健康志愿者脑深部静脉血氧水平与灰质核团铁沉积的相关性

唐乐梅　TANG Lemei訾　鑫　ZI Xin冯　杰　FENG Jie宁殿秀　NING Dianxiu孙　博　SUN Bo伍建林　WU Jianlin苗延巍　MIAO Yanwei

作者单位大连医科大学附属第一医院放射科 辽宁大连 116011



健康志愿者脑深部静脉血氧水平与灰质核团铁沉积的相关性

唐乐梅TANG Lemei
訾鑫ZI Xin
冯杰FENG Jie
宁殿秀NING Dianxiu
孙博SUN Bo
伍建林WU Jianlin
苗延巍MIAO Yanwei

作者单位
大连医科大学附属第一医院放射科 辽宁大连 116011

【摘要】目的 通过对正常志愿者脑深部小静脉磁敏感加权成像（SWI）相位值（Δφ）的测量，评价健康人群脑静脉血氧含量的年龄、性别、侧别差异，探讨颅内小静脉血氧含量与深部灰质核团铁沉积的相关性。资料与方法 56例健康志愿者行SWI扫描，应用神经影像信号处理软件生成滤过后的相位图，比较双侧基底静脉（BV）、大脑中深静脉（DMCV）、大脑内静脉（ICV）、丘纹上静脉（STV）Δφ，比较健康志愿者男性与女性、左侧与右侧各静脉Δφ。测量双侧尾状核头、苍白球、壳核、丘脑、黑质和红核Δφ，分析健康志愿者脑静脉Δφ值与年龄、深部核团相位值的相关性。结果 脑深部静脉中，DMCV Δφ明显低于BV、ICV、STV（P<0.05），ICV Δφ高于其他静脉（P<0.05），BV Δφ与STV比较差异无统计学意义（P>0.05）。男性与女性、左侧与右侧的BV、DMCV、ICV、STV Δφ比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。BV、DMCV、ICV Δφ与年龄无相关性（P>0.05）。BV、DMCV、STV Δφ与双侧尾状核头、双侧苍白球、双侧壳核、左侧红核呈正相关（P<0.05），BV与左侧丘脑Δφ呈正相关（P<0.05），ICV与双侧壳核Δφ呈正相关（P<0.05），DMCV、STV与右侧红核Δφ呈正相关（P<0.05），DMCV、ICV、STV与左侧黑质Δφ呈负相关（P<0.05）。结论 正常人脑静脉Δφ值存在部位差异，无年龄、性别及侧别差异；脑深部核团铁沉积与脑静脉血氧含量存在相关性。

【关键词】磁共振成像；磁敏感加权成像；脑静脉；血氧测定法；铁；沉淀；成年人

Department of Radiology, the First Hospital Affiliated to Dalian Medical University, Dalian 116011, China

Address Correspondence to: MIAO Yanwei E-mail: ywmiao716@163.com

国家自然科学基金资助项目（81171321）。

R445.2；R338.2

修回日期：2016-01-09

中国医学影像学杂志

2016年 第24卷2期：81-85

磁敏感加权成像（SWI）是一种新近发展起来的MRI方法，利用SWI相位图可以对脑内结构的相位值（Δφ）进行测量，推算其非血色素铁含量[1]。静脉血氧含量是SWI血管成像的基础，静脉Δφ可反映静脉血氧水平，该方法近几年被用于一些颅脑疾病的评估[2]。本研究旨在运用SWI定量评估健康志愿者脑静脉血氧含量与核团铁沉积的关系，为进一步分析颅脑疾病提供正常参考值。

1　资料与方法

1.1研究对象2012年12月—2013年2月于大连医科大学附属第一医院招募56名健康志愿者，其中男13例，女43例；年龄24～70岁，平均（37.13±12.25）岁。排除标准：①既往有精神疾病、神经疾病、颅脑外伤、颅脑手术史者；②药物、酒精、吸烟成瘾者；③长期高血压（5年以上病史），近期严重心、肝、肾功能障碍者；④MRI T2WI上白质结构出现异常信号者。本研究经本院医学伦理委员会批准，患者均知情同意。

