謝 紅 余成新 李 博 陳 龍

(三峽大學(xué) 第一臨床醫(yī)學(xué)院[宜昌市中心人民醫(yī)院] 放射科， 湖北 宜昌 443003)

定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping，QSM)與磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging，SWI)是近年來(lái)引起人們廣泛關(guān)注的磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)技術(shù)。自20世紀(jì)末，SWI作為新興的磁敏感成像技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用于顱腦血管源性、腫瘤性、中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性、外傷性等臨床疾病[1]。QSM是SWI技術(shù)的改進(jìn)，也是利用MRI相位信息對(duì)磁敏感物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)并定量計(jì)算該物質(zhì)磁化率值，但是較SWI定量測(cè)量磁化率值更精確，對(duì)腦內(nèi)不同部位核團(tuán)的顯示比常規(guī)核磁技術(shù)更精細(xì)[2]。QSM已越來(lái)越多地應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，本文就QSM的簡(jiǎn)單技術(shù)原理及在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究進(jìn)展作一綜述。

1 技術(shù)原理

QSM與SWI都是將忽略的相位信息運(yùn)用不同后處理方式成像的技術(shù)，且兩者對(duì)于局部磁場(chǎng)改變都非常敏感。SWI以T2*加權(quán)成像(T2*weighted imaging, T2*WI)的擾相梯度回波序列為基礎(chǔ)序列，得到幅度圖和相位圖，以高通濾波的方式將相位圖中大部分由于主磁場(chǎng)以及磁化率差異影響全局相位的低頻信息篩除，獲得相位蒙片后與幅度圖多次相乘最終利用薄層最小信號(hào)投影進(jìn)行三維重建成像。由于對(duì)SWI原始相位圖進(jìn)行處理時(shí)不僅將低頻信息去除，還將部分有用信息也篩除了，因此最終得到的圖像并不能準(zhǔn)確顯示組織磁化率的變化[3]。但是QSM有效地解決了這一問(wèn)題。QSM主要采用復(fù)雜的諧波偽影去除法或偶極場(chǎng)投影法去除背景場(chǎng)，有效避免了有用信息被去除，因此QSM可以獲得更準(zhǔn)確的相位信息[4]。QSM是直接通過(guò)電磁場(chǎng)圖與磁化率之間的物理關(guān)系來(lái)反演出磁化率分布圖像，組織內(nèi)部磁化率圖像的重建是一個(gè)逆向的后處理過(guò)程[5]。QSM計(jì)算步驟簡(jiǎn)單而言分三步：①相位解纏繞；②去除背景場(chǎng)；③特殊的算法重建出磁化率圖像(見(jiàn)圖1)。

圖1 QSM成像簡(jiǎn)單流程圖

QSM對(duì)腦內(nèi)順磁性的鐵和抗磁性的髓鞘敏感，順磁性物質(zhì)顯示為白色高信號(hào)，抗磁性物質(zhì)則為黑色低信號(hào)。此外，QSM能精確定量測(cè)量組織磁化率值，為臨床疾病的診斷及進(jìn)展?fàn)顩r提供客觀指標(biāo)，這將為臨床疾病的診斷、治療帶來(lái)新的方案。

