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立卧位变化对健康大脑流体动力学的影响:一项国产多体位无液氦MRI研究
张煜堃 胡亮 戚荣丰 戴琦 范沈豫 张鑫 陈俊 郑建军 张冰

本文引用格式:张煜堃, 胡亮, 戚荣丰, 等. 立卧位变化对健康大脑流体动力学的影响:一项国产多体位无液氦MRI研究[J]. 磁共振成像, 2026, 17(5): 6-13. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2026.05.002.


[摘要] 目的 采用国产多体位无液氦1.5 T磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)设备探究立卧位变化对健康人群大脑流动力学的影响。材料与方法 前瞻性对30名健康志愿者行站立位和仰卧位MRI检查,扫描序列包括站立位和仰卧位的颅脑相位对比法MRI(phase contrast MRI, PC MRI)。通过PC MRI,测量大脑中动脉(middle cerebral artery, MCA)、上矢状窦(superior sagittal sinus, SSS)的血流量、流速及搏动指数(pulsatility index, PI)和阻力指数(resistance index, RI),并测量中脑导水管内脑脊液(cerebrospinal fluid, CSF)的相应流体动力学参数。对比立卧位下健康大脑的动脉血流、静脉血流、CSF流体动力学特征,并在控制血压的前提下,分析三者变化率之间的相关性。结果 对比MCA和SSS的血流动力学指标发现,站立位时动脉和静脉的平均流速及最大流速低于仰卧位(P<0.05);站立位时SSS的PI和RI高于仰卧位(P<0.05)。对比中脑导水管CSF的流体动力学指标显示,站立位时CSF的收缩期和舒张期平均流量、平均流速及最大流速均低于仰卧位(P<0.05),收缩期最小流速也降低(P<0.05);站立位时CSF每搏输出量减少(P<0.05)。偏相关性分析显示MCA平均流量与CSF舒张期最大流速,MCA平均流速与CSF收缩期平均流量,MCA最大流速与CSF收缩期平均流量、最小流速,MCA最小流速与CSF舒张期平均流量、每搏输出量,MCA的PI、RI与CSF舒张期平均流速均呈正相关(P<0.05)。结论 体位变化显著影响健康人群大脑动脉、静脉血流及CSF的流体动力学特征,且动脉血流和CSF流体动力学特征立卧位的变化率相关。国产多体位无液氦1.5 T MRI扩展了磁共振的临床应用场景,为大脑流体调控机制研究和相关疾病诊疗策略优化提供了新视角和理论依据。
[Abstract] Objective To investigate the impact of postural shifts between supine and upright positions on cerebral hydrodynamics in healthy individuals using a domestic multi-position helium-free 1.5 T magnetic resonance imaging (MRI).Materials and Methods In a prospective study, 30 healthy volunteers underwent MRI examinations in upright and supine positions. The imaging protocol included phase-contrast MRI (PC-MRI) sequences of the brain in both postures. PC-MRI was used to measure blood flow, blood velocity, pulsatility index (PI), and resistance index (RI) in the middle cerebral artery (MCA) and superior sagittal sinus (SSS). Additionally, the corresponding hydrodynamic parameters of cerebrospinal fluid (CSF) in the cerebral aqueduct were measured. The arterial blood flow, venous blood flow and CSF hydrodynamic characteristics of healthy brains in the standing and lying positions were compared. Under the premise of controlling blood pressure, the correlation among the change rates of the three was analyzed.Results Comparison of hemodynamic parameters revealed that in the upright position, the mean and peak velocities of the MCA and SSS were significantly lower than those in the supine position (P < 0.05); the PI and RI of the SSS were significantly higher in the upright position (P < 0.05). Analysis of CSF hydrodynamic in the cerebral aqueduct showed that the mean flow, mean velocity, and peak velocity during both systole and diastole were significantly lower in the upright position compared to the supine position (P < 0.05); the minimum velocity during systole was also significantly reduced (P < 0.05); the stroke volume of CSF per cardiac cycle was significantly reduced in the upright position (P < 0.05). Partial correlation analysis showed that mean MCA flow was positively correlated with peak diastolic CSF velocity, mean MCA velocity with mean systolic CSF flow, peak MCA velocity with mean CSF flow and minimum CSF velocity during systole, minimum MCA velocity with mean diastolic CSF flow and stroke volume, and MCA PI and RI with mean diastolic CSF velocity (P < 0.05).Conclusions The change in body position significantly affects the hemodynamic characteristics of the brain's arteries, veins, and CSF in healthy individuals, and the rate of change in arterial blood flow is correlated with the change in CSF hemodynamic characteristics between the upright and supine positions. The domestic multi-position helium-free 1.5 T MRI expands the clinical applications of MRI, providing new insights into brain fluid regulation mechanisms and offering theoretical foundations for optimizing the diagnosis and treatment strategies of related diseases.
[关键词] 无液氦磁共振成像;体位;相位对比法磁共振成像;脑血流;脑脊液流体动力学
[Keywords] helium-free magnetic resonance imaging;body position;phase contrast magnetic resonance imaging;cerebral blood flow;cerebrospinal fluid hydrodynamics

