[논문 리뷰] Cerebral oxygen extraction fraction MRI: techniques and applications

Dengrong Jiang, Hanzhang Lu|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 03.

Advanced MRI Techniques and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 뇌 대사 및 기능의 핵심 생물학적 마커인 뇌산소산화분획(OEF)을 측정하기 위한 MRI 기반 기법을 검토한다. T2, 단계, 자화율, 탈산소화혈색소 효과 및 BOLD 신호 캘리브레이션을 활용한 방법을 상세히 기술하며, 15O-PET에 비해 비침습적이고 방사선이 없는 이점들을 강조한다. 이 기법들은 신경계 질환에 적용 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 뇌산소산화분획(OEF)을 비침습적으로 측정하기 위한 새로운 MRI 기법을 검토하는 것.
• 다양한 MRI 기반 OEF 기법 간의 신호 메커니즘, 촬영 프rotocol 및 데이터 분석 방법을 비교하는 것.
• 황금 표준인 15O-PET에 비해 각 MRI OEF 기법의 장점과 한계를 평가하는 것.
• OEF MRI의 생리적 및 병리적 뇌 상태에서의 응용을 요약하는 것.
• 의료물리학 및 신경과학 분야의 연구자들에게 현재의 OEF-MRI 방법론과 임상 잠재력에 대한 종합적 개요를 제공하는 것.

제안 방법

• 탈산소화혈색소의 자화율 효과에 의해 영향을 받는 혈액의 T2 감쇠 변화를 이용하여 OEF를 추정한다.
• 탈산소화혈색소의 자기적 비율로 인해 발생하는 MRI 신호의 단계 이동을 활용하여 OEF를 정량화한다.
• 혈액을 포함하는 볼륨에서의 자기적 비율을 분석하여 지역적 OEF 값을 유추한다.
• 혈관 외 뇌 조직에서 탈산소화혈색소의 영향을 모델링하여 OEF 맵을 유도한다.
• 고카프니아 기체 흡입 동안 BOLD 신호 변화를 캘리브레이션하여 이온화 방사선 없이 기저 OEF를 추정한다.
• 이러한 MRI 기반 OEF 기법들을 15O-PET, 기존의 황금 표준과 정확도, 공간 해상도 및 임상 가능성 측면에서 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 MRI 기반 기법들이 서로 다른 신호 메커니즘을 통해 뇌산소산화분획(OEF)을 어떻게 측정하는가?
• RQ2 정확도, 해상도 및 촬영 시간 측면에서 각 MRI OEF 기법의 상대적 강점과 한계는 무엇인가?
• RQ3 MRI로 유도된 OEF 측정치는 현재의 황금 표준인 15O-PET 측정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 OEF MRI는 어떤 생리적 및 병리적 뇌 상태에서 임상적 유용성을 보였는가?
• RQ5 OEF-MRI를 정규 임상 사용으로 이행하는 데 있어 핵심적인 방법론적 과제는 무엇인가?

주요 결과

• MRI 기반 OEF 기법들은 뇌산소산화대사 측정을 위해 15O-PET에 비해 비침습적이고 방사선이 없는 대안을 제공한다.
• T2, 단계, 자화율 및 BOLD 캘리브레이션에 기반한 여러 MRI 방법이 개발되었으며, 각각 다른 신호 메커니즘과 성능 상충 관계를 가진다.
• 이 기법들은 지역적 OEF 맵핑을 가능하게 하여 뇌 에너지 대사 및 저산소 상태에 대한 통찰을 제공한다.
• OEF MRI는 뇌졸중, 알츠하이머병 및 뇌종양과 같은 신경계 질환에서 조기 대사 변화를 탐지하는 데 유망한 성과를 보였다.
• 진전이 있었음에도 불구하고, 생리적 및 시퀀스에 의존하는 변동성으로 인해 표준화, 정량 정확도 및 임상 이행에 도전 과제가 남아 있다.
• 이 리뷰는 향후 OEF-MRI가 신경학 및 신경과학 분야에서 임상적으로 실현 가능한 생물학적 마커로 발전할 수 있는 기반을 마련한다.