0～6歲兒童腦深部灰質(zhì)核團(tuán)鐵的變化：定量磁敏感圖與R2＊的比較

寧寧，金超，張衛(wèi)善，張雷，吳鵬，郭華，劉聰聰，武翔宇，楊健*

鐵參與大腦內(nèi)神經(jīng)元的能量代謝、髓鞘形成、神經(jīng)遞質(zhì)代謝等多項(xiàng)生理功能，腦鐵在早期腦發(fā)育過程中必不可少[1]，無創(chuàng)檢測(cè)腦鐵對(duì)于研究腦發(fā)育和鐵沉積相關(guān)性疾病非常重要，研究年齡相關(guān)性腦鐵變化將有助于評(píng)價(jià)早期的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育。異常的腦鐵含量也可能與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)[2-3]，例如注意力缺陷多動(dòng)障礙、孤獨(dú)癥者其腦鐵含量減低，而腦組織鐵沉積性神經(jīng)變性疾病及缺氧缺血性腦損傷其腦鐵含量增加。

鐵作為順磁性物質(zhì)，具有較高的磁敏感性，而年齡相關(guān)性磁敏感性的變化也將為評(píng)估腦鐵聚集狀態(tài)提供有價(jià)值的信息。在既往磁共振成像研究中[4-5]，橫向弛豫率R2對(duì)成人腦鐵含量高的部位測(cè)量效果尚可，但由于腦組織的R2受到組織含水量的影響，其并不適用于兒童腦鐵含量的量化評(píng)估。R2’和場(chǎng)強(qiáng)依賴的弛豫率增強(qiáng)的方法雖對(duì)鐵含量的測(cè)量較為特異，但兩者均需2次掃描才能計(jì)算出參數(shù)值，難度較大，掃描對(duì)象難以順利配合完成。R2*綜合了R2和R2’的信息，其隨腦鐵含量升高而呈線性增加，R2*值常被作為鐵含量測(cè)量的可靠指標(biāo)[6]。磁敏感加權(quán)成像(suscept ibil it y weighed imaging，SWI)可利用組織間的磁敏感度的差異產(chǎn)生圖像對(duì)比，經(jīng)過后處理產(chǎn)生定量磁敏感圖(quant it at ive susceptibil it y mapping，QSM)，從磁敏感性角度反映組織對(duì)比，對(duì)鐵含量的變化敏感，可直接測(cè)量組織的磁敏感性值[7-8]。

因此，本研究擬運(yùn)用T2*加權(quán)血管成像(enhanced T2 st ar weight ed angiogr aphy，ESWAN)序列后處理得到的R2*和QSM圖，定量測(cè)量R2*和磁敏感性值，觀察0～6歲兒童腦深部灰質(zhì)核團(tuán)鐵隨年齡的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

回顧性收集2011年1月至2013年12月行頭顱MRI檢查的兒童，年齡范圍1個(gè)月至6歲。1歲以內(nèi)來源于臨床因喂養(yǎng)困難、嘔吐、有其他部位的疾病懷疑合并顱腦異常等，1歲以上來源于健康查體、頭痛、嘔吐、因其他部分疾病懷疑顱腦疾病等。納入標(biāo)準(zhǔn)：①足月兒；②檢查時(shí)均行ESWAN掃描；③常規(guī)頭顱MR T1WI和T2WI檢查未見明顯異常者。排除標(biāo)準(zhǔn)：①M(fèi)RI檢查時(shí)及隨訪2年內(nèi)有神經(jīng)行為學(xué)異常者；②頭部外傷史、嬰兒期腦病、顱內(nèi)感染、遺傳代謝性疾病、先天性腦發(fā)育畸形、先天性心臟病史；③因運(yùn)動(dòng)或磁敏感偽影圖像無法分析者。依據(jù)納入排除標(biāo)準(zhǔn)，共收集兒童87例，年齡：1～72個(gè)月，其中男26例[月齡：(17.1 ±14.6 )個(gè)月]，女61例[月齡：(18.0 ±17.3 )個(gè)月]。本研究經(jīng)西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，在檢查前均告知其監(jiān)護(hù)人檢查目的、步驟、注意事項(xiàng)及可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，并自愿簽署知情同意書。

