《European Radiology Experimental》：Oxygen-enhanced brain MRI using dynamic gradient-echo and MR fingerprinting
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目的：应用动态三维（3D）梯度回波和MR指纹成像（MRF）的氧增强脑磁共振成像（MRI），评估氧从血液向脑脊液（CSF）的转运。材料与方法：2023年12月至2024年3月期间入组的20名健康受试者接受了3-T MRI检查，包括吸氧前3D MRF（pre-O?
目的：应用动态三维（3D）梯度回波和MR指纹成像（MRF）的氧增强脑磁共振成像（MRI），评估氧从血液向脑脊液（CSF）的转运。材料与方法：2023年12月至2024年3月期间入组的20名健康受试者接受了3-T MRI检查，包括吸氧前3D MRF（pre-O? MRF）、吸氧期间动态3D梯度回波（容积内插屏气检查，VIBE）以及吸氧后3D MRF（post-O? MRF）。pre-O?和post-O? MRF各包含两次采集。使用感兴趣体积（VOIs）评估灰质（GM）、白质（WM）、表面CSF和脑室中动态VIBE的信号强度以及MRF得出的T1弛豫时间。结果：动态3D VIBE显示吸氧后表面CSF信号迅速升高，GM升高幅度较小。吸氧后VIBE信号在表面CSF（p < 0.001）和GM（p < 0.001）中显著高于吸氧前信号。T1弛豫时间在GM、WM和表面CSF（p < 0.001）以及脑室（p = 0.024）中各阶段间差异显著。在动态3D VIBE中观察到表面CSF（Cohen dz = 4.15）和GM（Cohen dz = 1.31）的大效应量，在T1弛豫时间测量中观察到表面CSF（Cohen f = 1.31）和GM（Cohen f = 0.73）的大效应量，提示吸氧后存在显著的生理变化。结论：动态3D VIBE图像可视化了表面CSF中与吸氧相关的信号变化，并通过3D MRF得出的T1弛豫时间缩短进行了定量验证。
研究背景：近年来，脑脊液（CSF）动力学在类淋巴系统（glymphatic system）背景下受到越来越多的关注。类淋巴系统允许CSF渗透脑实质而绕过血脑屏障，促进间质液（ISF）和溶质向静脉周围间隙的交换和清除。目前针对CSF动力学的MRI研究主要采用鞘内注射钆基对比剂的方法，但该方法因健康风险在全球范围内未获许可。替代方法如17O标记水示踪剂的间接动力学分析虽有探索，但应用有限。氧增强MRI（OE-MRI）通过吸氧期间溶解氧的T1缩短效应显示CSF信号变化，既往研究使用单层动态反转恢复成像和6 mm层厚梯度回波序列观察到CSF信号变化，表面CSF信号变化大于脑室。然而，动态梯度回波成像能否阐明氧从血液向CSF转运的时间特征，以及定量MRI能否为定性MRI提供补充信息，尚需验证。随着定量MRI的发展，MR指纹成像（MRF）可在临床可行的扫描时间内以高空间分辨率获得T1弛豫时间，且MRF字典参数范围可扩展至涵盖水和CSF的弛豫特性。因此，研究人员旨在建立一种结合3D MRF与3D动态梯度回波成像的无创OE脑MRI方案。
研究方法：本研究为前瞻性研究，经机构审查委员会批准。2023年12月至2024年3月入组20名健康受试者（平均年龄74.4 ± 4.8岁，11名女性，9名男性），均签署书面知情同意书。所有受试者接受3-T MRI（Magnetom Prisma; Siemens Healthineers），使用20通道头颈接收线圈。扫描方案包括：吸氧前3D MRF（Pre-O? MRF，含Pre-1和Pre-2两次采集）、动态吸氧3D梯度回波（VIBE，20次测量，每次15 s，总扫描时间5 min）、吸氧后3D MRF（Post-O? MRF，含Post-1和Post-2两次采集），以及用于后处理的3D MPRAGE。注意pre-O?代表低流量补充氧基线而非室内空气呼吸。动态3D VIBE参数：TR 4.25 ms；TE 1.67 ms；翻转角15°；FOV 256 × 256 mm2；分辨率128 × 128；体素2 × 2 × 2 mm3；GRAPPA 2 × 2；采集时间15 s。