实时双流速编码相位对比MRI实现神经体液同步动力学量化及其呼吸模式影响研究

《Fluids and Barriers of the CNS》：Synchronous quantification of arterial, venous, and cerebrospinal fluid flow dynamics using real-time phase-contrast MRI

本研究针对异步测量神经体液（血液和脑脊液）流动受心率、呼吸等生理变异干扰的问题，开发了同步实时双流速编码相位对比MRI技术，在健康人群中探究不同呼吸模式对流动动力学的影响。结果显示，同步测量显著提高了动脉/静脉与脑脊液流动的心脏耦合相关性（例如自由呼吸下同步耦合系数[0.81,0.93] vs. 异步[0.49,0.53]），并揭示了呼吸模式对流动功率及耦合参数的显著调节作用，为神经体液交互研究提供了更可靠的方法学基础。

　　

在大脑这个精密运转的"指挥中心"里，动脉血、静脉血和脑脊液（CSF）这三类神经体液的动态平衡扮演着至关重要的角色。它们不仅共同维持着颅内压力的稳定，还像城市的清洁系统一样，负责清除大脑代谢产生的"垃圾"，比如与阿尔茨海默病相关的β-淀粉样蛋白斑块。然而，当这个系统出现故障时，就可能引发脑积水、中风、Chiari畸形等严重疾病。

长期以来，科学家们使用相位对比（PC）磁共振成像（MRI）技术来观察这些体液的流动情况，但存在一个棘手的问题：由于动脉、静脉和脑脊液的流速差异巨大，传统技术只能分别进行测量，也就是所谓的"异步测量"。这就好比试图通过不同时间点拍摄的照片来拼凑一场舞蹈的全貌，难免会错过舞者之间的互动细节。心率波动、呼吸变化等生理因素的干扰，使得准确捕捉神经体液之间的耦合关系变得异常困难。

为了解决这一难题，威斯康星大学麦迪逊分校的Rivera-Rivera团队在《Fluids and Barriers of the CNS》上发表了一项创新研究，他们开发了一种同步实时双流速编码（dual venc）2D PC MRI技术，能够像同时录制多个角度的视频一样，一次性捕获动脉、静脉和脑脊液的流动动态。研究人员在10名健康参与者身上进行了实验，观察自由呼吸、节律呼吸和屏气等不同呼吸模式如何影响神经体液流动。

研究团队运用了几项关键技术：首先是 interleaved dual-venc 2D PC MRI 序列，结合黄金角螺旋采样轨迹，实现了75 cm/s（针对动脉血）和8 cm/s（针对脑脊液）两种流速编码的同步采集；其次是基于模型迭代重建（iterative SENSE with local-low rank constraint）的实时成像技术，将时间分辨率提升至122毫秒；此外，他们还采用了半自动动态感兴趣区域（ROI）分割方法，以应对呼吸引起的血管形状和位置变化；最后，通过功率谱分析和循环互相关（cross-correlation）计算，量化了不同频率（心脏频段0.7-1.5 Hz，呼吸频段≤0.50 Hz）下血流与脑脊液流动的耦合强度。

研究结果

实时图像与流动波形示例

研究成功重建了所有参与者的实时图像，图1展示了屏气 maneuver 期间的典型变化：颈内静脉（IJVs）在屏气时出现扩张（橙色箭头），同时血流和脑脊液流速显著降低。不同呼吸模式下的流动波形（图2）清晰显示了心脏和呼吸振荡的调制效应，屏气 maneuver 更是引起了所有体液 compartment 的净血流减少和心脏振荡减弱。

流动测量的可重复性

Bland-Altman分析（图4）表明，自由呼吸扫描的流动速率可重复性最高（动脉RPC=4.7-8.1%，脑脊液RPC=6.9%），而静脉（尤其是颈内静脉）的可重复性较低（RPC最高达58%）。扫描顺序（例如屏气扫描置于两次节律呼吸扫描之间）对 paced breathing 和 breath hold 扫描的流动测量产生了显著影响，表现为负向偏差，这可能与屏气引起的生理状态变化（如心率下降）有关。

心脏与呼吸流动功率

功率分析（图5）显示，不同呼吸模式对心脏和呼吸流动功率产生了显著影响。总体而言，心脏流动功率在自由呼吸时最高，屏气时最低；而呼吸流动功率在节律呼吸时最高，自由呼吸时最低。静脉显示出比动脉更低的心脏功率但更高的呼吸功率。

同步与异步测量的神经体液耦合

这是本研究最核心的发现之一。同步测量显示的血流与脑脊液流动的心脏耦合（cross-correlation）显著高于异步测量（例如自由呼吸下，同步耦合范围[0.81,0.93] vs. 异步[0.49,0.53]，P≤0.004）。更重要的是，同步测量还揭示了不同呼吸模式对心脏耦合的显著影响（例如自由呼吸 vs. 屏气），而这些差异在异步测量中无法被观察到（图6）。呼吸耦合在同步测量中也普遍较高，但不同呼吸模式间的差异大多不显著。

实时心脏重组图像与高时间分辨率心脏解析图像的比较

将实时图像按心动周期重组后，与标准高时间分辨率（~31 ms）心脏解析图像进行比较（图7）。结果显示，两者在流动速率和脑脊液 stroke volume（△V）上高度相关（ρ≥0.95）。然而，实时重组图像显著低估了所有血管段的搏动指数（pulsatility index）（低估约55%-77%）和 stroke volume（图8），这主要归因于其较低的时间分辨率（122 ms）和模型重建带来的时空平滑效应。

结论与意义

本研究成功证实了同步双流速编码实时PC MRI在表征神经体液动力学方面的可行性及其相对于传统异步测量的显著优势。主要结论包括：1）呼吸模式能引发神经体液在流动速率、流动功率和耦合参数方面的显著响应；2）同步测量获得的更高互相关性支持其用于神经体液耦合表征，避免了异步测量因生理变异带来的混淆效应；3）实时成像在捕捉平均流动方面与标准方法一致，但会低估心脏搏动性，这提示在关注高频心脏振荡时需要权衡时空分辨率。

这项研究的重要意义在于它提供了一种更可靠的工具来探索生理和病理状态下神经体液系统的复杂相互作用。例如，在脑积水、Chiari畸形等疾病中，精确评估颅内压调节和脑脊液循环障碍至关重要。此外，该方法为研究睡眠期间神经元活动驱动的慢波振荡如何影响脑废物清除（如阿尔茨海默病中的淀粉样蛋白清除）提供了新的可能性。未来，将该技术应用于特定疾病人群，并进一步优化重建算法以改善心脏振荡的描绘，将有望深化我们对神经流体动力学在健康和疾病中作用的理解。