摘要:目的 "探討酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像(APT)和定量磁化率成像(QSM)對帕金森病(PD)診斷的臨床應(yīng)用價(jià)值。方法 "納入2022年6月~2023年6月新疆醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院明確診斷為PD的患者38例作為PD組,另招募同時(shí)期相匹配的健康志愿者22例作為對照(HC)組。對所有受試者進(jìn)行QSM和APT序列掃描,利用后處理軟件獲取所有受試者黑質(zhì)區(qū)域的磁化率值(MSV)及非對稱性磁化轉(zhuǎn)移率(MTRasym),利用Logistic回歸建模兩種參數(shù)聯(lián)合診斷時(shí)的預(yù)測概率,采用ROC曲線比較分析單一成像技術(shù)及兩種成像技術(shù)聯(lián)合的診斷效能。結(jié)果 "對比HC組,PD組雙側(cè)黑質(zhì)的平均MSV值升高,平均MTRasym值減低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Plt;0.001)。運(yùn)動癥狀受影響較重側(cè)黑質(zhì)的MSV值高于受影響較輕側(cè)(Plt;0.001),運(yùn)動癥狀受影響較重側(cè)黑質(zhì)的MTRasym值低于受影響較輕側(cè) (Plt;0.05)。使用雙側(cè)黑質(zhì)MSV和MTRasym的平均值,APT、QSM以及QSM聯(lián)合APT的ROC曲線下面積分別為0.812、0.873、0.897,使用運(yùn)動癥狀受影響較重側(cè)黑質(zhì)的 MSV和MTRasym值,QSM聯(lián)合APT的ROC曲線下面積為0.928。結(jié)論 "QSM和APT對PD均具有較高的診斷效能,與單獨(dú)使用QSM或APT相比,QSM聯(lián)合APT對PD的診斷效能更高,能夠?yàn)镻D的準(zhǔn)確診斷提供影像學(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵詞:帕金森??;磁共振成像;定量磁化率成像;酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像
Application value of amide proton transfer combined with quantitative susceptibility mapping "in the diagnosis of Parkinson's disease
HOU Pengfei, HAN Xue, WANG Hong, JU Chao, ZHANG Fulan, HAO Lu
Department of Radiology, The Second Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, "Urumqi "830000, China
Abstract: Objective To explore the clinical application value of amide proton transfer (APT) and quantitative susceptibility mapping (QSM) for the diagnosis of Parkinson's disease (PD). Methods A total of 38 patients who were diagnosed with PD in the Second Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University from June 2022 to June 2023 were included as the PD group, and 22 matched healthy control volunteers were recruited during the same period. QSM and APT images of all subjects were collected. The magnetic susceptibility value (MSV) and magnetization transfer asymmetry (MTRasym) of the substantia nigra region were obtained. The prediction probability of the combined diagnosis of two kinds of parameters was modeled by Logistics regression, and the diagnostic efficiency of the single imaging technology and the combined diagnosis of two kinds of imaging technology was compared by the ROC curve. Results Compared with the healthy control group, the average MSV value of substantia nigra in the PD group was significantly higher, while the average MTRasym value of substantia nigra in the PD group was significantly lower (Plt;0.001). MSV value of substantia nigra on the more heavily affected side was higher than that on the less lightly affected side(Plt;0.001), and MTRasym value of substantia nigra on the more heavily affected side was lower than that on the less lightly affected side (Plt;0.05). Using the average values of bilateral substantia nigra, the area under the ROC curve of APT, QSM and QSM combined with APT were 0.812, 0.873, 0.897. While using the values of the more affected side, the area under the ROC curve of QSM combined with APT was 0.928. Conclusion Both QSM and APT have high diagnostic efficacy for PD. QSM combined with APT has higher diagnostic efficacy for PD compared with QSM or APT alone and can provide an imaging basis for accurate diagnosis of PD.
