定量磁化率成像评估脑部钆沉积

张 静，余成新

(三峡大学第一临床医学院 宜昌市中心人民医院放射科，湖北 宜昌 443000)

钆对比剂(gadolinium-based contrast agent, GBCA)是含顺磁性金属钆离子(Gd3+)的螯合物，可通过增加T1WI信号强度(signal intensity, SI)而提高病灶与正常组织间的对比度，并可显示病灶血流动力学特征，进而检出平扫MRI或其他成像方式不能发现或定性的病灶，近年来应用日趋广泛。钆属于镧系重金属稀土元素，游离钆离子对人体有一定毒性；游离钆离子与螯合配体结合形成稳定的螯合物即GBCA，有助于防止钆于组织中沉积[1]。定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping, QSM)可检测钆沉积。本文对QSM检测脑部钆沉积研究进展进行综述。

1 GBCA概述

根据不同结构，GBCA可分为线形与大环形或非离子型与离子型。常见线形GBCA包括钆喷酸葡胺(Gd-DTPA)和钆贝葡胺(Gd-BOPTA)等；常见大环形GBCA包括钆特酸葡胺(Gd-DOTA)、钆布醇(Gd-BT-DO3A)及钆特醇(Gd-HP-DO3A)等。

GBCA的稳定性取决于其分子结构，对此可从热力学及动力学两方面进行评价[2]。相同条件下，大环形GBCA的动力学稳定常数明显大于线形，故大环形GBCA的动力学稳定性高于线形GBCA[3]；离子型GBCA的稳定性一般较非离子型GBCA更高。

尽管GBCA安全性较高，但亦有致肾源性系统性纤维化(nephrogenic systemic fibrosis, NSF)风险。NSF为罕见致命性全身性疾病，以广泛组织纤维化为主要特征，晚期NSF可引起内脏多器官纤维化，最终导致死亡。研究[4]表明，NSF与患者应用GBCA史存在联系，在NSF患者的皮肤及其他器官组织中可检测到钆元素。GBCA解离对于NSF的发生、发展具有核心作用[5]。

2 脑部钆沉积机制

近年来，颅脑增强MR检查常以GBCA作为对比剂；患者多次接受GBCA后，可于其脑部检出钆沉积。目前脑部钆沉积的机制尚未完全明确，但有证据表明，脑脊液中的GBCA可通过血脑脊液屏障(blood-cerebrospinal fluid barrier,BCB)进入脑组织。BERGER等[6]采用电感耦合等离子体质谱检测50例接受增强MR检查患者的脑脊液样本，发现可在给予钆特酸葡胺后8 h采集的样本中检测到较高浓度的钆沉积[(1 152.00±734.60)ng/ml]。NEHRA等[7-8]的研究结果也证实静脉注射钆布醇可致脑脊液内钆沉积。

脑脊液与间质液的交换系统被称为类淋巴系统；血管周围间隙(perivascular space, PVS)是类淋巴系统的门户。有学者[9]认为类淋巴系统可能是GBCA进入脑组织的途径之一，即钆可能沉积于自PVS到类淋巴系统的间质中。TAOKA等[10]报道，静脉注射GBCA后4 h可见PVS强化，进一步证实了类淋巴系统是GBCA进入脑组织的途径之一。

3 脑部钆沉积与GBCA类型的关系

注射线形或大环形GBCA后，脑组织中可见微量钆离子沉积，线形GBCA沉积量较多，而大环形沉积极少[11-15]。KOBAYASHI等[11]针对28具注射过钆特醇的尸体和9具注射过钆贝葡胺的尸体进行研究，尸检结果显示，注射钆贝葡胺后脑内钆沉积量是注射钆特醇的3.0～6.5倍。ROWE等[12]报道，多次注射线形GBCA后，MR T1WI显示脑部苍白球(globus pallidus, GP)和齿状核(dentate nucleus, DN)的SI增加，但注入相同剂量大环形GBCA后SI增加并不明显。动物实验研究[13]表明，大环形GBCA与较低水平的钆沉积相关;注射大环形GBCA后，大鼠颅脑T1WI仅见DN的SI轻微增加。YOO等[14-15]发现，注射大环形GBCA后，脑部T1WI可见GP或DN的SI仅有微量增加。OLCHOWY等[16]指出，线形GBCA注射次数越多， T1WI上DN和GP的SI越高。

4 QSM评价脑部钆沉积

QSM是采用梯度回波相位成像定量检测组织磁化率的技术；脑组织中含有铁、钆等顺磁性物质时，其磁敏感率增加，导致磁化率值升高[17-18]。

CHOI等[19]回顾性分析既往接受多次大环形GBCA注射者的脑部QSM和T1WI，发现QSM可显示细微的脑组织磁化率变化，且GP磁化率增加与注射GBCA次数呈正相关，而基于T1WI分析未发现注射次数与GP和DN的SI有关，提示QSM评价脑部环形钆沉积较T1WI更具优势。