1.2仪器与方法采用GE Signa HDxt 3.0T超导型MRI扫描仪，最大梯度场为33.3 mT/m，梯度切换率为150 T/（m•s），采用8通道相控阵头线圈。常规扫描序列包括T2WI螺旋桨扫描、T1液体衰减反转恢复（fluid-attenuated inversion-recovery，FLAIR）序列及T2 FLAIR；SWI选用SWI序列。扫描参数：TR 50 ms，TE 40 ms，层厚2 mm，层距0 mm，视野240 mm×240 mm，矩阵512×512，激励次数0.75，总扫描时间20 min 34 s。

1.3图像后处理所有SWI原始数据导入电脑，经神经影像信号处理软件处理，生成滤过后的相位图、幅度图及最小密度投影（minimum intensity projection，MinIP）图。结合SWI MinIP图显示，在相位图上分别选取双侧基底静脉（bilateral basal vein，BV）、大脑中深静脉（deep middle cerebral vein，DMCV）、大脑内静脉（internal cerebral vein，ICV）、丘纹上静脉（superior thalamostriate vein，STV）。脑深部静脉Δφ测量原理：由公式（1）可知，静脉与周围组织的相位差与静脉的血氧饱和度Y呈线性关系[3]。

其中，γ是质子的磁旋比，其值为2.678×108 rad/（s·T）；B0是磁场强度；TE是回波时间；θ为血管与磁场的夹角；Δχdo表示单位体积内脱氧血红蛋白与含氧血红蛋白的磁化率差异，为常数1.8×10－7；Y是血氧饱和度分数[4]；Hct是红细胞比容，为常数，健康人Hct值为0.4～0.5。Δφ与血氧饱和度（Y）的关系为Δφ∝（1－Y），血氧饱和度减低，Δφ增大；反之，血氧饱和度增高，Δφ降低。因此通过测量Δφ，即可推测脑静脉血氧含量的高低。

利用SPIN软件对Δφ进行测量，选取目标静脉，手动绘制该静脉的垂直线，贯穿静脉及周围实质组织（图1A），软件自动生成测量值变化曲线（图1B），曲线上的点为沿垂直线走行所有像素的Δφ。a与b分别为血管两侧脑组织的Δφ，c为静脉的最低Δφ。记录a、b、c 3点的Δφ后，根据公式（2）计算Δφ[7]：

测量线需避开气颅交界区的相位混淆伪影、非目标血管以及脑室系统的影响。每个静脉均需沿血管走行由远及近连续测量3次，然后取测量值的平均值作为最终测量值。

图1　脑深部静脉Δφ测量。女，36岁，健康志愿者。于垂直血管方向划短线，箭和箭头分别指向右侧STV及ICV测量线（A）；SPIN软件测量血管Δφ示意图示尖峰向下的图形为沿静脉垂直线走行的所有像素的Δφ（B）

然后，对每例受试者分别选取双侧尾状核头、苍白球、壳核、丘脑、黑质和红核显示最清楚的层面，手动勾画每个结构的边界，并测量其Δφ。所有测量结构均避开气颅交界区的相位混淆伪影、血管结构以及脑室系统的影响。所有测量工作由同1名观察者完成。核团的测量见图2。

1.4统计学方法采用SPSS 17.0软件，健康志愿者静脉Δφ与年龄的相关性分析采用Spearman相关分析，受试者性别、左右侧各静脉Δφ的比较采用配对t检验，不同测量血管之间静脉Δφ的比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD法，P<0.05表示差异有统计学意义。

图2　脑灰质核团测量。女，36岁，健 康志愿者。A为左侧尾状核头（星号）、苍白球（箭头）、壳核（箭），B为左侧丘脑（箭头），C为右侧黑质（箭）、红核（箭头）的测量轮廓，利用SPIN软件测量图示区域的铁含量

2　结果

2.1健康志愿者脑静脉Δφ比较56名健康志愿者的BV、DMCV、ICV、STV的Δφ分别为（771.12±138.93） spin、（542.05±118.97）spin、（884.03±146.51）spin、（783.26±137.93）spin。DMCV Δφ明显低于BV、ICV、STV（F=780.665，P<0.05）；ICV的Δφ最高，与其他静脉比较差异有统计学意义（F=780.665，P<0.05），BV 与STVΔφ比较差异无统计学意义（t=0.65，P>0.05）。