2 QSM在中樞神經(jīng)系統(tǒng)成像中的應(yīng)用

大腦內(nèi)含有的鐵和髓鞘分別具有順磁性和抗磁性，是主要的敏感性對(duì)比來(lái)源。腦內(nèi)深部核團(tuán)含鐵量不一樣，磁化率值也不一樣，鐵是深部灰質(zhì)磁化率的主要來(lái)源，可以用QSM進(jìn)行評(píng)估，而白質(zhì)不僅會(huì)受順磁性鐵濃度影響還會(huì)受抗磁性的髓鞘影響。因此，在白質(zhì)區(qū)域，QSM對(duì)鐵濃度測(cè)量的準(zhǔn)確度較深部灰質(zhì)低[6]。在7T場(chǎng)強(qiáng)下對(duì)人腦進(jìn)行高分辨率QSM，可提供良好的解剖學(xué)對(duì)比，尤其是深部灰質(zhì)核團(tuán)的顯示更優(yōu)越[7]。對(duì)于丘腦底核(subthalamic nucleus，STN)和內(nèi)部蒼白球(globus pallidus internus，GPI)圖像，QSM的圖像能夠可靠地定位GPI的邊界，優(yōu)于常規(guī)T1加權(quán)成像(T1 weighted imaging，T1WI)和T2加權(quán)成像(T2 weighted imaging，T2WI)，QSM圖像的定性評(píng)分也要高于常規(guī)核磁技術(shù)和SWI圖像[8]。此外，QSM上可以觀察到中央正中核(centromedian thalamic nucleus，CM)與周圍組織比較清晰的輪廓，但在T1WI和T2WI圖像上無(wú)法觀察到清晰的CM輪廓[9]?？傊?，相對(duì)于其他核磁成像技術(shù)，QSM對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)顯示更準(zhǔn)確，而且可以精確測(cè)量大腦感興趣區(qū)磁化率值，對(duì)于大腦成像具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

3 QSM在顱內(nèi)靜脈的顯示及血氧飽和度測(cè)量中的應(yīng)用

靜脈血中的順磁脫氧血紅蛋白是一種天然的核磁造影劑，利用靜脈血和動(dòng)脈血之間微小的磁化率差異，可以顯示靜脈信息并制作成磁化率圖。在分辨率足夠高的情況下，磁化率圖可作為一種可視化靜脈和量化靜脈血氧飽和度(venous oxygen saturation，SvO2)的手段[10]。眾所周知，衰老、中風(fēng)和癡呆癥等疾病與血管的變化有關(guān)，高分辨率的磁化率圖可能會(huì)對(duì)這些疾病產(chǎn)生新的臨床價(jià)值，如何制作精良的磁化率圖是目前研究熱點(diǎn)[11]。Huck等[12]已經(jīng)在7T的場(chǎng)強(qiáng)下利用QSM對(duì)20名年輕健康志愿者進(jìn)行了靜脈血管定量成像，制成靜脈神經(jīng)圖譜。但是該技術(shù)只測(cè)量了較大的靜脈，而衰老和疾病較多發(fā)生在較小的靜脈中，如何制作分辨率更高的圖譜值得進(jìn)一步探索。最近研究證實(shí)，改良的QSM技術(shù)可以測(cè)量活體內(nèi)的SvO2，這將會(huì)給臨床部分疾病的病理生理改變、診斷、治療監(jiān)測(cè)提供新思路[13]。

4 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病中的應(yīng)用

在一些神經(jīng)退行性疾病中，如帕金森病(Parkinson's disease，PD)、亨廷頓舞蹈病(Huntington disease，HD)、阿爾茲海默癥(Alzheimer's disease，AD)，大腦中的鐵調(diào)節(jié)失調(diào)在神經(jīng)元死亡中起到了一定作用，為QSM在這些疾病中的應(yīng)用提供了病理基礎(chǔ)[14]。

4.1 QSM與PD

帕金森病是一種常見(jiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，該病的發(fā)生與黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性死亡有關(guān)，然而引起這些神經(jīng)元變性死亡的具體原因還沒(méi)有明確。統(tǒng)一帕金森病評(píng)定量表運(yùn)動(dòng)評(píng)分(The Unified Parkinson's Disease Rating Scale Motor Score, UPDRS)能幫助判定帕金森病的輕重程度，評(píng)估預(yù)后和治療效果。Ling等[15]對(duì)44例早期PD患者及35例性別和年齡相匹配的健康對(duì)照者的深部灰質(zhì)核團(tuán)進(jìn)行QSM檢查，發(fā)現(xiàn)在PD早期，使用QSM測(cè)得的大腦雙側(cè)SN磁化率與UPDRS呈正相關(guān)。此外，在PD患者中，黑質(zhì)(substantia nigra，SN)致密部會(huì)出現(xiàn)萎縮，對(duì)成像造成影響，而QSM解決了R2*映射和相位圖像定位不準(zhǔn)的問(wèn)題，可以直觀測(cè)量SN致密部的磁化率值[16]。以上研究證明，QSM可在PD病變?cè)缙讷@得敏感性較高的量化指標(biāo)，并克服了既往檢測(cè)方法受SN萎縮對(duì)圖像定位不清和定位不準(zhǔn)的問(wèn)題，其應(yīng)用于PD的早期檢測(cè)和輔助診斷具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