张煜堃 1, 2   胡亮 1   戚荣丰 1   戴琦 3, 4   范沈豫 1   张鑫 1   陈俊 1   郑建军 3, 4*   张冰 1, 5*  

1 南京大学医学院附属鼓楼医院医学影像科,南京 210008

2 南京大学社会学院,南京 210008

3 宁波市第二医院放射科,宁波 315010

4 无液氦磁共振成像新技术及应用浙江省工程研究中心,宁波 315000

5 南京市血管信息与健康工程医学重点实验室,南京 210008

通信作者:郑建军,E-mail:zhjjnb2@163.com 张冰,E-mail:zhangbing_nanjing@nju.edu.cn

作者贡献声明:张冰、郑建军设计本研究的方案,对稿件重要内容进行了修改;张煜堃、胡亮、戚荣丰起草和撰写稿件,获取、分析、解释本研究的数据;戴琦、范沈豫、张鑫、陈俊获取、分析或解释本研究的数据,对稿件重要内容进行了修改;张冰获得了国家自然科学基金项目资助;戚荣丰获得了江苏省自然科学基金面上项目、南京鼓楼医院引进人才科研启动基金项目和浙江省工程研究中心2024年度开放式基金项目资助;全体作者都同意发表最后的修改稿,同意对本研究的所有方面负责,确保本研究的准确性和诚信。


基金项目: 国家自然科学基金项目 82271965,82330059 江苏省自然科学基金面上项目 BK20221554 南京鼓楼医院引进人才科研启动基金 RC2024-055 浙江省工程研究中心2024年度开放式基金项目 2024GCLX09
收稿日期:2025-01-10
接受日期:2025-04-30
中图分类号:R445.2 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2026.05.002
本文引用格式:张煜堃, 胡亮, 戚荣丰, 等. 立卧位变化对健康大脑流体动力学的影响:一项国产多体位无液氦MRI研究[J]. 磁共振成像, 2026, 17(5): 6-13. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2026.05.002.

0 引言

       研究表明,身体姿势的改变会显著影响脑血流分布、脑内和脊髓脑脊液(cerebrospinal fluid, CSF)容量、颅内压(intracranial pressure, ICP)水平及某些神经元群体的放电活动[1, 2, 3]。现有的多体位相关研究多采用不受空间限制或可移动的设备如多普勒超声、脑电图或近红外光谱成像,但此类设备在空间分辨率、成像深度及脑区覆盖范围方面存在一定局限[4, 5, 6]。传统超导磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)设备具备高分辨率与多模态脑成像优势,但其仰卧扫描模式无法反映日常多体位活动所引发的脑流体动力学及脑功能特征[7, 8]。近年来,基于多体位的低场强如0.5 T MRI设备已开始探索身体方向对健康大脑流体动力学的影响[1, 9]。然而,受限于成像设备,仅能实现坐立位扫描。同时,由于场强较低,成像分辨率和信噪比受限,现有研究[1, 9]主要聚焦于颈部动静脉及椎管内CSF流体动力学的测量比较,而未对颅内流体动力学进行系统性研究,亦未深入探讨颅内动脉、静脉及CSF三者之间的耦合关系。

