基于體素的多系統(tǒng)萎縮梯度回波橫向弛豫率R2*分析

侯 波，有 慧，王 含，趙彥萍，姜 波，孫宏毅，崔麗英，馮 逢

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院 1放射科 2神經(jīng)科，北京 1007303中國中醫(yī)科學(xué)院 廣安門醫(yī)院放射科，北京 100053

·論著·

基于體素的多系統(tǒng)萎縮梯度回波橫向弛豫率R2*分析

侯 波1，有 慧1，王 含2，趙彥萍3，姜 波1，孫宏毅1，崔麗英2，馮 逢1

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院1放射科2神經(jīng)科，北京 100730
3中國中醫(yī)科學(xué)院 廣安門醫(yī)院放射科，北京 100053

目的對震顫麻痹型多系統(tǒng)萎縮(MSA-P)患者與正常人的梯度回波橫向弛豫率R2*進(jìn)行基于體素的分析，探索其全腦R2*情況的差異。方法入組27例MSA-P患者及24例健康志愿者，分別行全腦結(jié)構(gòu)成像及多回波梯度回波成像，然后對其R2*圖進(jìn)行基于體素的分析。結(jié)果與對照組相比，MSA-P組R2*值減低累及雙側(cè)腦干、小腦半球、島葉、顳葉、尾狀核及胼胝體，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(Plt;0.005)。結(jié)論R2*可以反映MSA-P患者腦內(nèi)變化，梯度回波序列在提高靈敏度的同時，也帶來了較強的偽影，干擾了其檢出效能。

多系統(tǒng)萎縮；磁共振成像；弛豫率測量

ActaAcadMedSin,2012,34(5):450-454

橫向弛豫是磁共振成像的物理基礎(chǔ)之一。多種生理或病理過程可造成局部水分或鐵成分增加或減少，從而影響局部的組織橫向弛豫率。因此，橫向弛豫率可敏感地反映局部組織微結(jié)構(gòu)的變化，有望先于宏觀改變表現(xiàn)出異常[1]。多系統(tǒng)萎縮(multiple system atrophy, MSA)是一種較常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其常表現(xiàn)為運動緩慢、姿勢不穩(wěn)、強直等帕金森綜合征，該病變累及腦內(nèi)多個區(qū)域，具有多種神經(jīng)病理學(xué)征象[2]。本研究計算MSA患者與正常人的梯度回波橫向弛豫率R2*，并使用基于體素的方法進(jìn)行比較，展示兩者全腦R2*值的差異，從而進(jìn)一步了解MSA的病變機制。

對象和方法

對象選取2009年3月至2011年11月就診于我院神經(jīng)內(nèi)科的震顫麻痹型多系統(tǒng)萎縮(parkinsonian variant of multiple system atrophy, MSA-P)患者27例，并由社區(qū)招募健康志愿者24例。MSA-P患者中男性13例、女性14例；年齡43～62歲，平均年齡(53.3±5.5)歲；病程5～61個月。健康志愿者中男性7例、女性17例；年齡46～62歲，平均年齡(53.4±4.7)歲。所有受試者均由同一名運動障礙病專家進(jìn)行神經(jīng)科查體并依據(jù)通用的診斷標(biāo)準(zhǔn)確定入組，其中MSA-P為依據(jù)新版Gilman共識[2]診斷為很可能。病例組及對照組所有個體均為右利手，均否認(rèn)神經(jīng)及精神系統(tǒng)病史以及高血壓、高血脂、糖尿病等心、腦血管病危險因素。受試者于檢查前被詳細(xì)告知研究目的及方法，并簽署知情同意書。

影像采集使用GE Signa VH/i ExciteⅡ3.0T磁共振成像系統(tǒng)和頭部8通道相控陣線圈，全部掃描由同一名熟練的操作者完成。在常規(guī)頭部成像序列之后，采集全腦軸位T1加權(quán)三維結(jié)構(gòu)像，所用序列為三維快速擾相梯度回波序列，成像參數(shù)為回波時間3.3 ms，重復(fù)時間6.9 ms，反轉(zhuǎn)時間400 ms，翻轉(zhuǎn)角15°，激勵次數(shù)1.00，視野24 cm×18 cm，成像矩陣256×256，層厚0.8 mm，共216層。使用多回波梯度回波序列采集全腦軸位多回波T2*加權(quán)像，成像參數(shù)為回波時間3.5～59.6 ms，回波間隔3.8 ms，共16回波，重復(fù)時間170 ms，翻轉(zhuǎn)角20°，激勵次數(shù)1.00，視野24 cm×19 cm，成像矩陣160×160，層厚2 mm，層間距0.5 mm，共55層，掃描時長11 min。 所有圖像均通過逐一察看確保無顯著運動偽影。

