基于磁化率成像Brainnetome Atlas脑网络组图谱定量分析脑铁的可行性

李栋学，代 斌，熊真亮，曾宪春，王荣品

(贵州省人民医院放射科 贵州省智能医学影像分析与精准诊断重点实验室 精准影像诊疗示范型国际科技合作基地，贵州 贵阳 550002)

铁为人体必须且含量最高的微量元素，参与纤维束生长、髓鞘形成、氧运输、电子转运及神经转运体生成等过程，与神经退行性疾病的发生发展相关[1]。早发现、早诊断铁代谢异常相关神经系统疾病具有重要临床意义。认识正常人脑铁分布及变化规律，探寻准确且无创的脑铁定量方法，对研究铁代谢异常疾病具有重要价值。作为一种量化生物组织内磁化率空间分布MRI技术，定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping, QSM)已越来越多地用于定量研究脑铁，是目前临床定量测量活体组织内铁含量的主要方法[2]。本研究探讨采用基于QSM的Brainnetome Atlas脑网络组图谱定量分析脑铁的可行性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 2018年7月—2019年5月招募43名右利手、健康的成年志愿者，其中男20名，女23名，年龄22～58岁，平均(35.3±10.0)岁。纳入标准：自愿、知情并填写MR检查同意书；无MR检查禁忌证；无脑器质性疾病史；无神经精神疾病；无酒精及药物依赖。排除标准：检查未完成而终止；图像质量不佳影响后处理。

1.2 仪器与方法 采用GE 3.0T MR扫描仪(Discovery MR 750, Milwaukee, WI)，行常规序列、3D T1W及QSM扫描。主要扫描参数：3D T1W，TR/TE 8.5/3.2 ms，TI 450 ms，翻转角15°，视野256 mm×256 mm，矩阵256×256，层厚1 mm，带宽31.25 kHz；QSM，TR/TE 41.8/3.3 ms，回波数16，间隔时间2.3 ms，翻转角20°，视野256 mm×256 mm，矩阵256×256，层厚1 mm，带宽62.50 kHz。

将原始数据传至GE后处理工作站，利用Functool软件行后处理，得到磁敏感图像。以DICOM格式输出磁化率(susceptibility, SUS)图像、原始图像(RAW)及3D T1WI(T1)图像，进行线下处理。利用dcm2niigui软件将SUS和T1图像转换为NIFTI格式(.nii)，采用Matlab(MathWorks, Natick, MA, USA)软件自编代码完成RAW图像的NIFTI格式转换。基于Matlab利用SPM12软件包(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)对图像进行标准化处理，以T1图像为金标准，RAW图像为配准参考，将此配准参数套用到SUS图像进行配准；而后将T1图像对应到东亚人脑模板上进行正规化；最后进行平滑处理，得到标准化SUS图像。在SPM12 Check Reg中，以SUS图像及SPM标准脑模板对应检查配准情况，手动微调配准欠佳图像。

在Brainnetome Atlas脑网络组图谱上找到双侧海马(hippocampus， HP)、苍白球(globus pallidus，GP)、尾状核(caudate， CA)、壳核(putamen， PU)、丘脑(thalamus， TH)、额叶皮质(frontal cortex， FC)、顶叶皮质(parietal cortex，PC)及枕叶皮质(occipital cortex， OC)共计16个脑区，设置ROI，利用Matlab R2013a软件，使用自定义代码提取各ROI的磁化率值，以Excel表格输出数据。同时利用Functool软件在SUS图像上于HP、GP、CA、PU、TH最大层面手工勾画ROI，在FC、PC、OC皮层最厚处手工勾画ROI(≤10 mm2)，测量磁化率值。由2名神经影像学主任医师共同完成数据处理、ROI勾画及磁化率测量，排除质量不佳及配准不满意图像。处理过程示意图见图1。

图1 基于Brainnetome Atlas脑磁化率值测量后处理过程示意图 A、B.于GE工作站进一步计算QSM相位图和幅度图，得到SUS图像； C.以Matlab软件依次将QSM相位图和SUS图像匹配到T1图像； D.将配准好的SUS图像对应到标准脑模板上并进行校对； E.以自定义Matlab代码从标准化ROI中提取磁化率值，在脑网络组图谱Brainnetome Atlas选取ROI

