基于定量磁敏感成像的正常青年人腦磁化率分析

洪居陸，申小明，盧瑞梁，趙 海，賀小紅，周新韓，高明勇

(佛山市第一人民醫院影像科，廣東 佛山 528000)

基于定量磁敏感成像的正常青年人腦磁化率分析

洪居陸*，申小明，盧瑞梁，趙 海，賀小紅，周新韓，高明勇

(佛山市第一人民醫院影像科，廣東 佛山 528000)

目的 采用定量磁敏感成像(QSM)技術探討正常青年人不同側別及性別的腦磁化率。方法 對41名健康右利手青年人行常規頭顱MRI和QSM掃描，通過后處理軟件對圖像處理獲得磁敏感圖，然后手工勾畫雙側額葉灰質(FGM)、額葉白質(FWM)、尾狀核(CA)、蒼白球(GP)、殼核(PU)、丘腦(TH)、黑質(SN)、紅核(RN)、齒狀核(DN)、橋腦(PO)、胼胝體(CC)的ROI并獲得磁化率。對各ROI的磁化率采用Mann-Whitney秩和檢驗比較不同側別和性別磁化率的差異。結果 雙側ROI磁化率GP最高，SN次之，FWM最低；雙側FGM、FWM、CA、GP、PU、TH、SN、RN、DN、PO、CC的ROI磁化率差異均無統計學意義(P均>0.05)。不同性別CA的磁化率差異有統計學意義(P<0.05)。結論 通過QSM測定腦磁化率，可評估腦鐵含量。

定量磁敏感成像；磁共振成像；磁化率；鐵；腦

鐵是人體含量最多的金屬元素[1]，缺乏或過載均可導致神經退行性疾病[2]。腦組織鐵含量與磁化率及相位對比有良好的相關性[3-4]，因此，通過檢測腦組織磁化率，可定量分析腦鐵含量。定量磁敏感成像(qantitative susceptibility mapping, QSM)可無創、真實地定量反映組織磁化率的空間分布情況，是目前國內外研究的熱點。QSM在神經系統疾病的應用已有報道[5-6]，但對正常人腦組織磁化率的研究鮮見。本文采用QSM測量正常青年人腦組織磁化率，以了解腦組織鐵含量分布情況。

1 資料與方法

1.1一般資料 2016年7月招募41名實習生和年輕醫師作為研究對象，男16名，女25名，年齡20～30歲，平均(22.9±2.5)歲，均為右利手。所有受檢者均為健康志愿者，無外傷、神經、精神、內分泌及代謝等疾病，且經常規MR平掃(T1WI、T2WI、FLAIR序列)及DWI確認顱腦無異常。本研究經醫院倫理委員會批準，并簽署MR檢查知情同意書。

1.2儀器與方法 采用GE Discovery MR750W 3.0T超導MR掃描儀，8通道頭線圈。所有受檢者檢查前均以楔形海綿墊固定頭部。軸位掃描平行胼胝體嘴與壓部最低點連線。檢查前，均使用MR水模(GE編號2152220 REV4，MRS SPHERE)以適當層數，按以下參數采用常規序列及QSM序列各掃描1次，在常規圖像及QSM磁敏感圖信號均勻一致的條件下，對受檢者進行檢查。

常規序列：軸位掃描均為層厚5.0 mm，共20層，層間距1.0 mm；T1WI FLAIR序列，TR 2 508 ms，TE 22.7 ms，TI 794 ms，回波鏈長度9，NEX 2，掃描時間119 s，FOV 24 mm×24 mm，矩陣320×256；T2WI，FSE序列，TR 4 944 ms，TE 117.5 ms，回波鏈長度32，NEX 1.5，掃描時間64 s，FOV 24 mm×24 mm，矩陣416×416；T2WI FLAIR序列：TR 9 000 ms，TE 95.2 ms，TI 2 475 ms，回波鏈長度16，NEX 1，掃描時間153 s，FOV 24 mm×24 mm，矩陣256×256；DWI，EPI序列，TR 4 880 ms，TE 77.3 ms，回波鏈長度1，NEX 3，掃描時間64 s，FOV 25 mm×25 mm，矩陣130×160，b值為0和800 s/mm2。QSM序列，TR 82 ms，TE 3.4 ms，翻轉角12°，NEX 0.69，1 600層，層厚2 mm，層間距0，掃描時間378 s，FOV 25.6 mm×25.6 mm，矩陣256×256。

1.3圖像分析 采用GE AW4.6工作站的Functool軟件(版本9.4.05)QSM模塊處理，設置閾值為0.04，回波數為“14、15、16”后處理圖像，獲得軟組織分辨率高、腦組織對比度良好的磁敏感圖(圖1A)，測量雙側額葉灰質(frontal grey matter, FGM)、額葉白質(frontal white matter, FWM)、尾狀核(caudate, CA)、蒼白球(globus pallidus, GP)、殼核(putamen, PU)、丘腦(thalamus, TH)、黑質(substantia nigra, SN)、紅核(red nucleus, RN)、齒狀核(dentate nucleus, DN)、橋腦(pons, PO)、胼胝體(corpus callosum, CC)的磁化率，見圖1B～1G。

