基于磁化率成像Brainnetome Atlas腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜定量分析腦鐵的可行性

李棟學(xué)，代 斌，熊真亮，曾憲春，王榮品

(貴州省人民醫(yī)院放射科 貴州省智能醫(yī)學(xué)影像分析與精準(zhǔn)診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 精準(zhǔn)影像診療示范型國(guó)際科技合作基地，貴州 貴陽(yáng) 550002)

鐵為人體必須且含量最高的微量元素，參與纖維束生長(zhǎng)、髓鞘形成、氧運(yùn)輸、電子轉(zhuǎn)運(yùn)及神經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)體生成等過(guò)程，與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展相關(guān)[1]。早發(fā)現(xiàn)、早診斷鐵代謝異常相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)疾病具有重要臨床意義。認(rèn)識(shí)正常人腦鐵分布及變化規(guī)律，探尋準(zhǔn)確且無(wú)創(chuàng)的腦鐵定量方法，對(duì)研究鐵代謝異常疾病具有重要價(jià)值。作為一種量化生物組織內(nèi)磁化率空間分布MRI技術(shù)，定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping, QSM)已越來(lái)越多地用于定量研究腦鐵，是目前臨床定量測(cè)量活體組織內(nèi)鐵含量的主要方法[2]。本研究探討采用基于QSM的Brainnetome Atlas腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜定量分析腦鐵的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 2018年7月—2019年5月招募43名右利手、健康的成年志愿者，其中男20名，女23名，年齡22～58歲，平均(35.3±10.0)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：自愿、知情并填寫(xiě)MR檢查同意書(shū)；無(wú)MR檢查禁忌證；無(wú)腦器質(zhì)性疾病史；無(wú)神經(jīng)精神疾?。粺o(wú)酒精及藥物依賴(lài)。排除標(biāo)準(zhǔn)：檢查未完成而終止；圖像質(zhì)量不佳影響后處理。

1.2 儀器與方法 采用GE 3.0T MR掃描儀(Discovery MR 750, Milwaukee, WI)，行常規(guī)序列、3D T1W及QSM掃描。主要掃描參數(shù)：3D T1W，TR/TE 8.5/3.2 ms，TI 450 ms，翻轉(zhuǎn)角15°，視野256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1 mm，帶寬31.25 kHz；QSM，TR/TE 41.8/3.3 ms，回波數(shù)16，間隔時(shí)間2.3 ms，翻轉(zhuǎn)角20°，視野256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1 mm，帶寬62.50 kHz。

將原始數(shù)據(jù)傳至GE后處理工作站，利用Functool軟件行后處理，得到磁敏感圖像。以DICOM格式輸出磁化率(susceptibility, SUS)圖像、原始圖像(RAW)及3D T1WI(T1)圖像，進(jìn)行線下處理。利用dcm2niigui軟件將SUS和T1圖像轉(zhuǎn)換為NIFTI格式(.nii)，采用Matlab(MathWorks, Natick, MA, USA)軟件自編代碼完成RAW圖像的NIFTI格式轉(zhuǎn)換?；贛atlab利用SPM12軟件包(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以T1圖像為金標(biāo)準(zhǔn)，RAW圖像為配準(zhǔn)參考，將此配準(zhǔn)參數(shù)套用到SUS圖像進(jìn)行配準(zhǔn)；而后將T1圖像對(duì)應(yīng)到東亞人腦模板上進(jìn)行正規(guī)化；最后進(jìn)行平滑處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化SUS圖像。在SPM12 Check Reg中，以SUS圖像及SPM標(biāo)準(zhǔn)腦模板對(duì)應(yīng)檢查配準(zhǔn)情況，手動(dòng)微調(diào)配準(zhǔn)欠佳圖像。

