分析1.5T與3.0T MR定量評價(jià)體外鐵濃度模型比較研究

黃璐， 韓瑞， 夏黎明

·實(shí)驗(yàn)研究·

分析1.5T與3.0T MR定量評價(jià)體外鐵濃度模型比較研究

黃璐， 韓瑞， 夏黎明

目的探討MRI對體外不同鐵濃度模型定量測量的可靠性，并比較1.5T和3.0T MR對體外鐵濃度模型定量測定的準(zhǔn)確性。方法制作2組不同鐵濃度體外模型，一組鐵濃度范圍為0～5.0 mg/mL。另一組鐵濃度范圍為0～1.0 mg/mL。兩組鐵濃度模型分別在1.5T及3.0T MR上進(jìn)行掃描。掃描序列包括短軸面FSE/T1WI、FRFSE/T2WI、T2map和T2*map。評價(jià)測量指標(biāo)包括T1WI和T2WI信噪比、T2、R2、T2*和R2*值。評價(jià)指標(biāo)的一致性采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)分析。鐵濃度與T1WI信噪比、T2WI信噪比、T2、R2、T2*和R2*值的關(guān)系應(yīng)用Pearson相關(guān)分析。結(jié)果兩位研究者對體外鐵濃度模型MR圖像測量指標(biāo)T1WI信噪比、T2WI信噪比、T2、R2、T2*和R2*值一致性評價(jià)的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)均大于0.900(P<0.001)。T2WI信噪比、T2和T2*值與鐵濃度在1.5T和3.0T MR上均呈非線性相關(guān)。在1.5T MR上，當(dāng)鐵濃度≤1.5 mg/mL時(shí)，T1WISNR、R2與鐵濃度呈顯著性正相關(guān)(P<0.05)。R2*則在鐵濃度≤2.5 mg/mL時(shí)，與鐵濃度呈顯著正性線性相關(guān)(P<0.001)。而在3.0T MR上，當(dāng)鐵濃度≤0.90 mg/mL時(shí)，R2和R2*值與鐵濃度呈正相關(guān)(P<0.05)。結(jié)論MRI定量測定體外不同鐵濃度模型的可重復(fù)性好；在1.5T或3.0T MR各測量參數(shù)中，R2*值可準(zhǔn)確定量反映體外鐵濃度，且1.5T MR檢測鐵濃度范圍寬于3.0T MR。

模型； 鐵； 磁共振成像

血色素病是一種累及多個(gè)器官的代謝性疾病[1]，以往限于磁共振技術(shù)的原因只能對其定性診斷，隨著磁共振軟、硬件的飛速發(fā)展，目前磁共振可以對血色素病的鐵負(fù)荷程度進(jìn)行定量測量，但是這種定量測量目前受磁場強(qiáng)度的影響較大[2,3]。目前國內(nèi)外關(guān)于不同磁場強(qiáng)度對鐵測量可重復(fù)性、準(zhǔn)確性、測量范圍等的研究較少[4]。本研究應(yīng)用臨床常用的1.5T和3.0T MR對體外鐵濃度模型進(jìn)行掃描，旨在確定二者定量測定鐵濃度的準(zhǔn)確性、可測量范圍及測量的敏感參數(shù)，并探討哪種場強(qiáng)更適合鐵濃度的測量。

材料與方法

1.體外鐵濃度模型的制作

應(yīng)用右旋糖酐鐵制劑(濃度為50 mg/mL)和蒸餾水制作體外鐵濃度模型2套，每套包括實(shí)驗(yàn)組和備份組，兩組濃度范圍相同(圖1)。第一套鐵濃度范圍為0～5.0 mg，即0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 mg/mL。第二套鐵濃度范圍為0～1.0 mg/mL，即0,0.10,0.20,0.30,0.35,0.40,0.45,0.50,0.55,0.60,0.65,0.70,0.80,0.90,1.00 mg/mL。

圖1 兩套體外鐵濃度模型上面觀。 圖2 體外鐵濃度模型T1WI圖像,體外鐵濃度模型及背景感興趣區(qū)放置。

2.體外鐵濃度模型的磁共振成像

于同一天分別在1.5T和3.0T MR上分別對2套體外鐵濃度模型進(jìn)行掃描。每套體外鐵濃度模型按照以下方式進(jìn)行掃描：

1.5T MR成像(HDxt Cvi，GE Healthcare，USA)：使用8通道相控陣心臟線圈，將體外鐵濃度模型放置于2.5 kg重的水膜上(增加成像對象的重量以獲得較好的圖像)行短軸面FSE/T1WI、FRFSE/T2WI、T2map和T2*map掃描，掃描范圍從溶液頂部至底部(約7層)。各掃描序列具體參數(shù)見表1。

