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骨骼肌运动医学研究论文

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1骨骼肌BOLD成像研究

BOLD的概念由Kim等[1]于1990年首次提出,并迅速在人脑中应用,成为研究人脑功能的重要手段。BOLD成像依赖微循环中氧合血红蛋白和去氧血红蛋白比例的变化,去氧血红蛋白是顺磁性物质,而氧合血红蛋白是抗磁性物质,两种物质的磁特性不同,在局部形成MRI信号的改变,一般采用磁敏感序列,如T2*加权成像[2]。研究表明,大多数疾病都伴有微循环的改变,因此有理由相信BOLD成像同样能够应用于脑以外的组织和器官,比如骨骼肌。Lebon等[3]利用多回波链梯度回波技术,测量T2*值,把TE=0(SITE=0)时的信号强度作为测量血流灌注的标准,利用缺血和反应性充血来干扰肌肉内的氧合作用,结果表明,肌肉在缺血状态下,T2*值降低,一旦缺血状态解除,T2*有一个明显的上升峰,和同期肌肉血流灌注一致,这项实验有力地证明了肌肉中同样存在BOLD效应。在脑BOLD成像中,脑功能区的激活相对简单,肢体运动或认知改变都可以有效地激活相应的脑功能区。然而,肌肉的激活却有多种方式,如药物(如血管活性药物)、有氧运动等。Partovi等[4-5]研究大腿、小腿及前臂肌肉单次收缩后肌肉BOLD信号强度的改变,同时变换一些参数,如TR、扫描序列、场强及收缩力等,结果发现肌肉收缩引起的暂时性BOLD信号增加并不随着TR和扫描序列(GRE/SE)改变而改变,而随着肌肉收缩力以及场强的增加而增强。Towse等[6]研究静坐组和活动组志愿者骨骼肌单次快速收缩后的瞬时BOLD信号变化,结果发现活动组BOLD信号增加更明显,持续时间更久。

1.1BOLD信号的生理机制临床评估肌肉微血管结构经常依赖于有创的活检,BOLD成像提供了一种无创的对微血管结构敏感的方法,目前已被证明是一种有效方法。肌肉BOLD常用的激活方法主要有电刺激和运动。在一项电刺激(5Hz)小鼠肌肉的试验中,BOLD信号由于氧分压(PO2)的改变而发生显著性的变化。在另一项反应性充血试验中,BOLD信号与激光多普勒(LDF)经皮所测得的PO2(TcPO2)也呈较好的相关性。更多的研究表明在缺血的初始阶段,BOLD信号与TcPO2具有较好的相关性,呈现同样的下降特征,但在缺血的过程中LDF测得的PO2下降较快,出现这种现象的机制可能为缺血早期BOLD信号下降反映的是肌肉微循环血氧饱和度下降所导致的组织进行性去氧化过程。一些研究提示,肌红蛋白由于其内具有含铁血红素结构,同样对肌肉的BOLD信号具有一定的影响。在另一些研究中,肌肉单次收缩,由于暂时改变了组织中的血氧饱和度,同样会有相应的BOLD信号改变[9]。

1.2BOLD信号分析BOLD-MRI数据是典型的随时间变化的数据类型,传统的MRI数据处理方法可以用来处理BOLD数据。其在评估劳累型骨筋膜间室综合征微循环变化中得到了很好的应用。Mc-FaddenD等[10]利用3.0T小孔径MRI仪、采用正交发射—接受肢体射频线圈证实BOLD在无创评价劳累型骨筋膜间室综合征微循环方面非常有效。在这项研究中,BOLD成像序列采用GRE-EPI(α,700;TE/TR,35/250ms;FOV,24cm×24cm;矩阵64×64),采集时间12.8min,总共采集3072幅图像,平均每幅图像采集4秒钟。实验分两部分,先采集静息态BOLD信号,然后进行30min的高强度运动,再次采集BOLD信号。参考T1WI或T2WI图像测量相应部位(比目鱼肌、腓肠肌、胫骨前肌)的T2*值,然后把这种依时间变化的BOLD信号,按照生理频率(呼吸频率和心率)通过傅里叶转换成频率模式,结果反映心率(1.8Hz)和呼吸频率(0.7Hz)的波峰在比目鱼肌更容易被观察到,肌肉运动后,其峰值明显上升。而劳累型骨筋膜间室综合征的患者在胫骨前肌却观察不到这种波峰。劳累型骨筋膜间室综合征的胫骨前肌缺乏反映心率和呼吸频率的波峰,其机制与筋膜间隔压力升高,压迫、阻断血流有关。比目鱼肌在0.4Hz处观察到的波峰可能与微循环的氧合状态有关。劳累型骨筋膜间室综合征患者所有波峰均下降,提示氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的比值下降。现有的MRI评价组织微血容量主要是通过静脉快速团注钆对比剂动态增强扫描方法,但这种快速成像方法并不能动态观察这种依赖时间的微循环变化,BOLD则很好地解决了这个难题。影响BOLD信号改变的因素是多方面的,BOLD信号的解释不仅仅需要校准过程,而且需要考虑肌肉血容量、血管结构(包括微血管密度、平均毛细血管间隙等)以及场强方向等。事实上这些因素是很难完全满足的,因此BOLD在分析肌肉血氧含量方面被认为是相对或半定量[11]。

