0～6岁儿童脑深部灰质核团铁的变化：定量磁敏感图与R2＊的比较

宁宁，金超，张卫善，张雷，吴鹏，郭华，刘聪聪，武翔宇，杨健*

铁参与大脑内神经元的能量代谢、髓鞘形成、神经递质代谢等多项生理功能，脑铁在早期脑发育过程中必不可少[1]，无创检测脑铁对于研究脑发育和铁沉积相关性疾病非常重要，研究年龄相关性脑铁变化将有助于评价早期的神经系统发育。异常的脑铁含量也可能与多种神经系统疾病有关[2-3]，例如注意力缺陷多动障碍、孤独症者其脑铁含量减低，而脑组织铁沉积性神经变性疾病及缺氧缺血性脑损伤其脑铁含量增加。

铁作为顺磁性物质，具有较高的磁敏感性，而年龄相关性磁敏感性的变化也将为评估脑铁聚集状态提供有价值的信息。在既往磁共振成像研究中[4-5]，横向弛豫率R2对成人脑铁含量高的部位测量效果尚可，但由于脑组织的R2受到组织含水量的影响，其并不适用于儿童脑铁含量的量化评估。R2’和场强依赖的弛豫率增强的方法虽对铁含量的测量较为特异，但两者均需2次扫描才能计算出参数值，难度较大，扫描对象难以顺利配合完成。R2*综合了R2和R2’的信息，其随脑铁含量升高而呈线性增加，R2*值常被作为铁含量测量的可靠指标[6]。磁敏感加权成像(suscept ibil it y weighed imaging，SWI)可利用组织间的磁敏感度的差异产生图像对比，经过后处理产生定量磁敏感图(quant it at ive susceptibil it y mapping，QSM)，从磁敏感性角度反映组织对比，对铁含量的变化敏感，可直接测量组织的磁敏感性值[7-8]。

因此，本研究拟运用T2*加权血管成像(enhanced T2 st ar weight ed angiogr aphy，ESWAN)序列后处理得到的R2*和QSM图，定量测量R2*和磁敏感性值，观察0～6岁儿童脑深部灰质核团铁随年龄的变化规律。

1 材料与方法

1.1 研究对象

回顾性收集2011年1月至2013年12月行头颅MRI检查的儿童，年龄范围1个月至6岁。1岁以内来源于临床因喂养困难、呕吐、有其他部位的疾病怀疑合并颅脑异常等，1岁以上来源于健康查体、头痛、呕吐、因其他部分疾病怀疑颅脑疾病等。纳入标准：①足月儿；②检查时均行ESWAN扫描；③常规头颅MR T1WI和T2WI检查未见明显异常者。排除标准：①MRI检查时及随访2年内有神经行为学异常者；②头部外伤史、婴儿期脑病、颅内感染、遗传代谢性疾病、先天性脑发育畸形、先天性心脏病史；③因运动或磁敏感伪影图像无法分析者。依据纳入排除标准，共收集儿童87例，年龄：1～72个月，其中男26例[月龄：(17.1 ±14.6 )个月]，女61例[月龄：(18.0 ±17.3 )个月]。本研究经西安交通大学第一附属医院伦理委员会批准，在检查前均告知其监护人检查目的、步骤、注意事项及可能存在的风险，并自愿签署知情同意书。

1.2 扫描设备和图像采集

对于不能良好配合MRI扫描的儿童，检查前30 min左右给予镇静处理，口服10%水合氯醛(25 mg/kg体质量)，镇静前常规喂奶。

运用3.0 T MR扫描仪(Signa HDxt，Gener al El ect r ic Medical Syst em，Mil waukee，WI，USA)，8通道头部相控阵线圈。检查前于外耳道内塞入隔音棉塞，使扫描对象仰卧于MR检查床上，并使用塑性海绵垫固定头颅，使扫描对象头颅位于线圈中心，并且保证听眦线垂直于床面。监护患者生命体征，包括体温、心率、呼吸和氧饱和度。首先进行MR常规序列扫描，精确定位前后联合的位置，然后在平行于大脑前后联合连线的平面上，进行轴位三维快速扰相梯度回波(three dimensional f ast spoil ed gradient echo，3D-FSPGR)T1WI、T2WI及ESWAN扫描。

