单侧大脑中动脉狭窄或闭塞脑铁沉积的定量磁敏感图初步研究

毛慧敏 ，王新怡 ，陈坤健 ，郭宇 ，王心雨

脑卒中是全球成年人致死、致残的主要原因，其中最常见的类型为缺血性脑卒中，约占全部卒中的87%[1]。颅内动脉狭窄尤其是大脑中动脉(middle cerebral artery，MCA)狭窄或闭塞是缺血性卒中的主要病因之一[2]。当颅内动脉发生狭窄或闭塞，脑组织的正常血液供应被破坏，进而促进了一系列的病理生理反应，包括神经元过度兴奋、线粒体死亡、氧化应激、神经炎症等[3]，最终导致一系列神经功能障碍性疾病的发生。因此，缺血性脑卒中后的神经功能修复一直是学者们关注的重点方向。大量的缺血性脑卒中动物模型实验表明病变区域脑组织存在铁含量增加，并且铁沉积加剧了缺血/再灌注过程中神经元的损伤[4-6]。此外，有研究表明铁螯合剂具有改善缺血性脑卒中后神经功能损伤的功效[7]。但是，目前关于缺血性脑卒中患者脑铁含量的临床研究较少。

定量磁敏感图(quantitative susceptibility mapping，QSM)是在磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging，SWI)的基础上出现的一种无创且可以定量分析组织内铁含量的新型磁共振成像技术。与SWI类似，QSM技术同样基于物质本身磁敏感性进行成像，再对幅度图及相位图进行一系列复杂的后处理得到了具备较高的组织间对比度及空间分辨力的定量磁敏感图[8]。QSM技术是当今临床上定量测量活体组织内铁含量的主要方法[9]。目前，多项研究采用QSM技术探讨中枢神经系统疾病如阿尔茨海默病、多发性硬化、帕金森病、狼疮脑病等脑内铁含量的变化[10-11]。但将QSM技术应用于检测缺血性脑卒中脑铁含量变化的相关性研究较少。本研究采用QSM技术对一侧MCA狭窄或闭塞所致缺血性脑卒中患者的脑内深部灰质核团铁含量变化进行分析探讨，以加深对缺血性脑卒中病理机制的认识，从而为临床治疗和改善缺血性脑卒中预后提供指导。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选择山东第一医科大学第一附属医院2020年6月至2021年4月40例临床诊断为缺血性脑卒中患者进行MRI检查。临床表现主要为头痛、头晕、一侧肢体麻木无力、言语不清、步态不稳等症状。纳入标准：(1)经磁共振血管造影(magnetic resonance angiography,MRA)检查诊断为单侧MCA狭窄或闭塞，而其他大血管无狭窄或仅有轻度狭窄；(2)临床检查符合缺血性脑卒中的诊断标准[12]，且经颅脑MRI确诊；(3)既往无脑出血、脑肿瘤、脑外伤及痴呆病史；(4)临床资料及影像学资料完整；(5)均为右利手。排除标准：(1)烟雾病、动脉瘤、颈动脉夹层等其他脑血管疾病者；(2)阿尔茨海默病、多发性硬化、帕金森病等其他可能影响神经系统的疾病；(3)MR图像存在严重伪影影响观察者。

根据上述标准最终纳入33例一侧大脑中动脉狭窄或闭塞患者，男18例，女15例，年龄25～75(51.7±12.6)岁，病灶位于左侧15例，右侧18例。本研究经山东第一医科大学第一附属医院医学伦理委员会批准[伦审字(S896)号]，患者均签署知情同意书。

1.2 检查方法

所有检查均使用美国GE公司Discovery MR750 3.0 T超高场强磁共振扫描仪及32通道颅脑专用线圈。检查序列包括T1WI、T2WI、DWI、时间飞跃磁共振血管成像(time of flight magnetic resonance angiography，TOF-MRA)、QSM等。扫描参数：T1WI扫描：TR 2535.2 ms，TE 24.0 ms，FOV 240 mm×240 mm，层厚5 mm，层数20，采集时间44 s；T2WI：TR 5766.0 ms，TE 92.0 ms，FOV 240 mm×240 mm，层厚 5 mm，层数20，采集时间 1 min 3 s；DWI扫描：TR 3000 ms，TE 65.8 ms，b值=1000 s/mm2，FOV 240 mm×240 mm，层厚 5 mm，层数 20，采集时间 24 s；TOF-MRA扫描：TR 21 ms，TE 2.5 ms，FOV 220 mm×88 mm，层厚1.6 mm，层数128，采集时间4 min 1 s；QSM扫描：TR 28.1 ms，TE 3.0 ms，FOV 240 mm×220 mm，层厚 2 mm，层数120，采集时间2 min 31 s。

