定量磁化率成像方法及临床应用进展

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文章来源：中华放射学杂志,54(9):-

作者：孙彤彤吴巧玲倪红艳

摘要

生物组织磁化率的变化能够为临床提供丰富的病理信息。近年来，定量磁化率成像因其能定量测量磁化率而成为新的研究热点，随着研究的不断深入与完善，定量磁化率成像在数据采集及图像后处理等方面遇到的诸多问题正逐步被解决，在临床上的应用也更加广泛，具有重要的临床价值和应用前景。笔者主要就定量磁化率成像的成像方法及临床应用进行综述。

磁化率反映了生物组织在外磁场中的磁化程度，其数值大小可以体现组织成分的变化。钙化、脂肪等抗磁性物质具有负磁化率，而脱氧血红蛋白、含铁血黄素等是顺磁性物质，具有正磁化率，故磁化率可以为临床提供丰富的病理信息。定量磁化率成像（quantitativesusceptibilitymapping，QSM）是一种定量测量组织磁化率的技术，从相位信息中得到组织磁场的变化，再通过反演计算得到磁化率的值。传统的MRI技术仅利用幅度信息进行成像，相位图因缺乏组织对比、噪声大等缺点常被舍弃。Haacke等[1]利用相位信息开发了磁敏感加权成像（susceptibilityweightedimaging，SWI），SWI是一种相位对比增强成像技术，反映了不同组织间的磁敏感性差异。QSM同样利用了相位信息来测量组织的磁化特性，但使用了不同于SWI的后处理方法，实现了磁化率的定量测量。目前，QSM技术已成功应用于铁沉积、血氧饱和度的测量、鉴别出血及钙化等方面。笔者主要就QSM技术的成像方法以及临床应用进行综述。

一、QSM的成像方法

（一）数据采集

QSM成像的基础是梯度回波（gradientecho，GRE）序列，因为GRE序列依靠梯度场的切换产生回波，不能剔除主磁场不均匀造成的质子失相位，因而对磁场不均匀性特别敏感，有助于测量组织间的磁敏感差异。理论上，任何GRE序列都可以用于数据采集，但在实际应用中，最佳成像参数与扫描对象和扫描部位等有关。因为磁敏感差异反映在相位图上，所以除了采集幅度图以外，相位图也需要被采集并用于图像的重建。高分辨率成像、适当的回波时间和流动补偿等技术的加入有助于获得更准确的磁化率图。

1.单回波GRE序列和多回波GRE序列：单回波GRE序列和多回波GRE序列都可以用于QSM的数据采集。相比于单回波的方式，多回波可以在一次激励中同时采集多个回波信号，且对磁场变化更敏感。多回波GRE序列的读出梯度的设置又可分为单极和双极，单极梯度是在相同的梯度极性下采集所有回波，保证了回波之间的相位一致性，但增加了回波间隔，降低了采集效率；双极梯度在正、反两种梯度极性下均采集回波，降低了回波间隔和扫描时间，有利于患者在单次屏气的时间内完成扫描，减少了运动伪影，但双极梯度的应用也带来了奇偶回波相位误差，Li等[2]提出线性相位校正的方法解决了此问题，并在头部成功应用，使QSM测量结果更精确。

2.高分辨率成像：QSM可以测量每个体素的相对磁化率值，因此高分辨率成像是获得准确磁化率值的基础。QSM的数据采集分为三维（threedimension，3D）采集和二维（twodimension，2D）采集，3D采集不需要进行层面选择，射频脉冲直接对成像区域进行容积激发，层间分辨率增大；而2D采集时相邻层面之间存在间隙，不仅分辨率低，还降低了相位信息的可靠性，从而导致QSM对组织磁化率值的错误估计，故在QSM的数据采集中，使用3D采集的方式效果较好。

