定量磁敏感图在神经系统中的研究进展
刘孟辉;刘建玲;周志凌;欧阳丽蓉;邢妩;王小宜;廖伟华
【摘 要】Quantitative susceptibility mapping (QSM) is an imaging technique which utilizes the pha data of magnetic resonance imaging to detect magnetic nsitive material in vivo and to measure the susceptibility value. Becau of the post-processing method was different from that of susceptibility weighted imaging (SWI), the QSM has more accurate magnetic susceptibility quantification and higher tissue contrast than SWI. In recent years, QSM has achieved rapid development in the studies of central nervous system. This paper aimed to summarize the rearch progress in the studies of iron deposition of deep brain nuclei in neurodegenerative dias, the mechanism of cerebral white matter lesions, identification of calcifications and hemorrhage, indication of brain microstructure etc, in order to improve the understanding of QSM and broaden its scope of rearch.%定量磁敏感图(QSM)是一种基于MR相位检测体内的磁敏感物质并准确计算其磁化率值的成像技术,相较于传统的磁敏感加权成像,因其后处理方法不同而具有更
精确的磁化率定量及更高的组织间对比度.近年来,QSM在中枢神经系统的研究中快速发展,就QSM在神经系统退行性疾病脑内深部核团铁质沉积、脑白质病变机制探讨、钙化与出血性病变的鉴别以及脑内细微结构的显示等方面的研究进展进行综述,以提高对QSM的认识并进一步拓宽其研究范围.
【期刊名称】《国际医学放射学杂志》
【年(卷),期】2017(040)003
【总页数】4页(P258-261)
【关键词】磁敏感定量成像;磁敏感加权成像;铁质沉积;钙化;出血
【作 者】刘孟辉;刘建玲;周志凌;欧阳丽蓉;邢妩;王小宜;廖伟华
【作者单位】中南大学湘雅医院放射科,长沙 410011;中南大学湘雅医院放射科,长沙 410011;中南大学湘雅医院放射科,长沙 410011;中南大学湘雅医院放射科,长沙 410011;中南大学湘雅医院放射科,长沙 410011;中南大学湘雅医院放射科,长沙 410011;中南大学湘雅医院放射科,长沙 410011
【正文语种】中 文
【中图分类】R742;R445.2
磁敏感加权成像（SWI）是一种以T2*加权序列为基础，依据不同组织间的磁敏感性差异提供对比度，采用3D梯度回波扫描、射频脉冲扰相、完全速度补偿等的MR成像技术。SWI原始图像包括幅度图和相位图，幅度图是弛豫过程中质子形成的信号强度，相位图反映质子的相位位移改变。最终的SWI图由相位图经过高通滤波去除因局部磁场不均匀性造成的低频扰动伪影，产生相位蒙片后与幅度图多次相乘、叠加形成。SWI最初应用于脑铁测量技术是通过测定组织横向弛豫相关的参数（R2，R2*或R2’）来反映铁含量[1]，但这些方法存在两个主要缺陷：①组织的横向弛豫率受到除铁以外其他因素的影响比较大；②横向弛豫率和铁浓度之间的关系并非线性。
定量磁敏感图（quantitative susceptibility mapping,QSM）是一种基于MR相位的脑铁定量技术，从相位信息中演算得到组织的磁敏感分布。QSM与SWI原始图像是一致的，区别在于后处理的方法不同。QSM主要经过以下后处理步骤得到：①相位图像上将相位信息解缠绕。②基于幅度图的脑结构提取。③消除宽大的背景场。④设定阈值(一般为0.1)来划分k空