1.3 图像处理

将采集获得的磁共振图像数据传输到 GE Advantage Workstation 4.6工作站上。MRA的原始图像以最大信号强度投影(maximum intensity projection，MIP)的方式重建。基于MRA图像对33例患者病侧MCA狭窄程度进行评估，评估标准参照北美症状性颈动脉内膜切除试验协作组(NASCET)标准[13]：(1)血管狭窄率(%)=(1－病变动脉最狭窄处血流宽度/狭窄病变远端的正常血流宽度)×100%；(2)当狭窄率＜50%，为轻度狭窄；当50%≤狭窄率＜70%，为中度狭窄；当70%≤狭窄率＜100%，为重度狭窄；管腔完全闭塞或未见显影，为100%狭窄或闭塞；(3)如果一个节段有多部位狭窄，则取最狭窄处进行评估。最终将33例一侧MCA狭窄或闭塞患者分为轻中度狭窄组12例、重度狭窄组11例、闭塞组10例。

将扫描得到的QSM原始数据以DICOM格式保存，通过MATLAB软件进行处理得到对应的QSM图像，其后处理主要包括以下几个步骤：(1)相位图像上将相位信息解缠绕；(2)基于幅度图的脑结构提取；(3)消除宽大的背景场；(4)运用特殊算法将处理后的场图信息重建出磁化率图像。

采用Image.J软件定量测量磁敏感图中感兴趣区(region of interest，ROI)区域的铁含量。ROI包括双侧尾状核、苍白球、壳核、丘脑(图1)。核团ROI层面的选择标准为依据核团解剖结构，在磁敏感图上能够清晰显示核团边界的最佳层面手工勾画ROI，测量磁化率值。

图1 A：双侧尾状核ROI示意图；B：双侧壳核ROI示意图；C：双侧苍白球ROI示意图；D：双侧丘脑ROI示意图Fig.1 A:ROI sketch diagram of bilateral caudate nucleus.B:ROI sketch diagram of putamen.C:ROI sketch diagram of globus pallidus.D:ROI sketch diagram of thalamus.

所有数据均采用双盲法由2名高年资神经放射科医师对图像进行一致性分析。

1.4 统计学分析

采用SPSS 22.0统计软件进行数据分析。采用组内相关系数(intraclass correlation coefficient，ICC)评估2名观察者测量ROI区域磁敏感值的一致性。所有数据的正态性检验采用单样本K-S检验。运用配对样本t检验分析病侧灰质核团磁化率值与对照侧磁化率值的差异；对三组(轻中度狭窄组、重度狭窄组、闭塞组)的一般资料年龄、性别、受教育程度做一致性分析，使用单因素方差分析(One-way ANOVA)分别比较三组一侧MCA狭窄或闭塞患者病侧灰质核团磁化率值的差异；P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 测量结果一致性分析

采用ICC评估2名医师所测量ROI区域磁敏感值的一致性，ICC＜0.40表示可信度较差，ICC＞0.75表示可信度良好。2名医师所测量各ROI区域磁敏感值的一致性较高(ICC均＞0.75；表1)。

表1 病侧和对侧各ROI的组内相关系数(ICC)Tab.1 Intraclass correlation coefficient(ICC)of each ROI of the lesion side and the contralateral side

2.2 单侧MCA狭窄或闭塞者两侧灰质核团磁敏感值的差异

33例单侧MCA狭窄或闭塞患者病侧尾状核、壳核、苍白球及丘脑磁敏感值均高于对侧，其中尾状核、壳核和苍白球两侧磁敏感值差异有统计学意义(P＜0.05)，丘脑两侧磁敏感值对比无统计学意义(P＞0.05；表2)。

表2 病侧和对侧灰质核团磁敏感值比较[ppm(×10-6)，(±s)]Tab.2 Comparisons of susceptibility values of gray matter nucleus between the lesion side and the contralateral side[ppm(×10-6),(±s)]

