集成磁共振成像快速掃描參數(shù)對(duì)腦組織T1、T2及質(zhì)子密度測(cè)量值的影響

鄭作鋒，王振常，楊家斐，張東坡，馬雋

作者單位：1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院放射科，北京100050；2.北京市垂楊柳醫(yī)院放射科，北京100022

集成磁共振成像(synthetic magnetic resonance imaging，SyMRI)采用多動(dòng)態(tài)多回波序列(multi-dynamic multi-echo，MDME)，一次掃描可獲得T1、T2 及質(zhì)子密度(proton density，PD)定量圖譜，合成不同加權(quán)的圖像[1]。目前研究表明SyMRI在多發(fā)性硬化、腦腫瘤、Sturge-Weber綜合征、細(xì)菌性腦膜炎、腦卒中及新生兒腦病[2-9]方面均有應(yīng)用價(jià)值，并嘗試作為常規(guī)顱腦掃描應(yīng)用于臨床[10]。另外還可以行腦組織分割及灰、白質(zhì)體積測(cè)量[11-12]，并且在病灶顯示方面與常規(guī)MRI 掃描相仿[13]。T1、T2及PD是組織的物理特性，也是SyMRI定量分析的基礎(chǔ)，其測(cè)量值的準(zhǔn)確性尤為重要。既往研究表明采用不同顱腦線圈[14]或采用不同廠家設(shè)備測(cè)量T1、T2及PD值具有很好的一致性[15]。但在臨床工作中，可能會(huì)修改掃描參數(shù)，加快掃描速度，以應(yīng)對(duì)難以配合的患者。本研究將探討MDME 序列快速掃描參數(shù)對(duì)正常顱腦組織T1、T2、PD 測(cè)量值的影響，實(shí)現(xiàn)快速掃描參數(shù)的優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究為前瞻性研究。入組標(biāo)準(zhǔn)為：(1)無(wú)明顯基礎(chǔ)疾病，無(wú)神經(jīng)及精神異常；(2)年齡小于50 歲；(3)能夠適應(yīng)顱腦MRI 檢查。排除標(biāo)準(zhǔn)為：(1)顱腦MRI 檢查腦內(nèi)有異常表現(xiàn)；(2)圖像存在明顯偽影。共有30 名志愿者于北京市垂楊柳醫(yī)院放射科完成顱腦MRI掃描，其中有5名排除在外(4名表現(xiàn)為腦白質(zhì)T2 FLAIR高信號(hào)，1例存在運(yùn)動(dòng)偽影)，最終入組25例，其中男8例，女17例，年齡22～46歲，平均24.1歲。本研究經(jīng)過(guò)北京市垂楊柳醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，批準(zhǔn)文號(hào)：垂楊柳倫申[2021-002KY]號(hào)，受試者均已簽署知情同意書(shū)。

1.2 MRI掃描

掃描設(shè)備為3.0 T 磁共振掃描儀(SIGNA Pioneer;GE Healthcare，Milwaukee，USA)，采用32 通道頭線圈。SyMRI 掃描采用MDME 序列，該序列為多層面激發(fā)、多飽和延遲、多回波的快速自旋回波序列。掃描過(guò)程中使用2 個(gè)回波時(shí)間來(lái)推算T2值，4個(gè)延遲時(shí)間來(lái)推算T1值，每層產(chǎn)生8幅圖像。

通過(guò)以上公式計(jì)算單位體素內(nèi)T1、T2、PD值，同時(shí)對(duì)B1場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)。公式中α 為90o激勵(lì)脈沖，θ 為120o飽和脈沖，A 為總體信號(hào)強(qiáng)度比例因子，與諸多因素有關(guān)，包括線圈敏感性、射頻鏈放大倍數(shù)以及體素體積[16]。

