磁敏感加权成像脑铁含量感兴趣区选择及测量研究

程禹，杨利霞，朱勇，黄自丽，许永华

1.中国科学院上海临床中心/上海市徐汇区中心医院， 上海 200031

2.上海大学生命科学学院，上海200444

近年，磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging，SWI)研究发现磁化性物质引起的相位差异在一定程度上为相关疾病的诊断提供了一定程度的辅助信息，且相位信息与铁沉积等的正向关系得到了绝大多数研究者的认可[1-2]，因此极大地促进了SWI技术的进一步研究和应用，使测量铁含量成为可能。在某些相关疾病的铁含量研究中，由于铁沉积受多种因素的影响，导致铁含量的不稳定性增加，因此在相关感兴趣区(region of interest，ROI)的选取和勾勒中也给研究者们带来很多的困扰[3-4]。尤其对于感兴趣区内出现矿物质低信号，是仅测量低信号敏感区还是整体测量，对铁含量测量的准确性影响有多大尚不清楚。本文将对此问题进行相关研究，期望对使用SWI技术研究铁相关疾病的研究者提供一定程度的技术参考。

1 材料与方法

1.1 一般资料

2014年3月至2014年9月招募健康志愿者94例，男50例，女44例，健康组为不同年龄段正常人群，纳入标准：①无神经或精神疾患；②无假牙等影响图像质量的头部金属异物；③脑部常规MRI检查未见异常。健康志愿者分为6组：≤20岁组；21～30岁组；31～40岁组；41～50岁组；51～60岁组；＞60 岁组，每组≥10人。发现其中苍白球区存在明显矿物质沉积10例，另外选取性别和年龄相匹配的苍白球区无异常铁含量沉积10例，作为对照组，两组年龄32～68岁，男6例，女14例。所有健康志愿者均排除明显头颅外伤史、无神经、精神类疾病、代谢性类疾病以及其他可能会影响中枢神经系统的系统性疾病。本研究经我院伦理委员会审查并通过(批准文号2013-06)，所有受试者在检查前均签署知情同意。

1.2 MR数据采集

采用德国西门子 Verio Tim 3.0 T超导MR扫描仪和32通道高精密头颅线圈，并使用海绵垫固定志愿者头部，嘱咐志愿者扫描过程中避免头颅移动影响实验测量结果。所有健康志愿者均行常规头颅MR检查和SWI技术检查。(1)颅脑常规MRI检查序列包括：横断位DWI序列，TR=6300 ms，TE=96 ms，BW=996 Hz，FA=90°，b0=0 ms，b1=1000 ms；横断位T1WI，T1FLAIR序列，TR=2500 ms，TE=9.5 ms，TI=1034.9 ms，BW=260 Hz，FA=150°；横断位T2WI，T2TSE序列，TR=5500 ms，TE=92 ms，BW=220 Hz，FA=150°；横断位T2WI，T2FLAIR序列，TR=8500 ms，TE=102 ms，TI=2690 ms，BW=283 Hz，FA=150°。以上常规扫描定位以平行于颅脑前后联合，FOV=220×220，slices=19，ST=5 mm，常规扫描主要为排除健康志愿者颅内明显异常病变。(2)SWI序列横断位扫描，序列参数为：TR=28 ms，TE=20 ms，FOV=179×230，BW=120 Hz，FA=15°，ST=1 mm，Slices=88，TA=7 min 50 s。SWI定位平行于颅脑前后联合，扫描范围覆盖中脑和基底节区。

1.3 MR数据处理

采用Simens MR中SWI序列可直接得到包括幅度图、相位图、MIP图及SWI图4组图像。采用常用的Image J(National Institutes of Health，Bethesda，MD， http://rsbweb.nih.gov/ij/)软件对相位图上ROI区进行识别和测量：首先使用Image J软件中的多边形工具在SWI图像上按照各ROI区解剖部位结构画取ROI，然后将画取的ROI直接复制到相应图层的相位图像上，并计算出相应层面内选定的ROI区信号值。对于苍白球区含明显矿物质沉积的健康志愿者，选取含明显矿物质沉积且显示最多的3个连续层面，分别画取整个苍白球作为ROI区(图1)和该层面内明显矿物质沉积区作为另一ROI区并测量其灰度值(图2)，取3次平均值作为最终值。对于苍白球区内无明显异常矿物质沉积的正常志愿者，选取苍白球显示最大，最清晰的3个连续层面，画取ROI并测量信号值(图3)，取3次平均值作为最终值。

图1～3 正常头颅SWI技术图像(A为SWI图像；B为同一层面相位图像)。图1 含异常矿物质沉积组画取整个苍白球作为ROI； 图2 含异常矿物质沉积组画取局部矿物质异常沉积区作为ROI；图3 无异常矿物质沉积组画取整个苍白球作为ROIFig.1—3 SWI imaging of normal brain(A is SWI imaging; B is phase imaging of same slice).Fig 1 ROI drawn around the globus palidus(GP)with abnormal mineral deposits; Fig.2 ROI drawn around the abnormal local mineral deposits area; Fig.3 ROI drawn around the globus palidus without abnormal mineral deposits.

