一种用于估计永久性脑缺血中风发作时间的磁共振成像方案
2017年9月16日
本文描述了一种利用定量磁共振成像（qMRI）参数在大鼠脑卒中模型中估算脑卒中发病时间的实验方案。该方法采用扩散磁共振成像来界定急性期脑卒中病灶，并结合定量T1和T2（qT1和qT2）弛豫时间对脑卒中发生时间进行推断。
磁共振成像通过测定脑组织的表观扩散系数（Apparent Diffusion Coefficient，简称ADC）来检测急性缺血性脑卒中，是一种敏感且特异的工具。在缺血性脑卒中的大鼠模型中，缺血病灶内半球间定量T1和T2弛豫时间的差异随卒中发生后的时间延长而增加。这些差异的时间依赖性可通过线性函数进行经验性描述，因此可提供对卒中发生时间的简单估算。
缺血病灶内T1和T2弛豫时间延长的组织体积也呈线性增加，为卒中发生时间的判断提供了互补的方法。本文介绍了一种半自动化的计算机程序，利用表观扩散系数（ADC）在永久性局灶性缺血的超急性期勾画出急性缺血性卒中组织。同时，通过识别缺血性卒中组织内升高的弛豫时间，用于确定卒中发作的时间。
选用体重为300至400克的雄性Wistar大鼠，通过永久性大脑中动脉阻塞诱导局灶性缺血性脑卒中。在手术及MRI实验期间，通过面罩给予异氟烷麻醉大鼠。在颈部做切口后，暴露气管，并将肌肉从气管上分离。
扩大伤口以清理通往颈总动脉（CCA）的路径。在暴露颈总动脉时，需避开其旁边的神经束。使用显微钩钩住颈总动脉，以暴露颈外动脉（ECA）和颈内动脉（ICA）。
用手术线阻断颈总动脉（CCA）的血流。结扎颈外动脉（ECA）。分离颈内动脉（ICA）上的颈动脉体，并定位ICA的分叉处，以确保插入阻塞线时能够到达并阻断左侧大脑中动脉。
在颈内动脉（ICA）周围引入一根松散的缝线。在颈内动脉内插入一个夹子，使其位置深于缝线。颈外动脉（ECA）保持靠近结扎在颈外动脉周围的双结处。
烧灼颈外动脉（ECA）的多余部分，以防止ECA出血。将阻塞线插入ECA，并使颈内动脉（ICA）与ECA对齐。然后将线推进至夹闭处。
然后拉紧松散的缝线，使缝线仍可在 ECA 内滑动。随后移除夹子，并进一步推进阻塞缝线，直至插入约两厘米。再打一个结，使松散的结变为双结。
缝线打结后，移除牵开器，然后关闭切口。阻塞后立即用耳塞和咬合固定器将大鼠固定于9.4特斯拉磁体中心的吊床上。
成像过程中，使用置于大鼠躯干下方的水加热垫将异氟烷浓度维持在约2%，体温维持在接近37摄氏度。成像期间持续监测呼吸频率和直肠温度。在阻塞后最多五小时内，以每小时为间隔，连续采集12层位置一致的轴向切面，获取扩散张量迹、CPMG T2和Flash T1的MRI数据。
序列参数的详细信息见文稿。实验结束后，处死大鼠并进行氯化三苯基四氮唑（Triphenyl Tetrazolium Chloride，TTC）染色，以确认大鼠脑组织中缺血的存在。TTC染色的具体步骤见文稿。
在获得 MRI 数据后，我们接下来致力于开发一种半自动化方法，以检测缺血组织并表征其弛豫特征。T2 弛豫被建模为单指数衰减。通过沿回波时间维度取自然对数，并在每个体素处拟合线性函数，从而得到 T2 图谱。
T1弛豫被建模为单指数恢复至平衡磁化状态，并采用二值 chalk 法进行拟合。ADC图在假设信号随B值呈单指数衰减的基础上进行计算。当所有定量图像就位后，可通过倒数ADC图来识别缺血组织。
这些图谱经过阈值处理，当组织的表观弥散系数（ADC）倒数值超过非缺血组织ADC倒数值中位数的一个中位绝对偏差时，即被标记为缺血组织。该过程可自动且客观地完成。在确定缺血组织范围后，计算每个感兴趣区域中T1和T2的分布情况。
为了获得对侧半球中 T1 和 T2 的分布情况，将缺血组织的兴趣体积进行了镜像反射。在此示例中，可见 T1 和 T2 的分布在发病后随时间向右偏移。为了描述 T1 和 T2 分布随时间的变化，我们使用了两个不同的参数。
