定量磁化率成像在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中應(yīng)用的研究進(jìn)展

謝 紅 余成新 李 博 陳 龍

(三峽大學(xué) 第一臨床醫(yī)學(xué)院[宜昌市中心人民醫(yī)院] 放射科， 湖北 宜昌 443003)

定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping，QSM)與磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging，SWI)是近年來引起人們廣泛關(guān)注的磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)技術(shù)。自20世紀(jì)末，SWI作為新興的磁敏感成像技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用于顱腦血管源性、腫瘤性、中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性、外傷性等臨床疾病[1]。QSM是SWI技術(shù)的改進(jìn)，也是利用MRI相位信息對磁敏感物質(zhì)進(jìn)行檢測并定量計算該物質(zhì)磁化率值，但是較SWI定量測量磁化率值更精確，對腦內(nèi)不同部位核團(tuán)的顯示比常規(guī)核磁技術(shù)更精細(xì)[2]。QSM已越來越多地應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，本文就QSM的簡單技術(shù)原理及在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究進(jìn)展作一綜述。

1 技術(shù)原理

QSM與SWI都是將忽略的相位信息運(yùn)用不同后處理方式成像的技術(shù)，且兩者對于局部磁場改變都非常敏感。SWI以T2*加權(quán)成像(T2*weighted imaging, T2*WI)的擾相梯度回波序列為基礎(chǔ)序列，得到幅度圖和相位圖，以高通濾波的方式將相位圖中大部分由于主磁場以及磁化率差異影響全局相位的低頻信息篩除，獲得相位蒙片后與幅度圖多次相乘最終利用薄層最小信號投影進(jìn)行三維重建成像。由于對SWI原始相位圖進(jìn)行處理時不僅將低頻信息去除，還將部分有用信息也篩除了，因此最終得到的圖像并不能準(zhǔn)確顯示組織磁化率的變化[3]。但是QSM有效地解決了這一問題。QSM主要采用復(fù)雜的諧波偽影去除法或偶極場投影法去除背景場，有效避免了有用信息被去除，因此QSM可以獲得更準(zhǔn)確的相位信息[4]。QSM是直接通過電磁場圖與磁化率之間的物理關(guān)系來反演出磁化率分布圖像，組織內(nèi)部磁化率圖像的重建是一個逆向的后處理過程[5]。QSM計算步驟簡單而言分三步：①相位解纏繞；②去除背景場；③特殊的算法重建出磁化率圖像(見圖1)。

圖1 QSM成像簡單流程圖

QSM對腦內(nèi)順磁性的鐵和抗磁性的髓鞘敏感，順磁性物質(zhì)顯示為白色高信號，抗磁性物質(zhì)則為黑色低信號。此外，QSM能精確定量測量組織磁化率值，為臨床疾病的診斷及進(jìn)展?fàn)顩r提供客觀指標(biāo)，這將為臨床疾病的診斷、治療帶來新的方案。

2 QSM在中樞神經(jīng)系統(tǒng)成像中的應(yīng)用

大腦內(nèi)含有的鐵和髓鞘分別具有順磁性和抗磁性，是主要的敏感性對比來源。腦內(nèi)深部核團(tuán)含鐵量不一樣，磁化率值也不一樣，鐵是深部灰質(zhì)磁化率的主要來源，可以用QSM進(jìn)行評估，而白質(zhì)不僅會受順磁性鐵濃度影響還會受抗磁性的髓鞘影響。因此，在白質(zhì)區(qū)域，QSM對鐵濃度測量的準(zhǔn)確度較深部灰質(zhì)低[6]。在7T場強(qiáng)下對人腦進(jìn)行高分辨率QSM，可提供良好的解剖學(xué)對比，尤其是深部灰質(zhì)核團(tuán)的顯示更優(yōu)越[7]。對于丘腦底核(subthalamic nucleus，STN)和內(nèi)部蒼白球(globus pallidus internus，GPI)圖像，QSM的圖像能夠可靠地定位GPI的邊界，優(yōu)于常規(guī)T1加權(quán)成像(T1 weighted imaging，T1WI)和T2加權(quán)成像(T2 weighted imaging，T2WI)，QSM圖像的定性評分也要高于常規(guī)核磁技術(shù)和SWI圖像[8]。此外，QSM上可以觀察到中央正中核(centromedian thalamic nucleus，CM)與周圍組織比較清晰的輪廓，但在T1WI和T2WI圖像上無法觀察到清晰的CM輪廓[9]?？傊?，相對于其他核磁成像技術(shù)，QSM對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)顯示更準(zhǔn)確，而且可以精確測量大腦感興趣區(qū)磁化率值，對于大腦成像具有獨(dú)特優(yōu)勢。

