馬怡群，溫 杰，張東銳

（1.滄州醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 醫(yī)學(xué)技術(shù)系，河北 061000；2.河北省滄州中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院 影像中心，河北 061000）

中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病包括帕金森病、阿爾茨海默病、亨廷頓病等，其主要病理特點(diǎn)是異常的神經(jīng)元細(xì)胞在神經(jīng)系統(tǒng)或整個大腦的部分區(qū)域中迅速死亡，最終導(dǎo)致大腦功能的喪失，包括認(rèn)知和運(yùn)動能力［1］。鐵元素在神經(jīng)核團(tuán)的過量沉積被認(rèn)為是引起神經(jīng)細(xì)胞衰落和凋亡的因素之一，因此測量腦內(nèi)的鐵沉積量有助于相關(guān)疾病的診斷。與PET和SPECT核醫(yī)學(xué)神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)相比，磁共振技術(shù)在腦鐵含量測量方面有無電離輻射、檢查成本低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。鐵作為一種順磁性物質(zhì)，過量的鐵沉積會引起腦組織局部磁場磁化率微觀變化，磁共振磁敏感加權(quán)成像（susceptibility-weighted images，SWI）和定量磁敏感成像（quantitative susceptibility maps，QSM）都可以利用組織間的磁化率差異來測量鐵含量，但是基于重建算法的不同，兩者在臨床應(yīng)用中有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。本文以帕金森病為例，討論SWI和QSM 這兩種技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變中的應(yīng)用特點(diǎn)，通過物理原理分析其產(chǎn)生差異的原因。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本實(shí)驗(yàn)的研究對象為臨床確診的30例早期PD患者，年齡67.4±82歲，男女各占一半，要求家族史和帕金森病嚴(yán)重程度相當(dāng)，正常對照組人數(shù)、年齡等要求與病例組相匹配。在檢查前，所有被試者均排除包括有進(jìn)行性核上麻痹和其他神經(jīng)退行性疾病、頭部損傷史、腦炎、暴露于神經(jīng)抗精神病藥物的患者。

1.2 檢查方法

所有被試者均利用3.0 T磁共振設(shè)備進(jìn)行常規(guī)MRI序列、QSM 序列及SWI序列掃描，把黑質(zhì)、紅核、蒼白球、殼核、尾狀核、丘腦作為感興趣區(qū)。掃描結(jié)束后，由兩位經(jīng)驗(yàn)豐富的影像科醫(yī)師對以上6個感興趣腦區(qū)進(jìn)行測量，獲得數(shù)據(jù)。其中，利用QSM技術(shù)成像時(shí)，對傳入工作站的原始影像進(jìn)行圖像后處理，獲得磁敏感圖，測量其磁敏感值。利用SWI技術(shù)成像時(shí)，對原始圖像經(jīng)過后處理，獲得SWI圖像，并在校正相位圖上測量其相位值。所有腦區(qū)都取最大層面作為感興趣區(qū)，連續(xù)測量三次，取其雙側(cè)的平均值。采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對PD組和對照組的磁敏感值、相位值以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，分別進(jìn)行組間獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，比較兩組同一感興趣區(qū)的磁敏感值和相位值差異，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 QSM 檢測比較各個腦區(qū)磁敏感值

在QSM 檢測中，發(fā)現(xiàn)PD組黑質(zhì)、殼核的磁敏感值顯著高于對照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），而兩組間其他腦區(qū)相比，磁敏感值均無顯著性差異（P＞0.05）。見表1。

表1 PD組和健康對照組各個感興趣腦區(qū)磁敏感值比較

2.2 SWI檢測比較各個腦區(qū)相位值

在SWI檢測中，發(fā)現(xiàn)PD組黑質(zhì)的相位值顯著高于對照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見表2。而兩組間其他腦區(qū)相比，相位值均無顯著性差異（P＞0.05）。見表2。

