磁敏感加权成像及其对运动障碍性疾病脑铁沉积的研究进展

方舟，方维东

（重庆医科大学附属第一医院放射科，重庆400016）

0 引言

磁化率加权成像(SWI)是一种利用组织间磁化率差异来增强图像对比度的磁共振成像(MRI)技术。随着定量磁化率图(QSM)和磁化率张量成像(STI)的发展，定量测量脑铁沉积已经完全成熟，但其定量信息已经为发现运动障碍性疾病衰老和病理演变提供了新的线索，原发性震颤（Essential Tremor, ET）和帕金森病（Parkinson’s disease, PD）是临床上最常见两种以震颤为主的运动障碍性疾病，尽管有关于ET和PD中神经变性的种种假设，ET和PD都是最常见的神经系统疾病之一，但尽管发病率很高，但对病理生理学的了解仍然不够，特别是深部灰质的铁沉积成为了近年来的研究热点，并且由于铁是脑内深部灰质中磁易感性的主要来源，可用磁敏感加权成像序列进行评价，近年来的各种新兴的磁敏感加权序列已经被用于患有各种运动障碍型疾病以及神经退行性疾病的患者。本文就近年来磁敏感加权成像对以震颤为主的运动障碍性疾病的研究的新进展进行综述。

1 磁敏感加权序列概述

传统上，磁化率引起的磁场扰动在磁共振成像（MRI）中通常被视为图像伪影的来源。这种处理是有必要的，因为这种扰动无法提供可用的软组织对比度，而且大的场偏移会在MRI图像中产生各种不需要的失真。但是，磁化率也是组织的固有特性之一。如果处理得当，它也可以提供有关组织结构和功能的重要信息。磁化率加权成像（SWI）就是这样一种技术，它利用磁性来产生有用的图像对比度[1-3]。 SWI将T2*加权幅值图像与通过梯度回波序列获得的滤波后的相位图像进行乘法关系[1,3]。虽然T2*加权幅值图像已经提供了一些磁化率对比，但是SWI进一步增强了磁化率不同的组织之间的对比度。磁化率加权成像SWI的中心思想是通过结合幅度和相位来增强敏感度诱导的对比度。幅度或相位本身只使用了所获取信息的一半。 De Crespigny等人[2]提出了一种技术，通过将两者结合起来，提高了对敏感性对比的敏感性。他们提出振幅和相位可以通过多种方式结合起来，以使它们相互增强，而不是抵消，并演示一种简单的方法来在适当的相位校正后重建真实图像，以解决各种静态相位变化，并对各种静态相位变化进行适当的相位校正。今天常用的SWI曾被Reichenbach等人[3]描述为“MR静脉造影”，主要就是利用脱氧血红蛋白的顺磁性从而增强小血管的可视化。

1.1 对脑铁含量的显示更具优势的SWI序列-QSM

虽然铁是铁磁性的，但是铁主要以结合铁广泛分布于人体内，所以并没有已知的人体组织是铁磁性的。在人类中，铁主要储存在铁蛋白和含铁血黄素中；两者都是顺磁性的。在大脑中，某些区域优先积累非血红素铁。Hallgren和Sourander[4]在尸检时研究了铁在81个大脑中铁的分布。他们发现，铁的分布在十几岁或二十多岁时处于平台期，在60岁之后出现会再次出现较缓慢的增长，大体还是呈现指数式的增长。近年来的QSM对大脑的相关研究在很大程度上也验证大脑深层核团的顺磁敏感性主要是由于铁沉积[5-7]。死后核磁共振和质谱已经证实，QSM测量的敏感性与大脑深层核团中的铁浓度呈线性相关[8]。因此，QSM被认为是一种潜在的体内定量脑铁贮量的方法。这项由Lim等人[9]进行的研究评估了191名1-83岁的健康参与者的易感性与年龄的关系，结果表明，富铁灰质核的磁化率遵循指数增长轨迹，这也证实了Hallgren和Sourander[4]在之前的发现。另一方面，大脑和小脑半球白质和灰质的铁浓度最低[9]。Hallgren和Sourander[10]还报告说，皮层下的“U”型纤维的铁含量高于大脑灰质或白质。此外，额叶白质的铁分布大于枕叶白质，内囊后肢最后部几乎没有铁离子分布，视神经辐射也几乎没有。在7T时获得的高分辨率相位图中，Duyn等人[7]同时还观察到皮层IV层出现强烈的顺磁频移，这归因于细胞体中铁浓度过高。

1.2 磁敏感加权序列的更新与进展

在过去的十多年中，SWI在大脑中发现了越来越多的应用，并逐渐被常规临床成像所采用。但是，SWI没有提供磁化率的定量度量。定量磁化率图谱（QSM）[11-16]和磁化率张量成像（STI）[17]的最新发展正解决了这一局限。当SWI根据相位图像生成对比度时，QSM进一步计算每个体素的潜在磁化率作为标量。Liu等的另一项研究[18]也提示相较于T2*WI测得的R2*值及SWI测得的相位值，QSM的磁化率值在量化脑区异常铁沉积方面的敏感度及特异度更佳。另一方面，STI将磁化率视为张量（即3x3矩阵）而不是标量，从而可以量化磁化率各向异性（MSA）[19]。而JoM等学者在最近的一项研究中[20]评估了SMWI在3T上可视化的有效方法及效果。发现使用QSMnet利用磁化率掩模进行SMWI成像是一种更有效的方法。

