程雙娟 肖江喜

SWI在腦內(nèi)鐵過載中的應(yīng)用

程雙娟 肖江喜*

磁敏感加權(quán)成像（SWI）是根據(jù)不同組織的磁敏感系數(shù)差異提供影像對比，在掃描過程中可以同時(shí)獲得幅值和相位兩組影像，通過定量測量信號值而對腦內(nèi)的鐵含量進(jìn)行半定量測量，并且可以動態(tài)監(jiān)測腦組織內(nèi)鐵含量的變化，其對鐵的敏感性明顯優(yōu)于常規(guī)梯度回波序列。SWI對于早期發(fā)現(xiàn)疾病、監(jiān)測病情及指導(dǎo)治療具有重要意義。就SWI檢測腦內(nèi)鐵含量的原理、應(yīng)用及前景予以綜述。

磁敏感加權(quán)成像；腦出血；鐵過載；定量測量；動態(tài)監(jiān)測

鐵作為人體必不可少的微量元素之一，在各個(gè)系統(tǒng)尤其是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中起著重要作用，它不僅參與正常的新陳代謝，還在DNA合成、基因表達(dá)、髓鞘形成、神經(jīng)遞質(zhì)合成以及能量代謝過程中發(fā)揮重要作用[1]。隨著年齡的增長，腦組織內(nèi)鐵的含量逐漸增加，也會伴隨發(fā)生多種神經(jīng)系統(tǒng)的退行性疾病，如帕金森病（Parkinson disease,PD）、阿爾茨海默病 （Alzheimer disease,AD）、多發(fā)性硬化（multiple sclerosis，MS）等。另外，某些疾病的病變區(qū)域也可以引起腦內(nèi)鐵過載的現(xiàn)象，如腦出血等。相關(guān)動物模型研究[2]提示鐵過載在腦損傷的機(jī)制及神經(jīng)功能預(yù)后中起著重要作用。目前臨床上有多種方法可以測量腦組織中的鐵含量，但是都不能定量測量，亦不能監(jiān)測腦組織內(nèi)鐵含量的定量變化。而MR功能成像中的磁敏感加權(quán)成像 （susceptibility weighted imaging,SWI）序列能夠有效地解決上述問題，可以通過定量測量相位值對腦鐵進(jìn)行檢測。

1 SWI基本原理

Haacke等[3]采用SWI及高通濾過技術(shù)對腦組織內(nèi)的鐵含量進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腦組織相位信息的分布特點(diǎn)可以作為判定腦組織鐵含量是否正常的依據(jù)。近年來SWI已廣泛應(yīng)用于臨床，基本原理是在T2*加權(quán)梯度回波序列基礎(chǔ)上進(jìn)行高分辨力三維梯度回波成像，完全流動補(bǔ)償，優(yōu)化TE、TR的諸多技術(shù)改進(jìn)，主要用于探測不同組織間磁敏感性的差異，從而產(chǎn)生影像對比。

SWI的特點(diǎn)是在一次掃描過程中不僅可獲得常規(guī)幅度圖，還可同時(shí)獲得相位圖。相位圖主要反映組織間磁敏感性的差異。SWI影像的后處理非常關(guān)鍵，幅度圖和相位圖是成對出現(xiàn)的，且兩者影像所對應(yīng)的解剖位置都完全一致，后處理首先需要在復(fù)數(shù)域中將幅值和相位影像重組，然后再在k空間中濾波消除相位影像中的磁敏感偽影，最后制作相位蒙片，并與幅值影像加權(quán)獲得最終磁敏感加權(quán)影像。

2 鐵過載

2.1 鐵過載概念 鐵過載是由于體內(nèi)鐵的供給超過對鐵的需要而引起體內(nèi)總鐵量過多，廣泛沉積于人體一些器官和組織的實(shí)質(zhì)細(xì)胞，導(dǎo)致多臟器功能損害。

