对脑血管舒张或收缩能力进行无创成像，可能有助于更好地理解多种神经系统疾病中的脑血管病理生理学。本报告描述了一种可重复且患者耐受性良好的人脑血管反应性成像方案，该方案采用磁共振成像（MRI）技术实现。
本文内容
摘要
摘要
大脑是一个在空间上具有异质性且在时间上动态变化的器官，不同区域在不同时刻需要不同量的血液供应。因此，血管舒张或收缩的能力，即脑血管反应性（Cerebral-Vascular-Reactivity, CVR），是血管功能的一个重要方面。一种能够表征这种动态特性的影像学标志物，将为中风、痴呆、动脉粥样硬化、小血管病、脑肿瘤、创伤性脑损伤以及多发性硬化等正常和疾病状态下的脑血管提供新的信息。为了在人体中进行此类测量，需要在采集定量脑部磁共振成像（MRI）数据的同时，施加一种血管活性刺激，例如 CO2 和/或 O2 气体混合物。在本研究中，我们介绍了一种与磁共振兼容的气体输送系统及相应的实验方案，可在受试者位于MRI扫描仪内时输送特殊气体混合物（例如，O2、CO2、N2 及其组合）。该系统结构相对简单、经济实惠且易于操作，其实验方案可在健康志愿者和神经系统疾病患者中精确绘制CVR图谱。该方法有望广泛应用于临床，并有助于更深入理解脑血管病理生理机制。在视频中，我们演示了如何在MRI检查室内搭建该系统，以及如何对一名人类受试者开展完整的实验操作。
引言
大脑约占人体总重量的2%，但消耗了约20%的总能量1。毫不奇怪，充足且受到精细调控的血液供应对于满足大脑的高能量需求以及维持其正常功能至关重要。此外，大脑是一个在空间上具有异质性、在时间上具有动态变化特征的器官，不同区域在不同时间需要不同量的血液供应。因此，血液供应的动态调节是人类脑循环中的一个重要需求。幸运的是，已知血管并非刚性管道，其重要功能之一是根据大脑的需求和生理状况进行舒张和收缩2。
这种血管功能特性被称为脑血管反应性（Cerebral-Vascular-Reactivity, CVR），被认为是一种评估血管健康状况的有用指标，并可能在多种神经系统疾病（如中风）中具有应用价值3，痴呆4动脉粥样硬化5小血管疾病6，脑肿瘤7，烟雾病8和药物成瘾9. 在生理学和麻醉学文献中已知，由于CO2 气体是一种强效的血管扩张剂，通过改变动脉血中的CO₂水平，可以评估脑血管反应性（CVR）。2 水平（例如， 吸入少量一氧化碳2在监测血管反应的同时10-13在影像学和放射学领域，利用磁共振成像进行脑血管反应性（CVR） mapping 正迅速成为众多基础科研人员和临床医生关注的新生物标志物。8,14-19通常通过观察血管活性刺激所诱发的血管反应程度来估算。然而，气体输送系统的技术改进以及实验方案的标准化仍有待完善。在 MRI 扫描仪内向受试者输送特殊气体混合物并非易事，需要特别考虑 MRI 兼容性的设计。MRI 兼容气体输送系统的设计需注意以下几点：1）所有组件必须为非金属材料（金属不可用于 MRI 环境内）；2）系统需在 MRI 设备及其头部线圈所限定的狭小空间内运行；3）系统应适用于受试者平躺体位（符合 MRI 扫描要求），而非坐姿，且不会引起不适；4）应以秒级时间精度准确记录相关生理参数，如呼气末二氧化碳（EtCO2，动脉血二氧化碳含量的近似值）和动脉血氧饱和度，并将数据存储于计算机中以供后续分析。上述问题可能限制脑血管反应性（CVR）成像的应用范围。
本报告介绍了一种实验方案，该方案采用一套完整的气体输送系统，在受试者位于磁共振成像（MRI）扫描仪内时调节其吸入气体的成分。通过该方法，研究人员能够对受试者施加一种血管活性刺激，且具有非侵入性、不适感最小、体动干扰极少的优点。在整个约9分钟的过程中，同步记录了生理参数和MRI图像，该过程由室内空气与高碳酸气体交替吸入的阶段组成（每个阶段持续1分钟）。本文展示了代表性实验结果，并讨论了该方法的潜在应用及局限性。
方案
注意：该方案已获得德克萨斯大学西南医学中心机构审查委员会的批准。
1. 气体递送系统示意图及实验前准备步骤
- 查看气体输送系统的示意图（图1）。使用含有5% CO2、21% O2 和74% N2 的医用级气体混合物填充一个200 L的道格拉斯袋（货号 #1）。
