文摘

神经障碍代表失去了多年的健康生活和死亡的主要原因。他们的定量跨学科的发展在活的有机体内评估是必需的。室建模(CM)的大脑数据获得在活的有机体内使用造影剂与临床磁共振成像技术可以定量评估脑灌注。运输¹H旋转水分子在大脑生理区划的障碍在三个不同的池是数学建模和理论上本文评估和相应的理论室建模的动态对比增强磁共振成像(DCE-MRI)的数据进行了分析。池被认为是血液、组织和脑脊液(CSF)。血液和脑脊液数据数学建模假设的连续流¹在这些池H旋转。使用三个CMs组织数据建模。本文结果表明,运输在大脑生理障碍如血脑屏障、细胞内的细胞外空间的空间屏障,或血脑脊液屏障可以定量评估。统计评估的定量信息可能被执行评估组织灌注,屏障的完整性和脑脊液流动在活的有机体内在正常或流感传染的大脑来评估对治疗的反应。

1。介绍

神经障碍疾病是中枢和周围神经系统影响全世界约十亿人不分年龄,性别,教育,或收入。目前最常见的神经系统疾病是偏头痛,其次是神经问题引起的脑血管疾病、癫痫、阿尔茨海默病等等(1]。脑积水是特别痛苦,代表孩子的脑部手术的主要原因在美利坚合众国2]。神经精神疾病和伤害,尤其是代表的主要原因失去了多年的健康生活和明显低估了测量单靠死亡率(1]。

神经系统疾病的影响预计将增加,例如,受影响的人数阿尔茨海默病和其它痴呆条件每二十年预计将翻一番。几乎每年有七百万人死于因神经障碍,受影响最严重的是较低的中等收入的人。调查神经障碍的重要性increaseas由于长时间的老化也1]。

Neuroscientifically相关观测记录自公元前4000年和他们导致了神经科学的发展3]。在过去的两个世纪,大脑研究属于不同的领域,不同方法和目标:形态,生理和心理上的。后者用来把大脑看作一个黑盒子,只有输入和输出是已知的但不是所有神经元组件和他们相互作用的方式。最近,科学和技术研究,从分子到行为的水平,进行了但他们尚未开发的一个跨学科的方法(1]。

代理通过动力学生理障碍,包括大脑生理障碍,可以定量评估体内,使用外源性或内源性核磁共振成像(MRI)技术和室建模(CM)的MRI数据4- - - - - -6]。内生理论描述的两个和三个CMs(没有核磁共振造影剂,ASL技术)和外源性(额外的或细胞内的核磁共振造影剂)灌注磁共振成像技术已经被描述4- - - - - -6]。数据的信噪比获得使用内源性灌注磁共振成像技术仍远低于与外生灌注磁共振成像技术获得的数据。细胞内造影剂目前目前只用于临床试验。使用细胞外造影剂灌注磁共振成像技术(DCE-MRI技术)微创,他们通常用于临床磁共振成像,包括脑MRI。

数学建模的数据获得使用外源性灌注磁共振成像技术与细胞内造影剂(ssCE技术)可能成为数学上很复杂,因为将会有更多的弛豫时间修改机制在每个舱的体素(即。,容积图像元素)被认为是。这将导致更复杂的方程来得到解决时,会引入更多的参数估计拟合数学模型的MRI数据开发。

大脑的数学建模数据获得在活的有机体内使用外源性细胞外造影剂灌注磁共振成像技术是容易因为核磁共振数据的信噪比是最高的,对比剂不渗透在细胞外空间(ee)完整blood-to-brain障碍(BBB)。提高信噪比的DCE-MRI最近获得使用缓慢注入技术Gd-based细胞外临床可用的造影剂(7]。注入技术允许一个更容易的数学建模的老鼠大脑DCE-MRI数据。缓慢注入技术也可用于临床。Yankeelov et al。8]使用缓慢注入技术Gd-based细胞外造影剂定量评估DCE-MRI乳房的数据。

灌注磁共振成像的数学建模、特别是DCE-MRI数据中的数据,基于体素的生理划分,提供更复杂的和现实的动力学信息代理通过生理隔间之间的壁垒。对大脑和大脑条件,这可能允许BBB的定量评估,blood-to-CSF屏障(B-CSF-B),或输出的输入流(油田)的不平衡¹通过脑脊液空间H水分子的旋转。