2.2健康志愿者男性与女性、右侧与左侧各脑静脉Δφ比较男性与女性、左侧与右侧的BV、DMCV、ICV、STV Δφ比较，差异均无统计学意义（P>0.05），见表1。

表1 健康志愿者男性与女性及左右侧各脑静脉Δφ比较（spin）

2.3健康志愿者脑静脉Δφ与年龄的相关性BV、DMCV、ICV Δφ与年龄无相关性（r=－0.240、0.058、0.029，P>0.05），见图3。

图3　BV（A）、DMCV（B）及ICV（C）与年龄的相关性

2.4健康志愿者脑静脉Δφ与深部核团Δφ的相关性BV、DMCV、STV Δφ与双侧尾状核头、双侧苍白球、双侧壳核、左侧红核呈正相关（P<0.05），BV与左侧丘脑Δφ呈正相关（P<0.05），ICV与双侧壳核Δφ呈正相关（P<0.05），DMCV、STV与右侧红核Δφ呈正相关（P<0.05），DMCV、ICV、STV与左侧黑质Δφ呈负相关（P<0.05）。见表2。

3　讨论

3.1测量血管的选取本研究测量脑静脉的Δφ，以了解正常人群脑静脉Δφ正常范围，并探讨脑灰质核团与Δφ的相关性，因此选取灰质核团的主要引流静脉。考虑测量的可操作性，除选择显示清晰、走行较固定的血管外，还需考虑血管走行区应避开气颅交界区以及脑室系统的影响。根据人脑血管解剖研究，基底节区灰质核团主要引流静脉包括透明隔静脉和STV，其中以STV为主，至第三脑室后方汇合成ICV，收集豆状核、尾状核、胼胝体、第三脑室和侧脑室脉络丛及丘脑等处的血液，因此，基底节区引流静脉的测量选择ICV和STV。BV由大脑前静脉、大脑中深静脉合成，接受岛叶附近、嗅区、眶回、基底核、上下丘脑和脑干上部的静脉回流。因此选取BV和大脑中深静脉作为其引流静脉测量红核、黑质核团。

表2　56例健康志愿者脑静脉Δφ与核团Δφ的相关分析

3.2脑血氧含量测定的技术方法比较一直以来，PET是反映脑血流动力学变化的“金标准”，可获得关于脑血流、脑氧代谢率和氧摄取分数的准确信息[5]，但由于PET的有创性及其图像分辨率等问题，其在临床上的应用受到一定的限制。目前测量血氧含量的方法有血氧水平依赖成像与MRI灌注成像，血氧水平依赖成像对运动敏感、图像空间分辨力低，MRI灌注成像需要外源性对比剂，因此其应用也受到限制[6-7]。

SWI静脉结构成像依赖于其内脱氧血红蛋白引起磁场不均匀导致的T2*时间缩短和静脉与周围组织之间的相位差两种效应。血红蛋白在人体内有氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白两种状态，两者的磁化率不同。氧合血红蛋白相对于周围的脑组织抗磁化率非常小，脱氧血红蛋白相对于周围的脑组织是顺磁性的。因此，氧饱和度的变化会引起静脉和周围组织之间的相位差[8]。通过测量小静脉和周围组织之间的相位差，可以得到静脉血血氧含量的信息[9]。Hingwala等[10]认为SWI血管成像检测血液的血氧水平非常敏感。还有学者采用SWI对颈静脉狭窄后脑血氧饱和度[10]以及脊髓动静脉畸形治疗前后[11]的血氧饱和度进行研究，证实SWI可对血氧饱和度进行准确的评估。

3.3健康志愿者各脑静脉Δφ与年龄的相关性及双侧脑静脉Δφ的差异为观察年龄对正常人群的脑静脉Δφ是否存在影响，本研究对受试者的年龄与静脉Δφ进行了相关分析。结果显示，同一血管的Δφ与年龄无相关性，提示在不同年龄的正常人群中，静脉血氧饱和度不存在差异，这不仅为利用静脉血Δφ进行定量分析提供了正常参考，还简化了正常对照组的年龄限定，此结果与刘铁利等[12]的研究结果相符。

