定量磁敏图基本原理及其在中枢神经系统应用进展

谭慧， 陈军



·综述·

定量磁敏图基本原理及其在中枢神经系统应用进展

谭慧， 陈军

定量磁敏感图(quantitative susceptibility mapping，QSM)是利用梯度回波相位图检测体内分布的磁敏感物质、并计算其磁化率值的一种成像技术，在脑内铁含量、血液中脱氧血红蛋白量的测量中具有较高的临床应用价值，本文将介绍QSM的基本原理及其在中枢神经系统的应用进展。

脑疾病； 定量磁敏感图； 功能性磁共振成像； 铁沉积； 血氧饱和度

磁共振成像对传统的解剖成像主要依靠灌注加权成像(PDWI)、T1WI、T2WI和T2*WI，在T2*WI基础上，利用相位图进一步增强组织间对比度即形成磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging，SWI)，这项技术最早于1997年提出，其主要基于组织间磁化率的差异，在回波时间(TE)充足的条件下，磁敏感区域的信号将与周围组织的信号相反[1]。SWI自诞生以来得到了快速发展，但其不能对组织内的磁化率信息进行定量分析。基于SWI，在21世纪初，有学者提出对磁敏感物质的磁化率做定量分析，即定量磁敏感图(quantitative susceptibility mapping，QSM)。QSM在检测血液中脱氧血红蛋白含量、组织内铁沉积量以及对脑内变性疾病的诊断和监控等领域有较大的优势和价值。本文将对QSM成像的基本原理进行概述，并主要介绍这项技术在中枢神经系统中的应用并对其未来进行展望。

QSM成像基本原理

与SWI类似，QSM同样是利用组织间磁敏感差异形成图像对比。磁敏感性反映了磁敏感物质在外加磁场作用下的磁化程度，可用磁化率(χ)表示。

常见的磁敏感物质可分为顺磁性、反磁性及铁磁性物质。顺磁性物质具有未成对的电子，在外磁场存在时，由于它们自身产生的磁场与外磁场方向相同，因此磁化率为正值(χ>0)，如脱氧血红蛋白、含铁血黄素等。反之，反磁性物质不具有成对电子，其自身磁场与外磁场反向，磁化率为负值(χ<0)，如氧合血红蛋白、铁蛋白和钙化等。铁磁性物质可被磁场明显吸引，除去外磁场后仍可被永久磁化[2]。

磁敏感物质会使局部磁场发生改变引起质子失相位，如果给予一个足够长的TE，自旋频率不同的质子间将形成明显的相位差别。这样，磁化率不同的组织就可在相位图上区别出来[3]。

以T2*WI为基础采集到的相位信息，需要进行一些预处理来获得反映局部磁场变化的场图。组织内磁敏感物质产生磁场使图像中相位信息扰动，由于系统所能获得的相位信息限制在-π～π，与真实相位存在不同程度的相位周期模糊，这种现象称为相位缠绕。因此，首先需要通过相位解缠绕恢复失去的相位周期。由于磁共振中匀场不完全及组织与空气交界的磁化率变化等因素可引起背景场强烈的变化，不仅会掩盖局部组织对比度，同时会使相位缠绕更严重。为了获得高质量的QSM，需要区分背景场和磁敏感物质产生的局部磁场，这一步称为去除背景场。目前临床上多采用复杂谐波伪影去除法(sophisticated harmonic artifact reduction for phase data，SHARP)和偶记投影法(projection onto dipole fields，PDF)来消除背景场干扰[4-5]。

与SWI不同的是，QSM需要结合特有的重建算法将处理后的场图信息重建出磁化率图像。如何稳定地求解并对磁化率进行精确定量，是QSM技术的关键。目前QSM主要的重建方法有多方向采样磁化率计算方法(calculation of susceptibility through multiple orientation sampling，COSMOS)[6]、K空间阈值分割法(threshold-based K-space division，TKD)[7]和贝叶斯正则化方法[8]等。

