磁敏感加權成像及其對運動障礙性疾病腦鐵沉積的研究進展

方舟，方維東

（重慶醫科大學附屬第一醫院放射科，重慶400016）

0 引言

磁化率加權成像(SWI)是一種利用組織間磁化率差異來增強圖像對比度的磁共振成像(MRI)技術。隨著定量磁化率圖(QSM)和磁化率張量成像(STI)的發展，定量測量腦鐵沉積已經完全成熟，但其定量信息已經為發現運動障礙性疾病衰老和病理演變提供了新的線索，原發性震顫（Essential Tremor, ET）和帕金森病（Parkinson’s disease, PD）是臨床上最常見兩種以震顫為主的運動障礙性疾病，盡管有關于ET和PD中神經變性的種種假設，ET和PD都是最常見的神經系統疾病之一，但盡管發病率很高，但對病理生理學的了解仍然不夠，特別是深部灰質的鐵沉積成為了近年來的研究熱點，并且由于鐵是腦內深部灰質中磁易感性的主要來源，可用磁敏感加權成像序列進行評價，近年來的各種新興的磁敏感加權序列已經被用于患有各種運動障礙型疾病以及神經退行性疾病的患者。本文就近年來磁敏感加權成像對以震顫為主的運動障礙性疾病的研究的新進展進行綜述。

1 磁敏感加權序列概述

傳統上，磁化率引起的磁場擾動在磁共振成像（MRI）中通常被視為圖像偽影的來源。這種處理是有必要的，因為這種擾動無法提供可用的軟組織對比度，而且大的場偏移會在MRI圖像中產生各種不需要的失真。但是，磁化率也是組織的固有特性之一。如果處理得當，它也可以提供有關組織結構和功能的重要信息。磁化率加權成像（SWI）就是這樣一種技術，它利用磁性來產生有用的圖像對比度[1-3]。 SWI將T2*加權幅值圖像與通過梯度回波序列獲得的濾波后的相位圖像進行乘法關系[1,3]。雖然T2*加權幅值圖像已經提供了一些磁化率對比，但是SWI進一步增強了磁化率不同的組織之間的對比度。磁化率加權成像SWI的中心思想是通過結合幅度和相位來增強敏感度誘導的對比度。幅度或相位本身只使用了所獲取信息的一半。 De Crespigny等人[2]提出了一種技術，通過將兩者結合起來，提高了對敏感性對比的敏感性。他們提出振幅和相位可以通過多種方式結合起來，以使它們相互增強，而不是抵消，并演示一種簡單的方法來在適當的相位校正后重建真實圖像，以解決各種靜態相位變化，并對各種靜態相位變化進行適當的相位校正。今天常用的SWI曾被Reichenbach等人[3]描述為“MR靜脈造影”，主要就是利用脫氧血紅蛋白的順磁性從而增強小血管的可視化。

1.1 對腦鐵含量的顯示更具優勢的SWI序列-QSM

雖然鐵是鐵磁性的，但是鐵主要以結合鐵廣泛分布于人體內，所以并沒有已知的人體組織是鐵磁性的。在人類中，鐵主要儲存在鐵蛋白和含鐵血黃素中；兩者都是順磁性的。在大腦中，某些區域優先積累非血紅素鐵。Hallgren和Sourander[4]在尸檢時研究了鐵在81個大腦中鐵的分布。他們發現，鐵的分布在十幾歲或二十多歲時處于平臺期，在60歲之后出現會再次出現較緩慢的增長，大體還是呈現指數式的增長。近年來的QSM對大腦的相關研究在很大程度上也驗證大腦深層核團的順磁敏感性主要是由于鐵沉積[5-7]。死后核磁共振和質譜已經證實，QSM測量的敏感性與大腦深層核團中的鐵濃度呈線性相關[8]。因此，QSM被認為是一種潛在的體內定量腦鐵貯量的方法。這項由Lim等人[9]進行的研究評估了191名1-83歲的健康參與者的易感性與年齡的關系，結果表明，富鐵灰質核的磁化率遵循指數增長軌跡，這也證實了Hallgren和Sourander[4]在之前的發現。另一方面，大腦和小腦半球白質和灰質的鐵濃度最低[9]。Hallgren和Sourander[10]還報告說，皮層下的“U”型纖維的鐵含量高于大腦灰質或白質。此外，額葉白質的鐵分布大于枕葉白質，內囊后肢最后部幾乎沒有鐵離子分布，視神經輻射也幾乎沒有。在7T時獲得的高分辨率相位圖中，Duyn等人[7]同時還觀察到皮層IV層出現強烈的順磁頻移，這歸因于細胞體中鐵濃度過高。

1.2 磁敏感加權序列的更新與進展

在過去的十多年中，SWI在大腦中發現了越來越多的應用，并逐漸被常規臨床成像所采用。但是，SWI沒有提供磁化率的定量度量。定量磁化率圖譜（QSM）[11-16]和磁化率張量成像（STI）[17]的最新發展正解決了這一局限。當SWI根據相位圖像生成對比度時，QSM進一步計算每個體素的潛在磁化率作為標量。Liu等的另一項研究[18]也提示相較于T2*WI測得的R2*值及SWI測得的相位值，QSM的磁化率值在量化腦區異常鐵沉積方面的敏感度及特異度更佳。另一方面，STI將磁化率視為張量（即3x3矩陣）而不是標量，從而可以量化磁化率各向異性（MSA）[19]。而JoM等學者在最近的一項研究中[20]評估了SMWI在3T上可視化的有效方法及效果。發現使用QSMnet利用磁化率掩模進行SMWI成像是一種更有效的方法。