表1 MR的T1WI、T2WI、T2map、T2*map序列掃描參數(shù)

3.0T MR成像(HDxt，GE Healthcare，USA)：1.5T體外鐵濃度模型成像結(jié)束后，將體外鐵濃度模型連同水膜一起取出，放置到3.0T MR掃描儀上進(jìn)行成像。使用HD八通道相控陣心臟線圈。掃描方案、各掃描序列及參數(shù)同1.5T MR。

3.MR圖像分析

將在1.5T和3.0T MR上對兩套體外鐵濃度模型掃描所獲得的原始圖像傳輸?shù)紸DW 4.4工作站(Advantage Workstation，GE Healthcare，USA)上，并進(jìn)行圖像分析。T1WI和T2WI在View工具中測量信號強(qiáng)度值。T2map和T2*map在Functool軟件中分別使用T2mapping軟件包和R2*mapping軟件包測量T2值和T2*、R2*值。

兩位放射科醫(yī)生獨(dú)立對所有圖像分別進(jìn)行測量，其中一位放射科醫(yī)生對所有圖像測量2次，測量時(shí)間間隔一周。感興趣區(qū)放置(圖2)在中間層面(一般第三或第四層)的中央(region of interest，ROI)，面積范圍25～30 mm2。在T1WI和T2WI上測量每個(gè)鐵濃度ROI的信號強(qiáng)度值，同時(shí)在背景上選擇3個(gè)ROI測量其信號強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD，圖2)。計(jì)算每個(gè)鐵濃度ROI的信噪比(signal to noise ratio，SNR)，公式如下：

T2map和T2*map的ROI放置層面和T1WI和T2WI一致。T2mapping軟件包測量每個(gè)鐵濃度的T2值(ms)，R2值的計(jì)算公式如下：

R2*mapping軟件包同時(shí)測量T2*(ms)和R2*(Hz)。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

T1WISNR、T2WISNR、T2、R2、T2*和R2*值均采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。兩位放射科醫(yī)生測量的每套體外鐵濃度模型中研究組與備份組的結(jié)果應(yīng)用兩個(gè)獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析進(jìn)行比較。兩位放射科醫(yī)生獨(dú)立測量結(jié)果的觀察者內(nèi)和觀察者間的一致性評價(jià)使用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)，以ICC≥0.700認(rèn)為二者測量結(jié)果一致性高。應(yīng)用Pearson相關(guān)分析評價(jià)鐵濃度與T1WISNR、T2WISNR、T2、R2、T2*和R2*值的相關(guān)關(guān)系，符合線性分布的建立直線回歸方程。P值<0.05具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。所有統(tǒng)計(jì)學(xué)分析使用SPSS 19.0軟件包進(jìn)行分析。

結(jié) 果

1.體外鐵濃度模型MR圖像的顯示

在1.5T和3.0T MR上，第一套鐵濃度模型的所有鐵濃度在T1WI、T2map和T2*map上均能顯示。而T2WI隨著鐵濃度的增加，信號強(qiáng)度逐漸與背景相似，無法辨認(rèn)，當(dāng)鐵濃度>2 mg/mL，無論在1.5T或3.0T MR上，T2WI均無法顯示(圖3)。第二套鐵濃度模型的所有鐵濃度在1.5T和3.0T MR的T1WI、T2WI、T2map和T2*map上均能顯示。T1WI和T2WI的信號強(qiáng)度隨著鐵濃度的增加，逐漸變暗。

圖3 體外鐵濃度模型第一套鐵濃度梯度的T2WI圖像。a) 1.5 T的T2WI圖像; b) 3.0 T的T2WI圖像， 第5個(gè)鐵濃度(2mg/mL)開始信號強(qiáng)度與背景信號強(qiáng)度無法分辨。 圖4 體外鐵濃度模型第二套鐵濃度梯度的T2*map第1、3、5、7個(gè)回波的圖像 鐵濃度試管的信號強(qiáng)度隨著回波時(shí)間的延長逐漸減低。

圖5 體外鐵濃度模型1.5T MR上R2和R2*值與鐵濃度之間的散點(diǎn)圖。 圖6 體外鐵濃度模型在3.0T MR上R2和R2*值與鐵濃度之間的散點(diǎn)圖。

