基于磁化率成像Brainnetome Atlas腦網絡組圖譜定量分析腦鐵的可行性

李棟學，代 斌，熊真亮，曾憲春，王榮品

(貴州省人民醫院放射科 貴州省智能醫學影像分析與精準診斷重點實驗室 精準影像診療示范型國際科技合作基地，貴州 貴陽 550002)

鐵為人體必須且含量最高的微量元素，參與纖維束生長、髓鞘形成、氧運輸、電子轉運及神經轉運體生成等過程，與神經退行性疾病的發生發展相關[1]。早發現、早診斷鐵代謝異常相關神經系統疾病具有重要臨床意義。認識正常人腦鐵分布及變化規律，探尋準確且無創的腦鐵定量方法，對研究鐵代謝異常疾病具有重要價值。作為一種量化生物組織內磁化率空間分布MRI技術，定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping, QSM)已越來越多地用于定量研究腦鐵，是目前臨床定量測量活體組織內鐵含量的主要方法[2]。本研究探討采用基于QSM的Brainnetome Atlas腦網絡組圖譜定量分析腦鐵的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 2018年7月—2019年5月招募43名右利手、健康的成年志愿者，其中男20名，女23名，年齡22～58歲，平均(35.3±10.0)歲。納入標準：自愿、知情并填寫MR檢查同意書；無MR檢查禁忌證；無腦器質性疾病史；無神經精神疾病；無酒精及藥物依賴。排除標準：檢查未完成而終止；圖像質量不佳影響后處理。

1.2 儀器與方法 采用GE 3.0T MR掃描儀(Discovery MR 750, Milwaukee, WI)，行常規序列、3D T1W及QSM掃描。主要掃描參數：3D T1W，TR/TE 8.5/3.2 ms，TI 450 ms，翻轉角15°，視野256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1 mm，帶寬31.25 kHz；QSM，TR/TE 41.8/3.3 ms，回波數16，間隔時間2.3 ms，翻轉角20°，視野256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1 mm，帶寬62.50 kHz。

將原始數據傳至GE后處理工作站，利用Functool軟件行后處理，得到磁敏感圖像。以DICOM格式輸出磁化率(susceptibility, SUS)圖像、原始圖像(RAW)及3D T1WI(T1)圖像，進行線下處理。利用dcm2niigui軟件將SUS和T1圖像轉換為NIFTI格式(.nii)，采用Matlab(MathWorks, Natick, MA, USA)軟件自編代碼完成RAW圖像的NIFTI格式轉換。基于Matlab利用SPM12軟件包(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)對圖像進行標準化處理，以T1圖像為金標準，RAW圖像為配準參考，將此配準參數套用到SUS圖像進行配準；而后將T1圖像對應到東亞人腦模板上進行正規化；最后進行平滑處理，得到標準化SUS圖像。在SPM12 Check Reg中，以SUS圖像及SPM標準腦模板對應檢查配準情況，手動微調配準欠佳圖像。

在Brainnetome Atlas腦網絡組圖譜上找到雙側海馬(hippocampus， HP)、蒼白球(globus pallidus，GP)、尾狀核(caudate， CA)、殼核(putamen， PU)、丘腦(thalamus， TH)、額葉皮質(frontal cortex， FC)、頂葉皮質(parietal cortex，PC)及枕葉皮質(occipital cortex， OC)共計16個腦區，設置ROI，利用Matlab R2013a軟件，使用自定義代碼提取各ROI的磁化率值，以Excel表格輸出數據。同時利用Functool軟件在SUS圖像上于HP、GP、CA、PU、TH最大層面手工勾畫ROI，在FC、PC、OC皮層最厚處手工勾畫ROI(≤10 mm2)，測量磁化率值。由2名神經影像學主任醫師共同完成數據處理、ROI勾畫及磁化率測量，排除質量不佳及配準不滿意圖像。處理過程示意圖見圖1。

圖1 基于Brainnetome Atlas腦磁化率值測量后處理過程示意圖 A、B.于GE工作站進一步計算QSM相位圖和幅度圖，得到SUS圖像； C.以Matlab軟件依次將QSM相位圖和SUS圖像匹配到T1圖像； D.將配準好的SUS圖像對應到標準腦模板上并進行校對； E.以自定義Matlab代碼從標準化ROI中提取磁化率值，在腦網絡組圖譜Brainnetome Atlas選取ROI