Keywords: Parkinson's disease; magnetic resonance imaging; quantitative susceptibility mapping; amide proton transfer
帕金森?。≒D)是一種致殘的慢性進(jìn)行性神經(jīng)系統(tǒng)疾?。?-2]。目前,PD的準(zhǔn)確診斷仍然是一個難題。PD的診斷主要基于病史和臨床檢查[3],其臨床特征與其他神經(jīng)退行性疾病的特征重疊,即使疾病在臨床上完全表現(xiàn)出來,臨床診斷的準(zhǔn)確性仍然不佳[4],起病僵直或步態(tài)異常的PD患者更容易誤診[5]。目前常規(guī)的MRI序列不能滿足PD的診斷需求,因此,迫切需要尋找具有較高診斷潛力的影像標(biāo)志物。定量磁化率成像(QSM)是在磁敏感加權(quán)成像基礎(chǔ)上新發(fā)展起來的一種MRI技術(shù)[6],用于量化組織磁化率(MSV)的數(shù)量和空間分布。鐵沉積在PD的病理生理中起著重要作用,既往人體解剖與動物實(shí)驗(yàn)均有證實(shí)[7-9],黑質(zhì)的鐵沉積會致使多巴胺能神經(jīng)元凋亡和耗竭, PD患者死后黑質(zhì)中的鐵含量增加了31%~35%[10]。酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像(APT)是一種特定類型的內(nèi)源性化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移成像技術(shù),通過非對稱性磁化轉(zhuǎn)移率(MTRasym)間接反映活體細(xì)胞內(nèi)源性蛋白和肽的代謝變化。
雖然已有研究證實(shí)QSM和APT均有潛力為PD診斷提供影像學(xué)依據(jù)[11-12],但是這些針對PD的研究都是單一成像技術(shù)研究,尚不清楚哪種方法具有更高的診斷性能,以及兩種方法的結(jié)合是否可以提高對PD的診斷效能。此外,目前有關(guān)APT的研究多聚焦于腫瘤性病變[13-14],對于PD的相關(guān)研究較少[15],且有關(guān)研究的重點(diǎn)是APT成像技術(shù)是否可以區(qū)分PD患者與健康對照組,以及PD患者疾病分期與APT參數(shù)值的相關(guān)性,并沒有關(guān)注PD患者雙側(cè)黑質(zhì)之間的空間差異性。本研究擬在既往研究的基礎(chǔ)上,著重比較運(yùn)動癥狀受影響程度較重側(cè)黑質(zhì)與受影響程度較輕側(cè)黑質(zhì)之間的MTRasym和MSV值,這是因?yàn)镻D患者經(jīng)常表現(xiàn)出不對稱運(yùn)動癥狀,且這種不對稱性在病程中持續(xù)出現(xiàn),然而目前對PD不對稱運(yùn)動癥狀這一臨床表現(xiàn)背后的機(jī)制尚不清楚。因此本研究旨在評估和比較QSM和APT在PD診斷中的有效性,并探討聯(lián)合QSM與APT對PD的診斷價(jià)值,現(xiàn)報(bào)道如下。
1 "資料與方法
1.1 "一般資料
本研究已通過新疆醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院倫理委員會審批(審批號:2022H031)。前瞻性納入2022年6月~2023年6月在新疆醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院明確診斷為PD的患者38例作為PD組,其中男16例,女22例,年齡66±9歲,受教育年限7±4年。另收集同期年齡與性別相匹配的22例健康老年受試者作為健康對照組(HC),其中男11例,女11例,年齡63±8歲,受教育年限8±5年。兩組年齡、性別、受教育年限的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Pgt;0.05)。本研究將PD患者的雙側(cè)黑質(zhì)區(qū)分為受影響較重側(cè)與受影響較輕側(cè),受影響較重側(cè)黑質(zhì)被定義為與臨床癥狀更嚴(yán)重的身體側(cè)相對應(yīng)的黑質(zhì)側(cè),依據(jù)統(tǒng)一帕金森病評分量表III部分,將右側(cè)運(yùn)動遲緩、震顫和僵硬的總分除以左側(cè)的總分,若比值gt;1,右側(cè)則被認(rèn)為是臨床上受影響較重側(cè),若比值lt;1,左側(cè)則被認(rèn)為是受影響較重側(cè)。