3.缩短回波时间：在利用QSM测量铁含量时，由于铁的顺磁性作用，随着回波时间的延长，信号强度会逐渐降低。当器官出现重度铁过载时，信号衰减会更加快速，且随着MR场强从1.5T增加到3.0T，信号的衰减速度也加倍，常规的GRE序列因回波时间不够短，不能满足信号采集的需要。一项关于QSM和肝脏3D数字模型的研究结果显示，最短回波的回波时间为2.5ms时，可估计的最高肝脏铁含量（liverironconcentration,LIC)约为12mgFe/g干重，当最短回波的回波时间为5.0ms时，可估计的最高LIC为约6mgFe/g干重[3]，而严重铁过载患者的LIC可达约40mgFe/g干重，这就要求成像时必须缩短回波时间。超短回波时间（ultra-shortechotime，UTE）序列通过使用半脉冲激发和选层梯度中心辐射状采集可缩短第一回波时间，将UTE序列与QSM结合可以增大肝脏铁含量测量的动态范围，解决了肝脏重度铁过载定量困难的问题[4]。

4.流动补偿：组织的磁敏感信息包含在GRE成像产生的相位图中[1]，血管内的血液流动会导致相位错误，破坏相位值与回波时间之间的线性关系，从而产生显著的流动伪影，致使在QSM图上测得的磁化率值不准确，故需要进行流动补偿以矫正相位错误。翁鹏飞等[5]在3.0TMR系统上开发了3D多回波流动补偿梯度回波序列，在相位编码方向、频率编码方向和层面选择方向均添加流动补偿梯度，水模实验和志愿者颅脑扫描实验的结果均显示，该技术消除了流动伪影，为准确测量血管内的磁化率，定量测量血氧饱和度提供了技术支持，提高了QSM的准确性。

（二）后处理方法

虽然SWI与QSM都以GRE序列为基础，两者都反映了组织间的磁敏感差异，但两者后处理方法不同。SWI是将相位图与幅度图加权融合，得到的仅是磁敏感差异导致的相位变化的信息，是磁化率的半定量测量方法；而QSM通常是对相位图进行拟合后，再进行相位解缠绕和背景场去除的处理得到局部组织场图，最后经过复杂的由场溯源的反演计算，得到定量磁化率分布图，可计算每个体素的相对磁化率值。此外，QSM克服了对比度的取向依赖性和非局部性的缺点，更好地反映了组织成分的变化[6]。

1.QSM图的重建：QSM的后处理过程分为多步重建和单步重建两种。多回波数据的后处理选择多步重建时，需要经过场图拟合、相位解缠绕、背景场去除和磁化率反演4个过程的处理来得出QSM图。而单回波的数据则不需要场图拟合。相位解缠绕即对存在缠绕现象的相位数据进行展开，较典型的算法有拉普拉斯算法[7]和区域生长法[8]。拉普拉斯算法中的算子可以经过傅里叶变换快速实现，所以处理数据速度快，但图像更偏于平滑。区域生长法是从质量最优点出发，利用相邻相位点间的连续性，逐点扩展计算直至所有区域完成，该法虽速度慢，但在相位变化明显的区域，其准确性高于拉普拉斯算法。背景场去除包含低频背景场的过滤和组织边界处伪影的消除两部分内容，常用的背景场去除方法，包括投影到偶极场法[9]、相位数据的复杂谐波伪影减少法[10]、简化边界值求解拉普拉斯方程法[11]。磁化率反演即使用偶极核对局部组织场进行去卷积以获得磁化率分布的情况，是一个由场溯源的逆向求解过程，多方位采样计算磁化率[12]的方法是磁化率反演的金标准，但此方法通常需要三个方向采样，限制了在临床的应用。而单步重建可以将这3个步骤融合为1个或2个步骤，使QSM重建更加自动化，不依赖于中间预处理方法及相关参数，较为典型的算法有具有总广义变化的方法、全场反演法以及使用Tikhonov正则化来寻求最小范数解的最小范数QSM法[13,14,15]。