在第8次测量开始时，通过储氧面罩以15 L/min流速开始吸氧，并在随后的3D MRF采集期间维持。吸氧前受试者通过通风口呼吸室内空气并接受1 L/min氧气。3D MRF采用多轴螺旋投影成像，各向同性空间分辨率1 × 1 × 1 mm3，FOV 240 × 240 × 240 mm3，采集时间5:46 min:s。MRF字典调整至T1弛豫时间范围0–5,000 ms以涵盖水和CSF。每个采集组获取500个TR，共30个采集组。翻转角以正弦模式在5°至82°间变化。TR和TE分别保持16 ms和2.5 ms。采用变密度螺旋k空间采样轨迹，零矩置零。图像重建在Linux工作站上使用MATLAB R2019b完成，采用滑动窗口实现填充类球形k空间，应用3D逆非均匀快速傅里叶变换（3D-INUFFT）重建混合对比度图像，使用ESPIRiT方法估计灵敏度轮廓，最后使用预计算MRF字典进行逐体素模板匹配。3D MPRAGE参数：TR 2,300 ms；TE 3.31 ms；TI 922 ms；翻转角9°；带宽130 Hz/pixel；各向同性体素0.9 × 0.9 × 0.9 mm3；240层；WaveCaipi 6×加速；采集时间1:46 min:s。后处理使用SPM12进行配准，基于MPRAGE进行脑分割，以阈值0.3创建灰质（GM）、白质（WM）、表面CSF间隙和脑室的二值掩膜作为3D感兴趣体积（VOIs）。排除第一次VIBE采集以避免信号不稳定，VIBE第N次图像除以VIBE第2次图像（VIBENst/VIBE2nd），以VIBE2nd为参考最小化初始信号不稳定。比较pre-O? VIBE（VIBE2nd至VIBE7th平均值）与post-O? VIBE（VIBE9th至VIBE20th平均值）。还进行线性回归模型斜率分析、变异系数评估。使用DARTEL将3D VIBE图像空间标准化至MNI空间。离线重建3D MRF的T1图。补充分析包括一 voxel 侵蚀VOIs、R1弛豫时间评估、T1比值计算以及基于Cramer-Rao下界（CRLB）的敏感性分析。统计分析使用MedCalc 23.4.5、R Studio和R，非正态分布采用Wilcoxon符号秩检验比较pre-O?和post-O? VIBE，计算Cohen dz效应量，FDR法校正多重比较；四组（Pre-1、Pre-2、Post-1、Post-2）比较采用Friedman检验，post hoc采用Conover法，计算Cohen f效应量；组内相关系数（ICC）和配对t检验评估Pre-1与Pre-2间T1弛豫时间的重测信度。
研究结果：（1）研究人群：20名受试者完成OE-MRI，无并发症。（2）3D VIBE：吸氧后表面CSF立即出现快速信号升高，WM和脑室未见明显信号升高。post-O? VIBE信号在表面CSF和GM中显著高于pre-O? VIBE（均p < 0.001）。表面CSF效应量非常大（dz = 4.15），GM为大效应（dz = 1.31），WM（dz = 0.01）和脑室（dz = 0.14）效应可忽略。表面CSF的post-O?斜率在四个VOIs中显著最高。（3）3D MRF：T1弛豫时间在所有VOIs各动态阶段间差异显著（GM、WM、表面CSF的p < 0.001，脑室p = 0.024）。post hoc分析显示：T1_GM中Post-1显著低于Pre-1、Pre-2和Post-2（均p < 0.001），Post-2显著低于Pre-1（p = 0.004）；T1_WM中Post-1显著低于Pre-1、Pre-2（均p < 0.001）和Post-2（p = 0.001）；T1_表面CSF中Post-1显著低于Pre-1和Pre-2（均p < 0.001），Post-2显著低于Pre-1（p < 0.001）；T1_脑室中Post-1显著低于Pre-1（p = 0.012）和Post-2（p = 0.004）。表面CSF的Cohen f = 1.31，GM的Cohen f = 0.73。（4）一 voxel 侵蚀VOIs补充分析：结果与原始VOIs一致，post-O? VIBE信号在GM和表面CSF中显著高于pre-O?