定量磁敏圖基本原理及其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)展

譚慧， 陳軍

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·綜述·

定量磁敏圖基本原理及其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)展

譚慧， 陳軍

定量磁敏感圖(quantitative susceptibility mapping，QSM)是利用梯度回波相位圖檢測(cè)體內(nèi)分布的磁敏感物質(zhì)、并計(jì)算其磁化率值的一種成像技術(shù)，在腦內(nèi)鐵含量、血液中脫氧血紅蛋白量的測(cè)量中具有較高的臨床應(yīng)用價(jià)值，本文將介紹QSM的基本原理及其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)展。

腦疾??； 定量磁敏感圖； 功能性磁共振成像； 鐵沉積； 血氧飽和度

磁共振成像對(duì)傳統(tǒng)的解剖成像主要依靠灌注加權(quán)成像(PDWI)、T1WI、T2WI和T2*WI，在T2*WI基礎(chǔ)上，利用相位圖進(jìn)一步增強(qiáng)組織間對(duì)比度即形成磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging，SWI)，這項(xiàng)技術(shù)最早于1997年提出，其主要基于組織間磁化率的差異，在回波時(shí)間(TE)充足的條件下，磁敏感區(qū)域的信號(hào)將與周圍組織的信號(hào)相反[1]。SWI自誕生以來(lái)得到了快速發(fā)展，但其不能對(duì)組織內(nèi)的磁化率信息進(jìn)行定量分析。基于SWI，在21世紀(jì)初，有學(xué)者提出對(duì)磁敏感物質(zhì)的磁化率做定量分析，即定量磁敏感圖(quantitative susceptibility mapping，QSM)。QSM在檢測(cè)血液中脫氧血紅蛋白含量、組織內(nèi)鐵沉積量以及對(duì)腦內(nèi)變性疾病的診斷和監(jiān)控等領(lǐng)域有較大的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。本文將對(duì)QSM成像的基本原理進(jìn)行概述，并主要介紹這項(xiàng)技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用并對(duì)其未來(lái)進(jìn)行展望。

QSM成像基本原理

與SWI類似，QSM同樣是利用組織間磁敏感差異形成圖像對(duì)比。磁敏感性反映了磁敏感物質(zhì)在外加磁場(chǎng)作用下的磁化程度，可用磁化率(χ)表示。

常見的磁敏感物質(zhì)可分為順磁性、反磁性及鐵磁性物質(zhì)。順磁性物質(zhì)具有未成對(duì)的電子，在外磁場(chǎng)存在時(shí)，由于它們自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相同，因此磁化率為正值(χ>0)，如脫氧血紅蛋白、含鐵血黃素等。反之，反磁性物質(zhì)不具有成對(duì)電子，其自身磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)反向，磁化率為負(fù)值(χ<0)，如氧合血紅蛋白、鐵蛋白和鈣化等。鐵磁性物質(zhì)可被磁場(chǎng)明顯吸引，除去外磁場(chǎng)后仍可被永久磁化[2]。

磁敏感物質(zhì)會(huì)使局部磁場(chǎng)發(fā)生改變引起質(zhì)子失相位，如果給予一個(gè)足夠長(zhǎng)的TE，自旋頻率不同的質(zhì)子間將形成明顯的相位差別。這樣，磁化率不同的組織就可在相位圖上區(qū)別出來(lái)[3]。

以T2*WI為基礎(chǔ)采集到的相位信息，需要進(jìn)行一些預(yù)處理來(lái)獲得反映局部磁場(chǎng)變化的場(chǎng)圖。組織內(nèi)磁敏感物質(zhì)產(chǎn)生磁場(chǎng)使圖像中相位信息擾動(dòng)，由于系統(tǒng)所能獲得的相位信息限制在-π～π，與真實(shí)相位存在不同程度的相位周期模糊，這種現(xiàn)象稱為相位纏繞。因此，首先需要通過(guò)相位解纏繞恢復(fù)失去的相位周期。由于磁共振中勻場(chǎng)不完全及組織與空氣交界的磁化率變化等因素可引起背景場(chǎng)強(qiáng)烈的變化，不僅會(huì)掩蓋局部組織對(duì)比度，同時(shí)會(huì)使相位纏繞更嚴(yán)重。為了獲得高質(zhì)量的QSM，需要區(qū)分背景場(chǎng)和磁敏感物質(zhì)產(chǎn)生的局部磁場(chǎng)，這一步稱為去除背景場(chǎng)。目前臨床上多采用復(fù)雜諧波偽影去除法(sophisticated harmonic artifact reduction for phase data，SHARP)和偶記投影法(projection onto dipole fields，PDF)來(lái)消除背景場(chǎng)干擾[4-5]。