本研究还发现，健康志愿者左侧与右侧脑深部静脉的Δφ无显著差异，原因可能为脑深部静脉的长度及其起点、止点面积均相似，且对称性分布，无优势引流[13]，血管管径相似（血管内含氧血红蛋白含量相似）以及位置固定（受周围组织磁敏感伪影的影响相似）。

3.4健康志愿者各脑静脉Δφ的差异本研究脑内各静脉Δφ有显著差异，原因可能与静脉逐级回流有关，丘纹静脉回流入ICV，静脉内氧在逐级回流的过程中不断被周围组织摄取，血氧饱和度不断降低，脱氧血红蛋白逐渐增加，使得静脉信号减低，Δφ降低，静脉与周围组织Δφ增大；另外，管径细小的静脉脱氧血红蛋白含量少，而且在测量中容易受到测量层面和部分容积效应的影响，也将导致测量结果存在一定偏差。

3.5健康志愿者脑静脉Δφ与灰质核团Δφ的相关性健康人脑灰质核团Δφ与深部静脉Δφ呈正相关，提示健康人的脑灰质核团的铁代谢与脑深部小静脉的血氧饱和度有一定的相关性。由于脑组织具有血-脑屏障，铁蛋白由血液进入脑组织主要是由位于毛细血管上皮细胞上的转铁蛋白载体-受体介导的胞饮过程来完成的，而这是一个耗氧生物过程。其生理机制可能是由于脑灰质核团的铁沉积导致静脉血氧饱和度下降，或者血氧饱和度下降导致灰质核团铁沉积，或者两者的变化为另一生理过程的伴随结果，然而这一结论仍需进一步研究进行证实。

3.6本研究的局限性本研究志愿者例数相对较少，年龄分布不均衡，需增加例数进一步分析研究；虽然Δφ能够较好地推算出脑铁浓度，但是脑灰质核团微观结构的改变，尤其是老年人灰质核团中除脑铁的沉积，还常常会出现生理性钙盐及其他矿物质沉积。而在本研究中，尚无法在相位图很好地区分掺杂在一起的铁及其他矿物质，这会在一定程度上影响测量的准确性。

总之，本研究应用脑静脉Δφ反映静脉的血氧水平，结果显示正常人脑静脉血氧含量存在部位差异，无年龄、性别及左右侧差异，为疾病的进一步研究提供了正常参考，简化了正常人群的年龄及性别限制；脑深部核团铁沉积与脑静脉血氧含量的相关性或许提示两者间存在因果关系，或为其他病理过程的伴随结果。在以后的研究中将利用QSM（Quantitative Susceptibility Mapping）方法对脑静脉Δφ进行测量研究，并与本研究结果进行比较，以寻找更简洁、准确反应脑静脉学氧含量的方法。

志谢：感谢美国E Mark Haacke教授（Director，MR Research Facility，Wayne State University，MI，USA）授权本研究团队使用SWI序列及SPIN软件。

参考文献

[1]夏春华, 邓雪飞, 庞刚, 等. 2D-TOF和3D-CE MRV对正常脑静脉的显示及比较. 安徽医科大学学报, 2008, 43(2): 135-138.

[2]Agid R, Shelef I, Scott JN, et al. Imaging of the intracranial venous system. Neurologist, 2008, 14(1): 12-22.

[3]Zamboni P, Menegatti E, Galeotti R, et al. The value of cerebral Doppler venous haemodynamics in the assessment of multiple sclerosis. J Neurol Sci, 2009, 282(1/2): 21-27.

[4]Zwischenberger BA, Beasley MM, Davenport DL, et al. Metaanalysis of the correlation between chronic cerebrospinal venous insufficiency and multiple sclerosis. Vasc Endovascular Surg, 2013, 47(8): 620-624.

[5]Menon DK. Brain ischaemia after traumatic brain injury: lessons from 15O2 positron emission tomography. Curr Opin Crit Care, 2006, 12(2): 85-89.

[6]Tallantyre EC, Brookes MJ, Dixon JE, et al. Demonstrating the perivascular distribution of MS lesions in vivo with 7-Tesla MRI. Neurology, 2008, 70(22): 2076-2078.

[7]Li M, Hu J, Miao Y, et al. In vivo measurement of oxygenation changes after stroke using susceptibility weighted imaging filtered phase data. PLoS One, 2013, 8(5): e63013.