扫描序列及成像参数如下：3D-FSPGR T1WI：重复时间/回波时间=10 ms/4.6 ms，激励次数=1，扫描视野为18 cm×18 cm，层厚=1.0 mm，矩阵=256×256，扫描时间为5 min 10 s。T2WI：重复时间/回波时间=4200 ms/120 ms，激励次数=1.5 ，扫描视野为18 cm×18 cm，层厚=4.0 mm，矩阵=512×512，扫描时间为2 min 12 s。ESWAN：重复时间=51 ms，回波个数=6，TE=7～46 ms(TE1=7 ms，TE6=46 ms，△TE=7.8 ms)，翻转角=20°，层厚/层间距=2 mm/0 mm，激励次数=0.6 9，扫描视野为18 cm×18 cm，矩阵=384×256，扫描时间为3 min 17 s，行3D轴位扫描。

1.3 图像后处理及定量测量方法

由两名主治医师观察常规MRI序列图像(T1WI、T2WI)无明显异常表现，将可以达到测量标准的ESWAN图像纳入本研究测量组。在GE AW4.4 后处理工作站上，采用Funct ool对ESWAN原始图像数据进行后处理，得到R2*图和相位图。依据Li等[9]报道，在相位图的基础上计算QSM图。

计算QSM图的具体方法为：将多回波相位图展开，根据不同的回波标准化后生成频率图；将不同回波的频率图作平均化，运用优化的相位数据复杂谐波伪影减低法(sophist icat ed har monic ar t if act r educt ion f or phase dat a，SHARP)去除背景频率；最后，使用基于正交及上三角分解最小二乘法的方法基于频率图计算QSM图[10]。

在显示脑深部灰质核团最大的QSM图层面上(图1A)，运用ImageJ软件的多边形测量工具，分别勾画双侧尾状核、壳核、苍白球、丘脑ROI，避免纳入脑内静脉或接触核团边缘，并将ROI复制于R2*图像，以保证QSM图和R2*图中的ROI位置和大小一致(图1B)。测量ROI内的R2*和QSM磁敏感性值，由2名影像科高年资主治医师采用双盲法分析图像，分别勾画ROI，测值取两者平均值。各灰质核团的磁敏感性值将以胼胝体压部磁敏感性值作参照(即将二者差值作为核团的相对磁敏感性值)[11]。

图1 脑深部灰质核团标注ROI的QSM和R2*图(1、2：尾状核；3、4：壳核；5、6：苍白球；7、8：丘脑)。A：QSM图，B：R2*图Fig.1 ROIs in QSM and R2*mapping(1,2:Caudate nucleus;3,4:Putamen;5,6:Globuspallidus;7,8:Thalamus).A:QSM,B:R2*mapping.

1.4 统计学分析

对所获得的所有数据运用SPSS 13.0 版统计软件进行统计学分析，各年龄组不同部位灰质核团磁敏感性值和R2*值，均符合正态分布，采用均数±标准差(±s)进行表述。对两位医师的同一部位测量结果的一致性进行组内相关系数(int r acl ass cor r el at ion coef f icient，ICC)检验。用多元回归分析判别年龄、性别、左右侧别对磁敏感性值和R2*值的影响。按照年龄将研究对象分组，将磁敏感性值和R2*值与月龄做线性回归分析，并进一步使用Pear son法进行相关性分析。所有统计结果均以P＜0.0 5为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 QSM磁敏感性值与R2*值测量的一致性检验

在各测量部位ROI，无论是QSM磁敏感性值还是R2*测量值，两位医师对同一部位测量结果的一致性的ICC值均＞0.7 5，提示不同观察者之间测量结果的一致性均较好。

2.2 QSM和R2*图各脑区图像对比

在QSM和R2*图中顺磁性越强的物质显示的信号越高。QSM图中灰白质对比度更好，而R2*图相对较弱。在勾画ROI时，QSM图对组织结构的边界显示更加清晰。QSM图肉眼可见1月龄灰白质分界不清晰，自1岁开始，深部灰质核团的边界逐渐清晰。随年龄增加，各核团对比更加清晰，信号强度逐渐增加。6岁时可见以苍白球信号强度最高，其次是尾状核，内外侧苍白球已明显分界。而R2*图因分辨率较低，虽也可显示苍白球随年龄增长信号强度逐渐增加，但深部灰质核团边界不清晰。1月龄、1岁和6岁QSM和R2*图见图2。

图2 1月龄、1岁和6岁各脑区QSM和R2*图Fig.2 QSM and R2*mapping of brain in 1 month,1 year and 6 years old.