2 人腦組織中鐵的正常及病理性分布

組織中大部分MRI可見鐵位于鐵蛋白和含鐵血黃素中，并與有助于儲存和運輸的蛋白質有關[21]。這種儲存形式以外的過量鐵對于細胞可能是有毒的，后果是導致氧化應激并導致疾病產生[22]。在健康的成年大腦中，總鐵濃度范圍為每克組織0-200μg，即200ppm，典型的白質（WM）和皮質灰質（GM）區域處于該范圍的下限（＜60 ppm ）[4,23]。在微觀尺度上，跨細胞類型存在很大的差異，小膠質細胞和少突膠質細胞對鐵的染色最為一致[23-27]。在整個WM上，肉眼觀察到可變的鐵染色[4,26]，主要纖維束如胼胝體和視輻射幾乎沒有鐵染色[27]。在GM中，在小腦的齒狀核以及中樞腦區域（如基底神經節和紅色核）中發現了最高的鐵濃度[24,28]，通常與神經膠質細胞有關，而皮層中發現的較低濃度通常與少突膠質細胞有關。大多數病理狀況與組織鐵含量增加有關，主要是鐵血鐵蛋白和鐵蛋白的形式。先前血管損傷部位附近的含鐵血黃素可能源自滲出的血液。鐵儲存疾病（如銅藍蛋白血癥）發生的增加更為普遍，在大腦的大部分區域中鐵的發現增加了2-3倍[29]。在許多神經系統疾病中，鐵優先聚集在基底神經節中[21,30,31]，在該區域還發現了其他金屬，例如錳[32]和釓[33]。大腦有可能使用這些區域作為不需要的材料的存儲或轉儲。在某些較常見的神經系統疾病（如不寧腿綜合征）中，鐵組織蓄積呈減少的趨勢[34]。

3 運動障礙患者的腦鐵沉積研究

3.1 帕金森病患者的腦鐵沉積

鐵動態異常（特別是細胞鐵超負荷）被認為是PD等神經退行性變的關鍵條件[35,36]。許多神經退行性疾病的病因不同。但是，其病理過程中均存在幾種相同的細胞過程，例如鐵動態異常（鐵沉積過多），鐵誘導的氧化應激，脂質生成的活性氧物質的積累。鐵質異常和鐵質異常是神經退行性疾病發病機理的重要因素。Cheng等人的研究[37]發現與R2 *作圖法相比，QSM顯示出更高的敏感性和特異性，可將PD患者與正常對照區分開。總之，QSM和R2 * 繪制圖譜可以較準確計算出人腦中的鐵水平，而QSM提供了一種更靈敏，準確的方法來評估PD患者的局部鐵分布異常。除此之外Thomas等人[38]也在研究中發現，前額葉皮層和殼狀核相比，PD中的QSM升高。PD組的全腦回歸分析發現QSM隨年齡增加，使用QSM測量的腦組織鐵可以跟蹤PD中的認知參與。這對于檢測早期認知變化的征兆，對臨床試驗的人群進行分層以及監測PD的進展可能很有用。Eskreis-Winkler S等人[39]回顧了QSM在椎體外系疾病中的診斷，醫療管理和外科治療中的應用。發現帕金森氏病（PD）患者的黑質，蒼白球，殼核和亨廷頓病患者的尾狀核的鐵沉積，以及在威爾遜氏病患者的基底神經節中。Homayoon N[40]近期的研究表明，震顫為主的PD中，黑核中的鐵含量明顯高于肌張力障礙、ET和正常對照。進一步的，在Nadya Pyatigorskaya博士的Meta分析[41]中發現SWI或QSM的相關實驗結果，都表明腦內中鐵含量的是PD患者的可靠生物標記。這些實驗中的一些與運動癥狀的嚴重程度相關。并發現，QSM似乎比R2 *更有說服力并且可重復，更適合于多中心研究。

3.2 特發性震顫患者的腦鐵沉積

目前國內外的研究對于特發性震顫患者大腦及小腦的貼沉積的研究并不多，且部分是研究是基于帕金森震顫癥狀患者的對照研究，很少有專門對ET患者的腦鐵沉積的研究，比如近期Pietracupa S[42]等人近期的研究中，利用ESWAN的T2*值區分特發性震顫、PD以及健康對照組，PD與將康對照組T2*值存在明顯差異，而ET與健康對照無差異，也再次驗證了ET與神經退行性病變在病理方面的不同。此外，各種臨床發現表明，至少相當一部分的ET患者中存在小腦或其通路的潛在異常。然而，小腦功能障礙本身不可能完全解釋與ET相關的癡呆以及震顫情況，因為在小腦病變患者中描述的認知缺陷一般較輕，那么ET患者的腦鐵沉積是否能體現患者認知障礙的程度就還需要更多實驗的驗證。

4 小結與展望

磁敏感加權成像以其可視三維，高分辨率、可對腦內深部灰質核團鐵沉積定性、定量的優點，為研究運動障礙性疾病的發生于發展提供了一項重要的觀察及評估途徑，憑借著這些優勢，相關的研究不僅揭示了運動障礙性疾病患者深部灰質核團鐵沉積的定性及定量改變，并且很有可能在將來的研究中對運動障礙性疾病，特別是特發性震顫這種病理尚不完全清楚的疾病，提供了更為廣闊的研究可能。