2 人脑组织中铁的正常及病理性分布

组织中大部分MRI可见铁位于铁蛋白和含铁血黄素中，并与有助于储存和运输的蛋白质有关[21]。这种储存形式以外的过量铁对于细胞可能是有毒的，后果是导致氧化应激并导致疾病产生[22]。在健康的成年大脑中，总铁浓度范围为每克组织0-200μg，即200ppm，典型的白质（WM）和皮质灰质（GM）区域处于该范围的下限（＜60 ppm ）[4,23]。在微观尺度上，跨细胞类型存在很大的差异，小胶质细胞和少突胶质细胞对铁的染色最为一致[23-27]。在整个WM上，肉眼观察到可变的铁染色[4,26]，主要纤维束如胼胝体和视辐射几乎没有铁染色[27]。在GM中，在小脑的齿状核以及中枢脑区域（如基底神经节和红色核）中发现了最高的铁浓度[24,28]，通常与神经胶质细胞有关，而皮层中发现的较低浓度通常与少突胶质细胞有关。大多数病理状况与组织铁含量增加有关，主要是铁血铁蛋白和铁蛋白的形式。先前血管损伤部位附近的含铁血黄素可能源自渗出的血液。铁储存疾病（如铜蓝蛋白血症）发生的增加更为普遍，在大脑的大部分区域中铁的发现增加了2-3倍[29]。在许多神经系统疾病中，铁优先聚集在基底神经节中[21,30,31]，在该区域还发现了其他金属，例如锰[32]和钆[33]。大脑有可能使用这些区域作为不需要的材料的存储或转储。在某些较常见的神经系统疾病（如不宁腿综合征）中，铁组织蓄积呈减少的趋势[34]。

3 运动障碍患者的脑铁沉积研究

3.1 帕金森病患者的脑铁沉积

铁动态异常（特别是细胞铁超负荷）被认为是PD等神经退行性变的关键条件[35,36]。许多神经退行性疾病的病因不同。但是，其病理过程中均存在几种相同的细胞过程，例如铁动态异常（铁沉积过多），铁诱导的氧化应激，脂质生成的活性氧物质的积累。铁质异常和铁质异常是神经退行性疾病发病机理的重要因素。Cheng等人的研究[37]发现与R2 *作图法相比，QSM显示出更高的敏感性和特异性，可将PD患者与正常对照区分开。总之，QSM和R2 * 绘制图谱可以较准确计算出人脑中的铁水平，而QSM提供了一种更灵敏，准确的方法来评估PD患者的局部铁分布异常。除此之外Thomas等人[38]也在研究中发现，前额叶皮层和壳状核相比，PD中的QSM升高。PD组的全脑回归分析发现QSM随年龄增加，使用QSM测量的脑组织铁可以跟踪PD中的认知参与。这对于检测早期认知变化的征兆，对临床试验的人群进行分层以及监测PD的进展可能很有用。Eskreis-Winkler S等人[39]回顾了QSM在椎体外系疾病中的诊断，医疗管理和外科治疗中的应用。发现帕金森氏病（PD）患者的黑质，苍白球，壳核和亨廷顿病患者的尾状核的铁沉积，以及在威尔逊氏病患者的基底神经节中。Homayoon N[40]近期的研究表明，震颤为主的PD中，黑核中的铁含量明显高于肌张力障碍、ET和正常对照。进一步的，在Nadya Pyatigorskaya博士的Meta分析[41]中发现SWI或QSM的相关实验结果，都表明脑内中铁含量的是PD患者的可靠生物标记。这些实验中的一些与运动症状的严重程度相关。并发现，QSM似乎比R2 *更有说服力并且可重复，更适合于多中心研究。

3.2 特发性震颤患者的脑铁沉积

目前国内外的研究对于特发性震颤患者大脑及小脑的贴沉积的研究并不多，且部分是研究是基于帕金森震颤症状患者的对照研究，很少有专门对ET患者的脑铁沉积的研究，比如近期Pietracupa S[42]等人近期的研究中，利用ESWAN的T2*值区分特发性震颤、PD以及健康对照组，PD与将康对照组T2*值存在明显差异，而ET与健康对照无差异，也再次验证了ET与神经退行性病变在病理方面的不同。此外，各种临床发现表明，至少相当一部分的ET患者中存在小脑或其通路的潜在异常。然而，小脑功能障碍本身不可能完全解释与ET相关的痴呆以及震颤情况，因为在小脑病变患者中描述的认知缺陷一般较轻，那么ET患者的脑铁沉积是否能体现患者认知障碍的程度就还需要更多实验的验证。

4 小结与展望

磁敏感加权成像以其可视三维，高分辨率、可对脑内深部灰质核团铁沉积定性、定量的优点，为研究运动障碍性疾病的发生于发展提供了一项重要的观察及评估途径，凭借着这些优势，相关的研究不仅揭示了运动障碍性疾病患者深部灰质核团铁沉积的定性及定量改变，并且很有可能在将来的研究中对运动障碍性疾病，特别是特发性震颤这种病理尚不完全清楚的疾病，提供了更为广阔的研究可能。