7.0T 磁敏感加權成像對腦鐵含量測定的初步研究

羅曉捷，張媛媛，葉昌青，薛蓉，陳敏

磁敏感加權成像（susceptibility weighted imaging，SWI）又稱血氧依賴水平（blood oxygenation level dependent，BOLD）靜脈成像［1］，它利用組織間磁敏感性差異成像，通過結合相位圖和幅度圖，SWI對于顯示靜脈血管、出血后各期代謝產物、鈣化、鐵沉積等非常敏感，已廣泛應用于各種出血性病變、異常靜脈血管性病變、腫瘤及變性類疾病的診斷及鐵含量的定量分析。SWI已作為商業化序列配備于各大品牌的MR掃描儀上，在1.0T、1.5T、3.0T 甚至更高的場強下均可施行。目前，人用7.0T 磁共振成像系統的臨床應用尚未普及，但其在神經影像中的應用研究已倍受關注。本研究對比受試者分別于7.0T 和3.0T 下SWI成像的差異，并積累超高場中樞神經系統成像的經驗。

材料與方法

1.臨床資料

招募2011年7月-2012年6月于我院就診的50例非神經系統疾病的老年志愿者，其中男36例，女14例，年齡52～68歲。經常規MRI檢查排除腦內畸形、占位及嚴重腦血管病變，且無帕金森病病史者納入本組研究。本組所有研究對象還需符合下列要求：①無腦部外傷及精神疾病史；②腦部常規MR 掃描無明顯異常，無明顯鈣化；③均簽署知情同意書。

2.儀器與方法

MRI掃描采用荷蘭飛利浦（Philips）公司Intera Achieva 3.0T MR 成像系統及德國西門子（Siemens）公司Magnetom 7.0T MR 成像系統，采用8通道頭線圈。

掃描序列及參數：將受試者頭部置于線圈內，并用海綿墊固定，以限制頭部的不自主運動。掃描的中心層面統一定于前后聯合線。首先行常規T1WI及T2WI掃描，然后行SWI序列掃描，SWI掃描范圍覆蓋基底節和中腦。掃描參數：3.0T，TR 45 ms，TE 25ms，翻轉角20°，帶寬100Hz；7.0T，TR 30ms，TE 15ms，翻轉角15°，帶寬120Hz，3.0T 與7.0T 其余掃描參數一致。

3.圖像處理及數據測量

SWI數據通過32×32的高通過濾產生“高通濾過”的相位圖。調節圖像窗位至最佳對比度，并對所測核團的大小進行比較，同時對不同場強下的圖像質量進行主觀評價。利用SPIN 軟件（SWI process in neuroradiology，SPIN，美國韋恩州立大學）在高通濾過相位圖上分別選取雙側蒼白球（globus pallidus，GP）、殼核（putamen，PUT）、尾狀核頭（head of caudate nucleus，HCN）、黑質（substantia nigra，SN）、紅核（red nucleus，RN）以及丘腦（thalamus，THA）最佳顯示層面，勾畫核團邊界，測量并比較選取的興趣區大小和相位值。數據的處理分析由兩位有經驗的影像科醫師進行。

4.統計學分析

應用SPSS 19.0軟件進行統計學分析。采用配對t檢驗比較3.0T 及7.0T 高通相位圖所測核團興趣區面積及相位值轉換的鐵含量；采用配對卡方檢驗比較兩位觀察者對3.0T 及7.0TSWI幅度圖圖像質量的評價結果，計算Kappa值，評價兩位觀察者對影像質量評價結果的一致性程度。以P＜0.05為差異有統計學意義。

結 果

1.3.0T 與7.0T 圖像的主觀評價

圖像主觀評級標準：①觀察的內容包括是否能區分殼核與蒼白球、是否能區分黑質網狀帶與致密帶、是否能分辨紅核包膜。②圖像評級，上述三者皆能區分者為Ⅰ級，能區分兩個者為Ⅱ級，能區分一個者為Ⅲ級，三個都不能清楚區分者為Ⅳ級。

7.0T 與3.0T 相 比，幅度圖上7.0T 影像能提供更多細節（圖1），并可區分核團亞分區（P＜0.0001，表1）。兩位觀察者之間的評價結果差異無統計學意義（P＝0.072），且一致性較好（kappa＝0.865）。

表1 50例受試者兩種SWI幅度圖分級比較 （例）

2.3.0T 與7.0T 下各核團邊界大小的比較

由于3.0T 和7.0T 呈現核團范圍的清晰度不同，為確認是否影響鐵含量測量，筆者先比較了所測核團分別在不同場強下的同層最大面積（所有掃描的定位中心、層厚及層間距一致，可以進行比較，雙側取平均值，圖2）。結果顯示，7.0T 下可辨識的ROI范圍較3.0T 下的略大，不同場強的各核團ROI范圍差異有統計學意義（P＜0.05，表2）。

表2 50例受試者兩種SWI幅度圖核團興趣區面積比較 （mm2）

3.3.0T 與7.0T 下受試者各核團鐵含量比較

圖1 3.0T 與7.0T 幅度圖的比較，信噪比及對比噪聲比方面，7.0T 圖像明顯優于3.0T。a）基底節層面3.0T 圖像，蒼白球和殼核的分界（紅色箭頭）可見，但不完全；b）基底節層面7.0T 圖像，蒼白球和殼核的分界較為清晰（紅色箭頭）；c）紅核黑質層面3.0T 圖像，紅色五星區可見信號較低的黑質致密帶，紅色三角區為網狀帶，紅核與黑質間的中間區域顯示欠清晰；d）紅核黑質層面7.0T 圖像，紅色五星區可見信號較低的紅核血管區，紅色三角區為無血管區；紅核黑質間的中間區域顯示較3.0T 圖像為佳，紅色箭頭指示為紅核的包膜。

