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本期内容给大家介绍一种成像技术,NM-MRI,神经黑色素敏感成像技术。
关键词:neuromelanin, Parkinson's disease (PD), NM-MRI, substantia nigra (SN)
本期内容给大家介绍一些新的MRI成像技术,对于诊断或者科研还是非常有用的。
神经黑色素敏感成像,这个词可能听过的人不是太多,如果不是专门搞神经影像接触得比较少。神经黑色素敏感成像 (n eurom elanin sensitiveMRI , NM-MRI),又被简称为NM-MRI 。其中,neuromelanin 是神经黑色素 ,sensitive则代表这个序列对于神经黑色素这种成分敏感,可以用来探测或者检测神经黑色素的含量。神经黑色素是多巴胺能神经元 (dopaminergic neurons )中的深色色素。
一.临床背景
神经黑色素敏感成像技术的提出,肯定是为了解决临床问题,那么这种技术主要是用来进行帕金森病的早期诊断,被认为是非常有潜力的一种生物标志物 (Biomarkers)。
帕金森病 (Parkinson's disease,PD )是一种常见的中老年神经退行性疾病。PD诊断主要依据患者的典型临床表现,比如静止性震颤 ,但是早期PD与另外一种震颤性疾病特发性震颤 (essential tremor,ET )比较难鉴别。影像学表现如果能够早期提示或者诊断PD则是非常有用的,因为PD目前尚无根治方法,只能够早期诊断,给予保护性的治疗。在震颤性疾病中,排第一的是ET,第二的就是PD。一般认为ET大部分是良性的,但也可能造成功能丧失。而PD就比较严重了,是一种进行性的神经退行性疾病。研究发现,PD患者在早期黑质(substantia nigra, SN)中的多巴胺能神经元就已经死亡了30%。神经黑色素NM存在于黑质多巴胺能神经元中,神经黑色素可以结合有毒的金属离子,比如铁离子,起到对细胞的保护作用。而PD患者黑质中神经黑色素明显缺失,这就给影像诊断PD提供了一些依据。
图1、2:正常人和帕金森病患者相比,黑质的变化(左边正常人,右边帕金森病患者)[1]
这里注意,等下要讲解剖,黑质的位置可能和上面的图1、2都不同,这是由于很多书籍在进行解剖展示的时候,有时候下方是前,上方是后。神经黑色素NM可以和铁离子结合,形成神经黑色素-铁复合物,这种复合物具有顺磁性效应,可以导致T1值缩短,因此采用T1加权像来得到高信号可以反映NM的含量。另外神经黑色素-铁复合物还可以产生磁化传递效应 (magnetization transfer,MT ),因此扫描中也可以加入MTC来进行成像。
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二.相关解剖
要进行黑质的神经黑色素成像,首先得了解解剖,熟悉黑质的位置和形态。
图2:黑质解剖结构[2](冠状位)
如图2所示,黑质位于中脑大脑脚背侧皮质内的核团。
图3:黑质解剖结构[2](横切面)(注意图片中的前后,这个下面是A前,上面是后P)
根据解剖结构,可以把黑质分为:外侧部,黑质网状部 (substantia nigra pars reticulate, SNr )和黑质致密部 (substantia nigra pars compacta,SNc )。黑质致密部和外侧部与A9组的多巴胺能神经元相联系,黑质的网状部由大的多极细胞组成。
三.影像解剖
影像解剖由于是断层扫描,可能由于切层的原因,黑质在MRI上显示的并不像解剖图像上一样,所以这里特意地写一下黑质的影像MRI解剖。
图4:黑质的MRI解剖[3]
如图4所示,图中红色的区域为黑质,准确地说应该是黑质的致密部(SNc)居多。由于这个区域有黑色素-铁复合物,所以在不同序列中,其信号强度不同。
理论上,在T2加权像或者T2-FLAIR中应该为低信号,显示为黑色;而在T1WI中则应该为高信号,显示为白色。
这里要注意,很多学影像的都经常把红核和黑质一起喊,红核 (nucleus ruber, NR ),不要写成red nucleus在不同层面它和黑质的位置关系不同,这一点原来也困扰我。我看有些图,红核明明是在黑质的前面,怎么有些层面红核又跑到黑质后面了。大家看书的时候要注意图片的前后。
