0～6歲兒童腦深部灰質核團鐵的變化：定量磁敏感圖與R2＊的比較

寧寧，金超，張衛善，張雷，吳鵬，郭華，劉聰聰，武翔宇，楊健*

鐵參與大腦內神經元的能量代謝、髓鞘形成、神經遞質代謝等多項生理功能，腦鐵在早期腦發育過程中必不可少[1]，無創檢測腦鐵對于研究腦發育和鐵沉積相關性疾病非常重要，研究年齡相關性腦鐵變化將有助于評價早期的神經系統發育。異常的腦鐵含量也可能與多種神經系統疾病有關[2-3]，例如注意力缺陷多動障礙、孤獨癥者其腦鐵含量減低，而腦組織鐵沉積性神經變性疾病及缺氧缺血性腦損傷其腦鐵含量增加。

鐵作為順磁性物質，具有較高的磁敏感性，而年齡相關性磁敏感性的變化也將為評估腦鐵聚集狀態提供有價值的信息。在既往磁共振成像研究中[4-5]，橫向弛豫率R2對成人腦鐵含量高的部位測量效果尚可，但由于腦組織的R2受到組織含水量的影響，其并不適用于兒童腦鐵含量的量化評估。R2’和場強依賴的弛豫率增強的方法雖對鐵含量的測量較為特異，但兩者均需2次掃描才能計算出參數值，難度較大，掃描對象難以順利配合完成。R2*綜合了R2和R2’的信息，其隨腦鐵含量升高而呈線性增加，R2*值常被作為鐵含量測量的可靠指標[6]。磁敏感加權成像(suscept ibil it y weighed imaging，SWI)可利用組織間的磁敏感度的差異產生圖像對比，經過后處理產生定量磁敏感圖(quant it at ive susceptibil it y mapping，QSM)，從磁敏感性角度反映組織對比，對鐵含量的變化敏感，可直接測量組織的磁敏感性值[7-8]。

因此，本研究擬運用T2*加權血管成像(enhanced T2 st ar weight ed angiogr aphy，ESWAN)序列后處理得到的R2*和QSM圖，定量測量R2*和磁敏感性值，觀察0～6歲兒童腦深部灰質核團鐵隨年齡的變化規律。

1 材料與方法

1.1 研究對象

回顧性收集2011年1月至2013年12月行頭顱MRI檢查的兒童，年齡范圍1個月至6歲。1歲以內來源于臨床因喂養困難、嘔吐、有其他部位的疾病懷疑合并顱腦異常等，1歲以上來源于健康查體、頭痛、嘔吐、因其他部分疾病懷疑顱腦疾病等。納入標準：①足月兒；②檢查時均行ESWAN掃描；③常規頭顱MR T1WI和T2WI檢查未見明顯異常者。排除標準：①MRI檢查時及隨訪2年內有神經行為學異常者；②頭部外傷史、嬰兒期腦病、顱內感染、遺傳代謝性疾病、先天性腦發育畸形、先天性心臟病史；③因運動或磁敏感偽影圖像無法分析者。依據納入排除標準，共收集兒童87例，年齡：1～72個月，其中男26例[月齡：(17.1 ±14.6 )個月]，女61例[月齡：(18.0 ±17.3 )個月]。本研究經西安交通大學第一附屬醫院倫理委員會批準，在檢查前均告知其監護人檢查目的、步驟、注意事項及可能存在的風險，并自愿簽署知情同意書。

1.2 掃描設備和圖像采集

對于不能良好配合MRI掃描的兒童，檢查前30 min左右給予鎮靜處理，口服10%水合氯醛(25 mg/kg體質量)，鎮靜前常規喂奶。

運用3.0 T MR掃描儀(Signa HDxt，Gener al El ect r ic Medical Syst em，Mil waukee，WI，USA)，8通道頭部相控陣線圈。檢查前于外耳道內塞入隔音棉塞，使掃描對象仰臥于MR檢查床上，并使用塑性海綿墊固定頭顱，使掃描對象頭顱位于線圈中心，并且保證聽眥線垂直于床面。監護患者生命體征，包括體溫、心率、呼吸和氧飽和度。首先進行MR常規序列掃描，精確定位前后聯合的位置，然后在平行于大腦前后聯合連線的平面上，進行軸位三維快速擾相梯度回波(three dimensional f ast spoil ed gradient echo，3D-FSPGR)T1WI、T2WI及ESWAN掃描。

