分析1.5T与3.0T MR定量评价体外铁浓度模型比较研究

黄璐， 韩瑞， 夏黎明

·实验研究·

分析1.5T与3.0T MR定量评价体外铁浓度模型比较研究

黄璐， 韩瑞， 夏黎明

目的探讨MRI对体外不同铁浓度模型定量测量的可靠性，并比较1.5T和3.0T MR对体外铁浓度模型定量测定的准确性。方法制作2组不同铁浓度体外模型，一组铁浓度范围为0～5.0 mg/mL。另一组铁浓度范围为0～1.0 mg/mL。两组铁浓度模型分别在1.5T及3.0T MR上进行扫描。扫描序列包括短轴面FSE/T1WI、FRFSE/T2WI、T2map和T2*map。评价测量指标包括T1WI和T2WI信噪比、T2、R2、T2*和R2*值。评价指标的一致性采用组内相关系数分析。铁浓度与T1WI信噪比、T2WI信噪比、T2、R2、T2*和R2*值的关系应用Pearson相关分析。结果两位研究者对体外铁浓度模型MR图像测量指标T1WI信噪比、T2WI信噪比、T2、R2、T2*和R2*值一致性评价的组内相关系数均大于0.900(P<0.001)。T2WI信噪比、T2和T2*值与铁浓度在1.5T和3.0T MR上均呈非线性相关。在1.5T MR上，当铁浓度≤1.5 mg/mL时，T1WISNR、R2与铁浓度呈显著性正相关(P<0.05)。R2*则在铁浓度≤2.5 mg/mL时，与铁浓度呈显著正性线性相关(P<0.001)。而在3.0T MR上，当铁浓度≤0.90 mg/mL时，R2和R2*值与铁浓度呈正相关(P<0.05)。结论MRI定量测定体外不同铁浓度模型的可重复性好；在1.5T或3.0T MR各测量参数中，R2*值可准确定量反映体外铁浓度，且1.5T MR检测铁浓度范围宽于3.0T MR。

模型； 铁； 磁共振成像

血色素病是一种累及多个器官的代谢性疾病[1]，以往限于磁共振技术的原因只能对其定性诊断，随着磁共振软、硬件的飞速发展，目前磁共振可以对血色素病的铁负荷程度进行定量测量，但是这种定量测量目前受磁场强度的影响较大[2,3]。目前国内外关于不同磁场强度对铁测量可重复性、准确性、测量范围等的研究较少[4]。本研究应用临床常用的1.5T和3.0T MR对体外铁浓度模型进行扫描，旨在确定二者定量测定铁浓度的准确性、可测量范围及测量的敏感参数，并探讨哪种场强更适合铁浓度的测量。

材料与方法

1.体外铁浓度模型的制作

应用右旋糖酐铁制剂(浓度为50 mg/mL)和蒸馏水制作体外铁浓度模型2套，每套包括实验组和备份组，两组浓度范围相同(图1)。第一套铁浓度范围为0～5.0 mg，即0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 mg/mL。第二套铁浓度范围为0～1.0 mg/mL，即0,0.10,0.20,0.30,0.35,0.40,0.45,0.50,0.55,0.60,0.65,0.70,0.80,0.90,1.00 mg/mL。

图1 两套体外铁浓度模型上面观。 图2 体外铁浓度模型T1WI图像,体外铁浓度模型及背景感兴趣区放置。

2.体外铁浓度模型的磁共振成像

于同一天分别在1.5T和3.0T MR上分别对2套体外铁浓度模型进行扫描。每套体外铁浓度模型按照以下方式进行扫描：

1.5T MR成像(HDxt Cvi，GE Healthcare，USA)：使用8通道相控阵心脏线圈，将体外铁浓度模型放置于2.5 kg重的水膜上(增加成像对象的重量以获得较好的图像)行短轴面FSE/T1WI、FRFSE/T2WI、T2map和T2*map扫描，扫描范围从溶液顶部至底部(约7层)。各扫描序列具体参数见表1。

表1 MR的T1WI、T2WI、T2map、T2*map序列扫描参数

3.0T MR成像(HDxt，GE Healthcare，USA)：1.5T体外铁浓度模型成像结束后，将体外铁浓度模型连同水膜一起取出，放置到3.0T MR扫描仪上进行成像。使用HD八通道相控阵心脏线圈。扫描方案、各扫描序列及参数同1.5T MR。

3.MR图像分析

将在1.5T和3.0T MR上对两套体外铁浓度模型扫描所获得的原始图像传输到ADW 4.4工作站(Advantage Workstation，GE Healthcare，USA)上，并进行图像分析。T1WI和T2WI在View工具中测量信号强度值。T2map和T2*map在Functool软件中分别使用T2mapping软件包和R2*mapping软件包测量T2值和T2*、R2*值。