表2 PD組和健康對照組各個感興趣腦區(qū)相位值比較

3 討論

帕金森?。≒D）是最常見的神經(jīng)退行性疾病之一，臨床特點(diǎn)就是發(fā)病初期病理改變不太明顯，隨著腦部神經(jīng)元的退行變性和丟失，多種癥狀才會逐漸顯現(xiàn)。鐵對大腦的生理生化過程是必不可少的，然而，由于它的異常積累，導(dǎo)致過氧化氫反應(yīng)超載，由此產(chǎn)生的羥基自由基會引起氧化應(yīng)激，進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)元的凋亡，因此，它被認(rèn)為是致病因素之一［2］，在分布上，具有區(qū)域特異性和時(shí)間特異性［3］。許多研究表明，PD患者過量鐵沉積往往存在于一些特定的腦區(qū)，如黑質(zhì)、殼核、紅核等部位。不同腦區(qū)的鐵沉積可以作為多種PD臨床亞型鑒別的指標(biāo)之一［4］。有學(xué)者認(rèn)為，不同腦區(qū)的鐵含量進(jìn)展情況會隨疾病病程的發(fā)展而改變，如黑質(zhì)和蒼白球中的鐵會隨病程的加重而增加，尤其是在疾病后期增加更為顯著。紅核和殼核的鐵含量在PD早期顯著增加，但在PD后期可能不會繼續(xù)增加［5］。Kathuria等（2020）［6］研究發(fā)現(xiàn)，黑質(zhì)體-1的缺失雖然不能區(qū)分特發(fā)性帕金森病和非典型帕金森綜合征，但是可以作為對退行性帕金森綜合征診斷的潛在影像學(xué)標(biāo)志物。Eichhof（2021）［7］比較SWI和QSM這兩種技術(shù)，證實(shí)在QSM 圖中的黑體-1可視化效果最佳。Ren等（2022）［8］利用SWI技術(shù)鑒別早期帕金森病和多系統(tǒng)萎縮-帕金森病亞型，發(fā)現(xiàn)后者的豆?fàn)詈撕蟛开M窄，定量的形態(tài)學(xué)變化為臨床輔助診斷提供了參考，這可能有助于醫(yī)生在早期區(qū)分這兩種病癥。這些鐵沉積的特征和研究進(jìn)一步證實(shí)了帕金森病是一種高度特異性的疾病。因此，及時(shí)和準(zhǔn)確地檢測大腦不同區(qū)域的腦鐵沉積情況，有助于PD之類的神經(jīng)退行性疾病的診斷。

本文檢測鐵沉積采用SWI和QSM 兩種方法，SWI利用相位圖間接反映不同腦區(qū)的鐵含量，而QSM通過磁化率圖能對同一腦區(qū)的鐵含量進(jìn)行更加精確的測量。對兩組被試者分別采用這兩種技術(shù)檢查，發(fā)現(xiàn)QSM檢查中，黑質(zhì)和殼核的磁敏感值與正常對照組相比，具有顯著差異；SWI檢查中，只有黑質(zhì)的相位值與正常對照組相比，具有顯著差異，說明這兩個部位均出現(xiàn)了鐵的異常沉積，并且QSM 技術(shù)更加敏感。在現(xiàn)有的磁共振新技術(shù)中，SWI和QSM都是利用組織間的磁化率差異來成像，鐵作為一種順磁性物質(zhì)，局部組織含量越高，引起的磁場偏移現(xiàn)象就越嚴(yán)重，原則上利用兩種技術(shù)推斷出過量鐵沉積的感興趣區(qū)應(yīng)該一致，但是基于原理的不同，殼核用SWI檢測無明顯差別，而QSM卻能檢測出顯著差異。

