SWI在脑内铁过载中的应用

程双娟 肖江喜

SWI在脑内铁过载中的应用

程双娟 肖江喜*

磁敏感加权成像（SWI）是根据不同组织的磁敏感系数差异提供影像对比，在扫描过程中可以同时获得幅值和相位两组影像，通过定量测量信号值而对脑内的铁含量进行半定量测量，并且可以动态监测脑组织内铁含量的变化，其对铁的敏感性明显优于常规梯度回波序列。SWI对于早期发现疾病、监测病情及指导治疗具有重要意义。就SWI检测脑内铁含量的原理、应用及前景予以综述。

磁敏感加权成像；脑出血；铁过载；定量测量；动态监测

铁作为人体必不可少的微量元素之一，在各个系统尤其是中枢神经系统中起着重要作用，它不仅参与正常的新陈代谢，还在DNA合成、基因表达、髓鞘形成、神经递质合成以及能量代谢过程中发挥重要作用[1]。随着年龄的增长，脑组织内铁的含量逐渐增加，也会伴随发生多种神经系统的退行性疾病，如帕金森病（Parkinson disease,PD）、阿尔茨海默病 （Alzheimer disease,AD）、多发性硬化（multiple sclerosis，MS）等。另外，某些疾病的病变区域也可以引起脑内铁过载的现象，如脑出血等。相关动物模型研究[2]提示铁过载在脑损伤的机制及神经功能预后中起着重要作用。目前临床上有多种方法可以测量脑组织中的铁含量，但是都不能定量测量，亦不能监测脑组织内铁含量的定量变化。而MR功能成像中的磁敏感加权成像 （susceptibility weighted imaging,SWI）序列能够有效地解决上述问题，可以通过定量测量相位值对脑铁进行检测。

1 SWI基本原理

Haacke等[3]采用SWI及高通滤过技术对脑组织内的铁含量进行研究，结果发现脑组织相位信息的分布特点可以作为判定脑组织铁含量是否正常的依据。近年来SWI已广泛应用于临床，基本原理是在T2*加权梯度回波序列基础上进行高分辨力三维梯度回波成像，完全流动补偿，优化TE、TR的诸多技术改进，主要用于探测不同组织间磁敏感性的差异，从而产生影像对比。

SWI的特点是在一次扫描过程中不仅可获得常规幅度图，还可同时获得相位图。相位图主要反映组织间磁敏感性的差异。SWI影像的后处理非常关键，幅度图和相位图是成对出现的，且两者影像所对应的解剖位置都完全一致，后处理首先需要在复数域中将幅值和相位影像重组，然后再在k空间中滤波消除相位影像中的磁敏感伪影，最后制作相位蒙片，并与幅值影像加权获得最终磁敏感加权影像。

2 铁过载

2.1 铁过载概念 铁过载是由于体内铁的供给超过对铁的需要而引起体内总铁量过多，广泛沉积于人体一些器官和组织的实质细胞，导致多脏器功能损害。

2.2 铁的生理及磁敏感性 铁元素是人体重要的金属元素之一，铁原子的原子核有26个带正电的质子，核外有4个电子层，最外层有2个电子。正常情况下，铁原子易失去最外层的2个电子转变成Fe2+，呈顺磁性。铁元素是氧的运输及电子传递的重要媒介，同时也是神经递质的复合物，髓磷脂的重要组分。所以铁对于神经系统的发育是极其重要的，但是过多的铁可导致神经元的损伤，甚至死亡。铁在人体内以多种形式存在，如铁蛋白、含铁血黄素、血红蛋白等。正常情况下，随着年龄的增长脑内铁沉积的量会随之增加，可以出现铁过载的现象。脑内铁的沉积多由血红蛋白降解引起，血红蛋白在降解过程中形成脱氧血红蛋白含有Fe2+，呈顺磁性。当脱氧血红蛋白中的Fe2+进一步被氧化成Fe3+，形成高铁血红蛋白，最终被巨噬细胞吞噬引起组织内含铁血黄素沉积，两者均呈高顺磁性。