两位放射科医生独立对所有图像分别进行测量，其中一位放射科医生对所有图像测量2次，测量时间间隔一周。感兴趣区放置(图2)在中间层面(一般第三或第四层)的中央(region of interest，ROI)，面积范围25～30 mm2。在T1WI和T2WI上测量每个铁浓度ROI的信号强度值，同时在背景上选择3个ROI测量其信号强度的标准差(standard deviation，SD，图2)。计算每个铁浓度ROI的信噪比(signal to noise ratio，SNR)，公式如下：

T2map和T2*map的ROI放置层面和T1WI和T2WI一致。T2mapping软件包测量每个铁浓度的T2值(ms)，R2值的计算公式如下：

R2*mapping软件包同时测量T2*(ms)和R2*(Hz)。

4.统计学分析

T1WISNR、T2WISNR、T2、R2、T2*和R2*值均采用均值±标准差表示。两位放射科医生测量的每套体外铁浓度模型中研究组与备份组的结果应用两个独立样本t检验分析进行比较。两位放射科医生独立测量结果的观察者内和观察者间的一致性评价使用组内相关系数(intraclass correlation coefficient，ICC)，以ICC≥0.700认为二者测量结果一致性高。应用Pearson相关分析评价铁浓度与T1WISNR、T2WISNR、T2、R2、T2*和R2*值的相关关系，符合线性分布的建立直线回归方程。P值<0.05具有显著统计学意义。所有统计学分析使用SPSS 19.0软件包进行分析。

结 果

1.体外铁浓度模型MR图像的显示

在1.5T和3.0T MR上，第一套铁浓度模型的所有铁浓度在T1WI、T2map和T2*map上均能显示。而T2WI随着铁浓度的增加，信号强度逐渐与背景相似，无法辨认，当铁浓度>2 mg/mL，无论在1.5T或3.0T MR上，T2WI均无法显示(图3)。第二套铁浓度模型的所有铁浓度在1.5T和3.0T MR的T1WI、T2WI、T2map和T2*map上均能显示。T1WI和T2WI的信号强度随着铁浓度的增加，逐渐变暗。

图3 体外铁浓度模型第一套铁浓度梯度的T2WI图像。a) 1.5 T的T2WI图像; b) 3.0 T的T2WI图像， 第5个铁浓度(2mg/mL)开始信号强度与背景信号强度无法分辨。 图4 体外铁浓度模型第二套铁浓度梯度的T2*map第1、3、5、7个回波的图像 铁浓度试管的信号强度随着回波时间的延长逐渐减低。

图5 体外铁浓度模型1.5T MR上R2和R2*值与铁浓度之间的散点图。 图6 体外铁浓度模型在3.0T MR上R2和R2*值与铁浓度之间的散点图。

T2map和T2*map的图像随着回波时间的延长，铁浓度高的试管信号强度逐渐变暗，甚至与背景一致(图4)。

2.体外铁浓度模型MR 图像一致性分析

两位放射科医生对体外铁浓度模型的两套铁浓度梯度在1.5T和3.0T MRI的原始图像独立进行分析。体外铁浓度模型1.5T和3.0T MRI的研究组结果和备份组结果无显著统计学差异。一位放射科医生的T1WISNR、T2WISNR、T2、R2、T2*和R2*值的观察者内的ICC均>0.900，P<0.001。两位放射科医生的所有MR评价指标观察者间的ICC均大于0.900，P<0.001。

3.体外铁浓度模型T1WI和T2WI信号强度与铁浓度相关性分析

4.体外铁浓度模型T2、R2、T2*和R2*值与铁浓度相关性分析

讨 论

体外铁浓度模型的MRI定量测定，其优势在于可以准确配比出任意的铁浓度梯度，不受活体组织取样测量的限制；体外铁浓度模型成分单一，均为不同铁浓度的溶液，而且右旋糖酐铁易溶于水，溶液分布均匀，无其他物质的影响，这些优点为体外铁浓度模型的MRI准确测定奠定了基础。另外还剔除了影响其测量结果准确的其他因素，例如活体组织的呼吸、心脏搏动及血管搏动等引起的运动伪影，这样就能客观的评价MRI定量分析铁浓度的准确性、可重复性和一致性，从而可以选择代表性参数反映铁浓度[5，6]。

对于一种定量测量参数，无疑可重复性是其主要特征之一。从本研究结果可以看出，两套体外铁浓度模型中研究组铁浓度梯度与备份组的1.5T和3.0T结果比较均无显著的统计学差异，说明两套铁浓度梯度的配比准确，可重复性高。同时通过分析两位放射科医生对两套体外铁浓度在1.5T及3.0T所有图像的测量结果，发现本研究中各种参数的测量结果受时间和观察者的影响较小，体现出较高的可重复性，这保证了测量的可靠性。