- 将两个隔膜（货号 #4）安装到双向无重复呼吸阀（货号 #3）中，以确保气体单向流动。将组装好的双向阀和已充气的道格拉斯袋（货号 #1）带入磁体室。
- 将气体输送管（货号 #7）连接至双向阀的输入端（货号 #3）。将气体输送管（货号 #7）固定在头部线圈侧面以提供支撑。将气体输送管（货号 #7）的另一端连接至已充气的道格拉斯袋（货号 #1）。
- 通过弯头连接器（货号 #13，气体采样口已密封）将咬嘴（货号 #5）连接至U形管（货号 #12）。
- 通过另一个弯头连接器（货号 #13）将气体采样管（货号 #9）连接至U形管（货号 #12）。
- 将小型空气过滤器（货号 #11）连接至气体采样管（货号 #9）的另一端。将空气过滤器（货号 #11）的另一端连接至CO2（货号 #14）监测仪。
- 在MRI检查室的控制室内，打开CO2（货号 #14）和脉搏血氧仪（货号 #15）监测设备。对CO2监测仪执行自动校准。
- 通过USB端口将监测设备连接至笔记本电脑。打开与监测设备通信的HyperTerminal软件。通过记录计时器时间及对应的监测设备时间，将监测设备的时间与计时器同步。计时器时间与监测设备时间之间的差异将在数据处理阶段进行校正（步骤4.4）。
- 将信号杆的一端插入波导管，使信号杆一端位于磁体室内，另一端位于控制室内。
注：在扫描过程中，当需要切换三通阀（货号 #2）时，信号杆用于通知磁体室内的研究人员。
2. 实验过程中的操作步骤
- 让受试者平躺在 MRI 检查床上，但暂勿将其送入磁体孔内。指导受试者在扫描过程中如感到不适，应立即按下护士呼叫按钮。要求受试者用一片清洁湿巾擦拭鼻部，以去除油脂。
- 指导受试者用口呼吸，并建立并保持稳定的呼吸节律。随后将鼻夹（物品 #6）戴在受试者鼻部。
- 通过弯头连接器（物品 #13），将 U 形管（物品 #12）的开放端连接至二通阀（物品 #3）的中间接口。
- 轻柔地将咬嘴放入受试者口中，使其能够通过咬嘴呼吸。同时将脉搏血氧仪（物品 #15）的指夹传感器轻柔地固定在受试者指尖。
- 确保受试者头部位于头部线圈的等中心位置。操作 MRI 检查床，将受试者送入磁体孔内。
- 确保有一名研究人员留在磁体室内，以监测受试者状态，并准备在必要时切换道格拉斯袋（物品 #1）上的三通阀。该研究人员必须佩戴耳塞和耳机，以隔绝 MRI 运行时的噪声。
- 关闭磁体室门，在控制室内检查二氧化碳监测仪（物品 #14）和脉搏血氧仪（物品 #15）上显示的呼气末二氧化碳（EtCO2）和动脉血氧饱和度（sO2）参数。在笔记本电脑上开始记录这些参数。
- 指示 MRI 操作人员使用血氧水平依赖（BOLD）序列开始扫描。对于 3T MRI 扫描仪，BOLD 成像参数如下：TR/TE=1,500/30 毫秒，翻转角=60°，视野=220 x 220 mm2，矩阵=64 x 64，29 层，层厚=5 mm，层间无间隙，共采集 361 个体积数据。查看预先准备好的阀门切换时间表，并在需要切换时轻摇信号杆。密切注意受试者的生理状态，包括心率、sO2 和 EtCO2。
- 此时，在磁体室内根据控制受试者吸入气体类型的信号杆动作，开启道格拉斯袋（物品 #1）。
- 在整个研究过程中持续执行此操作。在 9 分钟的成像期间，确保大约每分钟进行一次阀门切换。注意，只要记录了 EtCO2 的时间变化过程，切换时间无需完全精确。
注意：如果受试者在扫描过程中按下护士呼叫按钮，扫描将立即中止，受试者将被迅速移出磁体孔。研究人员应立即取下受试者的咬嘴和鼻夹。 - 通过对讲系统通知受试者扫描已完成。将 MRI 检查床拉出。轻柔地取下受试者的鼻夹和咬嘴，并提供清洁纸巾供其擦拭唾液。随后轻柔地取下脉搏血氧仪的指夹传感器。受试者可坐起并离开 MRI 检查床。
3. 实验后的清理步骤
- 丢弃气体采样管（部件号 #9）、空气过滤器（部件号 #11）、咬嘴（部件号 #5）和鼻夹（部件号 #6）。
- 清洗可重复使用的组件。将双向阀（部件号 #3）与其他组件分离，并从阀中取出隔膜（部件号 #4）。将双向阀（部件号 #3）、隔膜（部件号 #4）和U形管（部件号 #12）浸泡在含表面活性剂的浓磷酸盐-free消毒剂中，例如Bacdown洗涤消毒剂，容器中浸泡20分钟。洗涤消毒剂与蒸馏水的稀释比例为1:64。