2ASL在骨骼肌中的应用

和其他组织器官一样,肌肉中一定量的血流灌注是维持细胞存活和细胞代谢的基本条件,正常情况下,肌肉静息状态下的血流灌注水平非常低,通常每分钟每100g组织只有几毫升[ml/(min/100g)]。骨骼肌肉运动后,其血流迅速增加,并快速达到一个稳定值以适应代谢的需求。目前观察肌肉血流灌注的MRI方法主要有两种,一种是动态增强MRI成像,主要依赖外源性MRI对比剂引起靶组织的信号变化,由于外源性的对比剂具有潜在的肾脏危害性,而且动态增强MRI成像不能在较短的时间内重复观察,从而限制了这种检测方法的应用。另外一种方法是ASL,ASL是一种全新的MRI技术,它无需注射外源性对比剂,能够无创观察微循环血流灌注情况。ASL常采用饱和脉冲或反转序列在兴趣区的上游对血液中内源性质子进行标记,然后在兴趣区采集信号。理论上讲,血流下降将导致自旋质子信号降低,相反,血流增加可以引起自旋质子信号增加。ASL具有天然的可重复性,它可以在较短时间内重复观察血流灌注变化。ASL脉冲序列主要有两种,连续式ASL(CASL)和脉冲式ASL(PASL)。临床最常用的PASL技术是流动敏感交互式反转恢复(flow-sensitivealternatinginversionrecovery,FAIR),FAIR相对于其他ASL技术的优点在于FAIR技术可以多层采集,并且不需要预先知道血流方向。但是FAIR技术对于血流通过时间较为敏感,血流通过时间即血流从标记层面到信号采集层面的通过时间,血流通过时间越快,FAIR信噪比越低。

FrankLR等首次报道了ASL在肌肉中的应用,在动态跖屈运动后,采用CASL序列观察小腿各组肌肉中的血流灌注。BossA等利用FAIR-TrueFISP序列评价前臂肌大运动量运动后的血流灌注情况,结果发现,FAIR技术相对于CASL技术,具有较高的信噪比,能够有效的减少磁化传递、动脉通过时间以及T1差异对灌注值的影响。运动中肌群相对于静止肌群,其血流灌注明显增加,血流灌注峰值可以达到221︰6±44.2ml/(min•100g),并可在运动结束后持续2min。WuWC等设计了一个经典的缺血—反应性充血模型,利用CASL技术观察了四肢肌肉在缺血—反应性充血过程中的血流灌注变化,结果发现小腿、足底以及前臂的肌肉血流灌注有显著差异,推测这种差异可能与肌群的肌纤维类型有关。相对于其他组织器官,肌肉在运动或受电刺激后,其血流灌注、微血管容量、微血管及组织含氧量变异很大,这些变化对BOLD信号影响大,因此BOLD信号解释尤为复杂。而ASL技术仅对灌注敏感,所以能够解释肌肉运动后复杂的BOLD信号。总之,骨骼肌的灌注变化快,而且变化范围大,ASL能够及时检测出骨骼肌灌注的变化,这是ASL优于其他技术之处。但是ASL信噪比低,运动可能产生伪影,使得ASL难以评价肌肉收缩时的血流灌注,未来随着技术的进步可能会解决这一难题,将使得ASL应用范围大大提高。

作者:程少容 李峰 赵林 熊飞 王鹰 曾晓华 单位:广州军区武汉总医院放射科

骨骼肌运动医学研究论文责任编辑:杨雪    阅读:人次
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