從物理原理上分析這兩種技術(shù)在臨床使用中產(chǎn)生差異的原因，它們的序列基礎(chǔ)都是利用梯度回波技術(shù)得到相位信息圖，初步處理后，再進(jìn)行解纏繞和去除背景場，SWI得到相位掩膜圖，QSM得到局部場圖。SWI是用處理好相位掩膜圖的n次方乘以原始的幅值相，得到磁化率加權(quán)圖像，而QSM是用處理好的局部場圖進(jìn)行反演獲得真實(shí)的磁化率分布。把每個主要步驟拆開，按數(shù)據(jù)處理流程依次如下：①在對相位信息圖的初步處理上，SWI對相位圖作線性擬合，一般采用線性最小二乘法，但是噪聲點(diǎn)較多，在進(jìn)行線性擬合時(shí)，偏離大，導(dǎo)致結(jié)果偏差較大，磁共振信號的噪聲分布復(fù)雜，采用這種方法進(jìn)行場圖擬合，除躁效果欠佳；而QSM采用基于最小二乘法的非線性擬合，直接對相位信號進(jìn)行處理，不需要提前在時(shí)間維上解纏繞，雖然計(jì)算復(fù)雜，但是除噪效果好，為后續(xù)處理提供更多的有用信號。②解決相位解纏繞的問題，SWI圖像相位處理主要采用零差濾波法，優(yōu)點(diǎn)是算法簡單且運(yùn)行時(shí)間短，容易實(shí)現(xiàn)，能在一定程度上濾除相位偽影，但是同時(shí)也濾掉了一部分有用信號，它沒有專門針對噪聲相位進(jìn)行解纏繞，并不能完全解決相位纏繞的問題；QSM在解決相位纏繞問題上常用的是拉普拉斯法和區(qū)域生長法，兩者分別從空間維和時(shí)間維上更加徹底地解決了噪聲相位纏繞的問題。③背景場去除，SWI常用的是零差高通濾波法濾除總場圖中的低頻部分，但對具有高頻背景場的邊界部分濾波效果不理想。同時(shí)，局部場中低頻信息也被濾除，減少了有用信號，可能使最終的重建結(jié)果中含有磁化率偽影，降低圖像質(zhì)量，影響有效信號的提取；QSM有偶極場投影法、復(fù)雜調(diào)和偽影去除法和拉普拉斯邊界值法等，其中前兩者都會在邊界處產(chǎn)生偽影，一定程度上影響診斷，而拉普拉斯法采用經(jīng)典的偏微分方程拉普拉斯方程或者泊松方程，它用各種算法求解邊界值，最大限度地接近真實(shí)值，正是這種基于物理和數(shù)學(xué)的方法，使背景場的濾除效果更好。因此，QSM比SWI更能得到真實(shí)的有效信息。④經(jīng)過前面幾步的處理，SWI得到相位掩模版，QSM得到局部場圖，SWI將原始的幅值圖與相位掩膜版的n次方相乘得到磁化率加權(quán)圖像，QSM通過對局部場圖進(jìn)行磁化率反演獲得真實(shí)磁化率分布圖，常用的有傅里葉域法和空間域法。QSM所用的這些特殊的重建算法與SWI相比，計(jì)算更加復(fù)雜，但它最終的圖像會更加精確。因此，從理論上講，QSM技術(shù)克服了SWI技術(shù)的一些弊端，在反映鐵含量分布方面也更為準(zhǔn)確和敏感［9］。

從臨床使用上看，SWI和QSM都屬于非侵入性的磁共振技術(shù)，都具有高空間分辨率、無創(chuàng)、多序列和高重復(fù)性的優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)有大量的文章報(bào)道SWI測量顱鐵含量的有效性，然而它的測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確，尤其是疾病發(fā)展早期，容易漏檢［10］，本次研究也證明了這個問題。SWI的臨床應(yīng)用較為廣泛，它還可以利用組織間的磁化率差異來增強(qiáng)圖像對比度，最終在MRI數(shù)據(jù)中產(chǎn)生不同的相移。例如，SWI采用最小強(qiáng)度投影技術(shù)獲得高分辨率的腦靜脈結(jié)構(gòu)輪廓，這是它在所有MRI技術(shù)中獨(dú)有的特征［11］。多項(xiàng)研究證明，SWI已被熟練應(yīng)用于各種微出血的診斷，其敏感性高于CT［12］。SWI使用氧氣作為對比劑，不僅能夠幫助區(qū)分舊出血和最新的出血，還可以識別活動性出血，避免使用造影劑，更利于人體檢測［13］。SWI對脫氧血液和顱內(nèi)礦物質(zhì)沉積較為敏感，被廣泛用于顱內(nèi)出血、創(chuàng)傷性腦損傷、中風(fēng)、腫瘤和一些神經(jīng)變性疾病的診斷［14］。盡管如此，SWI對磁化率的測量并非直接的，而是間接的。隨著新技術(shù)QSM和磁化率張量成像的發(fā)展，這一問題已經(jīng)得到解決。從目前來看，QSM技術(shù)已被證實(shí)是定量計(jì)算顱內(nèi)鐵含量最準(zhǔn)確的方法［15］。本次研究發(fā)現(xiàn)，QSM在疾病的早期階段檢測出黑質(zhì)和殼核中鐵含量增加異常，提示QSM可能作為一種早期診斷工具，與以往的研究結(jié)果一致。QSM還可以評估大腦兩側(cè)黑質(zhì)內(nèi)鐵沉積的不對稱性［16］，亦可用于檢測在病程發(fā)展中鐵含量的增加快慢，這與疾病進(jìn)展息息相關(guān)［17］。腦深部電刺激術(shù)（deep brain stimulation，DBS）作為一種治療神經(jīng)退行性疾病的新技術(shù)，最早用于治療帕金森病，現(xiàn)在也用于阿爾茨海默病。DBS手術(shù)是在患者大腦特定部位植入刺激電極，通常選在丘腦底核（subthalamus nucleus，STN）中。手術(shù)前需要精確定位橢球狀丘腦底核的大小和位置，最大限度保證手術(shù)的治療效果，避免電極放置不正確產(chǎn)生的副作用。與CT和超聲等其他影像方式相比，MRI可以說是STN成像的最佳成像工具，但STN在傳統(tǒng)的MRI序列上仍然不能很好地顯示出來。由于STN 具有較高的鐵含量，與T2加權(quán)（T2w），T2*加權(quán)（T2*w）和SWI相比，QSM 的顯示效果最好。使用7TMRI的QSM 可以更好地提高STN的可視化影像對比度，還可以有效地檢測STN中下端的鐵的增加量，在組織學(xué)上已經(jīng)得到驗(yàn)證。因此，QSM是目前最好的DBS手術(shù)成像技術(shù)，可以顯著降低與DBS電極放置不準(zhǔn)確相關(guān)的無效治療率［18］。

