磁敏感加權成像腦鐵含量感興趣區選擇及測量研究

程禹，楊利霞，朱勇，黃自麗，許永華

1.中國科學院上海臨床中心/上海市徐匯區中心醫院， 上海 200031

2.上海大學生命科學學院，上海200444

近年，磁敏感加權成像(susceptibility weighted imaging，SWI)研究發現磁化性物質引起的相位差異在一定程度上為相關疾病的診斷提供了一定程度的輔助信息，且相位信息與鐵沉積等的正向關系得到了絕大多數研究者的認可[1-2]，因此極大地促進了SWI技術的進一步研究和應用，使測量鐵含量成為可能。在某些相關疾病的鐵含量研究中，由于鐵沉積受多種因素的影響，導致鐵含量的不穩定性增加，因此在相關感興趣區(region of interest，ROI)的選取和勾勒中也給研究者們帶來很多的困擾[3-4]。尤其對于感興趣區內出現礦物質低信號，是僅測量低信號敏感區還是整體測量，對鐵含量測量的準確性影響有多大尚不清楚。本文將對此問題進行相關研究，期望對使用SWI技術研究鐵相關疾病的研究者提供一定程度的技術參考。

1 材料與方法

1.1 一般資料

2014年3月至2014年9月招募健康志愿者94例，男50例，女44例，健康組為不同年齡段正常人群，納入標準：①無神經或精神疾患；②無假牙等影響圖像質量的頭部金屬異物；③腦部常規MRI檢查未見異常。健康志愿者分為6組：≤20歲組；21～30歲組；31～40歲組；41～50歲組；51～60歲組；＞60 歲組，每組≥10人。發現其中蒼白球區存在明顯礦物質沉積10例，另外選取性別和年齡相匹配的蒼白球區無異常鐵含量沉積10例，作為對照組，兩組年齡32～68歲，男6例，女14例。所有健康志愿者均排除明顯頭顱外傷史、無神經、精神類疾病、代謝性類疾病以及其他可能會影響中樞神經系統的系統性疾病。本研究經我院倫理委員會審查并通過(批準文號2013-06)，所有受試者在檢查前均簽署知情同意。

1.2 MR數據采集

采用德國西門子 Verio Tim 3.0 T超導MR掃描儀和32通道高精密頭顱線圈，并使用海綿墊固定志愿者頭部，囑咐志愿者掃描過程中避免頭顱移動影響實驗測量結果。所有健康志愿者均行常規頭顱MR檢查和SWI技術檢查。(1)顱腦常規MRI檢查序列包括：橫斷位DWI序列，TR=6300 ms，TE=96 ms，BW=996 Hz，FA=90°，b0=0 ms，b1=1000 ms；橫斷位T1WI，T1FLAIR序列，TR=2500 ms，TE=9.5 ms，TI=1034.9 ms，BW=260 Hz，FA=150°；橫斷位T2WI，T2TSE序列，TR=5500 ms，TE=92 ms，BW=220 Hz，FA=150°；橫斷位T2WI，T2FLAIR序列，TR=8500 ms，TE=102 ms，TI=2690 ms，BW=283 Hz，FA=150°。以上常規掃描定位以平行于顱腦前后聯合，FOV=220×220，slices=19，ST=5 mm，常規掃描主要為排除健康志愿者顱內明顯異常病變。(2)SWI序列橫斷位掃描，序列參數為：TR=28 ms，TE=20 ms，FOV=179×230，BW=120 Hz，FA=15°，ST=1 mm，Slices=88，TA=7 min 50 s。SWI定位平行于顱腦前后聯合，掃描范圍覆蓋中腦和基底節區。

1.3 MR數據處理

采用Simens MR中SWI序列可直接得到包括幅度圖、相位圖、MIP圖及SWI圖4組圖像。采用常用的Image J(National Institutes of Health，Bethesda，MD， http://rsbweb.nih.gov/ij/)軟件對相位圖上ROI區進行識別和測量：首先使用Image J軟件中的多邊形工具在SWI圖像上按照各ROI區解剖部位結構畫取ROI，然后將畫取的ROI直接復制到相應圖層的相位圖像上，并計算出相應層面內選定的ROI區信號值。對于蒼白球區含明顯礦物質沉積的健康志愿者，選取含明顯礦物質沉積且顯示最多的3個連續層面，分別畫取整個蒼白球作為ROI區(圖1)和該層面內明顯礦物質沉積區作為另一ROI區并測量其灰度值(圖2)，取3次平均值作為最終值。對于蒼白球區內無明顯異常礦物質沉積的正常志愿者，選取蒼白球顯示最大，最清晰的3個連續層面，畫取ROI并測量信號值(圖3)，取3次平均值作為最終值。

