MRI单次激发FSE序列评价胎儿脑沟发育的可行性

夏薇,周婧,郭豫,邵剑波

胎儿脑部的发育过程遵循由简单到复杂的模式,胎儿脑沟的发育也是如此。脑沟的形成自胎儿在宫内的第2个月起开始,一直持续到分娩甚至出生后。初级脑沟首先出现,由表浅的凹陷逐渐加深,之后变得曲折并衍生出侧枝,即次级脑沟。次级脑沟继续发展侧枝,形成三级脑沟[1]。脑沟的发育极其复杂,而脑沟的显示是其中一个重要的参考指标。脑沟出现的时间是评价胎龄的可靠指标,是胎儿脑发育水平的重要指标,具有里程碑式的意义。评价脑沟发育的金标准是神经解剖学检查,但是在实际工作中很难实现[2]。在产前精确评价脑沟的发育水平,不仅有助于判断胎儿的胎龄,同时有助于早期发现胎儿神经元移行异常疾病。有研究中利用超声评价胎儿的脑沟发育,但是超声所获得的切面与操作手法有关,不同医师间的一致性较差[3]。随着高场强MRI在胎儿中的应用逐渐广泛,更高的信噪比和分辨率使胎儿脑沟得以更好地被观察到。MRI在胎儿脑部显示方面的优势已得到了广泛的认可,已有研究者借助人工智能技术来识别胎儿的脑沟回从而辅助判断胎儿孕周,但由于胎儿MRI数据量有限,其结果的鲁棒性差、泛化能力弱,尚无法应用于临床[4]。同时由于基于人工智能技术所获得的结果缺乏可解释性,难以应用于临床场景[5]。我们研究的目的是利用单次激发快速自旋回波序列MRI细致评价不同孕周胎儿脑沟的发育,为准确评估胎儿脑沟发育提供参考数据,也为产前咨询提供依据。

材料与方法

1.病例选择

回顾性选取2018年3月-2021年5月在本院行MRI检查的203例胎龄22～38周的单胎妊娠胎儿作为研究对象。所有孕妇检查前签署了知情同意书,研究方案得到了武汉儿童医院伦理委员会的批准(2021R088-E01)。所有胎儿的临床孕周根据孕妇末次月经时间计算,并与早孕期超声根据顶臀长计算所得超声孕周一致。胎儿MRI检查由妇产科医师根据不同原因提出申请,如胎儿体位不佳、羊水异常、胎盘位置异常和透明隔显示不清等。所有胎儿的颅脑MRI检查结果正常。新生儿在分娩时、出生后1、3和/或6个月时的生长发育常规体检中未发现明显异常。

2.MRI检查方法

使用GE Discovery MR750或Philips Ingenia CX 3.0T磁共振仪和体部相控阵线圈。对脑沟的评价均在单次激发FSE序列T2WI图像上进行:使用GE磁共振仪扫描时采用的是半傅立叶采集单次激发短时自旋回波(half-fourier-acquired single-shot turbo spin echo,HASTE)序列,扫描参数:TE 100 ms,TR 3000 ms,激励次数1,层厚4 mm,视野480 mm×480 mm,矩阵384×288;Philips磁共振仪上采用的是单次激发短时自旋回波(single-shot turbo spin echo,SSh-TSE)序列,扫描参数:TE 90 ms,TR 800 ms,激励次数1,层厚4 mm,视野300 mm×300 mm,矩阵260×222。

胎儿的常规检查序列还包括颅脑横轴面T1WI和DWI。GE设备的T1WI扫描参数:TE 3.4 ms,TR 130 ms,激励次数1,层厚4 mm,视野480 mm×480 mm,矩阵160×288;GE设备DWI扫描参数:TE 70 ms,TR 3000 ms,层厚4 mm,视野360 mm×360 mm,矩阵128×130,b值为50和800 s/mm2;Philips设备T1WI扫描参数:TE 2.3 ms,TR 290 s,激励次数1,层厚4 mm,视野250 mm×250 mm,矩阵168×156;Philips设备DWI扫描参数:TE 56 ms,TR 1132 ms,层厚4 mm,视野300 mm×395 mm,矩阵100×129,b值为50和800 s/mm2。总扫描检查时间不超过30 min,不使用镇静药物。