兩者相比，QSM有以下優(yōu)點(diǎn)：①Q(mào)SM可以進(jìn)行磁化率量化分析，在評價(jià)鐵含量上更加準(zhǔn)確和敏感。②QSM對含鐵腦區(qū)的大小和形狀的描述更加準(zhǔn)確，不會因磁場的形狀、回波時(shí)間、方向和強(qiáng)度的改變而產(chǎn)生顯著差異。與此相反，SWI中相位圖會受到含鐵組織的幾何形狀和靜態(tài)主磁場的定位方向等因素影響，導(dǎo)致它不能真實(shí)反映磁化率的空間分布。因此，通過測量相位值來反映相關(guān)腦區(qū)含鐵量的準(zhǔn)確率較QSM低。③QSM可以區(qū)分各種分子磁化率，在檢測順磁鐵和抗磁鈣化上，準(zhǔn)確率高于SWI，這在腫瘤分類中很有用，還可以測量創(chuàng)傷性腦損傷患者的微出血［19］。SWI會因?yàn)閰?shù)選擇的差異影響腦出血檢測的準(zhǔn)確性，QSM的定量磁化率圖可以有效克服諸如回波時(shí)間等參數(shù)對成像信號的影響。④在臨床上，QSM可用于監(jiān)測PD患者的鐵螯合劑去鐵治療，也可監(jiān)測血腦屏障封堵后多發(fā)性硬化病變的陰燃性炎癥和血腦屏障封堵前多發(fā)性硬化病變的活動性炎癥［20］。

兩者相比，QSM的缺點(diǎn)：①多回波序列執(zhí)行時(shí)間較長，整個腦掃描通常需要5-10 m in，是一種較慢的成像技術(shù)。在這段時(shí)間里保持病人的頭部穩(wěn)定并不容易，特別是像患有帕金森這樣疾病的被檢者，不適合進(jìn)行臨床檢查［21］。②由于QSM采集數(shù)據(jù)的方式是3D采集，與SWI成像相比，盡管它已借助于高性能計(jì)算機(jī)采用多種優(yōu)化算法，但在進(jìn)行計(jì)算重建時(shí)仍具有相當(dāng)大的難度。同樣，在QSM 技術(shù)中，哪種TE值最適合評估對腦鐵最敏感的問題仍未完全解決。以上種種原因，使得QSM在臨床使用中不如SWI普及［22］。

定量磁化率圖譜提供了一種新的、定量的磁化率對比，因此可作為組織磁化率的體內(nèi)表征。QSM有望為健康和病變組織中有關(guān)其成分的變化提供獨(dú)特的病因?qū)W診斷信息，該方法向獲得更具體的組織特性成像邁進(jìn)重要一步。此外，該技術(shù)是神經(jīng)成像設(shè)備的一個主要補(bǔ)充，鑒于其較高的特異性，在常規(guī)應(yīng)用中具有重要意義。因此，QSM作為一種定量評估組織特性的MRI工具，其不可或缺的地位越來越突出［23］。

綜上所述，QSM作為近幾年興起的磁共振成像技術(shù)，已經(jīng)在越來越多的定量檢測中顯示出了優(yōu)勢，并在很多科研和臨床中取得了良好的效果。雖然目前一些缺點(diǎn)制約著其發(fā)展，但相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，QSM定會帶給醫(yī)療界不一樣的驚喜。