参数 f 的定义如所示。该参数用于描述缺血性病灶中具有异常高或低 T1 或 T2 值的体素所占比例，是一种启发式参数化方法。要求 T1 或 T2 图谱中的每个体素均可被归类为具有高值、低值或正常值。
缺血病灶中的高T1或T2值定义为超过非缺血感兴趣区T1或T2中位数以上1/2最大值的数值。F1为具有高T1值的缺血体素所占比例，F2为具有高T2值的体素所占比例。其次，计算在ADC识别出的缺血组织区域内同时具有高T1和高T2值部分的重叠体积，并以全脑总体积进行标准化。
对所有大鼠在各个测量时间点的 F1、F2 及重叠体积进行了计算。随后分别利用这些数据通过拟合线性模型反向推算缺血发生的时间。通过该方法，可计算出发生时间的不确定性。
这些不确定性通过线性拟合的均方根误差进行参数化。在弥散阳性卒中病灶中，所有参数均随时间呈线性增加。根据均方根误差条，本方案提供的卒中发作时间估计准确度可达半小时。
总体趋势表明，T2 数据优于 T1 数据，而确定发病时间的最佳准确性来自于 T1 和 T2 升高区域重叠的体积。由于这些定量 MRI 参数对缺血引起的病理生理变化具有不同的敏感性，因此 T1 和 T2 异常的区域在缺血病灶内呈异质性分布。这表明定量 MRI 参数可能也能够反映组织状态。本文介绍了一种 MRI 方案，可较为准确地估算卒中发病时间，从而提供关于永久性缺血期间脑组织状态的信息。
量化弛豫时间以估算卒中发作时间的优势在于，其对由技术因素（如磁场不均匀性和质子密度）引起的各种固有变异不敏感，包括缺血病灶内预期的磁场变化。需要认识到，当前方案仅适用于永久性缺血，且论文中给出的MRI数据采集参数是针对所使用的9.4特斯拉MRI扫描仪的。我们在附带论文中的前期研究表明，该方法在4.7特斯拉下同样具有准确性。
总体而言，我们认为本方案可应用于包括抗缺血治疗研究在内的临床前卒中研究。
概述
本研究介绍了一种利用定量磁共振成像（qMRI）在大鼠模型中估算中风发作时间的实验方案。该方法采用弥散MRI识别急性中风病灶，并通过定量的T1和T2弛豫时间精确判断中风发作时间。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 磁共振成像
- 中风研究
背景
- 磁共振成像（MRI）对于检测急性缺血性卒中至关重要。
- 本研究聚焦于大鼠模型，探讨定量T1（qT1）与定量T2（qT2）弛豫时间与卒中发生时间之间的关系。
- 明确卒中发病时间对于改善治疗预后具有重要意义。
- 扩散加权磁共振成像有助于有效界定缺血性病灶。
研究目的
- 开发一种利用定量磁共振成像（qMRI）参数估算卒中发病时间的可靠方法。
- 评估T1和T2弛豫时间随卒中进展的变化情况。
- 提供一种用于识别缺血组织的半自动化方法。
使用的方法
- 雄性Wistar大鼠接受永久性大脑中动脉阻塞以诱导脑卒中。
- 进行扩散MRI扫描以获取T1和T2弛豫时间的数据。
- 生成ADC图以界定缺血组织。
- 应用统计模型根据弛豫时间的变化估算脑卒中发病时间。
主要结果
- 卒中后时间越长，T1和T2定量弛豫时间呈线性增加。
- 半自动方法能有效识别缺血组织。
- 采用线性模型可降低卒中发病时间估计的不确定性。
- 弛豫时间升高与缺血组织体积相关。
结论
- 该研究为大鼠模型中估算卒中发作时间提供了一种可靠的方案。
- 定量 MRI 参数对于理解卒中动态具有重要价值。
- 该方法可能提高卒中诊断和治疗规划的准确性。
常见问题
行业重要性概述
估算卒中发病时间对于神经保护治疗药物的临床前评价至关重要，因为时间因素直接影响机制性解释以及决策判断。本MRI方案提供了定量的、与时间相关的生物标志物（qT1、qT2、Voverlap），通过将病理生理进展与可测量的影像学终点关联，降低卒中模型的风险。该方法通过提供一种可重复的手段，使治疗时机与病灶演变过程相匹配，从而支持在永久性缺血模型中的靶点验证，提高早期发现阶段的预测可信度。