3 QSM在顱內(nèi)靜脈的顯示及血氧飽和度測量中的應(yīng)用

靜脈血中的順磁脫氧血紅蛋白是一種天然的核磁造影劑，利用靜脈血和動脈血之間微小的磁化率差異，可以顯示靜脈信息并制作成磁化率圖。在分辨率足夠高的情況下，磁化率圖可作為一種可視化靜脈和量化靜脈血氧飽和度(venous oxygen saturation，SvO2)的手段[10]。眾所周知，衰老、中風(fēng)和癡呆癥等疾病與血管的變化有關(guān)，高分辨率的磁化率圖可能會對這些疾病產(chǎn)生新的臨床價值，如何制作精良的磁化率圖是目前研究熱點(diǎn)[11]。Huck等[12]已經(jīng)在7T的場強(qiáng)下利用QSM對20名年輕健康志愿者進(jìn)行了靜脈血管定量成像，制成靜脈神經(jīng)圖譜。但是該技術(shù)只測量了較大的靜脈，而衰老和疾病較多發(fā)生在較小的靜脈中，如何制作分辨率更高的圖譜值得進(jìn)一步探索。最近研究證實，改良的QSM技術(shù)可以測量活體內(nèi)的SvO2，這將會給臨床部分疾病的病理生理改變、診斷、治療監(jiān)測提供新思路[13]。

4 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病中的應(yīng)用

在一些神經(jīng)退行性疾病中，如帕金森病(Parkinson's disease，PD)、亨廷頓舞蹈病(Huntington disease，HD)、阿爾茲海默癥(Alzheimer's disease，AD)，大腦中的鐵調(diào)節(jié)失調(diào)在神經(jīng)元死亡中起到了一定作用，為QSM在這些疾病中的應(yīng)用提供了病理基礎(chǔ)[14]。

4.1 QSM與PD

帕金森病是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，該病的發(fā)生與黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性死亡有關(guān)，然而引起這些神經(jīng)元變性死亡的具體原因還沒有明確。統(tǒng)一帕金森病評定量表運(yùn)動評分(The Unified Parkinson's Disease Rating Scale Motor Score, UPDRS)能幫助判定帕金森病的輕重程度，評估預(yù)后和治療效果。Ling等[15]對44例早期PD患者及35例性別和年齡相匹配的健康對照者的深部灰質(zhì)核團(tuán)進(jìn)行QSM檢查，發(fā)現(xiàn)在PD早期，使用QSM測得的大腦雙側(cè)SN磁化率與UPDRS呈正相關(guān)。此外，在PD患者中，黑質(zhì)(substantia nigra，SN)致密部會出現(xiàn)萎縮，對成像造成影響，而QSM解決了R2*映射和相位圖像定位不準(zhǔn)的問題，可以直觀測量SN致密部的磁化率值[16]。以上研究證明，QSM可在PD病變早期獲得敏感性較高的量化指標(biāo)，并克服了既往檢測方法受SN萎縮對圖像定位不清和定位不準(zhǔn)的問題，其應(yīng)用于PD的早期檢測和輔助診斷具有較高的應(yīng)用價值。

4.2 QSM與HD

HD是一種以舞蹈樣動作、精神異常、進(jìn)行性癡呆為典型癥狀的遺傳性疾病，病變部位主要累及基底節(jié)及大腦皮質(zhì)。在HD患者中，鐵代謝失調(diào)被認(rèn)為是普遍存在的，在基底節(jié)區(qū)，尤其是紋狀體可以表現(xiàn)出較高的鐵沉積，水平升高可通過增強(qiáng)自由基促進(jìn)氧化應(yīng)激而導(dǎo)致神經(jīng)元受損[17]。QSM測量可發(fā)現(xiàn)HD患者在蒼白球、殼核和尾狀核中的鐵含量均明顯高于正常人，此外殼核和尾狀核中鐵的積累與疾病的嚴(yán)重程度顯著相關(guān)，這些發(fā)現(xiàn)為HD生物標(biāo)志物的開發(fā)提供了新思路[18]。

4.3 QSM與AD

AD是一種認(rèn)知功能下降、行為障礙，最終導(dǎo)致自理能力喪失的神經(jīng)退行性疾病。在AD患者中，海馬萎縮可以幫助診斷AD。雖然可以通過常規(guī)核磁序列圖像直接反映海馬的大小，但是其診斷具有主觀性，如何用客觀的指標(biāo)診斷AD需要進(jìn)一步研究。目前已有研究證明，在AD患者中QSM測量殼核的磁化率值差異統(tǒng)計效應(yīng)與海馬萎縮的統(tǒng)計效應(yīng)相似，即利用QSM測量AD患者殼核的磁化率值也可以幫助診斷AD[19]。

