磁敏感加權(quán)成像對(duì)帕金森病患者丘腦底核的顯示價(jià)值初探

張 靜，張?jiān)仆?，?寧，陳 靜，何亞娜

丘腦底核(subthalamic nucleus, STN)腦深部刺激術(shù)是治療進(jìn)展性帕金森病(Parkinson's disease, PD)的一項(xiàng)新方法，目前公認(rèn)其療效確定，且安全、并發(fā)癥少。STN的精確定位是手術(shù)成功的關(guān)鍵。MRI檢查是目前術(shù)前定位的主要手段，常規(guī)T1WI像對(duì)STN分辨率較低，在T2WI像得到了明顯改善，利用磁共振技術(shù)進(jìn)一步提高STN與周圍組織間的信號(hào)對(duì)比、提高其可見性具有重要的臨床意義。磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging, SWI)是一種新的成像序列，對(duì)某些細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)的高分辨率是其主要優(yōu)勢(shì)，本文通過多種序列圖像的比較，初步探討SWI序列對(duì)PD患者STN的顯示價(jià)值。

1 資料和方法

1.1 研究對(duì)象

收集PD患者20例，男性13例，女性7例，年齡(48～69)歲，平均(64.32歲±4.18)，患病時(shí)間1.2～9年不等(平均患病時(shí)間3.6年)。7例以肢體震顫為主要表現(xiàn)，11例以肢體僵直、動(dòng)作遲緩為主，2例同時(shí)有震顫和肢體僵直表現(xiàn)。所有PD患者均由神經(jīng)內(nèi)科錐體外系疾病專家確診，診斷標(biāo)準(zhǔn)參照英國帕金森病協(xié)會(huì)腦庫臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)[1]，排除帕金森疊加綜合癥、繼發(fā)性帕金森病患者。所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 檢查方法

1.2.1 成像設(shè)備

采用GE公司生產(chǎn)的HDX 3.0 T超導(dǎo)磁共振機(jī)，配套頭部正交線圈。

1.2.2 掃描序列和參數(shù)

為了比較不同序列對(duì)丘腦底核的顯示，所有患者同時(shí)行橫軸位及冠狀位T1WI、T2WI和SWI掃描。以正中矢狀位圖像為定位參照像，掃描基線平行于前后聯(lián)合線，以中腦為中心行橫軸位掃描，再垂直于前后聯(lián)合線，行冠狀位掃描。

掃描參數(shù)：均采用2 mm層厚，無間隔掃描。3D SWI序列：TR/TE=35/20 ms，F(xiàn)A 200, 矩陣448×334，NEX 0.75，連續(xù)掃描20層，掃描時(shí)間1.54 min；T2WI采用快速自旋回波序列(fast spin echo，F(xiàn)SE)序列：TR/TE=3200/103，矩陣 512×256，NEX 2，連續(xù)掃描20層，時(shí)間2.47 min；T1WI采用3D腦容積掃描序列(brain volume, BRAVO)序列，TR/TE=8.4/3.3 ms，矩陣 288×256，NEX 0.5，時(shí)間2.11 min。

1.3 SWI 圖像后處理

SWI序列一次掃描可得到幅值圖和相位圖。幅值圖為T2*權(quán)重，可直接進(jìn)行分析觀察；相位圖是反映腦區(qū)間質(zhì)子自旋頻率差異的原始相位圖。由于主磁場(chǎng)不均勻或空氣-組織界面所致的低頻成分對(duì)相位的干擾效應(yīng)，在原始K空間數(shù)據(jù)上施加一個(gè)低通濾波，濾波器大小為32×32個(gè)像素，將磁場(chǎng)的不一致產(chǎn)生的影響從原始相位圖像中去除，得到校正相位圖。在ADW4.2工作站上應(yīng)用SWI校正相位圖處理軟件包和Functol軟件完成。

