磁敏感加權(quán)成像腦鐵含量感興趣區(qū)選擇及測量研究

程禹，楊利霞，朱勇，黃自麗，許永華

1.中國科學(xué)院上海臨床中心/上海市徐匯區(qū)中心醫(yī)院， 上海 200031

2.上海大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，上海200444

近年，磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging，SWI)研究發(fā)現(xiàn)磁化性物質(zhì)引起的相位差異在一定程度上為相關(guān)疾病的診斷提供了一定程度的輔助信息，且相位信息與鐵沉積等的正向關(guān)系得到了絕大多數(shù)研究者的認(rèn)可[1-2]，因此極大地促進(jìn)了SWI技術(shù)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用，使測量鐵含量成為可能。在某些相關(guān)疾病的鐵含量研究中，由于鐵沉積受多種因素的影響，導(dǎo)致鐵含量的不穩(wěn)定性增加，因此在相關(guān)感興趣區(qū)(region of interest，ROI)的選取和勾勒中也給研究者們帶來很多的困擾[3-4]。尤其對于感興趣區(qū)內(nèi)出現(xiàn)礦物質(zhì)低信號(hào)，是僅測量低信號(hào)敏感區(qū)還是整體測量，對鐵含量測量的準(zhǔn)確性影響有多大尚不清楚。本文將對此問題進(jìn)行相關(guān)研究，期望對使用SWI技術(shù)研究鐵相關(guān)疾病的研究者提供一定程度的技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 一般資料

2014年3月至2014年9月招募健康志愿者94例，男50例，女44例，健康組為不同年齡段正常人群，納入標(biāo)準(zhǔn)：①無神經(jīng)或精神疾患；②無假牙等影響圖像質(zhì)量的頭部金屬異物；③腦部常規(guī)MRI檢查未見異常。健康志愿者分為6組：≤20歲組；21～30歲組；31～40歲組；41～50歲組；51～60歲組；＞60 歲組，每組≥10人。發(fā)現(xiàn)其中蒼白球區(qū)存在明顯礦物質(zhì)沉積10例，另外選取性別和年齡相匹配的蒼白球區(qū)無異常鐵含量沉積10例，作為對照組，兩組年齡32～68歲，男6例，女14例。所有健康志愿者均排除明顯頭顱外傷史、無神經(jīng)、精神類疾病、代謝性類疾病以及其他可能會(huì)影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的系統(tǒng)性疾病。本研究經(jīng)我院倫理委員會(huì)審查并通過(批準(zhǔn)文號(hào)2013-06)，所有受試者在檢查前均簽署知情同意。

1.2 MR數(shù)據(jù)采集

采用德國西門子 Verio Tim 3.0 T超導(dǎo)MR掃描儀和32通道高精密頭顱線圈，并使用海綿墊固定志愿者頭部，囑咐志愿者掃描過程中避免頭顱移動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。所有健康志愿者均行常規(guī)頭顱MR檢查和SWI技術(shù)檢查。(1)顱腦常規(guī)MRI檢查序列包括：橫斷位DWI序列，TR=6300 ms，TE=96 ms，BW=996 Hz，F(xiàn)A=90°，b0=0 ms，b1=1000 ms；橫斷位T1WI，T1FLAIR序列，TR=2500 ms，TE=9.5 ms，TI=1034.9 ms，BW=260 Hz，F(xiàn)A=150°；橫斷位T2WI，T2TSE序列，TR=5500 ms，TE=92 ms，BW=220 Hz，F(xiàn)A=150°；橫斷位T2WI，T2FLAIR序列，TR=8500 ms，TE=102 ms，TI=2690 ms，BW=283 Hz，F(xiàn)A=150°。以上常規(guī)掃描定位以平行于顱腦前后聯(lián)合，F(xiàn)OV=220×220，slices=19，ST=5 mm，常規(guī)掃描主要為排除健康志愿者顱內(nèi)明顯異常病變。(2)SWI序列橫斷位掃描，序列參數(shù)為：TR=28 ms，TE=20 ms，F(xiàn)OV=179×230，BW=120 Hz，F(xiàn)A=15°，ST=1 mm，Slices=88，TA=7 min 50 s。SWI定位平行于顱腦前后聯(lián)合，掃描范圍覆蓋中腦和基底節(jié)區(qū)。