3 SWI半定量评估

SWI主要用于磁敏感物质含量的测量，常见的磁敏感物质有顺磁性物质、反磁性物质及铁磁性物质。顺磁性物质具有正的磁化率，而反磁性物质具有负的磁化率，铁磁性物质可被磁场明显吸引，去除外磁场后仍可以被永久磁化，具有很大的磁化率[4]。

脑组织内磁敏感性改变与血液中铁的不同形式或出血等明显相关。血红蛋白转变的脱氧血红蛋白Fe2+为顺磁性物质，Fe2+进一步氧化形成的高铁血红蛋白仅有很弱的磁敏感效应，最终形成的含铁血黄素为高顺磁性物质。SWI相位图可定量分析高铁血红蛋白的相位位移改变，从而得到铁含量。计算公式为：φ=γ·ΔB·TE；ΔB=C·V·Δχc·B。其中，γ代表磁旋比，ΔB代表两种物质间磁场的差值,TE指回波时间,V代表体素大小,Δχc代表铁存在时组织间亚体素磁化率的差异。相位角φ反映相位位移，常用经过高滤波后相位影像中的相位值或SWI经过归一化后的相位影像中的相位值即校正相位值表示。由前面公式可知,铁的相位位移φ与其在兴趣区内浓度C成正比。另外，一些动物实验和临床试验也证实通过测量相位信号值可以对铁含量进行半定量测量[5]。

4 SWI的相关应用

4.1 正常人脑内铁含量的测定 自20世纪以来，测量活体脑组织内的铁含量一直是国内外研究热点。由于铁是顺磁性物质，可以造成T2值缩短，提高横向弛豫率（R2=1/T2），因此可以用R2值来衡量铁的浓度，但是R2值除受组织铁浓度影响以外，组织中的水含量对它也有影响。另外，已知R2*值更能准确地反映脑铁浓度，但亦不能定量测量。近年来有研究者发现，通过定量测量SWI上的信号值可以计算脑铁含量，从而进一步了解正常人脑深部核团内铁的分布特点。有研究者准确地测量了正常人脑深部部分灰质核团如齿状核、红核、苍白球及壳核等铁含量变化。Wang等[6]对143例健康志愿者的脑铁进行研究分析，按年龄进行分组，10岁为间隔，从12～ 87岁共分为8组，豆状核的铁沉积40岁之前逐渐增加，以后趋于稳定，尾状核的则在60岁之前增加明显（P<0.05）。左侧、右侧尾状核及左侧、右侧豆状核铁沉积与年龄的相关系数分别为0.676 91、0.485 85、0.522 8及0.522 8（P<0.001）。杨等[7]对62名健康人进行脑铁分析，按年龄进行分组，发现黑质、苍白球、壳核、尾状核、运动皮质出现可观察的铁沉积所致信号减低较早（6～7岁），而红核和齿状核稍晚（9～10岁），内囊后支、视放射相对无明显信号减低，各核团相位值变化范围为 （2 059.3±8.1）～（1 907.5± 37.1）。红核、黑质、壳核、尾状核、运动皮质在20岁以前铁沉积较快，红核、黑质、尾状核、运动皮质在20～60岁之间铁沉积有个平台期，相位值为（1 977.5±20.5）～（1 898.2±33.4）；脑内铁的分布不均匀，苍白球和红核、尾状核、黑质铁含量较高，由于苍白球钙化严重无法准确测量，红核、尾状核、黑质最终相位值分别为 1 915.1±55.7、1 947.9±20.9、1 907.5±37.1。由此可见，健康人脑内深部核团随着年龄的增加均有铁的沉积，不同核团间沉积的规律不同[6-7]。

4.2 神经退行性疾病的诊断 通过SWI对正常人脑内铁含量的研究，人们也提高了对与铁的异常代谢有关的神经系统变性疾病（如PD、AD、MS、运动障碍等）的认识。目前诊断退行性病变主要依据临床表现及实验室检查，多数病人确诊时往往已处于晚期。而SWI可以在早期准确地显示脑铁的分布及含量，从而进行病情进展的评估及疾病严重性的预测，使疾病可以得到早期诊断和治疗。