PD組納入標(biāo)準(zhǔn):通過2位具有7年以上工作經(jīng)驗(yàn)的神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)生診斷,符合國際運(yùn)動障礙學(xué)會PD臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)[16]及 2016年制定的中國帕金森病的診斷標(biāo)準(zhǔn)[17]。HC組納入標(biāo)準(zhǔn):與PD組年齡和性別相匹配;無神經(jīng)或精神疾??;無運(yùn)動障礙家族史;無服用影響神經(jīng)系統(tǒng)的藥物史。排除標(biāo)準(zhǔn):存在神經(jīng)精神疾病(如抑郁癥、焦慮癥、精神分裂癥等);存在影響臨床評估的相關(guān)治療;既往有腦外傷病史;存在MRI檢查禁忌證。
1.2 "磁共振檢查方法
所有掃描均在同一臺Philips Ingenia CX 3.0T磁共振機(jī)器完成,選取32通道頭部線圈。為減少被試者頭動,掃描前使用海綿固定被試者頭部。為排除顱腦其他器質(zhì)性病變,在QSM及APT磁共振成像掃描前對受試者進(jìn)行常規(guī)MRI序列( T1WI、T2WI、FLAIR)及彌散加權(quán)成像掃描。
APT序列掃描參數(shù)為:TR7280 ms,TE8.3 ms,矩陣112×112。FOV 230 mm×180 mm,層厚6 mm,掃描時(shí)間4 min15 s。QSM序列掃描參數(shù)為:TR 31 ms,TE 7.2 ms,矩陣256×256,F(xiàn)OV 240 mm×240 mm,層厚2 mm,掃描時(shí)間4 min 29 s。
1.3 "圖像處理及數(shù)據(jù)分析
根據(jù)掃描方案生成APT加權(quán)圖像,并在“IntelliSpace Portal”version8后處理工作站上將APT圖配準(zhǔn)到FLAIR圖上,基于APT圖和FLAIR圖的空間一致性,采用雙盲法,由2位具有7年以上工作經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)師對雙側(cè)黑質(zhì)進(jìn)行感興趣區(qū)的勾畫。感興趣區(qū)范圍要小于測量黑質(zhì)的實(shí)際范圍,同時(shí)連續(xù)測量3個層面MTRasym并取平均值。
將QSM序列掃描獲得的原始圖像導(dǎo)入Matlab軟件(R2018b),獲得QSM result圖像,使用ITK-SNAP軟件對雙側(cè)黑質(zhì)手動勾畫,連續(xù)測量3個層面MSV并取平均值。
1.4 "統(tǒng)計(jì)學(xué)分析
采用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS 26.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),配對組間比較采用配對樣本t檢驗(yàn);計(jì)數(shù)資料以n(%)表示,組間比較采用卡方分析,運(yùn)用 Logistic回歸建模兩種技術(shù)聯(lián)合診斷時(shí)的預(yù)測概率。采用ROC曲線分析APT、QSM及QSM聯(lián)合APT的診斷效能。以Plt;0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
2 "結(jié)果
2.1 "組間差異分析