2.2 鐵的生理及磁敏感性 鐵元素是人體重要的金屬元素之一，鐵原子的原子核有26個(gè)帶正電的質(zhì)子，核外有4個(gè)電子層，最外層有2個(gè)電子。正常情況下，鐵原子易失去最外層的2個(gè)電子轉(zhuǎn)變成Fe2+，呈順磁性。鐵元素是氧的運(yùn)輸及電子傳遞的重要媒介，同時(shí)也是神經(jīng)遞質(zhì)的復(fù)合物，髓磷脂的重要組分。所以鐵對于神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育是極其重要的，但是過多的鐵可導(dǎo)致神經(jīng)元的損傷，甚至死亡。鐵在人體內(nèi)以多種形式存在，如鐵蛋白、含鐵血黃素、血紅蛋白等。正常情況下，隨著年齡的增長腦內(nèi)鐵沉積的量會隨之增加，可以出現(xiàn)鐵過載的現(xiàn)象。腦內(nèi)鐵的沉積多由血紅蛋白降解引起，血紅蛋白在降解過程中形成脫氧血紅蛋白含有Fe2+，呈順磁性。當(dāng)脫氧血紅蛋白中的Fe2+進(jìn)一步被氧化成Fe3+，形成高鐵血紅蛋白，最終被巨噬細(xì)胞吞噬引起組織內(nèi)含鐵血黃素沉積，兩者均呈高順磁性。

3 SWI半定量評估

SWI主要用于磁敏感物質(zhì)含量的測量，常見的磁敏感物質(zhì)有順磁性物質(zhì)、反磁性物質(zhì)及鐵磁性物質(zhì)。順磁性物質(zhì)具有正的磁化率，而反磁性物質(zhì)具有負(fù)的磁化率，鐵磁性物質(zhì)可被磁場明顯吸引，去除外磁場后仍可以被永久磁化，具有很大的磁化率[4]。

腦組織內(nèi)磁敏感性改變與血液中鐵的不同形式或出血等明顯相關(guān)。血紅蛋白轉(zhuǎn)變的脫氧血紅蛋白Fe2+為順磁性物質(zhì)，F(xiàn)e2+進(jìn)一步氧化形成的高鐵血紅蛋白僅有很弱的磁敏感效應(yīng)，最終形成的含鐵血黃素為高順磁性物質(zhì)。SWI相位圖可定量分析高鐵血紅蛋白的相位位移改變，從而得到鐵含量。計(jì)算公式為：φ=γ·ΔB·TE；ΔB=C·V·Δχc·B。其中，γ代表磁旋比，ΔB代表兩種物質(zhì)間磁場的差值,TE指回波時(shí)間,V代表體素大小,Δχc代表鐵存在時(shí)組織間亞體素磁化率的差異。相位角φ反映相位位移，常用經(jīng)過高濾波后相位影像中的相位值或SWI經(jīng)過歸一化后的相位影像中的相位值即校正相位值表示。由前面公式可知,鐵的相位位移φ與其在興趣區(qū)內(nèi)濃度C成正比。另外，一些動物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)也證實(shí)通過測量相位信號值可以對鐵含量進(jìn)行半定量測量[5]。