4.2.1 PD PD又称震颤麻痹，是一种以静止性震颤、运动迟缓、肌张力增高和姿势平衡障碍为主要临床特征，黑质多巴胺能神经元进行性缺失为主要病理变化的神经系统退行性疾病，PD病人常表现为颅内铁代谢紊乱。2010年Zhang等[8]对40例PD病人及26岁健康对照进行研究，分别对红核、黑质、尾状核、苍白球进行相位值的测量，发现PD病人黑质铁沉积显著，其中15例早发型和25例晚发型PD病人的黑质相位值分别为 0.144±0.062、0.164± 0.048，两者间差异无统计学意义。2012年Wang等[9]对16例PD病人及44例健康人进行脑铁沉积的研究，发现黑质、壳核、苍白球及丘脑有铁的明显沉积，而红核、尾状核及丘脑铁沉积引起的相位值的变化差异无统计学意义（P<0.05）。王等[10]对24例原发性单侧症状PD病人也进行了相关研究，发现铁异常沉积部位主要包括黑质致密部、黑质网格部和红核，而PD病人的苍白球、壳核、丘脑及尾状核未见明显铁沉积。对照组黑质及红核T2*值范围是（29.410±4.343）～（41.644±3.958），PD症状侧黑质及红核T2*值范围为（26.815±5.092）～（37.669±5.741），且脑内铁沉积含量与病程及运动障碍严重程度有关。王等[11]研究发现，PD病人与正常对照组校正相位值范围分别为 （-0.005±0.001）～（-0.098±0.029）、（-0.005±0.044）～（-0.884±0.036），尾状核头、苍白球及黑质的脑铁沉积比较，其差异有统计学意义（P< 0.05），其中病变早期双侧苍白球及双侧黑质即有铁异常沉积，校正相位值分别为-0.117±0.044、-0.095± 0.017；双侧壳核、红核、丘脑和齿状核脑铁含量差异无统计学意义（P>0.05）。有相关文献[9]报道壳核和丘脑的高铁沉积有助于鉴别原发性PD与多系统变性-帕金森综合征叠加。因此，SWI有助于PD的早期诊断及病情的监测，有利于及早采取相应的治疗措施，延缓疾病的发展。近些年有关PD病人脑铁沉积的多项研究均证实了黑质内会出现铁沉积，而且发现黑质及苍白球的铁沉积最为显著[8-11]，只有王等[10]研究显示PD病人的苍白球未见铁沉积。对于壳核、红核、尾状核是否有铁沉积则结论不一。复杂的脑铁代谢机制至今尚未完全阐明。

4.2.2 AD AD是一种以认知功能减退、生活能力下降及精神行为异常为主要临床症状的老年神经系统退行性疾病。随着人口老龄化的加剧，AD患病率也在持续升高，但AD的病因及发病机制尚不明确，越来越多的研究者认为铁及其他一些金属离子与AD的发病密切相关。早期的MRI研究对于AD病人脑内铁沉积部位的认识不一，但多数认为与海马、尾状核及壳核关系密切。李等[12]对23例AD病人研究发现，双侧苍白球、双侧壳核、左侧海马、左侧额叶、右侧尾状核及右侧齿状核的铁沉积增加与AD病情相关，并且有利于对病情的评价，其中左侧壳核的相位值与简明精神状态检查 （mini-mental state examination，MMSE；为临床上常用且适用于老年认知功能障碍的一种筛查方法）评分相关系数为0.53。Mittal等[13]认为，SWI相位值不仅是评价AD病人脑内铁含量沉积异常的敏感而有效手段，并且具有较好的可重复性。最近，Wang等[14]对39例AD病人和143名健康人进行SWI研究，发现深部核团铁含量均会随着年龄的增加而增加，40岁之前苍白球会出现明显的铁沉积，尾状核头铁沉积在60岁达到一个峰值，壳核的铁含量也会持续增加，50～70岁时达到峰值。苍白球的铁沉积在AD病人与健康人之间差异最大，苍白球也是最容易检测到的部位。李等[15]研究发现，SWI能够准确地测量铁的含量，可以分辨出AD病人、轻度认知障碍 （mild cognitive impairment,MCI）病人及正常人的脑铁沉积含量的差异，从而可以早期诊断AD及MCI，并为MCI的病情发展提供一种无创的动态监测方法。

