脑血管反应性，脑血管扩张或收缩的能力，已被证明可为各种脑血管疾病患者的诊断和治疗评估提供有价值的信息。脑血管作图通常使用高碳酸血气吸入作为血管活性挑战进行，同时收集血氧水平依赖性图像，但是气体吸入的固有需要和相关的装置设置在将其应用于常规临床使用中存在实际障碍。因此，研究人员的目的是开发一种新方法，使用静止状态血氧水平依赖性数据绘制脑血管，而无需吸入气体。该方法利用呼吸的自然变化并测量其对血氧水平依赖性磁共振成像的影响信号。在这项工作中，研究人员首先从全局血氧水平依赖性信号中确定了自发呼吸期间动脉二氧化碳波动的替代指标。其次，研究人员测试了所提方法的可行性和可重复性，以使用上述替代物作为回归量来估计体素脑血管。第三，研究人员使用在健康志愿者中通过高碳酸盐气体吸入获得的常规脑血管图验证了“静息状态脑血管图”。最后，研究人员测试了这种新方法在检测一组烟雾病患者的异常脑血管中的效用，并再次使用常规气体吸入方法验证了结果。研究人员的研究结果表明，全球血氧水平依赖性信号波动的频率包含动脉二氧化碳自然变化的最显着贡献。使用该信号作为回归量计算的脑血管图在运行中可重复，并且与健康受试者中使用常规基于高碳酸血症的方法测量的结果表现出强烈的空间相关性。研究人员还发现静息状态脑血管能够识别患有狭窄性闭塞性疾病的患者的血管扩张缺陷，其空间模式与使用常规气体方法获得的相匹配。这些结果表明，当气体激发不可行时，用静息状态血氧水平依赖性获得的脑血管可能是检测临床应用中血管缺陷的有用替代方法。
　　 脑血管反应性是脑血管的扩张功能的量度。与脑血流量和脑血容量等其他血管测量相比，脑血管被认为是血管健康的更具体的指标。脑血管作图已被证明可用于评估各种脑血管疾病，包括动脉狭窄，中风，小血管疾病，脑肿瘤，创伤性脑损伤，药物滥用，以及正常衰老。脑血管还具有使血氧水平依赖性磁共振成像信号正常化以在脑功能中区分神经元和血管交替的重要用途。
　　 目前，脑血管绘图通常使用高碳酸血气吸入作为血管活性挑战，同时收集灌注敏感的磁共振成像图像。其作为一种有效的血管扩张剂，扩张血管，并增加脑灌注。然后可以通过与二氧化碳相关的血氧水平依赖性信号变化来量化脑血管吸入。虽然血氧水平依赖性信号不是大脑中脑血流量变化的直接量度，因此可能会被脑氧代谢的变化所混淆，但它通常优于灌注信号由于其较高的信噪比。这种脑血管绘图方法已成功应用于健康和慢性疾病患者的许多研究中。然而，气体吸入和相关设备设置的固有需要需要额外的时间和专业知识来处理和监控，这可能限制该技术的应用。在检查急性患者时尤其如此。呼吸控制是另一种操纵血液二氧化碳浓度的方法。但是，受试者在执行屏气任务方面的合作要求也使患有急性或严重疾病的患者变得困难。
　　 因此，在目前的工作中，研究人员的目标是展示一种新的脑血管制图方法的原理验证，该方法不需要吸入气体。该方法利用呼吸随时间的自然变化作为内在的血管活性刺激。可以从全局血氧水平依赖性信号中提取动脉二氧化碳波动的替代。已知血氧水平依赖性磁共振成像信号的全局，非区域特异性波动归因于几种机制，包括心动周期，呼吸周期，扫描仪热噪声，缓慢的生理变化以及潜在的全脑神经波动。研究人员假设信号成分与呼吸变异的关联可以通过全局血氧水平依赖性信号的高级采集和分析方案来提取，其然后可以用作脑血管的体素估计的回归器，所有这些都来自静止状态血氧水平依赖性数据。研究人员进行了四项研究来检验这一假设。首先，研究人员确定了全局血氧水平依赖性信号中与休息时潮气末二氧化碳时间路线最佳对应的分量。其次，研究人员测试了可行性和可重复性使用全局血氧水平依赖性作为回归量来执行脑血管的体素计算。第三，研究人员使用在健康志愿者中通过高碳酸氢气体吸入获得的常规脑血管图来验证“静息脑血管图”。最后，研究人员测试了这种新方法检测一组患有烟雾病患者的异常脑血管的效用，并再次使用常规气体吸入方法验证了结果。
