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(yī)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(yī)院影像科，廣東 佛山 528000)

目的 采用定量磁敏感成像(QSM)技術(shù)探討正常青年人不同側(cè)別及性別的腦磁化率。方法 對(duì)41名健康右利手青年人行常規(guī)頭顱MRI和QSM掃描，通過(guò)后處理軟件對(duì)圖像處理獲得磁敏感圖，然后手工勾畫(huà)雙側(cè)額葉灰質(zhì)(FGM)、額葉白質(zhì)(FWM)、尾狀核(CA)、蒼白球(GP)、殼核(PU)、丘腦(TH)、黑質(zhì)(SN)、紅核(RN)、齒狀核(DN)、橋腦(PO)、胼胝體(CC)的ROI并獲得磁化率。對(duì)各ROI的磁化率采用Mann-Whitney秩和檢驗(yàn)比較不同側(cè)別和性別磁化率的差異。結(jié)果 雙側(cè)ROI磁化率GP最高，SN次之，F(xiàn)WM最低；雙側(cè)FGM、FWM、CA、GP、PU、TH、SN、RN、DN、PO、CC的ROI磁化率差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。不同性別CA的磁化率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。結(jié)論 通過(guò)QSM測(cè)定腦磁化率，可評(píng)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(guò)載均可導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病[2]。腦組織鐵含量與磁化率及相位對(duì)比有良好的相關(guān)性[3-4]，因此，通過(guò)檢測(cè)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(wú)創(chuàng)、真實(shí)地定量反映組織磁化率的空間分布情況，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。QSM在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的應(yīng)用已有報(bào)道[5-6]，但對(duì)正常人腦組織磁化率的研究鮮見(jiàn)。本文采用QSM測(cè)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(shí)習(xí)生和年輕醫(yī)師作為研究對(duì)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(wú)外傷、神經(jīng)、精神、內(nèi)分泌及代謝等疾病，且經(jīng)常規(guī)MR平掃(T1WI、T2WI、FLAIR序列)及DWI確認(rèn)顱腦無(wú)異常。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，并簽署MR檢查知情同意書(shū)。

1.2儀器與方法 采用GE Discovery MR750W 3.0T超導(dǎo)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(diǎn)連線。檢查前，均使用MR水模(GE編號(hào)2152220 REV4，MRS SPHERE)以適當(dāng)層數(shù)，按以下參數(shù)采用常規(guī)序列及QSM序列各掃描1次，在常規(guī)圖像及QSM磁敏感圖信號(hào)均勻一致的條件下，對(duì)受檢者進(jìn)行檢查。

常規(guī)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(zhǎng)度9，NEX 2，掃描時(shí)間119 s，F(xiàn)OV 24 mm×24 mm，矩陣320×256；T2WI，F(xiàn)SE序列，TR 4 944 ms，TE 117.5 ms，回波鏈長(zhǎng)度32，NEX 1.5，掃描時(shí)間64 s，F(xiàn)OV 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(zhǎng)度16，NEX 1，掃描時(shí)間153 s，F(xiàn)OV 24 mm×24 mm，矩陣256×256；DWI，EPI序列，TR 4 880 ms，TE 77.3 ms，回波鏈長(zhǎng)度1，NEX 3，掃描時(shí)間64 s，F(xiàn)OV 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(zhuǎn)角12°，NEX 0.69，1 600層，層厚2 mm，層間距0，掃描時(shí)間378 s，F(xiàn)OV 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(shè)置閾值為0.04，回波數(shù)為“14、15、16”后處理圖像，獲得軟組織分辨率高、腦組織對(duì)比度良好的磁敏感圖(圖1A)，測(cè)量雙側(cè)額葉灰質(zhì)(frontal grey matter, FGM)、額葉白質(zhì)(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(zhì)(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(jiàn)圖1B～1G。

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

由2名MRI神經(jīng)系統(tǒng)診斷經(jīng)驗(yàn)豐富的高年資醫(yī)師完成QSM圖像處理和ROI測(cè)量，如對(duì)數(shù)據(jù)有異議經(jīng)重新測(cè)量，協(xié)商后達(dá)成一致。

2 結(jié)果

GP磁化率最高，SN次之，F(xiàn)WM最低。雙側(cè)FGM、FWM、CA、GP、PU、TH、SN、RN、DN、PO、CC的磁化率差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，見(jiàn)表1。取雙側(cè)ROI磁化率均值，不同性別間CA磁化率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，其他部位磁化率差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，見(jiàn)表2。

3 討論

3.1腦組織鐵含量的生理、病理機(jī)制及檢測(cè)目的 鐵是人體內(nèi)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(chǔ)存于鐵蛋白和含鐵血黃素中[3,7]。鐵參與髓磷脂的合成、機(jī)體氧氣運(yùn)輸、細(xì)胞的有氧代謝、電子傳遞及神經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)體的生成等重要代謝過(guò)程[8]。