生物制药研发中的策略性应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过将干预时机与基于定量 MRI 的病灶进展相关联，实现对治疗假设的验证。
- 操作价值：提供一种标准化、半自动化的分析方法，用于勾画缺血组织并量化不同实验组间的弛豫时间差异。
- 预测价值：通过基于 qT2 推算的发病时间估计（准确度 ±28 分钟）进行线性建模，支持在剂量-反应研究中实现一致的时间对齐，从而促进生物学风险的降低。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：生成定量的体素级 T1 和 T2 弛豫参数，可作为缺血性组织状态的可重复生物标志物。
- 操作价值：基于ADC的半自动化流程可实现病灶的客观勾画，减少病灶体积定量中的操作者间变异。
- 检测适用性：输出指标如 Voverlap 和半球间 qT2 差异可提供可扩展的线性读数，适用于高通量成像工作流程。
转化与临床前研究
- 转化连续性：将早期 MRI 生物标志物与组织病理学确认（TTC 染色）相联系，支持将影像学终点与金标准梗死验证进行对照验证。
- 机制性风险降低：通过异常的 qT1/qT2 体素分布量化病灶异质性的动态演变，提供超越二分类（梗死/非梗死）的组织状态信息。
- 基于风险调整的推进：通过将干预措施锚定于估计的发病时间，实现治疗效应的时间分层分析，降低纵向研究中的变异性。
流程与工作流整合
该方法适用于临床前卒中研究的连续过程，通过血流动力学建模支持早期靶点验证，并进一步在永久性缺血模型中通过时间敏感的药效筛选实现先导化合物的鉴定。
- 发现生物学：通过测量干预措施如何改变缺血性半球与对侧半球之间 qT1 和 qT2 差异的线性时间依赖性，来检测靶点参与情况。
- 筛选：通过自动化的ADC阈值分割和体素分类（高/低/正常T1/T2），实现检测标准化，以获得一致的病灶特征描述。
- 分析：提供可用于线性模型的定量因变量（F1、F2、Voverlap、半球间qT2差异），用于发病时间的反向推算和不确定性量化。
- 转化研究：将影像生物标志物与病灶体积进展及组织状态相关联，支持向组织病理学验证的连续性研究。
- 平台复用：该半自动化计算机程序设计用于在不同时间点和治疗组间进行纵向应用，可在多组研究中实现平台的重复使用。
运营与企业影响
- 科学价值：通过提供反映不断变化的病理生理状态的时间分辨定量成像终点，减少机制上的模糊性。
- 操作价值：通过标准化的磁共振成像采集（9.4T，CPMG T2，Flash T1，扩散张量）以及半自动化流程实现客观的后期处理，确保结果的可重复性。
- 战略价值：通过精确匹配给药时间与病灶演变过程，改善“推进/中止”决策，在时间敏感的治疗时间窗内减少假阴性结果。
- 项目组合影响：通过量化发病时间估计中的不确定性（±25 至 ±47 分钟），支持基于时间精度加权证据的风险调整优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备定量磁共振成像采集、弛豫时间建模以及基于体素的统计分析的专业知识。
- 依赖高场磁共振成像基础设施（文中提及9.4 T磁共振仪；先前研究已验证该方案在4.7 T下的适用性）以及用于表观扩散系数（ADC）图谱生成、T1/T2拟合和线性回归分析的软件。
- 需要跨团队统一体素分类的阈值标准（例如，高T1/T2定义为高于对侧中位数最大值的1/2以上）及病灶勾画方案。
- 由于源文献中指出的病理生理进程差异和技术限制，若将该方法应用于短暂性缺血模型或临床磁共振设备，需重新验证其有效性。
- 实际局限性：该方案仅适用于永久性局灶性缺血模型；根据源材料，其在再灌注或短暂性缺血模型中的准确性会下降。
