MR定量磁敏感圖評估大腦灰質(zhì)核團的引流靜脈磁敏感值與鐵沉積的相關(guān)性研究

左超，柴超，夏爽*

MR定量磁敏感圖評估大腦灰質(zhì)核團的引流靜脈磁敏感值與鐵沉積的相關(guān)性研究

左超1，柴超2，夏爽2*

目的 采用MR定量磁敏感圖測量不同年齡正常志愿者大腦灰質(zhì)核團引流靜脈的磁敏感值，觀察其隨年齡的變化趨勢，以及與大腦灰質(zhì)核團鐵沉積的相關(guān)性。材料與方法使用Siemens 3.0 T MR，對57名正常志愿者進行磁敏感加權(quán)成像(SWI)掃描，獲得相位圖及幅度圖，采用磁敏感圖像成像與相位偽影消障工具(SMART)軟件對相位圖和幅度圖進行處理得到定量磁敏感圖(QSM)，利用核磁共振信號處理(SPIN)軟件在QSM上畫出雙側(cè)大腦灰質(zhì)核團引流靜脈(丘腦紋狀體靜脈、透明隔靜脈、大腦內(nèi)靜脈、基底靜脈)及雙側(cè)大腦灰質(zhì)核團(尾狀核、蒼白球、殼核、背側(cè)丘腦、黑質(zhì)、紅核)的感興趣區(qū)，然后分別測出不同靜脈及灰質(zhì)核團的磁敏感值。結(jié)果57名正常志愿者左右兩側(cè)大腦灰質(zhì)核團引流靜脈磁敏感值無統(tǒng)計學(xué)差異(P值均＞0.05)。57名正常志愿者兩側(cè)尾狀核、黑質(zhì)、紅核的磁敏感值差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，右側(cè)高于左側(cè)(t值分別為3.34、5.12、3.91, P值均＜0.05)。右側(cè)丘腦紋狀體靜脈的磁敏感值與年齡呈正相關(guān)(r=0.33, P＜0.05)。左側(cè)尾狀核與左側(cè)大腦內(nèi)靜脈、左側(cè)殼核與左側(cè)大腦內(nèi)靜脈、左側(cè)紅核與左側(cè)大腦內(nèi)靜脈的磁敏感值呈正相關(guān)(r值分別為0.29、0.31、0.28, P值均＜0.05)。結(jié)論右側(cè)丘腦紋狀體靜脈磁敏感值隨年齡增長有增加的趨勢，大腦灰質(zhì)核團引流靜脈磁敏感值無側(cè)別差異。部分大腦灰質(zhì)核團鐵沉積與其引流靜脈磁敏感值呈正相關(guān)。

定量磁敏感圖；血氧飽和度；鐵沉積；年齡分布

Received 22 Dec 2015, Accepted 25 Jan 2016

ACKNOWLEDGMENTSThis study was supported by Grants the National Natural Science Foundation of China (No. 81501457). Tianjin Municipal Health Bureau Key Research Fund (No. 14KG103).

靜脈血氧飽和度是評估腦功能及腦組織發(fā)育程度的重要指標(biāo)[1]，氧代謝是腦的能量需求的主要來源，大腦占體重的2%，但是卻消耗總能量的20%[2]。鐵元素是人腦必不可少的元素之一，其主要以非血紅素鐵的形式分布于腦組織中[3]。腦鐵含量的測定具有重要的意義，可以進一步的了解腦的生長發(fā)育及退變過程，同樣對相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診療具有重要作用。有研究表明，腦鐵含量與靜脈血氧飽和度，有一定相關(guān)性，腦鐵沉積的過程是一個耗氧的過程[4]。MR定量磁敏感圖不僅可以對腦鐵含量進行定量分析[5-7]，同時也可以對靜脈血氧飽和度進行定量分析[8]，靜脈的血氧飽和度可以通過測量靜脈的磁敏感值獲得[9]，Δχveintissue代表磁敏感值，Y代表血氧飽和度，Δχdo代表每單位血球容積內(nèi)缺氧血與全氧血的磁敏感值(4πχ 0.27 ppm)[10]，κ是一個常量，依賴于幾何和磁場強度。Hct代表軟腦膜靜脈的紅細(xì)胞容積分?jǐn)?shù)，Δχ與Y可以通過以下公式進行換算：Δχvein-tissue= KΔχdo. Hct(1-Y)。