將MDME 序列設(shè)定三組不同掃描參數(shù)，分別記錄為EME(Emergency，急診組)，NOR (Normal，常規(guī)組)，RES (Research，科研組)，其中RES 組為標(biāo)準(zhǔn)掃描參數(shù)。掃描層厚4 mm，層間距1 mm，飽和脈沖翻轉(zhuǎn)角為120o，激勵(lì)脈沖為90o，重聚脈沖為180o，其余掃描參數(shù)見(jiàn)表1。入組25例受試者均各自完成三組不同掃描參數(shù)的SyMRI 掃描，掃描結(jié)束后將所得圖像傳送至工作站進(jìn)行后處理。圖像處理采用MAGiC (magnetic resonance imaging compilation)軟件(Software version 100.1.1，GE Healthcare，USA)，獲得T1 map、T2 map、PD map 以及不同加權(quán)的圖像。

表1 三組SyMRⅠ序列掃描參數(shù)

1.3 定量值測(cè)量

T1、T2 及PD 值測(cè)量采用感興趣區(qū)(region of interest，ROI)劃分的方法。通過(guò)MAGiC 軟件在Synthetic PSIR(phase-sensitive inversion recovery，相位敏感反轉(zhuǎn)恢復(fù))圖像上手工勾畫(huà)矩形ROI (PSIR圖像具有良好的灰白質(zhì)對(duì)比)，可同時(shí)獲得T1、T2 及PD 值。每位受試者每組序列勾畫(huà)28個(gè)ROI包括：腦灰質(zhì)14個(gè)(額葉、頂葉、枕葉皮層，海馬，尾狀核，豆?fàn)詈?，丘腦)，腦白質(zhì)12個(gè)(額葉、頂葉、枕葉皮層下，半卵圓中心、內(nèi)囊、胼胝體膝部、胼胝體壓部)，腦脊液2 個(gè)(側(cè)腦室前角)。除胼胝體外所有ROI 需同時(shí)測(cè)量左右半球。ROI 勾畫(huà)由一位工作10 年的放射科醫(yī)師完成，在勾畫(huà)過(guò)程中要避免部分容積效應(yīng)出現(xiàn)，ROI 大小依據(jù)測(cè)量的腦組織而定(表2)。取同一解剖結(jié)構(gòu)雙側(cè)測(cè)量值的平均值作為該部位的最終值。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

根據(jù)不同掃描參數(shù)，將T1、T2、PD 測(cè)量值分為三組：EME組，NOR組和RES組。計(jì)算每組不同部位T1、T2及PD值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，各組之間差異程度用組間變異系數(shù)(coefficient of variation，CV)表示。三組之間不同部位T1、T2 及PD 值的差異性比較采用單因素方差分析，P＜0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。將標(biāo)準(zhǔn)掃描參數(shù)RES 組測(cè)量值作為參考值。EME 組、NOR 組測(cè)量值與參考值的相關(guān)性分析采用Pearson 相關(guān)。統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件采用SPSS (SPSS for Windows，23.0.0.0，IBM)。

2 結(jié)果

三組之間不同部位T1、T2 及PD 值測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。三組之間統(tǒng)計(jì)學(xué)差異結(jié)果及組間CV見(jiàn)表3。

表2 三組掃描參數(shù)測(cè)量所得不同腦組織T1、T2及PD值(±s)

表2 三組掃描參數(shù)測(cè)量所得不同腦組織T1、T2及PD值(±s)