與HC組相比,PD組雙側(cè)黑質(zhì)的平均MSV值升高,平均MTRasym值降低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Plt;0.001,表1)。PD與HC典型病例影像(圖1)。
PD患者中,受影響較重側(cè)黑質(zhì)的MSV值高于受影響較輕側(cè)(t=4.079,Plt;0.001),受影響較重側(cè)黑質(zhì)的MTRasym值低于受影響較輕側(cè)(t=2.242,Plt;0.05)。與HC組相比,PD患者受影響較重側(cè)黑質(zhì)的MSV值更高,MTRasym值更低(Plt;0.001)。與HC組相比,PD患者受影響較輕側(cè)黑質(zhì)的MSV值亦升高(Plt;0.001),但升高的程度較受影響重側(cè)小。PD患者受影響較輕側(cè)黑質(zhì)的MTRasym值與HC患者的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=1.897,Pgt;0.05)。
2.2 診斷試驗(yàn)結(jié)果
使用雙側(cè)黑質(zhì)的平均值,APT、QSM以及QSM和APT組合的判別能力分別為0.812(95%CI:0.691~0.934,敏感度0.816,特異性0.773)、0.873(95%CI:0.865~0.992;敏感度0.868,特異度0.727)、0.897(95% CI:0.812~0.983,敏感度0.842,特異性0.818)。在PD患者中使用受影響較重側(cè)黑質(zhì)的值時(shí), QSM和APT組合的判別力為0.928(95% CI:0.787~0.959,敏感度0.947,特異性0.773,表2、圖2)。
3 "討論
PD病理改變的主要區(qū)域是黑質(zhì),黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性的喪失與殘余神經(jīng)元內(nèi)路易小體的形成是PD的主要特征,基于這種細(xì)微結(jié)構(gòu)與功能的異常,越來越多磁共振技術(shù)對PD展開研究,其中QSM和APT均是新興的影像學(xué)檢查技術(shù),并且能從不同角度檢測到分子水平的差異。本研究評估了QSM和APT在PD診斷中的有效性,并首次提出了聯(lián)合QSM與APT,探討其對于PD的診斷價(jià)值。本研究結(jié)果顯示,QSM和APT對PD均有較高的診斷價(jià)值,聯(lián)合QSM與APT成像技術(shù)對PD的診斷效能更高。
本研究通過對比PD組與HC組,發(fā)現(xiàn)PD患者雙側(cè)黑質(zhì)的鐵沉積明顯升高,鐵是中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的必需元素,人腦中的鐵在許多生物過程中發(fā)揮重要作用,例如DNA合成、神經(jīng)元發(fā)育以及神經(jīng)遞質(zhì)的合成和代謝,但是黑質(zhì)中鐵的過量沉積會導(dǎo)致PD的發(fā)生與進(jìn)展,PD患者黑質(zhì)中的鐵沉積明顯高于HC[18-19],細(xì)胞內(nèi)鐵與α-突觸核蛋白密切相關(guān),后者在PD病理中形成毒性惡性循環(huán),過量鐵沉積促使路易體內(nèi)α-突觸核蛋白異常聚集[20],錯誤折疊的α-突觸核蛋白以朊病毒樣方式跨細(xì)胞傳播,在健康細(xì)胞中誘導(dǎo)病理性的聚集,最終導(dǎo)致多巴胺神經(jīng)元凋亡和耗竭,一項(xiàng)動物實(shí)驗(yàn)表明,外源藥物注射致使α-突觸核蛋白異常聚集,會在健康小鼠中引發(fā)與PD一致的癥狀,如低血壓、運(yùn)動行為障礙和高焦慮水平等[21]。本研究亦證實(shí)了黑質(zhì)中鐵含量的升高在PD的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用。