生理划分的理论描述组织和脑脊液压和数学建模的血液,组织和脑脊液数据获得使用DCE-MRI和缓慢Gd-based造影剂灌注技术提出了。动力学¹H旋转的水分子存在于两个不同的阶段(影响和spin-lattice弛豫时间缩短,T₁)的三池假定(血液、组织和CSF)定量评估研究。的相对量体素位于组织的生理隔间和CSF地区也可以估计使用这种生理厘米DCE-MRI大脑的数据。

在这项研究的结果表明,定量信息可以从大脑中提取数据在活的有机体内使用DCE-MRI技术。大脑中的生理屏障的完整性,油田失衡CSF空间,和相对的生理隔间可以评估使用这个定量信息。

未来可能使用这些CMs统计实验研究提供定量信息在BBB和B-CSF-B完整性和/或收缩的脑组织病变的大脑,例如。这些CMs的潜力在活的有机体内定量监测神经障碍、治疗或正常大脑功能也可以被评估。

2。数学模型

的¹H核与DCE-MRI相关图像在血液中,组织,和CSF池中存在两个不同的阶段:一个纵向弛豫时间的影响T₁和一个T₁缩短。放松的时间T₁缩短由于spin-lattice相互作用吗¹H核在水分子的顺磁离子Gd外生临床上可用核磁共振造影剂。运输的¹H核在这两个水相在车厢之间的壁垒池评估的数学模型。

2.1。运输在血池中

代理的注入在血池中是连续的,因此,¹H旋转两相流不断在这池中(9- - - - - -11)浓度速度,把池之后,他们的动力学描述的动脉输入函数,如果: 如果在(1)指的是时间点之前和期间注入。不再造影剂进入血液室后的缓慢注入造影剂,只有消除机制将在这段时间里。

浓度的¹H旋转在血液中的水分子在混合阶段,,取决于比容、Hct,水平,是由动脉输入函数乘以(1-Hct)因素。

2.2。组织灌注

每个立体像素对应于白色或灰质区域区划如图1。四个生理隔间组织体素的血液(访问¹水分子H旋转),细胞外空间(EES-accessible¹H水分子的旋转),细胞内空间(IES-accessible¹H水分子的旋转),空间无法访问水(现在不是访问¹H水分子的旋转)。双向传输的¹H旋转整个血液ee和ee IES障碍用箭头表示。的比率¹H与影响旋转T₁相比可以忽略不计(~ 0)的吗¹H旋转较短T₁。快和慢的交换¹H之间的水分子旋转这些隔间是双向的。这些交流与积累的¹H旋转在隔间生产两个阶段随时间动态变化的幅度相应的核磁共振(NMR)信号。

四个组织图的小隔间里1血液,ee,细胞内空间(IES),和一个空间无法访问¹水分子中的氢核(现在)。这些隔间的相对量:,,,满足条件: 运输的¹H水分子的旋转障碍是双向的。其机制是类似于细胞跨膜动作电位运输的浓度梯度¹H旋转阶段一个隔间。

的浓度¹H NMR信号的旋转产生的变化在一个组织,,取决于的浓度¹H NMR信号的核生产变化每个隔间:,和 快和慢的运输¹H旋转的两个阶段在血液ee和ee IES壁垒也促成了NMR信号强度会随着时间而改变。

2.2.1。双向传输整个血液ee障碍

浓度的¹H旋转产生的MRI信号强度变化的体素由于其传输从血液进入ee舱可以解决由Kety-Schmidt方程(4每个阶段的)¹在水分子H核。

Gd-based细胞外造影剂不渗透在BBB完好,ee空间¹H与缩短旋转T₁正慢得多相比,那些有影响吗T₁(4,5]。的贡献¹H与影响旋转T₁因此,可以忽视和Kety-Schmidt方程需要解决下面(4)。

的浓度变化的速率¹H水分子的旋转ee隔间里,““增加由于运输的¹H与缩短核T₁从血液进入ee舱率,减少由于这些旋转重返地球的血液室的速度: (在所有初始浓度t= 0)为零。

方程(4)是一个一阶非齐次线性微分方程的通解在附录中给出。

2.2.2。双向传输在ee IES障碍

细胞外造影剂不进入IES舱和贡献¹H与影响旋转T₁信号强度变化又可以被忽视的假设在前面的小节。的浓度变化的速率¹H旋转水分子在前辈们的空间,,由于运输的增加¹H与缩短核T₁从ee IES舱率,减少由于这些重返地球旋转速度ee舱: 与得到解决(4)。解这个方程也在附录中给出。