4.1 QSM基本原理 QSM与磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging, SWI)[20]均为相位对比增强成像技术，反映不同组织间磁敏感性的差异。通过检测组织磁敏感性差异，SWI有助于识别磁化率为负的物质(如钙化)、高顺磁性物质(如出血)或顺磁性外源性对比剂(如GBCA)，还可提供有关铁含量、髓磷脂含量及静脉血氧饱和度等信息；并可联合幅度、相位等信息显示组织磁场变化。QSM则能量化潜在的磁敏感性，其结果受人为因素影响相对较小，可用于监测潜在疾病进展。

SWI描述磁场的不均匀性变化，延伸到ROI之外的边缘区域时，可形成依赖于组织几何形状和方向的“开花”伪影；QSM则可通过直接显示与外部场无关的底层材料属性而消除上述影响，但需进行一系列步骤加以后处理[21]。

4.2 QSM后处理步骤 QSM后处理包括梯度回波采集、相位解缠绕、去除背景场和磁化率反演4个步骤[22]。多回波梯度回波采集多采用最小二乘算法。相位解缠绕即展开存在缠绕现象的相位数据，较常用算法有拉普拉斯算法和区域生长法[23]。去除背景场指消除ROI以外的场强产生的伪影，常用方法包括偶极场投影法[24]、复杂谐波伪影减少算法[25]及拉普拉斯边值法；偶极场投影法应用较多，虽可致出现一些较小的边界伪影，但在ROI内表现良好。磁化率反演指对局部组织场进行去卷积，以获得磁化率值。多方位采样计算磁化率[26]为获得磁化率的金标准，但要求至少采样3个方向的数据，较为繁琐，使其临床应用受限。目前较常用于评价磁化率的算法是偶极子反演算法[27]，该算法能进一步改善图像质量，且添加Tikhonov正则化项后，可利用先验信息最小化条纹伪影，减少去除背景场的步骤。正确选择正则化参数可充分抑制伪影，使磁化率图像更为平滑，以获得最佳磁化率值[26,28]。

4.3 QSM测量脑部钆沉积 采用QSM定量测量磁化率可反映钆沉积；磁化率与顺磁性物质浓度之间存在相关性[29]。

4.3.1 QSM测量脑部线形钆沉积 HINODA等[30]观察48例多次使用线形GBCA的脑肿瘤患者(GBCA组)和48例未使用GBCA者(非GBCA组)，测量QSM所示DN磁化率值和T1WI所示DN与脑桥的SI比值(即T1比值)，分析GBCA组内GBCA给药次数与磁化率值及T1比值的关系，发现GBCA组DN的磁化率值为(0.107±0.029)ppm，显著高于非GBCA组 [(0.079±0.025)ppm,P<0.000 1]；GBCA组T1比值为1.059±0.070，显著高于非GBCA组的0.993±0.016(P<0.000 1)；GBCA组磁化率值与线形GBCA给药次数呈显著正相关，T1比值与线形GBCA给药次数亦呈正相关[31]。

4.3.2 QSM测量脑部大环形钆沉积 多项研究[14，32]观察多次注射大环形GBCA(钆布醇)对深部灰质SI的影响，所获结果各不相同。YOO等[14]在多次注射钆布醇的患者脑部T1WI中未发现DN或GP的SI增加。而另一项基于T1WI评估钆沉积的研究[32]结果显示，多次注射钆布醇者GP的T1弛豫时间短于未注射钆布醇等对比剂者。作为一项定量测量组织磁化率的技术，QSM测量组织磁化率值以ppb(1/10亿)为单位[33]。CHOI等[19]以QSM与T1WI对比观察90例平均接受8次钆布醇注射受检者的脑部钆沉积与钆布醇剂量之间的关系，结果显示DN与GP的磁化率值与注射钆布醇的次数呈正相关，每次注射钆布醇后，GP磁化率值平均增加1.4 ppb，而T1WI所见SI变化并不明显。上述研究结果证实大环形GBCA可在脑部沉积，同时表明QSM非侵入性定量检测大脑中微量钆沉积的效果优于T1WI。

CHOI等[19]报道，广义估计方程显示，大环形GBCA在DN沉积的磁化率增加量约为GP沉积的50%。相反，ZHANG等[34]的研究结果显示，T1WI所示线形GBCA在DN的沉积是GP的2倍以上。结果不同的原因可能在于上述两类GBCA沉积机制不同，未来可采用QSM进一步探讨不同类型GBCA沉积模式和沉积机制差异。

综上所述，QSM检测GBCA，尤其大环形GBCA脑内沉积的效果较好。未来可进一步改进QSM技术，在提高钆沉积检测敏感性基础上减少GBCA用量，以降低NSF风险。