分析1.5T與3.0T MR定量評價體外鐵濃度模型比較研究

黃璐， 韓瑞， 夏黎明

·實驗研究·

分析1.5T與3.0T MR定量評價體外鐵濃度模型比較研究

黃璐， 韓瑞， 夏黎明

目的探討MRI對體外不同鐵濃度模型定量測量的可靠性，并比較1.5T和3.0T MR對體外鐵濃度模型定量測定的準確性。方法制作2組不同鐵濃度體外模型，一組鐵濃度范圍為0～5.0 mg/mL。另一組鐵濃度范圍為0～1.0 mg/mL。兩組鐵濃度模型分別在1.5T及3.0T MR上進行掃描。掃描序列包括短軸面FSE/T1WI、FRFSE/T2WI、T2map和T2*map。評價測量指標包括T1WI和T2WI信噪比、T2、R2、T2*和R2*值。評價指標的一致性采用組內相關系數分析。鐵濃度與T1WI信噪比、T2WI信噪比、T2、R2、T2*和R2*值的關系應用Pearson相關分析。結果兩位研究者對體外鐵濃度模型MR圖像測量指標T1WI信噪比、T2WI信噪比、T2、R2、T2*和R2*值一致性評價的組內相關系數均大于0.900(P<0.001)。T2WI信噪比、T2和T2*值與鐵濃度在1.5T和3.0T MR上均呈非線性相關。在1.5T MR上，當鐵濃度≤1.5 mg/mL時，T1WISNR、R2與鐵濃度呈顯著性正相關(P<0.05)。R2*則在鐵濃度≤2.5 mg/mL時，與鐵濃度呈顯著正性線性相關(P<0.001)。而在3.0T MR上，當鐵濃度≤0.90 mg/mL時，R2和R2*值與鐵濃度呈正相關(P<0.05)。結論MRI定量測定體外不同鐵濃度模型的可重復性好；在1.5T或3.0T MR各測量參數中，R2*值可準確定量反映體外鐵濃度，且1.5T MR檢測鐵濃度范圍寬于3.0T MR。

模型； 鐵； 磁共振成像

血色素病是一種累及多個器官的代謝性疾病[1]，以往限于磁共振技術的原因只能對其定性診斷，隨著磁共振軟、硬件的飛速發展，目前磁共振可以對血色素病的鐵負荷程度進行定量測量，但是這種定量測量目前受磁場強度的影響較大[2,3]。目前國內外關于不同磁場強度對鐵測量可重復性、準確性、測量范圍等的研究較少[4]。本研究應用臨床常用的1.5T和3.0T MR對體外鐵濃度模型進行掃描，旨在確定二者定量測定鐵濃度的準確性、可測量范圍及測量的敏感參數，并探討哪種場強更適合鐵濃度的測量。

材料與方法

1.體外鐵濃度模型的制作

應用右旋糖酐鐵制劑(濃度為50 mg/mL)和蒸餾水制作體外鐵濃度模型2套，每套包括實驗組和備份組，兩組濃度范圍相同(圖1)。第一套鐵濃度范圍為0～5.0 mg，即0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 mg/mL。第二套鐵濃度范圍為0～1.0 mg/mL，即0,0.10,0.20,0.30,0.35,0.40,0.45,0.50,0.55,0.60,0.65,0.70,0.80,0.90,1.00 mg/mL。

圖1 兩套體外鐵濃度模型上面觀。 圖2 體外鐵濃度模型T1WI圖像,體外鐵濃度模型及背景感興趣區放置。

2.體外鐵濃度模型的磁共振成像

于同一天分別在1.5T和3.0T MR上分別對2套體外鐵濃度模型進行掃描。每套體外鐵濃度模型按照以下方式進行掃描：

1.5T MR成像(HDxt Cvi，GE Healthcare，USA)：使用8通道相控陣心臟線圈，將體外鐵濃度模型放置于2.5 kg重的水膜上(增加成像對象的重量以獲得較好的圖像)行短軸面FSE/T1WI、FRFSE/T2WI、T2map和T2*map掃描，掃描范圍從溶液頂部至底部(約7層)。各掃描序列具體參數見表1。

表1 MR的T1WI、T2WI、T2map、T2*map序列掃描參數

3.0T MR成像(HDxt，GE Healthcare，USA)：1.5T體外鐵濃度模型成像結束后，將體外鐵濃度模型連同水膜一起取出，放置到3.0T MR掃描儀上進行成像。使用HD八通道相控陣心臟線圈。掃描方案、各掃描序列及參數同1.5T MR。

