CN102743173B - 无创测量脑组织铁含量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无创测量脑组织铁含量的方法。使用磁共振仪器对参与者行全脑的磁敏感序列，并保存所得图像数据中的幅度图像；分别测量每位参与者脑区域中的尾状核、壳核、苍白球、丘脑、红核、黑质、额叶白质以及延髓的平均信号强度，分别除以作为内参照的延髓的平均信号强度，得到相对幅度信号强度数据；对所得的相对幅度信号强度数据进行正态分布转换后，与尸检研究公布的相同年龄段人群的脑区域铁含量分布数据进行pearson线性相关分析，并根据相关性分析结果拟合出简易关系方程。本发明不仅能无创准确评估脑内铁含量，并且在测量的时候只需要在简单的第三方图像处理软件上测量与计算即可，而无需使用特定的工作站。
Description
技术领域
本发明涉及一种在医学神经影像方面对脑铁含量进行无创测量的方法。
背景技术
脑内铁沉积与某些神经退行性疾病有关，随着医学影像学的发展，很多磁共振的参数值被用来评估脑组织铁含量，比较公认的包括：相位值（phase value）、有效横向弛豫率（R2*）、定量磁敏度（quantitative susceptibility）等。但是这些参数对于铁含量的反映都存在一定的缺陷：如相位值因为相位信息存在方向性，而导致在某些特定脑区域（比如苍白球）处的铁含量测不准；R2*同时包含了磁场以及脑组织的信息，不同的组织成分对其值存在一定的影响；同时各种不同的磁共振参数，诸如回波时间（echo time，TE）、重复时间（repetition time，TR）等的数值设定对于前述指标都有一定的影响。而定量磁敏感技术虽然不随回波时间等的改变而出现较大的变动，但是由于其高敏感性以及脑白质区域的神经元髓鞘纤维存在抗磁性导致该方法对于脑铁含量的存在受到一些影响，尤其在白质区域内几乎无法准确显示。最后，上述指标通常都需要特定的工作站进行图像数据的后处理及测量，使得临床应用受到一定的限制。
发明内容
为了克服现有测量脑铁含量指标存在的某些特定脑区域测不准、受不同参数影响、需要特定工作站等局限性，本发明的目的是提供一种无创测量脑组织铁含量的方法。
无创测量脑组织铁含量的方法，它的步骤如下：
1）招募健康人群参与者，年龄分布为30-100岁，每位参与者签署知情同意书；
2）使用磁共振仪器对参与者行全脑的磁敏感序列，并保存所得图像数据中的幅度图像；
3）在幅度图像上分别测量每位参与者脑区域中的尾状核、壳核、苍白球、丘脑、红核、黑质、额叶白质以及延髓的信号强度，尾状核、壳核、苍白球、丘脑、红核、黑质根据解剖结构进行选取，得到平均信号强度；对于额叶白质及延髓则分别选取200个体素大小的区域，得到平均信号强度；
4）将上述尾状核、壳核、苍白球、丘脑、红核、黑质、额叶白质脑区域平均信号强度分别除以作为内参照的延髓的平均信号强度，得到相对幅度信号强度数据；
5）对所得的相对幅度信号强度数据进行正态分布转换后，与尸检研究公布的相同年龄段人群的脑区域铁含量分布数据进行pearson线性相关分析，并根据相关性分析结果拟合出简易关系方程；
6）对于待测者的脑组织铁含量的测量，只需测量该待测者的脑组织所在脑区域及延髓的幅度图像平均信号强度后，使用步骤5）中得到的简易关系方程计算该脑组织的铁含量。
所述的磁共振仪器的磁场强度为3.0特斯拉，具备三维多回波梯度回波成像功能。
所述的磁共振仪器参数设定为：采用三维多回波梯度回波，共11个等时间距回波：第一个回波时间 = 4.5 毫秒，回波间隔时间 = 4.5毫秒，重复时间 = 58毫秒，偏转角 = 20°，矩阵 = 256 × 256，视野 = 240 × 240 平方毫米，层厚 = 2.0 毫米，并且层间距为0 毫米，分辨率 = 0.4688 × 0.4688 毫米/像素。