       国产无液氦1.5 T超导MRI的问世进一步推动了多体位研究的发展。其采用4K冷头与高热导固态介质传导制冷技术,实现100%无液氦的干式磁体设计,并通过G10材质筒体多重回折连接,确保超导线圈在六个维度的稳定性与绝热性能,从而支持多体位MRI扫描。目前基于多体位无液氦1.5 T超导MRI的相关研究尚未见报道。本研究旨在利用该设备,系统探讨站立位与仰卧位对健康大脑流体动力学的影响,主要分析大脑中动脉(middle cerebral artery, MCA)、上矢状窦(superior sagittal sinus, SSS)和中脑导水管的动静脉及CSF的流量、流速及搏动特征,以及三者流体动力学特征变化率之间的相关性。研究将为脑血管病、直立不耐受(orthostatic intolerance, OI)相关疾病、神经退行性疾病、颅内压调节异常相关疾病、眼科疾病提供无创多体位流体动力学评估方法,为疾病早期诊断与病理机制研究提供新的影像学证据,并为体位管理、疾病康复及CSF引流术等干预策略提供数据支持,助力精准医疗实施。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       于2024年8月至11月前瞻性在宁波市第二医院招募30名健康志愿者。纳入标准:(1)年龄18~60岁;(2)既往无中枢神经系统及心血管、代谢等疾病。排除标准:(1)脑出血、大面积脑梗死、脑血管畸形、颅内动脉瘤、烟雾病、脑肿瘤及颅内感染等;(2)药物/毒物滥用或依赖史;(3)颅脑手术史;(4)MRI检查禁忌证;(5)图像因运动伪影和/或相位卷褶伪影无法分析。

       本研究遵守《赫尔辛基宣言》,经宁波市第二医院伦理委员会批准,全体受试者均签署了知情同意书,批准文号:PJ-NBEY-KY-2024-130-02。

1.2 MRI检查方法

       所有受试者均采用多体位无液氦1.5 T MRI(Spin 1.5 T MRI,鑫高益医疗设备股份有限公司,中国)及头颈联合16通道线圈进行头部站立位和仰卧位检查。扫描首先在站立位进行,随后转换为水平仰卧位,两次采集间隔约5 min,用于重新定位MRI扫描床(图1A~1B)。站立位扫描时,MRI磁体与地面呈75°角,使用两条宽15 cm的绑带分别固定于受试者的腹部与大腿部,并嘱受试者背靠扫描床[10],以确保其稳固于扫描床上。这种方式有助于提高舒适度并减少运动伪影。MRI扫描方案包括三维T1加权成像(three dimensions T1-weighted imaging, 3D T1WI):TR 10 ms,TE 3.4 ms,FOV 230 mm×230 mm,采集矩阵192×192,反转时间(inversion time, TI)10 ms,翻转角12°,扫描时间255 s;时间飞跃法 MR血管成像(time of flight MR angiography, TOF MRA):TR 26 ms,TE 6.9 ms,FOV 250 mm×175 mm,采集矩阵330×200,翻转角30°,扫描时间293 s;PC MRI:TR 21 ms,TE 11.5 ms,FOV 160 mm× 160 mm,采集矩阵256×128,翻转角20°,测量心动周期内的25个时间点的所有速度。基于TOF MRA图像,MCA的PC MRI垂直右侧MCA M1中点[1],速度编码(velocity coding, VENC)值设置为120~150 cm/s(图1C)。基于3D T1WI图像,SSS的PC MRI垂直SSS,VENC值设置为30~50 cm/s;中脑导水管的PC MRI垂直中脑导水管的中点,VENC值设置为5~10 cm/s(图1D)。3D T1WI、TOF MRA和PC MRI均分别在站立位和仰卧位条件下完成采集。

1.3 血压测量

       在MRI检查结束约30 min后,所有受试者在安静的房间内,使用医用电子血压计(YE900,鱼跃,中国)测量右上臂肱动脉血压,记录收缩压、舒张压和脉搏。分别在受试者站立位和仰卧位下进行血压测量,每次测量前均要求受试者静置3 min,以确保测量结果的准确性。