QSM的临床应用

1.脑血管病

脑卒中：缺血性脑卒中主要由血栓形成或者低灌注和栓子清除障碍所致，DWI对早期脑梗死非常敏感。供血动脉栓塞后导致局部血流变缓，脱氧血红蛋白含量增多，局部磁化率随之改变。既往研究中使用SWI检测受累血管分布、梗死的边界和梗死后出血，QSM同样适用，与此同时，QSM还可定量计算磁化率，以此推测氧摄取代谢的情况，通过与灌注成像相结合可以判断梗死患者的预后情况。最近的一项对缺血性脑卒中皮层静脉的研究中发现，与对侧半球相比，缺血侧皮层静脉的血氧饱和度下降16%～44%，其磁化率阈值为(254±48)ppb，显著高于对照半球[(123±12)ppb]和健康对照组[(125±8)ppb]，表明病灶侧血流量下降导致皮层静脉氧饱和度降低[9]。同时，还可应用QSM观察急性脑卒中患者在静脉溶栓后的血管再通情况及并对卒中患者进行随访。定量监测皮层静脉磁化率与美国国立卫生研究院卒中量表(National Institute of Health stroke scale， NIHSS)评分的相关性，用以推测患者神经功能恢复情况。

出血和钙化灶的鉴别： 微出血和钙化灶在常规MRI上形态和信号较类似，因此对两者的鉴别比较困难。在SWI相位图上，钙化灶信号与出血相反，因此较容易鉴别。Chen等[10]使用QSM和SWI对38例伴有颅内微出血或钙化灶的患者进行研究，QSM对两者的诊断敏感度和特异度均优于SWI，同时能更为清晰地显示病灶及其与邻近组织的边界。

血管畸形：海绵状血管瘤(cerebral cavernous malformation，CCM)内因含有较多脱氧血红蛋白、含铁血黄素等磁敏感物质，在T2*WI上呈低信号。在对CCM病灶的检出率上，SWI较T2*WI的敏感度更高[11]。SWI通常只能评估随着时间的推移病灶数量的变化情况，无法提供病灶内铁沉积量的信息，而QSM可同时动态监测CCM的数量及其内铁含量的变化。研究发现CCM反复出血会增加发生中风和癫痫等相关疾病的风险[12]。目前有动物模型研究提出，减少病灶内沉积的铁含量可能是一种新型治疗方法[13]。Tan等[14]运用QSM测量治疗前后CCM内铁沉积量，发现这种方法能准确评价治疗方案是否有效。

2.脑变性疾病

铁作为脑内关键的辅助因子参与髓磷脂的合成、氧的运输、电子的转运等各种生理生化过程，正常的铁代谢对脑组织的功能活动极为重要。然而，高浓度的铁蓄积对正常脑细胞是有害的。有动物实验证实直接在大鼠的黑质注射铁剂可选择性地损毁多巴胺能神经元[15]，说明铁代谢异常在运动障碍性疾病的神经元变性脱失中起重要作用。

正常情况下脑内不同部位的铁沉积速度不同。夏爽等[16]用QSM技术对不同年龄健康人群的脑铁含量进行研究，发现双侧尾状核、壳核、红核和齿状核的铁含量随年龄的增长而逐渐增加，其中苍白球χ值最高，其次为黑质，而额叶白质的χ值最低，其结果与Hallgren和Sourander[17]的组织病理检查结果一致。利用QSM可以无创性地定量监测脑铁含量的变化。

椎体外系(尤其是苍白球和黑质)的铁含量十分丰富，提示铁代谢可能在锥体外系疾病中扮演重要角色。Ide等[18]对苍白球内铁含量的研究中发现，随年龄增长，外侧苍白球铁含量逐渐明显升高，而内侧苍白球铁含量却相对恒定，说明内、外侧苍白球的铁代谢机制可能不同。内、外侧苍白球铁含量不同(分别为191和205ppb)导致其组织磁化率有明显差异(P<0.05)，这一特点也为QSM清晰显示苍白球内部结构提供了天然对比。

