定量磁化率成像在中枢神经系统中应用的研究进展

谢 红 余成新 李 博 陈 龙

(三峡大学 第一临床医学院[宜昌市中心人民医院] 放射科， 湖北 宜昌 443003)

定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping，QSM)与磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging，SWI)是近年来引起人们广泛关注的磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)技术。自20世纪末，SWI作为新兴的磁敏感成像技术，已经应用于颅脑血管源性、肿瘤性、中枢神经系统退行性、外伤性等临床疾病[1]。QSM是SWI技术的改进，也是利用MRI相位信息对磁敏感物质进行检测并定量计算该物质磁化率值，但是较SWI定量测量磁化率值更精确，对脑内不同部位核团的显示比常规核磁技术更精细[2]。QSM已越来越多地应用于中枢神经系统中，本文就QSM的简单技术原理及在中枢神经系统中的应用研究进展作一综述。

1 技术原理

QSM与SWI都是将忽略的相位信息运用不同后处理方式成像的技术，且两者对于局部磁场改变都非常敏感。SWI以T2*加权成像(T2*weighted imaging, T2*WI)的扰相梯度回波序列为基础序列，得到幅度图和相位图，以高通滤波的方式将相位图中大部分由于主磁场以及磁化率差异影响全局相位的低频信息筛除，获得相位蒙片后与幅度图多次相乘最终利用薄层最小信号投影进行三维重建成像。由于对SWI原始相位图进行处理时不仅将低频信息去除，还将部分有用信息也筛除了，因此最终得到的图像并不能准确显示组织磁化率的变化[3]。但是QSM有效地解决了这一问题。QSM主要采用复杂的谐波伪影去除法或偶极场投影法去除背景场，有效避免了有用信息被去除，因此QSM可以获得更准确的相位信息[4]。QSM是直接通过电磁场图与磁化率之间的物理关系来反演出磁化率分布图像，组织内部磁化率图像的重建是一个逆向的后处理过程[5]。QSM计算步骤简单而言分三步：①相位解缠绕；②去除背景场；③特殊的算法重建出磁化率图像(见图1)。

图1 QSM成像简单流程图

QSM对脑内顺磁性的铁和抗磁性的髓鞘敏感，顺磁性物质显示为白色高信号，抗磁性物质则为黑色低信号。此外，QSM能精确定量测量组织磁化率值，为临床疾病的诊断及进展状况提供客观指标，这将为临床疾病的诊断、治疗带来新的方案。

2 QSM在中枢神经系统成像中的应用

大脑内含有的铁和髓鞘分别具有顺磁性和抗磁性，是主要的敏感性对比来源。脑内深部核团含铁量不一样，磁化率值也不一样，铁是深部灰质磁化率的主要来源，可以用QSM进行评估，而白质不仅会受顺磁性铁浓度影响还会受抗磁性的髓鞘影响。因此，在白质区域，QSM对铁浓度测量的准确度较深部灰质低[6]。在7T场强下对人脑进行高分辨率QSM，可提供良好的解剖学对比，尤其是深部灰质核团的显示更优越[7]。对于丘脑底核(subthalamic nucleus，STN)和内部苍白球(globus pallidus internus，GPI)图像，QSM的图像能够可靠地定位GPI的边界，优于常规T1加权成像(T1 weighted imaging，T1WI)和T2加权成像(T2 weighted imaging，T2WI)，QSM图像的定性评分也要高于常规核磁技术和SWI图像[8]。此外，QSM上可以观察到中央正中核(centromedian thalamic nucleus，CM)与周围组织比较清晰的轮廓，但在T1WI和T2WI图像上无法观察到清晰的CM轮廓[9]。总之，相对于其他核磁成像技术，QSM对中枢神经系统的细微结构显示更准确，而且可以精确测量大脑感兴趣区磁化率值，对于大脑成像具有独特优势。