4.2 QSM與HD

HD是一種以舞蹈樣動(dòng)作、精神異常、進(jìn)行性癡呆為典型癥狀的遺傳性疾病，病變部位主要累及基底節(jié)及大腦皮質(zhì)。在HD患者中，鐵代謝失調(diào)被認(rèn)為是普遍存在的，在基底節(jié)區(qū)，尤其是紋狀體可以表現(xiàn)出較高的鐵沉積，水平升高可通過(guò)增強(qiáng)自由基促進(jìn)氧化應(yīng)激而導(dǎo)致神經(jīng)元受損[17]。QSM測(cè)量可發(fā)現(xiàn)HD患者在蒼白球、殼核和尾狀核中的鐵含量均明顯高于正常人，此外殼核和尾狀核中鐵的積累與疾病的嚴(yán)重程度顯著相關(guān)，這些發(fā)現(xiàn)為HD生物標(biāo)志物的開發(fā)提供了新思路[18]。

4.3 QSM與AD

AD是一種認(rèn)知功能下降、行為障礙，最終導(dǎo)致自理能力喪失的神經(jīng)退行性疾病。在AD患者中，海馬萎縮可以幫助診斷AD。雖然可以通過(guò)常規(guī)核磁序列圖像直接反映海馬的大小，但是其診斷具有主觀性，如何用客觀的指標(biāo)診斷AD需要進(jìn)一步研究。目前已有研究證明，在AD患者中QSM測(cè)量殼核的磁化率值差異統(tǒng)計(jì)效應(yīng)與海馬萎縮的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)相似，即利用QSM測(cè)量AD患者殼核的磁化率值也可以幫助診斷AD[19]。

5 在多發(fā)性硬化中的應(yīng)用

多發(fā)性硬化癥(multiple sclerosis，MS)主要特點(diǎn)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)白質(zhì)炎性脫髓鞘。MS的基底節(jié)區(qū)鐵蓄積與疾病進(jìn)展有關(guān)，并與腦形態(tài)學(xué)損害程度相關(guān)。在T2WI圖像上，水腫、白質(zhì)脫髓鞘、炎性病變都可顯示為高信號(hào)，因此其診斷MS的特異性較低。龍柳等[20]利用QSM和高分辨率的T2WI分別對(duì)26例MS患者進(jìn)行顱腦核磁檢查，發(fā)現(xiàn)QSM聯(lián)合高分辨率T2WI可以提高M(jìn)S病灶檢測(cè)的特異性，這為臨床診斷MS提供了新方法。Hagemeier等[21]使用QSM對(duì)MS患者進(jìn)行兩年多的縱向研究，發(fā)現(xiàn)在任一時(shí)間點(diǎn)，MS患者在尾狀核和蒼白球的磁化率明顯較高，而在丘腦的磁化率較低，提示MS可同時(shí)發(fā)生多種病理改變，即同時(shí)發(fā)生鐵沉積和脫髓鞘，并且后期會(huì)出現(xiàn)鐵耗竭和鈣沉積。Zivadinov等[22]將600名MS患者和250名年齡和性別匹配的健康對(duì)照者進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn) QSM可檢測(cè)到腦深部灰質(zhì)的鐵改變，這與MS的病情進(jìn)展和殘疾率增加有關(guān)。因此，可以利用QSM測(cè)量MS患者腦深部灰質(zhì)磁化率值監(jiān)測(cè)MS患者的病情進(jìn)展。總之，QSM不僅可以聯(lián)合高分辨率T2WI提高M(jìn)S病灶檢測(cè)的特異性，還可隨時(shí)間縱向觀察MS患者深部灰質(zhì)的磁化率，監(jiān)測(cè)病情進(jìn)展。