掃描序列及成像參數如下：3D-FSPGR T1WI：重復時間/回波時間=10 ms/4.6 ms，激勵次數=1，掃描視野為18 cm×18 cm，層厚=1.0 mm，矩陣=256×256，掃描時間為5 min 10 s。T2WI：重復時間/回波時間=4200 ms/120 ms，激勵次數=1.5 ，掃描視野為18 cm×18 cm，層厚=4.0 mm，矩陣=512×512，掃描時間為2 min 12 s。ESWAN：重復時間=51 ms，回波個數=6，TE=7～46 ms(TE1=7 ms，TE6=46 ms，△TE=7.8 ms)，翻轉角=20°，層厚/層間距=2 mm/0 mm，激勵次數=0.6 9，掃描視野為18 cm×18 cm，矩陣=384×256，掃描時間為3 min 17 s，行3D軸位掃描。

1.3 圖像后處理及定量測量方法

由兩名主治醫師觀察常規MRI序列圖像(T1WI、T2WI)無明顯異常表現，將可以達到測量標準的ESWAN圖像納入本研究測量組。在GE AW4.4 后處理工作站上，采用Funct ool對ESWAN原始圖像數據進行后處理，得到R2*圖和相位圖。依據Li等[9]報道，在相位圖的基礎上計算QSM圖。

計算QSM圖的具體方法為：將多回波相位圖展開，根據不同的回波標準化后生成頻率圖；將不同回波的頻率圖作平均化，運用優化的相位數據復雜諧波偽影減低法(sophist icat ed har monic ar t if act r educt ion f or phase dat a，SHARP)去除背景頻率；最后，使用基于正交及上三角分解最小二乘法的方法基于頻率圖計算QSM圖[10]。

在顯示腦深部灰質核團最大的QSM圖層面上(圖1A)，運用ImageJ軟件的多邊形測量工具，分別勾畫雙側尾狀核、殼核、蒼白球、丘腦ROI，避免納入腦內靜脈或接觸核團邊緣，并將ROI復制于R2*圖像，以保證QSM圖和R2*圖中的ROI位置和大小一致(圖1B)。測量ROI內的R2*和QSM磁敏感性值，由2名影像科高年資主治醫師采用雙盲法分析圖像，分別勾畫ROI，測值取兩者平均值。各灰質核團的磁敏感性值將以胼胝體壓部磁敏感性值作參照(即將二者差值作為核團的相對磁敏感性值)[11]。

圖1 腦深部灰質核團標注ROI的QSM和R2*圖(1、2：尾狀核；3、4：殼核；5、6：蒼白球；7、8：丘腦)。A：QSM圖，B：R2*圖Fig.1 ROIs in QSM and R2*mapping(1,2:Caudate nucleus;3,4:Putamen;5,6:Globuspallidus;7,8:Thalamus).A:QSM,B:R2*mapping.

1.4 統計學分析

對所獲得的所有數據運用SPSS 13.0 版統計軟件進行統計學分析，各年齡組不同部位灰質核團磁敏感性值和R2*值，均符合正態分布，采用均數±標準差(±s)進行表述。對兩位醫師的同一部位測量結果的一致性進行組內相關系數(int r acl ass cor r el at ion coef f icient，ICC)檢驗。用多元回歸分析判別年齡、性別、左右側別對磁敏感性值和R2*值的影響。按照年齡將研究對象分組，將磁敏感性值和R2*值與月齡做線性回歸分析，并進一步使用Pear son法進行相關性分析。所有統計結果均以P＜0.0 5為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 QSM磁敏感性值與R2*值測量的一致性檢驗

在各測量部位ROI，無論是QSM磁敏感性值還是R2*測量值，兩位醫師對同一部位測量結果的一致性的ICC值均＞0.7 5，提示不同觀察者之間測量結果的一致性均較好。

2.2 QSM和R2*圖各腦區圖像對比

在QSM和R2*圖中順磁性越強的物質顯示的信號越高。QSM圖中灰白質對比度更好，而R2*圖相對較弱。在勾畫ROI時，QSM圖對組織結構的邊界顯示更加清晰。QSM圖肉眼可見1月齡灰白質分界不清晰，自1歲開始，深部灰質核團的邊界逐漸清晰。隨年齡增加，各核團對比更加清晰，信號強度逐漸增加。6歲時可見以蒼白球信號強度最高，其次是尾狀核，內外側蒼白球已明顯分界。而R2*圖因分辨率較低，雖也可顯示蒼白球隨年齡增長信號強度逐漸增加，但深部灰質核團邊界不清晰。1月齡、1歲和6歲QSM和R2*圖見圖2。

圖2 1月齡、1歲和6歲各腦區QSM和R2*圖Fig.2 QSM and R2*mapping of brain in 1 month,1 year and 6 years old.