4.2.3 MS MS是一种以病灶多发、病程缓解与复发交替为特征的中枢神经系统脱髓鞘疾病。病因和发病机制至今尚不明确。苗等[16]对25例MS病人及26例健康人进行对照研究发现，与对照组相比，MS病人的双侧苍白球、壳核、尾状核头、黑质、红核和丘脑的相位值均显示下降，即具有过量铁沉积，只有双侧黑质（左侧:1 901.37±111.94，右侧:1 909.78± 128.99）和红核（左侧:1 977.44±77.02，右侧:1 973.52± 76.80）的相位值较对照组黑质和红核相位值（黑质左侧：1976.73±85.51，黑质右侧：1968.80±83.21；红核左侧：2 003.73±66.37，红核右侧：2 005.93±62.97）降低显著，其差异均有统计学意义（P<0.05）。Habib等[17]研究发现MS病人基底节区、尾状核、丘脑、红核及黑质有明显的铁沉积，其中丘脑和红核铁沉积的含量是正常值的3倍左右。Hagemeier等[18]研究发现在青少年MS中皮质深部灰质核团中铁的沉积均有不同程度增高，以丘脑枕核的铁沉积最为显著。因此，SWI可以监测脑铁的变化情况，能够提高MS病灶的检出率，并且根据铁沉积规律的不同可以更好地判断新旧病灶，从而指导临床治疗，对评估疾病的预后也具有非常重要的意义。

4.3 脑血管源性疾病 近年来一些研究者发现SWI是显示颅内出血最敏感的脉冲序列之一，同时对于出血引起的周围脑组织的变化及铁的沉积情况也能很好地显示。

4.3.1 脑微出血 脑微出血 （cerebral microbleeds, CMB）是一种亚临床的终末期微小血管病变导致的含铁血黄素沉积。表现为小范围（直径<10 mm）的圆形信号丢失，周围无水肿。目前认为其好发部位为皮质-皮质下区域，表现为多发性微小的MRI信号丧失，临床常规使用MR T2加权梯度回波序列进行检测。CMB导致沉积的含铁血黄素带有磁性，SWI比常规MRI能够更好地反映病灶局部磁敏感的变化。在美国，SWI较传统的梯度回波利用率高200%[19]。Goos等[20]通过实验研究发现SWI不仅能够清晰地显示小出血灶，而且对于病灶数目的检出约为T2*的2倍。

4.3.2 脑出血 脑出血是指原发性非外伤性脑实质内出血。基于脑出血动物模型的建立及研究，Siesjö等[21]发现脑出血以后，由于红细胞的裂解，大量血红蛋白沉积在血肿区域，随着血红蛋白的分解，血肿区及周围脑组织会出现铁的异常沉积而导致铁过载，过载的铁通过多种途径引起脑损伤，如脑出血急性脑水肿的形成和后期神经功能的损害。SWI以基础相位可以敏感且准确地显示脑内铁沉积的分布及含量，不仅可以了解疾病的进展，还有助于指导临床治疗和判断预后。目前相关研究已发现，去铁胺是一种特异性的铁离子螯合剂，可以有效地降低脑出血后周围脑组织内铁离子的含量，故而有效地减轻脑出血引起的脑水肿及脑损害[22]。以上相关研究都是基于对动物模型的研究，目前还缺乏临床实验的验证。