注：PD：質(zhì)子密度；ROI：感興趣區(qū)；EME：急診組；NOR：常規(guī)組；RES：科研組。

腦區(qū)額葉皮層頂葉皮層枕葉皮層海馬尾狀核豆?fàn)詈饲鹉X額葉白質(zhì)頂葉白質(zhì)枕葉白質(zhì)半卵圓中心內(nèi)囊胼胝體膝胼胝體壓腦脊液ROI面積(mm 2)4.7±0.6 3.9±0.7 4.6±1.2 33.4±6.2 25.3±4.2 37.5±7.4 46.9±5.9 38.6±6.3 38.6±6.8 34.5±7.4 67.6±8.0 6.1±1.6 39.4±8.4 52.4±9.1 4.8±0.9 T1 (ms)EME 1219.0±49.7 1167.0±39.0 1122.0±47.9 1135.0±54.4 1017.0±35.1 939.0±39.2 915.0±44.6 661.0±30.9 664.0±25.2 663.0±28.6 685.0±28.3 627.0±45.6 600.0±35.5 657.0±37.2 4292.0±7.5 NOR 1227.0±44.6 1163.0±42.2 1118.0±50.0 1132.0±55.7 1069.0±34.2 949.0±42.3 941.0±56.8 653.0±33.8 656.0±33.4 667.0±28.5 685.0±34.2 647.0±45.4 596.0±42.3 650.0±40.2 4291.0±4.4 RES 1269.0±50.2 1206.0±39.7 1158.0±48.4 1159.0±61.1 1084.0±39.7 961.0±40.2 966.0±51.2 681.0±30.6 685.0±30.9 689.0±29.3 700.0±35.9 665.0±34.5 621.0±36.4 664.0±42.4 4290.0±4.5腦區(qū)額葉皮層頂葉皮層枕葉皮層海馬尾狀核豆?fàn)詈饲鹉X額葉白質(zhì)頂葉白質(zhì)枕葉白質(zhì)半卵圓中心內(nèi)囊胼胝體膝胼胝體壓腦脊液T2 (ms)PD (%)RES 84.2±1.4 83.7±1.1 85.2±2.0 83.5±3.0 81.8±1.8 78.8±2.5 79.8±2.7 62.2±1.9 62.3±1.5 62.1±1.7 63.8±1.7 58.4±1.6 58.3±2.4 59.2±2.6 105.0±2.8 EME 93.9±3.7 84.9±3.6 80.6±3.7 91.4±5.4 77.4±3.0 66.6±4.6 72.8±3.5 76.0±3.2 79.8±2.9 82.5±3.1 79.3±3.2 77.3±5.5 71.2±4.0 76.8±5.8 1261.0±237.0 NOR 86.0±3.5 78.2±3.2 75.0±3.5 85.4±9.2 71.2±3.9 60.8±4.8 65.8±3.8 69.2±3.2 72.3±3.6 74.7±3.2 74.0±2.9 73.5±5.2 64.2±3.5 71.8±4.7 1406.0±203.0 RES 86.6±3.8 79.5±2.6 75.0±3.5 86.5±4.7 71.1±3.3 61.7±4.4 66.7±3.6 70.5±3.0 73.1±3.6 75.7±3.6 74.8±3.4 72.9±5.6 63.4±3.6 72.4±4.8 1305.0±177.0 EME 83.0±2.3 82.8±1.6 82.9±3.2 81.8±2.8 79.2±1.6 77.8±1.9 74.6±2.5 61.7±1.9 61.1±1.8 59.9±1.8 63.1±1.6 58.6±2.4 52.5±4.0 58.1±3.0 108.0±0.8 NOR 82.9±1.8 82.6±1.7 82.9±2.5 82.9±3.4 80.5±2.1 78.2±2.9 79.2±3.4 61.0±2.1 61.2±1.6 60.7±1.6 62.6±1.6 57.6±2.8 58.0±2.9 58.2±3.2 104.0±2.6

表3 不同腦組織T1、T2及PD測(cè)量值在EME、NOR、RES三組之間的差異性比較

結(jié)果顯示，三組之間T1、T2及PD值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，以下區(qū)域除外：海馬、豆?fàn)詈?、半卵圓中心、胼胝體膝部、壓部及腦脊液的T1 值；海馬、豆?fàn)詈?、額葉白質(zhì)、內(nèi)囊及胼胝體壓部的PD 值。三組之間T1 及PD 值差異較小，組間CV 除尾狀核T1 值(3.33%)、丘腦和胼胝體壓部PD 值(3.65%，5.80%)之外，均小于3%。三組之間T2 值差異較大，組間CV 均大于3%，最大組間CV為6.48%。

EME 組、NOR 組測(cè)量值與參考值(RES 組)之間呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為EME：T1：r=0.999，T2：r=0.982，PD：r=0.978；NOR：T1：r=0.999，T2：r=0.985，PD：r=0.986 (如圖1～3，腦脊液T1、T2及PD值與其他組織相差較大，未在圖中顯示)。