ROI的勾畫：于FGM較厚處勾畫面積≤10 mm2的ROI，避開皮質下白質或腦脊液；FWM的ROI位于其下方面積≤10 mm2的圓形區域；于顯示CA、GP、PU、TH、SN、RN、DN面積最大層面處，勾畫該核團輪廓作為ROI；于PO的最大截面，距中線0.5 cm處勾畫面積≤10 mm2圓形ROI；于CC壓部最大截面，距中線0.5 cm處勾畫面積≤10 mm2的圓形ROI。

由2名MRI神經系統診斷經驗豐富的高年資醫師完成QSM圖像處理和ROI測量，如對數據有異議經重新測量，協商后達成一致。

2 結果

GP磁化率最高，SN次之，FWM最低。雙側FGM、FWM、CA、GP、PU、TH、SN、RN、DN、PO、CC的磁化率差異無統計學意義(P均>0.05)，見表1。取雙側ROI磁化率均值，不同性別間CA磁化率差異有統計學意義(P<0.05)，其他部位磁化率差異無統計學意義(P均>0.05)，見表2。

3 討論

3.1腦組織鐵含量的生理、病理機制及檢測目的 鐵是人體內一種重要的微量元素，分為血紅素鐵和非血紅素鐵兩類，腦鐵多為非血紅素鐵，儲存于鐵蛋白和含鐵血黃素中[3,7]。鐵參與髓磷脂的合成、機體氧氣運輸、細胞的有氧代謝、電子傳遞及神經轉運體的生成等重要代謝過程[8]。

正常腦鐵含量受精密調控，且以鐵蛋白形式存在。當鐵代謝紊亂時，鐵蛋白被破壞后變為自由鐵，過量的自由鐵被轉化為含鐵血黃素和其他過氧化氫類衍生物，更易發生電子交換，激發、促進自由基產生，引起脂質過氧化，直接引起細胞損害，甚至凋亡，導致腦萎縮[7,9]。而過量的自由鐵，改變了周圍的微環境，使細胞對致病因素或毒素更加敏感[10]。

表1 雙側ROI的磁化率比較

表2 ROI的總體磁化率和不同性別磁化率比較

注：Z值和P值為男性和女性間比較

圖1 ROI的勾畫 A.基底核灰質核團輪廓對比度良好; B.腦灰質、白質層次顯示良好，在FGM較厚處勾畫ROI; C.在FGM下方勾畫FWM的ROI，并分別勾畫CA、GP、PU、TH的ROI; D～F.分別在SN、RN、DN、PO顯示最大層面勾畫ROI; G.CC壓部最大層面勾畫ROI

目前，已知與鐵代謝相關的中樞神經系統疾病包括帕金森病、阿爾茨海默病、亨廷頓病、神經鐵蛋白病及泛酸激酶依賴型神經退行性疾病[11]。因此，精準定量檢測腦鐵含量，對疾病診斷、了解疾病發展過程及療效觀察，有重要的臨床意義。

3.2腦組織鐵含量的檢測方法 腦組織鐵含量的檢查方法一般有梯度回波相位圖、T2*幅度圖、R2*圖[12]及磁敏感加權成像(susceptibility weighted imaging， SWI)等[1]。梯度回波相位圖可很好地顯示磁化率分布差異，但不能完全真實地反映磁化率的空間分布，測量結果存在偏差[1,13]。T2*幅度圖不能定量分析。R2*圖對不均勻磁場敏感，但在高場強磁體中，由于帶寬較大使體素內質子加劇失相位，致磁化率差異較大的組織界面附近(如深部核團附近、腦脊液與顱骨、腦脊液與腦組織)受到影響，使鐵含量測量存在誤差[7]。SWI相位值雖然可以反映局部場磁化率的變化[9]，但并不能完全精準地反映鐵所導致的局部場磁化率的改變，只是一種半定量測量方法[1]。

QSM是近年出現的MRI新技術，是基于GRE-T2*原始數據，于后處理工作站，通過復雜算法處理和重建出的圖像，測出每一個體素的磁化率。與SWI相比，QSM測量更加精準[7]：①QSM的預處理是基于SWI，通過復雜諧波偽影去除法或偶極場投影法等[13-14]更好地保留有效信息，從而獲得更為精準的局部場圖信息。②在預處理后的局部場圖基礎上，QSM通過采用數學方法如貝葉斯正則化法、k空間加權微分法、反演計算磁化率值，更能反映組織本身固有磁化率。