5 优势与前景

SWI作为一种MRI检查新技术，与传统的加权序列相比，其通过同时采集幅度图与相位图，并利用后处理技术将两者有机结合在一起。SWI对于磁敏感物质的检测明显优于梯度回波序列，能够提供比常规MRI更加详细的信息。对于一些常见疾病如出血，SWI序列不仅能准确检测出血部位、出血灶的数目及大小，同时还能够显示深部脑血管的结构，直接提示脑损伤的部位，辅助确定出血病灶与临床表现的联系，能够提供更好的诊断以及有关预后的信息。对于进行性梗死，SWI可以准确地显示闭塞动脉内的血栓、脑梗死后出血转化、脑内陈旧性微出血的数量以及梗死灶内静脉血管的充盈程度，从而有利于溶栓病例的筛选、治疗方案的制定和临床预后的评估[23]。然而，从对SWI原理的描述上可以看出，理论上，只要组织间存在磁化率差异，就可以通过SWI显示出组织对比，但是由于磁敏感成像对于局部磁场不均匀性特别敏感，在某些磁化率差异特别大的区域，如颅底的含气鼻窦、脊柱等部位，其成像受到一定的限制，局部会形成特别强的相位伪影。同时，由于主磁场B0的不均匀性、B1场的不均匀性、化学位移、部分容积效应以及温度等因素都会引起MRI相位改变，因此近几年磁量图（quantitative susceptibility mapping,QSM）引起了研究者的广泛关注，它的成像特点是仅与局部血细胞比容及局部氧含量有关，能够完全避免上述因素的干扰，可以有效去除相位伪影，使MRI技术可以得到更广泛的应用。此外QSM对铁和磷脂等成分有高度的敏感性，磁敏感信号的变化可以直接反映组织成分的轻微改变，从而可以更加准确地显示脑组织内的细微结构[24]，同时也使脑内铁的定量测量成为可能，目前QSM技术已应用于肝硬化病人脑铁含量的定量测量[25]。随着SWI技术的进一步改进，它的性能将会更加稳定，影像质量将进一步提高，从而能够更好地应用于临床诊断、鉴别诊断及科研。

[1]Aquino D,Bizzi A,Grisoli M,et al.Agerelated iron deposition in the basal ganglia:quantitative healthy subjects[J].Radiology,2009,252: 165-172.

[2] Haacke EM,Xu Y,Cheng NY,et al.Susceptibility weighted imaging (SWI)[J].Magn Reson Med,2004,52:612-618.

[3] Haacke EM,Ayaz M,Khan A,et al.Establishing a baseline phase behavior in magnetic resonance imaging to determine normal vs. abnormalironcontentinthebrain[J].JMagnResonImaging,2007,26: 256-264.

[4] Sehgal V,Delproposto Z,Haddar D,et al.Susceptibility-weighted imaging to visualize blood products and improve tumor contrast in the study of brain masses[J].Magn Reson Imaging,2006,24:41-51.

[5] Haacke EM,Mittal S,Wu Z,et al.Susceptibility-weighted imaging: technical aspects and clinical applications,part 1[J].AJNR,2009,30: 19-30.

[6] Wang D,Li WB,Wei XE,et al.An investigation of age-related iron deposition using susceptibility weighted imaging[J].PLoS One,2012, 7:e50706.

[7] 杨昂,张雪林,陈燕萍.SWI在脑内铁定量分析中的应用[J].广东医学,2012,32:3054-3057.

[8] Zhang J,Zhang Y,Wang J,et al.Characterizing iron deposition in Parkinson’s disease using susceptibility-weighted imaging:an in vivo MR study[J].Brain Res,2010,1330:124-130.

[9]Wang Y,Butros SR,Shuai X,et al.Different iron-deposition patterns of multiple system atrophy with predominant parkinsonism andidiopathetic Parkinson diseases demonstrated by phase-corrected susceptibility-weighted imaging[J].AJNR,2012,33:266-273.

[10]王波,戴敏方,王云勇,等.帕金森病脑内铁沉积的SWI定量研究[J].放射学实践,2012,27:1174-1179.

[11]王书健,邓克学,郑春生,等.SWI测量脑铁沉积在帕金森病中的临床应用价值[J].安徽医科大学学报,2013,48:523-526.

