非对比度方法评估血脑屏障对水的通透性：改进的信号建模与数据采集技术

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：Non-Contrast Assessment of Blood–Brain Barrier Permeability to Water: Improved Signal Modeling and Data Acquisition

提高血脑屏障渗透性测量的可靠性：GVS模型与个体血液T1值的应用

　　水-提取与相位对比动脉自旋标记（WEPCAST）MRI是一种无需使用对比剂即可评估血脑屏障（BBB）对水分子通透性的非侵入性方法。这种技术的核心原理是通过测量从动脉标记后进入静脉的水分子比例，从而量化全球水提取分数（E）和BBB通透性-表面积乘积（PS）。尽管WEPCAST MRI在评估BBB功能方面具有重要临床价值，但其信号信噪比（SNR）较低，并且存在一些可能影响测量结果的混淆因素。因此，本研究旨在通过理论和实验上的改进，提高WEPCAST MRI测量BBB通透性的可靠性。

### 方法与模型构建

在本研究中，我们提出了一种通用静脉信号（GVS）模型，用于描述WEPCAST MRI中静脉信号的变化过程。该模型不仅考虑了标记信号和控制信号，还能够同时估计水提取分数（E）和静脉通过时间（VTT）。为了验证这一模型的可行性，我们进行了三组实验研究，分别关注模型的实施、测量的重复性以及个体血T1值的引入对结果的影响。

第一项研究的目的是通过GVS模型实现WEPCAST MRI的实施，并评估水提取分数和静脉通过时间在大脑前部到后部方向上的空间分布。实验中，我们选取了8名健康志愿者，采用前向-后向的流编码方式对大脑静脉系统，尤其是上矢状窦（SSS）进行扫描。通过手动勾画8个非重叠的感兴趣区域（ROIs），我们计算了各区域的E和VTT，并利用线性混合效应模型分析其空间变化趋势。结果显示，水提取分数在健康人群中保持相对恒定，而静脉通过时间则从前段逐渐增加到后段，这一现象与已知的静脉血流方向一致。

第二项研究则关注WEPCAST MRI在不同时间点的重复性。我们选取了10名健康志愿者，在两次不同的实验中进行了WEPCAST、PC（相位对比）和T1-MPRAGE扫描，两次扫描之间间隔约24天。通过比较两种处理方法（GVS和传统峰值检测法）的PS估计值，我们发现GVS方法的PS标准差（CoV）显著低于峰值检测法（5.0%?±?4.1% vs. 8.9%?±?6.5%），表明其具有更高的测量一致性。此外，我们还使用了Bland–Altman图来进一步评估两种方法之间的重复性，结果显示GVS方法在测量稳定性方面优于传统方法。

第三项研究探讨了个体血T1值的引入是否能够减少PS的个体间差异。我们选取了12名健康志愿者，其中5名男性和7名女性，并在WEPCAST扫描的同时测量了其个体血T1值。结果显示，当使用个体血T1值进行参数估计时，PS的个体间标准差从14.2%降低至6.8%（p?=?0.004），这表明个体血T1值的测量对于提高测量的准确性具有重要作用。此外，我们还采用了一种称为VICTR（静脉通过时间成像）的MRI序列，用于测量静脉通过时间，并与GVS方法得到的结果进行比较。结果显示，两种方法得到的静脉通过时间具有良好的相关性（R?=?0.757，p?=?0.011），进一步验证了GVS模型的有效性。

### 实验设计与数据采集

所有实验均在3.0特斯拉的Siemens Prisma MRI设备上进行，使用32通道头部线圈进行成像。在第一项研究中，我们对8名健康志愿者进行了WEPCAST MRI扫描，并对SSS的不同段落进行了标记和控制信号的采集。在第二项研究中，我们对10名志愿者进行了两次扫描，并在每次扫描中采集了WEPCAST、PC和T1-MPRAGE数据。在第三项研究中，我们测量了12名志愿者的个体血T1值，并将其纳入参数估计过程。

在扫描过程中，我们采用了相位对比技术来提高信号质量，并使用了超椭圆正弦脉冲进行背景抑制，以减少B1敏感性对测量的影响。此外，我们还引入了一种名为Look-Locker的饱和恢复序列，用于测量个体血T1值。该序列在每次TR（重复时间）中采集30张图像，并通过最小二乘法对信号进行拟合，以估计静脉血T1值。通过这种方式，我们能够在不依赖假设血T1值的情况下，提高PS估计的准确性。

### 结果与分析

第一项研究的数据显示，水提取分数（E）在健康人群的前部到后部方向上保持相对稳定，而静脉通过时间（VTT）则呈现逐渐增加的趋势。这与已知的静脉血流方向一致，表明GVS模型能够准确反映BBB的功能特性。此外，该研究还表明，通过同时估计E和VTT，GVS方法能够提供更精确的BBB通透性评估。

第二项研究的结果表明，GVS方法在测量PS时具有更高的重复性。通过与传统峰值检测法的对比，我们发现GVS方法的PS标准差显著降低，且与VICTR MRI测得的静脉通过时间具有较高的相关性。这表明GVS方法不仅能够减少测量误差，还能提高BBB通透性评估的可靠性。同时，通过使用非参数Bootstrap测试，我们进一步验证了GVS方法在个体间测量的一致性。

第三项研究的结果表明，个体血T1值的测量对减少PS的个体间差异具有显著作用。在使用个体血T1值的情况下，PS的个体间标准差从14.2%降低至6.8%，这表明个体血T1值的引入能够有效减少测量误差。此外，我们还发现，静脉通过时间的测量与VICTR MRI的结果具有良好的一致性，进一步支持了GVS模型的准确性。

### 讨论与意义

WEPCAST MRI作为一种非对比成像技术，具有较高的临床应用潜力。然而，其信噪比较低，且存在一些混淆因素，如血T1值的个体差异和静脉通过时间的不确定性。通过引入GVS模型和个体血T1值的测量，我们成功地提高了该技术的可靠性。

GVS模型的核心优势在于其能够同时估计水提取分数和静脉通过时间，而无需依赖假设的静脉到达时间（BAT）。此外，该模型还考虑了血T1值的个体差异，从而减少了PS估计中的误差。在实验中，我们发现，个体血T1值的测量能够显著降低PS的个体间标准差，表明其在提高测量精度方面具有重要作用。

尽管GVS方法在提高测量可靠性方面表现出色，但该方法仍依赖于一些假设，如静脉通过时间的分布标准差和组织T1值。这些假设虽然对最终结果的影响较小，但仍可能成为潜在的混淆因素。因此，未来的研究可以进一步探索这些参数的个体差异，并结合更多的实验数据，如VICTR MRI测得的静脉通过时间分布，以提高BBB通透性评估的精确度。

此外，我们还发现，静脉通过时间在健康人群中存在一定的个体差异，这可能与血流速度和血管结构有关。因此，未来的实验设计需要考虑这些因素，并通过优化扫描参数和成像方法，进一步提高测量的准确性和一致性。

### 结论

本研究通过理论和实验上的改进，显著提高了WEPCAST MRI在测量BBB通透性方面的可靠性。引入GVS模型和个体血T1值的测量，使得水提取分数和静脉通过时间的估计更加准确，从而减少了测量误差。这些技术进步不仅提高了WEPCAST MRI的临床应用价值，还为评估BBB功能提供了新的方法。未来的研究可以进一步优化这些方法，以适应更广泛的人群和临床需求。