表2 病侧和对侧灰质核团磁敏感值比较[ppm(×10-6)，(±s)]Tab.2 Comparisons of susceptibility values of gray matter nucleus between the lesion side and the contralateral side[ppm(×10-6),(±s)]

感兴趣区尾状核壳核苍白球丘脑病侧0.0328±0.0096 0.0598±0.0241 0.1010±0.0288 0.0152±0.0053对侧0.0296±0.0090 0.0487±0.0167 0.0929±0.0291 0.0145±0.0054 t值2.237 4.755 2.852 1.157 P值0.0324 0.0001 0.0075 0.2557

2.3 三组不同程度管腔狭窄者病侧灰质核团磁敏感值的差异

基于MRA图像将33例一侧MCA狭窄或闭塞患者按管腔狭窄程度分为轻中度狭窄组12例、重度狭窄组11例、闭塞组10例。三组受试者的年龄、性别、受教育程度差异均无统计学意义(P＞0.05)。统计学分析显示，三组一侧MCA狭窄或闭塞者病侧尾状核、壳核、苍白球及丘脑的磁敏感值差异均无统计学意义(P＞0.05；表3)。

表3 三组不同程度管腔狭窄者病侧灰质核团磁敏感值的比较[ppm(× 10-6)，±s]Tab.3 Comparisons of susceptibility values of gray matter nucleus of the lesion side in three groups with different degree of lumen stenosis[ppm(× 10-6),±s]

表3 三组不同程度管腔狭窄者病侧灰质核团磁敏感值的比较[ppm(× 10-6)，±s]Tab.3 Comparisons of susceptibility values of gray matter nucleus of the lesion side in three groups with different degree of lumen stenosis[ppm(× 10-6),±s]

病侧感兴趣区尾状核壳核苍白球丘脑轻中度狭窄组0.0312±0.0084 0.0482±0.0155 0.0937±0.0287 0.0148±0.0032重度狭窄组0.0381±0.0101 0.0727±0.0303 0.0957±0.0254 0.0173±0.0062闭塞组0.0292±0.0090 0.0629±0.0229 0.1102±0.0318 0.0129±0.0043 F值2.811 3.194 1.045 2.259 P值0.076 0.055 0.364 0.122

3 讨论

缺血性脑卒中是全球人类致残和致死的主要原因。在我国，颅内动脉粥样硬化伴狭窄是引起缺血性脑卒中最常见的病因之一，其中以MCA发生狭窄或闭塞的几率最高[2]。当发生一侧MCA狭窄或闭塞后，将会造成相应供血区域脑组织缺血、缺氧，长期缺血、缺氧可导致氧化应激、非感染性神经炎症、酸中毒、金属离子代谢紊乱等，进而引起特定部位的神经损伤，最终导致一系列脑功能障碍性疾病的发生，如言语或运动障碍、认知功能障碍、情感障碍等[14-15]。

尾状核、壳核和苍白球的血液供应主要来自MCA，小部分来自大脑前动脉和脉络膜前动脉。丘脑的血液供应主要由大脑后动脉提供。有研究表明，MCA病变所致缺血性损伤区域不仅存在于大脑中动脉供血区域，还存在于丘脑、下丘脑、海马等脑内深部区域[16]。本研究选取一侧MCA狭窄或闭塞患者观察其脑内尾状核、壳核、苍白球及丘脑铁含量的沉积特点，以更加深入了解缺血性脑卒中的病理生理机制。

铁是维持正常脑功能必不可少的元素，参与了大脑中众多生物学过程，包括氧气结合和运输、电子传递、蛋白质和DNA的合成、神经递质合成、髓鞘生成、能量和物质代谢等。当铁稳态受到破坏时，过多的铁在脑内沉积而产生活性氧的异常释放、氧化应激反应及细胞死亡，进而对脑组织造成器质上或功能上的损害[17]。