從而可以對腦鐵沉積與腦靜脈血氧飽和度的關(guān)系進行評估。本研究收集正常志愿者并對灰質(zhì)核團鐵沉積與相應(yīng)引流靜磁敏感值進行評估，從而探討二者之間的相關(guān)性。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

2012年11月至2014年9月招募57名健康志愿者，男22名，女35名，年齡20～70歲，平均年齡(38±13)歲。

1.2 納入及排除標(biāo)準(zhǔn)

所有志愿者均為右利手并且年齡大于18歲。所有入組志愿者行常規(guī)MR掃描未見明顯異常，且經(jīng)臨床檢查排除精神神經(jīng)及其他影響神經(jīng)系統(tǒng)的軀體疾患。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會同意，所有志愿者均被告知研究內(nèi)容并簽署知情同意書。

1.3 MR設(shè)備及檢查方法

本研究采用德國Siemens Magnetom Trio Tim 3.0 T超導(dǎo)磁共振掃描儀，8通道標(biāo)準(zhǔn)頭線圈。行T1WI、T2WI等常規(guī)MR及磁敏感加權(quán)成像(SWI)檢查。

1.3.1 常規(guī)MR掃描參數(shù)

橫斷面FSE T2WI：TR 6000.0 ms，TE 93.0 ms，反轉(zhuǎn)角120°，采集時間1.25 min，F(xiàn)OV 179 mm× 220 mm，采集層數(shù)25，層厚4.0 mm，層間距1.2 mm，像素大小0.7 mm×0.7 mm×4.0 mm；橫斷面SE T1WI：TR 500.0 ms，TE 8.9 ms，反轉(zhuǎn)角120°，采集時間2.83 min，F(xiàn)OV 206 mm×220 mm，掃描層數(shù)25，層厚4.0 mm，層間距1.2 mm，像素大小0.9 mm× 0.9 mm×4.0 mm。

1.3.2 SWI掃描參數(shù)

橫斷面SWI：TR 29.0 ms，TE 20.0 ms，反轉(zhuǎn)角15°，采集時間5.34 min，F(xiàn)OV 129 mm× 230 mm，掃描層數(shù)56層，層厚2.0 mm，層間距0.4 mm，像素大小0.5 mm×0.5 mm×2.0 mm。

1.4 圖像處理及統(tǒng)計分析

1.4.1 SWI圖像處理

采用美國韋恩州立大學(xué)提供的磁敏感圖成像與相位偽影消障工具(susceptibility mapping and phase artifacts remova1 too1box，SMART)軟件對SWI原始相位圖和幅度圖進一步處理，獲得定量磁敏感圖(quantitative susceptibility mapping, QSM)[11]。處理步驟[12]：(1)通過SWI序列獲得高分辨率的3D SWI數(shù)據(jù)；(2)利用SWI中的原始相位圖和幅度圖，對相位圖進行32×32的高通濾波；(3)使用內(nèi)插技術(shù)，將0填充到相位圖的k空間，使3個方向的矩陣大小為512×512×128，從而保持FOV在X、Y、Z三個方向的縱橫比為1∶1∶4，同時消除傅里葉轉(zhuǎn)換及使用反轉(zhuǎn)濾波產(chǎn)生的偽影；(4)進行顱骨剝離及算法，采用復(fù)合閾值消除相位圖上非組織區(qū)域的偽影[13]；(5)對高通濾波相位圖的傅里葉轉(zhuǎn)換過程中施加標(biāo)準(zhǔn)反轉(zhuǎn)濾波。