1.3 MR數(shù)據(jù)處理

采用Simens MR中SWI序列可直接得到包括幅度圖、相位圖、MIP圖及SWI圖4組圖像。采用常用的Image J(National Institutes of Health，Bethesda，MD， http://rsbweb.nih.gov/ij/)軟件對相位圖上ROI區(qū)進(jìn)行識(shí)別和測量：首先使用Image J軟件中的多邊形工具在SWI圖像上按照各ROI區(qū)解剖部位結(jié)構(gòu)畫取ROI，然后將畫取的ROI直接復(fù)制到相應(yīng)圖層的相位圖像上，并計(jì)算出相應(yīng)層面內(nèi)選定的ROI區(qū)信號(hào)值。對于蒼白球區(qū)含明顯礦物質(zhì)沉積的健康志愿者，選取含明顯礦物質(zhì)沉積且顯示最多的3個(gè)連續(xù)層面，分別畫取整個(gè)蒼白球作為ROI區(qū)(圖1)和該層面內(nèi)明顯礦物質(zhì)沉積區(qū)作為另一ROI區(qū)并測量其灰度值(圖2)，取3次平均值作為最終值。對于蒼白球區(qū)內(nèi)無明顯異常礦物質(zhì)沉積的正常志愿者，選取蒼白球顯示最大，最清晰的3個(gè)連續(xù)層面，畫取ROI并測量信號(hào)值(圖3)，取3次平均值作為最終值。

圖1～3 正常頭顱SWI技術(shù)圖像(A為SWI圖像；B為同一層面相位圖像)。圖1 含異常礦物質(zhì)沉積組畫取整個(gè)蒼白球作為ROI； 圖2 含異常礦物質(zhì)沉積組畫取局部礦物質(zhì)異常沉積區(qū)作為ROI；圖3 無異常礦物質(zhì)沉積組畫取整個(gè)蒼白球作為ROIFig.1—3 SWI imaging of normal brain(A is SWI imaging; B is phase imaging of same slice).Fig 1 ROI drawn around the globus palidus(GP)with abnormal mineral deposits; Fig.2 ROI drawn around the abnormal local mineral deposits area; Fig.3 ROI drawn around the globus palidus without abnormal mineral deposits.

圖4 20名健康志愿者蒼白球區(qū)畫取不同ROI的灰度值測量結(jié)果曲線。A1組：10例蒼白球含異常礦物質(zhì)沉積健康志愿者的整個(gè)蒼白球區(qū)灰度值；A2組：10例蒼白球區(qū)局部異常礦物質(zhì)沉積區(qū)灰度值；B組：10例蒼白球區(qū)不含異常礦物質(zhì)沉積區(qū)整個(gè)蒼白球區(qū)灰度值Fig.4 Signal intensity curve of the globus pallidus in 20 healthy volunteers.Signal intensity the whole globus pallidus with abnormal mineral deposit in 10 healthy volunteers(group A1); Signal intensity local abnormal mineral deposit of the globus pallibus in 10 healthy volunteers(group A2); Signal intensity of the whole globus pallibus without local abnormal mineral deposit in 10 healthy volunteers(group B).

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

本研究應(yīng)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。通過Pearson線性相關(guān)分析比較蒼白球區(qū)有無異常鐵含量沉積時(shí)的信號(hào)值對蒼白球區(qū)鐵含量測量的影響，以P＜0.05為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié)果

2.1 灰度值測量

10例含異常礦物質(zhì)沉積健康志愿者為A組,其中進(jìn)行整個(gè)蒼白球區(qū)灰度值測量為A1組；進(jìn)行蒼白球區(qū)內(nèi)異常礦物質(zhì)沉積局部區(qū)域灰度值測量為A2組；10例與A組年齡和性別基本相匹配，但無異常礦物質(zhì)沉積整個(gè)蒼白球區(qū)灰度值測量位為B組。測量結(jié)果見圖4。

2.2 相關(guān)分析

A1組和A2組灰度值測量相關(guān)系數(shù)r=0.827(P＜0.05)，整個(gè)蒼白球區(qū)灰度值測量與局部區(qū)域灰度值測量具有顯著相關(guān)性，因此說明通過SWI技術(shù)分析其礦物質(zhì)沉積時(shí)，對于含有異常礦物質(zhì)沉積的蒼白球區(qū)，通過選取整個(gè)蒼白球區(qū)作為ROI或是只將異常的礦物質(zhì)沉積區(qū)作為ROI區(qū)都反映一致的礦物質(zhì)沉積趨勢。A1組和B組相關(guān)系數(shù)r=0.183(P＞0.05)，A2組和B組間相關(guān)系數(shù)r=0.344(P＞0.05)，說明蒼白球區(qū)內(nèi)有無礦物質(zhì)沉積對灰度值測量影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見表1。

