[论文解读] 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 4

一句话总结

本文综述了基于磁共振成像（MRI）测量脑氧提取分数（OEF）的技术，OEF是脑代谢和功能的关键生物标志物。文章详细介绍了利用T2、相位、磁 susceptibility、脱氧血红蛋白效应以及BOLD信号校准的方法，强调其相较于¹⁵O-PET具有无创、无辐射的优势，并在神经疾病中具有应用潜力。

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.

研究动机与目标

• 综述新兴的MRI技术，用于非侵入性测量脑氧提取分数（OEF），这是关键的生理参数。
• 比较不同MRI基OEF技术的信号机制、采集协议和数据分析方法。
• 评估每种MRI OEF方法相对于金标准¹⁵O-PET的优势与局限性。
• 总结OEF-MRI在生理和病理脑状态下的关键应用。
• 为医学物理和神经科学领域的研究人员提供当前OEF-MRI方法及其临床潜力的全面概述。

提出的方法

• 利用脱氧血红蛋白引起的T2弛豫变化来估算OEF，利用其对信号衰减的磁 susceptibility 效应。
• 利用脱氧血红蛋白磁 susceptibility 引起的MRI信号相位偏移来量化OEF。
• 分析含血血管素的体素的磁 susceptibility，以推断区域OEF值。
• 通过建模脱氧血红蛋白对脑实质血管外组织信号行为的影响，推导OEF图。
• 通过高碳酸血症气体吸入期间BOLD信号变化的校准，估算基线OEF，且无需电离辐射。
• 将这些MRI基OEF方法与¹⁵O-PET（公认的金标准）在准确性、空间分辨率和临床可行性方面进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同MRI基技术如何利用不同的信号机制测量脑氧提取分数（OEF）？
• RQ2 在准确性、分辨率和扫描时间方面，每种MRI OEF技术的相对优势与局限性是什么？
• RQ3 MRI衍生的OEF测量结果与作为当前金标准的¹⁵O-PET结果相比如何？
• RQ4 OEF-MRI在哪些生理和病理脑状态下显示出临床实用性？
• RQ5 将OEF-MRI转化为常规临床应用的关键方法学挑战是什么？

主要发现

• 基于MRI的OEF技术为测量脑氧代谢提供了一种非侵入性、无辐射的替代方法，优于¹⁵O-PET。
• 已开发出多种MRI方法——基于T2、相位、磁 susceptibility 和BOLD校准——每种方法具有独特的信号机制和性能权衡。
• 这些技术可实现OEF的区域映射，为脑能量代谢和低氧状态提供深入见解。
• OEF-MRI在检测中风、阿尔茨海默病和脑肿瘤等神经疾病中的早期代谢改变方面显示出潜力。
• 尽管已取得进展，但由于生理和序列依赖性变异，标准化、量化准确性以及临床转化方面仍存在挑战。
• 本综述为未来将OEF-MRI发展为神经病学和神经科学中临床可行的生物标志物奠定了基础。