MRI單次激發(fā)FSE序列評價胎兒腦溝發(fā)育的可行性

夏薇,周婧,郭豫,邵劍波

胎兒腦部的發(fā)育過程遵循由簡單到復雜的模式,胎兒腦溝的發(fā)育也是如此。腦溝的形成自胎兒在宮內的第2個月起開始,一直持續(xù)到分娩甚至出生后。初級腦溝首先出現(xiàn),由表淺的凹陷逐漸加深,之后變得曲折并衍生出側枝,即次級腦溝。次級腦溝繼續(xù)發(fā)展側枝,形成三級腦溝[1]。腦溝的發(fā)育極其復雜,而腦溝的顯示是其中一個重要的參考指標。腦溝出現(xiàn)的時間是評價胎齡的可靠指標,是胎兒腦發(fā)育水平的重要指標,具有里程碑式的意義。評價腦溝發(fā)育的金標準是神經(jīng)解剖學檢查,但是在實際工作中很難實現(xiàn)[2]。在產(chǎn)前精確評價腦溝的發(fā)育水平,不僅有助于判斷胎兒的胎齡,同時有助于早期發(fā)現(xiàn)胎兒神經(jīng)元移行異常疾病。有研究中利用超聲評價胎兒的腦溝發(fā)育,但是超聲所獲得的切面與操作手法有關,不同醫(yī)師間的一致性較差[3]。隨著高場強MRI在胎兒中的應用逐漸廣泛,更高的信噪比和分辨率使胎兒腦溝得以更好地被觀察到。MRI在胎兒腦部顯示方面的優(yōu)勢已得到了廣泛的認可,已有研究者借助人工智能技術來識別胎兒的腦溝回從而輔助判斷胎兒孕周,但由于胎兒MRI數(shù)據(jù)量有限,其結果的魯棒性差、泛化能力弱,尚無法應用于臨床[4]。同時由于基于人工智能技術所獲得的結果缺乏可解釋性,難以應用于臨床場景[5]。我們研究的目的是利用單次激發(fā)快速自旋回波序列MRI細致評價不同孕周胎兒腦溝的發(fā)育,為準確評估胎兒腦溝發(fā)育提供參考數(shù)據(jù),也為產(chǎn)前咨詢提供依據(jù)。

材料與方法

1.病例選擇

回顧性選取2018年3月-2021年5月在本院行MRI檢查的203例胎齡22～38周的單胎妊娠胎兒作為研究對象。所有孕婦檢查前簽署了知情同意書,研究方案得到了武漢兒童醫(yī)院倫理委員會的批準(2021R088-E01)。所有胎兒的臨床孕周根據(jù)孕婦末次月經(jīng)時間計算,并與早孕期超聲根據(jù)頂臀長計算所得超聲孕周一致。胎兒MRI檢查由婦產(chǎn)科醫(yī)師根據(jù)不同原因提出申請,如胎兒體位不佳、羊水異常、胎盤位置異常和透明隔顯示不清等。所有胎兒的顱腦MRI檢查結果正常。新生兒在分娩時、出生后1、3和/或6個月時的生長發(fā)育常規(guī)體檢中未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

2.MRI檢查方法

使用GE Discovery MR750或Philips Ingenia CX 3.0T磁共振儀和體部相控陣線圈。對腦溝的評價均在單次激發(fā)FSE序列T2WI圖像上進行:使用GE磁共振儀掃描時采用的是半傅立葉采集單次激發(fā)短時自旋回波(half-fourier-acquired single-shot turbo spin echo,HASTE)序列,掃描參數(shù):TE 100 ms,TR 3000 ms,激勵次數(shù)1,層厚4 mm,視野480 mm×480 mm,矩陣384×288;Philips磁共振儀上采用的是單次激發(fā)短時自旋回波(single-shot turbo spin echo,SSh-TSE)序列,掃描參數(shù):TE 90 ms,TR 800 ms,激勵次數(shù)1,層厚4 mm,視野300 mm×300 mm,矩陣260×222。