2.后处理过程中去除脂肪干扰：脂肪的存在会影响磁化率值的准确估计，因为脂肪是抗磁性物质，而铁呈顺磁性，用QSM技术估计铁含量时，脂肪的存在会导致铁含量的低估。Lin等[16]在QSM后处理过程中结合了水-脂分离技术，校正了脂肪化学位移的影响，实现了QSM对铁和脂肪含量的同时定量，该研究结果表明，校正后的QSM测得的肝磁化率值与FerriScan测得的R2值明显相关，同时获得的脂肪分数与磁共振波谱成像得到的脂肪含量高度相关，去除脂肪干扰后，QSM显示了对肝铁含量分级诊断的优效性能。

3.在后处理过程中去除伪影：QSM中常见的伪影有运动伪影和条纹伪影。运动伪影与被检者的不配合及其生理运动有关，可以通过限制被检者的运动来减少，而条纹伪影则需采用特殊的后处理算法来消除。在大静脉，高顺磁性对比剂摄取区或颅内出血等区域，因局部存在极端的磁化率值导致了条纹伪影的产生，Li等[17]开发的基于改进的稀疏线性方程和最小二乘的算法（improvedsparselinearequationandleast-squares，iLSQR）用于消除QSM的条纹伪影，然而在脑出血等组织磁化率变化较大区域，iLSQR法抑制条纹伪影不尽理想。Wei等[18]进一步开发了减少QSM条纹伪影的方法（streakingartifactsreductioninQSM，STAR-QSM），使用两级正则化方法重建磁化率值，结果表明，在头部成像中，STAR-QSM比iLSQR去除条纹伪影效果更好，同时还保留了清晰的解剖细节。

4.参考区域的选取：利用QSM技术测定的组织磁化率值是相对值而不是绝对值，因此需选定一个合适参考区域来计算磁化率。参考区域的磁化率值应当是稳定的，不受个体差异、年龄、疾病进程等的影响；所选定的参考区域要容易被识别和勾画出来，以便参与ROI磁化率的计算。在头部QSM成像中，有学者将包含脑脊液、内囊、胼胝体和尾状核等在内的多个参考区域进行比较，结果表明内囊和脑脊液是最合适的参考区域[19]；也有研究表明，大脑皮层灰质体积大，其磁化率受铁和髓鞘的影响小，建议将其作为参考区域[20]。在腹部QSM成像中，因皮下脂肪[21]和背部肌肉[16]的磁化率均匀且个体间差异小，因此常用来做参考区域；另外，动脉和静脉内血液的磁化率值也可用作参考[3]，但由于血液流动可能导致相位错误，其准确性还有待进一步验证。

二、临床应用

（一）QSM在头部的应用

1.铁代谢相关的神经退行性疾病的诊断与疗效评估：非血红素铁是大脑内主要的顺磁性物质，大量存在于脑内深部灰质结构中，而QSM可以量化每个体素的磁化率值，准确地测量脑内铁含量。在帕金森病、阿尔茨海默病、亨廷顿舞蹈病和多发性硬化等神经退行性疾病中，可以观察到大脑深部灰质结构中的过量铁沉积，而且铁沉积的量与疾病的严重程度相关[22,23,24]。因此通过QSM对铁浓度的量化，可以早期检测神经退行性疾病，并判定疾病的发展程度及预后情况。帕金森病主要是由于黑质致密部多巴胺能神经元的丢失，造成运动迟缓、肌肉僵直，这与铁沉积有关，故利用QSM检测黑质铁沉积的增加，对于帕金森病早期诊断有重要意义。同时，还可以将QSM用于帕金森病的铁螯合治疗法[25]，监测脑内铁含量的变化，以判断治疗效果。多发性硬化患者表现为运动、感觉和视觉功能障碍，其重要特征为脑白质内多灶性的脱髓鞘改变及深部脑核团内铁沉积增加。髓鞘为逆磁性物质，而铁为顺磁性物质，QSM对磁场的变化非常敏感，可定量观测病灶情况，准确评估疾病严重程度，为了解疾病发展及转归提供参考[26]。