1.2 掃描設(shè)備和圖像采集

對(duì)于不能良好配合MRI掃描的兒童，檢查前30 min左右給予鎮(zhèn)靜處理，口服10%水合氯醛(25 mg/kg體質(zhì)量)，鎮(zhèn)靜前常規(guī)喂奶。

運(yùn)用3.0 T MR掃描儀(Signa HDxt，Gener al El ect r ic Medical Syst em，Mil waukee，WI，USA)，8通道頭部相控陣線圈。檢查前于外耳道內(nèi)塞入隔音棉塞，使掃描對(duì)象仰臥于MR檢查床上，并使用塑性海綿墊固定頭顱，使掃描對(duì)象頭顱位于線圈中心，并且保證聽眥線垂直于床面。監(jiān)護(hù)患者生命體征，包括體溫、心率、呼吸和氧飽和度。首先進(jìn)行MR常規(guī)序列掃描，精確定位前后聯(lián)合的位置，然后在平行于大腦前后聯(lián)合連線的平面上，進(jìn)行軸位三維快速擾相梯度回波(three dimensional f ast spoil ed gradient echo，3D-FSPGR)T1WI、T2WI及ESWAN掃描。

掃描序列及成像參數(shù)如下：3D-FSPGR T1WI：重復(fù)時(shí)間/回波時(shí)間=10 ms/4.6 ms，激勵(lì)次數(shù)=1，掃描視野為18 cm×18 cm，層厚=1.0 mm，矩陣=256×256，掃描時(shí)間為5 min 10 s。T2WI：重復(fù)時(shí)間/回波時(shí)間=4200 ms/120 ms，激勵(lì)次數(shù)=1.5 ，掃描視野為18 cm×18 cm，層厚=4.0 mm，矩陣=512×512，掃描時(shí)間為2 min 12 s。ESWAN：重復(fù)時(shí)間=51 ms，回波個(gè)數(shù)=6，TE=7～46 ms(TE1=7 ms，TE6=46 ms，△TE=7.8 ms)，翻轉(zhuǎn)角=20°，層厚/層間距=2 mm/0 mm，激勵(lì)次數(shù)=0.6 9，掃描視野為18 cm×18 cm，矩陣=384×256，掃描時(shí)間為3 min 17 s，行3D軸位掃描。

1.3 圖像后處理及定量測(cè)量方法

由兩名主治醫(yī)師觀察常規(guī)MRI序列圖像(T1WI、T2WI)無明顯異常表現(xiàn)，將可以達(dá)到測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的ESWAN圖像納入本研究測(cè)量組。在GE AW4.4 后處理工作站上，采用Funct ool對(duì)ESWAN原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，得到R2*圖和相位圖。依據(jù)Li等[9]報(bào)道，在相位圖的基礎(chǔ)上計(jì)算QSM圖。

計(jì)算QSM圖的具體方法為：將多回波相位圖展開，根據(jù)不同的回波標(biāo)準(zhǔn)化后生成頻率圖；將不同回波的頻率圖作平均化，運(yùn)用優(yōu)化的相位數(shù)據(jù)復(fù)雜諧波偽影減低法(sophist icat ed har monic ar t if act r educt ion f or phase dat a，SHARP)去除背景頻率；最后，使用基于正交及上三角分解最小二乘法的方法基于頻率圖計(jì)算QSM圖[10]。

在顯示腦深部灰質(zhì)核團(tuán)最大的QSM圖層面上(圖1A)，運(yùn)用ImageJ軟件的多邊形測(cè)量工具，分別勾畫雙側(cè)尾狀核、殼核、蒼白球、丘腦ROI，避免納入腦內(nèi)靜脈或接觸核團(tuán)邊緣，并將ROI復(fù)制于R2*圖像，以保證QSM圖和R2*圖中的ROI位置和大小一致(圖1B)。測(cè)量ROI內(nèi)的R2*和QSM磁敏感性值，由2名影像科高年資主治醫(yī)師采用雙盲法分析圖像，分別勾畫ROI，測(cè)值取兩者平均值。各灰質(zhì)核團(tuán)的磁敏感性值將以胼胝體壓部磁敏感性值作參照(即將二者差值作為核團(tuán)的相對(duì)磁敏感性值)[11]。

圖1 腦深部灰質(zhì)核團(tuán)標(biāo)注ROI的QSM和R2*圖(1、2：尾狀核；3、4：殼核；5、6：蒼白球；7、8：丘腦)。A：QSM圖，B：R2*圖Fig.1 ROIs in QSM and R2*mapping(1,2:Caudate nucleus;3,4:Putamen;5,6:Globuspallidus;7,8:Thalamus).A:QSM,B:R2*mapping.