1.3 統計學分析 采用SPSS 19.0統計分析軟件。計量資料以±s表示。將Matlab法和手工所測磁化率值與尸檢腦組織染色所得鐵濃度數據[3]進行Pearson相關分析；以Spearman相關分析觀察磁化率值與年齡的相關性。繪制磁化率值分布箱式圖；采用非參數Wilcoxon檢驗比較不同性別、側別間磁化率值。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 磁化率值與組織病理結果的一致性 Matlab法及手工勾畫法所測磁化率值呈正相關(r=0.959，P<0.001)，且均與尸檢化學染色測量鐵濃度結果[3]呈正相關(r=0.920、0.856，P=0.003、0.014)，見表1。

表1 Matlab法及手工勾畫法所測各腦區磁化率值(ppb)與病理鐵濃度值(mg iron/100 g)

2.2 磁化率值分布及與年齡的相關性 箱式圖(圖2)示手工法測量磁化率值整體高于Matlab法，其上限和大部分下限均高于Matlab法；2種方法測量GP、PU、FC均存在少數異常值。2種方法所測磁化率值均以GP最高，PU次之，HP最低。Matlab法及手工法測量ROI磁化率值整體與年齡均呈正相關(rs=0.535、0.340，P=0.001、0.026，圖3A)；其中Matlab法所測GP磁化率值與年齡相關性最高(r=0.737，P<0.001，圖3B)。

圖2 MATLAB法、手工勾畫法測量的磁化率值分布的箱式圖

圖3 磁化率值與年齡相關性散點圖 A.Matlab法(藍)和手工勾畫法(紅)； B.MATLAB法測量GP

2.3 不同性別、側別磁化率值差異 Matlab法所測FC磁化率值男性高于女性(P<0.05)，不同性別間其余腦區磁化率值差異均無統計學意義(P均>0.05)。2種方法所測磁化率值不同側別間差異均無統計學差異(P均>0.05)，見表2、3。

表2 2種方法所測不同性別各腦區磁化率值比較(ppb, ±s)

表2 2種方法所測不同性別各腦區磁化率值比較(ppb, ±s)

性別HPMATLAB法手工勾畫法GPMATLAB法手工勾畫法CAMATLAB法手工勾畫法PUMATLAB法手工勾畫法男-24.40±8.26-33.55±13.1043.40±7.55103.68±19.5927.48±7.0259.61±12.3441.31±12.6882.02±17.48女-24.58±7.66-31.36±13.6941.38±8.4296.82±20.8225.18±7.3949.15±20.1936.24±12.9875.88±16.86Z值-0.195-0.463-0.122-0.438-1.144-1.583-1.6560.368P值0.8460.6440.9030.6610.2520.1130.0980.368性別THMATLAB法手工勾畫法FCMATLAB法手工勾畫法PCMATLAB法手工勾畫法OCMATLAB法手工勾畫法男-6.44±8.69-5.62±11.582.95±2.9439.59±15.882.38±1.4338.15±28.94-2.66±5.4-1.21±14.06女-1.62±11.040.00±11.450.90±3.2740.93±10.772.01±0.9327.71±23.9-2.62±4.24-1.00±13.49Z值-1.437-1.631-2.167-0.341-1.291-1.364-0.146-0.134P值0.1510.1030.0300.7330.1970.1730.8840.893

3 討論

3.1 QSM成像及Brainnetome Atlas腦網絡組圖譜 腦內不同形式的鐵具有不同磁化效能。非血紅素鐵為順磁性物質，能引起局部磁場不均勻，縮短組織橫向弛豫時間，并反映于MRI上。非血紅素鐵中，鐵蛋白及含鐵血黃素占大部分，是引起MRI信號改變的主要鐵存在形式[4]，故可通過MRI評估正常氧合狀態下腦組織鐵含量。QSM基于梯度回波序列成像，首先采集多個不同回波時間的幅度圖和相位圖，再對相位圖解卷繞并消除寬大背景場，得到大腦組織局部場圖，代表不同組織間鐵的差異；最后結合幅度圖利用正則化約束求解，獲得大腦組織SUS圖像，通過勾畫ROI可得到組織中的鐵含量[2,5-6]。QSM能較好識別高分辨率MRI難以辨認的TH核團[7]，高場下QSM可顯示腦白質和腦灰質邊界細節[8-9]，是具有高對比度、高分辨力、可完全定量鐵含量的新興MRI技術。Brainnetome Atlas腦網絡組圖譜由中科院自動化所蔣田仔團隊于2016年繪制，利用腦結構和功能連接信息將腦區精細劃分為246個腦亞區，具有客觀精準的邊界定位[10]。本研究基于Brainnetome Atlas腦網絡組圖譜于雙側HP、GP、CA、PU、TH、FC、PC、OC共16個腦區選取ROI。