1.3 统计学分析 采用SPSS 19.0统计分析软件。计量资料以±s表示。将Matlab法和手工所测磁化率值与尸检脑组织染色所得铁浓度数据[3]进行Pearson相关分析；以Spearman相关分析观察磁化率值与年龄的相关性。绘制磁化率值分布箱式图；采用非参数Wilcoxon检验比较不同性别、侧别间磁化率值。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 磁化率值与组织病理结果的一致性 Matlab法及手工勾画法所测磁化率值呈正相关(r=0.959，P<0.001)，且均与尸检化学染色测量铁浓度结果[3]呈正相关(r=0.920、0.856，P=0.003、0.014)，见表1。

表1 Matlab法及手工勾画法所测各脑区磁化率值(ppb)与病理铁浓度值(mg iron/100 g)

2.2 磁化率值分布及与年龄的相关性 箱式图(图2)示手工法测量磁化率值整体高于Matlab法，其上限和大部分下限均高于Matlab法；2种方法测量GP、PU、FC均存在少数异常值。2种方法所测磁化率值均以GP最高，PU次之，HP最低。Matlab法及手工法测量ROI磁化率值整体与年龄均呈正相关(rs=0.535、0.340，P=0.001、0.026，图3A)；其中Matlab法所测GP磁化率值与年龄相关性最高(r=0.737，P<0.001，图3B)。

图2 MATLAB法、手工勾画法测量的磁化率值分布的箱式图

图3 磁化率值与年龄相关性散点图 A.Matlab法(蓝)和手工勾画法(红)； B.MATLAB法测量GP

2.3 不同性别、侧别磁化率值差异 Matlab法所测FC磁化率值男性高于女性(P<0.05)，不同性别间其余脑区磁化率值差异均无统计学意义(P均>0.05)。2种方法所测磁化率值不同侧别间差异均无统计学差异(P均>0.05)，见表2、3。

表2 2种方法所测不同性别各脑区磁化率值比较(ppb, ±s)

表2 2种方法所测不同性别各脑区磁化率值比较(ppb, ±s)

性别HPMATLAB法手工勾画法GPMATLAB法手工勾画法CAMATLAB法手工勾画法PUMATLAB法手工勾画法男-24.40±8.26-33.55±13.1043.40±7.55103.68±19.5927.48±7.0259.61±12.3441.31±12.6882.02±17.48女-24.58±7.66-31.36±13.6941.38±8.4296.82±20.8225.18±7.3949.15±20.1936.24±12.9875.88±16.86Z值-0.195-0.463-0.122-0.438-1.144-1.583-1.6560.368P值0.8460.6440.9030.6610.2520.1130.0980.368性别THMATLAB法手工勾画法FCMATLAB法手工勾画法PCMATLAB法手工勾画法OCMATLAB法手工勾画法男-6.44±8.69-5.62±11.582.95±2.9439.59±15.882.38±1.4338.15±28.94-2.66±5.4-1.21±14.06女-1.62±11.040.00±11.450.90±3.2740.93±10.772.01±0.9327.71±23.9-2.62±4.24-1.00±13.49Z值-1.437-1.631-2.167-0.341-1.291-1.364-0.146-0.134P值0.1510.1030.0300.7330.1970.1730.8840.893

3 讨论

3.1 QSM成像及Brainnetome Atlas脑网络组图谱 脑内不同形式的铁具有不同磁化效能。非血红素铁为顺磁性物质，能引起局部磁场不均匀，缩短组织横向弛豫时间，并反映于MRI上。非血红素铁中，铁蛋白及含铁血黄素占大部分，是引起MRI信号改变的主要铁存在形式[4]，故可通过MRI评估正常氧合状态下脑组织铁含量。QSM基于梯度回波序列成像，首先采集多个不同回波时间的幅度图和相位图，再对相位图解卷绕并消除宽大背景场，得到大脑组织局部场图，代表不同组织间铁的差异；最后结合幅度图利用正则化约束求解，获得大脑组织SUS图像，通过勾画ROI可得到组织中的铁含量[2,5-6]。QSM能较好识别高分辨率MRI难以辨认的TH核团[7]，高场下QSM可显示脑白质和脑灰质边界细节[8-9]，是具有高对比度、高分辨力、可完全定量铁含量的新兴MRI技术。Brainnetome Atlas脑网络组图谱由中科院自动化所蒋田仔团队于2016年绘制，利用脑结构和功能连接信息将脑区精细划分为246个脑亚区，具有客观精准的边界定位[10]。本研究基于Brainnetome Atlas脑网络组图谱于双侧HP、GP、CA、PU、TH、FC、PC、OC共16个脑区选取ROI。