與SWI不同的是，QSM需要結(jié)合特有的重建算法將處理后的場(chǎng)圖信息重建出磁化率圖像。如何穩(wěn)定地求解并對(duì)磁化率進(jìn)行精確定量，是QSM技術(shù)的關(guān)鍵。目前QSM主要的重建方法有多方向采樣磁化率計(jì)算方法(calculation of susceptibility through multiple orientation sampling，COSMOS)[6]、K空間閾值分割法(threshold-based K-space division，TKD)[7]和貝葉斯正則化方法[8]等。

QSM的臨床應(yīng)用

1.腦血管病

腦卒中：缺血性腦卒中主要由血栓形成或者低灌注和栓子清除障礙所致，DWI對(duì)早期腦梗死非常敏感。供血?jiǎng)用}栓塞后導(dǎo)致局部血流變緩，脫氧血紅蛋白含量增多，局部磁化率隨之改變。既往研究中使用SWI檢測(cè)受累血管分布、梗死的邊界和梗死后出血，QSM同樣適用，與此同時(shí)，QSM還可定量計(jì)算磁化率，以此推測(cè)氧攝取代謝的情況，通過(guò)與灌注成像相結(jié)合可以判斷梗死患者的預(yù)后情況。最近的一項(xiàng)對(duì)缺血性腦卒中皮層靜脈的研究中發(fā)現(xiàn)，與對(duì)側(cè)半球相比，缺血側(cè)皮層靜脈的血氧飽和度下降16%～44%，其磁化率閾值為(254±48)ppb，顯著高于對(duì)照半球[(123±12)ppb]和健康對(duì)照組[(125±8)ppb]，表明病灶側(cè)血流量下降導(dǎo)致皮層靜脈氧飽和度降低[9]。同時(shí)，還可應(yīng)用QSM觀察急性腦卒中患者在靜脈溶栓后的血管再通情況及并對(duì)卒中患者進(jìn)行隨訪。定量監(jiān)測(cè)皮層靜脈磁化率與美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院卒中量表(National Institute of Health stroke scale， NIHSS)評(píng)分的相關(guān)性，用以推測(cè)患者神經(jīng)功能恢復(fù)情況。

出血和鈣化灶的鑒別： 微出血和鈣化灶在常規(guī)MRI上形態(tài)和信號(hào)較類似，因此對(duì)兩者的鑒別比較困難。在SWI相位圖上，鈣化灶信號(hào)與出血相反，因此較容易鑒別。Chen等[10]使用QSM和SWI對(duì)38例伴有顱內(nèi)微出血或鈣化灶的患者進(jìn)行研究，QSM對(duì)兩者的診斷敏感度和特異度均優(yōu)于SWI，同時(shí)能更為清晰地顯示病灶及其與鄰近組織的邊界。

血管畸形：海綿狀血管瘤(cerebral cavernous malformation，CCM)內(nèi)因含有較多脫氧血紅蛋白、含鐵血黃素等磁敏感物質(zhì)，在T2*WI上呈低信號(hào)。在對(duì)CCM病灶的檢出率上，SWI較T2*WI的敏感度更高[11]。SWI通常只能評(píng)估隨著時(shí)間的推移病灶數(shù)量的變化情況，無(wú)法提供病灶內(nèi)鐵沉積量的信息，而QSM可同時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)CCM的數(shù)量及其內(nèi)鐵含量的變化。研究發(fā)現(xiàn)CCM反復(fù)出血會(huì)增加發(fā)生中風(fēng)和癲癇等相關(guān)疾病的風(fēng)險(xiǎn)[12]。目前有動(dòng)物模型研究提出，減少病灶內(nèi)沉積的鐵含量可能是一種新型治療方法[13]。Tan等[14]運(yùn)用QSM測(cè)量治療前后CCM內(nèi)鐵沉積量，發(fā)現(xiàn)這種方法能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)治療方案是否有效。