在Brainnetome Atlas腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜上找到雙側(cè)海馬(hippocampus， HP)、蒼白球(globus pallidus，GP)、尾狀核(caudate， CA)、殼核(putamen， PU)、丘腦(thalamus， TH)、額葉皮質(zhì)(frontal cortex， FC)、頂葉皮質(zhì)(parietal cortex，PC)及枕葉皮質(zhì)(occipital cortex， OC)共計(jì)16個(gè)腦區(qū)，設(shè)置ROI，利用Matlab R2013a軟件，使用自定義代碼提取各ROI的磁化率值，以Excel表格輸出數(shù)據(jù)。同時(shí)利用Functool軟件在SUS圖像上于HP、GP、CA、PU、TH最大層面手工勾畫(huà)ROI，在FC、PC、OC皮層最厚處手工勾畫(huà)ROI(≤10 mm2)，測(cè)量磁化率值。由2名神經(jīng)影像學(xué)主任醫(yī)師共同完成數(shù)據(jù)處理、ROI勾畫(huà)及磁化率測(cè)量，排除質(zhì)量不佳及配準(zhǔn)不滿意圖像。處理過(guò)程示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 基于Brainnetome Atlas腦磁化率值測(cè)量后處理過(guò)程示意圖 A、B.于GE工作站進(jìn)一步計(jì)算QSM相位圖和幅度圖，得到SUS圖像； C.以Matlab軟件依次將QSM相位圖和SUS圖像匹配到T1圖像； D.將配準(zhǔn)好的SUS圖像對(duì)應(yīng)到標(biāo)準(zhǔn)腦模板上并進(jìn)行校對(duì)； E.以自定義Matlab代碼從標(biāo)準(zhǔn)化ROI中提取磁化率值，在腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜Brainnetome Atlas選取ROI

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。計(jì)量資料以±s表示。將Matlab法和手工所測(cè)磁化率值與尸檢腦組織染色所得鐵濃度數(shù)據(jù)[3]進(jìn)行Pearson相關(guān)分析；以Spearman相關(guān)分析觀察磁化率值與年齡的相關(guān)性。繪制磁化率值分布箱式圖；采用非參數(shù)Wilcoxon檢驗(yàn)比較不同性別、側(cè)別間磁化率值。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 磁化率值與組織病理結(jié)果的一致性 Matlab法及手工勾畫(huà)法所測(cè)磁化率值呈正相關(guān)(r=0.959，P<0.001)，且均與尸檢化學(xué)染色測(cè)量鐵濃度結(jié)果[3]呈正相關(guān)(r=0.920、0.856，P=0.003、0.014)，見(jiàn)表1。

表1 Matlab法及手工勾畫(huà)法所測(cè)各腦區(qū)磁化率值(ppb)與病理鐵濃度值(mg iron/100 g)

2.2 磁化率值分布及與年齡的相關(guān)性 箱式圖(圖2)示手工法測(cè)量磁化率值整體高于Matlab法，其上限和大部分下限均高于Matlab法；2種方法測(cè)量GP、PU、FC均存在少數(shù)異常值。2種方法所測(cè)磁化率值均以GP最高，PU次之，HP最低。Matlab法及手工法測(cè)量ROI磁化率值整體與年齡均呈正相關(guān)(rs=0.535、0.340，P=0.001、0.026，圖3A)；其中Matlab法所測(cè)GP磁化率值與年齡相關(guān)性最高(r=0.737，P<0.001，圖3B)。

圖2 MATLAB法、手工勾畫(huà)法測(cè)量的磁化率值分布的箱式圖

圖3 磁化率值與年齡相關(guān)性散點(diǎn)圖 A.Matlab法(藍(lán))和手工勾畫(huà)法(紅)； B.MATLAB法測(cè)量GP

2.3 不同性別、側(cè)別磁化率值差異 Matlab法所測(cè)FC磁化率值男性高于女性(P<0.05)，不同性別間其余腦區(qū)磁化率值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。2種方法所測(cè)磁化率值不同側(cè)別間差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P均>0.05)，見(jiàn)表2、3。

表2 2種方法所測(cè)不同性別各腦區(qū)磁化率值比較(ppb, ±s)