　　 所有磁共振成像实验均在磁共振系统上进行。在头部周围放置泡沫填料以使运动最小化。该研究方案经约翰霍普金斯大学医学院的机构审查委员会，德克萨斯大学西南医学中心和德克萨斯大学达拉斯分校批准。在磁共振成像扫描之前从所有参与者获得书面知情同意书。在不同的参与者中进行了四项研究。作为研究人员先前研究的一部分收集的静息状态血氧水平依赖性数据。包括来自总共参与者的数据。众所周知，全局血氧水平依赖性信号的起源包括许多组件。因此，本研究的目的是通过实验确定静息时全局血氧水平依赖性信号的哪个频率范围包含与血液二氧化碳浓度的最佳对应关系。使用通道仅接收头部线圈扫描五名健康志愿者。体线圈用于传输。在静息状态血氧水平依赖性扫描期间，受试者佩戴鼻插管，二氧化碳通过该插管使用二氧化碳图仪颈内动脉记录。
　　 使用软件脚本进行数据分析。血氧水平依赖性图像系列的预处理包括运动校正，使用具有全宽半最大值的高斯滤波器进行平滑，以及线性去除趋势。使用先前描述的逐步搜索程序，将二氧化碳时间过程转换为考虑血液从肺到心脏然后到达大脑所花费的时间。移位的二氧化碳时间过程与血氧水平依赖性图像同步，并用于以下分析。频率宽度设置为在较高频率处较大，因为信号功率在较高频率处衰减。未测试高于信号频率，因为预期这些信号分量主要是由于心脏和呼吸循环，并且在该频率范围内存在最小的二氧化碳信号。然后对血氧水平依赖性信号时间进程进行空间平均以最小化扫描器热噪声，为每个频率范围生成参考血氧水平依赖性时间进程。针对每个频带计算参考血氧水平依赖性时间进程和二氧化碳时间进程之间的互相关系数。进行配对检验以比较频带上的值以识别提供最高的频带，其在以下研究中用作脑血管计算的最佳频率范围。还进行了探索性分析，以比较使用过滤参考血氧水平依赖性信号作为回归量的体素回归的统计显着性与使用二氧化碳时间过程作为回归量之后的先前研究。考虑了所有脑体素的分数。进行配对检验以评估两种方法之间比较的显着性。被认为是显着的。
　　 研究了使用静止状态血氧水平依赖性磁共振成像绘制脑血管的可行性，并评估了该方法的可重复性。该研究是通过使用研究人员先前研究中收集的静息状态数据完成的。健康受试者进行了疗程，其中包括静息状态血氧水平依赖性扫描，使用通道仅接收头部线圈。的血氧水平依赖性成像参数是：单次梯度回波。与研究相比，尽管时间分辨率较低，但本研究中的数据提供了明显更大的空间覆盖率。数据分析遵循的图表。预处理与研究中使用的相同.血氧水平依赖性时间过程的时间滤波使用从研究确定的最佳频带。从加权图像获得的全脑掩模用作参考。掩模和掩模内的体素被平均以产生参考时间过程。线性回归分析然后进行参考时间过程是独立变量，并且个体体素的时间过程是因变量，产生每个体素的脑血管指数。通过将脑血管指数归一化为从参考掩模计算的平均值，获得静止状态脑血管图。研究人员注意到静止状态脑血管图是以相对单位表示的。为了评估静息状态脑血管图的再现性，在多次数据运行中进行了组内相关分析。对于这项研究，计算了双向模型，平均测量组内相关值。
　　招募了患有烟雾病的患者。烟雾病是一种狭窄的脑血管疾病，其特征在于前脑和中脑血管的严重狭窄/阻塞。本研究中每位患者的具体诊断。患者出现单侧狭窄，出现双侧狭窄。每位患者进行静息状态血氧水平依赖性扫描和气体吸入扫描。呼吸任务和静止状态扫描的成像参数为：血氧水平依赖性序列,各向同性体素,全脑覆盖使用切片，气体吸入扫描利用伴随的二氧化碳调制范例，以便同时获得脑血管和静脉脑血容量图。之前描述了伴随的二氧化碳调制和数据分析的细节。进行动脉自旋标记扫描以获得脑血流量。所述动脉自旋标记扫描未见的摄像参数：二维多切片采集，标记持续时间，后标记延迟，十四分之四千二百六十零毫秒，视场，体素尺寸，全脑覆盖使用轴向切片无间隙。还获得了加权和飞行时间血管造影的解剖图像。所有患者均使用通道接收头部线圈进行扫描。体线圈用于传输。使用上述程序获得静息状态和气体吸入脑血管图。两张地图都是相对单位。在这些分析中，研究人员使用小脑灰质作为参考区域，因为在烟雾病患者中通常保留后循环。通过静息状态和气体吸入脑血管鉴定的缺损区域进行了比较。使用散点图和空间相关性进行两种方法之间的定量比较。根据动脉自旋标记白皮书获得脑血流量图。