2.3 QSM磁敏感性值和R2*值与月龄的关系

各深部灰质核团QSM磁敏感性值、R2*值与性别、左右侧别无显著依存关系(P均＞0.0 5)，而与月龄呈显著依存关系(P＜0.0 5)。左右侧QSM磁敏感性值、R2*值差异无统计学意义(P值均＞0.0 5)，故将左右侧QSM磁敏感性值、R2*值取平均值进行相关性分析。

据2.2 节观察到1岁前后的变化趋势不同，故按照年龄将研究对象分为1个月至1岁和大于1～6岁两组进行下一步分析[12]，其中1个月至1岁组49例，大于1～6岁组38例。两个年龄组各深部灰质核团QSM磁敏感性值、R2*值与月龄的线性回归方程及参数见表1，可见苍白球与月龄的回归方程的斜率最高。

表1 深部灰质核团磁敏感性值、R2*值与月龄的线性回归方程参数Tab.1 Fitted linear regression parameters for susceptibility and R2*values with age in deep gray matter nuclei

1个月至1岁组，苍白球QSM磁敏感性值与月龄呈正相关性(相关系数为0.3 11，P＜0.0 01)，而其余部位磁敏感性值与月龄无显著相关性(P均＞0.0 5)；各深部灰质核团的R2*值与月龄均呈正相关(相关系数分别为尾状核：0.6 71，壳核：0.6 88，苍白球：0.6 67，丘脑：0.6 67，P均＜0.0 01)。大于1～6岁组，各部位QSM磁敏感性值和R2*值与月龄均呈正相关(相关系数分 别 为 尾 状 核：0.6 76和0.4 61，壳核：0.7 01和0.6 23，苍 白 球：0.8 70和0.7 43，丘 脑：0.5 70和0.6 84，P均＜0.0 5)，详见图3、4。

图3 各深部灰质核团磁敏感性值与月龄的相关性 图4 各深部灰质核团R2*值与月龄的相关性Fig.3 Thelinear correlation of susceptibility valuewith agein each deep gray nucleus.Fig.4 Thelinear correlation of R2*valuewith agein each deep gray nucleus.

3 讨论

3.1 QSM和R2*图像对比

组织的磁敏感性是物质在磁场中磁化的物理特性，也是SWI图像对比的基础。在小儿中，R2*图仅可显示苍白球与周围组织的对比，而灰白质对比并不清晰。在QSM图中，顺磁性物质例如铁蛋白和脱氧血红蛋白呈高信号，而髓鞘等反磁性物质呈低信号。与R2*图比较，QSM图不仅仅可以清晰显示灰白质的对比，还可以将富含铁的深部灰质核团与周围组织显著分界，该发现与既往研究一致[13]。

1岁以前，QSM显示包括苍白球在内的深部灰质核团呈现均一的稍高信号，既往关于新生儿的研究也发现新生儿的双侧大脑半球深部灰质核团(尾状核、苍白球、壳核、丘脑)磁敏感性值无明显差别[14]。随年龄增长，内外苍白球逐渐出现分界，而在R2*图中无法显示。R2*图的对比并不仅仅来源于局部组织的磁敏感性，它受周围组织与目标组织磁敏感性叠加的影响，存在于周围具有磁敏感性组织的“阴影”之下。例如，R2*图中对比较弱的组织可能受到邻近空气-组织界面的干扰以及小儿脑水含量较高的影响。QSM经过了反卷积的方法校正，它可揭示局部组织真正的磁敏感性，并且具有了较高的分辨率和清晰度[15]。