表2 2種方法所測(cè)不同性別各腦區(qū)磁化率值比較(ppb, ±s)

性別HPMATLAB法手工勾畫(huà)法GPMATLAB法手工勾畫(huà)法CAMATLAB法手工勾畫(huà)法PUMATLAB法手工勾畫(huà)法男-24.40±8.26-33.55±13.1043.40±7.55103.68±19.5927.48±7.0259.61±12.3441.31±12.6882.02±17.48女-24.58±7.66-31.36±13.6941.38±8.4296.82±20.8225.18±7.3949.15±20.1936.24±12.9875.88±16.86Z值-0.195-0.463-0.122-0.438-1.144-1.583-1.6560.368P值0.8460.6440.9030.6610.2520.1130.0980.368性別THMATLAB法手工勾畫(huà)法FCMATLAB法手工勾畫(huà)法PCMATLAB法手工勾畫(huà)法OCMATLAB法手工勾畫(huà)法男-6.44±8.69-5.62±11.582.95±2.9439.59±15.882.38±1.4338.15±28.94-2.66±5.4-1.21±14.06女-1.62±11.040.00±11.450.90±3.2740.93±10.772.01±0.9327.71±23.9-2.62±4.24-1.00±13.49Z值-1.437-1.631-2.167-0.341-1.291-1.364-0.146-0.134P值0.1510.1030.0300.7330.1970.1730.8840.893

3 討論

3.1 QSM成像及Brainnetome Atlas腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜 腦內(nèi)不同形式的鐵具有不同磁化效能。非血紅素鐵為順磁性物質(zhì)，能引起局部磁場(chǎng)不均勻，縮短組織橫向弛豫時(shí)間，并反映于MRI上。非血紅素鐵中，鐵蛋白及含鐵血黃素占大部分，是引起MRI信號(hào)改變的主要鐵存在形式[4]，故可通過(guò)MRI評(píng)估正常氧合狀態(tài)下腦組織鐵含量。QSM基于梯度回波序列成像，首先采集多個(gè)不同回波時(shí)間的幅度圖和相位圖，再對(duì)相位圖解卷繞并消除寬大背景場(chǎng)，得到大腦組織局部場(chǎng)圖，代表不同組織間鐵的差異；最后結(jié)合幅度圖利用正則化約束求解，獲得大腦組織SUS圖像，通過(guò)勾畫(huà)ROI可得到組織中的鐵含量[2,5-6]。QSM能較好識(shí)別高分辨率MRI難以辨認(rèn)的TH核團(tuán)[7]，高場(chǎng)下QSM可顯示腦白質(zhì)和腦灰質(zhì)邊界細(xì)節(jié)[8-9]，是具有高對(duì)比度、高分辨力、可完全定量鐵含量的新興MRI技術(shù)。Brainnetome Atlas腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜由中科院自動(dòng)化所蔣田仔團(tuán)隊(duì)于2016年繪制，利用腦結(jié)構(gòu)和功能連接信息將腦區(qū)精細(xì)劃分為246個(gè)腦亞區(qū)，具有客觀精準(zhǔn)的邊界定位[10]。本研究基于Brainnetome Atlas腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜于雙側(cè)HP、GP、CA、PU、TH、FC、PC、OC共16個(gè)腦區(qū)選取ROI。

表3 2種方法所測(cè)不同側(cè)別各腦區(qū)磁化率值比較(ppb,±s)

表3 2種方法所測(cè)不同側(cè)別各腦區(qū)磁化率值比較(ppb,±s)