表3 2種方法所測不同側別各腦區磁化率值比較(ppb,±s)

表3 2種方法所測不同側別各腦區磁化率值比較(ppb,±s)

性別HPMATLAB法手工勾畫法GPMATLAB法手工勾畫法CAMATLAB法手工勾畫法PUMATLAB法手工勾畫法左側-24.48±9.18-32.56±14.8342.93±8.44103.06±20.8625.86±6.9153.21±17.2838.67±13.877.33±18.41右側-24.51±8.03-32.2±13.8241.71±7.9996.96±23.5726.64±8.0654.82±18.3538.52±14.3080.14±20.53Z值-0.004-0.363-0.751-1.118-0.734-0.54-0.255-1.075P值0.9970.7170.4520.2630.4630.5890.7990.282性別THMATLAB法手工勾畫法FCMATLAB法手工勾畫法PCMATLAB法手工勾畫法OCMATLAB法手工勾畫法左側-4.33±10.90-2.53±12.121.76±3.2940.69±15.362.03±1.332.75±28.69-2.75±5.30-0.91±14.15右側-3.39±10.01-2.69±12.451.95±3.4739.93±14.522.33±1.3032.38±33.15-2.52±4.96-1.29±13.25Z值-0.466-0.177-0.397-0.367-0.92-0.35-0.272-0.134P值0.6410.8590.6910.7140.3580.7260.7860.894

3.2 Matlab腦鐵定量方法可行性 本研究發現Matlab和手工勾畫2種方法所測磁化率值均與病理鐵濃度呈顯著正相關，表明QSM定量磁化率值可間接反映腦鐵含量[11-12]；且2種方法所測磁化率值呈顯著正相關，而Matlab法測值與病理鐵濃度相關性更高，提示Matlab法可準確測量腦鐵含量。

腦鐵分布具有時間、空間異質性[13-14]。本研究中2種方法所測磁化率值均與年齡呈正相關，提示腦鐵含量隨年齡增加而呈逐漸緩升趨勢，與既往研究[3,15]結果相符；2種方法所測磁化率值均以GP最高，PU次之，HP最低，與夏爽等[16]的研究結果一致，提示鐵在椎體外系功能運作中具有重要作用。

本研究Matlab法所測FC磁化率值存在顯著性別差異，2種方法所測磁化率值均無側別差異，與XU等[17]研究結果一致；但也存在不同研究結果，如夏爽等[16]認為GP磁化率存在性別差異、CA磁化率存在側別差異，洪居陸等[18]報道CA磁化率存在性別差異。磁化率分布存在異質性，性別及側別間可能有所差別，有待加大樣本量深入分析。

本研究中Matlab法所測磁化率值整體低于手工勾畫法測值，可能與前者計算的是整個三維結構的平均磁化率，而后者僅針對結構最大層面勾畫ROI測得磁化率有關；2種方法測量GP、PU、FC均存在少數異常值，提示測量過程中難免均存在誤差。

本研究的主要不足：受試者均為貴州本地人，可能存在地域偏倚；Matlab數據標準化過程采用東亞人標準腦模板，可能存在匹配及對應偏差；在Brainnetome Atlas腦網絡組圖譜中只選取部分腦亞區作為ROI，可能存在樣本量偏少等問題。

綜上所述，QSM是定量腦鐵含量的較準確可靠的MRI技術，可較好顯示腦鐵分布特點及隨年齡變化規律。因腦鐵含量可能存在性別差異，今后研究中需考慮性別影響。基于Brainnetome Atlas腦網絡組圖譜的Matlab定量測量腦鐵具有較高準確性和可行性，能減少工作量、節省時間，但需注意警惕計算機配準、校正、標準化過程可能造成的誤差。