7.0T 磁敏感加權(quán)成像對(duì)腦鐵含量測(cè)定的初步研究

羅曉捷，張媛媛，葉昌青，薛蓉，陳敏

磁敏感加權(quán)成像（susceptibility weighted imaging，SWI）又稱血氧依賴水平（blood oxygenation level dependent，BOLD）靜脈成像［1］，它利用組織間磁敏感性差異成像，通過(guò)結(jié)合相位圖和幅度圖，SWI對(duì)于顯示靜脈血管、出血后各期代謝產(chǎn)物、鈣化、鐵沉積等非常敏感，已廣泛應(yīng)用于各種出血性病變、異常靜脈血管性病變、腫瘤及變性類疾病的診斷及鐵含量的定量分析。SWI已作為商業(yè)化序列配備于各大品牌的MR掃描儀上，在1.0T、1.5T、3.0T 甚至更高的場(chǎng)強(qiáng)下均可施行。目前，人用7.0T 磁共振成像系統(tǒng)的臨床應(yīng)用尚未普及，但其在神經(jīng)影像中的應(yīng)用研究已倍受關(guān)注。本研究對(duì)比受試者分別于7.0T 和3.0T 下SWI成像的差異，并積累超高場(chǎng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)成像的經(jīng)驗(yàn)。

材料與方法

1.臨床資料

招募2011年7月-2012年6月于我院就診的50例非神經(jīng)系統(tǒng)疾病的老年志愿者，其中男36例，女14例，年齡52～68歲。經(jīng)常規(guī)MRI檢查排除腦內(nèi)畸形、占位及嚴(yán)重腦血管病變，且無(wú)帕金森病病史者納入本組研究。本組所有研究對(duì)象還需符合下列要求：①無(wú)腦部外傷及精神疾病史；②腦部常規(guī)MR 掃描無(wú)明顯異常，無(wú)明顯鈣化；③均簽署知情同意書。

2.儀器與方法

MRI掃描采用荷蘭飛利浦（Philips）公司Intera Achieva 3.0T MR 成像系統(tǒng)及德國(guó)西門子（Siemens）公司Magnetom 7.0T MR 成像系統(tǒng)，采用8通道頭線圈。

掃描序列及參數(shù)：將受試者頭部置于線圈內(nèi)，并用海綿墊固定，以限制頭部的不自主運(yùn)動(dòng)。掃描的中心層面統(tǒng)一定于前后聯(lián)合線。首先行常規(guī)T1WI及T2WI掃描，然后行SWI序列掃描，SWI掃描范圍覆蓋基底節(jié)和中腦。掃描參數(shù)：3.0T，TR 45 ms，TE 25ms，翻轉(zhuǎn)角20°，帶寬100Hz；7.0T，TR 30ms，TE 15ms，翻轉(zhuǎn)角15°，帶寬120Hz，3.0T 與7.0T 其余掃描參數(shù)一致。

3.圖像處理及數(shù)據(jù)測(cè)量

SWI數(shù)據(jù)通過(guò)32×32的高通過(guò)濾產(chǎn)生“高通濾過(guò)”的相位圖。調(diào)節(jié)圖像窗位至最佳對(duì)比度，并對(duì)所測(cè)核團(tuán)的大小進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)不同場(chǎng)強(qiáng)下的圖像質(zhì)量進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。利用SPIN 軟件（SWI process in neuroradiology，SPIN，美國(guó)韋恩州立大學(xué)）在高通濾過(guò)相位圖上分別選取雙側(cè)蒼白球（globus pallidus，GP）、殼核（putamen，PUT）、尾狀核頭（head of caudate nucleus，HCN）、黑質(zhì)（substantia nigra，SN）、紅核（red nucleus，RN）以及丘腦（thalamus，THA）最佳顯示層面，勾畫核團(tuán)邊界，測(cè)量并比較選取的興趣區(qū)大小和相位值。數(shù)據(jù)的處理分析由兩位有經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)師進(jìn)行。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用配對(duì)t檢驗(yàn)比較3.0T 及7.0T 高通相位圖所測(cè)核團(tuán)興趣區(qū)面積及相位值轉(zhuǎn)換的鐵含量；采用配對(duì)卡方檢驗(yàn)比較兩位觀察者對(duì)3.0T 及7.0TSWI幅度圖圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果，計(jì)算Kappa值，評(píng)價(jià)兩位觀察者對(duì)影像質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性程度。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.3.0T 與7.0T 圖像的主觀評(píng)價(jià)