1.4 图像分析

       所有图像均传输至鑫高益图像后处理工作站,利用ROI流速曲线后处理软件(FlowRoi 1.0.24,中国)行大脑流体动力学分析。分析由一名具有5年影像设备操作经验的主管技师完成。为确保流量测定的准确性,通过调整PC MRI图像的窗宽和窗位,使动静脉血管及中脑导水管的边缘清晰可辨(图1E~1G)。在每位受试者的PC MRI图像上,沿MCA和SSS血管及中脑导水管边缘手动绘制感兴趣区(region of interest, ROI),且确保ROI的面积不小于横截面面积的80%[11]图1H~1J)。

       计算并记录一个心动周期内,流经MCA和SSS的ROI区域的平均流量、平均流速、最大流速和最小流速的平均值。同时,利用改进的Gosling方程计算搏动指数(pulsatility index, PI)和阻力指数(resistance index, RI),公式分别为式(1)式(2)[12]

       其中,Flowmean是心动周期期间平均流量的平均值,而Flowmax和Flowmin分别为该周期内平均流量的最大值和最小值。

       对于中脑导水管,由于流速和流量存在正负值,正值表示收缩期中CSF沿颅-尾方向的流动,负值表示舒张期中CSF沿尾-颅方向的流动[1]。分别计算收缩期和舒张期通过ROI区域的CSF平均流量、平均流速、最大流速和最小流速的平均值。此外,计算收缩期与舒张期CSF平均流量绝对值之间的差值,用以反映CSF每搏输出量。

       计算每组受试者站立位相对仰卧位大脑流体动力学指标变化率,包括MCA、SSS和CSF。公式见式(3)

       其中,“站立位”和“仰卧位”均使用每组的测量均值。

图1  MRI检查方法。1A、1B:展示了一名受试者在国产多体位无液氦1.5 T MRI中从站立位到仰卧位扫描的过程。1C:TOF MRA图像上PC MRI的矢状位切片位置,位于MCA的M1段中点(红色虚线)。1D:3D T1WI图像上PC MRI的轴位切片位置,分别位于SSS(上方红色虚线)和中脑导水管的中点(下方红色虚线)。1E~1G:分别为来自上述MCA、SSS、中脑导水管PC MRI的相位图像。1H~1J:在相位图像上手动绘制的ROI。TOF MRA:时间飞跃法 MR血管成像;PC MRI:相位对比法MRI;3D T1WI:三维T1 加权成像;MCA:大脑中动脉;SSS:上矢状窦;PI:搏动指数;RI:阻力指数;ROI:感兴趣区。
Fig. 1  MRI examination method. 1A, 1B: The scanning process of a healthy subject transitioning from upright to supine using a domestic multi-position helium-free 1.5 T MRI. 1C: The sagittal slice position of PC MRI on a TOF MRA image, located at the midpoint of the M1 segment of the MCA (red dotted line). 1D: The two axial slice positions of PC MRI on 3D T1WI, located at the SSS (red dotted lines on the top) and the midpoints of cerebral aqueduct (red dotted lines on the bottom), respectively. 1E-1G: The phase images from the PC MRI of the MCA, SSS, and cerebral aqueduct. 1H-1J: Manually drawn ROIs on the phase images. PC MRI: phase contrast MRI. TOF MRA: time of flight MR angiography;3D T1WI: three dimensions T1-weighted imaging; MCA: middle cerebral artery; SSS: superior sagittal sinus; PI: pulsatility index; RI: resistance index; ROI: region of interest.

1.5 统计学分析

       使用PASS 15.0软件进行样本量计算。基于MUCCIO等[1]的CSF研究结果,该研究发现仰卧位CSF每搏输出量为(0.52±0.19)cm3/cycle,而坐立位的为(0.33±0.13)cm3/cycle。设定检验水平为0.05,检验功效为90%,采用双侧配对t检验,我们需要至少11名受试者来研究体位变化的影响。使用SPSS 26.0统计分析软件。采用Kolmogorov-Smirnov检验分析计量资料的正态性,以均数±标准差表示符合正态分布的计量资料,以中位数(上下四分位数)描述不符合正态分布者,分别以配对样本t检验及Wilcoxon秩和检验进行立卧位组内比较。比较指标为MCA和SSS的血流量、流速、PI和RI,以及CSF的每搏输出量、收缩期和舒张期的流量与流速。采用Pearson偏相关分析或Spearman 偏相关分析评估动脉血流、静脉血流及CSF流体动力学特征变化率之间的相关性,并控制收缩压、舒张压、脉搏的影响。P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料