1.4.2 感興趣區(qū)的選取

采用核磁共振信號處理(signal processing innuclear magnetic resonance, SPIN)軟件定量測量磁敏感圖中興趣區(qū) (region of interest, ROI)的磁敏感值。ROI包括雙側(cè)灰質(zhì)核團(尾狀核、蒼白球、殼核、背側(cè)丘腦、黑質(zhì)、紅核)(圖1～3)及雙側(cè)灰質(zhì)核團的引流靜脈(透明隔靜脈、丘腦紋狀體靜脈、大腦內(nèi)靜脈、基底靜脈)(圖4～6)。核團ROI的選擇標(biāo)準(zhǔn)[7]：參考核團的解剖結(jié)構(gòu)，根據(jù)在磁敏感圖上顯示的核團邊界的連續(xù)層面 ，同時避開因核團周圍鐵的雙極效應(yīng)產(chǎn)生的高信號。大腦灰質(zhì)核團引流靜脈ROI選擇標(biāo)準(zhǔn)：在磁敏感圖上能夠清晰顯示大腦靜脈的連續(xù)層面，同一半球的丘腦紋狀體靜脈(圖4)、透明隔靜脈(圖4)、大腦內(nèi)靜脈(圖5)、基底靜脈(圖5)，將每組靜脈作為一個整體，采用同一顏色表示(圖6)。ROI的選取范圍為包括相應(yīng)靜脈全長的封閉區(qū)域，同時應(yīng)注意避開測量區(qū)氣顱交界區(qū)及腦室系統(tǒng)的影響。ROI的選取主要是考慮到測量的可操作性，血管顯示清晰、走行較固定，可對每名志愿者進行測量等因素。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS17.0軟件。所有數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗采用單樣本K-S檢驗。左右兩側(cè)大腦灰質(zhì)核團引流靜脈的磁敏感值差異、左右兩側(cè)大腦灰質(zhì)核團的磁敏感值差異采用配對t檢驗比較，雙側(cè)大腦灰質(zhì)核團引流靜脈的磁敏感值與年齡的相關(guān)性、雙側(cè)大腦灰質(zhì)核團磁敏感值與其引流靜脈磁敏感值的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩側(cè)大腦灰質(zhì)核團引流靜脈的磁敏感值比較

雙側(cè)丘腦紋狀體靜脈、透明隔靜脈、大腦內(nèi)靜脈、基底靜脈磁敏感值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)(表1)。

圖1 ～3 大腦灰質(zhì)核團磁敏感值測量的ROI示意圖。圖1顯示從前向后依次為雙側(cè)尾狀核、蒼白球(內(nèi)側(cè))及殼核(外側(cè))、背側(cè)丘腦ROI。圖2顯示雙側(cè)黑質(zhì)(外側(cè))、 紅核(內(nèi)側(cè))ROI。圖 3顯示每組核團作為一個整體，連續(xù)畫出核團的ROI，同一顏色代表同一核團 圖4～6 大腦灰質(zhì)核團引流靜脈磁敏感值測量的ROI示意圖。圖4顯示從前向后依次為兩側(cè)透明隔靜脈、兩側(cè)丘腦紋狀體靜脈ROI。圖5顯示從前向后依次為兩側(cè)基底靜脈、兩側(cè)大腦內(nèi)靜脈(內(nèi)側(cè))ROI。圖6顯示每組靜脈作為一個整體，連續(xù)畫出靜脈的ROI，同一顏色代表同一靜脈Fig. 1—3 The ROIs of gray nuclei for the measurement of susceptibility. Fig.1: Front to back, there were the ROIs of bilateral caudate nucleus, globus pallidus, putamen and dorsal thalamus. Fig.2: Front to back, there were the ROIs of bilateral substantia nigra and red nucleus. Fig.3: Each of the gray nuclei was considered as a whole one, the ROIs of gray nuclei were drawn on the continuous slices, the same colour indicated the same gray nuclei. Fig.4—6 The ROIs of drainage veins for the measurement of cerebral venous susceptibility. Fig.4: Front to back. There were the ROIs of bilateral septal veins and thalamostriate veins. Fig.5: Front to back. There were the ROIs of bilateral basal veins and internal cerebral veins. Fig. 6: Each of the veins was considered as a whole one, the ROIs of cerebral veins was drawn on the continuous slices, the same colour indicated the same cerebral veins.