圖像主觀評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：①觀察的內(nèi)容包括是否能區(qū)分殼核與蒼白球、是否能區(qū)分黑質(zhì)網(wǎng)狀帶與致密帶、是否能分辨紅核包膜。②圖像評(píng)級(jí)，上述三者皆能區(qū)分者為Ⅰ級(jí)，能區(qū)分兩個(gè)者為Ⅱ級(jí)，能區(qū)分一個(gè)者為Ⅲ級(jí)，三個(gè)都不能清楚區(qū)分者為Ⅳ級(jí)。

7.0T 與3.0T 相 比，幅度圖上7.0T 影像能提供更多細(xì)節(jié)（圖1），并可區(qū)分核團(tuán)亞分區(qū)（P＜0.0001，表1）。兩位觀察者之間的評(píng)價(jià)結(jié)果差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＝0.072），且一致性較好（kappa＝0.865）。

表1 50例受試者兩種SWI幅度圖分級(jí)比較 （例）

2.3.0T 與7.0T 下各核團(tuán)邊界大小的比較

由于3.0T 和7.0T 呈現(xiàn)核團(tuán)范圍的清晰度不同，為確認(rèn)是否影響鐵含量測(cè)量，筆者先比較了所測(cè)核團(tuán)分別在不同場(chǎng)強(qiáng)下的同層最大面積（所有掃描的定位中心、層厚及層間距一致，可以進(jìn)行比較，雙側(cè)取平均值，圖2）。結(jié)果顯示，7.0T 下可辨識(shí)的ROI范圍較3.0T 下的略大，不同場(chǎng)強(qiáng)的各核團(tuán)ROI范圍差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表2）。

表2 50例受試者兩種SWI幅度圖核團(tuán)興趣區(qū)面積比較 （mm2）

3.3.0T 與7.0T 下受試者各核團(tuán)鐵含量比較

圖1 3.0T 與7.0T 幅度圖的比較，信噪比及對(duì)比噪聲比方面，7.0T 圖像明顯優(yōu)于3.0T。a）基底節(jié)層面3.0T 圖像，蒼白球和殼核的分界（紅色箭頭）可見，但不完全；b）基底節(jié)層面7.0T 圖像，蒼白球和殼核的分界較為清晰（紅色箭頭）；c）紅核黑質(zhì)層面3.0T 圖像，紅色五星區(qū)可見信號(hào)較低的黑質(zhì)致密帶，紅色三角區(qū)為網(wǎng)狀帶，紅核與黑質(zhì)間的中間區(qū)域顯示欠清晰；d）紅核黑質(zhì)層面7.0T 圖像，紅色五星區(qū)可見信號(hào)較低的紅核血管區(qū)，紅色三角區(qū)為無(wú)血管區(qū)；紅核黑質(zhì)間的中間區(qū)域顯示較3.0T 圖像為佳，紅色箭頭指示為紅核的包膜。

圖2 3.0T 與7.0T 下SWI幅度圖上各核團(tuán)ROI的選取。a～f）分別為3.0T 下尾狀核頭、蒼白球、殼核、紅核、黑質(zhì)及丘腦的ROI；g～l）則為對(duì)應(yīng)核團(tuán)7.0T 下ROI的選取。

分別在3.0T 和7.0T 相位圖上選取ROI（圖2），比較各核團(tuán)鐵含量，除蒼白球外，其余核團(tuán)3.0T 和7.0T比較，鐵含量測(cè)量值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表3）。