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

對(duì)所獲得的所有數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS 13.0 版統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，各年齡組不同部位灰質(zhì)核團(tuán)磁敏感性值和R2*值，均符合正態(tài)分布，采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)進(jìn)行表述。對(duì)兩位醫(yī)師的同一部位測(cè)量結(jié)果的一致性進(jìn)行組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(int r acl ass cor r el at ion coef f icient，ICC)檢驗(yàn)。用多元回歸分析判別年齡、性別、左右側(cè)別對(duì)磁敏感性值和R2*值的影響。按照年齡將研究對(duì)象分組，將磁敏感性值和R2*值與月齡做線性回歸分析，并進(jìn)一步使用Pear son法進(jìn)行相關(guān)性分析。所有統(tǒng)計(jì)結(jié)果均以P＜0.0 5為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 QSM磁敏感性值與R2*值測(cè)量的一致性檢驗(yàn)

在各測(cè)量部位ROI，無論是QSM磁敏感性值還是R2*測(cè)量值，兩位醫(yī)師對(duì)同一部位測(cè)量結(jié)果的一致性的ICC值均＞0.7 5，提示不同觀察者之間測(cè)量結(jié)果的一致性均較好。

2.2 QSM和R2*圖各腦區(qū)圖像對(duì)比

在QSM和R2*圖中順磁性越強(qiáng)的物質(zhì)顯示的信號(hào)越高。QSM圖中灰白質(zhì)對(duì)比度更好，而R2*圖相對(duì)較弱。在勾畫ROI時(shí)，QSM圖對(duì)組織結(jié)構(gòu)的邊界顯示更加清晰。QSM圖肉眼可見1月齡灰白質(zhì)分界不清晰，自1歲開始，深部灰質(zhì)核團(tuán)的邊界逐漸清晰。隨年齡增加，各核團(tuán)對(duì)比更加清晰，信號(hào)強(qiáng)度逐漸增加。6歲時(shí)可見以蒼白球信號(hào)強(qiáng)度最高，其次是尾狀核，內(nèi)外側(cè)蒼白球已明顯分界。而R2*圖因分辨率較低，雖也可顯示蒼白球隨年齡增長(zhǎng)信號(hào)強(qiáng)度逐漸增加，但深部灰質(zhì)核團(tuán)邊界不清晰。1月齡、1歲和6歲QSM和R2*圖見圖2。

圖2 1月齡、1歲和6歲各腦區(qū)QSM和R2*圖Fig.2 QSM and R2*mapping of brain in 1 month,1 year and 6 years old.

2.3 QSM磁敏感性值和R2*值與月齡的關(guān)系

各深部灰質(zhì)核團(tuán)QSM磁敏感性值、R2*值與性別、左右側(cè)別無顯著依存關(guān)系(P均＞0.0 5)，而與月齡呈顯著依存關(guān)系(P＜0.0 5)。左右側(cè)QSM磁敏感性值、R2*值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均＞0.0 5)，故將左右側(cè)QSM磁敏感性值、R2*值取平均值進(jìn)行相關(guān)性分析。

據(jù)2.2 節(jié)觀察到1歲前后的變化趨勢(shì)不同，故按照年齡將研究對(duì)象分為1個(gè)月至1歲和大于1～6歲兩組進(jìn)行下一步分析[12]，其中1個(gè)月至1歲組49例，大于1～6歲組38例。兩個(gè)年齡組各深部灰質(zhì)核團(tuán)QSM磁敏感性值、R2*值與月齡的線性回歸方程及參數(shù)見表1，可見蒼白球與月齡的回歸方程的斜率最高。

表1 深部灰質(zhì)核團(tuán)磁敏感性值、R2*值與月齡的線性回歸方程參數(shù)Tab.1 Fitted linear regression parameters for susceptibility and R2*values with age in deep gray matter nuclei