       30例健康志愿者中,男13名、女17名,年龄34.00(27.25, 45.50)岁,身高(1.66±0.09)m,体质量59.00(51.25, 73.75)kg,体质量指数22.33(20.23, 24.61)。站立位与仰卧位的收缩压、舒张压及脉搏差异均具有统计学意义(P<0.05)(表1)。

       30例健康志愿者在行MCA的PC MRI检查时,5例未完成多体位扫描,4例因站立位图像、1例因仰卧位图像存在伪影被排除,最终20名健康志愿者MCA数据被纳入研究,其中男8名、女12名,年龄21~60岁,中位年龄35岁。在行SSS的PC MRI检查时,6例未完成多体位扫描,最终24名健康志愿者被纳入研究,其中男8名、女16名,年龄21~60岁,中位年龄34岁。在行中脑导水管的PC MRI检查时,4例未完成扫描,5例因站立位图像、1例因仰卧位图像存在伪影被排除,最终20名健康志愿者被纳入研究,其中男9名、女11名,年龄21~60岁,中位年龄31岁。

表1  30名健康志愿者的收缩压、舒张压及脉搏比较
Tab. 1  Comparison of systolic blood pressure, diastolic blood pressure and pulse of the 30 healthy volunteers

2.2 MCA和SSS血流动力学指标在立位和卧位的差异

       在对MCA血流动力学指标进行比较(表2)时发现,站立位时动脉的平均流速和最大流速较仰卧位下降(P<0.05)(图2A~2B),分别减少约14.9%和17.8%;MCA的平均流量、最小流速、PI和RI在两种体位间差异不具有统计学意义(P>0.05),但站立位时这些流速和搏动指标较仰卧位分别下降约20.8%、2.5%、3.2%和1.6%。

       在SSS血流动力学指标的比较(表2)中,站立位时静脉的平均流速和最大流速低于仰卧位(P<0.05)(图2C~2D),分别下降约24.1%和24.8%;而站立位的SSS PI和RI高于仰卧位(P<0.05)(图2E~2F),分别增加约29.6%和20.8%。静脉的平均流量和最小流速在两种体位间差异不具有统计学意义(P>0.05),但站立位时的平均流量和最小流速较仰卧位分别下降约14.3%和23.1%。

图2  站立位和仰卧位大脑流体动力学比较结果。*代表两组比较P<0.05;**代表两组比较P<0.01;***代表两组比较P<0.001。2A~2B:立位和仰卧位MCA血流动力学指标比较结果;2C~2F:立位和仰卧位SSS血流动力学指标比较结果;2G~2N:中脑导水管CSF血流动力学指标比较结果。MCA:大脑中动脉;SSS:上矢状窦;PI:搏动指数;RI:阻力指数;CSF:脑脊液。
Fig. 2  Comparison of cerebral hemodynamics between upright and supine positions. 2A to 2B: Comparison of MCA hemodynamic parameters between upright and supine positions; 2C to 2F: Comparison of SSS hemodynamic parameters between upright and supine positions; 2G to 2N: Comparison of CSF hemodynamic parameters in the cerebral aqueduct between upright and supine position. * representative P < 0.05; ** representative P < 0.01; *** representative P < 0.001. MCA: middle cerebral artery; SSS: superior sagittal sinus; PI: pulsatility index; RI: resistance index; CSF: cerebrospinal fluid.
表2  不同体位下MCA和SSS血流动力学指标比较结果
Tab. 2  Comparison of hemodynamic parameters of MCA and SSS in different positions

2.3 中脑导水管CSF流体力学指标在立位和卧位的差异

       在站立位时,CSF在收缩期和舒张期的平均流量、平均流速及最大流速均低于仰卧位(P<0.05)(图2G~2M)。具体而言,收缩期的流速指标分别下降约66.7%、50.5%和42.4%,而舒张期的流速指标分别下降约40.0%、46.2%和38.8%。