1.4 圖像分析

由兩位富有經(jīng)驗(yàn)的影像診斷醫(yī)師獨(dú)立觀察各序列圖像，評(píng)價(jià)STN在SWI、FSE-T2WI和T1WI三種不同序列上的顯示質(zhì)量。從STN與周圍組織間的信號(hào)對(duì)比及邊界的清晰度兩方面綜合評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量，分四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，0級(jí)：STN與周圍組織間對(duì)比差，邊界不清，無法分辨STN；1級(jí)：對(duì)比較差，邊界模糊，但依稀能分辨；2級(jí)：對(duì)比較好，邊界較清，容易分辨；3級(jí)：對(duì)比好，邊界清晰銳利，容易分辨。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS11.0軟件，三種序列間的比較采用秩和檢驗(yàn)(Kruskal-Wallis法的H檢驗(yàn))，三個(gè)序列間進(jìn)行兩兩比較，采用Bonferoni法調(diào)整檢驗(yàn)水準(zhǔn)，取P=0.05/3=0.017。

2 結(jié)果

STN在SWI、FSE-T2WI和T1WI三種不同序列上的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)見表1。在SWI圖像上(包括幅值圖和相位圖)，絕大多數(shù)患者(18/20)的STN均能清晰顯示，表現(xiàn)為雙凸透鏡形低信號(hào)。橫軸位(圖1A)位于紅核前方，黑質(zhì)嘴側(cè)的上方，內(nèi)囊膝部?jī)?nèi)側(cè)；冠狀位(圖1D、2A、2B)呈倒“八”字形，位于紅核外側(cè)，大腦腳內(nèi)側(cè)。T2WI像，20例中4例無法分辨，13例依稀能分辨，顯示為低信號(hào)，但對(duì)比較差(圖1B、圖1E)，僅3例顯示較為清楚、易于分辨。而在T1WI像(圖1C)絕大多數(shù)(18/20)STN無法分辨，只有2例依稀可見。(表1)經(jīng)秩和檢驗(yàn)，三組間存在顯著差異，兩兩比較P＜0.017，也具有顯著性差異。

表1 STN在SWI、FSE-T2WI和T1WI三種序列上的顯示質(zhì)量Table 1 The visibility of STN in T1WI, T2WI and SWI

3 討論

圖1 男性，75歲，帕金森病7年，以肢體震顫、僵直少動(dòng)為主要表現(xiàn)。圖1A：橫軸位SWI序列幅值圖，顯示雙側(cè)丘腦底核位于紅核前外側(cè)，內(nèi)囊膝部?jī)?nèi)側(cè)，丘腦前方。圖1B：橫軸位T2WI，雙側(cè)丘腦底核顯示不清，局部似可見低信號(hào)，但邊界不清。圖1C：橫軸位T1WI，丘腦底核無法分辨。圖1D：冠狀位SWI序列，雙側(cè)丘腦底核和黑質(zhì)均可清晰顯示，丘腦底核位于黑質(zhì)上方，呈雙凸透鏡形。圖1E：冠狀位T2WI，可見雙側(cè)黑質(zhì)，但丘腦底核顯示不清。圖2 女性，48歲，以右側(cè)肢體震顫為主要表現(xiàn)，病史8個(gè)月。圖2A：冠狀位SWI序列幅值圖，可見雙側(cè)黑質(zhì)呈明顯低信號(hào)，雙側(cè)丘腦底核位于黑質(zhì)上方信號(hào)較黑質(zhì)略高，二者能清晰分辨。圖2B：冠狀位SWI序列相位圖，可見雙側(cè)黑質(zhì)和丘腦底核均呈明顯低信號(hào)，更容易辨認(rèn)。Fig 1 A 75-year-old male PD patient experienced with tremor and slowness of movement, rigidity for 7 years.In the axial SWI magnitude image (1A), bilateral STNs (black arrow) can be visualized as hypointense, biconvex lens-shaped structure with clear margine.It's located immediately lateral to the anterior aspect of the red nucleus (white arrow), medial to the internal capsule, and anterior to the thalamus.Bilateral STNs appeared slightly hypointense compared with adjacent structures and cannot be clearly seen in the axial T2-weighted images (1B).But it cannot be visualized in the axial T1-weighted image (1C).Coronal SWI image(1D) showed bilateral STNs (black arrow) and substantia nigras (white arrow). All can be clearly seen as hypointense.STNs located superior to the substantia nigras.In the coronal T2-weighted image (1E), bilateral STNs cannot be seen clearly.Fig 2 A 48-year-old PD patient experienced with the right side of the limb tremor for eight months.In the Coronal SWI magnitude image (2A) and phase image (2B).Substantia nigras (white arrow) were shown as markedly hypointense.Compared to them, STNs (black arrow) showed slightly high signal intensity and were located superior to substantia nigras.All of them can be easily distinguished.