4 SWI的相關(guān)應(yīng)用

4.1 正常人腦內(nèi)鐵含量的測定 自20世紀(jì)以來，測量活體腦組織內(nèi)的鐵含量一直是國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。由于鐵是順磁性物質(zhì)，可以造成T2值縮短，提高橫向弛豫率（R2=1/T2），因此可以用R2值來衡量鐵的濃度，但是R2值除受組織鐵濃度影響以外，組織中的水含量對它也有影響。另外，已知R2*值更能準(zhǔn)確地反映腦鐵濃度，但亦不能定量測量。近年來有研究者發(fā)現(xiàn)，通過定量測量SWI上的信號值可以計(jì)算腦鐵含量，從而進(jìn)一步了解正常人腦深部核團(tuán)內(nèi)鐵的分布特點(diǎn)。有研究者準(zhǔn)確地測量了正常人腦深部部分灰質(zhì)核團(tuán)如齒狀核、紅核、蒼白球及殼核等鐵含量變化。Wang等[6]對143例健康志愿者的腦鐵進(jìn)行研究分析，按年齡進(jìn)行分組，10歲為間隔，從12～ 87歲共分為8組，豆?fàn)詈说蔫F沉積40歲之前逐漸增加，以后趨于穩(wěn)定，尾狀核的則在60歲之前增加明顯（P<0.05）。左側(cè)、右側(cè)尾狀核及左側(cè)、右側(cè)豆?fàn)詈髓F沉積與年齡的相關(guān)系數(shù)分別為0.676 91、0.485 85、0.522 8及0.522 8（P<0.001）。楊等[7]對62名健康人進(jìn)行腦鐵分析，按年齡進(jìn)行分組，發(fā)現(xiàn)黑質(zhì)、蒼白球、殼核、尾狀核、運(yùn)動皮質(zhì)出現(xiàn)可觀察的鐵沉積所致信號減低較早（6～7歲），而紅核和齒狀核稍晚（9～10歲），內(nèi)囊后支、視放射相對無明顯信號減低，各核團(tuán)相位值變化范圍為 （2 059.3±8.1）～（1 907.5± 37.1）。紅核、黑質(zhì)、殼核、尾狀核、運(yùn)動皮質(zhì)在20歲以前鐵沉積較快，紅核、黑質(zhì)、尾狀核、運(yùn)動皮質(zhì)在20～60歲之間鐵沉積有個(gè)平臺期，相位值為（1 977.5±20.5）～（1 898.2±33.4）；腦內(nèi)鐵的分布不均勻，蒼白球和紅核、尾狀核、黑質(zhì)鐵含量較高，由于蒼白球鈣化嚴(yán)重?zé)o法準(zhǔn)確測量，紅核、尾狀核、黑質(zhì)最終相位值分別為 1 915.1±55.7、1 947.9±20.9、1 907.5±37.1。由此可見，健康人腦內(nèi)深部核團(tuán)隨著年齡的增加均有鐵的沉積，不同核團(tuán)間沉積的規(guī)律不同[6-7]。

4.2 神經(jīng)退行性疾病的診斷 通過SWI對正常人腦內(nèi)鐵含量的研究，人們也提高了對與鐵的異常代謝有關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾?。ㄈ鏟D、AD、MS、運(yùn)動障礙等）的認(rèn)識。目前診斷退行性病變主要依據(jù)臨床表現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)室檢查，多數(shù)病人確診時(shí)往往已處于晚期。而SWI可以在早期準(zhǔn)確地顯示腦鐵的分布及含量，從而進(jìn)行病情進(jìn)展的評估及疾病嚴(yán)重性的預(yù)測，使疾病可以得到早期診斷和治療。