1個(gè)月至1歲組，蒼白球QSM磁敏感性值與月齡呈正相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)為0.3 11，P＜0.0 01)，而其余部位磁敏感性值與月齡無顯著相關(guān)性(P均＞0.0 5)；各深部灰質(zhì)核團(tuán)的R2*值與月齡均呈正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為尾狀核：0.6 71，殼核：0.6 88，蒼白球：0.6 67，丘腦：0.6 67，P均＜0.0 01)。大于1～6歲組，各部位QSM磁敏感性值和R2*值與月齡均呈正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分 別 為 尾 狀 核：0.6 76和0.4 61，殼核：0.7 01和0.6 23，蒼 白 球：0.8 70和0.7 43，丘 腦：0.5 70和0.6 84，P均＜0.0 5)，詳見圖3、4。

圖3 各深部灰質(zhì)核團(tuán)磁敏感性值與月齡的相關(guān)性 圖4 各深部灰質(zhì)核團(tuán)R2*值與月齡的相關(guān)性Fig.3 Thelinear correlation of susceptibility valuewith agein each deep gray nucleus.Fig.4 Thelinear correlation of R2*valuewith agein each deep gray nucleus.

3 討論

3.1 QSM和R2*圖像對(duì)比

組織的磁敏感性是物質(zhì)在磁場(chǎng)中磁化的物理特性，也是SWI圖像對(duì)比的基礎(chǔ)。在小兒中，R2*圖僅可顯示蒼白球與周圍組織的對(duì)比，而灰白質(zhì)對(duì)比并不清晰。在QSM圖中，順磁性物質(zhì)例如鐵蛋白和脫氧血紅蛋白呈高信號(hào)，而髓鞘等反磁性物質(zhì)呈低信號(hào)。與R2*圖比較，QSM圖不僅僅可以清晰顯示灰白質(zhì)的對(duì)比，還可以將富含鐵的深部灰質(zhì)核團(tuán)與周圍組織顯著分界，該發(fā)現(xiàn)與既往研究一致[13]。

1歲以前，QSM顯示包括蒼白球在內(nèi)的深部灰質(zhì)核團(tuán)呈現(xiàn)均一的稍高信號(hào)，既往關(guān)于新生兒的研究也發(fā)現(xiàn)新生兒的雙側(cè)大腦半球深部灰質(zhì)核團(tuán)(尾狀核、蒼白球、殼核、丘腦)磁敏感性值無明顯差別[14]。隨年齡增長(zhǎng)，內(nèi)外蒼白球逐漸出現(xiàn)分界，而在R2*圖中無法顯示。R2*圖的對(duì)比并不僅僅來源于局部組織的磁敏感性，它受周圍組織與目標(biāo)組織磁敏感性疊加的影響，存在于周圍具有磁敏感性組織的“陰影”之下。例如，R2*圖中對(duì)比較弱的組織可能受到鄰近空氣-組織界面的干擾以及小兒腦水含量較高的影響。QSM經(jīng)過了反卷積的方法校正，它可揭示局部組織真正的磁敏感性，并且具有了較高的分辨率和清晰度[15]。

3.2 腦深部灰質(zhì)核團(tuán)QSM磁敏感性值、R2*值與月齡的關(guān)系

本研究中，出生后1個(gè)月至1歲，每個(gè)深部灰質(zhì)核團(tuán)的R2*值均與月齡呈正相關(guān)性；但蒼白球除外，QSM磁敏感性值與月齡并無顯著關(guān)系。在腦組織中，主要的磁敏感對(duì)比來源于鐵含量(包括血紅素鐵和非血紅素鐵)、鈣、脂類和髓鞘含量[16]。在深部灰質(zhì)核團(tuán)中，磁敏感對(duì)比主要來源于局部的非血紅素鐵含量。在嬰兒期，由于灰質(zhì)核團(tuán)的鐵含量非常低，是否這個(gè)階段R2*隨月齡的增長(zhǎng)變化確實(shí)來源于鐵的增加仍然未知。R2*是R2和R2’的綜合結(jié)果，其中僅有R2’可以特異地反映鐵含量，而R2則對(duì)腦水含量較為敏感。研究表明[17]，在出生后1年內(nèi)，腦水含量隨月齡增加迅速減少，這一趨勢(shì)與R2的增加呈一致的變化關(guān)系，這可能導(dǎo)致1歲以內(nèi)R2值呈類似于鐵含量的指數(shù)增加曲線趨勢(shì)[12，17]。