表3 2种方法所测不同侧别各脑区磁化率值比较(ppb,±s)

表3 2种方法所测不同侧别各脑区磁化率值比较(ppb,±s)

性别HPMATLAB法手工勾画法GPMATLAB法手工勾画法CAMATLAB法手工勾画法PUMATLAB法手工勾画法左侧-24.48±9.18-32.56±14.8342.93±8.44103.06±20.8625.86±6.9153.21±17.2838.67±13.877.33±18.41右侧-24.51±8.03-32.2±13.8241.71±7.9996.96±23.5726.64±8.0654.82±18.3538.52±14.3080.14±20.53Z值-0.004-0.363-0.751-1.118-0.734-0.54-0.255-1.075P值0.9970.7170.4520.2630.4630.5890.7990.282性别THMATLAB法手工勾画法FCMATLAB法手工勾画法PCMATLAB法手工勾画法OCMATLAB法手工勾画法左侧-4.33±10.90-2.53±12.121.76±3.2940.69±15.362.03±1.332.75±28.69-2.75±5.30-0.91±14.15右侧-3.39±10.01-2.69±12.451.95±3.4739.93±14.522.33±1.3032.38±33.15-2.52±4.96-1.29±13.25Z值-0.466-0.177-0.397-0.367-0.92-0.35-0.272-0.134P值0.6410.8590.6910.7140.3580.7260.7860.894

3.2 Matlab脑铁定量方法可行性 本研究发现Matlab和手工勾画2种方法所测磁化率值均与病理铁浓度呈显著正相关，表明QSM定量磁化率值可间接反映脑铁含量[11-12]；且2种方法所测磁化率值呈显著正相关，而Matlab法测值与病理铁浓度相关性更高，提示Matlab法可准确测量脑铁含量。

脑铁分布具有时间、空间异质性[13-14]。本研究中2种方法所测磁化率值均与年龄呈正相关，提示脑铁含量随年龄增加而呈逐渐缓升趋势，与既往研究[3,15]结果相符；2种方法所测磁化率值均以GP最高，PU次之，HP最低，与夏爽等[16]的研究结果一致，提示铁在椎体外系功能运作中具有重要作用。

本研究Matlab法所测FC磁化率值存在显著性别差异，2种方法所测磁化率值均无侧别差异，与XU等[17]研究结果一致；但也存在不同研究结果，如夏爽等[16]认为GP磁化率存在性别差异、CA磁化率存在侧别差异，洪居陆等[18]报道CA磁化率存在性别差异。磁化率分布存在异质性，性别及侧别间可能有所差别，有待加大样本量深入分析。

本研究中Matlab法所测磁化率值整体低于手工勾画法测值，可能与前者计算的是整个三维结构的平均磁化率，而后者仅针对结构最大层面勾画ROI测得磁化率有关；2种方法测量GP、PU、FC均存在少数异常值，提示测量过程中难免均存在误差。

本研究的主要不足：受试者均为贵州本地人，可能存在地域偏倚；Matlab数据标准化过程采用东亚人标准脑模板，可能存在匹配及对应偏差；在Brainnetome Atlas脑网络组图谱中只选取部分脑亚区作为ROI，可能存在样本量偏少等问题。

综上所述，QSM是定量脑铁含量的较准确可靠的MRI技术，可较好显示脑铁分布特点及随年龄变化规律。因脑铁含量可能存在性别差异，今后研究中需考虑性别影响。基于Brainnetome Atlas脑网络组图谱的Matlab定量测量脑铁具有较高准确性和可行性，能减少工作量、节省时间，但需注意警惕计算机配准、校正、标准化过程可能造成的误差。