圖像后處理及分析

R2*的計算：所有受試者T2*加權(quán)像原始圖像傳至GE AW4.2工作站，使用Functool下的R2*功能塊進(jìn)行處理，生成對應(yīng)每名受試者的R2*圖。

R2*圖的空間預(yù)處理：在Matlab7.8.0(R2009a)下使用最新版SPM8進(jìn)行空間預(yù)處理，步驟如下：(1)將所有受試者的結(jié)構(gòu)像使用DICOM Import轉(zhuǎn)換為SPM8可處理的格式；(2)通過剛體變換將每位受試者第二回波(回波時間7.3 ms)的全腦T2*加權(quán)像與各自的結(jié)構(gòu)像進(jìn)行配準(zhǔn)，并將變換參數(shù)應(yīng)用于對應(yīng)的R2*圖；(3)對所有受試者的結(jié)構(gòu)像進(jìn)行統(tǒng)一分割和標(biāo)準(zhǔn)化，并進(jìn)行調(diào)制，以盡量減輕標(biāo)準(zhǔn)化時的空間變形造成的失真[3]，同時取得其空間變形參數(shù)；(4)將上一步獲取的空間變形參數(shù)應(yīng)用至步驟(2)配準(zhǔn)后對應(yīng)受試者的R2*圖，從而完成后者的空間標(biāo)準(zhǔn)化，使之變換至標(biāo)準(zhǔn)的蒙特利爾神經(jīng)病學(xué)研究所(Montreal Neurologieal Institute, MNI)空間；(5)使用全寬半高為8 mm的高斯核對所有標(biāo)化后的R2*圖進(jìn)行平滑；(6)將所有個體平滑后的R2*圖取平均即得到R2*模板；(7)以生成的模板對所有的原始R2*圖再次進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和平滑。

統(tǒng)計學(xué)處理受試者一般資料的分析使用IBM SPSS 19.0軟件。MSA-P及正常人的年齡及性別數(shù)據(jù)分別進(jìn)行兩獨立樣本t檢驗和卡方檢驗，Plt;0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。使用統(tǒng)計參數(shù)圖軟件的一般線性模型將MSA-P的R2*圖與對照組進(jìn)行兩獨立樣本t檢驗，Plt;0.005為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，簇閾值設(shè)為10個相鄰體素。統(tǒng)計學(xué)分析同時采用閾值蒙片和影像蒙片，閾值蒙片將閾值設(shè)為影像信號強度大于30，影像蒙片使用SPM8自帶的全腦蒙片。

結(jié)果的輸出及解剖定位導(dǎo)出依據(jù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)生成的有統(tǒng)計學(xué)意義的各簇的P值及極值點的MNI坐標(biāo)，使用xjview(http://www.alivelearn.net/xjview/)將統(tǒng)計參數(shù)圖生成的統(tǒng)計結(jié)果疊加至標(biāo)準(zhǔn)解剖成像模板，設(shè)定適當(dāng)?shù)拈撝岛蚉值得到t值分布圖并以簇為單位，得到各簇的解剖定位。

結(jié) 果

受試者一般資料MSA-P組中2例患者分別因腦實質(zhì)內(nèi)海綿狀血管瘤及小腦發(fā)育性靜脈畸形被排除出組，另有2例因運動偽影及空間變形錯誤被排除出組，剩余受試者未見任何顯著的顱內(nèi)微出血或鈣化等異常。余MSA-P與對照組在年齡(t=-0.072，P=0.943)及性別(χ2=0.782，P=0.377)分布上差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

R2*的組間比較MSA-P與對照組相比，出現(xiàn)顯著的R2*減低區(qū)域，主要分布在雙側(cè)下橄欖核、小腦半球灰白質(zhì)、腦橋、中腦、胼胝體、尾狀核、島葉、顳葉及額葉，受累區(qū)域較為對稱(圖1、表1)。反向比較未見顯著的R2*升高區(qū)域。