既往關(guān)于QSM的研究均表明深部灰質(zhì)核團(tuán)順磁性物質(zhì)主要來源于鐵的增加[8，11，18]。人尸檢病理學(xué)已經(jīng)證實(shí)即使局部腦組織的鐵含量較低(鐵含量近似于嬰兒的區(qū)域)，QSM的磁敏感性依然與鐵具有良好的線性相關(guān)性[19]。因此，在嬰兒期QSM磁敏感性值隨月齡無明顯變化可能提示尾狀核和殼核在早期腦鐵增加并不顯著，未能引起磁敏感性值的顯著增加。在蒼白球中，R2*與月齡的回歸方程的斜率是2.0 5，稍高于既往研究的結(jié)果，提示可能因?yàn)樯n白球的鐵含量較高，鐵對(duì)R2*值的貢獻(xiàn)較水的減少趨勢(shì)更大，故在QSM中觀察到了同樣的趨勢(shì)。由于蒼白球是運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知功能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/通路的核心區(qū)域，嬰兒期的語言和運(yùn)動(dòng)發(fā)展飛速，因此蒼白球?qū)﹁F的需要量增加以保證各項(xiàng)生理功能的需求[20]。

1歲以后，QSM的磁敏感性值與R2*值均與月齡和具有較高的相關(guān)性，并且前者的相關(guān)性更高，提示該階段腦鐵增加較快，而其對(duì)R2*值的貢獻(xiàn)較水的減少占比例更高。幼兒期腦迅速的鐵增加可能與廣泛的髓鞘形成過程和神經(jīng)遞質(zhì)能量代謝產(chǎn)生密切相關(guān)。在功能上，深部灰質(zhì)核團(tuán)受大量多巴胺能神經(jīng)纖維的支配，并且參與高級(jí)別的運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知和情感過程。運(yùn)動(dòng)功能包括動(dòng)機(jī)與運(yùn)動(dòng)行為控制，而認(rèn)知功能包括適應(yīng)行為，這些功能在幼兒期迅速發(fā)展，也都需要鐵的參與[20-21]。并且，比起其他灰質(zhì)核團(tuán)，蒼白球與月齡的相關(guān)性和斜率也是最高的，這一鐵選擇性聚集于腦某一特定區(qū)域的原因尚不清楚。作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和通路的功能區(qū)的核心部位，外側(cè)蒼白球調(diào)節(jié)著皮層和丘腦通過基底節(jié)區(qū)的信息傳遞[22]，并且存在許多神經(jīng)環(huán)路從額葉皮層通過紋狀體到內(nèi)側(cè)蒼白球，再到丘腦，最后投射到額葉皮層[20]。因此，蒼白球具有的重要生理功能也決定了它需要更多的鐵來參與代謝，預(yù)示它可能在腦發(fā)育的早期快速的積累大量的鐵來維持功能。

3.3 本研究的局限性

首先，手工的方法勾畫ROI可能帶有一定的主觀性，全自動(dòng)圖像分割較手工畫法更為客觀，但因嬰兒期腦水含量較高且鐵含量較低，圖像分割依賴于更清晰的腦結(jié)構(gòu)的邊界和與之匹配的腦模板[23]。其次，深部灰質(zhì)核團(tuán)內(nèi)的髓鞘成分對(duì)QSM值和R2*值可能產(chǎn)生影響，本研究暫未采用針對(duì)于相關(guān)髓鞘發(fā)育的定量技術(shù)，僅觀察了腦鐵含量的隨齡變化的可能趨勢(shì)，髓鞘成分在其中的影響程度還需進(jìn)一步探索。最后，結(jié)構(gòu)的變化與功能的關(guān)系密切，也需要互相驗(yàn)證，因此今后的研究將把兒童腦生理性鐵聚集與運(yùn)動(dòng)或認(rèn)知評(píng)價(jià)和預(yù)后聯(lián)系起來，以闡明腦鐵變化的神經(jīng)行為學(xué)意義。

綜上所述，0～6歲兒童腦深部灰質(zhì)核團(tuán)QSM磁敏感性值及R2*值可反映隨年齡增長(zhǎng)不同的變化特點(diǎn)，但由于R2*值可能受到腦水含量的影響，QSM可能更適合評(píng)估該年齡段腦鐵的隨齡變化。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。