3 討論

磁敏感加權(quán)成像能夠顯示組織間磁化率差異[5-6]。它采用高分辨率3D梯度回波序列成像，一次掃描可以同時(shí)得到磁矩圖和相位圖，其本質(zhì)是T2*成像技術(shù)。相位是一種組織自身固有的信息，過去由于技術(shù)的限制一直未被很好應(yīng)用。目前采用新的去卷積算法使得相位信息被充分利用，可以使用后處理得到的校正相位圖測量相位值。通過相位信息進(jìn)一步增加了組織間的對比，對腦內(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)區(qū)深部核團(tuán)，還能清晰分辨黑質(zhì)網(wǎng)狀帶和致密帶，顯示紅核內(nèi)小細(xì)胞帶和大細(xì)胞帶的分隔髓板，甚至增加具有不同血容量的灰白質(zhì)之間的對比。由于SWI其高分辨力成像，可以檢測到亞體素水平磁場不均造成的質(zhì)子自旋相位的細(xì)微差異，敏感性高，近年來已成為惟一能夠在活體、安全無創(chuàng)的定量檢測腦鐵含量的技術(shù)[7-8]。

表1 蒼白球區(qū)感興趣區(qū)信號(hào)測量值Tab.1 Signal intensity of region-of-interest in globus pallibus

目前研究已證實(shí)帕金森病、老年癡呆等患者會(huì)出現(xiàn)腦內(nèi)鐵沉積，量化評估和跟蹤腦內(nèi)鐵沉積的水平至關(guān)重要，這可能為早期發(fā)現(xiàn)和治療監(jiān)測病情提供機(jī)會(huì)。定量測定腦內(nèi)鐵沉積能否成為帕金森病、老年癡呆等疾病診斷新的生物學(xué)標(biāo)志物呢？是學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。其實(shí)關(guān)于人體內(nèi)腦鐵含量研究由來已久，1915年Guizzeit通過對人腦的組織化學(xué)染色的研究發(fā)現(xiàn)，人腦的蒼白球、黑質(zhì)、紅核和齒狀核區(qū)域較其他腦區(qū)具有明顯濃烈的鐵染色[9]。1922年Spatz就采用Perls法定量檢測腦組織鐵含量，首先證實(shí)了腦內(nèi)鐵的分布是不均勻的，具有明顯的部位相關(guān)性[10]。鐵染色最顯著的區(qū)域是錐體外系，其中尤以基底節(jié)區(qū)的染色最為顯著，蒼白球、黑質(zhì)、紅核以及小腦齒狀回濃度較高，皮層的染色比較弱，而白質(zhì)及延髓幾乎沒有可見的染色。研究進(jìn)一步證明蒼白球內(nèi)的鐵含量最高，甚至高于肝臟，其內(nèi)約80%的非血紅素鐵以鐵蛋白的形式存在。鐵蛋白不僅含量多，而且其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有超順磁性，可以顯著改變局部磁場，造成局部磁場的不均勻性，使鄰近質(zhì)子失相位，導(dǎo)致橫向弛豫時(shí)間T2、T2*的縮短以及相位改變，MRI測量腦鐵含量也正是基于這些改變。因此本研究選擇蒼白球作為腦鐵含量測量的區(qū)域，保證了腦鐵含量測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。雖然鐵在體內(nèi)分布形式多樣，但除鐵蛋白外的其余非血紅素鐵含量均很低，不足以影響MR信號(hào)強(qiáng)度，而體內(nèi)其它的順磁性金屬元素如銅和錳等金屬離子，濃度都非常低，對組織磁敏感性的影響也非常小，在生理情況下也不足以影響MR信號(hào)強(qiáng)度[11-12]。因此生物組織的磁敏感性差異主要由鐵及其降解產(chǎn)物的含量和分布決定，而本研究選取蒼白球區(qū)內(nèi)低信號(hào)異常礦物質(zhì)沉積能夠反映鐵含量的趨勢。