表1 57名志愿者左、右側(cè)大腦灰質(zhì)核團引流靜脈磁敏感值比較 [ppb(×10–9)]Tab. 1 The comparison of susceptibility of the right and left draining veins of cerebral gray nuclei in 57 healthy individuals [ppb(×10–9)]

2.2 兩側(cè)大腦灰質(zhì)核團的磁敏感值比較

雙側(cè)尾狀核、黑質(zhì)、紅核的磁敏感值差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，均為右側(cè)高于左側(cè)(表2)。

表2 57名志愿者大腦灰質(zhì)核團左、右側(cè)磁敏感值比較[ppb(×10–9)]Tab. 2 The comparison of susceptibility of the right and left cerebral gray nuclei in 57 healthy individuals [ppb(×10–9)]

2.3 兩側(cè)大腦灰質(zhì)核團引流靜脈磁敏感值與年齡的相關(guān)性

右側(cè)丘腦紋狀體靜脈磁敏感值與年齡呈正相關(guān)(r值為0.33, P＜0.05)(圖7)，其余腦靜脈的磁敏感值與年齡均無相關(guān)性(P值均＞0.05)。

2.4 兩側(cè)大腦灰質(zhì)核團引流靜脈磁敏感值與灰質(zhì)核團鐵沉積的相關(guān)性

左側(cè)尾狀核與左側(cè)大腦內(nèi)靜脈、左側(cè)殼核與左側(cè)大腦內(nèi)靜脈、左側(cè)紅核與左側(cè)大腦內(nèi)靜脈的磁敏感值均呈正相關(guān)(r值分別為0.29、0.31、0.28; P值均＜0.05)(圖8)。

3 討論

基底節(jié)區(qū)的灰質(zhì)核團包括兩側(cè)的尾狀核、殼核、蒼白球及背側(cè)丘腦，根據(jù)人腦血管解剖研究[14]，其引流靜脈包括兩側(cè)透明隔靜脈、丘腦紋狀體靜脈及大腦內(nèi)靜脈，兩側(cè)紅核、黑質(zhì)的引流靜脈包括兩側(cè)基底靜脈及兩側(cè)大腦中深靜脈，由于兩側(cè)大腦中深靜脈走行區(qū)偽影較重，因而兩側(cè)紅核、黑質(zhì)的引流靜脈僅選取兩側(cè)基底靜脈。MR定量磁敏感圖可以定量、無創(chuàng)提供氧代謝的信息[15]。目前，已經(jīng)應(yīng)用于腦卒中、創(chuàng)傷性顱腦損傷等臨床疾病的研究，Xia等[8]利用定量磁敏感圖觀察卒中病人的患側(cè)大腦皮層靜脈增粗、信號增高，并與對側(cè)及正常人群大腦皮層靜脈對比，血氧飽和度明顯減低。Liu等[12]采用定量磁敏感圖測量創(chuàng)傷性顱腦損傷病人靜脈內(nèi)的血氧飽和度及不規(guī)則微出血的鐵含量，通過對兩者的比較分析，能夠鑒別微出血灶與靜脈及周圍組織。這些研究均證實了定量磁敏感圖對腦內(nèi)靜脈血氧飽和度測量的可行性。

3.1 左右兩側(cè)大腦灰質(zhì)核團引流靜脈磁敏感值的差異

本研究結(jié)果顯示，正常志愿者左右兩側(cè)大腦灰質(zhì)核團引流靜脈磁敏感值沒有差異，即兩側(cè)血氧飽和度存在一致性，唐樂梅[16]、馮潔[4]的研究表明，正常人群中的大腦深靜脈血相位值無側(cè)別的差異，本研究中的大腦灰質(zhì)核團引流靜脈均屬于大腦深靜脈，考慮原因為左右兩側(cè)大腦灰質(zhì)核團引流靜脈對稱性分布，其起始點面積均相似，即無引流優(yōu)勢[17]。從解剖學(xué)上看，血管的管徑相似，且血管的走行位置相對固定，受周圍組織的影響差別不大，因此兩側(cè)無明顯差異。