圖1 震顫麻痹型多系統(tǒng)萎縮組較對照組橫向弛豫率減低的簇分布圖，Plt;0.005(非校正)，簇閾值設(shè)為10個相鄰體素Fig 1 Clusters of significant decrease of R2* in patients with the Parkinsonian variant of multiple system atrophy compared with controls, Plt;0.005(uncorrected); the cluster threshold was set as 10 voxels

表 1 震顫麻痹型多系統(tǒng)萎縮組較對照組R2*減低的簇及極值點坐標(biāo)Table 1 Clusters and peak values of significant decrease of R2* in patients with theParkinsonian variant of multiple system atrophy compared to controls

討 論

本研究以R2*作為定量參數(shù)，結(jié)合基于體素的分析方法，將年齡及性別分布無統(tǒng)計學(xué)意義的MSA-P組與對照組進(jìn)行組間差異的比較，結(jié)果顯示MSA-P組較對照組具有分布廣泛的R2*減低區(qū)域，涉及幕下的下橄欖核、小腦、腦橋和中腦，以及幕上區(qū)域如尾狀核、島葉、額葉、顳葉及胼胝體。這與以往使用R2作為定量指標(biāo)的類似研究所取得的結(jié)果具有一定的一致性[4-6]。其中Specht等[4]最早以4回波的自旋回波序列對共濟(jì)失調(diào)型多系統(tǒng)萎縮(cerebellar variant of multiple system atrophy, MSA-C)患者進(jìn)行橫向弛豫率R2的計算，并使用基于體素的方法進(jìn)行全腦分析，結(jié)果表明MSA-C患者雙側(cè)小腦半球彌漫地R2減低并延伸至雙側(cè)小腦中腳及腦橋，其與形態(tài)測量學(xué)分析顯示的幕下改變較吻合；反向?qū)Ρ蕊@示，雙側(cè)殼核區(qū)域R2值升高。Minnerop等[5]使用相同的方法比較了MSA-P與MSA-C橫向弛豫率及灰、白質(zhì)密度的差異，并與病程進(jìn)行了回歸分析，表明MSA-P患者幕下結(jié)構(gòu)的R2值減低。Tzarouchi等[6]報道MSA-P患者與對照組相比，額葉及頂葉部分皮層區(qū)域的T2值升高。

本研究顯示MSA-P患者R2*減低的區(qū)域與之前進(jìn)行的彌散張量成像研究結(jié)果具有較好的相符[7]，主要在幕下區(qū)域如小腦半球、腦干等，以及幕上的島葉、額葉等，這從另一方面證實了MSA-P在這些區(qū)域具有顯著的異常。組織學(xué)研究報道了這些區(qū)域的病理改變，如下橄欖核、黑質(zhì)等處的神經(jīng)元喪失及反應(yīng)性膠質(zhì)增生，腦橋、中腦、小腦等可見大量包涵體存在，小腦顆粒細(xì)胞層變薄和蒲肯野細(xì)胞的散在喪失，且小腦白質(zhì)受損較灰質(zhì)更加明顯[8-15]。另外，Brenneis等[16]進(jìn)行的形態(tài)測量學(xué)研究顯示，MSA-P患者存在胼胝體干的白質(zhì)減少；Minnerop等[17]則通過縱向的形態(tài)測量學(xué)研究證實了MSA患者胼胝體干及壓部的進(jìn)行性萎縮。而對于MSA患者突出病變區(qū)域的腦橋，基于體素的弛豫率分析并未顯示其基底部彌漫性的R2*減低，通過回顧原始圖像可以得出，腦橋處于雙側(cè)巖骨及斜坡之間，此處產(chǎn)生了較強的磁敏感偽影干擾腦組織的信號，從而使計算出的弛豫率受到影響。同樣的情況在前顱底及前額均可見，不除外局部弛豫率受到磁敏感偽影的影響而無法顯示局部R2*的變化情況。