圖1～3 急診組(EME)、常規(guī)組(NOR)測(cè)量所得腦組織T1(圖1)、T2(圖2)及質(zhì)子密度(PD)值(圖3)與參考值(科研組：RES)之間線性相關(guān)分析。EME、NOR組測(cè)量值與參考值之間呈明顯線性相關(guān)(因腦脊液測(cè)量值與其他腦組織測(cè)量值差別較大，未在此圖顯示)

3 討論

本研究對(duì)MDME 序列設(shè)置三組不同的掃描參數(shù)分別對(duì)顱腦掃描，結(jié)果表明，MDME序列快速掃描參數(shù)對(duì)T1、T2及PD測(cè)量值有不同程度的影響，以T2 值影響最大，但三組測(cè)量值之間具有極強(qiáng)的線性相關(guān)性。這提示我們，使用不同參數(shù)的MDME序列可用來(lái)區(qū)分腦內(nèi)不同組織，但在定量比較或動(dòng)態(tài)隨訪過(guò)程中要注意掃描參數(shù)選擇的一致性。

3.1 MDME序列的優(yōu)勢(shì)

既往有大量研究測(cè)量正常腦組織的T1、T2 值，測(cè)量值的范圍較大(T1：600～1100 ms；T2：50～80 ms)[17-18]，主要原因可能與使用的測(cè)量方法不同有關(guān)。本研究使用MDME 序列所測(cè)量的腦組織T1、T2及PD值與既往測(cè)量值范圍相仿。該序列優(yōu)于其他測(cè)量方法主要表現(xiàn)于其掃描時(shí)間短，僅需要一次掃描，同時(shí)完成了從定量圖譜向加權(quán)圖像的轉(zhuǎn)化，加快了其在臨床中的應(yīng)用。本研究使用的方法較以前有所改進(jìn)[19]，首先使用更常用的自旋回波序列替代梯度回波序列，降低了磁敏感效應(yīng)的影響，其次采用多層面采集方法，兩次采集時(shí)間間隔較長(zhǎng)，對(duì)翻轉(zhuǎn)角度的使用不受限制[1]。

3.2 MDME序列定量測(cè)量值差異的原因

本研究顯示不同腦組織的T1、T2、PD 測(cè)量值在三組之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這提示我們，在臨床工作中進(jìn)行測(cè)量值對(duì)比時(shí)要使用同一種掃描參數(shù)。Hagiwara等[15]對(duì)正常志愿者在同一設(shè)備行多次掃描并在不同設(shè)備之間行多測(cè)掃描，結(jié)果顯示同一設(shè)備內(nèi)的CV 及設(shè)備間的CV 均小于1.4%。Kang等[20]采用不同的層厚和層間距對(duì)顱腦掃描，測(cè)量所得T1、T2 值無(wú)明顯差異。本研究從測(cè)量值的差異程度看，T1、PD 值差異最小，除尾狀核、丘腦、胼胝體膝部之外，其組間CV 均小于3%，而T2 值差異最大，組間CV 均大于3%，最大值為6.48%。尾狀核、丘腦、胼胝體膝部的組間CV 較大，其原因尚不清楚，可能與該組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，比如丘腦內(nèi)不僅含有灰質(zhì)核團(tuán)還有白質(zhì)纖維束，單個(gè)體素內(nèi)物質(zhì)更不均勻。West 等[11]認(rèn)為當(dāng)測(cè)量值差異程度小于3%時(shí)，不影響腦組織分割、體積測(cè)量以及加權(quán)圖像的合成。因此，本研究中T1及PD值的差異不足以影響其臨床應(yīng)用。