帕金森病(Parkinson disease，PD)的病因和发病机制尚不清楚，但是铁代谢紊乱是其中较为肯定的影响因素之一。而且有学者认为铁代谢异常可能与阿尔兹海默病(Alzheimer disease，AD)和肌萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)等疾病相关[19]。Barbosa等[20]对PD组和正常对照组的研究发现，QSM对PD患者脑内铁含量升高的检出具有更高的敏感度和特异度。Murakami等[21]根据ROC曲线分析，得出PD组黑质致密部χ阈值为>0.210ppb。对潜在的PD高危人群和无运动症状的早期PD患者，采用QSM来监测黑质和基底节区铁含量的变化，有利于了解疾病早期的进展，为临床决策提供依据。

3.脑脱髓鞘疾病

多发性硬化(multiple sclerosis，MS)的病理改变主要包括脱髓鞘和铁沉积，两者均可提高组织的χ值。Chen等[22]对不同年龄MS病灶的研究发现，随着病灶由强化转变为非强化状态，MS病灶的磁化率迅速增加，并于早期阶段(<4年)维持较高的χ值，随着时间推移，χ值逐渐降低并接近于正常白质。这为我们对MS的病理生理改变提供了新的认识，同时应用QSM对MS患者进行长期随访和定量对比研究，有助于我们深入了解MS病灶的演变过程，并可为临床治疗方案的调整提供一定的依据。

4.脑外伤

颅脑受到斜或侧向撞击时，神经纤维承受大小方向不同的剪切力影响，并导致周围小血管发生断裂、分离，导致弥漫性脑白质损伤即弥漫性轴索损伤(diffuse axonal injury，DAI)，影像上常表现为脑内多发微出血灶，在常规颅脑MRI上多无法检出，临床上大多依靠回顾患者的外伤史和SWI检查来明确诊断。QSM在脑外伤的应用中同样具有潜力，不仅可清晰显示微出血灶的分布并可进行量化分析[23]。

5.脑肿瘤

常规MRI可以清晰显示肿瘤形态，但对其内部结构的显示欠佳。侵袭性肿瘤主要表现为新生血管形成、坏死和出血等，QSM对肿瘤内出血及引流静脉的显示较敏感，同时结合MR增强扫描可以对肿瘤内部结构进行详细分析。胶质母细胞瘤内通常不含钙化成分，其内钙化的出现与对贝伐珠单抗治疗的疗效呈正相关[24]。因此，我们可以利用QSM对胶质母细胞瘤内钙化成分进行检测，从而可指导胶质母细胞瘤的治疗、观察疗效及判断预后。

6.其它方面的应用

Haacke等[23]对摄入咖啡前后的脑静脉血氧饱和度进行对比研究，发现摄入咖啡后QSM图上静脉对比度增加，这与咖啡具有收缩中枢血管、减少脑血流量的作用有关。上述研究表明QSM具有量化静脉血氧饱和度的潜力。Zhang等[25]联合应用QSM和动脉自旋标记(arterial spin labeling，ASL)技术，发现摄入咖啡后皮层灰质的磁化率升高，同时根据磁化率(△χ)、脑血流量及氧摄取分数的变化，计算出摄入咖啡前后脑氧代谢率(CMRO2)的变化。上述研究表明QSM在无创性监测脑血流量领域具有潜在应用价值。

综上所述，QSM通过对磁敏感性物质的检测和定量评估，可应用于许多脑血管病变和神经病变的诊断和监测。尽管目前QSM主要应用于中枢神经系统，但是这项技术在人体其它部位的应用也在积极的发展之中。利用QSM技术对组织内出血、代谢氧耗量及矿物质分布等进行检测，可将其运用于对乳腺、四肢、腹部(肝、肾)和血管壁等组织器官病变的研究中。相信随着技术发展和图像质量的进一步提高，QSM在全身其它部位也能获得广泛运用。

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430060 武汉，武汉大学人民医院放射科

谭慧(1990-)，女，湖北咸宁人，硕士研究生，主要从事中枢神经系统研究工作。

陈军，E-mail:whuchenjun@163.com

R445.2; R742

A

1000-0313(2015)08-0873-03

10.13609/j.cnki.1000-0313.2015.08.017

2015-04-03

2015-06-19)