圖1～3 正常頭顱SWI技術圖像(A為SWI圖像；B為同一層面相位圖像)。圖1 含異常礦物質沉積組畫取整個蒼白球作為ROI； 圖2 含異常礦物質沉積組畫取局部礦物質異常沉積區作為ROI；圖3 無異常礦物質沉積組畫取整個蒼白球作為ROIFig.1—3 SWI imaging of normal brain(A is SWI imaging; B is phase imaging of same slice).Fig 1 ROI drawn around the globus palidus(GP)with abnormal mineral deposits; Fig.2 ROI drawn around the abnormal local mineral deposits area; Fig.3 ROI drawn around the globus palidus without abnormal mineral deposits.

圖4 20名健康志愿者蒼白球區畫取不同ROI的灰度值測量結果曲線。A1組：10例蒼白球含異常礦物質沉積健康志愿者的整個蒼白球區灰度值；A2組：10例蒼白球區局部異常礦物質沉積區灰度值；B組：10例蒼白球區不含異常礦物質沉積區整個蒼白球區灰度值Fig.4 Signal intensity curve of the globus pallidus in 20 healthy volunteers.Signal intensity the whole globus pallidus with abnormal mineral deposit in 10 healthy volunteers(group A1); Signal intensity local abnormal mineral deposit of the globus pallibus in 10 healthy volunteers(group A2); Signal intensity of the whole globus pallibus without local abnormal mineral deposit in 10 healthy volunteers(group B).

1.4 統計學分析

本研究應用SPSS 20.0軟件進行統計學分析。通過Pearson線性相關分析比較蒼白球區有無異常鐵含量沉積時的信號值對蒼白球區鐵含量測量的影響，以P＜0.05為具有統計學差異。

2 結果

2.1 灰度值測量

10例含異常礦物質沉積健康志愿者為A組,其中進行整個蒼白球區灰度值測量為A1組；進行蒼白球區內異常礦物質沉積局部區域灰度值測量為A2組；10例與A組年齡和性別基本相匹配，但無異常礦物質沉積整個蒼白球區灰度值測量位為B組。測量結果見圖4。

2.2 相關分析

A1組和A2組灰度值測量相關系數r=0.827(P＜0.05)，整個蒼白球區灰度值測量與局部區域灰度值測量具有顯著相關性，因此說明通過SWI技術分析其礦物質沉積時，對于含有異常礦物質沉積的蒼白球區，通過選取整個蒼白球區作為ROI或是只將異常的礦物質沉積區作為ROI區都反映一致的礦物質沉積趨勢。A1組和B組相關系數r=0.183(P＞0.05)，A2組和B組間相關系數r=0.344(P＞0.05)，說明蒼白球區內有無礦物質沉積對灰度值測量影響具有統計學意義，見表1。

3 討論

磁敏感加權成像能夠顯示組織間磁化率差異[5-6]。它采用高分辨率3D梯度回波序列成像，一次掃描可以同時得到磁矩圖和相位圖，其本質是T2*成像技術。相位是一種組織自身固有的信息，過去由于技術的限制一直未被很好應用。目前采用新的去卷積算法使得相位信息被充分利用，可以使用后處理得到的校正相位圖測量相位值。通過相位信息進一步增加了組織間的對比，對腦內細小解剖結構具有良好的分辨力，尤其是基底節區深部核團，還能清晰分辨黑質網狀帶和致密帶，顯示紅核內小細胞帶和大細胞帶的分隔髓板，甚至增加具有不同血容量的灰白質之間的對比。由于SWI其高分辨力成像，可以檢測到亞體素水平磁場不均造成的質子自旋相位的細微差異，敏感性高，近年來已成為惟一能夠在活體、安全無創的定量檢測腦鐵含量的技術[7-8]。