表3 50例受試者兩種SWI相位圖核團(tuán)ROI鐵含量比較

討 論

1.腦鐵的分布、代謝

腦內(nèi)微量的鐵是維持正常神經(jīng)功能不可缺少的重要元素，但過(guò)量則有害。腦鐵主要以血色素鐵和非血色素鐵兩種方式存在，主要為鐵蛋白和含鐵血黃素。鐵在腦內(nèi)分布不均，以錐體外系最多，其次是灰質(zhì)，白質(zhì)最少。Harder等［2］觀察到蒼白球內(nèi)的鐵呈“波浪”狀分布。鐵質(zhì)在眾多神經(jīng)病變的進(jìn)展過(guò)程中起重要作用［3］。鐵誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激是神經(jīng)元死亡的常見途徑，早期發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)鐵的異常積聚可為臨床的及時(shí)治療提供信息。測(cè)定腦內(nèi)非血色素鐵的含量不僅可更好地理解疾病進(jìn)程，而且可判斷預(yù)后［4-5］，這是當(dāng)今神經(jīng)退行性病變的研究熱點(diǎn)，而且在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)仍將是重點(diǎn)研究方向。

2.腦鐵MR 測(cè)量

如何在活體內(nèi)更準(zhǔn)確測(cè)量核團(tuán)鐵含量，這一直是研究者關(guān)注的問(wèn)題。以往的研究認(rèn)為，腦深部灰質(zhì)核團(tuán)T2WI信號(hào)減低提示非血色素鐵含量相對(duì)高，可以用測(cè)定橫向弛豫率R2（1／T2）值或R2＊（1／T2＊）值來(lái)評(píng)價(jià)腦鐵含量，R2值或R2＊值均與腦鐵濃度呈線性關(guān)系［6］。但橫向弛豫率受諸多因素影響，如局部水含量，因此僅能對(duì)鐵含量進(jìn)行半定量分析。SWI的濾過(guò)相位圖不但能敏感地顯示鐵沉積，更能提供定量信息。Hopp等［7］在1.5T 上應(yīng)用SWI定量分析鐵含量，并與X 線熒光染色的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的相關(guān)性。Haacke 等［8］研究發(fā)現(xiàn)，與R2 或R2＊值相比，SWI相位值的變化對(duì)腦鐵含量測(cè)定的敏感性和信噪比（signal noise ratio，SNR）均增加，并得出公式Δφ＝-γgΔχB0TE，（Δφ 為相位值的變化，γ為磁旋比，g為幾何因子，Δχ 為被測(cè)組織間的磁敏感差異，B0為主磁場(chǎng)強(qiáng)度，TE 為回波時(shí)間）。本研究在7.0T 及3.0T MR 上利用SWI對(duì)腦鐵進(jìn)行定量分析，所有病例均排除了腦實(shí)質(zhì)鈣化，特別是興趣區(qū)存在鈣化的病例。因?yàn)殁}化本身會(huì)影響鐵含量相位值的測(cè)定。本研究結(jié)果顯示黑質(zhì)含鐵量較高，而丘腦在3.0T及7.0T 下所得結(jié)果相差較大，7.0T 所測(cè)丘腦含鐵量較高，該結(jié)果與既往研究［2，6］結(jié)論差異較大。7.0T 下丘腦所測(cè)值明顯高于3.0T，而其他核團(tuán)的測(cè)量值相差不大，因相位值與鐵含量轉(zhuǎn)化過(guò)程中已考慮不同場(chǎng)強(qiáng)的磁化率因素，故此項(xiàng)非其主要因素；其次，丘腦的范圍較其他核團(tuán)大，在幅度圖上顯示邊界不如其他核團(tuán)清晰。若ROI選取范圍偏小，則所測(cè)丘腦的鐵含量應(yīng)較低；若ROI選取范圍偏大，其結(jié)果應(yīng)更低，因?yàn)橹車陌踪|(zhì)區(qū)會(huì)使測(cè)量值減小，而本研究所得結(jié)果丘腦鐵含量在7.0T 下增高，有待進(jìn)一步探討。