PD是最常見的錐體外系疾病，臨床以靜止性震顫、運(yùn)動(dòng)減少及僵直為主要表現(xiàn)，其發(fā)病率逐年上升，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。目前其治療仍以口服多巴胺類及膽堿類藥物為主，但隨疾病的進(jìn)展、病程的延長，藥物療效逐漸減退成為目前帕金森病治療的一個(gè)難點(diǎn)。神經(jīng)學(xué)專家們致力于尋找新的有效治療方法。PD的病理機(jī)制主要是由于黑質(zhì)致密帶多巴胺能神經(jīng)元的丟失，致投射到紋狀體的多巴胺減少，刺激間接通路，抑制直接通路，其結(jié)果是STN過度激活，由蒼白球內(nèi)側(cè)帶發(fā)放更多的沖動(dòng)到丘腦，丘腦對(duì)大腦皮層產(chǎn)生抑制，導(dǎo)致患者出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不能、僵直等運(yùn)動(dòng)癥狀。鑒于此，以雙側(cè)STN作為刺激靶點(diǎn)的腦深部刺激術(shù)近年來逐步開展起來，并成為治療進(jìn)展性帕金森病的一項(xiàng)有效方法。它采用立體定向技術(shù)，將電極植入雙側(cè)STN，給予慢性高頻電刺激，由于高頻電刺激抑制了STN的過度激活，降低STN 對(duì)蒼白球內(nèi)側(cè)帶的激活，使丘腦對(duì)大腦皮層的抑制減少，可以長期緩解患者的運(yùn)動(dòng)障礙[2]。

STN位于紅核外側(cè)、內(nèi)囊膝部的內(nèi)側(cè)，覆蓋于黑質(zhì)嘴側(cè)的上方，由內(nèi)前向外后呈斜形走行，呈雙凸透鏡形，體積約3 mm×5 mm×12 mm[3]。其位置深，體積小，周圍又有許多重要的解剖結(jié)構(gòu)，因此，盡管該手術(shù)被公認(rèn)安全、有效，但仍存在許多風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)STN精確的定位是手術(shù)成功的關(guān)鍵。

臨床上，包括電生理技術(shù)和影像手段等在內(nèi)的多種方法均見用于STN的術(shù)前定位，但對(duì)各種方法定位的準(zhǔn)確性和安全性尚有爭(zhēng)議。術(shù)中微電極記錄技術(shù)(MEG)是最常用的電生理技術(shù)，它是在術(shù)中置入多個(gè)電極，利用STN高頻高幅的放電特征，判斷STN的上界和下界。盡管尚未有增加出血等并發(fā)癥的報(bào)道，但推測(cè)患者術(shù)后出現(xiàn)的譫妄以及其他行為改變可能與增加的電極有關(guān)，而且手術(shù)時(shí)間的延長也增加了手術(shù)的危險(xiǎn)性。影像學(xué)手段主要包括CT、MRI和腦室造影等，其中MRI具有高的組織分辨率最常被采用，可通過圖像直接定位或坐標(biāo)值定位的方法計(jì)算靶點(diǎn)坐標(biāo)。立體定向術(shù)中通常以前后連合間連線作為大腦的基準(zhǔn)軸線，以該軸線的中點(diǎn)作為大腦原點(diǎn)，確定腦深部核團(tuán)的三維坐標(biāo)，該軸線的長度稱為連合間徑，這是立體定向神經(jīng)外科的重要基礎(chǔ)。目前的立體定向圖譜都是采用國外圖譜，如Schaltenbrand and Wahren anatomic 圖譜[4]，但連合間徑在中、西方人種之間以及患者與正常人之間均存在差異，這增加了定位的不準(zhǔn)確性，影響手術(shù)療效，增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[5]。此外，根據(jù)最近的一項(xiàng)尸檢報(bào)告，STN的大小、形狀和方向等特征隨著年齡發(fā)生變化[6]，MRI檢查也證實(shí)了上述結(jié)果[7]，因此根據(jù)立體定向圖譜很難精確定位。STN在MRI圖像上是可見的，但是各序列顯示的清晰度不同，常規(guī)T1WI對(duì)STN顯示欠清，組織間對(duì)比較差；與T1WI像相比，T2WI明顯提高了STN與周圍組織間的信號(hào)對(duì)比[4]，是目前最常使用的掃描序列，在T2WI，STN呈低信號(hào)，這是因?yàn)榘⊿TN在內(nèi)的腦深部核團(tuán)通常具有相對(duì)較高的鐵含量，引起局部磁場(chǎng)的不均勻性，使鄰近質(zhì)子失相位，導(dǎo)致橫向弛豫時(shí)間T2縮短。但，有作者指出，由于STN在圖像上的低分辨率[8]，MRI所示的STN與微電極記錄技術(shù)(microelectrode recording，MER)確定的位置在前后方向上仍有2 mm的誤差；另一項(xiàng)研究[9]指出大約有10%的病例未能在1.5 T的MRI圖像上顯示。