胎兒的常規(guī)檢查序列還包括顱腦橫軸面T1WI和DWI。GE設備的T1WI掃描參數(shù):TE 3.4 ms,TR 130 ms,激勵次數(shù)1,層厚4 mm,視野480 mm×480 mm,矩陣160×288;GE設備DWI掃描參數(shù):TE 70 ms,TR 3000 ms,層厚4 mm,視野360 mm×360 mm,矩陣128×130,b值為50和800 s/mm2;Philips設備T1WI掃描參數(shù):TE 2.3 ms,TR 290 s,激勵次數(shù)1,層厚4 mm,視野250 mm×250 mm,矩陣168×156;Philips設備DWI掃描參數(shù):TE 56 ms,TR 1132 ms,層厚4 mm,視野300 mm×395 mm,矩陣100×129,b值為50和800 s/mm2?？倰呙铏z查時間不超過30 min,不使用鎮(zhèn)靜藥物。

3.圖像分析

由經(jīng)驗豐富的1位高年資主治醫(yī)師及1位主任醫(yī)師在FSE序列T2WI圖像上對胎兒腦溝進行評價,兩者達成一致意見后給出結論。對胎兒腦溝的評價在胎兒腦部的3個正交切面上進行,定位方法:矢狀面的定位線平行于腦干,其中正中矢狀位可以顯示胼胝體、中腦導水管及垂體;冠狀面平行于腦干,兩側可對稱顯示內耳結構;橫軸面則垂直于腦干,平行于胼胝體體部,兩側對稱[6]。評價腦溝的影像層面如圖1～16所示,包括半球間裂、外側裂、頂枕溝、海馬裂、胼胝體溝、距狀裂、扣帶溝、邊緣溝、中央溝、中央前溝、中央后溝、頂內溝、側副溝、顳上溝、顳下溝、枕顳溝、額上溝、額下溝、次級扣帶溝、島溝和次級枕溝。腦表面任一側或雙側出現(xiàn)可以識別的凹陷即認為腦溝可見[7]。記錄在不同孕周時各溝回出現(xiàn)者的例數(shù)和占比。在每個孕周統(tǒng)計各個腦溝回的可見率,分為25%～75%可見、>75%可見和100%可見。

圖1 孕22周胎兒腦部冠狀面T2WI,可見半球間裂(長箭)和距狀裂(短箭)。

結 果

所有胎兒進行MRI檢查時的胎齡分布如圖17所示,并根據(jù)胎齡進行分組。

圖17 203例胎兒的孕周分布。

各腦溝在不同孕周時可見的百分比詳見表1。

表1 高場MRI腦溝發(fā)育時間表 /孕周

22孕周時,半球間裂、外側裂、頂枕溝、海馬裂、胼胝體溝及距狀裂均為100%可見。在23周時,57%的扣帶溝、35%的邊緣溝及26%的側副溝可被識別;其中,扣帶溝在24周時100%可見,邊緣溝在25周時89%可見,側副溝在25周時78%可見,后兩者在26周時100%可見。75%的中央溝和30%的額上溝在24周時可見,在25周時可見百分比分別增高至89%和78%,在26周時均100%可見。中央前溝(56%)、中央后溝(44%)、頂內溝(56%)和顳上溝(44%)均在25周時可見;至26周時,中央前溝和頂內溝100%可見,中央后溝及顳上溝75%可見;顳上溝在27周時100%可見,中央后溝在28周時100%可見。額下溝在26周時25%可見,27周時90%可見,在29周時100%可見。29周時35%的顳下溝和39%的枕顳溝可見;在31周時兩者的可見百分比分別升高至94%和82%;在33周時兩者均100%可見。在31周時,次級扣帶溝88%可見,次級枕溝47%可見;32周時,兩者的可見百分比分別升高至93%和87%;33周時,兩者均100%可見。島溝出現(xiàn)最晚,33周時68%可見,34周時100%可見。