3.MR圖像分析

將在1.5T和3.0T MR上對兩套體外鐵濃度模型掃描所獲得的原始圖像傳輸到ADW 4.4工作站(Advantage Workstation，GE Healthcare，USA)上，并進行圖像分析。T1WI和T2WI在View工具中測量信號強度值。T2map和T2*map在Functool軟件中分別使用T2mapping軟件包和R2*mapping軟件包測量T2值和T2*、R2*值。

兩位放射科醫生獨立對所有圖像分別進行測量，其中一位放射科醫生對所有圖像測量2次，測量時間間隔一周。感興趣區放置(圖2)在中間層面(一般第三或第四層)的中央(region of interest，ROI)，面積范圍25～30 mm2。在T1WI和T2WI上測量每個鐵濃度ROI的信號強度值，同時在背景上選擇3個ROI測量其信號強度的標準差(standard deviation，SD，圖2)。計算每個鐵濃度ROI的信噪比(signal to noise ratio，SNR)，公式如下：

T2map和T2*map的ROI放置層面和T1WI和T2WI一致。T2mapping軟件包測量每個鐵濃度的T2值(ms)，R2值的計算公式如下：

R2*mapping軟件包同時測量T2*(ms)和R2*(Hz)。

4.統計學分析

T1WISNR、T2WISNR、T2、R2、T2*和R2*值均采用均值±標準差表示。兩位放射科醫生測量的每套體外鐵濃度模型中研究組與備份組的結果應用兩個獨立樣本t檢驗分析進行比較。兩位放射科醫生獨立測量結果的觀察者內和觀察者間的一致性評價使用組內相關系數(intraclass correlation coefficient，ICC)，以ICC≥0.700認為二者測量結果一致性高。應用Pearson相關分析評價鐵濃度與T1WISNR、T2WISNR、T2、R2、T2*和R2*值的相關關系，符合線性分布的建立直線回歸方程。P值<0.05具有顯著統計學意義。所有統計學分析使用SPSS 19.0軟件包進行分析。

結 果

1.體外鐵濃度模型MR圖像的顯示

在1.5T和3.0T MR上，第一套鐵濃度模型的所有鐵濃度在T1WI、T2map和T2*map上均能顯示。而T2WI隨著鐵濃度的增加，信號強度逐漸與背景相似，無法辨認，當鐵濃度>2 mg/mL，無論在1.5T或3.0T MR上，T2WI均無法顯示(圖3)。第二套鐵濃度模型的所有鐵濃度在1.5T和3.0T MR的T1WI、T2WI、T2map和T2*map上均能顯示。T1WI和T2WI的信號強度隨著鐵濃度的增加，逐漸變暗。

圖3 體外鐵濃度模型第一套鐵濃度梯度的T2WI圖像。a) 1.5 T的T2WI圖像; b) 3.0 T的T2WI圖像， 第5個鐵濃度(2mg/mL)開始信號強度與背景信號強度無法分辨。 圖4 體外鐵濃度模型第二套鐵濃度梯度的T2*map第1、3、5、7個回波的圖像 鐵濃度試管的信號強度隨著回波時間的延長逐漸減低。

圖5 體外鐵濃度模型1.5T MR上R2和R2*值與鐵濃度之間的散點圖。 圖6 體外鐵濃度模型在3.0T MR上R2和R2*值與鐵濃度之間的散點圖。

T2map和T2*map的圖像隨著回波時間的延長，鐵濃度高的試管信號強度逐漸變暗，甚至與背景一致(圖4)。

2.體外鐵濃度模型MR 圖像一致性分析

兩位放射科醫生對體外鐵濃度模型的兩套鐵濃度梯度在1.5T和3.0T MRI的原始圖像獨立進行分析。體外鐵濃度模型1.5T和3.0T MRI的研究組結果和備份組結果無顯著統計學差異。一位放射科醫生的T1WISNR、T2WISNR、T2、R2、T2*和R2*值的觀察者內的ICC均>0.900，P<0.001。兩位放射科醫生的所有MR評價指標觀察者間的ICC均大于0.900，P<0.001。