2.脑出血的诊断与疗效评估：脑出血具有较高的患病率及病死率，血肿大小和血肿是否增长是诊治过程的重要指标。目前使用CT估计血肿体积比较常见，但患者会因此受到辐射。传统的GRE序列中出血点处的低信号的形状和大小随成像参数变化，并受伪影的困扰。QSM可有效克服对成像参数的依赖性，抑制伪影；其对脱氧血红蛋白及含铁血黄素等顺磁性物质具有很高的敏感度，故在检测微出血的敏感度较CT及传统GRE序列高，不仅可以精确地发现出血灶，提供血肿体积的可靠测量值，还能判断脑出血的进展程度以及监测治疗，满足患者治疗期间重复检查且不受辐射的需要[27]。QSM对小出血灶的检出优势，对于弥漫性轴索损伤等外伤患者的诊断和治疗也有很大的意义。

3.颅内出血与钙化的鉴别：颅内出血提示外伤、卒中、动脉瘤等疾病，而钙化则可能与炎症、结核、囊虫病等有关，故需对两者进行鉴别。出血和钙化在常规MRI上形态和信号较类似，对两者的鉴别比较困难。QSM反映了不同物质之间的磁敏感差异，钙化成分属于抗磁性物质，在QSM图上呈低信号，而出血表现为顺磁性，呈高信号，因此QSM可以很容易地将两者识别并区分开来，具有非常高的灵敏度（90%）和特异度（95%）[28]。

4.脑血氧饱和度测定：血氧饱和度作为一种生物学指标，可以评估缺血性脑卒中神经元活力，是判断患者的预后情况的重要指标。由于氧气结合引起的血红素铁中电子配对的差异，造成氧合血红蛋白是抗磁性的，脱氧血红蛋白是顺磁性的，QSM利用脱氧血红蛋白的浓度与磁化率之间的线性关系，可以无创地测定血氧饱和度。QSM结合三维流动补偿技术，纠正血管内血液流动引起的相位错误导致的流动伪影，可以使磁化率值更加准确[5]。此外，Zhang等[29]使用QSM和动脉自旋标记技术测量注射咖啡因前后脑血流量的变化。

5.脑肿瘤良、恶性辨别及治疗监测：恶性肿瘤细胞代谢旺盛，血供丰富，因此其小血管分布密集，血氧饱和度高，有多发出血的倾向。QSM能准确鉴别出血及钙化，对小血管显示敏感，能清晰显示肿瘤内血管生成，还可以无创测量血氧饱和度，基于上述优势，对肿瘤的良恶性鉴别具有重要意义。此外，放射治疗后的患者往往伴有肿瘤内部的少量出血及钙化，Deistung等[30]对脑胶质瘤患者的研究表明，QSM对肿瘤放射治疗患者的疗效监测具有重要价值。

6.深部脑刺激靶标的可视化：深部脑刺激是帕金森病治疗的一种手段，丘脑底核或苍白球内侧核是临床上主要选择的刺激靶点。电极导联装置放置的准确性是决定手术是否成功的重要因素，CT引导的手术图像中基底神经节的对比度较差，MRI的T2WI提供了比CT更好的组织对比度，但丘脑底核或苍白球内侧核的可视化仍不尽理想。丘脑底核是一种高铁含量的组织，QSM在显示脑深部的核团具有明显的优势，大大提高了对比度噪声比，消除T2WI中存在的模糊，可用于丘脑底核的可视化[31]。