2.腦變性疾病

鐵作為腦內(nèi)關(guān)鍵的輔助因子參與髓磷脂的合成、氧的運(yùn)輸、電子的轉(zhuǎn)運(yùn)等各種生理生化過(guò)程，正常的鐵代謝對(duì)腦組織的功能活動(dòng)極為重要。然而，高濃度的鐵蓄積對(duì)正常腦細(xì)胞是有害的。有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)直接在大鼠的黑質(zhì)注射鐵劑可選擇性地?fù)p毀多巴胺能神經(jīng)元[15]，說(shuō)明鐵代謝異常在運(yùn)動(dòng)障礙性疾病的神經(jīng)元變性脫失中起重要作用。

正常情況下腦內(nèi)不同部位的鐵沉積速度不同。夏爽等[16]用QSM技術(shù)對(duì)不同年齡健康人群的腦鐵含量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)雙側(cè)尾狀核、殼核、紅核和齒狀核的鐵含量隨年齡的增長(zhǎng)而逐漸增加，其中蒼白球χ值最高，其次為黑質(zhì)，而額葉白質(zhì)的χ值最低，其結(jié)果與Hallgren和Sourander[17]的組織病理檢查結(jié)果一致。利用QSM可以無(wú)創(chuàng)性地定量監(jiān)測(cè)腦鐵含量的變化。

椎體外系(尤其是蒼白球和黑質(zhì))的鐵含量十分豐富，提示鐵代謝可能在錐體外系疾病中扮演重要角色。Ide等[18]對(duì)蒼白球內(nèi)鐵含量的研究中發(fā)現(xiàn)，隨年齡增長(zhǎng)，外側(cè)蒼白球鐵含量逐漸明顯升高，而內(nèi)側(cè)蒼白球鐵含量卻相對(duì)恒定，說(shuō)明內(nèi)、外側(cè)蒼白球的鐵代謝機(jī)制可能不同。內(nèi)、外側(cè)蒼白球鐵含量不同(分別為191和205ppb)導(dǎo)致其組織磁化率有明顯差異(P<0.05)，這一特點(diǎn)也為QSM清晰顯示蒼白球內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了天然對(duì)比。

帕金森病(Parkinson disease，PD)的病因和發(fā)病機(jī)制尚不清楚，但是鐵代謝紊亂是其中較為肯定的影響因素之一。而且有學(xué)者認(rèn)為鐵代謝異?？赡芘c阿爾茲海默病(Alzheimer disease，AD)和肌萎縮側(cè)索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)等疾病相關(guān)[19]。Barbosa等[20]對(duì)PD組和正常對(duì)照組的研究發(fā)現(xiàn)，QSM對(duì)PD患者腦內(nèi)鐵含量升高的檢出具有更高的敏感度和特異度。Murakami等[21]根據(jù)ROC曲線分析，得出PD組黑質(zhì)致密部χ閾值為>0.210ppb。對(duì)潛在的PD高危人群和無(wú)運(yùn)動(dòng)癥狀的早期PD患者，采用QSM來(lái)監(jiān)測(cè)黑質(zhì)和基底節(jié)區(qū)鐵含量的變化，有利于了解疾病早期的進(jìn)展，為臨床決策提供依據(jù)。

3.腦脫髓鞘疾病

多發(fā)性硬化(multiple sclerosis，MS)的病理改變主要包括脫髓鞘和鐵沉積，兩者均可提高組織的χ值。Chen等[22]對(duì)不同年齡MS病灶的研究發(fā)現(xiàn)，隨著病灶由強(qiáng)化轉(zhuǎn)變?yōu)榉菑?qiáng)化狀態(tài)，MS病灶的磁化率迅速增加，并于早期階段(<4年)維持較高的χ值，隨著時(shí)間推移，χ值逐漸降低并接近于正常白質(zhì)。這為我們對(duì)MS的病理生理改變提供了新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)應(yīng)用QSM對(duì)MS患者進(jìn)行長(zhǎng)期隨訪和定量對(duì)比研究，有助于我們深入了解MS病灶的演變過(guò)程，并可為臨床治療方案的調(diào)整提供一定的依據(jù)。