本研究采用QSM技术定量分析一侧MCA狭窄或闭塞患者双侧灰质核团铁含量的变化。结果显示，33例单侧MCA狭窄或闭塞患者病侧尾状核、壳核、苍白球及丘脑磁敏感值均高于对侧，其中尾状核、壳核和苍白球两侧磁敏感值差异有统计学意义(P＜0.05)，丘脑两侧磁敏感值对比无统计学意义(P＞0.05)。造成病侧灰质核团铁含量增高的原因可能有：(1)血管内皮细胞的损伤及血脑屏障的破坏导致脑铁含量的增加。一侧MCA狭窄或闭塞后引起供血区域脑细胞缺血、缺氧，其中包括血管内皮细胞的损伤，进而导致血脑屏障的破坏。内皮细胞是铁运输的关键调节因子，血脑屏障是调节脑铁转运和代谢的重要结构[18-19]。当两者受到破坏后，铁循环稳态改变，而导致过多的铁在脑内沉积。(2)缺血性脑卒中后微管相关Tau蛋白减少及功能障碍导致细胞内铁超载。Tau蛋白参与介导细胞内铁的转出，研究表明，Tau蛋白异常与铁介导的多种神经退行性疾病相关[20-21]。在因一侧MCA闭塞所致缺血性脑卒中的大鼠和小鼠模型中，病侧半脑的Tau蛋白含量减少，而后该半脑的铁含量增加[6]。(3)缺血性脑卒中可触发病理性非感染性神经炎症，而后释放过多的促炎细胞因子，包括白细胞介素-1(interleukin-1，IL-1)、白细胞介素-6(interleukin-1，IL-6)、肿瘤坏死因子-α (tumor necrosis factor alpha，TNF-α)[22]。神经炎症可能会影响中枢神经的铁稳态。细胞因子通过JAK/STAT3途径使铁调素的表达增加，减少铁释放从而导致铁沉积的增加[23]。TNF-α的异常释放可导致星形胶质细胞和小胶质细胞铁的摄取和储存增加[24]。

本研究比较三组患者病侧灰质核团磁化率值的差异。结果显示，三组一侧MCA狭窄或闭塞者病侧尾状核、壳核、苍白球及丘脑的磁敏感值差异无统计学意义(P＞0.05)，由此推测管腔狭窄程度可能不是影响病侧灰质核团铁含量增加的主要因素。但因本研究中各组样本量较少，且存在测量误差等因素影响，故还需要进一步大样本数据来证实两者的相关性。

在缺血性脑卒中中，由于谷氨酸兴奋性毒性、氧化应激、非感染性神经炎症等造成相应缺血区域神经元的死亡[25]。其中，自由基诱导的氧化应激被认为是缺血/再灌注损伤的重要致病因素。最有害的自由基——羟基自由基，是通过铁催化反应产生的，铁超载是缺血性脑组织氧化应激的主要原因[26]。此外，铁超载加剧了缺血性脑卒中后出血性转化的风险[27]。在临床研究中，高水平的血清铁蛋白也会削弱缺血性脑卒中患者溶栓治疗的有益作用[28]。而抑制铁超载能减轻脑卒中损伤，大量的临床前实验表明，在缺血性脑卒中动物模型中使用铁螯合剂可以减少自由基形成和脂质过氧化，从而降低缺血性脑卒中的死亡率、梗死体积、脑肿胀和出血性转化的风险[7,29]。

目前关于铁超载对缺血性脑卒中患者的毒性作用及铁螯合剂在临床脑卒中患者中使用效果的研究尚处于初始阶段。但大量的临床前实验和早期临床数据表明，铁螯合剂在多种神经系统疾病包括阿尔茨海默病、帕金森病、缺血性卒中和颅内出血的治疗中均发挥有益作用[7,29]。以脑铁调节为靶点的药物有望成为缺血性脑卒中潜在有效的治疗手段。

本研究采用磁共振QSM技术定量分析一侧MCA狭窄或闭塞患者双侧灰质核团铁水平的变化，结果显示病侧尾状核、壳核、苍白球及丘脑铁沉积含量均高于对侧，由此推测MCA狭窄或闭塞后存在脑铁代谢失调，进一步加深对缺血性脑卒中的病理生理机制的认识，并为将来的临床诊断和治疗提供客观依据。本研究尚存在一些不足：(1)样本量较少，入组患者均来自同一医院，存在一定的选择偏倚。(2)勾画ROI过程中存在测量误差。(3)本研究仅说明管腔狭窄程度对一侧MCA狭窄或闭塞者脑内灰质核团铁沉积的影响较小，但未继续探究其他因素与之相关性。目前将QSM技术应用于缺血性脑卒中脑铁含量变化的研究较少，未来仍需要进行大样本量的研究来进一步阐明缺血性脑卒中与脑内铁沉积的关系，从而为临床治疗和改善缺血性脑卒中预后提供指导。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。