3.7.0T 的優(yōu)勢(shì)與不足

在高場(chǎng)中T2馳豫時(shí)間的縮短比低場(chǎng)更顯著，因此局部的相位變化加大，SWI對(duì)鐵的檢出越靈敏［9］，而這種效應(yīng)僅與鐵蛋白有關(guān)。利用這一優(yōu)勢(shì)，7.0T SWI便成為目前檢測(cè)礦物質(zhì)沉積的較為敏感的方法。Hommond 等［10］利 用7.0T研究發(fā)現(xiàn)多發(fā)性硬化（multiple sclerosis，MS）斑塊內(nèi)存在少量新鮮出血和含鐵血黃素。7.0TSWI較3.0T 有更高的空間分辨力，達(dá)到微米級(jí)（μm）［11］，不僅可以定量測(cè)量灰質(zhì)核團(tuán)內(nèi)的鐵，還可以定量測(cè)量皮層內(nèi)少量的鐵［10］。通過(guò)SWI技術(shù)對(duì)帕金森病等慢性神經(jīng)系統(tǒng)病變患者的蒼白球、紅核、黑質(zhì)、殼核等進(jìn)行鐵含量定量分析，有助于顯示病變的發(fā)生和發(fā)展，指導(dǎo)臨床治療；腦鐵含量在一定程度上還反映了腦組織的能量代謝，可以用于分析大腦老化的過(guò)程。磁敏感性增加是7.0T 的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但外磁場(chǎng)越大，磁化率偽影越明顯，SWI所形成的對(duì)比也是場(chǎng)強(qiáng)依賴性的，磁敏感效應(yīng)的增強(qiáng)必然伴隨信號(hào)強(qiáng)度的丟失，特別是靠近顱底乳突氣房處，常常導(dǎo)致該部位結(jié)構(gòu)變形，成為影響圖像質(zhì)量的主要問(wèn)題。

目前，7.0T 成像經(jīng)驗(yàn)幾乎只局限于頭部和肢體。7.0T顯著的優(yōu)勢(shì)有：SNR 增加、T1弛豫時(shí)間的有利延長(zhǎng)、磁敏感性增加以及很高的組織分辨力。7.0T MRI還可作為腦功能的研發(fā)工具，將功能信息與形態(tài)學(xué)信息整合進(jìn)入分子影像學(xué)的新領(lǐng)域。而SWI作為一種無(wú)創(chuàng)性的檢測(cè)手段，可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)腦內(nèi)鐵含量的變化，為臨床診療提供依據(jù)。

［1］ Boeckh-Behrens T，Lutz J，Lummel N，et al.Susceptibility-weighted angiography（SWAN）of cerebral veins and arteries compared to TOF-MRA［J］.Eur J Radiol，2012，81（6）：1238-1245.

［2］ Harder SL，Hopp KM，Ward H，et al.Mineralization of the deep gray matter with age：a retrospective review with susceptibilityweighted MR imaging［J］.AJNR，2008，29（1）：176-183.

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

［4］ Ogg RJ，Langston JW，Haacke EM，et al.The correlateon between phase shifts in gradient-echo MR images and regional brain iron concentration［J］.J Magn Reson Imaging，1999，17（8）：1141-1148.

［5］ Haacke EM，Cheng NY，House MJ，et al.Imaging iron stores in the brain using magnetic resonance imaging［J］.J Magn Reson Imaging，2005，23（1）：1-25.

［6］ Schenck JF.Magnetic resonance imaging of brain iron［J］.J Neurol Sci，2003，207（1）：99-102.

［7］ Hopp K，Popescu BF，McCrear P，et al.Brain iron detected by SWI high pass filtered phase calibrated with synchrotron X-ray fluorescence［J］.J Magn Reson Imaging，2010，31（6）：1346-1354.

［8］ Haacke EM，Ayaz M，Khan A.Establishing a baseline phase behavior in magnetic imaging to determine normal vs abnormall iron content in the brain［J］.J Magn Reson Imaging，2007，26（2）：256-264.

［9］ Pinker K，Stavrou I，Szomolanyi P，et al.Improved preoperative evaluateon of cerebral cavernomas by high-field，high-resolution susceptibility-weighted magnetic resonance imaging at 3Tesla：compareison with standard（1.5T）magnetic resonance imaging and correlateon with histopathologyical findings prelim results［J］.Invest Radiology，2007，42（6）：346-351.

［10］ Hammond KE，Lupo JM，Xu D，et al.Develpment of a robust method for generating 7.0T multichannel phase images of thd brain with application to normal volunteers and patients with neurological diseases［J］.Neuroimage，2008，39（4）：1682-1692.

［11］ Marques JP，Zwaag WV，Granziera C，et al.Cerebellar cortical layers：in vivo visualization with structural high-field-strength MR imaging［J］.Radiology，2010，254（3）：942-948.