R2*減低對應(yīng)局部橫向弛豫時間延長，表明這些區(qū)域可能由于神經(jīng)退行性改變?nèi)缟窠?jīng)元喪失、膠質(zhì)增生或脫髓鞘等造成局部水分增加。當(dāng)局部組織含有順磁性物質(zhì)如含鐵血黃素等時，局部質(zhì)子弛豫速度加快，R2*升高。對于MSA-P而言，常規(guī)磁共振成像的T2加權(quán)像及T2*加權(quán)像均顯示殼核背外側(cè)邊緣信號減低，磁敏感加權(quán)成像的相關(guān)研究也顯示局部相位位移值的變化，這些都提示殼核背外側(cè)的鐵沉積[18-20]；與磁共振成像對照的組織學(xué)研究表明殼核神經(jīng)元喪失及局部鐵蛋白沉積的增加[8-9]；有研究也證實了雙側(cè)殼核區(qū)域R2值升高[4]。本研究MSA-P患者在上述區(qū)域的R2*值較對照組無統(tǒng)計學(xué)意義，可能與本組患者的病程較短有關(guān)。常規(guī)磁共振成像上MSA-P基底節(jié)區(qū)顯著的改變?yōu)闅ず宋s，裂隙征(即殼核背外側(cè)裂隙樣T2信號升高)，以及殼核外側(cè)邊緣T2信號減低[21]。結(jié)合病理學(xué)表現(xiàn)，其可能的機制為：殼核神經(jīng)元喪失導(dǎo)致殼核體積減小，進(jìn)而與外囊間距增加，局部水分及反應(yīng)性膠質(zhì)增生隨之增加，造成裂隙征的表現(xiàn)；殼核發(fā)生繼發(fā)的鐵蛋白等含鐵物質(zhì)沉積，造成局部T2信號減低。局部水分的增加使局部橫向弛豫率減低，而局部含鐵物質(zhì)的增加卻可提高局部橫向弛豫率。另外，對于梯度回波序列而言，由于只進(jìn)行小角度脈沖的激發(fā)，缺少相位重聚脈沖，其容易受到局部磁場不均勻性的干擾，也能夠最真實地反映局部的橫向弛豫情況，而缺點是會產(chǎn)生明顯的磁敏感偽影且偽影面積隨回波時間的延長而擴大，影響周圍組織的橫向弛豫，使整個局部的R2*值顯著升高。

綜上，本研究顯示R2*作為定量指標(biāo)，能夠在全腦多個區(qū)域反映MSA-P與對照組的差異，這些區(qū)域與既往的自旋回波橫向弛豫率及彌散張量成像研究具有良好的一致性，且與MSA病理學(xué)研究具有較好的相符，這對認(rèn)識MSA-P的病變機制及早期診斷均具有重要意義。梯度回波序列能夠縮短橫向弛豫率測量所需的時間，且能敏感地反映局部微結(jié)構(gòu)改變造成的磁場不均勻性，但實際結(jié)果表明，其在帶來時間效益和靈敏度的同時，容易產(chǎn)生明顯的偽影對某些區(qū)域產(chǎn)生影響，從而減弱其檢出效能。

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Voxel-basedRelaxometryofTransverseRelaxationRatewithGradientEchoR2*inPatientswithMultipleSystemAtrophy

HOU Bo1, YOU Hui1, WANG Han2, ZHAO Yan-ping3, JIANG Bo1,SUN Hong-yi1, CUI Li-ying2, FENG Feng1

1Department of Radiology,2Department of Neurology, PUMC Hospital, CAMS and PUMC, Beijing 100730, China
3Department of Radiology, Guang’anmen Hospital, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100053, China

FENG Feng Tel: 010-69155480，E-mail：cjr.fengfeng@vip.163.com

ObjectiveTo explore the transverse relaxation rate with gradient echo R2*changes in patients with Parkinsonian variant of multiple system atrophy (MSA-P) with a voxel-based analysis of R2*map.MethodsWhole brain structural images and multi-echo T2*weighted image were acquired in 27 patients with probable MSA-P and 24 healthy individuals. R2*maps of the MSA-P were compared with the controls by voxel-based methods.ResultCompared with the controls, MSA-P patients showed significant R2*decrease bilaterally in brain stem, cerebellar hemispheres, insular lobe, temporal lobes, caudate nucleus, and corpus callosum (Plt;0.005).ConclusionsR2*can reveal the significant brain involvements of MSA-P. The introduction of gradient echo may increase the sensitivity, although the susceptible artifact may interfere the detection efficiency of R2*.

multiple system atrophy; magnetic resonance imaging; relaxometry

馮 逢 電話：010-69155480，電子郵件：cjr.fengfeng@vip.163.com

R445.2

A

1000-503X(2012)05-0450-05

10.3881/j.issn.1000-503X.2012.05.003

國家自然科學(xué)基金(30670608)Supported by the National Natural Sciences Foundation of China(30670608)

2012-07-16)