表1 蒼白球區感興趣區信號測量值Tab.1 Signal intensity of region-of-interest in globus pallibus

目前研究已證實帕金森病、老年癡呆等患者會出現腦內鐵沉積，量化評估和跟蹤腦內鐵沉積的水平至關重要，這可能為早期發現和治療監測病情提供機會。定量測定腦內鐵沉積能否成為帕金森病、老年癡呆等疾病診斷新的生物學標志物呢？是學者關注的熱點。其實關于人體內腦鐵含量研究由來已久，1915年Guizzeit通過對人腦的組織化學染色的研究發現，人腦的蒼白球、黑質、紅核和齒狀核區域較其他腦區具有明顯濃烈的鐵染色[9]。1922年Spatz就采用Perls法定量檢測腦組織鐵含量，首先證實了腦內鐵的分布是不均勻的，具有明顯的部位相關性[10]。鐵染色最顯著的區域是錐體外系，其中尤以基底節區的染色最為顯著，蒼白球、黑質、紅核以及小腦齒狀回濃度較高，皮層的染色比較弱，而白質及延髓幾乎沒有可見的染色。研究進一步證明蒼白球內的鐵含量最高，甚至高于肝臟，其內約80%的非血紅素鐵以鐵蛋白的形式存在。鐵蛋白不僅含量多，而且其特殊的結構特點使其具有超順磁性，可以顯著改變局部磁場，造成局部磁場的不均勻性，使鄰近質子失相位，導致橫向弛豫時間T2、T2*的縮短以及相位改變，MRI測量腦鐵含量也正是基于這些改變。因此本研究選擇蒼白球作為腦鐵含量測量的區域，保證了腦鐵含量測量的穩定性和準確性。雖然鐵在體內分布形式多樣，但除鐵蛋白外的其余非血紅素鐵含量均很低，不足以影響MR信號強度，而體內其它的順磁性金屬元素如銅和錳等金屬離子，濃度都非常低，對組織磁敏感性的影響也非常小，在生理情況下也不足以影響MR信號強度[11-12]。因此生物組織的磁敏感性差異主要由鐵及其降解產物的含量和分布決定，而本研究選取蒼白球區內低信號異常礦物質沉積能夠反映鐵含量的趨勢。

腦鐵含量測量的ROI選擇對實驗數據的準確性至關重要。目前研究者普遍都遵循一定的準確性原則以期將誤差減小到最低[13-14]。無論是在相應的MR設備后處理工作站繪制ROI或是通過離線的軟件方式繪制ROI等采取的方式基本上分為兩種：(1)直接在SWI相位圖上分辨相應核團的位置和邊界，然后用自帶的多邊形工具繪制相應的ROI并測值。(2)在SWI圖像上分辨相應核團的位置和邊界，然后采用多邊形工具繪制相應的ROI區域，再將在SWI圖像上繪制的ROI直接復制在同一層面內的相位圖像上并測值。目前這兩種測量方式使用都較多，各有其優缺點。在SWI技術所生成的相位圖、幅度圖和SWI圖像上，相位圖像僅含有組織變化的相位信息，組織間對比不足，并不能清晰地分辨各組織邊界。幅度圖雖然存在一定的組織分辨率，但由于缺乏相位信息，無法形成組織間磁化性差異，對比不及SWI圖像清晰。由于SWI圖像同時覆蓋了組織幅度和相位信息，更加強調了組織間磁敏感性差異，對于磁化性差異較大的核團區具有更為良好的組織信號對比和清晰的分界。因此，選擇在SWI圖像上手工畫定ROI相比幅度圖和相位圖更加接近實際值。因采用第一種方法繪制ROI相對比較方便快捷，測量結果雖然存在一定的偏差，但多數試驗與尸檢結果相比較也并無明顯差異，也能反映一定的實際情況，目前使用的研究者也較多[15-16]。第二種方式相對比較繁瑣，但數據結果也更為接近真實值，近幾年來也越來越被研究者認可推崇[17-18]。本研究采用第二種方式，使用Image J軟件中的多邊形工具在SWI圖像上按照解剖部位結構畫取ROI，然后將畫取的ROI直接復制到相應層面的相位圖像上，并計算出相應層面內選定的ROI信號值，使操作相對更簡潔。以往的研究根據解剖分區及鐵病理沉積的特點將不同腦區又細分為多個亞區。按照不同腦區的形態輪廓手工勾畫ROI，蒼白球分為前部和后部，在勾畫時盡量選擇信號均勻的區域。盡管SWI技術對鐵沉積的顯示已經達到一定的量級，ROI畫取時也比較精細，但仍然難以避免ROI繪制過程中所產生的人為選擇誤差、選取層面的容積效應和相應核團內鐵沉積分布不均等對真實值造成的影響。

本研究選取含明顯礦物質沉積且顯示最多的3個連續層面，分別畫取整個蒼白球作為ROI和該層面內明顯礦物質沉積區作為另一個ROI并測量其灰度值，取3次平均值作為最終值。本研究發現整個蒼白球區灰度值測量與局部區域灰度值測量具有顯著一致性，說明含有異常礦物質沉積的蒼白球區，選取整個蒼白球區作為ROI與只將異常的礦物質沉積區作為ROI都反映一致的礦物質沉積趨勢，對腦鐵測量影響不大，因此可以直接選取蒼白球整體區域作為ROI測量腦鐵含量，此方法便捷，適合日常工作中操作。以此類推，除了蒼白球以外，其它核團等鐵沉積區域也可以采取整體選取ROI進行灰度值測量，使SWI技術鐵含量測值工作簡單易行，便于臨床推廣應用。

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