正常腦鐵含量受精密調(diào)控，且以鐵蛋白形式存在。當(dāng)鐵代謝紊亂時(shí)，鐵蛋白被破壞后變?yōu)樽杂设F，過(guò)量的自由鐵被轉(zhuǎn)化為含鐵血黃素和其他過(guò)氧化氫類衍生物，更易發(fā)生電子交換，激發(fā)、促進(jìn)自由基產(chǎn)生，引起脂質(zhì)過(guò)氧化，直接引起細(xì)胞損害，甚至凋亡，導(dǎo)致腦萎縮[7,9]。而過(guò)量的自由鐵，改變了周?chē)奈h(huán)境，使細(xì)胞對(duì)致病因素或毒素更加敏感[10]。

表1 雙側(cè)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(huà) A.基底核灰質(zhì)核團(tuán)輪廓對(duì)比度良好; B.腦灰質(zhì)、白質(zhì)層次顯示良好，在FGM較厚處勾畫(huà)ROI; C.在FGM下方勾畫(huà)FWM的ROI，并分別勾畫(huà)CA、GP、PU、TH的ROI; D～F.分別在SN、RN、DN、PO顯示最大層面勾畫(huà)ROI; G.CC壓部最大層面勾畫(huà)ROI

目前，已知與鐵代謝相關(guān)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病包括帕金森病、阿爾茨海默病、亨廷頓病、神經(jīng)鐵蛋白病及泛酸激酶依賴型神經(jīng)退行性疾病[11]。因此，精準(zhǔn)定量檢測(cè)腦鐵含量，對(duì)疾病診斷、了解疾病發(fā)展過(guò)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(cè)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(quán)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(shí)地反映磁化率的空間分布，測(cè)量結(jié)果存在偏差[1,13]。T2*幅度圖不能定量分析。R2*圖對(duì)不均勻磁場(chǎng)敏感，但在高場(chǎng)強(qiáng)磁體中，由于帶寬較大使體素內(nèi)質(zhì)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(tuán)附近、腦脊液與顱骨、腦脊液與腦組織)受到影響，使鐵含量測(cè)量存在誤差[7]。SWI相位值雖然可以反映局部場(chǎng)磁化率的變化[9]，但并不能完全精準(zhǔn)地反映鐵所導(dǎo)致的局部場(chǎng)磁化率的改變，只是一種半定量測(cè)量方法[1]。

QSM是近年出現(xiàn)的MRI新技術(shù)，是基于GRE-T2*原始數(shù)據(jù)，于后處理工作站，通過(guò)復(fù)雜算法處理和重建出的圖像，測(cè)出每一個(gè)體素的磁化率。與SWI相比，QSM測(cè)量更加精準(zhǔn)[7]：①Q(mào)SM的預(yù)處理是基于SWI，通過(guò)復(fù)雜諧波偽影去除法或偶極場(chǎng)投影法等[13-14]更好地保留有效信息，從而獲得更為精準(zhǔn)的局部場(chǎng)圖信息。②在預(yù)處理后的局部場(chǎng)圖基礎(chǔ)上，QSM通過(guò)采用數(shù)學(xué)方法如貝葉斯正則化法、k空間加權(quán)微分法、反演計(jì)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(diǎn) 腦組織鐵含量分布的差異，反映出不同組織對(duì)鐵的需求量不同[7]。錐體外系腦鐵含量最高，其次是腦灰質(zhì)，腦白質(zhì)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(yùn)動(dòng)皮層、視覺(jué)皮層、感覺(jué)皮層、頂葉其他功能皮層[9]；腦白質(zhì)的鐵含量比灰質(zhì)低，但灰質(zhì)下白質(zhì)的鐵含量與相鄰的灰質(zhì)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(guān)鍵作用[1]。Langkammer等[15]采用QSM對(duì)13例無(wú)神經(jīng)系統(tǒng)疾病及腦外傷史的尸體進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)CC及額葉、枕葉白質(zhì)，腦深部灰質(zhì)結(jié)構(gòu)包括GP、PU、CA、TH的體積磁化率與化學(xué)測(cè)定的鐵濃度間有很強(qiáng)的線性關(guān)系。夏爽等[1]對(duì)63名健康有利手志愿者進(jìn)行QSM研究，發(fā)現(xiàn)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(bào)道基本相符，但本研究增加了FGM、PO、CC，旨在為后續(xù)腦皮質(zhì)、橋腦、胼胝體等微量出血研究提供依據(jù)。