　　 显示出了针对不同频率范围的二氧化碳和血氧水平依赖性信号时间过程之间的互相关系数。可以看出，当在频率范围内过滤时间过程时，相关性最高。配对测试显示相关性显着高于除之外的所有其他频带。实际上，对于研究中的每个参与者，峰值相关性出现在。这些观察结果表明，在频率范围内的血氧水平依赖性信号提供了对血液二氧化碳自发波动的最佳估计。浓度，相对于其他频段。因此，在以下研究中，血氧水平依赖性时间序列全部被过滤到，用于使用静止状态数据计算脑血管图。比较使用全局血氧水平依赖性信号二氧化碳时间过程的方法，当使用全局血氧水平依赖性信号时，体素回归的统计显着性显着更高。对于全局血氧水平依赖性和二氧化碳方法，得到体素分数分别。类似地，研究人员发现使用全局血氧水平依赖性信号作为回归量，大脑中体素具有统计学显着性得分，而使用二氧化碳作为回归量。
　　 显示了从静止状态和高碳酸血症扫描获得的组平均脑血管图。目视检查表明，虽然通过不同技术获得的两个脑血管图具有几乎相同的图像对比度。灰质具有比白质更大的脑血管，并且由于血容量效应，含有静脉的体素显示出最高的脑血管值。基于对大排水静脉的血管解剖结构的了解，通过视觉检查来识别包含静脉的体素。通过对散点图的定量分析证实了两个脑血管图的一致性，两幅图之间存在强烈的空间相关性。所有受试者的个体静息状态和高碳酸血症衍生的脑血管图显示在。为了比较静息状态脑血管方法与标准气体方法的灵敏度，显示了基于静息状态和基于高碳酸血症的技术的统计的直方图。可以看出，与高碳酸血症脑血管作图技术相比，静息状态方法不太敏感，如预期的那样。
　　 烟雾病患者的人口统计信息。显示了所有患者的静息状态和高碳酸血症扫描的脑血管图。作为参考，还显示了患者的磁共振成像血管造影照片，说明了每位患者的特定狭窄部位。脑血流量和静脉脑血容量图像。在所有患者的疾病区域中观察到脑血管降低。发现静息状态脑血管图显示与高碳酸血症脑血管图相似的缺陷模式，表明用静息状态血氧水平依赖性磁共振成像测量的脑血管可提供与使用常规基于高碳酸血症的方法获得的脑血管功能障碍类似的信息。两个脑血管图之间的散点图。它们的空间相关系数。以外的频带研究了静息状态脑血管映射，发现所得到的静息状态脑血管图与高碳酸血症脑血管图不太一致。与脑血流量和静脉脑血容量图相比，两个脑血管图显示了其独特的缺陷模式，表明研究人员获得的静息状态脑血管测量特定血管功能为高碳酸血症脑血管。
　　 在本报告中，研究人员提出了一种新方法来绘制脑血管反应性而无需吸入气体。研究人员发现，在频率范围内的全局血氧水平依赖性信号波动包含动脉二氧化碳自然变化的最显着贡献。然后，研究人员利用该信号作为来自静止状态血氧水平依赖性磁共振成像数据的脑血管估计的回归量。研究人员的结果显示，使用该方法计算的脑血管图在运行中是可重复的，并且表现出与使用传统的基于高碳酸血症的方法测量的结果的强烈空间相关性。休息状态脑血管能够识别患有狭窄性闭塞性疾病的患者的血管舒张功能障碍，其空间模式与使用常规气体方法类似。
　　脑血管表明血管在需要时扩张的能力，并且被认为是与脑灌注相比的血管健康的特定标记，脑灌注可能受到非血管因素的影响，例如神经活动，新陈代谢和咖啡因摄入。脑血管在涉及慢性缺血性病症如动脉粥样硬化性动脉闭塞性疾病和烟雾病的研究中显示出重要价值。然而，尽管有其潜力，但脑血管标测尚未用于大规模临床试验或常规临床实践。这种方法最重要的局限之一是使用气体吸入的脑血管映射通常被认为是麻烦的已经开始解决这些问题。因此不能常规使用。在急性或重症患者中使用气体挑战还存在其他问题，因为他们可能无法忍受或报告他们对高碳酸血症的不耐受。还有人提出，患有严重肺病或心脏病的患者不应接受气体攻击。因此，开发不需要吸入气体的脑血管映射方法具有重要的临床价值。目前的工作是使用静止状态血氧水平依赖性数据测量脑血管的这种努力之一。研究人员已经证明静息状态脑血管图与传统的基于气体吸入的脑血管图具有很强的相关性，尽管其通过统计量测得的整体灵敏度较低。研究人员还注意到静息状态脑血管映射基于血液二氧化碳含量的自发波动，其在范围内。这种自然变化远二氧化碳呼吸引起的变化，但与每日神经活化引起的血流量更相关变化。鉴于血液二氧化碳含量与脑血流量变化之间的非线性关系，预期血氧水平依赖性信号也可能与血液二氧化碳非线性地变化。