3 QSM在颅内静脉的显示及血氧饱和度测量中的应用

静脉血中的顺磁脱氧血红蛋白是一种天然的核磁造影剂，利用静脉血和动脉血之间微小的磁化率差异，可以显示静脉信息并制作成磁化率图。在分辨率足够高的情况下，磁化率图可作为一种可视化静脉和量化静脉血氧饱和度(venous oxygen saturation，SvO2)的手段[10]。众所周知，衰老、中风和痴呆症等疾病与血管的变化有关，高分辨率的磁化率图可能会对这些疾病产生新的临床价值，如何制作精良的磁化率图是目前研究热点[11]。Huck等[12]已经在7T的场强下利用QSM对20名年轻健康志愿者进行了静脉血管定量成像，制成静脉神经图谱。但是该技术只测量了较大的静脉，而衰老和疾病较多发生在较小的静脉中，如何制作分辨率更高的图谱值得进一步探索。最近研究证实，改良的QSM技术可以测量活体内的SvO2，这将会给临床部分疾病的病理生理改变、诊断、治疗监测提供新思路[13]。

4 在中枢神经系统退行性疾病中的应用

在一些神经退行性疾病中，如帕金森病(Parkinson's disease，PD)、亨廷顿舞蹈病(Huntington disease，HD)、阿尔兹海默症(Alzheimer's disease，AD)，大脑中的铁调节失调在神经元死亡中起到了一定作用，为QSM在这些疾病中的应用提供了病理基础[14]。

4.1 QSM与PD

帕金森病是一种常见的神经系统退行性疾病，该病的发生与黑质多巴胺能神经元变性死亡有关，然而引起这些神经元变性死亡的具体原因还没有明确。统一帕金森病评定量表运动评分(The Unified Parkinson's Disease Rating Scale Motor Score, UPDRS)能帮助判定帕金森病的轻重程度，评估预后和治疗效果。Ling等[15]对44例早期PD患者及35例性别和年龄相匹配的健康对照者的深部灰质核团进行QSM检查，发现在PD早期，使用QSM测得的大脑双侧SN磁化率与UPDRS呈正相关。此外，在PD患者中，黑质(substantia nigra，SN)致密部会出现萎缩，对成像造成影响，而QSM解决了R2*映射和相位图像定位不准的问题，可以直观测量SN致密部的磁化率值[16]。以上研究证明，QSM可在PD病变早期获得敏感性较高的量化指标，并克服了既往检测方法受SN萎缩对图像定位不清和定位不准的问题，其应用于PD的早期检测和辅助诊断具有较高的应用价值。

4.2 QSM与HD

HD是一种以舞蹈样动作、精神异常、进行性痴呆为典型症状的遗传性疾病，病变部位主要累及基底节及大脑皮质。在HD患者中，铁代谢失调被认为是普遍存在的，在基底节区，尤其是纹状体可以表现出较高的铁沉积，水平升高可通过增强自由基促进氧化应激而导致神经元受损[17]。QSM测量可发现HD患者在苍白球、壳核和尾状核中的铁含量均明显高于正常人，此外壳核和尾状核中铁的积累与疾病的严重程度显著相关，这些发现为HD生物标志物的开发提供了新思路[18]。

4.3 QSM与AD

AD是一种认知功能下降、行为障碍，最终导致自理能力丧失的神经退行性疾病。在AD患者中，海马萎缩可以帮助诊断AD。虽然可以通过常规核磁序列图像直接反映海马的大小，但是其诊断具有主观性，如何用客观的指标诊断AD需要进一步研究。目前已有研究证明，在AD患者中QSM测量壳核的磁化率值差异统计效应与海马萎缩的统计效应相似，即利用QSM测量AD患者壳核的磁化率值也可以帮助诊断AD[19]。