3.3腦組織鐵含量分布特點 腦組織鐵含量分布的差異，反映出不同組織對鐵的需求量不同[7]。錐體外系腦鐵含量最高，其次是腦灰質，腦白質最低[9]；而錐體外系中，鐵含量由高至低分別是GP、SN、RN、PU、DN、CA和TH[1]；大腦皮層中，鐵含量由高至低分別是運動皮層、視覺皮層、感覺皮層、頂葉其他功能皮層[9]；腦白質的鐵含量比灰質低，但灰質下白質的鐵含量與相鄰的灰質相近。錐體外系尤其是GP和SN的鐵含量非常高，表明鐵在錐體外系中起關鍵作用[1]。Langkammer等[15]采用QSM對13例無神經系統疾病及腦外傷史的尸體進行研究，發現CC及額葉、枕葉白質，腦深部灰質結構包括GP、PU、CA、TH的體積磁化率與化學測定的鐵濃度間有很強的線性關系。夏爽等[1]對63名健康有利手志愿者進行QSM研究，發現正常人磁化率由高至低分別為GP、SN、RN、DN、CA、PU、TH、FWM。本研究正常青年人磁化率由高至低分別為GP、SN、RN、DN、PU、CA、FGM、TH、CC、PO、FWM，與既往研究[1]報道基本相符，但本研究增加了FGM、PO、CC，旨在為后續腦皮質、橋腦、胼胝體等微量出血研究提供依據。

本研究發現，雙側FGM、FWM、GP、SN、RN、DN、PU、CA、TH、PO磁化率的差異無統計學意義，與既往報道[1,16]略有差異。本研究與夏爽等[1]均采用QSM技術對正常人腦鐵含量進行研究，樣本量分別為41例和63例，研究結果略有不同，推測可能與樣本量有關，也可能與掃描方案、參數等因素有關，仍需后續研究進一步證實。而張京剛等[16]采用增強T2*加權血管成像(enhanced T2 star weighted angiography, ESWAN)序列行類似研究，但ESWAN僅為半定量方法。

由于本研究雙側ROI磁化率差異無統計學意義，因此對雙側ROI磁化率取均值，發現不同性別的CA磁化率差異有統計學意義，女性高于男性；余ROI平均磁化率的差異無統計學意義，與夏爽等[1]研究結果略有差異，后者認為不同性別GP的磁化率差異有統計學意義，女性高于男性，而其他ROI磁化率的差異無統計學意義；還有待進一步加大樣本量深入研究。

3.4本研究的不足 僅納入20～30歲健康人群，樣本量較小，部分指標可能存在偏倚，且未能體現磁化率與年齡的關系。有待今后增加各年齡段樣本量，以建立正常人的磁化率數據庫，為神經退行性疾病的研究提供可靠的依據。

總之，通過QSM測量腦組織磁化率，可評估腦鐵含量。正常青年人腦組織磁化率GP最高，SN次之，FWM最低。FGM、FWM、CA、GP、PU、TH、SN、RN、DN、PO、CC等雙側磁化率無明顯差別。

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Analysis of magnetic susceptibility of normal brain of young adults by quantitative susceptibility mapping

HONGJulu*,SHENXiaoming,LURuiliang,ZHAOHai,HEXiaohong,ZHOUXinhan,GAOMingyong

(DepartmentofRadiology,theFirstPeople'sHospitalofFoshan,Foshan528000,China)

Objective To explore the changes of susceptibility of different sides and gender in healthy young adults with quantitative susceptibility mapping (QSM). Methods Totally 41 healthy young right-handed adults underwent conventional brain MRI and QSM scan, and the susceptibility maps were obtained by the image post-processing software. Then the ROI of the bilateral frontal grey matter (FGM), frontal white matter (FWM), caudate (CA), globus pallidus (GP), putamen (PU), thalamus (TH), substantia nigra (SN), red nucleus (RN), dentate nucleus (DN), pons (PO), corpus callosum (CC) were manually drawn to obtain magnetic susceptibility on the susceptibility map. The magnetic susceptibility of each ROI was compare between both sides, as well as gender byMann-Whitneytest. Results The magnetic susceptibility of the bilateral ROI of GP was the highest, and SN was followed, FWM was minimum. The susceptibility of bilateral FGM, FWM, CA, GP, PU, TH, SN, RN, DN, PO, CC had no statistically significant differences (allP>0.05). The magnetic susceptibility in CA of different gender had statistically significant difference (P<0.05). Conclusion The brain magnetic susceptibility can be measured by QSM, and it can assess brain iron content quantitatively.

Quantitative susceptibility mapping; Magnetic resonance imaging; Magnetic susceptibility; Iron; Brain

廣東省醫學科學技術研究基金項目(A2016337)、佛山市醫學類科技攻關項目(2016AB002431)、佛山市科技創新平臺建設項目(2015AG1004)、佛山市醫學重點專科培育項目(Fspy3-2015013)。

洪居陸(1982—)，男，廣東雷州人，碩士，副主任醫師。研究方向：腹部及神經系統影像診斷。

洪居陸，佛山市第一人民醫院影像科，528000。E-mail: hongjulu2001@163.com

2016-09-29

2017-03-16

10.13929/j.1003-3289.201609149

R3; R445.2

A

1003-3289(2017)05-0693-05