　　已知静息状态功能磁共振成像数据包含有关大脑脉管系统的信息，以及映射功能连接的常见用法。作为血氧水平依赖性时间序列的时间标准偏差计算的静息状态波动幅度与屏气测量的脑血管相关。进一步显示高血压老年慢性肾病患者血氧水平依赖性信号的方差系数显着增高而不是年轻的健康志愿者。其他研究已经探索了一个量化血氧水平依赖性信号低频变化程度的参数，称为低频波动幅度，并证明了低频波动幅度和高碳酸血症衍生的脑血管之间的相关性。这些方法没有试图区分血氧水平依赖性信号的各种成分，因此可能包含各种生理来源。在研究人员的研究中，研究人员考虑了全局血氧水平依赖性信号的多因素机制，并开发了特定的采集和分析方案，以最大限度地隔离与血液二氧化碳中的自然波动相关的信号成分。的影响通过以相对高的时间频率获取数据来减轻血氧水平依赖性时间过程中的心脏和呼吸循环，因此可以通过低通滤波来消除这种影响。通过对大量体素进行空间平均，并通过在脑血管计算中使用平均信号作为回归量来最小化扫描仪热噪声。通过识别显示与潮气末二氧化碳更高相关性的频带，进一步努力获得与二氧化碳波动最相关的信号分量。还报道了一些研究使用静息状态磁共振成像数据来估计大脑中的血液传播时间。研究人员试图在先前的研究之后获得体素延迟并将其应用于静息状态脑血管映射。然而，所得到的脑血管图是有噪声的，可能是由于静止状态延迟映射中的低信噪比。因此，在研究人员的脑血管分析中，研究人员没有考虑到体素方式的血液传输延迟。结果，烟雾病患者的脑血管图中的缺陷区域反映了这些区域的脑血管减少和血液转运延迟。
　　 最近，两项研究报道了在静息状态血氧水平依赖性扫描期间记录的二氧化碳时程的使用作为在健康志愿者中绘制脑血管的回归量。与之前的研究相比，本研究首次将这些方法应用于脑血管疾病患者。此外，由于以下原因，目前的工作主要集中在使用滤波的全局血氧水平依赖性信号作为回归量，而不是二氧化碳作为回归量。首先，在比较二氧化碳和全球血氧水平依赖性方法时，研究人员发现全局血氧水平依赖性方法提供了明显更好的脑血管图。这是因为的采样频率具有较低的采样频率，例如一次测量，而得到的血氧水平依赖性信号变化具有较高的采样频率，因此，这两个时间序列之间的回归分析需要大量的时间插值。可以对血氧水平依赖性图像进行下采样以匹配二氧化碳的采样率并进行回归分析。但是，这意味着大部分血氧水平依赖性数据被丢弃。另外，由于分散，肺中的二氧化碳浓度时间过程将与脑中的二氧化碳浓度时间过程略有不同。这可以进一步降低二氧化碳和血氧水平依赖性信号时间过程之间的关联程度。而且，二氧化碳的放置记录装置可能需要一些额外的设置时间并且长时间佩戴该装置可能引起一些不适。对于通常为区域性的大多数脑血管疾病，通过静息状态脑血管测量的相对图足以描绘缺陷脑区域。如果需要绝对脑血管，则可以将使用鼻插管的二氧化碳记录添加到该程序中。但是，为了获得最高的统计显着性，研究人员仍然建议使用过滤的全局血氧水平依赖性作为回归量。二氧化碳因此，记录主要用于从相对单位到单位的转换。
　　 这项研究有一些局限性。首先，研究人员获得的静止状态脑血管图是以相对单位表示的，而不是以二氧化碳的绝对单位表示。如前所述，如果需要绝对值，可以添加二氧化碳的记录。其次，研究人员凭经验发现，在频率范围内的全局血氧水平依赖性信号与二氧化碳具有最强的相关性。然而，这个频率范围内的信号仍然包含来自非二氧化碳相关来源的一些贡献，例如，由于警惕性变化引起的神经活动的全局波动，主题似乎是合理的。动作和心率变化。研究人员正在进行进一步研究，同时进行磁共振成像以研究这种贡献的程度。第三，对于研究，研究人员没有高碳酸血症脑血管图来计算静息状态和高碳酸血症脑血管图之间的空间相关性。在这项工作中，研究人员开发了一种新方法，使用静息状态血氧水平依赖性数据绘制脑血管反应性，无需吸入气体或屏气。研究人员研究结果表明，通过这种方法获得的静息状态脑血管图是可重复的，并且与传统的基于二氧化碳-吸入的脑血管图高度一致。当气体挑战不可行时，该方法可用于检测临床应用中的血管缺陷。