由于铁离子的顺磁性可以引起T1或T2的信号强度下降，且对T2弛豫的影响明显>T1弛豫[7]，所以本研究使用T1WI和T2WI的信噪比对铁浓度进行分析，通过研究发现无论在1.5T或3.0T MR上，当铁浓度>2.0 mg/mL时，T2WI上相应铁浓度试管的信号强度与背景相近，无法区分，也就是说T2WISNR测量的铁浓度范围应<2.0 mg/mL。1.5T MR上铁浓度<1.5 mg/mL时，T1WISNR与铁浓度呈正性线性相关。产生这种结果是因为本研究使用的是右旋糖酐铁溶液，当铁浓度很低时，糖份部分的特性起主导作用，使得T1WI的信号强度增高，而当铁浓度增加到一定程度的时候(本实验为铁浓度为1.5 mg/mL)，铁的顺磁性作用起主导作用，信号强度开始降低。这种情况在活体组织中会不会存在，若存在，其铁浓度的界值是什么，目前还没有相关的研究。

对于不同铁浓度的溶液的T2map和T2*map成像，无论在1.5T或3.0T MR上， T2和T2*值与铁浓度呈非线性相关，而R2和R2*值与铁浓度呈线性相关。铁的顺磁性作用使得T2和T2*缩短[7]，尤其是T2*，所以当铁浓度逐渐增加时，T2和T2*值降低。铁浓度过高(铁浓度>2.5 mg/mL)时，1.5T MR上的T2*值维持在6 ms左右，3.0T MR上T2*值(在铁浓度>0.9 mg/mL)随着浓度的增加而升高；而T2值在两个场强均升高。这有可能是当铁浓度增加得过高，引起周围环境的磁场不均匀性超出了物质本身的信号强度值，造成多回波图像在重建时出现伪影，无法准确分析出高铁浓度(1.5T铁浓度>2.5 mg/mL或3.0T铁浓度>0.9 mg/mL)的T2和T2*值。所以在测量高铁浓度时，应该根据具体情况采用特定的序列[8,9]即更短的TE时间，小于所测铁负荷的T2*(如Ultrashort echo-time，UTE)或高端的图像后处理方法[10，11]，区分出背景场和磁敏物质产生的局部磁场，去除背景场影响，直接测量铁本身的磁化率(如Quantitative susceptibility mapping，QSM)进行检测，否则可能会低估在体铁含量，无法为临床提供治疗的准确依据。

综上所述，通过本研究确定MRI测量体外铁浓度模型具有可重复性。目前，1.5T MR在评估铁浓度的应用上优于3.0T MR，1.5T MR可以准确测量铁浓度的范围为铁浓度≤2.5 mg/mL，而3.0T MR可准确测定的范围为铁浓度≤0.90 mg/mL。R2*所测量的铁浓度范围>T1WISNR和R2，所以，应该选用T2*map在1.5T MR上进行铁浓度的分析测量。

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Quantitativemeasurementofironconcentrationinvitromodelacomparativestudybetween1.5Tand3.0TMRI

HUANG Lu,HAN Rui,XIA Li-ming.

Department of Radiology,Tongji Hospital,Tongji Medical College,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430030

Objective:To investigate the reliability of quantitative measurement of iron concentration in vitro model using MRI and compare the accuracy between 1.5T and 3.0T.MethodsTwo sets of iron concentration in vitro models were made,ranging from 0mg/mL to 5.0mg/mL and from 0mg/mL to 1.0mg/mL,respectively.The scanning protocol included FSE/T1WI,FRFSE/T2WI,T2map and T2*map on axial section.Two radiologists independently evaluated the MR images of the models.T1WI signal to noise ratio (SNR),T2WI SNR,T2,R2,T2*and R2*values were evaluated.Intraclass correlation coefficient (ICC) was used to evaluate the agreements of the parameters and Pearson correlation analysis was used to calculate the correlation between iron concentration and MR measurement indexes.ResultsThe ICCs of T1WI SNR,T2WI SNR,T2,R2,T2*and R2*values evaluated by two radiologists were all more than 0.900 (P<0.001).The relation between iron concentration and T2WI SNR,T2and T2*values demonstrated function relation on 1.5T or 3.0T MR scanner.At 1.5T MR scanner,when iron concentration was less than 1.5mg/mL,T1WI SNR and R2 correlated positively with iron concentration (P<0.05).At 3.0T MR scanner,when iron concentration was less than 2.5mg/mL,R2*had a positive correlation with it (P<0.001).When iron concentration was less than 0.900mg/mL,R2and R2*were positively correlated with it (P<0.05).ConclusionMRI is able to quantitatively evaluate iron concentration in vitro model reproducibly.R2*value is the best index to evaluate the iron concentration at either 1.5T or 3.0T MR.The measureable range at 1.5T MR is wider than that at 3.0T MR.

Model； Iron； Magnetic resonance imaging

R591.1; R445.2

A

1000-0313(2017)10-1014-05

2016-12-27

2017-03-14)

430030 武汉，华中科技大学同济医学院附属同济医院放射科(黄璐、夏黎明)；430022 武汉，武汉市第一医院放射科(韩瑞)

黄璐(1985-)，女，江西吉安人，博士，主治医师，主要从事心脏功能磁共振研究工作。

夏黎明，E-mail：cjr.xialiming@vip.163.com

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.10.004