间的界限，最终计算重建出磁化率图像。在QSM后处理过程中，尤为值得注意的是背景场的处理。SWI过程中，由于场强的不均匀性、组织界面的磁化率变化等的影响，往往会产生一个较为宽大的背景场，过大的背景场会使图像的对比度降低。针对这一问题，Schwer等[2]和Liu等[3]研究小组分别提出了复杂谐波伪影去除法(sophisticated harmonic artifact reduction for pha data，SHARP)和偶极场投影法(projection onto dipole fields，PDF)。SHARP算法的特点是能够有效保持兴趣区内部信息，避免了外部磁场的扰动；PDF算法的优势在于有效地去除空气-组织交界面的低频伪影。QSM另一个关键问题是图像重建算法，目前QSM重建算法主要为多方向采样磁化率计算方法、贝叶斯正则化方法和k空间加权微分法等方法[4-6]。使用这些重建算法，利用磁敏感效应引起的相位位移改变能间接反映物质相对含量的特点，获得具有反映局部磁场的磁场率图像，从而对兴趣区组织中某些物质（主要为铁沉积）的相对含量进行测量。再者，由于相位信息的解缠绕以及去除了背景场，避免了空气-组织交界面处的低频相位位移伪影，QSM具备很高的组织间对比度及空间分辨力，主要表现为顺磁性的物质（如铁等）为明亮的高信号，逆磁性物质（如钙、髓鞘）为较暗的低信号。QSM不仅对于组织的磁敏感率变化具有很高的敏感性，又具有定量测量物质相对磁化率的特点，使其在中枢神经系统疾病研究中取得飞速发展。
自QSM技术出现以来，一直有研究者针对脑深部核团铁含量与QSM值的相关性进行研究，为QSM判定脑铁含量提供依据。Langkammer等[7]通过尸检取得脑标本，发现采用化学方法测定的脑组织平均铁浓度与QSM测量的磁化率值呈明显正相关，两种方法测得的脑内深部核团含铁量的分布存在一致性，由高至低依次为苍白球、壳核、尾状核头、丘脑、白质。白质内铁浓度与磁化率值虽然存在一定的相关性，但其相关性相对深部核团较低，这是由于白质内含逆磁性的髓鞘,表明QSM是一种有效、准确评估脑内深部核团铁含量的手段。
1.1 中枢神经系统退行性疾病多种中枢神经系统退行性疾病的发生发展与脑内铁质沉积相关联，而且以深部核团铁质沉积明显。目前已有研究采用QSM技术探讨阿尔茨海默病（Alzheimer dia, AD）、帕金森病（Parkinson’s dia,PD）、亨廷顿病（Huntington dia,HD）、肌萎缩侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis,ALS）和原发性侧索硬化症（primary lateral sclerosis,PLS）等脑内深部核团铁含量的变化。Acosta-Cabronero等[8]的研究表明AD病人壳核的磁化率值较正常组高，其他核团无明显差异。关于PD的QSM研究相对较多，发现早期PD病人中脑黑质的磁化率值较对照组高，且与PD综合评分相关[9-11]。Domínguez等[12]发现HD病人苍白球、壳核、尾状核的磁化
率值均较正常组高，症状型HD病人壳核及尾状核QSM值与疾病的严重程度呈正相关。Schweitzer等[13]研究表明相较于T2WI,T2*WI、液体衰减反转恢复（FLAIR）序列，QSM对ALS和PLS病人的诊断准确性较高。
1.2 系统性红斑狼疮（systemic lupus erythematosus，SLE）SLE是一种全身性疾病，部分病人可以出现神经精神症状或是脑实质器质性病变，临床上将其称之为狼疮脑病。临床上，部分狼疮脑病病人常规MRI表现正常，而且MRI异常改变也是以白质为主。但Ogasawara等[14]研究发现常规MRI表现正常的狼疮脑病病人，其壳核的磁化率值显著升高，并且与病程呈明显正相关，这可能与脑组织代谢紊乱、炎症、梗死及微出血等引起的局部铁质沉积有关，为探讨狼疮脑病等的机制提供了新方法和思路。
1.3 正常人脑内深部核团铁沉积研究一些研究者[15-18]采用QSM对正常人群进行研究，结果显示正常人群中壳核磁化率值与年龄呈正相关，女性红核与黑质磁化率值较男性低，提示在实验设计中应当考虑年龄、性别等因素匹配，避免影响实验结果。由于不同疾病脑内铁含量升高的核团可能存在差别，而QSM有助于显示与各种神经系统疾病相关的脑内深部核团铁含量的变化，故QSM有望成为疾病的生物标记，应用于疾病的诊断及严重程度的评估。