图5:红核和黑质的MRI解剖
如图5所示,蓝色 区域是黑质SN ,红色 区域是红核NR 。
四.NM-MRI序列
铺垫了这么多,咱们回到主题,还记得主题是什么吗?就是神经黑色素敏感成像NM-MRI。其实主要就是为了显示黑质中的神经黑色素。前面我们讲了,黑色中的神经黑色素可以和游离的铁离子结合形成神经黑色素-铁复合物。
神经黑色素本身具有顺磁性,能够缩短组织的T1值和T2值,这点和黑色素瘤的信号特点一致,也就是在T1WI上应该表现为高信号,而在T2WI上表现为低信号。当然,黑质由于比较小,而且神经黑色素含量不一定多(特别是PD的患者),如果成像序列不敏感,则不容易显示。否则用常规的T1WI及T2WI就可以,为什么要费劲提出NM-MRI。
神经黑色素-铁复合物又具有磁化传递效应,所以目前国际上比较认可的NM-MRI主要采用的序列是以T1WI为主的梯度回波序列结合MT(磁化传递技术)。当然,要很好地显示黑质,还需要把空间分辨率做高,图像信噪比做大。
为了更精确的定位,一般可以先进行一个T1WI结构像扫描,采用的是磁化准备的3D T1WI梯度回波序列,比如西门子的MP-RAGE或者飞利浦的3D T1-TFE。
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扫描完结构性之后,再采用这些图像来定位就比较精确了。此时可以进行NM-MRI成像,一般推荐的序列是2D或者3D的梯度回波T1WI序列再结合磁化传递技术[4]。
我这里也设计了一个序列,如果比较规范化的,应该先扫描一个3D T1WI,进行三个方位重建,然后定位。其实扫描一个快速SWI,采用SWI图来定位是非常方便的,本身SWI对于核团的显示就比较清楚。
图6:NM-MRI扫描方案
如图所示,比较规范化的扫描是先扫描一个3D T1WI,然后重建三个方位,然后来定位。当然,先扫描一个SWI也是可以的。
图7:NM-MRI定位
五.NM-MRI序列扫描参数
这个部分相信是大家最关心的,就是NM-MRI序列的扫描参数。我们还是以目前大部分公认的3D梯度回波T1WI结合磁化传递的序列来作为NM-MRI序列给大家介绍参数。
查阅了大部分国外的NM-MRI文献,发现,用不同设备做的,参数差异大。而且即使同样用飞利浦做的,同样是3T,按照文献里的Method参数,调出来差异很大。
究其原因,还是因为大部分文献的参数,写得不完全。我查了很多文献,对比度参数非常缺失,可能就写了一个TE、TR,实际上如果是3D FFE或者3D TFE,光有这个,大家是改不出来的。
图8:NM-MRI图像
图9:NM-MRI图像
如图所示,图中亮的那个就是黑质,这个图像还是不错的。由于采用的是志愿者扫描,需要记住,黑质中多巴胺能神经元、铁、神经黑色素含量和年龄也有关系。我发现年龄大一点的,扫描出来要明显一点。比如我们看SWI,年龄60多岁的,比30多岁的,明显红核和黑质要清楚得多。
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图10:这个SWI,红核和黑质非常明显
上图所示的SWI,效果非常明显,但不是每个人都这样,这也和年龄及神经黑色素含量有关。
说回NM-MRI序列,我是在飞利浦3D FFE的基础上修改的(注意是FFE不是TFE),最早有日本文献是采用3D TFE的[5]。
图11:序列参数一览
好多文献写的FOV是220,其实不用这么大,140~160mm就足够了。相位编码方向RL左右,采集体素方面,当然体素越小分辨率越高,但是太小了,信噪比低了。我自己试了很多序列,差不多采集体素在0.75~0.85mm之间是可以接受的,再小了时间长,信噪比低;再大了,边界显示不清楚。重建体素可以设置为0.4mm左右。
由于是3D序列,扫描层厚可以1mm,内插0.5mm。因为只关注黑质这个区域,所以扫描层数可以缩小,扫描范围精准,这就要求定位精准了,这也是为什么推荐用SWI的图来定位。
图12:NM-MRI序列对比度参数
有人怕信噪比不够,可以NSA设置为2,这样扫描时间会翻倍,此时可以增大一点并行采集。比如我图12的序列,2次采集,扫描时间7分钟。
上面是对比度的参数,这个是非常重要的,我直接把图给出来,大家可以修改。