由于PD患者經(jīng)常出現(xiàn)不對稱運(yùn)動癥狀,通常表現(xiàn)為單側(cè)運(yùn)動癥狀,最終擴(kuò)散到另一側(cè),因此本研究進(jìn)一步將PD患者受影響較重側(cè)黑質(zhì)和受影響較輕側(cè)黑質(zhì)的MSV值進(jìn)行對比,研究結(jié)果顯示,受影響較重側(cè)黑質(zhì)的MSV值高于受影響較輕側(cè)黑質(zhì),這表明PD患者黑質(zhì)中的鐵沉積速度并不均勻,證實(shí)了先前的研究結(jié)果[22]。與HC組相比,本研究發(fā)現(xiàn) PD患者受影響較重側(cè)黑質(zhì)與受影響較輕側(cè)黑質(zhì)的鐵沉積均升高,受影響較重側(cè)黑質(zhì)的鐵沉積更高,鐵含量升高和異常鐵分布會導(dǎo)致黑質(zhì)比其他腦細(xì)胞核團(tuán)更嚴(yán)重的損傷[9],針對PD患者的擴(kuò)散張量成像的研究結(jié)果同樣證實(shí)了本研究的結(jié)論[23],受影響較重側(cè)黑質(zhì)紋狀體通路的纖維完整性有更明顯的降低。PD患者診斷時(shí)身體的發(fā)病側(cè)與疾病的長期進(jìn)展和預(yù)后密切相關(guān)[24]。因此QSM對于PD患者的精確診斷與疾病管理有重要意義,有助于闡明PD的臨床病理學(xué)。
本研究結(jié)果顯示,PD患者黑質(zhì)酰胺質(zhì)子濃度相較HC組減低,APT信號強(qiáng)度下降,證實(shí)了既往關(guān)于PD的研究結(jié)果[25]。APT的成像原理是受到特定頻率飽和的酰胺質(zhì)子與自由水質(zhì)子發(fā)生化學(xué)交換,組織中酰胺質(zhì)子濃度和 pH 值是主要影響這種化學(xué)交換的因素,通常黑質(zhì)的pH值相對穩(wěn)定,因此PD患者黑質(zhì)MTRasym的主要影響因素是組織內(nèi)酰胺質(zhì)子的濃度。PD的病理特征是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性的喪失與凋亡,這就導(dǎo)致了組織中與水交換的酰胺質(zhì)子濃度不可避免地減少,隨著酰胺質(zhì)子濃度的減低,化學(xué)交換速度降低,PD患者的MTRasym降低,因此APT對PD的診斷和嚴(yán)重程度評估有著較好的應(yīng)用價(jià)值,APT不僅在PD患者黑質(zhì)區(qū)檢測到的變化更顯著,而且在PD病變早期就可以觀察到差異[26]。本研究將PD患者受影響較重側(cè)黑質(zhì)和受影響較輕側(cè)黑質(zhì)的MTRasym值進(jìn)行了對比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)受影響較重側(cè)黑質(zhì)的MTRasym值低于受影響較輕側(cè),這反映了PD患者受影響較重側(cè)和受影響較輕側(cè)黑質(zhì)多巴胺神經(jīng)元損失存在差異,受影響更嚴(yán)重一側(cè)的黑質(zhì)退化更明顯,內(nèi)源性的多巴胺更少,并且當(dāng)單側(cè)帕金森癥狀發(fā)展為雙側(cè)時(shí),這種不對稱性持續(xù)存在;與HC組相比,本研究發(fā)現(xiàn)PD患者受影響較重側(cè)黑質(zhì)的MTRasym明顯降低,但受影響較輕側(cè)黑質(zhì)的MTRasym與HC組沒有差異。既往研究有顯示早期帕金森病患者和正常對照組之間黑質(zhì)的MTRasym信號強(qiáng)度沒有顯著差異,有研究剔除了帕金森患者未受影響側(cè)的數(shù)據(jù)并增加了樣本量,發(fā)現(xiàn)即使在PD的早期階段(Hoehn-Yahr分級≤2),PD患者的MTRasym就有減低,因?yàn)槲词苡绊憘?cè)可能不如受影響側(cè)的信號下降顯著[25]。本研究也證實(shí)了這一點(diǎn),PD患者多巴胺神經(jīng)元損傷的確存在空間差異性。