3.2 脑深部灰质核团QSM磁敏感性值、R2*值与月龄的关系

本研究中，出生后1个月至1岁，每个深部灰质核团的R2*值均与月龄呈正相关性；但苍白球除外，QSM磁敏感性值与月龄并无显著关系。在脑组织中，主要的磁敏感对比来源于铁含量(包括血红素铁和非血红素铁)、钙、脂类和髓鞘含量[16]。在深部灰质核团中，磁敏感对比主要来源于局部的非血红素铁含量。在婴儿期，由于灰质核团的铁含量非常低，是否这个阶段R2*随月龄的增长变化确实来源于铁的增加仍然未知。R2*是R2和R2’的综合结果，其中仅有R2’可以特异地反映铁含量，而R2则对脑水含量较为敏感。研究表明[17]，在出生后1年内，脑水含量随月龄增加迅速减少，这一趋势与R2的增加呈一致的变化关系，这可能导致1岁以内R2值呈类似于铁含量的指数增加曲线趋势[12，17]。

既往关于QSM的研究均表明深部灰质核团顺磁性物质主要来源于铁的增加[8，11，18]。人尸检病理学已经证实即使局部脑组织的铁含量较低(铁含量近似于婴儿的区域)，QSM的磁敏感性依然与铁具有良好的线性相关性[19]。因此，在婴儿期QSM磁敏感性值随月龄无明显变化可能提示尾状核和壳核在早期脑铁增加并不显著，未能引起磁敏感性值的显著增加。在苍白球中，R2*与月龄的回归方程的斜率是2.0 5，稍高于既往研究的结果，提示可能因为苍白球的铁含量较高，铁对R2*值的贡献较水的减少趋势更大，故在QSM中观察到了同样的趋势。由于苍白球是运动、认知功能神经网络/通路的核心区域，婴儿期的语言和运动发展飞速，因此苍白球对铁的需要量增加以保证各项生理功能的需求[20]。

1岁以后，QSM的磁敏感性值与R2*值均与月龄和具有较高的相关性，并且前者的相关性更高，提示该阶段脑铁增加较快，而其对R2*值的贡献较水的减少占比例更高。幼儿期脑迅速的铁增加可能与广泛的髓鞘形成过程和神经递质能量代谢产生密切相关。在功能上，深部灰质核团受大量多巴胺能神经纤维的支配，并且参与高级别的运动、认知和情感过程。运动功能包括动机与运动行为控制，而认知功能包括适应行为，这些功能在幼儿期迅速发展，也都需要铁的参与[20-21]。并且，比起其他灰质核团，苍白球与月龄的相关性和斜率也是最高的，这一铁选择性聚集于脑某一特定区域的原因尚不清楚。作为神经网络和通路的功能区的核心部位，外侧苍白球调节着皮层和丘脑通过基底节区的信息传递[22]，并且存在许多神经环路从额叶皮层通过纹状体到内侧苍白球，再到丘脑，最后投射到额叶皮层[20]。因此，苍白球具有的重要生理功能也决定了它需要更多的铁来参与代谢，预示它可能在脑发育的早期快速的积累大量的铁来维持功能。

3.3 本研究的局限性

首先，手工的方法勾画ROI可能带有一定的主观性，全自动图像分割较手工画法更为客观，但因婴儿期脑水含量较高且铁含量较低，图像分割依赖于更清晰的脑结构的边界和与之匹配的脑模板[23]。其次，深部灰质核团内的髓鞘成分对QSM值和R2*值可能产生影响，本研究暂未采用针对于相关髓鞘发育的定量技术，仅观察了脑铁含量的随龄变化的可能趋势，髓鞘成分在其中的影响程度还需进一步探索。最后，结构的变化与功能的关系密切，也需要互相验证，因此今后的研究将把儿童脑生理性铁聚集与运动或认知评价和预后联系起来，以阐明脑铁变化的神经行为学意义。

综上所述，0～6岁儿童脑深部灰质核团QSM磁敏感性值及R2*值可反映随年龄增长不同的变化特点，但由于R2*值可能受到脑水含量的影响，QSM可能更适合评估该年龄段脑铁的随龄变化。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。