相较常规MRI和R2*，QSM不仅能够发现多发性硬化（multiple sclerosis,MS）的更多脑白质病变，而且可以发现位于灰质的病变[19-21]。QSM还有助于揭示MS脑白质病变的病理生理机制，QSM上病变呈高信号的原因在于脱髓鞘与铁沉积。由于位于灰质的病变，其髓鞘含量低，故脱髓鞘对于QSM信号改变影响甚小；反之，深部脑白质髓鞘含量高，脱髓鞘改变可能是引起QSM高信号的最主要原因[20]。Zhang等[22]在纵向研究中发现，不同阶段的病变于QSM上具有不同的信号特点及不同的磁化率值，无论脑白质病变处于哪个阶段，磁化率值均高于正常脑白质区域。他们亦发现病变在强化-无强化阶段内磁化率值明显增高，至无强化慢性期磁化率值相对减低，但仍高于正常脑白质，以此可以判断病变的进展情况，明确其是处于慢性期还是急性发病期等，从而指导临床治疗。
QSM可以无创性地了解MS病变的病理机制，更敏感地发现病变，根据其病变的信号特点及磁化率值可以了解疾病进展的过程。
3.1 鉴别颅内钙化与出血钙化和出血是许多颅内疾病的共同病理特征。出血可能与脑卒中、颅脑外伤、恶性肿瘤卒中、血管畸形、动脉瘤等有关，而钙化可能与脑结核、囊虫病、少突胶质细胞瘤等有关，所以钙化与出血的鉴别对于某些疾病的明确诊断、预后评估
及治疗选择极其重要。常规的MRI无法鉴别钙化与出血，SWI上出血往往表现为混杂信号，难与钙化区分。QSM可以很直观地鉴别出钙化与出血[23]，具体表现为钙化呈低信号，出血呈高信号。通过比较，QSM对于钙化与出血具有很高的特异性，QSM与CT影像上观察到的钙化基本符合。利用QSM对脑出血的纵向研究发现，脑出血各期QSM均呈高信号，其相应的磁化率值均呈高值，各期磁化率值改变大致为：超急性期至急性期明显升高达峰值，亚急性早期至亚急性晚期逐渐下降，亚急性晚期至慢性期稍升高并维持于一定水平[24]。关于亚急性早期至亚急性晚期磁化率值下降的可能原因为巨噬细胞吞噬正铁血红蛋白以及组织间液对正铁血红蛋白的稀释所致。Deistung等[25]利用QSM对胶质瘤术后或者放化疗联合治疗后术区的出血与钙化进行鉴别，结果发现QSM能够很好地鉴别出血与钙化，而且可以整体、细致地观察术区的情况，这也可能弥补病理检查取材的局限性，因此推测，QSM能够间接反映血管增生情况，将来有可能用于脑内肿瘤的分级，对肿瘤术前、术后进行准确评估，成为现代精准医疗的一种有效辅助手段。
3.2 识别脑内微出血脑内微出血是脑内微小血管病变所致的、以微小出血为主要特点的一种脑实质亚临床损害。见于高血压、缺血性或出血性卒中、外伤、脑淀粉样血管病等。及时、精确地发现微出血对于上述疾病严重程度及预后的评估具有重要意义。常规MRI发现
和诊断微出血存在困难，已有许多研究证实SWI发现微出血存在较大的优越性。随着QSM技术的出现，准确发现微出血已不再是难题，并且其较SWI更具有优势。首先，QSM较常规SWI能够发现更多微出血灶[23]；其次，不论其回波时间长短[26]，各个回波时间下QSM发现脑内微出血无明显差异。SWI随着回波时间的变化，其微出血灶的体积会发生改变，其测量的值亦变化较大，而QSM无论回波时间长短，其总的磁化率值与微出血灶的体积不会发生改变，可以说QSM检测微出血具有不取决于回波时间的物理属性。
3.3 评估颅内海绵状血管瘤的出血量颅内海绵状血管瘤往往合并不同程度的反复出血，出血量与预后有关。常规MRI无法评估出血量，动态对比增强MRI虽然可以计算出病变的渗透系数，反映血管壁的通透性，但也无法直接评估出血量。而QSM可以直接监测病变出血量，且与血管壁的通透性相关，用以评估预后[27]。
3.4 颅内静脉的显示及血氧饱和度的测量QSM较常规的SWI能够更加清晰地显示颅内静脉血管。原因在于一方面QSM在后处理过程中利用相位信息解缠绕且去除背景场，很好地去除了颅骨交界面带来的伪影[28]；另一方面QSM利用特有的重建算法，解决了成像受限于血流方向的问题，故QSM更能全面清晰地显示颅内静脉情况，较SWI具有更高的可视性及
可靠性。血管内铁代谢的改变可以间接反映血氧水平，而QSM可以对铁沉积定量，因此QSM可以间接监测颅内血氧饱和度，对于脑卒中病人，通过监测血氧饱和度可以评估其预后，血氧饱和度低的病人预后相对较差[29-30]。
由于QSM具有高分辨力、高对比度，可以较为清晰地分辨出苍白球的内侧份、外侧份及中间的内髓板[31]。QSM也能辨别出高分辨MRI难以辨认的底丘脑核团[32]，底丘脑核团为PD和肌张力障碍病人刺激电极植入的位点，迄今为止电极的精确植入是一个难题，随着QSM的出现，有望解决这一难题。