图4 20名健康志愿者苍白球区画取不同ROI的灰度值测量结果曲线。A1组：10例苍白球含异常矿物质沉积健康志愿者的整个苍白球区灰度值；A2组：10例苍白球区局部异常矿物质沉积区灰度值；B组：10例苍白球区不含异常矿物质沉积区整个苍白球区灰度值Fig.4 Signal intensity curve of the globus pallidus in 20 healthy volunteers.Signal intensity the whole globus pallidus with abnormal mineral deposit in 10 healthy volunteers(group A1); Signal intensity local abnormal mineral deposit of the globus pallibus in 10 healthy volunteers(group A2); Signal intensity of the whole globus pallibus without local abnormal mineral deposit in 10 healthy volunteers(group B).

1.4 统计学分析

本研究应用SPSS 20.0软件进行统计学分析。通过Pearson线性相关分析比较苍白球区有无异常铁含量沉积时的信号值对苍白球区铁含量测量的影响，以P＜0.05为具有统计学差异。

2 结果

2.1 灰度值测量

10例含异常矿物质沉积健康志愿者为A组,其中进行整个苍白球区灰度值测量为A1组；进行苍白球区内异常矿物质沉积局部区域灰度值测量为A2组；10例与A组年龄和性别基本相匹配，但无异常矿物质沉积整个苍白球区灰度值测量位为B组。测量结果见图4。

2.2 相关分析

A1组和A2组灰度值测量相关系数r=0.827(P＜0.05)，整个苍白球区灰度值测量与局部区域灰度值测量具有显著相关性，因此说明通过SWI技术分析其矿物质沉积时，对于含有异常矿物质沉积的苍白球区，通过选取整个苍白球区作为ROI或是只将异常的矿物质沉积区作为ROI区都反映一致的矿物质沉积趋势。A1组和B组相关系数r=0.183(P＞0.05)，A2组和B组间相关系数r=0.344(P＞0.05)，说明苍白球区内有无矿物质沉积对灰度值测量影响具有统计学意义，见表1。

3 讨论

磁敏感加权成像能够显示组织间磁化率差异[5-6]。它采用高分辨率3D梯度回波序列成像，一次扫描可以同时得到磁矩图和相位图，其本质是T2*成像技术。相位是一种组织自身固有的信息，过去由于技术的限制一直未被很好应用。目前采用新的去卷积算法使得相位信息被充分利用，可以使用后处理得到的校正相位图测量相位值。通过相位信息进一步增加了组织间的对比，对脑内细小解剖结构具有良好的分辨力，尤其是基底节区深部核团，还能清晰分辨黑质网状带和致密带，显示红核内小细胞带和大细胞带的分隔髓板，甚至增加具有不同血容量的灰白质之间的对比。由于SWI其高分辨力成像，可以检测到亚体素水平磁场不均造成的质子自旋相位的细微差异，敏感性高，近年来已成为惟一能够在活体、安全无创的定量检测脑铁含量的技术[7-8]。