4.2.1 PD PD又稱震顫麻痹，是一種以靜止性震顫、運(yùn)動遲緩、肌張力增高和姿勢平衡障礙為主要臨床特征，黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性缺失為主要病理變化的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，PD病人常表現(xiàn)為顱內(nèi)鐵代謝紊亂。2010年Zhang等[8]對40例PD病人及26歲健康對照進(jìn)行研究，分別對紅核、黑質(zhì)、尾狀核、蒼白球進(jìn)行相位值的測量，發(fā)現(xiàn)PD病人黑質(zhì)鐵沉積顯著，其中15例早發(fā)型和25例晚發(fā)型PD病人的黑質(zhì)相位值分別為 0.144±0.062、0.164± 0.048，兩者間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。2012年Wang等[9]對16例PD病人及44例健康人進(jìn)行腦鐵沉積的研究，發(fā)現(xiàn)黑質(zhì)、殼核、蒼白球及丘腦有鐵的明顯沉積，而紅核、尾狀核及丘腦鐵沉積引起的相位值的變化差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。王等[10]對24例原發(fā)性單側(cè)癥狀PD病人也進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)鐵異常沉積部位主要包括黑質(zhì)致密部、黑質(zhì)網(wǎng)格部和紅核，而PD病人的蒼白球、殼核、丘腦及尾狀核未見明顯鐵沉積。對照組黑質(zhì)及紅核T2*值范圍是（29.410±4.343）～（41.644±3.958），PD癥狀側(cè)黑質(zhì)及紅核T2*值范圍為（26.815±5.092）～（37.669±5.741），且腦內(nèi)鐵沉積含量與病程及運(yùn)動障礙嚴(yán)重程度有關(guān)。王等[11]研究發(fā)現(xiàn)，PD病人與正常對照組校正相位值范圍分別為 （-0.005±0.001）～（-0.098±0.029）、（-0.005±0.044）～（-0.884±0.036），尾狀核頭、蒼白球及黑質(zhì)的腦鐵沉積比較，其差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P< 0.05），其中病變早期雙側(cè)蒼白球及雙側(cè)黑質(zhì)即有鐵異常沉積，校正相位值分別為-0.117±0.044、-0.095± 0.017；雙側(cè)殼核、紅核、丘腦和齒狀核腦鐵含量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。有相關(guān)文獻(xiàn)[9]報(bào)道殼核和丘腦的高鐵沉積有助于鑒別原發(fā)性PD與多系統(tǒng)變性-帕金森綜合征疊加。因此，SWI有助于PD的早期診斷及病情的監(jiān)測，有利于及早采取相應(yīng)的治療措施，延緩疾病的發(fā)展。近些年有關(guān)PD病人腦鐵沉積的多項(xiàng)研究均證實(shí)了黑質(zhì)內(nèi)會出現(xiàn)鐵沉積，而且發(fā)現(xiàn)黑質(zhì)及蒼白球的鐵沉積最為顯著[8-11]，只有王等[10]研究顯示PD病人的蒼白球未見鐵沉積。對于殼核、紅核、尾狀核是否有鐵沉積則結(jié)論不一。復(fù)雜的腦鐵代謝機(jī)制至今尚未完全闡明。

4.2.2 AD AD是一種以認(rèn)知功能減退、生活能力下降及精神行為異常為主要臨床癥狀的老年神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。隨著人口老齡化的加劇，AD患病率也在持續(xù)升高，但AD的病因及發(fā)病機(jī)制尚不明確，越來越多的研究者認(rèn)為鐵及其他一些金屬離子與AD的發(fā)病密切相關(guān)。早期的MRI研究對于AD病人腦內(nèi)鐵沉積部位的認(rèn)識不一，但多數(shù)認(rèn)為與海馬、尾狀核及殼核關(guān)系密切。李等[12]對23例AD病人研究發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)蒼白球、雙側(cè)殼核、左側(cè)海馬、左側(cè)額葉、右側(cè)尾狀核及右側(cè)齒狀核的鐵沉積增加與AD病情相關(guān)，并且有利于對病情的評價(jià)，其中左側(cè)殼核的相位值與簡明精神狀態(tài)檢查 （mini-mental state examination，MMSE；為臨床上常用且適用于老年認(rèn)知功能障礙的一種篩查方法）評分相關(guān)系數(shù)為0.53。Mittal等[13]認(rèn)為，SWI相位值不僅是評價(jià)AD病人腦內(nèi)鐵含量沉積異常的敏感而有效手段，并且具有較好的可重復(fù)性。最近，Wang等[14]對39例AD病人和143名健康人進(jìn)行SWI研究，發(fā)現(xiàn)深部核團(tuán)鐵含量均會隨著年齡的增加而增加，40歲之前蒼白球會出現(xiàn)明顯的鐵沉積，尾狀核頭鐵沉積在60歲達(dá)到一個(gè)峰值，殼核的鐵含量也會持續(xù)增加，50～70歲時(shí)達(dá)到峰值。蒼白球的鐵沉積在AD病人與健康人之間差異最大，蒼白球也是最容易檢測到的部位。李等[15]研究發(fā)現(xiàn)，SWI能夠準(zhǔn)確地測量鐵的含量，可以分辨出AD病人、輕度認(rèn)知障礙 （mild cognitive impairment,MCI）病人及正常人的腦鐵沉積含量的差異，從而可以早期診斷AD及MCI，并為MCI的病情發(fā)展提供一種無創(chuàng)的動態(tài)監(jiān)測方法。