3.图像分析

由经验丰富的1位高年资主治医师及1位主任医师在FSE序列T2WI图像上对胎儿脑沟进行评价,两者达成一致意见后给出结论。对胎儿脑沟的评价在胎儿脑部的3个正交切面上进行,定位方法:矢状面的定位线平行于脑干,其中正中矢状位可以显示胼胝体、中脑导水管及垂体;冠状面平行于脑干,两侧可对称显示内耳结构;横轴面则垂直于脑干,平行于胼胝体体部,两侧对称[6]。评价脑沟的影像层面如图1～16所示,包括半球间裂、外侧裂、顶枕沟、海马裂、胼胝体沟、距状裂、扣带沟、边缘沟、中央沟、中央前沟、中央后沟、顶内沟、侧副沟、颞上沟、颞下沟、枕颞沟、额上沟、额下沟、次级扣带沟、岛沟和次级枕沟。脑表面任一侧或双侧出现可以识别的凹陷即认为脑沟可见[7]。记录在不同孕周时各沟回出现者的例数和占比。在每个孕周统计各个脑沟回的可见率,分为25%～75%可见、>75%可见和100%可见。

图1 孕22周胎儿脑部冠状面T2WI,可见半球间裂(长箭)和距状裂(短箭)。

结 果

所有胎儿进行MRI检查时的胎龄分布如图17所示,并根据胎龄进行分组。

图17 203例胎儿的孕周分布。

各脑沟在不同孕周时可见的百分比详见表1。

表1 高场MRI脑沟发育时间表 /孕周

22孕周时,半球间裂、外侧裂、顶枕沟、海马裂、胼胝体沟及距状裂均为100%可见。在23周时,57%的扣带沟、35%的边缘沟及26%的侧副沟可被识别;其中,扣带沟在24周时100%可见,边缘沟在25周时89%可见,侧副沟在25周时78%可见,后两者在26周时100%可见。75%的中央沟和30%的额上沟在24周时可见,在25周时可见百分比分别增高至89%和78%,在26周时均100%可见。中央前沟(56%)、中央后沟(44%)、顶内沟(56%)和颞上沟(44%)均在25周时可见;至26周时,中央前沟和顶内沟100%可见,中央后沟及颞上沟75%可见;颞上沟在27周时100%可见,中央后沟在28周时100%可见。额下沟在26周时25%可见,27周时90%可见,在29周时100%可见。29周时35%的颞下沟和39%的枕颞沟可见;在31周时两者的可见百分比分别升高至94%和82%;在33周时两者均100%可见。在31周时,次级扣带沟88%可见,次级枕沟47%可见;32周时,两者的可见百分比分别升高至93%和87%;33周时,两者均100%可见。岛沟出现最晚,33周时68%可见,34周时100%可见。

讨 论

超声是评价胎儿宫内发育情况的一线检查方法,在早孕期可以通过测量胎儿的顶臀长来估算相应的超声孕周,并可与临床孕周进行对比,其在早孕期确定孕周具有很高的可信度[8]。在中晚孕期,超声测量的双顶径、头围等指标可以反映胎儿颅脑的宫内发育水平,但是随着孕周的进展,其稳定性较差[9-10]。为此,有必要寻找一种可靠的反映宫内胎儿颅脑发育情况的标志物,以更准确地判断胎儿颅脑的发育水平。既往神经解剖学研究发现,胎儿脑沟回的出现时间比较稳定,可以作为判断胎儿颅脑发育水平的标志物[11]。此外,脑沟的发育与许多疾病状态有关联,如神经元移行异常相关疾病等,因此准确判断胎儿脑沟发育情况是辅助疾病诊断及预后的重要参考信息[12-17]。超声作为一线产前影像检查手段,在尝试评价胎儿脑沟回方面做出了很多尝试[18-21]。尽管目前超声的图像质量已明显改善,但是其应用仍具有局限性:其对胎儿脑沟的显示在很大程度上基于超声医师的测量手法,其扇形束的切面对胎儿脑沟的显示难以与解剖结果相对照;同时由于颅骨声影的影响和扫描切面的受限,超声对脑沟的显示不全面、不系统;在胎头入盆、羊水过少及母体肥胖等情况下,超声难以满意地显示胎儿颅脑的结构,更无法评价脑沟。上述原因使得超声在产前评价胎儿脑沟发育方面的应用受到限制[22-25]。

MRI在胎儿颅脑显示和评价方面的优势已得到了很多研究的证实[26-28]。MRI可以实现标准正交切面的多平面成像,使其可以与神经解剖的结果互为验证。同时MRI不受胎儿头部位置、羊水量及母体体型的影响,在脑脊液的衬托下可以很好地显示胎儿脑表面的结构。有研究基于胎儿尸体MRI检查来评价脑沟回的发育情况[29],还有研究者是基于早产儿颅脑MRI[30],但是现有研究认为健康胎儿和早产儿的脑沟回发育轨迹并不一致[31]。还有的研究仅对某一脑沟进行研究,未能系统评价胎儿脑沟的发育情况[32]。现有的利用人工智能辅助评价胎儿脑沟发育的研究中,由于各个孕周的胎儿MRI数据量十分有限,因此其结果的鲁棒性差、泛化能力弱,无法应用于临床。同时由于基于人工智能技术所获得的结果缺乏可解释性,如无法说明其模型得出的结论是基于胎儿脑沟的发育,致其难以应用于临床场景[4-5]。本研究中总结了胎儿脑沟出现的孕周,可以为今后人工智能的特征标注提供参考,提高其结果的可信度及可解释性。