4.腦外傷

顱腦受到斜或側(cè)向撞擊時(shí)，神經(jīng)纖維承受大小方向不同的剪切力影響，并導(dǎo)致周圍小血管發(fā)生斷裂、分離，導(dǎo)致彌漫性腦白質(zhì)損傷即彌漫性軸索損傷(diffuse axonal injury，DAI)，影像上常表現(xiàn)為腦內(nèi)多發(fā)微出血灶，在常規(guī)顱腦MRI上多無(wú)法檢出，臨床上大多依靠回顧患者的外傷史和SWI檢查來(lái)明確診斷。QSM在腦外傷的應(yīng)用中同樣具有潛力，不僅可清晰顯示微出血灶的分布并可進(jìn)行量化分析[23]。

5.腦腫瘤

常規(guī)MRI可以清晰顯示腫瘤形態(tài)，但對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的顯示欠佳。侵襲性腫瘤主要表現(xiàn)為新生血管形成、壞死和出血等，QSM對(duì)腫瘤內(nèi)出血及引流靜脈的顯示較敏感，同時(shí)結(jié)合MR增強(qiáng)掃描可以對(duì)腫瘤內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析。膠質(zhì)母細(xì)胞瘤內(nèi)通常不含鈣化成分，其內(nèi)鈣化的出現(xiàn)與對(duì)貝伐珠單抗治療的療效呈正相關(guān)[24]。因此，我們可以利用QSM對(duì)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤內(nèi)鈣化成分進(jìn)行檢測(cè)，從而可指導(dǎo)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的治療、觀察療效及判斷預(yù)后。

6.其它方面的應(yīng)用

Haacke等[23]對(duì)攝入咖啡前后的腦靜脈血氧飽和度進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)攝入咖啡后QSM圖上靜脈對(duì)比度增加，這與咖啡具有收縮中樞血管、減少腦血流量的作用有關(guān)。上述研究表明QSM具有量化靜脈血氧飽和度的潛力。Zhang等[25]聯(lián)合應(yīng)用QSM和動(dòng)脈自旋標(biāo)記(arterial spin labeling，ASL)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)攝入咖啡后皮層灰質(zhì)的磁化率升高，同時(shí)根據(jù)磁化率(△χ)、腦血流量及氧攝取分?jǐn)?shù)的變化，計(jì)算出攝入咖啡前后腦氧代謝率(CMRO2)的變化。上述研究表明QSM在無(wú)創(chuàng)性監(jiān)測(cè)腦血流量領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

綜上所述，QSM通過(guò)對(duì)磁敏感性物質(zhì)的檢測(cè)和定量評(píng)估，可應(yīng)用于許多腦血管病變和神經(jīng)病變的診斷和監(jiān)測(cè)。盡管目前QSM主要應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，但是這項(xiàng)技術(shù)在人體其它部位的應(yīng)用也在積極的發(fā)展之中。利用QSM技術(shù)對(duì)組織內(nèi)出血、代謝氧耗量及礦物質(zhì)分布等進(jìn)行檢測(cè)，可將其運(yùn)用于對(duì)乳腺、四肢、腹部(肝、腎)和血管壁等組織器官病變的研究中。相信隨著技術(shù)發(fā)展和圖像質(zhì)量的進(jìn)一步提高，QSM在全身其它部位也能獲得廣泛運(yùn)用。

[1] Reichenbach JR，Venkatesan R，Schillinger DJ，et al.Small vessels in the human brain:MR venography with deoxyhemoglobin as an intrinsic contrast agent[J].Radiology，1997，204(1):272-277.

[2] Sehgal V，Delproposto Z，Haddar D，et al.Susceptibility weighted imaging to visualize blood products and improve tumor contrast in the study of brain masses[J].Magn Reson Imaging，2006，24(1):41-51.

[3] Li D，Waight DJ，Wang Y，et al.In vivo correlation between blood T2*and oxygen saturation[J].Magn Reson Imaging，1998，8(6):1236-1239.

[4] 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[J].Neuroimage，2011，54(4):2789-2807.

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

[6] Liu T，Spincemaille P，de Rochefort L，et al.Calculation of susceptibility through multiple orientation sampling (COSMOS):a met-hod for conditioning the inverse problem from measured magnetic field map to susceptibility source image in MRI[J].Magn Reson Med，2009，61(1):196-204.