4.2.3 MS MS是一種以病灶多發(fā)、病程緩解與復(fù)發(fā)交替為特征的中樞神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘疾病。病因和發(fā)病機(jī)制至今尚不明確。苗等[16]對25例MS病人及26例健康人進(jìn)行對照研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，MS病人的雙側(cè)蒼白球、殼核、尾狀核頭、黑質(zhì)、紅核和丘腦的相位值均顯示下降，即具有過量鐵沉積，只有雙側(cè)黑質(zhì)（左側(cè):1 901.37±111.94，右側(cè):1 909.78± 128.99）和紅核（左側(cè):1 977.44±77.02，右側(cè):1 973.52± 76.80）的相位值較對照組黑質(zhì)和紅核相位值（黑質(zhì)左側(cè)：1976.73±85.51，黑質(zhì)右側(cè)：1968.80±83.21；紅核左側(cè)：2 003.73±66.37，紅核右側(cè)：2 005.93±62.97）降低顯著，其差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。Habib等[17]研究發(fā)現(xiàn)MS病人基底節(jié)區(qū)、尾狀核、丘腦、紅核及黑質(zhì)有明顯的鐵沉積，其中丘腦和紅核鐵沉積的含量是正常值的3倍左右。Hagemeier等[18]研究發(fā)現(xiàn)在青少年MS中皮質(zhì)深部灰質(zhì)核團(tuán)中鐵的沉積均有不同程度增高，以丘腦枕核的鐵沉積最為顯著。因此，SWI可以監(jiān)測腦鐵的變化情況，能夠提高M(jìn)S病灶的檢出率，并且根據(jù)鐵沉積規(guī)律的不同可以更好地判斷新舊病灶，從而指導(dǎo)臨床治療，對評估疾病的預(yù)后也具有非常重要的意義。

4.3 腦血管源性疾病 近年來一些研究者發(fā)現(xiàn)SWI是顯示顱內(nèi)出血最敏感的脈沖序列之一，同時(shí)對于出血引起的周圍腦組織的變化及鐵的沉積情況也能很好地顯示。

4.3.1 腦微出血 腦微出血 （cerebral microbleeds, CMB）是一種亞臨床的終末期微小血管病變導(dǎo)致的含鐵血黃素沉積。表現(xiàn)為小范圍（直徑<10 mm）的圓形信號丟失，周圍無水腫。目前認(rèn)為其好發(fā)部位為皮質(zhì)-皮質(zhì)下區(qū)域，表現(xiàn)為多發(fā)性微小的MRI信號喪失，臨床常規(guī)使用MR T2加權(quán)梯度回波序列進(jìn)行檢測。CMB導(dǎo)致沉積的含鐵血黃素帶有磁性，SWI比常規(guī)MRI能夠更好地反映病灶局部磁敏感的變化。在美國，SWI較傳統(tǒng)的梯度回波利用率高200%[19]。Goos等[20]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)SWI不僅能夠清晰地顯示小出血灶，而且對于病灶數(shù)目的檢出約為T2*的2倍。

4.3.2 腦出血 腦出血是指原發(fā)性非外傷性腦實(shí)質(zhì)內(nèi)出血。基于腦出血?jiǎng)游锬Ｐ偷慕⒓把芯?，Siesj?等[21]發(fā)現(xiàn)腦出血以后，由于紅細(xì)胞的裂解，大量血紅蛋白沉積在血腫區(qū)域，隨著血紅蛋白的分解，血腫區(qū)及周圍腦組織會出現(xiàn)鐵的異常沉積而導(dǎo)致鐵過載，過載的鐵通過多種途徑引起腦損傷，如腦出血急性腦水腫的形成和后期神經(jīng)功能的損害。SWI以基礎(chǔ)相位可以敏感且準(zhǔn)確地顯示腦內(nèi)鐵沉積的分布及含量，不僅可以了解疾病的進(jìn)展，還有助于指導(dǎo)臨床治療和判斷預(yù)后。目前相關(guān)研究已發(fā)現(xiàn)，去鐵胺是一種特異性的鐵離子螯合劑，可以有效地降低腦出血后周圍腦組織內(nèi)鐵離子的含量，故而有效地減輕腦出血引起的腦水腫及腦損害[22]。以上相關(guān)研究都是基于對動物模型的研究，目前還缺乏臨床實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