3.2 左右兩側(cè)大腦灰質(zhì)核團鐵含量的分布

正常志愿者的尾狀核、黑質(zhì)、紅核的鐵含量均右側(cè)高于左側(cè)，表明左右兩側(cè)大腦灰質(zhì)核團鐵含量存在不對稱性。有研究通過對人腦標(biāo)本的組織化學(xué)分析，表明腦鐵分布不均勻[18]。夏爽等[7]研究表明尾狀核、黑質(zhì)、紅核及齒狀核的鐵含量均為右側(cè)大于左側(cè)，表明左右兩側(cè)腦鐵含量存在不對稱性。有學(xué)者研究認(rèn)為此現(xiàn)象可能與多巴胺系統(tǒng)及人腦的偏側(cè)運動優(yōu)勢有關(guān)[19]。另外，ROI的選取、成像方式的選擇及志愿者的選取，可能都會對本結(jié)果造成相應(yīng)的影響。

3.3 大腦灰質(zhì)核團引流靜脈磁敏感值與年齡的相關(guān)性

本研究發(fā)現(xiàn)，右側(cè)丘腦紋狀體靜脈的磁敏感值與年齡存在弱相關(guān)性，余灰質(zhì)核團引流靜脈的磁敏感值均與年齡均不存在相關(guān)性。丘腦紋狀體靜脈是基底節(jié)區(qū)灰質(zhì)核團的主要引流靜脈，引流尾狀核、殼核、蒼白球及背側(cè)丘腦等靜脈血，馮潔[4]的研究表明丘紋上靜脈的靜脈血相位值與雙側(cè)尾狀核、殼核、蒼白球鐵含量呈正相關(guān)，夏爽等[7]的研究表明雙側(cè)尾狀核、殼核的鐵含量隨年齡有增長的趨勢，考慮右側(cè)丘腦紋狀體靜脈磁敏感值隨年齡增長與這些因素有關(guān)。然而，唐樂梅[16]的研究表明腦靜脈血相位與年齡不存在相關(guān)性，即不同年齡的正常人群靜脈血氧飽和度沒有明顯差異，劉鐵利等[20]研究表明同一靜脈血相位值在各年齡組間無統(tǒng)計學(xué)意義，即年齡對靜脈血氧飽和度不存在明顯影響。另外，考慮在測量過程中，受血管走行方向、區(qū)域等因素的影響，使得測量結(jié)果存在誤差，因而，本研究結(jié)果需要進一步證實。

圖7 57名志愿者右側(cè)丘腦紋狀體靜脈磁敏感值與年齡相關(guān)性的散點圖，右側(cè)丘腦紋狀體靜脈磁敏感值與年齡呈正相關(guān)(r=0.33，P＜0.05) 圖8 左側(cè)尾狀核與左側(cè)大腦內(nèi)靜脈(A)、左側(cè)殼核與左側(cè)大腦內(nèi)靜脈(B)、左側(cè)紅核與左側(cè)大腦內(nèi)靜脈(C)的磁敏感值均呈正相關(guān)(r值分別為0.29、0.31、0.28，P值均＜0.05)Fig. 7 The scatter diagram of the correlation between the susceptibility of right thalamostriate vein and age. There was a positive correlation between age and the susceptibility of right thalamostriate vein (r=0.33, P＜0.05). Fig. 8 There were positive correlations between the susceptibility of left caudate nucleus and left internal cerebral vein (A), left putamen and left internal cerebral vein (B), left red nucleus and left internal cerebral vein (C)(r value was 0.29, 0.31, 0.28, P＜0.05).