T2map和T2*map的圖像隨著回波時(shí)間的延長，鐵濃度高的試管信號強(qiáng)度逐漸變暗，甚至與背景一致(圖4)。

2.體外鐵濃度模型MR 圖像一致性分析

兩位放射科醫(yī)生對體外鐵濃度模型的兩套鐵濃度梯度在1.5T和3.0T MRI的原始圖像獨(dú)立進(jìn)行分析。體外鐵濃度模型1.5T和3.0T MRI的研究組結(jié)果和備份組結(jié)果無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。一位放射科醫(yī)生的T1WISNR、T2WISNR、T2、R2、T2*和R2*值的觀察者內(nèi)的ICC均>0.900，P<0.001。兩位放射科醫(yī)生的所有MR評價(jià)指標(biāo)觀察者間的ICC均大于0.900，P<0.001。

3.體外鐵濃度模型T1WI和T2WI信號強(qiáng)度與鐵濃度相關(guān)性分析

4.體外鐵濃度模型T2、R2、T2*和R2*值與鐵濃度相關(guān)性分析

討 論

體外鐵濃度模型的MRI定量測定，其優(yōu)勢在于可以準(zhǔn)確配比出任意的鐵濃度梯度，不受活體組織取樣測量的限制；體外鐵濃度模型成分單一，均為不同鐵濃度的溶液，而且右旋糖酐鐵易溶于水，溶液分布均勻，無其他物質(zhì)的影響，這些優(yōu)點(diǎn)為體外鐵濃度模型的MRI準(zhǔn)確測定奠定了基礎(chǔ)。另外還剔除了影響其測量結(jié)果準(zhǔn)確的其他因素，例如活體組織的呼吸、心臟搏動及血管搏動等引起的運(yùn)動偽影，這樣就能客觀的評價(jià)MRI定量分析鐵濃度的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和一致性，從而可以選擇代表性參數(shù)反映鐵濃度[5，6]。

對于一種定量測量參數(shù)，無疑可重復(fù)性是其主要特征之一。從本研究結(jié)果可以看出，兩套體外鐵濃度模型中研究組鐵濃度梯度與備份組的1.5T和3.0T結(jié)果比較均無顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說明兩套鐵濃度梯度的配比準(zhǔn)確，可重復(fù)性高。同時(shí)通過分析兩位放射科醫(yī)生對兩套體外鐵濃度在1.5T及3.0T所有圖像的測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本研究中各種參數(shù)的測量結(jié)果受時(shí)間和觀察者的影響較小，體現(xiàn)出較高的可重復(fù)性，這保證了測量的可靠性。

由于鐵離子的順磁性可以引起T1或T2的信號強(qiáng)度下降，且對T2弛豫的影響明顯>T1弛豫[7]，所以本研究使用T1WI和T2WI的信噪比對鐵濃度進(jìn)行分析，通過研究發(fā)現(xiàn)無論在1.5T或3.0T MR上，當(dāng)鐵濃度>2.0 mg/mL時(shí)，T2WI上相應(yīng)鐵濃度試管的信號強(qiáng)度與背景相近，無法區(qū)分，也就是說T2WISNR測量的鐵濃度范圍應(yīng)<2.0 mg/mL。1.5T MR上鐵濃度<1.5 mg/mL時(shí)，T1WISNR與鐵濃度呈正性線性相關(guān)。產(chǎn)生這種結(jié)果是因?yàn)楸狙芯渴褂玫氖怯倚囚F溶液，當(dāng)鐵濃度很低時(shí)，糖份部分的特性起主導(dǎo)作用，使得T1WI的信號強(qiáng)度增高，而當(dāng)鐵濃度增加到一定程度的時(shí)候(本實(shí)驗(yàn)為鐵濃度為1.5 mg/mL)，鐵的順磁性作用起主導(dǎo)作用，信號強(qiáng)度開始降低。這種情況在活體組織中會不會存在，若存在，其鐵濃度的界值是什么，目前還沒有相關(guān)的研究。