       此外,站立位时,收缩期CSF的最小流速也低于仰卧位(P<0.05),下降幅度约为46.5%。舒张期CSF的最小流速在两种体位间差异不具有统计学意义(P>0.05),但站立位时的最小流速较仰卧位下降约为35.3%。与仰卧位相比,站立位时CSF的每搏输出量亦减少(P<0.05)(图2N),下降幅度约为45.5%(表3)。

表3  不同体位下CSF流体动力学指标比较结果
Tab. 3  Comparison of CSF hydrodynamic parameters in different positions

2.4 MCA、SSS和CSF流体动力学特征之间的相关性分析

       30例健康志愿者中,同时扫描了大脑MCA和中脑导水管的PC MRI、同时扫描了大脑MCA和SSS的PC MRI、同时扫描了大脑SSS和中脑导水管的PC MRI的被试均为13例。针对这三组流体动力学数据,分别进行相关性分析。

       在控制了收缩压、舒张压和脉搏后,MCA与CSF流体动力学特征之间的偏相关性分析显示(图3),站立位相较于仰卧位,MCA平均流量变化率与CSF舒张期最大流速变化率呈正相关(r=0.710,P=0.021);MCA平均流速变化率与CSF收缩期平均流量变化率(r=0.787,P=0.007)呈正相关;MCA最大流速变化率与CSF收缩期平均流量变化率(r=0.691,P=0.027)及CSF收缩期最小流速变化率(r=0.690,P=0.027)呈正相关;MCA最小流速变化率与CSF舒张期平均流量变化率(r=0.745,P=0.013)及每博输出量变化率(r=0.719,P=0.019)呈正相关;MCA的PI(r=0.708,P=0.022)和RI(r=0.705,P=0.023)变化率与CSF舒张期平均流速变化率呈正相关。

       在控制了收缩压、舒张压和脉搏后,SSS与CSF流体动力学特征的偏相关性分析结果显示(图3),SSS最小流速变化率与CSF收缩期平均流量变化率呈正相关(r=0.691,P=0.027)。在控制了收缩压、舒张压和脉搏后,SSS与MCA的流体动力学特征之间的偏相关性分析未发现相关性(P>0.05)。

图3  散点图展示了MCA和CSF以及SSS和CSF流体动力学特征之间的偏相关性分析结果,已控制收缩压、舒张压和脉搏的影响。灰色区域表示95%置信区间。MCA:大脑中动脉;SSS:上矢状窦;PI:搏动指数;RI:阻力指数;CSF:脑脊液。
Fig. 3  The scatter plot shows the partial correlation analysis between the hemodynamic characteristics of the MCA and CSF, as well as between the SSS and CSF, with the effects of systolic blood pressure, diastolic blood pressure, and pulse controlled. The shaded gray area represents the 95% confidence interval. MCA: middle cerebral artery; SSS: superior sagittal sinus; PI: pulsatility index; RI: resistance index; CSF: cerebrospinal fluid.

3 讨论

       本研究首次利用国产多体位无液氦1.5 T MRI探究了身体姿势的改变对健康大脑动静脉血流动力学和CSF流体动力学的影响,以及三者的耦合关系。研究发现站立位时MCA和SSS的平均流速及最大流速低于仰卧位,而站立位时SSS的PI和RI高于仰卧位。站立位时CSF的收缩期和舒张期平均流量及平均、最大流速均低于仰卧位,收缩期最小流速也降低。站立位时CSF每搏输出量减少。此外,在控制血压后,MCA血流变化率与CSF流体动力学变化率之间呈现出显著的相关性,包括MCA流量、流速、PI、RI与CSF在收缩期和舒张期的流速及每搏输出量。SSS最小流速变化率与CSF收缩期平均流量变化率呈正相关。

3.1 身体姿势对大脑动脉血流动力学的影响

       本研究身体姿势对大脑动脉血流量的影响和前期多普勒超声(transcranial doppler, TCD)研究结果一致。OTA等[13]研究结果显示,健康年轻人群从仰卧位(0°)转为坐位(70°)并经过5 min适应后,颈内动脉血流量下降18.0%。本研究将MRI磁体调整为相对于地面呈75°角,使受试者在接近直立的体位下可以部分依靠扫描床支撑,从而避免了完全直立且静止状态下可能引发的下背部和下肢不适[14],并有助于减少运动伪影。在将MRI磁体从站立位调整为仰卧位的过程中,同样给予受试者约5 min的适应期。结果显示,站立位时MCA的平均及最大流速低于仰卧位,且最大流速下降更为明显,下降幅度为17.8%。其中,最大流速反映了心脏收缩时的瞬时血流峰值。