2.3 QSM磁敏感性值和R2*值與月齡的關系

各深部灰質核團QSM磁敏感性值、R2*值與性別、左右側別無顯著依存關系(P均＞0.0 5)，而與月齡呈顯著依存關系(P＜0.0 5)。左右側QSM磁敏感性值、R2*值差異無統計學意義(P值均＞0.0 5)，故將左右側QSM磁敏感性值、R2*值取平均值進行相關性分析。

據2.2 節觀察到1歲前后的變化趨勢不同，故按照年齡將研究對象分為1個月至1歲和大于1～6歲兩組進行下一步分析[12]，其中1個月至1歲組49例，大于1～6歲組38例。兩個年齡組各深部灰質核團QSM磁敏感性值、R2*值與月齡的線性回歸方程及參數見表1，可見蒼白球與月齡的回歸方程的斜率最高。

表1 深部灰質核團磁敏感性值、R2*值與月齡的線性回歸方程參數Tab.1 Fitted linear regression parameters for susceptibility and R2*values with age in deep gray matter nuclei

1個月至1歲組，蒼白球QSM磁敏感性值與月齡呈正相關性(相關系數為0.3 11，P＜0.0 01)，而其余部位磁敏感性值與月齡無顯著相關性(P均＞0.0 5)；各深部灰質核團的R2*值與月齡均呈正相關(相關系數分別為尾狀核：0.6 71，殼核：0.6 88，蒼白球：0.6 67，丘腦：0.6 67，P均＜0.0 01)。大于1～6歲組，各部位QSM磁敏感性值和R2*值與月齡均呈正相關(相關系數分 別 為 尾 狀 核：0.6 76和0.4 61，殼核：0.7 01和0.6 23，蒼 白 球：0.8 70和0.7 43，丘 腦：0.5 70和0.6 84，P均＜0.0 5)，詳見圖3、4。

圖3 各深部灰質核團磁敏感性值與月齡的相關性 圖4 各深部灰質核團R2*值與月齡的相關性Fig.3 Thelinear correlation of susceptibility valuewith agein each deep gray nucleus.Fig.4 Thelinear correlation of R2*valuewith agein each deep gray nucleus.

3 討論

3.1 QSM和R2*圖像對比

組織的磁敏感性是物質在磁場中磁化的物理特性，也是SWI圖像對比的基礎。在小兒中，R2*圖僅可顯示蒼白球與周圍組織的對比，而灰白質對比并不清晰。在QSM圖中，順磁性物質例如鐵蛋白和脫氧血紅蛋白呈高信號，而髓鞘等反磁性物質呈低信號。與R2*圖比較，QSM圖不僅僅可以清晰顯示灰白質的對比，還可以將富含鐵的深部灰質核團與周圍組織顯著分界，該發現與既往研究一致[13]。

1歲以前，QSM顯示包括蒼白球在內的深部灰質核團呈現均一的稍高信號，既往關于新生兒的研究也發現新生兒的雙側大腦半球深部灰質核團(尾狀核、蒼白球、殼核、丘腦)磁敏感性值無明顯差別[14]。隨年齡增長，內外蒼白球逐漸出現分界，而在R2*圖中無法顯示。R2*圖的對比并不僅僅來源于局部組織的磁敏感性，它受周圍組織與目標組織磁敏感性疊加的影響，存在于周圍具有磁敏感性組織的“陰影”之下。例如，R2*圖中對比較弱的組織可能受到鄰近空氣-組織界面的干擾以及小兒腦水含量較高的影響。QSM經過了反卷積的方法校正，它可揭示局部組織真正的磁敏感性，并且具有了較高的分辨率和清晰度[15]。