- 用蒸馏水彻底冲洗步骤3.2中所述的部件。
- 用压缩空气干燥U形管（部件号 #12）。将双向阀（部件号 #3）和隔膜（部件号 #4）放置在干净的台面上，使其自然完全干燥。
- 清空Douglas袋。收好信号条和灰色管。
4. 数据分析以计算CVR图
- 将 MRI 数据保存为 Dicom 文件格式或任何其他厂商特定格式。将数据传输至实验室计算机，并将其转换为逐个体积的文件序列，其中每个文件包含一个三维体积例如， BOLD图像）对应一个时间点。
- 预处理图像数据。使用调用统计参数映射软件（Statistical Parametric Mapping, SPM）提供的库函数的脚本，执行图像预处理步骤，包括重新对齐、标准化和平滑化。Matlab 脚本示例见补充代码文件 1。
- 使用脚本读取 CO2 记录时，通过将时间进程移动一个预先校准的量来校正采样管延迟（例如， 12秒，在此设置中定义为一次呼吸到达吹嘴与该次呼吸在CO2记录中出现之间的时间差，并提取呼气末二氧化碳（EtCO2），即原始时间序列的包络线（正向峰值）。Matlab脚本详见补充代码文件2。
- 根据同步定时器，对 EtCO₂ 信号进行分段2 数据保留从第一张图像采集前25秒至最后一张图像采集后100秒的记录。EtCO₂2 时间过程是血管系统的输入函数，并在后续描述的线性回归分析中用作自变量。
- 确定呼气末二氧化碳（EtCO₂）与动脉二氧化碳分压之间的生理延迟2 （在肺部测得）与MRI信号（在脑部测得）之间的互相关系数（CC），通过计算这两个时间序列在不同时间偏移下的互相关系数来确定。产生较高CC值的偏移时间被视为最佳时间。
- 呼气末二氧化碳（EtCO₂）2 时间过程经最优延迟校正后，仅保留与MRI信号对应的时间点，从而得到与MRI信号长度相同的时间序列。
- 使用 SPM 进行体素水平的线性回归分析，其中校正后的 EtCO2 时间序列为自变量，MRI 信号时间序列为因变量。
- 计算体素级的CVR图
其中（i，j，k）为体素索引，β1 为与 EtCO2 相关的回归系数，β0 为与常数项相关的回归系数。 min(EtCO₂)2) 是EtCO₂的最小值2 在时间过程中。
结果
通过本方案收集两类数据：生理记录和磁共振图像。 图2和图3 显示一位代表性受试者的生理参数记录。黑色迹线表示 图2 显示 CO2 由CO记录的时间过程2 监测器，代表 CO2 靠近吹嘴处采集的空气中的一氧化碳含量。请注意，该信号随时间快速波动，这是因为在呼吸周期的吸气阶段，此记录反映的是一氧化碳浓度的变化2 吸入空气中的一氧化碳含量，并且在呼气阶段，该记录反映了 CO2 呼出气体中的含量。因此，每个呼吸周期的上方峰值被称为终末潮气CO2 或 EtCO2，代表 CO2 肺部的一氧化碳含量，可近似作为CO2 动脉血中的浓度。请注意 CO2 动脉血中的浓度是驱动力， 即， 输入函数，即血管舒张反应。CO 的峰值2 微量（红色曲线在 图2通过检测算法界定（该算法用于搜索每次呼吸过程中的峰值），并结合人工检查与校正。随后进行中值滤波，以消除因部分呼吸引起的突变峰值，并考虑血流从肺部血管至脑部血管过程中发生的血液混合效应。最终的 EtCO₂2 时间过程由绿色曲线表示 图2 并用于计算CVR。
图3 显示呼吸频率、动脉血氧饱和度分数（sO2）和心率。呼吸频率通过CO2 监测 sO2 心率通过脉搏血氧仪获得。如图所示，这些参数在高碳酸血症刺激下未表现出系统性变化。需要注意的是，高碳酸血症确实会引起受试者的过度通气，因此氧饱和度2 肺部的分压将略有增加。然而，其对sO2 由于在室内空气呼吸条件下，血液血红蛋白的氧饱和度已接近最高，且在此范围内氧解离曲线较为平坦，因此增幅极小。
图4显示了实验不同时段具有代表性的BOLD磁共振图像。图中还展示了平均信号强度（以任意磁共振单位表示）。可以看出，吸入CO2后，大脑中的BOLD信号有所增强。需要注意的是，室内空气与CO2刺激阶段之间的信号差异幅度约为1-3%。