（二）QSM在肝脏的应用

当人体因为大量长期输血等因素导致体内铁含量增多时，肝脏作为主要的储存铁的器官首先发生铁沉积，过量的铁诱发机体产生大量活性氧，使机体处于氧化应激状态，最终导致细胞凋亡和组织器官的损伤[32]。临床上常采用LIC这个指标来评估人体内铁含量的情况，肝穿刺活检的方法是测定LIC的金标准，但属于有创性操作；人体血清中的铁蛋白可以间接评估体内铁含量，但波动性较大并不可靠。MR检查因可行性高、简便准确、无电离辐射等优点在评估人体铁沉积含量方面发挥着重要的作用。年，Sharma等[21]首次将QSM成像应用于肝脏，发现无论在1.5T还是在3.0T的场强下，QSM都可以有效地评估肝脏铁过载。利用组织的R2*值来定量测量铁含量，这种技术的准确性常受到脂肪、纤维化或水肿等因素的干扰，而Li等[33]研究证明，QSM对这些干扰因素的敏感度低，测量结果更为准确。此外，Dimov等[34]提出了一种用于含有脂肪组织的QSM，使用全自动迭代算法和化学位移校正技术，显著减少了QSM图像上的伪影，保留了精细的解剖结构，提高了磁化率值的准确度。Lin等[16]使用水-脂肪分离方法去除了混杂的化学位移，并将QSM与水脂分离技术结合，同时量化铁和脂肪水平。上述研究均证实了QSM在肝铁过载患者中的应用价值。

（三）QSM在心脏的应用

QSM在人体内心脏的应用受到了限制，主要挑战有心脏和呼吸运动伪影、心外膜脂肪的化学位移效应以及肺部和周围组织中的空气产生磁化率混淆。Wen等[35]采用15s的屏气来暂停呼吸，数据采样被定时到舒张中期以最小化心脏运动，结合去除脂肪化学位移技术，消除了肺部空气对心脏磁化率的贡献，证明了心脏QSM的可能性，并成功测量了心脏的血氧饱和度，这为无创性评估心肌梗死时心肌的状态、心力衰竭患者的心功能以及测量先天性或后天性心脏病患者的血液分流部分奠定了基础。心肌梗死或心室肥大等疾病会造成心肌纤维的结构变化，因此心肌纤维的状态是评价心脏功能的重要指标之一，有研究将QSM与扩散张量成像结合，形成磁化率张量成像，证实心肌纤维的磁化率是各向异性的，垂直于磁场的肌纤维呈抗磁性，而平行于磁场的肌纤维呈顺磁性，这为检测心肌纤维的含量和完整性、评估心肌微观结构和功能奠定了基础[36]。

（四）QSM在其他方面的应用

QSM还在其他方面成功地进行应用，基于椎体的磁敏感度差异，QSM可以评估患者的骨质疏松状态[37]；不安腿综合征是与铁缺乏相关的神经感觉运动障碍性疾病，QSM无创检测铁缺乏可以为该病提供新的诊治方法[38]；利用QSM研究1型血管紧张素受体缺陷小鼠的肾脏炎症和纤维化[39]；前列腺癌患者的近距离放射治疗，需要植入放射性粒子，QSM有望代替CT进行粒子的可视化观察和定位[40]；利用QSM测量系统性红斑狼疮患者的氧气提取分数，预测疾病进程[41]；在7.0T的场强下，利用QSM进行脑干成像，可以观察到更精细的解剖结构，图像质量更好[42]。

三、总结与展望

QSM的主要优势是能够定量测量组织磁化率的变化，临床化、常规化和自动化是未来的发展趋势。但在临床环境中利用QSM进行成像还面临很多挑战，包括缩短采集时间、改善脂肪和水的分离、减少伪影等，这需要MR设备制造商、工程师的支持以及工作站性能的不断优化。随着后处理算法的不断改进，在MR扫描仪或后处理工作站上形成自动化的QSM处理软件，一站式完成数据采集与图像后处理，是未来的发展方向。目前QSM的研究主要集中在中枢神经系统，肝脏、心脏、肾脏、乳房、血管、椎体和软骨等部位的应用有待充分发展及优化。QSM在更高场强下、更高分辨率的成像研究以及与UTE、血氧水平依赖成像或平面回波成像等技术的联合使用也是未来的研究趋势。此外，基于磁化率的各向异性，磁化率张量成像应运而生，在显示大脑白质纤维的走行、追踪肾小管在肾脏全层的走行、对全心标本进行纤维示踪成像等方面的优势将成为未来的研究热点。

参考文献（略）

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