本发明不仅能无创准确测量脑内铁含量，并且在测量的时候只需要在简单的第三方图像处理软件上测量与计算即可，而无需使用特定的工作站；操作过程简单、快速、经济，可用于不同人群任意脑区铁含量的快速无创测定。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
图1是特定脑组织结构示意图
图2 是尸检脑铁含量与log（RMSI）的关系及方程
图1中，尾状核1、壳核2、苍白球3、丘脑4、红核5、黑质6、额叶白质7、延髓8。
具体实施方式
无创测量脑组织铁含量的方法的步骤如下：
1）招募健康人群参与者，年龄分布为30-100岁，每位参与者签署知情同意书；一般选取数量为20例以上。
2）使用磁共振仪器对参与者行全脑的磁敏感序列，并保存所得图像数据中的幅度图像；磁敏感序列可选用多回波采集T2*加权的三维梯度回波序列（Enhanced gradient echo T2* weighted angiography，ESWAN）。
3）在幅度图像上分别测量每位参与者脑区域中的尾状核1、壳核2、苍白球3、丘脑4、红核5、黑质6、额叶白质7以及延髓8的信号强度（见图1），尾状核1、壳核2、苍白球3、丘脑4、红核5、黑质6根据解剖结构进行选取，得到平均信号强度；对于额叶白质及延髓则分别选取200个体素大小的区域，得到平均信号强度。
4）将上述尾状核1、壳核2、苍白球3、丘脑4、红核5、黑质6、额叶白质7脑区域平均信号强度分别除以作为内参照的延髓8的平均信号强度，记为“相对幅度信号强度（relative magnitude signal intensity，RMSI）”；尸检研究报告显示延髓处的铁含量在脑内个区域中最低（请见下表，出处：Hallgren, B., Sourander, P. 1958. The effect of age on the non-haemin iron in the human brain. J Neurochem 3(1), 41-51.），因此选取延髓8处的平均信号强度作为内参照。
表：人脑内不同区域铁含量分布情况（30-100岁人群尸检结果）
| 样本数 | mg 铁/100g 脑组织 | |
| 苍白球 | 55 | 21.30 |
| 红核 | 44 | 19.48 |
| 黑质 | 52 | 18.46 |
| 壳核 | 56 | 13.32 |
| 尾状核 | 58 | 9.28 |
| 丘脑 | 52 | 4.76 |
| 额叶白质 | 59 | 4.24 |
| 延髓 | 41 | 1.40 |
5）对所得的相对幅度信号强度数据进行正态分布转换后，与尸检研究公布的相同年龄段人群的脑区域铁含量分布数据（请见上表，出处：Hallgren, B., Sourander, P. 1958. The effect of age on the non-haemin iron in the human brain. J Neurochem 3(1), 41-51.）进行pearson线性相关分析，并根据相关性分析结果拟合出简易关系方程；
6）对于待测者的脑组织铁含量的测量，只需测量该待测者的脑组织所在脑区域及延髓8的幅度图像平均信号强度后，使用步骤5）中得到的简易关系方程计算该脑组织的铁含量。
所述的磁共振仪器的磁场强度为3.0特斯拉，具备三维多回波梯度回波成像功能。
所述的磁共振仪器参数设定为：采用三维多回波梯度回波，共11个等时间距回波：第一个回波时间 = 4.5 毫秒，回波间隔时间 = 4.5毫秒，重复时间 = 58毫秒，偏转角 = 20°，矩阵 = 256 × 256，视野 = 240 × 240 平方毫米，层厚 = 2.0 毫米，并且层间距为0 毫米，分辨率 = 0.4688 × 0.4688 毫米/像素。
实施例
1）招募年龄为30-100岁的健康人群30例，签署知情同意书。