討 論

超聲是評價胎兒宮內發(fā)育情況的一線檢查方法,在早孕期可以通過測量胎兒的頂臀長來估算相應的超聲孕周,并可與臨床孕周進行對比,其在早孕期確定孕周具有很高的可信度[8]。在中晚孕期,超聲測量的雙頂徑、頭圍等指標可以反映胎兒顱腦的宮內發(fā)育水平,但是隨著孕周的進展,其穩(wěn)定性較差[9-10]。為此,有必要尋找一種可靠的反映宮內胎兒顱腦發(fā)育情況的標志物,以更準確地判斷胎兒顱腦的發(fā)育水平。既往神經(jīng)解剖學研究發(fā)現(xiàn),胎兒腦溝回的出現(xiàn)時間比較穩(wěn)定,可以作為判斷胎兒顱腦發(fā)育水平的標志物[11]。此外,腦溝的發(fā)育與許多疾病狀態(tài)有關聯(lián),如神經(jīng)元移行異常相關疾病等,因此準確判斷胎兒腦溝發(fā)育情況是輔助疾病診斷及預后的重要參考信息[12-17]。超聲作為一線產(chǎn)前影像檢查手段,在嘗試評價胎兒腦溝回方面做出了很多嘗試[18-21]。盡管目前超聲的圖像質量已明顯改善,但是其應用仍具有局限性:其對胎兒腦溝的顯示在很大程度上基于超聲醫(yī)師的測量手法,其扇形束的切面對胎兒腦溝的顯示難以與解剖結果相對照;同時由于顱骨聲影的影響和掃描切面的受限,超聲對腦溝的顯示不全面、不系統(tǒng);在胎頭入盆、羊水過少及母體肥胖等情況下,超聲難以滿意地顯示胎兒顱腦的結構,更無法評價腦溝。上述原因使得超聲在產(chǎn)前評價胎兒腦溝發(fā)育方面的應用受到限制[22-25]。

MRI在胎兒顱腦顯示和評價方面的優(yōu)勢已得到了很多研究的證實[26-28]。MRI可以實現(xiàn)標準正交切面的多平面成像,使其可以與神經(jīng)解剖的結果互為驗證。同時MRI不受胎兒頭部位置、羊水量及母體體型的影響,在腦脊液的襯托下可以很好地顯示胎兒腦表面的結構。有研究基于胎兒尸體MRI檢查來評價腦溝回的發(fā)育情況[29],還有研究者是基于早產(chǎn)兒顱腦MRI[30],但是現(xiàn)有研究認為健康胎兒和早產(chǎn)兒的腦溝回發(fā)育軌跡并不一致[31]。還有的研究僅對某一腦溝進行研究,未能系統(tǒng)評價胎兒腦溝的發(fā)育情況[32]?，F(xiàn)有的利用人工智能輔助評價胎兒腦溝發(fā)育的研究中,由于各個孕周的胎兒MRI數(shù)據(jù)量十分有限,因此其結果的魯棒性差、泛化能力弱,無法應用于臨床。同時由于基于人工智能技術所獲得的結果缺乏可解釋性,如無法說明其模型得出的結論是基于胎兒腦溝的發(fā)育,致其難以應用于臨床場景[4-5]。本研究中總結了胎兒腦溝出現(xiàn)的孕周,可以為今后人工智能的特征標注提供參考,提高其結果的可信度及可解釋性。