表1 苍白球区感兴趣区信号测量值Tab.1 Signal intensity of region-of-interest in globus pallibus

目前研究已证实帕金森病、老年痴呆等患者会出现脑内铁沉积，量化评估和跟踪脑内铁沉积的水平至关重要，这可能为早期发现和治疗监测病情提供机会。定量测定脑内铁沉积能否成为帕金森病、老年痴呆等疾病诊断新的生物学标志物呢？是学者关注的热点。其实关于人体内脑铁含量研究由来已久，1915年Guizzeit通过对人脑的组织化学染色的研究发现，人脑的苍白球、黑质、红核和齿状核区域较其他脑区具有明显浓烈的铁染色[9]。1922年Spatz就采用Perls法定量检测脑组织铁含量，首先证实了脑内铁的分布是不均匀的，具有明显的部位相关性[10]。铁染色最显著的区域是锥体外系，其中尤以基底节区的染色最为显著，苍白球、黑质、红核以及小脑齿状回浓度较高，皮层的染色比较弱，而白质及延髓几乎没有可见的染色。研究进一步证明苍白球内的铁含量最高，甚至高于肝脏，其内约80%的非血红素铁以铁蛋白的形式存在。铁蛋白不仅含量多，而且其特殊的结构特点使其具有超顺磁性，可以显著改变局部磁场，造成局部磁场的不均匀性，使邻近质子失相位，导致横向弛豫时间T2、T2*的缩短以及相位改变，MRI测量脑铁含量也正是基于这些改变。因此本研究选择苍白球作为脑铁含量测量的区域，保证了脑铁含量测量的稳定性和准确性。虽然铁在体内分布形式多样，但除铁蛋白外的其余非血红素铁含量均很低，不足以影响MR信号强度，而体内其它的顺磁性金属元素如铜和锰等金属离子，浓度都非常低，对组织磁敏感性的影响也非常小，在生理情况下也不足以影响MR信号强度[11-12]。因此生物组织的磁敏感性差异主要由铁及其降解产物的含量和分布决定，而本研究选取苍白球区内低信号异常矿物质沉积能够反映铁含量的趋势。

脑铁含量测量的ROI选择对实验数据的准确性至关重要。目前研究者普遍都遵循一定的准确性原则以期将误差减小到最低[13-14]。无论是在相应的MR设备后处理工作站绘制ROI或是通过离线的软件方式绘制ROI等采取的方式基本上分为两种：(1)直接在SWI相位图上分辨相应核团的位置和边界，然后用自带的多边形工具绘制相应的ROI并测值。(2)在SWI图像上分辨相应核团的位置和边界，然后采用多边形工具绘制相应的ROI区域，再将在SWI图像上绘制的ROI直接复制在同一层面内的相位图像上并测值。目前这两种测量方式使用都较多，各有其优缺点。在SWI技术所生成的相位图、幅度图和SWI图像上，相位图像仅含有组织变化的相位信息，组织间对比不足，并不能清晰地分辨各组织边界。幅度图虽然存在一定的组织分辨率，但由于缺乏相位信息，无法形成组织间磁化性差异，对比不及SWI图像清晰。由于SWI图像同时覆盖了组织幅度和相位信息，更加强调了组织间磁敏感性差异，对于磁化性差异较大的核团区具有更为良好的组织信号对比和清晰的分界。因此，选择在SWI图像上手工画定ROI相比幅度图和相位图更加接近实际值。因采用第一种方法绘制ROI相对比较方便快捷，测量结果虽然存在一定的偏差，但多数试验与尸检结果相比较也并无明显差异，也能反映一定的实际情况，目前使用的研究者也较多[15-16]。第二种方式相对比较繁琐，但数据结果也更为接近真实值，近几年来也越来越被研究者认可推崇[17-18]。本研究采用第二种方式，使用Image J软件中的多边形工具在SWI图像上按照解剖部位结构画取ROI，然后将画取的ROI直接复制到相应层面的相位图像上，并计算出相应层面内选定的ROI信号值，使操作相对更简洁。以往的研究根据解剖分区及铁病理沉积的特点将不同脑区又细分为多个亚区。按照不同脑区的形态轮廓手工勾画ROI，苍白球分为前部和后部，在勾画时尽量选择信号均匀的区域。尽管SWI技术对铁沉积的显示已经达到一定的量级，ROI画取时也比较精细，但仍然难以避免ROI绘制过程中所产生的人为选择误差、选取层面的容积效应和相应核团内铁沉积分布不均等对真实值造成的影响。

本研究选取含明显矿物质沉积且显示最多的3个连续层面，分别画取整个苍白球作为ROI和该层面内明显矿物质沉积区作为另一个ROI并测量其灰度值，取3次平均值作为最终值。本研究发现整个苍白球区灰度值测量与局部区域灰度值测量具有显著一致性，说明含有异常矿物质沉积的苍白球区，选取整个苍白球区作为ROI与只将异常的矿物质沉积区作为ROI都反映一致的矿物质沉积趋势，对脑铁测量影响不大，因此可以直接选取苍白球整体区域作为ROI测量脑铁含量，此方法便捷，适合日常工作中操作。以此类推，除了苍白球以外，其它核团等铁沉积区域也可以采取整体选取ROI进行灰度值测量，使SWI技术铁含量测值工作简单易行，便于临床推广应用。

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