7.0T 磁敏感加权成像对脑铁含量测定的初步研究

罗晓捷，张媛媛，叶昌青，薛蓉，陈敏

磁敏感加权成像（susceptibility weighted imaging，SWI）又称血氧依赖水平（blood oxygenation level dependent，BOLD）静脉成像［1］，它利用组织间磁敏感性差异成像，通过结合相位图和幅度图，SWI对于显示静脉血管、出血后各期代谢产物、钙化、铁沉积等非常敏感，已广泛应用于各种出血性病变、异常静脉血管性病变、肿瘤及变性类疾病的诊断及铁含量的定量分析。SWI已作为商业化序列配备于各大品牌的MR扫描仪上，在1.0T、1.5T、3.0T 甚至更高的场强下均可施行。目前，人用7.0T 磁共振成像系统的临床应用尚未普及，但其在神经影像中的应用研究已倍受关注。本研究对比受试者分别于7.0T 和3.0T 下SWI成像的差异，并积累超高场中枢神经系统成像的经验。

材料与方法

1.临床资料

招募2011年7月-2012年6月于我院就诊的50例非神经系统疾病的老年志愿者，其中男36例，女14例，年龄52～68岁。经常规MRI检查排除脑内畸形、占位及严重脑血管病变，且无帕金森病病史者纳入本组研究。本组所有研究对象还需符合下列要求：①无脑部外伤及精神疾病史；②脑部常规MR 扫描无明显异常，无明显钙化；③均签署知情同意书。

2.仪器与方法

MRI扫描采用荷兰飞利浦（Philips）公司Intera Achieva 3.0T MR 成像系统及德国西门子（Siemens）公司Magnetom 7.0T MR 成像系统，采用8通道头线圈。

扫描序列及参数：将受试者头部置于线圈内，并用海绵垫固定，以限制头部的不自主运动。扫描的中心层面统一定于前后联合线。首先行常规T1WI及T2WI扫描，然后行SWI序列扫描，SWI扫描范围覆盖基底节和中脑。扫描参数：3.0T，TR 45 ms，TE 25ms，翻转角20°，带宽100Hz；7.0T，TR 30ms，TE 15ms，翻转角15°，带宽120Hz，3.0T 与7.0T 其余扫描参数一致。

3.图像处理及数据测量

SWI数据通过32×32的高通过滤产生“高通滤过”的相位图。调节图像窗位至最佳对比度，并对所测核团的大小进行比较，同时对不同场强下的图像质量进行主观评价。利用SPIN 软件（SWI process in neuroradiology，SPIN，美国韦恩州立大学）在高通滤过相位图上分别选取双侧苍白球（globus pallidus，GP）、壳核（putamen，PUT）、尾状核头（head of caudate nucleus，HCN）、黑质（substantia nigra，SN）、红核（red nucleus，RN）以及丘脑（thalamus，THA）最佳显示层面，勾画核团边界，测量并比较选取的兴趣区大小和相位值。数据的处理分析由两位有经验的影像科医师进行。

4.统计学分析

应用SPSS 19.0软件进行统计学分析。采用配对t检验比较3.0T 及7.0T 高通相位图所测核团兴趣区面积及相位值转换的铁含量；采用配对卡方检验比较两位观察者对3.0T 及7.0TSWI幅度图图像质量的评价结果，计算Kappa值，评价两位观察者对影像质量评价结果的一致性程度。以P＜0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.3.0T 与7.0T 图像的主观评价

图像主观评级标准：①观察的内容包括是否能区分壳核与苍白球、是否能区分黑质网状带与致密带、是否能分辨红核包膜。②图像评级，上述三者皆能区分者为Ⅰ级，能区分两个者为Ⅱ级，能区分一个者为Ⅲ级，三个都不能清楚区分者为Ⅳ级。

7.0T 与3.0T 相 比，幅度图上7.0T 影像能提供更多细节（图1），并可区分核团亚分区（P＜0.0001，表1）。两位观察者之间的评价结果差异无统计学意义（P＝0.072），且一致性较好（kappa＝0.865）。

表1 50例受试者两种SWI幅度图分级比较 （例）

2.3.0T 与7.0T 下各核团边界大小的比较

由于3.0T 和7.0T 呈现核团范围的清晰度不同，为确认是否影响铁含量测量，笔者先比较了所测核团分别在不同场强下的同层最大面积（所有扫描的定位中心、层厚及层间距一致，可以进行比较，双侧取平均值，图2）。结果显示，7.0T 下可辨识的ROI范围较3.0T 下的略大，不同场强的各核团ROI范围差异有统计学意义（P＜0.05，表2）。

表2 50例受试者两种SWI幅度图核团兴趣区面积比较 （mm2）

3.3.0T 与7.0T 下受试者各核团铁含量比较

图1 3.0T 与7.0T 幅度图的比较，信噪比及对比噪声比方面，7.0T 图像明显优于3.0T。a）基底节层面3.0T 图像，苍白球和壳核的分界（红色箭头）可见，但不完全；b）基底节层面7.0T 图像，苍白球和壳核的分界较为清晰（红色箭头）；c）红核黑质层面3.0T 图像，红色五星区可见信号较低的黑质致密带，红色三角区为网状带，红核与黑质间的中间区域显示欠清晰；d）红核黑质层面7.0T 图像，红色五星区可见信号较低的红核血管区，红色三角区为无血管区；红核黑质间的中间区域显示较3.0T 图像为佳，红色箭头指示为红核的包膜。