       站立位时,重力作用导致血液向下分布,引起心脏与大脑之间静水压梯度变化,进而影响大脑的血液灌注[9]。为维持脑灌注,脑自动调节(cerebral autoregulation, CA)机制通过调节血管阻力以响应脑灌注压的变化,确保大脑获得充足的血液供应[15]。在此过程中,内皮细胞起到核心作用。当体位由仰卧转为站立时,脑灌注压下降引发血流动力学变化,特别是血流剪切应力波动,刺激内皮细胞释放血管活性物质,从而调控脑血管舒缩状态[16]。此外,交感神经系统也在维持脑灌注中发挥重要作用,卧位转站立时其通过提高心率和增加血管阻力来维持脑灌注,而血管阻力的增加则可能导致MCA流速,特别是最大流速的下降[17]。这也使得健康志愿者站立时收缩压、舒张压和脉搏较高。CLOUGH等[18]研究表明,相较于仰卧位,站立体位使大脑自我调节指数(autoregulation index, ARI)在逻辑曲线模型中向左偏移,提示这些指标的降低。因此,通过CA和神经调节机制,不同体位下健康大脑血液通过血管的总体流量保持相对稳定[19]。这可能解释了本研究中的结果:虽然重力的作用使得站立位时血流量下降,但两体位间的比较无差异。此外,站立位和仰卧位下MCA的PI和RI无差异,这与KOSUGI等[20]研究发现相符,表明体位变化对MCA血管的顺应性、弹性无显著影响。

       本研究结果具有重要的临床应用价值,尤其在脑血管疾病,体位性心动过速综合征、晕厥、姿势性低血压等OI相关疾病,以及阿尔茨海默病等神经退行性疾病的早期诊断和治疗评估方面[4, 21]。例如,立卧位脑血流量的变化率可能成为预测脑梗死风险或早期识别认知功能障碍疾病的重要影像学标志物,同时也可作为评估姿势性低血压严重程度的客观指标。

3.2 身体姿势对大脑静脉血流动力学的影响

       不同于动脉系统的调节机制,大脑静脉系统几乎不具备瓣膜结构,但其高度顺应性使其能够通过扩张或收缩来容纳更多血液,并在不同通路间重新分配血流,从而维持ICP的稳定[22]。本研究结果显示,与仰卧位相比,立位时SSS的平均及最大流速降低,分别降低约24.1%和24.8%;同时,立位时SSS的PI和RI高于仰卧位,分别增加约29.6%和20.8%。既往研究表明,在仰卧位时,注入的对比剂与静脉血混合后充满静脉窦,主要通过颈内静脉排出;而在站立位时,静脉血流几乎完全转向椎静脉丛(vertebral venous plexus, VVP)进行排出[22]。同时,MIZUTANI等[23]和KOSUGI等[20]通过直立CT设备对头颈部静脉的变化进行了观察,发现仰卧位转为立位时,颈内静脉和颈外静脉的横截面积均减少;相反,右侧前髁静脉的横截面积增加。因此,由于重力及周围组织压力作用,颈内静脉在立位时管腔缩小[24, 25],部分SSS血流分流至VVP或颅颈交界区的静脉系统,如前髁静脉。这种静脉回流路径的变化可能导致SSS管腔变小,血管顺应性降低血流阻力的增加、搏动性升高,从而解释了SSS在立位时平均和最大流速下降的现象。进一步的研究发现,虽然站立位与仰卧位相比SSS的平均流量呈现下降趋势,但两组间无差异。这表明不同体位下,SSS血液经过重新分配后,血液通过血管的整体流量变化较为平稳。

       未来在临床诊断和研究中,同时评估立位和卧位的静脉和动脉血流变化率,或可为脑血管疾病、OI相关疾病及神经退行性疾病的综合评估提供更全面的影像学依据,有助于早期风险预测及病理机制研究。