三組測(cè)量值之間存在差異可能有以下原因：(1) MDME 序列在算法上采用單指數(shù)衰減模型來(lái)推算某體素內(nèi)的定量值，但腦組織成分非常復(fù)雜，每個(gè)體素內(nèi)并非單一物質(zhì)，因此測(cè)量值僅反映在弛豫過(guò)程中起主要作用的組織[21]。(2) MDME 序列僅采用2 個(gè)回波點(diǎn)來(lái)測(cè)量組織的T2 值，較少的回波測(cè)量點(diǎn)在擬合橫向弛豫曲線時(shí)缺乏準(zhǔn)確性，而T1 值的測(cè)量采用4 個(gè)不同的等待時(shí)間點(diǎn)，因此T1 值的測(cè)量相對(duì)更加準(zhǔn)確。這可能是引起組織T2 測(cè)量值差異較大的主要原因。如果增加采集回波數(shù)量，可獲取更準(zhǔn)確的T2 值，但會(huì)延長(zhǎng)掃描時(shí)間。(3) MDME 序列掃描參數(shù)的差異，包括TE、TR、矩陣以及帶寬等(表1)。本研究中T2 測(cè)量值差異明顯，以EME組T2 值最高。Hagiwara 等[15]的研究采用廠家預(yù)設(shè)的掃描參數(shù)，并且不同掃描設(shè)備之間的掃描參數(shù)相差不大，而本研究中采用的掃描參數(shù)不同，但掃描參數(shù)的變化如何引起測(cè)量值的差異，還不甚清楚。Ryu 等[22]提出RF 脈沖的形態(tài)和B1 不均勻性都可能會(huì)導(dǎo)致MDME 序列讀出信號(hào)幅度的變化，進(jìn)而導(dǎo)致T1、T2 測(cè)量值可重復(fù)性的降低。本研究中掃描參數(shù)的變化可能同樣會(huì)引起讀出信號(hào)強(qiáng)度改變，進(jìn)而引起測(cè)量值的差異。

本研究中，腦脊液T2 測(cè)量值具有較大的組內(nèi)差異，在掃描參數(shù)一定的情況下，其標(biāo)準(zhǔn)差明顯高于其他組織的T2 值(177～237 ms)。Higiwara 等[15]研究中同樣顯示出較大的T2 差異，這除了與回波采集點(diǎn)較少之外，還可能跟測(cè)量組織的弛豫時(shí)間有關(guān)，對(duì)于T2 弛豫時(shí)間特別短或特別長(zhǎng)的組織測(cè)量值不準(zhǔn)確，如腦脊液。Ji 等[23]認(rèn)為當(dāng)測(cè)量組織的T1、T2 值超過(guò)某一閾值范圍時(shí)，測(cè)量所得的T1、T2 值變異增大。因此，采用MDME 序列來(lái)定量評(píng)價(jià)含有液性成分的病變時(shí)要謹(jǐn)慎。

3.3 動(dòng)態(tài)定量觀察需保持掃描參數(shù)一致

盡管不同掃描參數(shù)所得T1、T2、PD 值存在差異，但三組測(cè)量值具有明顯的相關(guān)性。這提示我們對(duì)于掃描時(shí)間較短的EME 組參數(shù)，同樣可作為定量評(píng)價(jià)的基線掃描或長(zhǎng)時(shí)間隨訪，但隨訪過(guò)程中要固定參數(shù)。這對(duì)于難以配合的患者，比如老年人是有意義的。

本研究有以下不足之處：(1)在勾畫(huà)ROI 過(guò)程中僅有一位醫(yī)師參與，并只勾畫(huà)一次，其可重復(fù)性在本研究中未證實(shí)，在以后的研究中可采用雙盲法，使測(cè)量值更準(zhǔn)確。(2)未使用模體，因此無(wú)法觀察MDME 快速掃描參數(shù)對(duì)均勻物質(zhì)的定量測(cè)量值是否有影響。(3)未將腦內(nèi)病變納入研究范圍，在以后研究中可關(guān)注MDME 序列快速掃描參數(shù)對(duì)顱腦病變測(cè)量值是否有影響。

總之，MDME序列可在較短時(shí)間內(nèi)完成全腦掃描，獲得腦組織T1、T2、PD 值并生成不同加權(quán)圖像?？焖賿呙鑵?shù)對(duì)腦組織T1、PD測(cè)量值的影響較小，對(duì)T2測(cè)量值影響較大，但不同掃描參數(shù)所得定量值之間具有較高的相關(guān)性。在臨床工作中進(jìn)行定量比較或動(dòng)態(tài)隨訪過(guò)程中要注意掃描參數(shù)選擇的一致性。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無(wú)利益沖突。