结合生理记录数据和磁共振图像，可逐体素计算脑血管反应性（CVR）图。图5展示了同一健康受试者在五个不同日期扫描所获得的代表性CVR图（单位为每毫米汞柱CO2变化引起的信号变化百分比），结果表现出极佳的可重复性。该技术迄今已应用于衰老20、阿尔茨海默病4、多发性硬化21和运动训练22的相关研究中。
图1. 气体输送系统的示意图。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 2. 实验期间一名代表性受试者的 CO2 时间进程。 CO2 监测仪记录的逐次呼吸 CO2 含量轨迹片段分别显示了室内空气呼吸期（左下）和 5% CO2 吸入期（右下）。提取出的 EtCO2 时间进程以彩色曲线表示。请点击此处查看该图的放大版本。
图 3. 实验期间一名代表性受试者的记录生理参数。 (A) 受试者的呼吸频率（bpm，每分钟呼吸次数）随时间变化过程。(B) 受试者的血氧饱和度 sO2（%）随时间变化过程。(C) 受试者的心率（bpm，每分钟心跳次数）随时间变化过程。该受试者与图 1中的为同一人。请点击此处查看此图的放大版本。
图4. 实验不同时相的代表性BOLD磁共振图像。 下排显示的是所展示脑切片（MNI空间中的轴向切片#54）的平均信号强度。 请点击此处查看该图的放大版本。
图5. 一位代表性受试者的脑血管反应性（CVR）图谱。 请点击此处查看该图的高清版本。
讨论
本报告介绍了一种与磁共振成像兼容的气体输送系统及一套完整的实验方案，可用于绘制人脑血管反应性图谱。图1展示了该气体输送系统的示意图。位于磁共振成像扫描室内的所有部件均为塑料材质，以确保其磁共振兼容性。该系统在概念上可分为三个子系统：气体吸入子系统（气袋、输送管、双向阀）、呼吸接口子系统（鼻夹、咬嘴、U形管）以及监测子系统（CO2浓度、血氧饱和度、心率、呼吸频率）。气体吸入子系统使气体被吸入后到达双向阀，仅有吸入气体（而非呼出气体）会流经该子系统。呼吸接口子系统使受试者能够吸入和呼出目标气体，吸入与呼出的气体均会流经此子系统。因此，监测子系统应在呼吸接口子系统的某一位点对气体进行采样。
该技术的临床应用可能包括在中风、动脉粥样硬化、烟雾病、血管性痴呆、多发性硬化和脑肿瘤等神经系统疾病中评估脑血管储备功能。该技术还可用于功能磁共振成像（fMRI）研究，以标准化或校准fMRI信号，从而更准确地量化神经活动23,24。
所提出系统和实验方案的一个重要特征是，可在对受试者造成最小运动或不适的情况下输送气体混合物。因此，必须正确放置U形管（部件编号#12），使其（以及连接在其末端的咬嘴）自然下垂进入受试者口中。这样，受试者便无需动用面部肌肉来固定或支撑咬嘴。还需注意，当咬嘴置于口中时，受试者将无法说话。因此，研究人员应避免以提问的语气与受试者交谈，而应仅提供清晰、明确的指令。此外，研究人员在整个实验过程中应密切监测各项生理参数（例如，呼气末二氧化碳分压 EtCO2、血氧饱和度 sO2、心率、呼吸频率），一旦发现一个或多个生理参数超出正常范围，应立即作出响应。
尽管全面综述文献中使用的其他气体输送系统超出了本文的范围，但将当前系统与几种常用系统进行比较仍具有参考价值17,18。一个主要区别在于，本系统采用咬嘴来输送目标气体，而大多数其他系统在设计上使用面罩。使用面罩可能带来两方面的潜在问题。首先，面罩占据较大的空间，在将面罩置入头部线圈内部狭小空间时可能难以实现，因为对于许多受试者而言，即使不佩戴面罩，其鼻部已几乎接触到头线圈。对于旨在实现高灵敏度的头线圈而言尤其如此，这类线圈通常设计为紧密贴合受试者头部。与面罩设计相关的第二个问题是，面罩内部存在较大空腔，导致吸入和呼出气体发生显著混合。因此，这可能影响呼气末二氧化碳（EtCO2）测量的准确性，而理想情况下该测量应仅基于呼出气体。准确的EtCO2值对于脑血管反应性（CVR）图谱的可靠性至关重要。与许多其他系统相比，本系统的另一主要区别在于，气体由气袋而非气瓶提供。因此，扫描区域无需放置气瓶，节省了磁共振成像（MRI）检查室控制室内宝贵的空间。在本设计中，我们在扫描开始前将气袋带入，并在扫描结束后将气袋排空、折叠并收纳。最后，与若干其他系统18,21相比，当前的气体输送系统更为简单，所需培训时间更短，且耗材成本更低。