本研究發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)FGM、FWM、GP、SN、RN、DN、PU、CA、TH、PO磁化率的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與既往報(bào)道[1,16]略有差異。本研究與夏爽等[1]均采用QSM技術(shù)對(duì)正常人腦鐵含量進(jìn)行研究，樣本量分別為41例和63例，研究結(jié)果略有不同，推測(cè)可能與樣本量有關(guān)，也可能與掃描方案、參數(shù)等因素有關(guān)，仍需后續(xù)研究進(jìn)一步證實(shí)。而張京剛等[16]采用增強(qiáng)T2*加權(quán)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(cè)ROI磁化率差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，因此對(duì)雙側(cè)ROI磁化率取均值，發(fā)現(xiàn)不同性別的CA磁化率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，女性高于男性；余ROI平均磁化率的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與夏爽等[1]研究結(jié)果略有差異，后者認(rèn)為不同性別GP的磁化率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，女性高于男性，而其他ROI磁化率的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；還有待進(jìn)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(biāo)可能存在偏倚，且未能體現(xiàn)磁化率與年齡的關(guān)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(shù)據(jù)庫(kù)，為神經(jīng)退行性疾病的研究提供可靠的依據(jù)。

總之，通過(guò)QSM測(cè)量腦組織磁化率，可評(píng)估腦鐵含量。正常青年人腦組織磁化率GP最高，SN次之，F(xiàn)WM最低。FGM、FWM、CA、GP、PU、TH、SN、RN、DN、PO、CC等雙側(cè)磁化率無(wú)明顯差別。

[1] 夏爽,柴超,沈文,等.MR定量磁敏感圖評(píng)估正常人腦鐵含量的初步研究.中華放射學(xué)雜志,2014,48(9):730-735.

[2] Fleming RE, Ponka P. Iron overload in human disease. N Engl J Med, 2012,366(4):348-359.

[3] Haacke EM, Liu S, Buch S, et al. Quantitative susceptibility mapping: Current status and future directions. Magn Reson Imaging, 2015,33(1):1-25.

[4] Bilgic B, Pfefferbaum A, Rohlfing T, et al. MRI estimates of brain iron concentration in normal aging using quantitative susceptibility mapping. Neuroimage, 2012,59(3):2625-2635.

[5] Deistung A, Schafer A, Schweser F, et al. Toward in vivo histology: A comparison of quantitative susceptibility mapping (QSM) with magnitude-, phase-, and R2*-imaging at ultra-high magnetic field strength. Neuroimage, 2013,65(1):299-314.

[6] Ogasawara A, Kakeda S, Watanabe K, et al. Quantitative susceptibility mapping in patients with systemic lupus erythematosus:detection of abnormalities in normal-appearing basal ganglia. Eur Radiol, 2016,26(4):1056-1063.

[7] 王敏,李傳富.定量磁化率成像及其在腦鐵定量中的研究進(jìn)展.中國(guó)中西結(jié)合影像學(xué)雜志,2016,14(1):105-108.

[8] Hagemeier J, Geurts JJ, Zivadinov R. Brain iron accumulation in aging and neurodegenerative disorders. Expert Rev Neurother, 2012,12(12):1467-1480.

[9] 苗延巍,伍建林.慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾病腦鐵過(guò)度沉積的MR研究進(jìn)展.中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù),2009,25(11):2129-2131.

[10] Stankiewicz J, Panter SS, Neema M, et al. Iron in chronic brain disorders: Imaging and neurotherapeutic implications. Neurothera Peutics, 2007,4(3):371-386.

[11] Xu X, Wang Q, Zhang M. Age, gender, and hemispheric differences in iron deposition in the human brain: An in vivo MRI study. Neuroimage, 2008,40(1):35-42.

[12] 寧寧,張育苗,張雷,等.3.0T磁共振R2*值評(píng)價(jià)足月出生嬰兒腦深部灰質(zhì)核團(tuán)年齡相關(guān)性鐵沉積.中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù),2015,31(5):706-710.

[13] Schweser F, Deistung A, Lehr BW, et al. Quantitative imaging of intrinsic magnetic tissue properties using MRI signal phase: An approach to in vivo brain iron metabolism? Neuroimage, 2011,54(4):2789-2807.

[14] Liu T, Khalidov I, de Rochefort L, et al. A novel background field removal method for MRI using projection onto dipole fields (PDF). NMR Biomed, 2011,24(9):1129-1136.

[15] Langkammer C, Schweser F, Krebs N, et al. Quantitative susceptibility mapping (QSM) as a means to measure brain iron? A post mortem validation study. Neuroimage, 2012,62(3):1593-1599.

[16] 張京剛,胡春洪.正常人腦核團(tuán)鐵含量分布及年齡相關(guān)性MR磁敏感成像初步研究.實(shí)用放射學(xué)雜志,2012,28(8):1159-1163.

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(yī)學(xué)科學(xué)技術(shù)研究基金項(xiàng)目(A2016337)、佛山市醫(yī)學(xué)類科技攻關(guān)項(xiàng)目(2016AB002431)、佛山市科技創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(2015AG1004)、佛山市醫(yī)學(xué)重點(diǎn)?？婆嘤?xiàng)目(Fspy3-2015013)。

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

洪居陸，佛山市第一人民醫(yī)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