TR设置为shortest,TE推荐采用2.3mm(第一个同相位时间),TE要达到2.3ms,需要采集带宽保证足够。
这里一个关键是磁化传递MTC要打开,选择off resonance,很多文献给了详细的MTC的参数,比如翻转角和频率。实际上很多公司的MTC你是看不到参数的,打开,选择off resonance就可以了。
图13:这个参数非常关键
打开MTC后,TR会显著延长,这是没办法的,而且扫描时间会延长。但是,如果关闭MTC,信噪比很很低,而且没有对比。我做了测试,大家可以看下图。
图14:左边MTC打开,右边MTC关闭
图14所示,关闭MTC,基本上黑质神经黑色素的高信号就很不清楚,显示得很差。打开MTC还有一个好处是降低其他脑组织的信号。
图15:NM-MRI对比度参数
图15显示了另外一些扫描参数。TR设置最短,因为打开了MTC,实际上的采集TR会达到85ms。TE设置为最短的同相位时间(2.3ms,有的公司是2.2ms)。
WFS非常重要,WFS越小,采集带宽越小,信噪比越高,但是最短TE会延长。所以,要保证TE=2.3ms,WFS不能太小,用户可以自己试几个,看最小能让你多小。我这边试了不同序列,一般最小到达0.75-0.8就是极限了。
翻转角是另外一个重要的参数,因为有Ernst最佳翻转角。
NM-MRI这个序列可以发现,翻转角减少,信噪比反而增加。大部分文献推荐是30°或者40°。但是,翻转角减少,T1对比度减少。所以,我这边设置的是30°或者25°。
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基本的参数就给大家了,大家应该能把这个序列调出来。当然,我还是强调一点,不同年龄组的人,扫描出来,神经黑色素的亮度、范围可能会有微小差异。有的人扫描出来,对比度非常明显;有的人扫描出来,感觉神经黑色素显示的范围不是那么大。
图16:NM-MRI图像
有文献推荐采用2D的梯度回波结合MTC来做,这里不推荐。我测试了一下,2D的梯度回波,扫描层厚1.5mm,扫描出来的图像,脑池会亮,这样基本上就很难看了。
图17:2D的NM-MRI序列,虽然黑质及神经黑色素也显示了,但是脑池亮了
六.总结
本期给大家介绍了一下NM-MRI序列,可能有部分老师没有听说过这种成像技术,通过本文大家可以尝试一下。
参考文献 :
National Library of Medicine
Susan Standring(主编), 徐群渊(主译).格氏解剖学(第39版) [M]. 北京大学医学出版社, 2008.
Li C, Chen M, Zhao X, et al. Chemical Exchange Saturation Transfer MRI Signal Loss of the Substantia Nigra as an Imaging Biomarker to Evaluate the Diagnosis and Severity of Parkinson's Disease [J]. Front Neurosci , 2017, 11.
Salzman G, Kim J, Horga G, et al. Standardized Data Acquisition for Neuromelanin-sensitive Magnetic Resonance Imaging of the Substantia Nigra [J]. J Vis Exp , 2021, 08 (175).
Ogisu K, Kudo K, Sasaki M, et al. 3D neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging with semi-automated volume measurement of the substantia nigra pars compacta for diagnosis of Parkinson’s disease [J]. Neuroradiology , 2013, 55 (6).
2022.2.18 周五 于 福州
Viktor Lee 李懋
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