但與本研究結(jié)果不同的是,前述研究發(fā)現(xiàn)黑質(zhì)受累側(cè)的MTRasym值似乎低于未受累側(cè),但是PD的受累側(cè)和未受累側(cè)之間沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異,究其原因,可能是由于本研究納入的PD患者均有明確的臨床診斷,這使本研究所納入PD患者黑質(zhì)兩側(cè)的酰胺質(zhì)子濃度差異更加顯著,并且PD癥狀的進(jìn)展可以在20月內(nèi)從一側(cè)擴(kuò)散到兩側(cè)[27],PD患者APT信號異??赡芟扔赑D臨床癥狀的出現(xiàn),這有待進(jìn)一步的研究證實(shí)。PD受影響較輕側(cè)黑質(zhì)的MTRasym與HC組之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,這可能歸因于PD疾病進(jìn)展過程中黑質(zhì)周期性的病理改變。綜上,APT成像可以在鑒別PD方面提供了更多分子水平的信息,并且APT可以實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)非侵入性的觀察PD患者體內(nèi)特定區(qū)域的蛋白質(zhì)含量,為 PD 的臨床診斷、病情監(jiān)測等方面提供客觀的影像學(xué)依據(jù)。
本研究首次提出聯(lián)合使用APT和QSM技術(shù)在PD中的診斷價(jià)值,通過比較QSM和APT對臨床PD患者和HC組的鑒別能力,本研究發(fā)現(xiàn)在中腦黑質(zhì)區(qū)域,QSM和APT均可以單獨(dú)區(qū)分臨床PD患者和健康對照組,QSM的診斷效能略高于APT,而與單獨(dú)使用QSM或APT相比,將這兩種方法聯(lián)合使用,具有更高區(qū)分PD與HC的能力,原因在于QSM和APT均可以實(shí)現(xiàn)黑質(zhì)區(qū)域的無創(chuàng)監(jiān)測,并且它們可以從不同角度反映PD患者黑質(zhì)的異常變化,QSM是目前高精度測量組織內(nèi)鐵沉積最有效的影像學(xué)方式,APT可探測組織內(nèi)源性游離蛋白及多肽,從而反映組織內(nèi)部的代謝變化,單獨(dú)使用QSM 或APT成像技術(shù)獲得的指標(biāo)相對單一,無法全面反映 PD患者與正常老年人的差異,因此其診斷的效能不夠高,而當(dāng)兩種檢查方法聯(lián)合使用時(shí),不僅可以從分子層面同時(shí)反映PD患者黑質(zhì)的鐵沉積以及酰胺質(zhì)子變化等生理病理學(xué)信息,而且可以更敏感地捕捉黑質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)微異常改變,這為理解PD的發(fā)病機(jī)制提供了一個新的視角,并為PD的識別和管理提供有價(jià)值的指標(biāo)。
本研究仍存在一些局限性。首先,本研究是一項(xiàng)橫斷面研究,納入的PD患者均有明確的臨床診斷,這可能導(dǎo)致本研究的結(jié)果高估了QSM和APT在臨床應(yīng)用中的表現(xiàn),未來有必要對臨床上診斷不明確的PD患者開展大樣本量的縱向研究,以評估QSM和APT對帕金森病早期診斷的價(jià)值。其次,本研究關(guān)注的區(qū)域是黑質(zhì),是PD病理改變的主要區(qū)域,已有研究表明PD患者其他腦區(qū)亦可以探查到QSM與APT信號強(qiáng)度的異常改變,未來將擴(kuò)大感興趣區(qū),繼續(xù)探討相關(guān)問題。最后,本研究使用了單一的數(shù)據(jù)來源,結(jié)果分析可能過于擬合,多中心的研究將有助于證實(shí)研究結(jié)論。
綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn)QSM和APT均有較高的診斷效能,而將這兩種方法聯(lián)合使用,其診斷效能優(yōu)于任何一種單一成像技術(shù),提供了更高的辨別能力。QSM和APT有可能成為PD診斷的影像標(biāo)志物,可在未來的臨床研究中加以應(yīng)用。
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(編輯:熊一凡)