（均p < 0.001），T1弛豫时间在各阶段间差异显著（GM、WM、表面CSF的p < 0.001，脑室p = 0.032）。（5）R1弛豫时间及T1比值：R1弛豫时间在各阶段间差异显著（GM、表面CSF的p < 0.001，WM p = 0.001，脑室p = 0.013）。T1比值在各VOIs各阶段间差异显著（GM、WM、表面CSF的p < 0.001，脑室p = 0.024）。（6）重测信度：ICC(2,1)值GM为0.825（95% CI: 0.615–0.926），WM为0.917（95% CI: 0.804–0.966），表面CSF为0.963（95% CI: 0.911–0.985），脑室为0.714（95% CI: 0.415–0.875），表明GM、WM和表面CSF具有良好至优秀的重测信度，脑室测量为中等信度。（7）CRLB敏感性分析：对非常长的T1/T2成分（如CSF）的敏感性固有受限。
讨论部分总结：本研究在动态吸氧期间通过3D VIBE成像观察到表面CSF的快速信号升高，在表面CSF和GM中具有统计学显著性。大效应量主要反映VIBE信号变化在受试者内的高一致性，而非大的绝对信号变化，表面CSF平均信号升高约2–3%。3D MRF得出的T1弛豫时间在吸氧后所有VOIs中显著降低，表面CSF和GM变化最显著且持续。3D VIBE的OE-MRI相关信号变化经3D MRF相应的T1弛豫时间变化验证。与既往单层或选择性 slab 序列相比，3D VIBE信号变化较细微，部分因为本研究使用的3D VIBE是临床常用的全脑梯度回波T1序列。通过创建比值图像使细微变化可视化。动态OE-MRI观察到的快速信号变化可能反映增加的动脉内溶解氧快速转移至CSF，但本研究未设计确定血液溶解氧是否进入脑实质和/或ISF。OE-MRI相关变化主要见于邻近大脑皮层的表面CSF，其次为GM。GM动脉血管比WM丰富，动脉内溶解氧流入增加可能贡献于GM和表面CSF的T1加权信号升高及T1弛豫时间降低。虽然分子氧是弱顺磁性物质，但吸氧通过增加血氧合降低脱氧血红蛋白，脱氧血红蛋白强顺磁性，导致磁敏感性差异降低；然而也有报道氧相关磁敏感性变化增加静态场不均匀性导致体素内去相位增加。T2*效应不直接影响T1弛豫时间，但T1和T2*可能受相同潜在生理因素影响。血管污染可能影响T1加权信号和估计的T1弛豫时间，尤其在表面CSF和GM等区域。流入效应也可能贡献信号变化。T1弛豫时间和氧溶解度具有温度依赖性。WM和脑室CSF中虽也观察到T1弛豫时间变化，但差异相对较小。WM血管化程度较低且ISF清除缓慢，MRI方案时间过程有限可能降低对氧相关变化的敏感性。脑室CSF信号和T1变化较小提示本OE-MRI方案对脑室 compartment 氧相关变化敏感性低于表面CSF。结果还提示溶解氧从动脉到CSF的简单扩散至少在供应脉络丛的动脉中可能有限。从常氧到高氧呼吸导致大鼠（68.5%脑）和小鼠（77.4%）脑血管收缩。在人类中，相位对比MR血管造影显示给氧使脑血流量平均降低超过20%。短期高氧不增加炎症细胞因子水平，但短期高氧诱导大鼠海马功能和形态学变化，提示即使短期也应避免不受控制的高氧。口罩可引起CO?浓度升高，本研究未测量呼气末CO?，口罩诱导的CO?暴露可能影响结果。研究局限性包括：未进行真正的氧团注给药；未分析T2弛豫时间；OE-MRI在清醒状态进行；标准MRF采集方案主要针对GM和WM优化，对非常长T1/T2成分敏感性有限，严格来说仅GM的3D动态VIBE信号变化经3D MRF验证；GM信号变化可能归因于邻近表面CSF的部分容积效应；样本相对较小且老年受试者有限可能限制普适性；未进行呼气末CO?监测和动脉血氧饱和度测量；未进行正式样本量计算、可重复性评估或室内空气吸入对照条件。
研究结论翻译：总之，动态3D VIBE图像可视化了主要位于表面CSF的微小但一致的吸氧相关信号变化，并由3D MRF得出的T1弛豫时间缩短进行了定量支持。这些发现提示临床可行的OE-MRI可能对CSF邻近间隙的氧相关信号变化敏感。然而，这些变化的生理学意义仍不确定，在将这些MRI发现与CSF动力学或清除途径联系起来之前，需要结合生理监测、对照条件和专门实验设计的进一步研究。