3.體外鐵濃度模型T1WI和T2WI信號強度與鐵濃度相關性分析

4.體外鐵濃度模型T2、R2、T2*和R2*值與鐵濃度相關性分析

討 論

體外鐵濃度模型的MRI定量測定，其優勢在于可以準確配比出任意的鐵濃度梯度，不受活體組織取樣測量的限制；體外鐵濃度模型成分單一，均為不同鐵濃度的溶液，而且右旋糖酐鐵易溶于水，溶液分布均勻，無其他物質的影響，這些優點為體外鐵濃度模型的MRI準確測定奠定了基礎。另外還剔除了影響其測量結果準確的其他因素，例如活體組織的呼吸、心臟搏動及血管搏動等引起的運動偽影，這樣就能客觀的評價MRI定量分析鐵濃度的準確性、可重復性和一致性，從而可以選擇代表性參數反映鐵濃度[5，6]。

對于一種定量測量參數，無疑可重復性是其主要特征之一。從本研究結果可以看出，兩套體外鐵濃度模型中研究組鐵濃度梯度與備份組的1.5T和3.0T結果比較均無顯著的統計學差異，說明兩套鐵濃度梯度的配比準確，可重復性高。同時通過分析兩位放射科醫生對兩套體外鐵濃度在1.5T及3.0T所有圖像的測量結果，發現本研究中各種參數的測量結果受時間和觀察者的影響較小，體現出較高的可重復性，這保證了測量的可靠性。

由于鐵離子的順磁性可以引起T1或T2的信號強度下降，且對T2弛豫的影響明顯>T1弛豫[7]，所以本研究使用T1WI和T2WI的信噪比對鐵濃度進行分析，通過研究發現無論在1.5T或3.0T MR上，當鐵濃度>2.0 mg/mL時，T2WI上相應鐵濃度試管的信號強度與背景相近，無法區分，也就是說T2WISNR測量的鐵濃度范圍應<2.0 mg/mL。1.5T MR上鐵濃度<1.5 mg/mL時，T1WISNR與鐵濃度呈正性線性相關。產生這種結果是因為本研究使用的是右旋糖酐鐵溶液，當鐵濃度很低時，糖份部分的特性起主導作用，使得T1WI的信號強度增高，而當鐵濃度增加到一定程度的時候(本實驗為鐵濃度為1.5 mg/mL)，鐵的順磁性作用起主導作用，信號強度開始降低。這種情況在活體組織中會不會存在，若存在，其鐵濃度的界值是什么，目前還沒有相關的研究。

對于不同鐵濃度的溶液的T2map和T2*map成像，無論在1.5T或3.0T MR上， T2和T2*值與鐵濃度呈非線性相關，而R2和R2*值與鐵濃度呈線性相關。鐵的順磁性作用使得T2和T2*縮短[7]，尤其是T2*，所以當鐵濃度逐漸增加時，T2和T2*值降低。鐵濃度過高(鐵濃度>2.5 mg/mL)時，1.5T MR上的T2*值維持在6 ms左右，3.0T MR上T2*值(在鐵濃度>0.9 mg/mL)隨著濃度的增加而升高；而T2值在兩個場強均升高。這有可能是當鐵濃度增加得過高，引起周圍環境的磁場不均勻性超出了物質本身的信號強度值，造成多回波圖像在重建時出現偽影，無法準確分析出高鐵濃度(1.5T鐵濃度>2.5 mg/mL或3.0T鐵濃度>0.9 mg/mL)的T2和T2*值。所以在測量高鐵濃度時，應該根據具體情況采用特定的序列[8,9]即更短的TE時間，小于所測鐵負荷的T2*(如Ultrashort echo-time，UTE)或高端的圖像后處理方法[10，11]，區分出背景場和磁敏物質產生的局部磁場，去除背景場影響，直接測量鐵本身的磁化率(如Quantitative susceptibility mapping，QSM)進行檢測，否則可能會低估在體鐵含量，無法為臨床提供治療的準確依據。

綜上所述，通過本研究確定MRI測量體外鐵濃度模型具有可重復性。目前，1.5T MR在評估鐵濃度的應用上優于3.0T MR，1.5T MR可以準確測量鐵濃度的范圍為鐵濃度≤2.5 mg/mL，而3.0T MR可準確測定的范圍為鐵濃度≤0.90 mg/mL。R2*所測量的鐵濃度范圍>T1WISNR和R2，所以，應該選用T2*map在1.5T MR上進行鐵濃度的分析測量。

[1] Badawy SM，Liem RI，Rigsby CK，et al.Assessing cardiac and liver iron overload in chronically transfused patients with sickle cell disease[J].British J Haematology，2016，175(4):705-713.