本研究基于胎儿脑部3个正交切面,如本文中图1～16所示,不同平面对不同脑沟的显示各有优劣,综合分析3个正交平面的图像,可以更全面、准确地评价各个脑沟的发育情况,减少分析结果的偏倚。冠状面图像可以较好地显示半球间裂、外侧裂、海马裂、胼胝体沟、距状裂、扣带沟、顶内沟、侧副沟、颞上沟、颞下沟、枕颞沟、额上沟、额下沟和岛沟,矢状面图像对顶枕沟、中央沟、中央前沟、中央后沟、次级扣带沟和次级枕沟的显示较好,而横轴面图像则可以用来观察半球间裂、外侧裂、边缘沟、中央沟、中央前沟、中央后沟、岛沟和次级枕沟。三个平面都有其不可替代的作用,同时可以互为补充、相互验证。同时,胎儿MRI可以无创性地在体观察胎儿脑部的真实形态,相较需要对脑组织进行制片等处理流程的神经解剖学检查而言,能更真实地反映胎儿脑沟的发育情况。这是因为神经解剖学制备标本的过程需要进行脱水、固定和切片等,脑组织在这个过程中会发生萎缩和变形,因此这种方法并不能真实反映活体脑沟的状态。既往有研究者利用0.5T MR脑部图像(层厚5mm)评价胎儿的脑沟发育,发现MRI上显示额上沟、额下沟、枕颞沟、次级扣带沟、次级枕沟和岛沟的时间就早于神经解剖学检查[33],说明MRI相较传统的神经解剖方法能更真实地反映脑沟的发育。我们的研究结果也显示,产前MRI可以更早地显示额上沟、顶内沟、额下沟、颞下沟、枕颞沟、次级扣带沟、次级枕沟和岛沟。同时,本研究中很多脑沟的可见时间较之前的研究中观察到的时间提前了1～2周,这可能是由于高场强MRI在保证了高信噪比的前提下采集速度更快,使得在进行胎儿脑部成像时可以选用更薄的层厚[7]。

本研究存在一定的局限性:首先,在评价时未考虑脑沟发育的偏侧性优势,而脑沟的发育双侧并不一致[34],脑沟发育的偏侧优势及意义尚需更大样本量的研究进行验证;第二,本研究中也未考虑胎儿的性别因素,但是既往有研究证实不同性别间脑沟的发育无明显差异[35];第三,神经元移行异常会影响对胎儿脑沟显示的判断,因此我们选择由具有多年胎儿MRI诊断经验的高年资影像专家对图像进行判读,同时回顾胎儿出生后的常规体检资料,仅纳入体检结果正常的胎儿,以尽可能地排除神经元移行异常的可能;第四,本研究结果未能获得解剖学的验证,但是既往研究表明,MRI可以实现解剖级别的成像,并且不受标本处理的影响,能更真实地反映活体状态[36];最后,本研究中样本量尚有限,且胎儿MRI多是在超声筛查后为进一步明确诊断而进行的[37],因此纳入研究的胎儿的孕龄主要集中于23～24孕周(超声大排畸)和29～30孕周(超声小排畸),各孕周患儿的数量差异比较大,可能存在样本选择偏倚,而且为了尽力保证纳入的对象是健康胎儿,排除了产前检查发现异常或出生后体检不正常的胎儿,总之我们将在今后的工作中进一步扩充样本量进行更深入地研究。

本研究描述了自22周起至38周孕期每周脑沟的发育,为利用MRI评价脑沟发育提供了基础数据。在孕34周时,所有初级脑沟及部分次级脑沟均可以显示,因此,我们建议可以利用MRI单次激发FSE序列在22～34孕周进行MRI扫描来评价胎儿脑沟的发育情况。鉴于个体发育的差异性,我们提供了脑沟在不同孕周可见的百分数,并大致分为3个类别,包括25%～75%,大于75%且<100%和100%。在临床应用时,我们建议以100%可见孕周作为发育延迟的标准,75%可见孕周作为随访的标准,而25%～75%可见孕周反映了个体发育的差异性。

总之,我们的研究提供了基于高场强MRI的22～38孕周胎儿每周胎儿脑沟发育的数据,证实了胎儿脑沟发育遵循一定的时间顺序,并且是可以评价和预测的。MRI单次激发快速自旋回波序列能够提供清晰的对比度,可以在产前无创性显示宫内胎儿脑沟的发育情况,是评价胎儿脑发育的一种有价值的方法。