reson Med 1998；39:474–481.

4 Chiarelli PA,Bulte DP,Wise R,Gallichan D,Jezzard P.A calibrationmethod for quantitative BOLD fMRI based on hyperoxia.NeuroImage 2007；37:808–820.

5 Gauthier CJ,Hoge RD.A generalized procedure for calibrated MRIincorporating hyperoxia and hypercapnia.Human Brain Mapping 2013；34:1053–1069.

6 Yang YEA,Gu H,Stein EA.Simultaneous MRI acquisition of bloodvolume,blood flow, and blood oxygenation information during brainactivation.Magn Reson Med 2004；52: 1407–1417.

7 Lu H,Donahue MJ,van Zijl PCM.Detrimental effects of BOLD signal inarterial spin labeling fMRI at high field strength.Magn Reson Med 2006；56:546–552.

8 Lin A-L,Fox PT,Yang YEA,Lu H,Tan L-H,Gao J-H.Evaluation of MRImodels in the measurement of CMRO₂ and its relationship with CBF.Magn ResonMed 2008；60:380– 389.

9 Rodrigues Barreto F,Mangia S,Garrido Salmon CE.Effects of reducedoxygen availability on the vascular response and oxygen consumption of theactivated human visual cortex.J Magn Reson Imaging 2017；46:142–149。