目前更多的學(xué)者認(rèn)為通過影像技術(shù)直觀的顯示STN是最準(zhǔn)確和安全的定位方法。探索新的影像技術(shù)從而更清楚的顯示STN的解剖部位，有助于術(shù)前的準(zhǔn)確定位，提高手術(shù)療效，具有重要的臨床實(shí)用價(jià)值和社會(huì)意義。

SWI是一種能敏感反映不同組織間磁化率差異的新成像技術(shù)[10]，初步研究已顯示其在靜脈畸形、微量出血、神經(jīng)退行性疾病以及腦腫瘤等許多方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。由于組織間磁化率的差異在局部形成磁場(chǎng)ΔB=δB0，產(chǎn)生兩種變化：①局部磁場(chǎng)的不均勻性引起鄰近質(zhì)子失相位，橫向弛豫時(shí)間T2*降低，導(dǎo)致信號(hào)減低，產(chǎn)生對(duì)比；②同時(shí)，局部磁化率差異導(dǎo)致質(zhì)子本身進(jìn)動(dòng)頻率的變化，不同組織之間形成相位差。SWI利用這兩種組織對(duì)比成像，同時(shí)得到幅值圖像(magnitude image)(圖2A)和相位圖像(phase image)(圖2B)，可分別加以分析，還可以通過后處理技術(shù)將相位信息疊加到幅值圖上，產(chǎn)生SWI圖像(圖1D)，借助相位信息進(jìn)一步增加組織間的對(duì)比，對(duì)小靜脈及基底節(jié)灰質(zhì)核團(tuán)等腦內(nèi)微細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)有良好的分辨力。組織磁化率取決于特定部位的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，主要與血液中鐵的不同形式、出血、儲(chǔ)存鐵的不同蛋白(鐵蛋白、含鐵血黃素)以及鈣化等有關(guān)。由于靜脈內(nèi)富含脫氧血紅蛋白與周圍組織間存在磁敏感性差異，籍此SWI可以顯示亞體素水平的小靜脈。同時(shí)，腦是一個(gè)富含鐵的組織，不同部位的鐵含量差異較大，基底節(jié)的細(xì)小核團(tuán)通常具有相對(duì)較高的鐵含量，蒼白球鐵含量甚至高于肝臟。SWI利用組織間由于鐵含量不同所致的磁化率差異成像[11]，對(duì)腦內(nèi)細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)具有良好的分辨力，尤其是基底節(jié)的深部核團(tuán)，能清晰分辨黑質(zhì)網(wǎng)狀帶和致密帶，并顯示紅核內(nèi)分隔小細(xì)胞帶和大細(xì)胞帶的髓板，甚至增加具有不同血容量的灰、白質(zhì)之間的對(duì)比。本組資料顯示：SWI序列的幅值圖像由于其T2*權(quán)重，對(duì)組織鐵沉積更敏感，較常規(guī)T2WI能更清晰的顯示丘腦底核，同時(shí)相位圖像更進(jìn)一步增加了組織間的對(duì)比，使核團(tuán)更容易識(shí)別(圖2)。SWI不僅具有高的分辨率，掃描時(shí)間也相對(duì)較短。這是因?yàn)槭褂肧E或FSE-T2WI序列時(shí)為了增加圖像質(zhì)量，常增加采集次數(shù)至2～3次，掃描時(shí)間明顯延長。此外，SWI是一種三維成像技術(shù)，可以行多方位的重建圖像，使核團(tuán)的顯示更直觀。