圖2 3.0T 與7.0T 下SWI幅度圖上各核團ROI的選取。a～f）分別為3.0T 下尾狀核頭、蒼白球、殼核、紅核、黑質及丘腦的ROI；g～l）則為對應核團7.0T 下ROI的選取。

分別在3.0T 和7.0T 相位圖上選取ROI（圖2），比較各核團鐵含量，除蒼白球外，其余核團3.0T 和7.0T比較，鐵含量測量值差異均有統計學意義（P＜0.05，表3）。

表3 50例受試者兩種SWI相位圖核團ROI鐵含量比較

討 論

1.腦鐵的分布、代謝

腦內微量的鐵是維持正常神經功能不可缺少的重要元素，但過量則有害。腦鐵主要以血色素鐵和非血色素鐵兩種方式存在，主要為鐵蛋白和含鐵血黃素。鐵在腦內分布不均，以錐體外系最多，其次是灰質，白質最少。Harder等［2］觀察到蒼白球內的鐵呈“波浪”狀分布。鐵質在眾多神經病變的進展過程中起重要作用［3］。鐵誘導的氧化應激是神經元死亡的常見途徑，早期發現腦內鐵的異常積聚可為臨床的及時治療提供信息。測定腦內非血色素鐵的含量不僅可更好地理解疾病進程，而且可判斷預后［4-5］，這是當今神經退行性病變的研究熱點，而且在很長一段時期內仍將是重點研究方向。

2.腦鐵MR 測量

如何在活體內更準確測量核團鐵含量，這一直是研究者關注的問題。以往的研究認為，腦深部灰質核團T2WI信號減低提示非血色素鐵含量相對高，可以用測定橫向弛豫率R2（1／T2）值或R2＊（1／T2＊）值來評價腦鐵含量，R2值或R2＊值均與腦鐵濃度呈線性關系［6］。但橫向弛豫率受諸多因素影響，如局部水含量，因此僅能對鐵含量進行半定量分析。SWI的濾過相位圖不但能敏感地顯示鐵沉積，更能提供定量信息。Hopp等［7］在1.5T 上應用SWI定量分析鐵含量，并與X 線熒光染色的結果進行對比，發現兩者具有很好的相關性。Haacke 等［8］研究發現，與R2 或R2＊值相比，SWI相位值的變化對腦鐵含量測定的敏感性和信噪比（signal noise ratio，SNR）均增加，并得出公式Δφ＝-γgΔχB0TE，（Δφ 為相位值的變化，γ為磁旋比，g為幾何因子，Δχ 為被測組織間的磁敏感差異，B0為主磁場強度，TE 為回波時間）。本研究在7.0T 及3.0T MR 上利用SWI對腦鐵進行定量分析，所有病例均排除了腦實質鈣化，特別是興趣區存在鈣化的病例。因為鈣化本身會影響鐵含量相位值的測定。本研究結果顯示黑質含鐵量較高，而丘腦在3.0T及7.0T 下所得結果相差較大，7.0T 所測丘腦含鐵量較高，該結果與既往研究［2，6］結論差異較大。7.0T 下丘腦所測值明顯高于3.0T，而其他核團的測量值相差不大，因相位值與鐵含量轉化過程中已考慮不同場強的磁化率因素，故此項非其主要因素；其次，丘腦的范圍較其他核團大，在幅度圖上顯示邊界不如其他核團清晰。若ROI選取范圍偏小，則所測丘腦的鐵含量應較低；若ROI選取范圍偏大，其結果應更低，因為周圍的白質區會使測量值減小，而本研究所得結果丘腦鐵含量在7.0T 下增高，有待進一步探討。

3.7.0T 的優勢與不足

在高場中T2馳豫時間的縮短比低場更顯著，因此局部的相位變化加大，SWI對鐵的檢出越靈敏［9］，而這種效應僅與鐵蛋白有關。利用這一優勢，7.0T SWI便成為目前檢測礦物質沉積的較為敏感的方法。Hommond 等［10］利 用7.0T研究發現多發性硬化（multiple sclerosis，MS）斑塊內存在少量新鮮出血和含鐵血黃素。7.0TSWI較3.0T 有更高的空間分辨力，達到微米級（μm）［11］，不僅可以定量測量灰質核團內的鐵，還可以定量測量皮層內少量的鐵［10］。通過SWI技術對帕金森病等慢性神經系統病變患者的蒼白球、紅核、黑質、殼核等進行鐵含量定量分析，有助于顯示病變的發生和發展，指導臨床治療；腦鐵含量在一定程度上還反映了腦組織的能量代謝，可以用于分析大腦老化的過程。磁敏感性增加是7.0T 的一個優勢，但外磁場越大，磁化率偽影越明顯，SWI所形成的對比也是場強依賴性的，磁敏感效應的增強必然伴隨信號強度的丟失，特別是靠近顱底乳突氣房處，常常導致該部位結構變形，成為影響圖像質量的主要問題。

目前，7.0T 成像經驗幾乎只局限于頭部和肢體。7.0T顯著的優勢有：SNR 增加、T1弛豫時間的有利延長、磁敏感性增加以及很高的組織分辨力。7.0T MRI還可作為腦功能的研發工具，將功能信息與形態學信息整合進入分子影像學的新領域。而SWI作為一種無創性的檢測手段，可以在較長時間內監測腦內鐵含量的變化，為臨床診療提供依據。

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