图2 3.0T 与7.0T 下SWI幅度图上各核团ROI的选取。a～f）分别为3.0T 下尾状核头、苍白球、壳核、红核、黑质及丘脑的ROI；g～l）则为对应核团7.0T 下ROI的选取。

分别在3.0T 和7.0T 相位图上选取ROI（图2），比较各核团铁含量，除苍白球外，其余核团3.0T 和7.0T比较，铁含量测量值差异均有统计学意义（P＜0.05，表3）。

表3 50例受试者两种SWI相位图核团ROI铁含量比较

讨 论

1.脑铁的分布、代谢

脑内微量的铁是维持正常神经功能不可缺少的重要元素，但过量则有害。脑铁主要以血色素铁和非血色素铁两种方式存在，主要为铁蛋白和含铁血黄素。铁在脑内分布不均，以锥体外系最多，其次是灰质，白质最少。Harder等［2］观察到苍白球内的铁呈“波浪”状分布。铁质在众多神经病变的进展过程中起重要作用［3］。铁诱导的氧化应激是神经元死亡的常见途径，早期发现脑内铁的异常积聚可为临床的及时治疗提供信息。测定脑内非血色素铁的含量不仅可更好地理解疾病进程，而且可判断预后［4-5］，这是当今神经退行性病变的研究热点，而且在很长一段时期内仍将是重点研究方向。

2.脑铁MR 测量

如何在活体内更准确测量核团铁含量，这一直是研究者关注的问题。以往的研究认为，脑深部灰质核团T2WI信号减低提示非血色素铁含量相对高，可以用测定横向弛豫率R2（1／T2）值或R2＊（1／T2＊）值来评价脑铁含量，R2值或R2＊值均与脑铁浓度呈线性关系［6］。但横向弛豫率受诸多因素影响，如局部水含量，因此仅能对铁含量进行半定量分析。SWI的滤过相位图不但能敏感地显示铁沉积，更能提供定量信息。Hopp等［7］在1.5T 上应用SWI定量分析铁含量，并与X 线荧光染色的结果进行对比，发现两者具有很好的相关性。Haacke 等［8］研究发现，与R2 或R2＊值相比，SWI相位值的变化对脑铁含量测定的敏感性和信噪比（signal noise ratio，SNR）均增加，并得出公式Δφ＝-γgΔχB0TE，（Δφ 为相位值的变化，γ为磁旋比，g为几何因子，Δχ 为被测组织间的磁敏感差异，B0为主磁场强度，TE 为回波时间）。本研究在7.0T 及3.0T MR 上利用SWI对脑铁进行定量分析，所有病例均排除了脑实质钙化，特别是兴趣区存在钙化的病例。因为钙化本身会影响铁含量相位值的测定。本研究结果显示黑质含铁量较高，而丘脑在3.0T及7.0T 下所得结果相差较大，7.0T 所测丘脑含铁量较高，该结果与既往研究［2，6］结论差异较大。7.0T 下丘脑所测值明显高于3.0T，而其他核团的测量值相差不大，因相位值与铁含量转化过程中已考虑不同场强的磁化率因素，故此项非其主要因素；其次，丘脑的范围较其他核团大，在幅度图上显示边界不如其他核团清晰。若ROI选取范围偏小，则所测丘脑的铁含量应较低；若ROI选取范围偏大，其结果应更低，因为周围的白质区会使测量值减小，而本研究所得结果丘脑铁含量在7.0T 下增高，有待进一步探讨。

3.7.0T 的优势与不足

在高场中T2驰豫时间的缩短比低场更显著，因此局部的相位变化加大，SWI对铁的检出越灵敏［9］，而这种效应仅与铁蛋白有关。利用这一优势，7.0T SWI便成为目前检测矿物质沉积的较为敏感的方法。Hommond 等［10］利 用7.0T研究发现多发性硬化（multiple sclerosis，MS）斑块内存在少量新鲜出血和含铁血黄素。7.0TSWI较3.0T 有更高的空间分辨力，达到微米级（μm）［11］，不仅可以定量测量灰质核团内的铁，还可以定量测量皮层内少量的铁［10］。通过SWI技术对帕金森病等慢性神经系统病变患者的苍白球、红核、黑质、壳核等进行铁含量定量分析，有助于显示病变的发生和发展，指导临床治疗；脑铁含量在一定程度上还反映了脑组织的能量代谢，可以用于分析大脑老化的过程。磁敏感性增加是7.0T 的一个优势，但外磁场越大，磁化率伪影越明显，SWI所形成的对比也是场强依赖性的，磁敏感效应的增强必然伴随信号强度的丢失，特别是靠近颅底乳突气房处，常常导致该部位结构变形，成为影响图像质量的主要问题。

目前，7.0T 成像经验几乎只局限于头部和肢体。7.0T显著的优势有：SNR 增加、T1弛豫时间的有利延长、磁敏感性增加以及很高的组织分辨力。7.0T MRI还可作为脑功能的研发工具，将功能信息与形态学信息整合进入分子影像学的新领域。而SWI作为一种无创性的检测手段，可以在较长时间内监测脑内铁含量的变化，为临床诊疗提供依据。

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