5 在多發(fā)性硬化中的應(yīng)用

多發(fā)性硬化癥(multiple sclerosis，MS)主要特點(diǎn)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)白質(zhì)炎性脫髓鞘。MS的基底節(jié)區(qū)鐵蓄積與疾病進(jìn)展有關(guān)，并與腦形態(tài)學(xué)損害程度相關(guān)。在T2WI圖像上，水腫、白質(zhì)脫髓鞘、炎性病變都可顯示為高信號，因此其診斷MS的特異性較低。龍柳等[20]利用QSM和高分辨率的T2WI分別對26例MS患者進(jìn)行顱腦核磁檢查，發(fā)現(xiàn)QSM聯(lián)合高分辨率T2WI可以提高M(jìn)S病灶檢測的特異性，這為臨床診斷MS提供了新方法。Hagemeier等[21]使用QSM對MS患者進(jìn)行兩年多的縱向研究，發(fā)現(xiàn)在任一時間點(diǎn)，MS患者在尾狀核和蒼白球的磁化率明顯較高，而在丘腦的磁化率較低，提示MS可同時發(fā)生多種病理改變，即同時發(fā)生鐵沉積和脫髓鞘，并且后期會出現(xiàn)鐵耗竭和鈣沉積。Zivadinov等[22]將600名MS患者和250名年齡和性別匹配的健康對照者進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn) QSM可檢測到腦深部灰質(zhì)的鐵改變，這與MS的病情進(jìn)展和殘疾率增加有關(guān)。因此，可以利用QSM測量MS患者腦深部灰質(zhì)磁化率值監(jiān)測MS患者的病情進(jìn)展?？傊琎SM不僅可以聯(lián)合高分辨率T2WI提高M(jìn)S病灶檢測的特異性，還可隨時間縱向觀察MS患者深部灰質(zhì)的磁化率，監(jiān)測病情進(jìn)展。

6 QSM在大腦出血中的應(yīng)用

腦出血隨著時間的延遲其成分會發(fā)生變化，氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、正鐵血紅蛋白、含鐵血黃素等不同的血液成分在T1WI和T2WI上表現(xiàn)的信號不同，但在QSM上任意階段的出血都是高信號[23]。而且，利用QSM對顱內(nèi)出血做縱向時間檢查，發(fā)現(xiàn)顱內(nèi)出血的不同階段磁化率并不同。腦出血磁化率在d 2～d 7和d 7～d 30之間顯著降低，QSM可能有助于定量跟蹤顱內(nèi)出血的鐵含量[24]。雖然CT對顱骨骨折和腦出血有很高價值，但是MRI對腦內(nèi)小出血性病變的診斷優(yōu)于CT，QSM還可以區(qū)分創(chuàng)傷性腦損傷和周圍組織及靜脈[25]。此外，常規(guī)核磁掃描序列難以區(qū)分顱內(nèi)出血和鈣化，而QSM顯示鈣化為低信號，出血為高信號。因此，QSM在鑒別顱內(nèi)鈣化和出血方面具有較高的特異性。Ciraci等[26]研究發(fā)現(xiàn)，QSM較SWI相位圖對兒童顱內(nèi)鈣化和出血的診斷更為可靠?？傊?，QSM不僅可以通過測量腦出血不同時期的磁化率值跟蹤顱內(nèi)出血的鐵含量，還可以用來鑒別腦出血和鈣化。

7 QSM在神經(jīng)腫瘤學(xué)中的應(yīng)用

侵襲性腫瘤往往有快速生長的血管和多發(fā)性微出血灶，良性腫瘤由于細(xì)胞凋亡會導(dǎo)致鈣化，檢測腫瘤內(nèi)的這些特征可以為腫瘤的良惡性提供鑒別依據(jù)，也可以監(jiān)測其治療效果。Zhang等[27]利用QSM和SWI、腫瘤邊界、腫瘤大小、腫瘤部位等指標(biāo)對129例腦膜瘤進(jìn)行高、低級別分級，發(fā)現(xiàn)雖然單獨(dú)使用SWI和QSM均不能區(qū)分低級別腦膜瘤和高級別腦膜瘤，但結(jié)合其他指標(biāo)可以幫助預(yù)測高級別腦膜瘤。Bandt等[28]發(fā)現(xiàn)QSM不僅可以用于描述腫瘤成分，還可以指導(dǎo)腫瘤切除范圍，并且對于腫瘤良惡性有鑒別診斷作用?？傊?，QSM在腫瘤中的應(yīng)用不僅在于分析腫瘤成分、性質(zhì)，對其治療也有幫助。

8 總結(jié)與展望

QSM對于大腦細(xì)微結(jié)構(gòu)的顯示優(yōu)于常規(guī)核磁掃描序列以及常規(guī)SWI，可以清晰顯示大腦小靜脈以及測量其血氧飽和度，對一些神經(jīng)退行性疾病的診斷和病情進(jìn)展情況的監(jiān)測也有良好的應(yīng)用價值，在大腦出血、神經(jīng)腫瘤學(xué)中的作用也取得了不錯的效果。隨著對QSM技術(shù)的改進(jìn)以及對更多中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病病理生理的了解，QSM在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用前景仍值得期待。