需要指出的是，尽管本报告中所述方案主要聚焦于二氧化碳（CO2）吸入，但所展示的气体输送系统也可用于向处于磁共振成像（MRI）扫描仪内的人体输送其他气体混合物（e.g., 任意比例的 O2、任意比例的 CO2、任意比例的 N2 及其组合）。此外，该气体输送系统也可在非 MRI 环境下使用，例如与脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）、正电子发射断层扫描（PET）或光学成像等技术联合应用。
在提供成像参数建议时，我们主要关注BOLD序列。另一种可用于CVR映射的潜在序列是动脉自旋标记（Arterial Spin Labeling, ASL）MRI，该技术能够以生理单位（每分钟每100克组织中的血流量，单位为毫升）定量测量脑血流量（CBF）。因此，基于ASL的CVR映射的优势在于结果更易于解释，而BOLD信号反映的是血流、血容量以及在CO2刺激期间可能存在的脑代谢变化的综合作用25-27。然而，ASL技术的一个局限性在于其灵敏度比BOLD低数倍28。因此，根据我们的经验，目前使用ASL获得个体水平、逐体素的CVR图谱极具挑战性。鉴于此，在CVR的应用研究中，我们主要采用BOLD序列，因此在建议中也重点围绕该技术展开。
本方法的一个局限性在于，通过咬嘴呼吸的同时用鼻夹封闭鼻腔并非完全自然，部分受试者（尤其是患者）可能会因此感到不适。使用咬嘴和鼻夹呼吸还可能加重幽闭恐惧感。此外，由于仅通过口腔呼吸，受试者可能会出现口干现象。因此，建议研究人员应尽量迅速完成实验。最后需要指出的是，根据作者的经验，上述潜在的不适感是暂时的，实验一旦结束便会立即消失。
披露
HL 和 PL 是德克萨斯大学西南医学中心拥有的临时专利的发明人，该专利描述了气体输送系统的部分设计。
致谢
本工作部分得到了美国国立卫生研究院（NIH）的资助，资助编号为 R01 MH084021、R01 NS067015、R01 AG042753、NS076588、NS029029-20S1、R21 NS078656；以及美国国家多发性硬化症学会的资助，资助编号为 RG4707A2。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 道格拉斯袋 | Harvard Apparatus | 500942 | 200 L 容量 |
| 三通阀 | Hans Rudolph | CR1207 | 100% 塑料 |
| 双向非重复呼吸阀 | Hans Rudolph | CR1480 | 22 mm/15 mm 内径 |
| 隔膜 | Hans Rudolph | 602021-2608 | 尺寸：中号，类型：螺旋型 |
| 口件 | Hans Rudolph | 602076 | 硅胶，型号 # 9061 |
| 鼻夹 | Hans Rudolph | 201413 | 塑料泡沫，型号 #9014 |
| 气体输送管 | Vacumed | 1011-108 | |
| 蓝色套管 | Vacumed | 22254 | |
| 气体采样管 | QoSINA | T4305 | 细型 |
| 雄性鲁尔接头 | QoSINA | 11547 | |
| 疏水性过滤器 | Philips Medical Systems | 9906-00 | 一次性使用 |
| U 形管 | 自制 | ||
| 弯头连接器 | QoSINA | 51033 | |
| EtCO2 监测仪 | Philips Medical Systems | Model 1265 | |
| 脉搏血氧仪 | Invivo | Expression | MRI 监测系统 |
| MRI 扫描仪 | Philips | Achieva 3.0T TX | |
| 消毒剂 | Fisher Scientific | 04-355-13 | Decon BDD Bacdown 洗涤型消毒剂 |
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