3.4 大腦灰質(zhì)核團引流靜脈磁敏感值與大腦灰質(zhì)核團鐵沉積的相關(guān)性

本研究結(jié)果顯示，左側(cè)尾狀核與左側(cè)大腦內(nèi)靜脈、左側(cè)殼核與左側(cè)大腦內(nèi)靜脈、左側(cè)紅核與左側(cè)大腦內(nèi)靜脈的磁敏感值呈正相關(guān)，表明大腦灰質(zhì)核團鐵沉積是一個耗氧的過程。解剖學(xué)上[14]，基底節(jié)區(qū)的引流靜脈包括左右兩側(cè)的透明隔靜脈，丘腦紋狀體靜脈，大腦內(nèi)靜脈，紅核、黑質(zhì)的引流靜脈包括基底靜脈，大腦內(nèi)靜脈主要由丘腦紋狀體靜脈、透明隔靜脈及脈絡(luò)膜上靜脈組成，收納來自透明隔、丘腦、內(nèi)囊、基底神經(jīng)節(jié)、胼胝體、側(cè)腦室以及第三腦室脈絡(luò)叢的靜脈血。組織學(xué)研究表明，由于腦組織具有血腦屏障，鐵蛋白由血液進入腦組織主要是由位于毛細(xì)血管上皮細(xì)胞上的轉(zhuǎn)鐵蛋白載體，受體介導(dǎo)的胞飲過程來完成的，而這是一個耗氧的生物過程。馮潔[4]的研究表明基底靜脈、丘紋上靜脈血相位值與雙側(cè)尾狀核頭、蒼白球、殼核呈正相關(guān)(P＜0.05)，部分研究結(jié)果也印證了本研究的結(jié)果。

3.5 不足與展望

本研究尚存在一些不足，考慮在測量磁敏感值的過程中，受血管走行方向、區(qū)域等因素的影響，使得測量結(jié)果存在誤差。另外，本研究樣本量少，性別、年齡分布不均，因而使統(tǒng)計結(jié)果有所偏倚，今后的研究中進一步增加樣本量，并使性別年齡分布均勻，以掌握健康人群大腦灰質(zhì)核團與其引流靜脈血氧飽和度的關(guān)系，從而為臨床疾病的預(yù)測及治療提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。

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The correlation between iron deposition of deep gray nuclei and cerebral venous susceptibility of drainage veins in healthy people using susceptibility mapping

ZUO Chao1, CHAI Chao2, XIA Shuang2*1Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China
2Tianjin First Center Hospital, Department of Radiology, Tianjin 300192, China

Objective:To evaluate age-related changes of cerebral venous susceptibility and the relationship between iron deposition of deep gray nuclei and the susceptibility of cerebral drainage veins in healthy people using MR quantitative susceptibility mapping (QSM).Materials and Methods:Fifty-seven right-handed healthy individuals underwent SWI scanning to get phase images and magnitude images. QSM were reconstructed from the phase images and magnitude images using SMART software. The regions of interest include the bilateral cerebral veins (thalamostriate veins, septal veins, internal cerebral veins, basal veins) and the bilateral gray nuclei (caudate nucleus, globus pallidus, putamen, dorsal thalamus, substantia nigra, red nucleus) were drawn manually, and the susceptibility of cerebral gray nuclei and cerebral draining veins was measured using SPIN software.Results:There was no significant difference in susceptibility between the right and the left draining veins of cerebral gray nuclei in 57 healthy individuals (P＞0.05). The susceptibility of right caudate nucleus, substantia nigra, red nucleus was higher than that of left sides (t value was 3.34, 5.12, 3.91, P＜0.05). There was positive correlation between age andthe susceptibility of right thalamostriate vein (r=0.33, P＜0.05). There were positive correlation of susceptibility between left caudate nucleus and left internal cerebral vein, left putamen and left internal cerebral vein, red nucleus and left internal cerebral vein (r value was 0.29, 0.31, 0.28, P＜0.05). Conclusions: The susceptibility of right thalamostriate vein increased with aging.There was no side-difference in susceptibility between bilateral cerebral veins. The susceptibility of some draining veins has positive correlation with iron deposition of some gray nuclei.

Quantitative magnetic susceptibility maping; Oxygen saturation; Iron deposition; Age distribution

國家自然科學(xué)基金(編號：81501457)；天津市衛(wèi)生局重點攻關(guān)基金(編號：14KG103)

1. 天津中醫(yī)藥大學(xué)，天津 300193

2. 天津市第一中心醫(yī)院放射科，天津300192

夏爽，E-mail: xiashuang77@163.com

2015-12-22接受日期：2016-01-25

R445.2；R742

A

10.12015/issn.1674-8034.2016.05.006左超, 柴超, 夏爽. MR定量磁敏感圖評估大腦灰質(zhì)核團的引流靜脈磁敏感值與鐵沉積的相關(guān)性研究. 磁共振成像, 2016, 7(5): 347–352.

*Correspondence to: Xia S, E-mail: xiashuang77@163.com