本研究基于胎兒腦部3個正交切面,如本文中圖1～16所示,不同平面對不同腦溝的顯示各有優(yōu)劣,綜合分析3個正交平面的圖像,可以更全面、準確地評價各個腦溝的發(fā)育情況,減少分析結果的偏倚。冠狀面圖像可以較好地顯示半球間裂、外側裂、海馬裂、胼胝體溝、距狀裂、扣帶溝、頂內溝、側副溝、顳上溝、顳下溝、枕顳溝、額上溝、額下溝和島溝,矢狀面圖像對頂枕溝、中央溝、中央前溝、中央后溝、次級扣帶溝和次級枕溝的顯示較好,而橫軸面圖像則可以用來觀察半球間裂、外側裂、邊緣溝、中央溝、中央前溝、中央后溝、島溝和次級枕溝。三個平面都有其不可替代的作用,同時可以互為補充、相互驗證。同時,胎兒MRI可以無創(chuàng)性地在體觀察胎兒腦部的真實形態(tài),相較需要對腦組織進行制片等處理流程的神經(jīng)解剖學檢查而言,能更真實地反映胎兒腦溝的發(fā)育情況。這是因為神經(jīng)解剖學制備標本的過程需要進行脫水、固定和切片等,腦組織在這個過程中會發(fā)生萎縮和變形,因此這種方法并不能真實反映活體腦溝的狀態(tài)。既往有研究者利用0.5T MR腦部圖像(層厚5mm)評價胎兒的腦溝發(fā)育,發(fā)現(xiàn)MRI上顯示額上溝、額下溝、枕顳溝、次級扣帶溝、次級枕溝和島溝的時間就早于神經(jīng)解剖學檢查[33],說明MRI相較傳統(tǒng)的神經(jīng)解剖方法能更真實地反映腦溝的發(fā)育。我們的研究結果也顯示,產(chǎn)前MRI可以更早地顯示額上溝、頂內溝、額下溝、顳下溝、枕顳溝、次級扣帶溝、次級枕溝和島溝。同時,本研究中很多腦溝的可見時間較之前的研究中觀察到的時間提前了1～2周,這可能是由于高場強MRI在保證了高信噪比的前提下采集速度更快,使得在進行胎兒腦部成像時可以選用更薄的層厚[7]。

本研究存在一定的局限性:首先,在評價時未考慮腦溝發(fā)育的偏側性優(yōu)勢,而腦溝的發(fā)育雙側并不一致[34],腦溝發(fā)育的偏側優(yōu)勢及意義尚需更大樣本量的研究進行驗證;第二,本研究中也未考慮胎兒的性別因素,但是既往有研究證實不同性別間腦溝的發(fā)育無明顯差異[35];第三,神經(jīng)元移行異常會影響對胎兒腦溝顯示的判斷,因此我們選擇由具有多年胎兒MRI診斷經(jīng)驗的高年資影像專家對圖像進行判讀,同時回顧胎兒出生后的常規(guī)體檢資料,僅納入體檢結果正常的胎兒,以盡可能地排除神經(jīng)元移行異常的可能;第四,本研究結果未能獲得解剖學的驗證,但是既往研究表明,MRI可以實現(xiàn)解剖級別的成像,并且不受標本處理的影響,能更真實地反映活體狀態(tài)[36];最后,本研究中樣本量尚有限,且胎兒MRI多是在超聲篩查后為進一步明確診斷而進行的[37],因此納入研究的胎兒的孕齡主要集中于23～24孕周(超聲大排畸)和29～30孕周(超聲小排畸),各孕周患兒的數(shù)量差異比較大,可能存在樣本選擇偏倚,而且為了盡力保證納入的對象是健康胎兒,排除了產(chǎn)前檢查發(fā)現(xiàn)異?；虺錾篌w檢不正常的胎兒,總之我們將在今后的工作中進一步擴充樣本量進行更深入地研究。

本研究描述了自22周起至38周孕期每周腦溝的發(fā)育,為利用MRI評價腦溝發(fā)育提供了基礎數(shù)據(jù)。在孕34周時,所有初級腦溝及部分次級腦溝均可以顯示,因此,我們建議可以利用MRI單次激發(fā)FSE序列在22～34孕周進行MRI掃描來評價胎兒腦溝的發(fā)育情況。鑒于個體發(fā)育的差異性,我們提供了腦溝在不同孕周可見的百分數(shù),并大致分為3個類別,包括25%～75%,大于75%且<100%和100%。在臨床應用時,我們建議以100%可見孕周作為發(fā)育延遲的標準,75%可見孕周作為隨訪的標準,而25%～75%可見孕周反映了個體發(fā)育的差異性。

總之,我們的研究提供了基于高場強MRI的22～38孕周胎兒每周胎兒腦溝發(fā)育的數(shù)據(jù),證實了胎兒腦溝發(fā)育遵循一定的時間順序,并且是可以評價和預測的。MRI單次激發(fā)快速自旋回波序列能夠提供清晰的對比度,可以在產(chǎn)前無創(chuàng)性顯示宮內胎兒腦溝的發(fā)育情況,是評價胎兒腦發(fā)育的一種有價值的方法。