6 QSM在大腦出血中的應(yīng)用

腦出血隨著時(shí)間的延遲其成分會(huì)發(fā)生變化，氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、正鐵血紅蛋白、含鐵血黃素等不同的血液成分在T1WI和T2WI上表現(xiàn)的信號(hào)不同，但在QSM上任意階段的出血都是高信號(hào)[23]。而且，利用QSM對(duì)顱內(nèi)出血做縱向時(shí)間檢查，發(fā)現(xiàn)顱內(nèi)出血的不同階段磁化率并不同。腦出血磁化率在d 2～d 7和d 7～d 30之間顯著降低，QSM可能有助于定量跟蹤顱內(nèi)出血的鐵含量[24]。雖然CT對(duì)顱骨骨折和腦出血有很高價(jià)值，但是MRI對(duì)腦內(nèi)小出血性病變的診斷優(yōu)于CT，QSM還可以區(qū)分創(chuàng)傷性腦損傷和周圍組織及靜脈[25]。此外，常規(guī)核磁掃描序列難以區(qū)分顱內(nèi)出血和鈣化，而QSM顯示鈣化為低信號(hào)，出血為高信號(hào)。因此，QSM在鑒別顱內(nèi)鈣化和出血方面具有較高的特異性。Ciraci等[26]研究發(fā)現(xiàn)，QSM較SWI相位圖對(duì)兒童顱內(nèi)鈣化和出血的診斷更為可靠?？傊?，QSM不僅可以通過(guò)測(cè)量腦出血不同時(shí)期的磁化率值跟蹤顱內(nèi)出血的鐵含量，還可以用來(lái)鑒別腦出血和鈣化。

7 QSM在神經(jīng)腫瘤學(xué)中的應(yīng)用

侵襲性腫瘤往往有快速生長(zhǎng)的血管和多發(fā)性微出血灶，良性腫瘤由于細(xì)胞凋亡會(huì)導(dǎo)致鈣化，檢測(cè)腫瘤內(nèi)的這些特征可以為腫瘤的良惡性提供鑒別依據(jù)，也可以監(jiān)測(cè)其治療效果。Zhang等[27]利用QSM和SWI、腫瘤邊界、腫瘤大小、腫瘤部位等指標(biāo)對(duì)129例腦膜瘤進(jìn)行高、低級(jí)別分級(jí)，發(fā)現(xiàn)雖然單獨(dú)使用SWI和QSM均不能區(qū)分低級(jí)別腦膜瘤和高級(jí)別腦膜瘤，但結(jié)合其他指標(biāo)可以幫助預(yù)測(cè)高級(jí)別腦膜瘤。Bandt等[28]發(fā)現(xiàn)QSM不僅可以用于描述腫瘤成分，還可以指導(dǎo)腫瘤切除范圍，并且對(duì)于腫瘤良惡性有鑒別診斷作用?？傊?，QSM在腫瘤中的應(yīng)用不僅在于分析腫瘤成分、性質(zhì)，對(duì)其治療也有幫助。

8 總結(jié)與展望

QSM對(duì)于大腦細(xì)微結(jié)構(gòu)的顯示優(yōu)于常規(guī)核磁掃描序列以及常規(guī)SWI，可以清晰顯示大腦小靜脈以及測(cè)量其血氧飽和度，對(duì)一些神經(jīng)退行性疾病的診斷和病情進(jìn)展情況的監(jiān)測(cè)也有良好的應(yīng)用價(jià)值，在大腦出血、神經(jīng)腫瘤學(xué)中的作用也取得了不錯(cuò)的效果。隨著對(duì)QSM技術(shù)的改進(jìn)以及對(duì)更多中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病病理生理的了解，QSM在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用前景仍值得期待。