[12]李思瑶,何慧瑾,冯晓源,等.磁敏感加权成像相位值评估阿尔茨海默病脑内铁沉积[J].中国医学影像技术,2011,27:698-701.

[13]Mittal S,Wu Z,Neelavalli J,et al.Susceptibility-weighted imaging: technical aspects and clinical application,part 2[J].AJNR,2009,30: 232-252.

[14]Wang D,Li YY,Luo JH,et al.Age-related iron deposition in the basal ganglia of controls and Alzheimer disease patients quantified usingsusceptibilityweightedimaging[J].ArchGerontol Geriatr,2014, 59:439-449.

[15]李鹏.磁敏感加权成像在阿尔茨海默病及轻度认知障碍脑铁沉积中的测量研究[D].太原：山西医科大学,2011.

[16]苗延巍,蔡兆诚,宋清伟,等.多发性硬化脑深部灰质核团铁沉积的SWI定量研究[J].中国临床医学影像杂志,2010,21:153-156.

[17]Habib CA,Liu M,Bawany N,et al.Assessing abnormal iron content in the deep gray matter of patients with multiple sclerosis versus healthy controls[J].AJNR,2012,33:252-258.

[18]Hagemeier J,Yeh EA,Brown MH,et al.Iron content of the pulvinar nucleus of the thalamus is increased in adolescent multiple sclerosis [J].Mult Scler,2013,19:567-576.

[19]Tong KA,Ashwal S,Holshouscr BA,et al.Hemorrhagic shearing lesions in children and adolescents with posttraumatic diffuse axonal injury:improved detection and initial results[J].Radiology,2003,227: 332-339.

[20]Goos JDC,Van der Flier WM,Knol DL,et al.Clinical relevance of improved microbleed detection by susceptibility-weighted magnetic resonance imaging[J].Stroke,2011,42:1894-1900.

[21]Siesjö BK,Agardh CD,Bengtsson F.Free radicals and brain damage [J].Cerebrovasc Brain Metab Rev,1989,1:165-211.

[22]Gu Y,Hua Y,Keep RF,et al.Deferoxamine reduces intracerebral hematoma-induced iron accumulation and neuronal death in piglets [J].Stroke,2009,40:2241-2243.

[23]薛彦忠,郝培来.磁敏感加权成像在预测急性脑梗死出血性转化中的应用[J].中华临床医师杂志,2013,7:730-731.

[24]Deistung A,Schäfer A,Schweser F,et al.Toward in vivo histology:a comparison of quantitative susceptibility mapping (QSM)with magnitude-,phase-,and R2-imaging at ultra-high magnetic field strength[J].Neuroimage,2013,65:299-314.

[25]Xia S,Zheng G,Shen W,et al.Quantitative measurements of brain iron deposition in cirrhotic patients using susceptibility mapping[J]. Acta Radiol,2014,DOI:10.1177/0284185114525374.

（收稿2014-04-22）

The application of SWI in iron overloaded of brain

CHENG Shuangjuan,XIAO Jiangxi.Department of Radiology,The First Hospital of Beijing University,Beijing 100034,China

Susceptibility-weighted imaging（SWI）is a high-spatial-resolution 3D MR imaging technique.SWI relys on the difference in magnetic susceptibility of tissues to show tissue contrast.It is superior to conventional gradient echo sequence in detecting iron deposit.Semi-quantitative measurement of iron and dynamically evaluating brain iron change can be archived by quantitatively measuring tissue signal intensity.SWI can provide important information in early disease detecting,monitoring disease progress,and evaluating efficiencies of treatments.In this article,we reviewed the principle and application of iron measurement in brain SWI.

Susceptibility weighted imaging;Intracranial hemorrhage;Iron overload;Quantitative measurement; Dynamic monitoring

10.3874/j.issn.1674-1897.2015.01.Z0103

100034北京，北京大学第一医院影像科

肖江喜，E-mail:cjr.xiaojiangxi@vip.163.com

*审校者