3.3 身体姿势对大脑CSF流体动力学的影响

       由于重力的作用,身体姿势对颅脊系统的CSF流体动力学特性产生重要影响,包括颅内与脊髓CSF的体积、每搏输出量、顺应性以及ICP[26, 27, 28]。MUCCIO等[1]基于0.6 T MRI的研究证实,与坐立位相比,仰卧位的脊髓CSF每搏输出量增加约57.6%,这主要是由于舒张期CBF峰值流速增加了约83.8%,以及心脏收缩相延长约0.1 s所致。本研究进一步在颅内的中脑导水管CSF中对以上结果进行了验证,同样发现站立位时,CSF在收缩期和舒张期的平均流量、平均流速及最大流速均较仰卧位降低,同时每搏输出量亦降低了约45.5%。

       仰卧位下较高的CSF振荡幅度有助于促进代谢废物清除和营养物质分布。通过定量分析不同体位下颅脊系统CSF的流体动力学特性,可深入揭示其调控机制,并为特发性颅内压增高、特发性低颅压、脑积水和青光眼等CSF相关疾病的诊断、监测及个体化治疗提供重要理论支持[29, 30, 31]

3.4 大脑流体动力学特征之间的相关性

       既往研究表明,动脉搏动是驱动颅内及脊髓CSF运动的主要机制,动脉搏动频率的增加显著促进CSF流入颅内,而抑制搏动则相反[32]。CSF呈现出随心跳波形驱动的双向流动,舒张期向颅内流入,收缩期则向颅外流出[33]。本研究进一步比较了不同体位下动脉血流与CSF流动之间的关系,发现站立位相较仰卧位MCA的平均流量,平均、最大、最小流速变化率与CSF舒张期和收缩期的多项流量、流速及每搏输出量的变化率均呈正相关。提示舒张期MCA血流变化与CSF流动呈现同步变化趋势。与此同时,MCA的PI和RI变化率与CSF在舒张期的平均流速变化率均呈正相关。这表明,当MCA的PI和RI变化增加时,CSF的流速变化也随之增强,二者存在紧密耦合关系[34]。值得注意的是,立卧位MCA PI和RI的变化率较小,分别为3.2%和1.6%。这可能是由于从立位转为卧位状态时,血管阻力和血流波动的轻微上升,即可通过影响ICP来调节CSF的搏动,导致CSF在颅脊系统中的振荡幅度增加[35, 36]

       此外,静脉血流和CSF流体之间也存在一定的关联[22],TARUMI等[37]的研究使用PC-MRI评估了年轻健康人大脑血流和CSF流动变化,结果显示动脉和静脉血液搏动量和CSF搏动量的变化均呈正相关。然而,本研究仅发现SSS最小流速变化率与CSF收缩期平均流量变化率呈正相关。这可能与本研究样本量较小有关,未来研究需要更多样本并测量不同静脉的血流动力学特征,以进一步分析静脉血流与CSF之间的关系。

3.5 本研究的局限性

       本研究仍存在一些局限性。(1)样本量相对较小;(2)站立位扫描时MRI磁体与地面的夹角设为75°,这与完全90°垂直的大脑流体动力学状态可能存在一定差异,未来研究可进一步探讨不同站立角度对脑流体动力学的影响;(3)站立位的扫描成功率低于仰卧位,这提示未来需优化站立位扫描的设计;(4)本研究未充分考虑体位变化可能引起的其他影响因素,如中心血容量、动脉二氧化碳分压和ICP,这些因素亦可能对大脑流体力学产生影响[38, 39]

4 结论

       本研究利用国产多体位无液氦MRI系统,发现站立位时MCA和SSS的平均及最大流速均低于仰卧位,而SSS的PI和RI升高。CSF的每搏输出量,以及收缩期和舒张期的流量、流速在站立位均低于仰卧位。此外,站立位相对仰卧位的MCA血流指标变化率与CSF流体指标变化率之间呈现出显著相关性。国产多体位无液氦1.5 T超导MRI扩展了磁共振在临床应用中的场景,为深入探索疾病发病机制和临床诊断奠定了坚实基础。

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