5 在多发性硬化中的应用

多发性硬化症(multiple sclerosis，MS)主要特点是中枢神经系统白质炎性脱髓鞘。MS的基底节区铁蓄积与疾病进展有关，并与脑形态学损害程度相关。在T2WI图像上，水肿、白质脱髓鞘、炎性病变都可显示为高信号，因此其诊断MS的特异性较低。龙柳等[20]利用QSM和高分辨率的T2WI分别对26例MS患者进行颅脑核磁检查，发现QSM联合高分辨率T2WI可以提高MS病灶检测的特异性，这为临床诊断MS提供了新方法。Hagemeier等[21]使用QSM对MS患者进行两年多的纵向研究，发现在任一时间点，MS患者在尾状核和苍白球的磁化率明显较高，而在丘脑的磁化率较低，提示MS可同时发生多种病理改变，即同时发生铁沉积和脱髓鞘，并且后期会出现铁耗竭和钙沉积。Zivadinov等[22]将600名MS患者和250名年龄和性别匹配的健康对照者进行对比，发现 QSM可检测到脑深部灰质的铁改变，这与MS的病情进展和残疾率增加有关。因此，可以利用QSM测量MS患者脑深部灰质磁化率值监测MS患者的病情进展。总之，QSM不仅可以联合高分辨率T2WI提高MS病灶检测的特异性，还可随时间纵向观察MS患者深部灰质的磁化率，监测病情进展。

6 QSM在大脑出血中的应用

脑出血随着时间的延迟其成分会发生变化，氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、正铁血红蛋白、含铁血黄素等不同的血液成分在T1WI和T2WI上表现的信号不同，但在QSM上任意阶段的出血都是高信号[23]。而且，利用QSM对颅内出血做纵向时间检查，发现颅内出血的不同阶段磁化率并不同。脑出血磁化率在d 2～d 7和d 7～d 30之间显著降低，QSM可能有助于定量跟踪颅内出血的铁含量[24]。虽然CT对颅骨骨折和脑出血有很高价值，但是MRI对脑内小出血性病变的诊断优于CT，QSM还可以区分创伤性脑损伤和周围组织及静脉[25]。此外，常规核磁扫描序列难以区分颅内出血和钙化，而QSM显示钙化为低信号，出血为高信号。因此，QSM在鉴别颅内钙化和出血方面具有较高的特异性。Ciraci等[26]研究发现，QSM较SWI相位图对儿童颅内钙化和出血的诊断更为可靠。总之，QSM不仅可以通过测量脑出血不同时期的磁化率值跟踪颅内出血的铁含量，还可以用来鉴别脑出血和钙化。

7 QSM在神经肿瘤学中的应用

侵袭性肿瘤往往有快速生长的血管和多发性微出血灶，良性肿瘤由于细胞凋亡会导致钙化，检测肿瘤内的这些特征可以为肿瘤的良恶性提供鉴别依据，也可以监测其治疗效果。Zhang等[27]利用QSM和SWI、肿瘤边界、肿瘤大小、肿瘤部位等指标对129例脑膜瘤进行高、低级别分级，发现虽然单独使用SWI和QSM均不能区分低级别脑膜瘤和高级别脑膜瘤，但结合其他指标可以帮助预测高级别脑膜瘤。Bandt等[28]发现QSM不仅可以用于描述肿瘤成分，还可以指导肿瘤切除范围，并且对于肿瘤良恶性有鉴别诊断作用。总之，QSM在肿瘤中的应用不仅在于分析肿瘤成分、性质，对其治疗也有帮助。

8 总结与展望

QSM对于大脑细微结构的显示优于常规核磁扫描序列以及常规SWI，可以清晰显示大脑小静脉以及测量其血氧饱和度，对一些神经退行性疾病的诊断和病情进展情况的监测也有良好的应用价值，在大脑出血、神经肿瘤学中的作用也取得了不错的效果。随着对QSM技术的改进以及对更多中枢神经系统疾病病理生理的了解，QSM在中枢神经系统的应用前景仍值得期待。