[論文レビュー] Cerebral oxygen extraction fraction MRI: techniques and applications

Dengrong Jiang, Hanzhang Lu|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2022

Advanced MRI Techniques and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、脳代謝および機能の主要バイオマーカーである脳酸素抽出率（OEF）を測定するMRIベースの技術についてレビューする。T2、位相、磁気感受率、脱酸化ヘモグロビン効果、BOLD信号キャリブレーションを用いた手法を詳細に説明し、15O-PETと比較して非侵襲的で放射線を伴わない利点を強調する。神経疾患への応用も含む。

ABSTRACT

The human brain constitutes 2% of the total body mass, but consumes 20% of the oxygen. The rate of the brain's oxygen utilization can be determined from the knowledge of cerebral blood flow and oxygen extraction fraction (OEF). Therefore, OEF is a key physiological parameter of the brain's function and metabolism. OEF has been suggested to be a useful biomarker in a number of brain diseases. With recent advances in MRI techniques, several MRI-based methods have been developed to measure OEF in the human brain. These MRI OEF techniques are based on T2 of blood, phase of blood signal, susceptibility of blood-containing voxel, effect of deoxyhemoglobin on signal behavior in extravascular tissue, and calibration of BOLD signal using gas-inhalation. Compared to 15O positron emission tomography, which is considered the "gold standard" for OEF measurement, MRI-based techniques are non-invasive, radiation-free, and have broader availabilities. This article provides a review of these emerging MRI-based OEF techniques. We first briefly introduce the role of OEF in brain oxygen homeostasis. We then review the methodological aspects of different categories of MRI OEF techniques, including their signal mechanisms, acquisition methods, and data analyses. Advantages and limitations of the techniques are discussed. Finally, we review key applications of these techniques in physiological and pathological conditions.

研究の動機と目的

• 脳酸素抽出率（OEF）を非侵襲的に測定するための新規MRI技術をレビューすること。OEFは重要な生理学的パラメータである。
• 異なるMRIベースのOEF技術間における信号メカニズム、画像収集プロTOCOL、およびデータ解析手法を比較すること。
• 15O-PET（基準法）と比較して、各MRI OEF手法の利点と制限を評価すること。
• OEF MRIの生理的および病理的脳状態における主な応用を要約すること。
• 医療物理学および神経科学分野の研究者を対象に、現在のOEF-MRI手法およびその臨床的潜在可能性について包括的な概要を提供すること。

提案手法

• 脱酸化赤血球に起因する磁気感受率効果を活用し、脱酸化血球におけるT2緩和の変化を用いてOEFを推定する。
• 脱酸化ヘモグロビンの磁気感受率が引き起こすMRI信号の位相シフトを用いてOEFを定量的に評価する。
• 血液含有ボクセルの磁気感受率を分析し、局所的OEF値を推定する。
• 血管外脳組織における脱酸化ヘモグロビンの信号挙動への影響をモデル化することで、OEFマップを導出する。
• 過換気状態でのBOLD信号変化をキャリブレーションすることで、電離放射線を伴わず基準OEFを推定する。
• これらのMRIベースのOEF手法を、確立された基準法である15O-PETと比較し、正確性、空間分解能、臨床的実用性の観点から評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるMRIベースの技術は、それぞれどのような信号メカニズムを用いて脳酸素抽出率（OEF）を測定するか？
• RQ2 各MRI OEF手法の正確性、分解能、スキャン時間という観点から、相対的な長所と短所は何か？
• RQ3 MRIで得られるOEF測定値は、現在の基準法である15O-PETの測定値とどのように比較できるか？
• RQ4 どのような生理的および病理的脳状態において、OEF MRIが臨床的有用性を示したか？
• RQ5 OEF-MRIを日常臨床応用にまで翻訳するにあたり、主なメソドロジカルな課題は何か？

主な発見

• MRIベースのOEF技術は、脳酸素代謝を測定するための非侵襲的で放射線を伴わない15O-PETの代替法を提供する。
• T2、位相、感受率、BOLDキャリブレーションに基づく複数のMRI手法が開発されており、それぞれ異なる信号メカニズムと性能のトレードオフを持つ。
• これらの手法により、OEFの局所的マッピングが可能となり、脳エネルギー代謝および低酸素状態の理解に貢献する。
• OEF MRIは、脳卒中、アルツハイマー病、脳腫瘍などの神経疾患における早期代謝変化を検出する可能性を示している。
• 進展は見られるが、標準化、定量的正確性、臨床応用への移行には、生理的要因およびスキャンシーケンスに起因するばらつきの影響が残る課題がある。
• 本レビューは、神経学および神経科学分野におけるOEF-MRIを臨床的実用バイオマーカーとして発展させる基盤を確立する。