[3] Barretti P，Rostoker G，Griuncelli M，et al.Reassessment of iron biomarkers for prediction of dialysis iron overload:an MRI study[J].PLoS One，2015，10(7):e0132006.

[4] Storey P，Thompson AA，Carqueville CL，et al.R2*imaging of transfusional iron burden at 3T and comparison with 1.5T[J].JMRI，2007，25(3):540-547.

[5] 李春燕，黃仲奎，龍莉玲，等.MRI測量R2值與鐵濃度的相關性[J].實用放射學雜志，2015，31(11):1872-1875.

[6] Wood JC.Cardiac iron determines cardiac T2*，T2，and T1 in the gerbil model of iron cardiomyopathy[J].Circulation，2005，112(4):535-543.

[7] Carpenter JP，He T，Kirk P，et al.On T2*magnetic resonance and cardiac iron[J].Circulation，2011，123(14):1519-1528.

[8] Scharlach C，Warmuth C，Schellenberger E.Determination of blood circulation times of superparamagnetic iron oxide nanoparticles by T2*relaxometry using ultrashort echo time (UTE) MRI[J].Magnetic Resonance Imaging，2015，33(9):1173-1177.

[9] 蔣小莉，査云飛，王嬌，等.3D-UTE評價腰椎間盤軟骨終板缺損與椎間盤退變的相關性[J].放射學實踐，2015，30(9):952-955.

[10] Sharma SD，Fischer R，Schoennagel BP，et al.MRI-based quantitative susceptibility mapping (QSM) and R2*mapping of liver iron overload:comparison with SQUID-based biomagnetic liver susceptometry[J].Magnetic Resonance in Medicine，2017，78(1):264-270.

[11] 譚慧，陳軍.定量磁敏圖基本原理及其在中樞神經系統應用進展[J].放射學實踐，2015，30(8):873-875.

Quantitativemeasurementofironconcentrationinvitromodelacomparativestudybetween1.5Tand3.0TMRI

HUANG Lu,HAN Rui,XIA Li-ming.

Department of Radiology,Tongji Hospital,Tongji Medical College,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430030

Objective:To investigate the reliability of quantitative measurement of iron concentration in vitro model using MRI and compare the accuracy between 1.5T and 3.0T.MethodsTwo sets of iron concentration in vitro models were made,ranging from 0mg/mL to 5.0mg/mL and from 0mg/mL to 1.0mg/mL,respectively.The scanning protocol included FSE/T1WI,FRFSE/T2WI,T2map and T2*map on axial section.Two radiologists independently evaluated the MR images of the models.T1WI signal to noise ratio (SNR),T2WI SNR,T2,R2,T2*and R2*values were evaluated.Intraclass correlation coefficient (ICC) was used to evaluate the agreements of the parameters and Pearson correlation analysis was used to calculate the correlation between iron concentration and MR measurement indexes.ResultsThe ICCs of T1WI SNR,T2WI SNR,T2,R2,T2*and R2*values evaluated by two radiologists were all more than 0.900 (P<0.001).The relation between iron concentration and T2WI SNR,T2and T2*values demonstrated function relation on 1.5T or 3.0T MR scanner.At 1.5T MR scanner,when iron concentration was less than 1.5mg/mL,T1WI SNR and R2 correlated positively with iron concentration (P<0.05).At 3.0T MR scanner,when iron concentration was less than 2.5mg/mL,R2*had a positive correlation with it (P<0.001).When iron concentration was less than 0.900mg/mL,R2and R2*were positively correlated with it (P<0.05).ConclusionMRI is able to quantitatively evaluate iron concentration in vitro model reproducibly.R2*value is the best index to evaluate the iron concentration at either 1.5T or 3.0T MR.The measureable range at 1.5T MR is wider than that at 3.0T MR.

Model； Iron； Magnetic resonance imaging

R591.1; R445.2

A

1000-0313(2017)10-1014-05

2016-12-27

2017-03-14)

430030 武漢，華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院放射科(黃璐、夏黎明)；430022 武漢，武漢市第一醫院放射科(韓瑞)

黃璐(1985-)，女，江西吉安人，博士，主治醫師，主要從事心臟功能磁共振研究工作。

夏黎明，E-mail：cjr.xialiming@vip.163.com

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.10.004