基于QSM+qBOLD模型的磁共振氧代谢成像结合影像组学对脑缺血半暗带精准定量研究

MRI-based cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) and oxygen extraction fraction (OEF) imaging, which reflect aerobic metabolism in body, can quantitatively measure the oxygen utilization status in acute ischemic brain tissue, and are important indicators of surviving tissue and functional activity in brain. They can more accurately determine the survival status of ischemic brain tissue, and distinguish between salvageable ischemic penumbra and infarct core. Based on our previous studies, this project will apply the new developed QSM + qBOLD model to generate oxygen metabolic maps from MRI images to acute ischemic stroke patients and MCAO rats. By combining with clinical indicators, we aim to assess CMRO2, OEF in the evaluation of dynamic changes of infarcted core and ischemic penumbra with radiomic analysis. At the same time, we will verify the reliability and accuracy of MRI-based oxygen metabolic imaging in ischemic stroke patients by comparing with 15O-PET imaging, which is considered as a gold standard. The completion of this project will form research basis for the wide application of MRI-based oxygen metabolic imaging in acute ischemic stroke and be of great importance in guiding clinical decision making and prognosis improvement.

磁共振脑氧代谢率成像(CMRO2)及氧摄取分数成像(OEF)表征机体有氧代谢活动，从代谢水平对脑组织进行成像，能够定量衡量急性缺血性脑组织的氧利用状况，是脑组织生存能力和脑功能活动的重要标志，可更准确的判断缺血脑组织的存活状态，区分可挽救的缺血半暗带及梗死核心。本项目基于前期研究基础，拟以磁共振QSM+qBOLD模型为基础的氧代谢成像应用于急性缺血性脑卒中病人及MCAO大鼠，并结合影像组学分析，综合分析评估CMRO2、OEF在脑梗死核心及缺血半暗带转归中的应用价值；同时筛选部分临床病人与15O-PET成像进行相关对比分析，验证磁共振氧代谢成像的可靠性及准确性。本项目的完成将为磁共振氧代谢成像在急性缺血性脑卒中的广泛应用提供研究基础，将进一步加深对脑梗死核心及缺血性半暗带发生发展过程的认识，对于指导临床治疗决策及改善预后具有重要意义。

缺血性脑卒中是中国乃至世界上致死率致残率居高不下的疾病之一，严重危害人类健康和患者的生存质量。近年来多中心的研究证实，即使临床治疗时已经超过常规的治疗时间窗，血管内取栓或溶栓治疗仍可以显著改善缺血性脑卒中病人的预后。由于脑梗死早期存在缺血半暗带（ischemic penumbra, IP），属于潜在可挽救的脑组织，其特点是氧摄取分数（oxygen extraction fraction, OEF）增加，以维持脑氧代谢率（cerebral metabolic rate of oxygen, CMRO2）的平衡。 15O-PET成像被认为是定量评估脑氧代谢参数的金标准，但其程序复杂、花费高昂，且存在辐射暴露，难以在临床常规开展。因此，采用无创快速的磁共振氧代谢成像对于急性缺血性脑卒中病人的全面影像学评估、缺血半暗带的快速准确识别大有裨益。本项目基于磁共振多回拨梯度回拨序列（multi-echo GRE）序列，采用CAT-QSM+qBOLD模型来计算脑氧代谢参数（OEF及CMRO2），图像计算后处理过程中融合了人工智能新型算法，得到了临床上对于脑缺血非常重要的磁共振脑氧代谢率成像(CMRO2)及氧摄取分数成像(OEF)信息，其可表征机体有氧代谢活动，从代谢水平对脑组织进行成像，能够定量衡量急性缺血性脑组织的氧利用状况，是脑组织生存能力和脑功能活动的重要标志，可更准确的判断缺血脑组织的存活状态，区分可挽救的缺血半暗带及梗死核心。项目团队在对所搜集的临床病例资料整理总结发现，经磁共振计算得到的OEF及CMRO2可准确反映不同时期缺血性脑卒中病人缺血区域的演变规律，准确反映缺血性脑卒中的病理生理改变，梗死核心区域因为没有得到及时有效的血液灌注，脑组织逐渐发生细胞毒性水肿，血管源性水肿，最终脑细胞死亡。急性期DWI高信号区域如果及时恢复血液灌注，则可以挽救部分脑组织而不向核心梗死区转化。本项目研究成果经进一步临床验证及多中心应用后可逐步向临床推广，为临床提供无创的、无辐射的、经济可行的脑氧代谢信息，指导并推进缺血性脑卒中的精准医疗。