對于不同鐵濃度的溶液的T2map和T2*map成像，無論在1.5T或3.0T MR上， T2和T2*值與鐵濃度呈非線性相關(guān)，而R2和R2*值與鐵濃度呈線性相關(guān)。鐵的順磁性作用使得T2和T2*縮短[7]，尤其是T2*，所以當(dāng)鐵濃度逐漸增加時(shí)，T2和T2*值降低。鐵濃度過高(鐵濃度>2.5 mg/mL)時(shí)，1.5T MR上的T2*值維持在6 ms左右，3.0T MR上T2*值(在鐵濃度>0.9 mg/mL)隨著濃度的增加而升高；而T2值在兩個(gè)場強(qiáng)均升高。這有可能是當(dāng)鐵濃度增加得過高，引起周圍環(huán)境的磁場不均勻性超出了物質(zhì)本身的信號強(qiáng)度值，造成多回波圖像在重建時(shí)出現(xiàn)偽影，無法準(zhǔn)確分析出高鐵濃度(1.5T鐵濃度>2.5 mg/mL或3.0T鐵濃度>0.9 mg/mL)的T2和T2*值。所以在測量高鐵濃度時(shí)，應(yīng)該根據(jù)具體情況采用特定的序列[8,9]即更短的TE時(shí)間，小于所測鐵負(fù)荷的T2*(如Ultrashort echo-time，UTE)或高端的圖像后處理方法[10，11]，區(qū)分出背景場和磁敏物質(zhì)產(chǎn)生的局部磁場，去除背景場影響，直接測量鐵本身的磁化率(如Quantitative susceptibility mapping，QSM)進(jìn)行檢測，否則可能會低估在體鐵含量，無法為臨床提供治療的準(zhǔn)確依據(jù)。

綜上所述，通過本研究確定MRI測量體外鐵濃度模型具有可重復(fù)性。目前，1.5T MR在評估鐵濃度的應(yīng)用上優(yōu)于3.0T MR，1.5T MR可以準(zhǔn)確測量鐵濃度的范圍為鐵濃度≤2.5 mg/mL，而3.0T MR可準(zhǔn)確測定的范圍為鐵濃度≤0.90 mg/mL。R2*所測量的鐵濃度范圍>T1WISNR和R2，所以，應(yīng)該選用T2*map在1.5T MR上進(jìn)行鐵濃度的分析測量。

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Quantitativemeasurementofironconcentrationinvitromodelacomparativestudybetween1.5Tand3.0TMRI

HUANG Lu,HAN Rui,XIA Li-ming.

Department of Radiology,Tongji Hospital,Tongji Medical College,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430030

Objective:To investigate the reliability of quantitative measurement of iron concentration in vitro model using MRI and compare the accuracy between 1.5T and 3.0T.MethodsTwo sets of iron concentration in vitro models were made,ranging from 0mg/mL to 5.0mg/mL and from 0mg/mL to 1.0mg/mL,respectively.The scanning protocol included FSE/T1WI,FRFSE/T2WI,T2map and T2*map on axial section.Two radiologists independently evaluated the MR images of the models.T1WI signal to noise ratio (SNR),T2WI SNR,T2,R2,T2*and R2*values were evaluated.Intraclass correlation coefficient (ICC) was used to evaluate the agreements of the parameters and Pearson correlation analysis was used to calculate the correlation between iron concentration and MR measurement indexes.ResultsThe ICCs of T1WI SNR,T2WI SNR,T2,R2,T2*and R2*values evaluated by two radiologists were all more than 0.900 (P<0.001).The relation between iron concentration and T2WI SNR,T2and T2*values demonstrated function relation on 1.5T or 3.0T MR scanner.At 1.5T MR scanner,when iron concentration was less than 1.5mg/mL,T1WI SNR and R2 correlated positively with iron concentration (P<0.05).At 3.0T MR scanner,when iron concentration was less than 2.5mg/mL,R2*had a positive correlation with it (P<0.001).When iron concentration was less than 0.900mg/mL,R2and R2*were positively correlated with it (P<0.05).ConclusionMRI is able to quantitatively evaluate iron concentration in vitro model reproducibly.R2*value is the best index to evaluate the iron concentration at either 1.5T or 3.0T MR.The measureable range at 1.5T MR is wider than that at 3.0T MR.

Model； Iron； Magnetic resonance imaging

R591.1; R445.2

A

1000-0313(2017)10-1014-05

2016-12-27

2017-03-14)

430030 武漢，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院放射科(黃璐、夏黎明)；430022 武漢，武漢市第一醫(yī)院放射科(韓瑞)

黃璐(1985-)，女，江西吉安人，博士，主治醫(yī)師，主要從事心臟功能磁共振研究工作。

夏黎明，E-mail：cjr.xialiming@vip.163.com

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.10.004