3.2 腦深部灰質核團QSM磁敏感性值、R2*值與月齡的關系

本研究中，出生后1個月至1歲，每個深部灰質核團的R2*值均與月齡呈正相關性；但蒼白球除外，QSM磁敏感性值與月齡并無顯著關系。在腦組織中，主要的磁敏感對比來源于鐵含量(包括血紅素鐵和非血紅素鐵)、鈣、脂類和髓鞘含量[16]。在深部灰質核團中，磁敏感對比主要來源于局部的非血紅素鐵含量。在嬰兒期，由于灰質核團的鐵含量非常低，是否這個階段R2*隨月齡的增長變化確實來源于鐵的增加仍然未知。R2*是R2和R2’的綜合結果，其中僅有R2’可以特異地反映鐵含量，而R2則對腦水含量較為敏感。研究表明[17]，在出生后1年內，腦水含量隨月齡增加迅速減少，這一趨勢與R2的增加呈一致的變化關系，這可能導致1歲以內R2值呈類似于鐵含量的指數增加曲線趨勢[12，17]。

既往關于QSM的研究均表明深部灰質核團順磁性物質主要來源于鐵的增加[8，11，18]。人尸檢病理學已經證實即使局部腦組織的鐵含量較低(鐵含量近似于嬰兒的區域)，QSM的磁敏感性依然與鐵具有良好的線性相關性[19]。因此，在嬰兒期QSM磁敏感性值隨月齡無明顯變化可能提示尾狀核和殼核在早期腦鐵增加并不顯著，未能引起磁敏感性值的顯著增加。在蒼白球中，R2*與月齡的回歸方程的斜率是2.0 5，稍高于既往研究的結果，提示可能因為蒼白球的鐵含量較高，鐵對R2*值的貢獻較水的減少趨勢更大，故在QSM中觀察到了同樣的趨勢。由于蒼白球是運動、認知功能神經網絡/通路的核心區域，嬰兒期的語言和運動發展飛速，因此蒼白球對鐵的需要量增加以保證各項生理功能的需求[20]。

1歲以后，QSM的磁敏感性值與R2*值均與月齡和具有較高的相關性，并且前者的相關性更高，提示該階段腦鐵增加較快，而其對R2*值的貢獻較水的減少占比例更高。幼兒期腦迅速的鐵增加可能與廣泛的髓鞘形成過程和神經遞質能量代謝產生密切相關。在功能上，深部灰質核團受大量多巴胺能神經纖維的支配，并且參與高級別的運動、認知和情感過程。運動功能包括動機與運動行為控制，而認知功能包括適應行為，這些功能在幼兒期迅速發展，也都需要鐵的參與[20-21]。并且，比起其他灰質核團，蒼白球與月齡的相關性和斜率也是最高的，這一鐵選擇性聚集于腦某一特定區域的原因尚不清楚。作為神經網絡和通路的功能區的核心部位，外側蒼白球調節著皮層和丘腦通過基底節區的信息傳遞[22]，并且存在許多神經環路從額葉皮層通過紋狀體到內側蒼白球，再到丘腦，最后投射到額葉皮層[20]。因此，蒼白球具有的重要生理功能也決定了它需要更多的鐵來參與代謝，預示它可能在腦發育的早期快速的積累大量的鐵來維持功能。

3.3 本研究的局限性

首先，手工的方法勾畫ROI可能帶有一定的主觀性，全自動圖像分割較手工畫法更為客觀，但因嬰兒期腦水含量較高且鐵含量較低，圖像分割依賴于更清晰的腦結構的邊界和與之匹配的腦模板[23]。其次，深部灰質核團內的髓鞘成分對QSM值和R2*值可能產生影響，本研究暫未采用針對于相關髓鞘發育的定量技術，僅觀察了腦鐵含量的隨齡變化的可能趨勢，髓鞘成分在其中的影響程度還需進一步探索。最后，結構的變化與功能的關系密切，也需要互相驗證，因此今后的研究將把兒童腦生理性鐵聚集與運動或認知評價和預后聯系起來，以闡明腦鐵變化的神經行為學意義。

綜上所述，0～6歲兒童腦深部灰質核團QSM磁敏感性值及R2*值可反映隨年齡增長不同的變化特點，但由于R2*值可能受到腦水含量的影響，QSM可能更適合評估該年齡段腦鐵的隨齡變化。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。