[8]Schaller B, Graf R. Cerebral venous infarction: the pathophysiological concept. Cerebrovasc Dis, 2004, 18(3): 179-188.

[9]Schmierer K, Parkes HG, So PW, et al. High field (9.4 Tesla) magnetic resonance imaging of cortical grey matter lesions in multiple sclerosis. Brain, 2010, 133(Pt 3): 858-867.

[10]Hingwala D, Kesavadas C, Thomas B, et al. Clinical utility of susceptibility-weighted imaging in vascular diseases of the brain. Neurol India, 2010, 58(4): 602-607.

[11]Ge Y, Zohrabian VM, Osa EO, et al. Diminished visibility of cerebral venous vasculature in multiple sclerosis by susceptibility-weighted imaging at 3.0 tesla. J Magn Reson Imaging, 2009, 29(5): 1190-1194.

[12]刘铁利, 张竞文, 谭艳梅, 等. 磁敏感加权成像技术评估正常人群脑静脉血相位值. 中国医学影像技术, 2013, 29(2): 197-201.

[13]李文欢. 大脑深静脉的64层螺旋CT成像研究及临床应用.泸州: 泸州医学院硕士论文, 2012.

（本文编辑冯婕）

新书讯

《胸部CT与MRI诊断学》

（主编：蔡祖龙，高元桂 ；ISBN：978-7-80194-575-1；精装，出版日期：2005年9月；定价：126.00）

本书共24章，内容包括CT的基本知识与检查方法、磁共振成像（MRI）的基本知识、胸部CT和MRI解剖、胸部病变的CT和MRI基本征象以及胸部各种疾病的CT与MRI检查技术。重点对气管、支气管、肺结核、肺癌、心脏和大血管病变、纵隔病变、肺部原因不明疾病、胸部弥漫性疾病的病理、临床表现、CT和MRI的检查方法、影像学表现、诊断、鉴别诊断进行了详细的介绍。本书内容丰富，附有大量珍贵的临床图片资料，图文并茂、实用性强。适合于从事影像学诊断的专业人员、临床医师及医学院校师生学习参考。

邮购电话：010-51927278；联系人：王群。

Chinese Journal of Medical Imaging 2016 Volume 24(2): 81-85

Correlation Between Deep Cerebral Venous Oxygen Concentration and Nuclei Iron Deposition in Healthy Volunteers

【Abstract】Purpose To assess brain venous phase values (Δφ) change with age, gender, and location using susceptibility weighted imaging (SWI), and to explore the correlation between iron depositions in nuclei and venous oxygen concentration in healthy volunteers.

Materials and Methods Fifty-six healthy volunteers underwent SWI examinations. Filtered phase imaging were acquired with signal process in neuroimaging, and the Δφ were measured in bilateral basal vein (BV), deep middle cerebral vein (DMCV), internal cerebral vein (ICV), superior thalamostriate vein (STV), respectively, and compared the Δφ values between the female and male volunteers, and between left and right sides. In addition, the phase value of bilateral heads of caudate nucleus (HCN), globuspallidus (GP), putamen (PUT), thalamus (THA), substantianigra (SN), red nucleus (RN) were measured in all subjects, and analyzed the correlation between the Δφ of brain veins and deep gray nucleis. Results In healthy volunteers, the Δφ of DMCV was lower than that of BV, ICV and STV (P<0.05); the Δφ of ICV was higher than that of the other veins (P<0.05). There were no significant differences in the Δφ between BV and STV (P>0.05). There were no significant differences in the Δφ between male and female or right and lift (P>0.05). No correlation of BV, DMCV, ICV and age in the Δφ (P>0.05). The positive phase correlations were found between veins (BV, DMCV and STV) and deep gray nuclei (HCN, PUT and GP) (P<0.05). Conclusion The Δφ in cerebral veins which reflects the blood oxygen content is not age-dependent without gender or side differences in healthy people. The Δφ of cerebral veins is related with the phase of the deep brain nuclei which reflects iron deposition.

【Key words】Magnetic resonance imaging; Susceptibility-weighted imaging; Cerebral veins; Oximetry; Iron; Precipitation; Adult

收稿日期：2015-12-12

中图分类号

基金项目

通讯作者苗延巍

Doi：10.3969/j.issn.1005-5185.2016.02.001