2.3。脑脊液的流动空间

CSF是由三个不同的重要机制和流几位的大脑区域12]。只有CSF形成的主要机制,血液滤过,被认为是在这个研究。动力学的¹H旋转产生CSF MRI信号强度的变化,因此,相比是不同的,在组织。脑脊液中的每个立体像素区域可以区分两个空格(13图中描述2。这两个生理隔间CSF体素的血液和脑脊液,都可以访问¹在水分子H核。¹H核在血液中的水分子过滤CSF地区的整体速度和疏散空间的整体速度。流体流经,积累的空间,代表了CSF。箭头表示的单向传输¹水分子的H核血脑脊液屏障。

包含有两个池¹H核在水分子CSF体素:血液和脑脊液池。这两个隔间的相对量:、血池的相对体积的相对体积CSF池: 流的混合阶段¹H在水分子的旋转CSF空间是连续的,由CSF输入函数定义(CSFIF),类似于如果。旋转进入脑脊液空间速度和离开空间速度

输入和输出流的扰动机制通过B-CSF-B障碍一起的扰动机制的优势可以定量评估输出输入流,油田。输入输出流,油田,代表的意思是相对规范化的速度¹H核在水分子CSF空间。的平均输入/输出率¹H核在水分子流动的脑脊液空间计算每个疾病阶段(例如,控制、温和,和严重)。正常化CSF空间中的每一个的意思是输入/输出率处于疾病阶段对相应的控制(正常的大脑)进行输入/输出意味着率CSF空间:

3所示。结果与讨论

血药浓度曲线相似,如果得到的鼠标(7和老鼠13)大脑DCE-MRI数据。整个血池中输入和输出率老鼠大脑的评估显示,最快速疏散的造影剂从血池发生在沟通的温和阶段脑积水(C-HC),相比正常和严重C-HC-affected老鼠的大脑13]。整体输入率的值在血池中范围从0.0427到0.0956毫米/分钟,而血池的整体输出率介于0.0281和0.0344 - 1 /分钟(13]。

运输率之间的血液室和ee室组织池介于0和0.0005 - 1 /分钟计算使用这个舱建模应用于DCE-MRI正常和脑积水的老鼠大脑的图像(13]。核磁共振信号强度的变化在大脑区域的特点是null价值的生产¹在血液中的水分子间氢核组织池评估。的zero values of these rates also show that resolution and signal-to-noise ratio of the DCE-MRI technique evaluated need to be increased to detect transport rate values as small as 0.0001 1/min. All值计算表明,相对于正常压力脑积水(14),BBB C-HC完好无损。

的ee舱部分的20%,部分卷计算血液室组织池(皮层和thalamus-left和右脑)介于7.98%和0.05之间,而前辈们的分数卷室介于77%和72之间(13]。

CSF的油田值计算池显然表明,这些是最敏感的指标C-HC动态干扰的机制。流障碍更明显在渡槽(油田= 2.49)和IVth心室(油田= 1.96)C-HC的轻微的阶段。油田值计算(油田> 1)侧脑室(轻微和严重的C-HC阶段),渡槽(轻微和严重C-HC阶段)和IVth心室(轻度C-HC阶段)大于相应的智能油田值计算(油田= 1)在正常大脑。最明显增加油田价值发现的轻微C-HC阶段所有CSF空间分析。IVth心室,油田值增加(油田= 1.96)的温和阶段C-HC和减少低于相应的油田(1 /智能油田= 1.7)C-HC的严重阶段。油田值计算在侧脑室和渡槽相对增加相应的智能油田正常大脑的值,尽管他们在严重降低C-HC阶段相对温和的阶段,他们仍大于相应的智能油田值计算出正常的大脑。