盡管由于臨床條件的限制，本組資料未經(jīng)立體定向手術(shù)證實(shí)，但通過圖像對(duì)比，SWI顯示出對(duì)細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)非常高的組織分辨率，加之其相對(duì)較短的掃描時(shí)間和三維成像技術(shù)，在立體定向手術(shù)中具有可觀的應(yīng)用前景，亟待我們進(jìn)一步的研究。

[1]Hughes AJ, Daniel SE, Kilford L, et al.Accuracy of clinical diagnosis of idiopathic Parkinson's disease: a clinicopathological study of 100 cases.J Neurol Neurosurg Psychiatry, 1992, 55(3): 181-184.

[2]Kleiner-Fisman G, Herzog J, Fisman DN, et al.Subthalamic nucleus deep brain stimulation: summary and metaanalysis of outcomes.Mov Disord, 2006, 21(Suppl 14): S290-304.

[3]Slavin KV, Thulborn KR, Wess C, et al.Direct visualization visualization of the human subthalamic nucleus with 3T MR imaging.AJNR Am J Neuroradiol, 2006, 27(1):80-84.

[4]Dormont D, Ricciardi KG, Tandé D, et al.Is the subthalamic nucleus hypointense on T2-Weighted Images?A correlation study using MR imaging and stereotactic atlas data.AJNR Am J Neuroradiol, 2004, 25(9): 1516-1523.

[5]Yao JQ, Dai HR.Applied Stereotaxic Anatomy of the Human Brain.Hefei: Anhui Science & Technology Publishing House, 1992.姚家慶,戴蘅茹.人腦立體定位應(yīng)用解剖.安徽: 科學(xué)技術(shù)出版社, 1992.

[6]den Dunnen WFA, Staal MJ.Anatomical alterations of the subthalamic nucleus in relation to age: a postmortem study.Mov Disord, 2005, 20(7): 893-898.

[7]Patel NK, Khan S, Gill SS.Comparison of atlas- and magnetic-resonance-imaging-based stereotactic targeting of the subthalamic nucleus in the surgical treatment of Parkinson's disease.Stereotact Funct Neurosurg, 2008,86(3): 153-161.

[8]Hamani C, Richter EO, Andrade-Souza Y, et al.Correspondence of microelectrode mapping with magnetic resonance imaging for subthalamic nucleus procedures.Surg Neurol, 2005, 63(3): 249-253.

[9]Starr PA, Christine CW, Theodosopoulos PV, et al.Implantation of deep brain stimulators into the subthalamic nucleus: technical approach and magnetic resonance imaging-verifi ed lead locations.J Neurosurg, 2002, 97(2):370-387.

[10]Wang LJ, Liu YB, Wang GB.Brief overview about the principles of suspectibility weighted imaging.Chin Magn Reson Imaging, 2010, 1(3): 227-230.王麗娟,劉玉波,王光彬.磁敏感加權(quán)成像原理概述.磁共振成像, 2010, 1(3): 227-230.

[11]Zhang J, Zhang YT.Iron acculumation in Parkinson's disease and MRI measurement.International Journal of Medical Radiology, 2009, 32(4): 343-346.張靜,張?jiān)仆?鐵在帕金森病發(fā)病機(jī)制中的作用及MRI測(cè)量.國際醫(yī)學(xué)放射學(xué)雜志, 2009, 20(7): 551-552.