腦鐵含量測量的ROI選擇對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。目前研究者普遍都遵循一定的準(zhǔn)確性原則以期將誤差減小到最低[13-14]。無論是在相應(yīng)的MR設(shè)備后處理工作站繪制ROI或是通過離線的軟件方式繪制ROI等采取的方式基本上分為兩種：(1)直接在SWI相位圖上分辨相應(yīng)核團(tuán)的位置和邊界，然后用自帶的多邊形工具繪制相應(yīng)的ROI并測值。(2)在SWI圖像上分辨相應(yīng)核團(tuán)的位置和邊界，然后采用多邊形工具繪制相應(yīng)的ROI區(qū)域，再將在SWI圖像上繪制的ROI直接復(fù)制在同一層面內(nèi)的相位圖像上并測值。目前這兩種測量方式使用都較多，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。在SWI技術(shù)所生成的相位圖、幅度圖和SWI圖像上，相位圖像僅含有組織變化的相位信息，組織間對比不足，并不能清晰地分辨各組織邊界。幅度圖雖然存在一定的組織分辨率，但由于缺乏相位信息，無法形成組織間磁化性差異，對比不及SWI圖像清晰。由于SWI圖像同時(shí)覆蓋了組織幅度和相位信息，更加強(qiáng)調(diào)了組織間磁敏感性差異，對于磁化性差異較大的核團(tuán)區(qū)具有更為良好的組織信號(hào)對比和清晰的分界。因此，選擇在SWI圖像上手工畫定ROI相比幅度圖和相位圖更加接近實(shí)際值。因采用第一種方法繪制ROI相對比較方便快捷，測量結(jié)果雖然存在一定的偏差，但多數(shù)試驗(yàn)與尸檢結(jié)果相比較也并無明顯差異，也能反映一定的實(shí)際情況，目前使用的研究者也較多[15-16]。第二種方式相對比較繁瑣，但數(shù)據(jù)結(jié)果也更為接近真實(shí)值，近幾年來也越來越被研究者認(rèn)可推崇[17-18]。本研究采用第二種方式，使用Image J軟件中的多邊形工具在SWI圖像上按照解剖部位結(jié)構(gòu)畫取ROI，然后將畫取的ROI直接復(fù)制到相應(yīng)層面的相位圖像上，并計(jì)算出相應(yīng)層面內(nèi)選定的ROI信號(hào)值，使操作相對更簡潔。以往的研究根據(jù)解剖分區(qū)及鐵病理沉積的特點(diǎn)將不同腦區(qū)又細(xì)分為多個(gè)亞區(qū)。按照不同腦區(qū)的形態(tài)輪廓手工勾畫ROI，蒼白球分為前部和后部，在勾畫時(shí)盡量選擇信號(hào)均勻的區(qū)域。盡管SWI技術(shù)對鐵沉積的顯示已經(jīng)達(dá)到一定的量級(jí)，ROI畫取時(shí)也比較精細(xì)，但仍然難以避免ROI繪制過程中所產(chǎn)生的人為選擇誤差、選取層面的容積效應(yīng)和相應(yīng)核團(tuán)內(nèi)鐵沉積分布不均等對真實(shí)值造成的影響。

本研究選取含明顯礦物質(zhì)沉積且顯示最多的3個(gè)連續(xù)層面，分別畫取整個(gè)蒼白球作為ROI和該層面內(nèi)明顯礦物質(zhì)沉積區(qū)作為另一個(gè)ROI并測量其灰度值，取3次平均值作為最終值。本研究發(fā)現(xiàn)整個(gè)蒼白球區(qū)灰度值測量與局部區(qū)域灰度值測量具有顯著一致性，說明含有異常礦物質(zhì)沉積的蒼白球區(qū)，選取整個(gè)蒼白球區(qū)作為ROI與只將異常的礦物質(zhì)沉積區(qū)作為ROI都反映一致的礦物質(zhì)沉積趨勢，對腦鐵測量影響不大，因此可以直接選取蒼白球整體區(qū)域作為ROI測量腦鐵含量，此方法便捷，適合日常工作中操作。以此類推，除了蒼白球以外，其它核團(tuán)等鐵沉積區(qū)域也可以采取整體選取ROI進(jìn)行灰度值測量，使SWI技術(shù)鐵含量測值工作簡單易行，便于臨床推廣應(yīng)用。

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