可以与外国投资的增加值降低的整体输出率相对于对应的输入率CSF空间处于疾病阶段。更多的¹H旋转与降低T₁将积累的CSF空间相比,正常的大脑(控制阶段),生产数量扩张的空间比相应的正常大脑的空间。这些在侧脑室扩张降低渡槽,油田减少与疾病严重程度从1.87到1.55,从2.49到1.4。IVth心室,油田增加轻微C-HC阶段(油田= 1.96)和减少严重阶段(1 /油田= 1.7)。更多的¹H旋转与降低T₁将积聚在温和的CSF评估C-HC阶段(渡槽横向和IVth心室)和严重C-HC阶段(渡槽和侧脑室)相比,正常的大脑(控制阶段)。更多的¹H旋转与降低T₁将疏散IVth心室的严重阶段C-HC相比正常的大脑(控制阶段)。这个大规模的疏散IVth心室水平严重C-HC阶段的破坏B-CSF-B在这种级别的CSF空间严重C-HC阶段。智能油田价值计算的IVth心室水平严重C-HC阶段显示的正常疏散机制的破坏¹H旋转与降低T₁在这个级别的CSF和C-HC阶段。疏散,在这种情况下,如果B-CSF-B不存在了。

所有油田值计算C-HC大脑生理上可以与中断的B-CSF-B C-HC水平的渡槽横向和IVth心室。这些计算油田值表明干扰脑脊液流动机制的优势。输入的干扰机制主要如果油田> 1,而输出的机制是主要油田< 1。

提高分数的老鼠大脑皮层的血液量相对于控制160倍值被发现使用这个厘米DCE-MRI老鼠大脑的数据。这些变化可能是生理相关的收缩C-HC脑组织。

CSF池中,值的相对体积CSF舱估计不到100% (13]。血液室中检测出外侧和IVth心室体积分数值的范围从9.4到16.5%13]。最大的血液体积分数值计算舱在正常大脑,显示血液室的存在小CSF(几个像素),由于部分体积和噪音影响影响这些地区的核磁共振成像数据。这些数据表明,更准确的信息可以从数学建模中提取DCE-MRI数据获得更高的空间分辨率和信噪比。

4所示。结论

舱DCE-MRI数据的建模提供定量信息的渗透率BBB和B-CSF-B。转移率的0.0001 - 1 /分钟估计通过数学建模DCE-MRI老鼠的脑组织中的数据池(13]。传输速率范围从0到0.0005 - 1 /分钟,显示没有BBB破坏老鼠大脑受到C-HC [13]。

组织灌注和动力学¹H原子核在不同阶段水分子通过不同组织和脑脊液正常和流感传染大脑的隔间可以定量评估在活的有机体内使用CM DCE-MRI数据(13]。

统计实验分析这些CMs精制阶段的疾病的严重程度都需要准确的描述大脑疾病机制的正常和/或一般,特别是在C-HC。

即使没有任何统计分析,计算每个CSF油田值空间分析清楚地表明,这是最敏感的指标脑脊液流扰动通过C-HC CSF。输入或输出流扰动的优势在CSF空间处于疾病阶段也可以建立基于智能油田值计算。

CM DCE-MRI数据可能代表一个重要的临床成像分析方法。它能提供定量的信息,可以用来评估生理正常的大脑,大脑疾病的机制,包括脑积水,或对治疗的反应。

附录

答:组织浓度建模

的浓度¹H旋转在组织水分子可以通过拟合定量估计DCE-MRI数据组织浓度曲线得到解决(4)和(5)。解决方案(4)下面 造影剂在DCE-MRI细胞外,只有运输¹H之间的水分子发生核ee和前辈们隔间。基于这些假设,浓度¹H的旋转和ee隔间将几乎一样 组织浓度曲线估计通过和表达式在(3)。

b浓度曲线

动力学¹H水分子的旋转三池评估可以通过拟合浓度曲线(1),(7),(. 1)。浓度曲线可以得到正常化MRI信号强度,信号强度随着时间的推移,获得在注射对比剂之前,。的信号强度在任何时间点被认为是获得使用变量的梯度回波翻转角度基于脉冲序列以尽可能短的回波时间(13]: 浓度直接成正比(8,9),如果是已知的,浓度曲线获得(责任)。和代表spin-lattice放松的时候¹H核在评估一个地区(即水分子。,blood, tissue, or CSF) before and after infusion of the contrast agent. FA and脉冲序列参数:翻转角度和重复的时间吗 最初的的值¹H核在血液中的水分子,组织和脑脊液地区可以计算在活的有机体内(15]。计算是没有必要的。血液中浓度曲线数据可以通过拟合估计核磁共振数据在矢状窦(16)(B.2)。

确认

第一作者(l . Fanea)感谢孩子的大脑基础和EC下金融支持格兰特POSDRU / 89/1.5 / S / 60189。