[7] Li W，Wu B，Liu C.Quantitative susceptibility mapping of human brain reflects spatial variation in tissue composition[J].Neuroi-mage，2011，55(4):1645-1656.

[8] de Rochefort L，Liu T，Kressler B，et al.Quantitative susceptibility map reconstruction from MR phase data using bayesian regularization:validation and application to brain imaging[J].Magn Reson Med，2010，63(1):194-206.

[9] Xia S，Utriainen D，Tang J，et al.Decreased oxygen saturation in asymmetrically prominent cortical veins in patients with cerebral ischemic stroke[J].Magn Reson Imaging，2014，32(10):1272-1276.

[10] Chen W，Zhu W，Kovanlikaya I，et al.Intracranial calcifications and hemorrhages:characterization with quantitative susceptibility mapping[J].Radiology，2014，270(2):496-505.

[11] de Champfleur NM，Langlois C，Ankenbrandt WJ，et al.Magnetic resonance imaging evaluation of cerebral cavernous malformations with susceptibility-weighted imaging[J].Neurosurg，2011，68(3):641-648.

[12] Robinson JR，Awad IA，Masaryk TJ，et al.Pathological heterogeneity of angiographically occult vascular malformations of the brain[J].Neurosurg，1993，33(4):547-554.

[13] McDonald DA，Shi C，Shenkar R，et al.Fasudil decreases lesion burden in a murine model of cerebral cavernous malformation disease[J].Stroke，2012，43(2):571-574.

[14] Tan H，Liu T，Wu Y，et al.Evaluation of iron content in human cerebral cavernous malformation using quantitative susceptibility mapping[J].Invest Radiol，2014，49(7):498-504.

[15] Lin AM，Chen CF，Ho LT.Neuroprotective effect of intermittent hypoxia on iron-induced oxidative injury in rat brain[J].Exp Neurol，2002，176(2):328-335.

[16] 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[J].中華放射學(xué)雜志，2014，48(9):730-735.

[17] Hallgren B，Sourander P.The effect of age on the non-haemin iron in the human brain[J].J Neurochem，1958，3(1):41-51.

[18] Ide S，Kakeda S，Ueda I，et al.Internal structures of the globus pallidus in patients with Parkinson's disease:evaluation with quantitative susceptibility mapping (QSM)[J].Eur Radiol，2015，25(3):710-718.

[19] Schneider SA，Hardy J，Bhatia KP，et al.Syndromes of neurodegeneration with brain iron accumulation (NBIA):an update on clinical presentations,histological and genetic underpinnings，and treatment considerations[J].Mov Disord，2012，27(1):42-53.

[20] Barbosa JH，Santos AC，Tumas V，et al.Quantifying brain iron deposition in patients with Parkinson's disease using quantitative susceptibility mapping,R2and R2*[J].Magn Reson Imaging，2015，33(5)：559-565.

[21] Murakami Y，Kakeda S，Watanabe K，et al.Usefulness of quantitative susceptibility mapping for the diagnosis of Parkinson disease[J].AJNR，2015，36(6)：1102-1108.

[22] Chen W，Gauthier SA，Gupta A，et al.Quantitative susceptibility mapping of multiple sclerosis lesions at various ages[J].Radiology，2014，271(1):183-192.

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

[24] Salvati M，F(xiàn)ormichella AI，D'Elia A，et al.Cerebral glioblastoma with oligodendrogliomal component:analysis of 36 cases[J].J Neurooncol，2009，94(1):129-134.

[25] Zhang J，Liu T，Gupta A，et al.Quantitative mapping of cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO) using quantitative susceptibility mapping (QSM2)[J].Magn Reson Med，2014，DOI:10.1002/mrm.25463.http://online librarary.wiley.com/

430060 武漢，武漢大學(xué)人民醫(yī)院放射科

譚慧(1990-)，女，湖北咸寧人，碩士研究生，主要從事中樞神經(jīng)系統(tǒng)研究工作。

陳軍，E-mail:whuchenjun@163.com

R445.2; R742

A

1000-0313(2015)08-0873-03

10.13609/j.cnki.1000-0313.2015.08.017

2015-04-03

2015-06-19)