性別HPMATLAB法手工勾畫(huà)法GPMATLAB法手工勾畫(huà)法CAMATLAB法手工勾畫(huà)法PUMATLAB法手工勾畫(huà)法左側(cè)-24.48±9.18-32.56±14.8342.93±8.44103.06±20.8625.86±6.9153.21±17.2838.67±13.877.33±18.41右側(cè)-24.51±8.03-32.2±13.8241.71±7.9996.96±23.5726.64±8.0654.82±18.3538.52±14.3080.14±20.53Z值-0.004-0.363-0.751-1.118-0.734-0.54-0.255-1.075P值0.9970.7170.4520.2630.4630.5890.7990.282性別THMATLAB法手工勾畫(huà)法FCMATLAB法手工勾畫(huà)法PCMATLAB法手工勾畫(huà)法OCMATLAB法手工勾畫(huà)法左側(cè)-4.33±10.90-2.53±12.121.76±3.2940.69±15.362.03±1.332.75±28.69-2.75±5.30-0.91±14.15右側(cè)-3.39±10.01-2.69±12.451.95±3.4739.93±14.522.33±1.3032.38±33.15-2.52±4.96-1.29±13.25Z值-0.466-0.177-0.397-0.367-0.92-0.35-0.272-0.134P值0.6410.8590.6910.7140.3580.7260.7860.894

3.2 Matlab腦鐵定量方法可行性 本研究發(fā)現(xiàn)Matlab和手工勾畫(huà)2種方法所測(cè)磁化率值均與病理鐵濃度呈顯著正相關(guān)，表明QSM定量磁化率值可間接反映腦鐵含量[11-12]；且2種方法所測(cè)磁化率值呈顯著正相關(guān)，而Matlab法測(cè)值與病理鐵濃度相關(guān)性更高，提示Matlab法可準(zhǔn)確測(cè)量腦鐵含量。

腦鐵分布具有時(shí)間、空間異質(zhì)性[13-14]。本研究中2種方法所測(cè)磁化率值均與年齡呈正相關(guān)，提示腦鐵含量隨年齡增加而呈逐漸緩升趨勢(shì)，與既往研究[3,15]結(jié)果相符；2種方法所測(cè)磁化率值均以GP最高，PU次之，HP最低，與夏爽等[16]的研究結(jié)果一致，提示鐵在椎體外系功能運(yùn)作中具有重要作用。

本研究Matlab法所測(cè)FC磁化率值存在顯著性別差異，2種方法所測(cè)磁化率值均無(wú)側(cè)別差異，與XU等[17]研究結(jié)果一致；但也存在不同研究結(jié)果，如夏爽等[16]認(rèn)為GP磁化率存在性別差異、CA磁化率存在側(cè)別差異，洪居陸等[18]報(bào)道CA磁化率存在性別差異。磁化率分布存在異質(zhì)性，性別及側(cè)別間可能有所差別，有待加大樣本量深入分析。

本研究中Matlab法所測(cè)磁化率值整體低于手工勾畫(huà)法測(cè)值，可能與前者計(jì)算的是整個(gè)三維結(jié)構(gòu)的平均磁化率，而后者僅針對(duì)結(jié)構(gòu)最大層面勾畫(huà)ROI測(cè)得磁化率有關(guān)；2種方法測(cè)量GP、PU、FC均存在少數(shù)異常值，提示測(cè)量過(guò)程中難免均存在誤差。

本研究的主要不足：受試者均為貴州本地人，可能存在地域偏倚；Matlab數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程采用東亞人標(biāo)準(zhǔn)腦模板，可能存在匹配及對(duì)應(yīng)偏差；在Brainnetome Atlas腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜中只選取部分腦亞區(qū)作為ROI，可能存在樣本量偏少等問(wèn)題。

綜上所述，QSM是定量腦鐵含量的較準(zhǔn)確可靠的MRI技術(shù)，可較好顯示腦鐵分布特點(diǎn)及隨年齡變化規(guī)律。因腦鐵含量可能存在性別差異，今后研究中需考慮性別影響?；贐rainnetome Atlas腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的Matlab定量測(cè)量腦鐵具有較高準(zhǔn)確性和可行性，能減少工作量、節(jié)省時(shí)間，但需注意警惕計(jì)算機(jī)配準(zhǔn)、校正、標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程可能造成的誤差。