5 優(yōu)勢與前景

SWI作為一種MRI檢查新技術(shù)，與傳統(tǒng)的加權(quán)序列相比，其通過同時(shí)采集幅度圖與相位圖，并利用后處理技術(shù)將兩者有機(jī)結(jié)合在一起。SWI對于磁敏感物質(zhì)的檢測明顯優(yōu)于梯度回波序列，能夠提供比常規(guī)MRI更加詳細(xì)的信息。對于一些常見疾病如出血，SWI序列不僅能準(zhǔn)確檢測出血部位、出血灶的數(shù)目及大小，同時(shí)還能夠顯示深部腦血管的結(jié)構(gòu)，直接提示腦損傷的部位，輔助確定出血病灶與臨床表現(xiàn)的聯(lián)系，能夠提供更好的診斷以及有關(guān)預(yù)后的信息。對于進(jìn)行性梗死，SWI可以準(zhǔn)確地顯示閉塞動脈內(nèi)的血栓、腦梗死后出血轉(zhuǎn)化、腦內(nèi)陳舊性微出血的數(shù)量以及梗死灶內(nèi)靜脈血管的充盈程度，從而有利于溶栓病例的篩選、治療方案的制定和臨床預(yù)后的評估[23]。然而，從對SWI原理的描述上可以看出，理論上，只要組織間存在磁化率差異，就可以通過SWI顯示出組織對比，但是由于磁敏感成像對于局部磁場不均勻性特別敏感，在某些磁化率差異特別大的區(qū)域，如顱底的含氣鼻竇、脊柱等部位，其成像受到一定的限制，局部會形成特別強(qiáng)的相位偽影。同時(shí)，由于主磁場B0的不均勻性、B1場的不均勻性、化學(xué)位移、部分容積效應(yīng)以及溫度等因素都會引起MRI相位改變，因此近幾年磁量圖（quantitative susceptibility mapping,QSM）引起了研究者的廣泛關(guān)注，它的成像特點(diǎn)是僅與局部血細(xì)胞比容及局部氧含量有關(guān)，能夠完全避免上述因素的干擾，可以有效去除相位偽影，使MRI技術(shù)可以得到更廣泛的應(yīng)用。此外QSM對鐵和磷脂等成分有高度的敏感性，磁敏感信號的變化可以直接反映組織成分的輕微改變，從而可以更加準(zhǔn)確地顯示腦組織內(nèi)的細(xì)微結(jié)構(gòu)[24]，同時(shí)也使腦內(nèi)鐵的定量測量成為可能，目前QSM技術(shù)已應(yīng)用于肝硬化病人腦鐵含量的定量測量[25]。隨著SWI技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，它的性能將會更加穩(wěn)定，影像質(zhì)量將進(jìn)一步提高，從而能夠更好地應(yīng)用于臨床診斷、鑒別診斷及科研。

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（收稿2014-04-22）

The application of SWI in iron overloaded of brain

CHENG Shuangjuan,XIAO Jiangxi.Department of Radiology,The First Hospital of Beijing University,Beijing 100034,China

Susceptibility-weighted imaging（SWI）is a high-spatial-resolution 3D MR imaging technique.SWI relys on the difference in magnetic susceptibility of tissues to show tissue contrast.It is superior to conventional gradient echo sequence in detecting iron deposit.Semi-quantitative measurement of iron and dynamically evaluating brain iron change can be archived by quantitatively measuring tissue signal intensity.SWI can provide important information in early disease detecting,monitoring disease progress,and evaluating efficiencies of treatments.In this article,we reviewed the principle and application of iron measurement in brain SWI.

Susceptibility weighted imaging;Intracranial hemorrhage;Iron overload;Quantitative measurement; Dynamic monitoring

10.3874/j.issn.1674-1897.2015.01.Z0103

100034北京，北京大學(xué)第一醫(yī)院影像科

肖江喜，E-mail:cjr.xiaojiangxi@vip.163.com

*審校者