2）使用GE公司生产的磁场强度为3.0 特斯拉的磁共振仪器（Signa Excite HD，General Electric Medical System，Milwaukee，USA）对参与者行全脑的多回波采集T2*加权的三维梯度回波序列（Enhanced gradient echo T2* weighted angiography，ESWAN），并保存所得图像数据中的幅度图像（magnitude images）。所设定的参数如下：采用三维多回波梯度回波，共11个等时间距回波：第一个回波时间 = 4.5 毫秒，回波间隔时间 = 4.5毫秒，重复时间 = 58毫秒，偏转角 = 20°，矩阵 = 256 × 256，视野 = 240 × 240 平方毫米，层厚 = 2.0 毫米，层间距为0 毫米，分辨率 = 0.4688 × 0.4688 毫米/像素。
3）在幅度图像上分别测量每位参与者脑区域中的尾状核1、壳核2、苍白球3、丘脑4、红核5、黑质6、额叶白质7以及延髓8的信号强度（见图1），尾状核1、壳核2、苍白球3、丘脑4、红核5、黑质6在幅度图像上有明确的解剖边界，所以勾画所有层面（slices）上可见结构，计算平均信号强度；对于额叶白质及延髓则分别取200个体素大小的区域，计算平均信号强度。
4）将上述尾状核1、壳核2、苍白球3、丘脑4、红核5、黑质6、额叶白质7脑区域平均信号强度分别除以作为内参照的延髓8的平均信号强度，得到相对幅度信号强度（RMSI）。
5）所得相对幅度信号强度（RMSI）数据呈偏态分布，进行自然对数变换，得到log（RMSI），并与尸检研究公布的相同年龄段人群的脑铁含量分布数据做pearson线性相关分析，结果为：r = -0.987，p < 0.001。并拟合生物学方法测得的脑组织铁含量与参与者平均log（RMSI）的简易线性估计方程（见图2），为：y = 1.829 - 27.339x，R2 = 0.974。其中y为脑铁含量，单位为“mg 铁/100g 脑组织”，x为log（RMSI）。
6） 
对一位待测的40岁健康男性，在幅度图像上根据丘脑的解剖边界选择所有层面上的可见结构，测量其平均信号强度；在延髓处选取两个层面，共200个体素大小的区域，计算其平均信号强度。该待测者的丘脑平均信号强度为：2957，延髓平均信号强度为：3317。使用丘脑信号强度除以作为内参照的延髓信号强度，得到（RMSI），并取自然对数为log（RMSI）。该待测者的丘脑log（RMSI）为：-0.115（保留三位有效数字）。带入简易估计方程内：y = 1.829 - 27.339x，R2 = 0.974。其中y为脑铁含量，单位为“mg 铁/100g 脑组织”，x为log（RMSI）。本实施例中该40岁健康男性丘脑铁含量为：4.973 mg 铁/100g 脑组织（保留三位有效数字）。
对于一位60岁健康女性，在幅度图像上根据苍白球的解剖边界选择所有层面上的可见结构，测量其平均幅度信号强度；在延髓处选取两个层面，共200个体素大小的区域，计算其平均信号强度。本实施例中，该待测者的苍白球平均信号强度为：1857，延髓平均信号强度：4102。使用苍白球信号强度除以作为内参照的延髓信号强度，得到（RMSI），并取自然对数为log（RMSI）。本实施例中该待测者的苍白球log（RMSI）为：-0.793（保留三位有效数字）。带入简易估计方程内：y = 1.829 - 27.339x，R2 = 0.974。其中y为脑铁含量，单位为“mg 铁/100g 脑组织”，x为log（RMSI）。本实施例中该60岁健康女性的苍白球铁含量为：23.509 mg 铁/100g 脑组织（保留三位有效数字）。
结果表明，本发明操作过程简单、快速、经济，可用于不同人群任意脑区铁含量的快速无创测定，其适用范围广泛，并易于推广。
Claims (3)
1.一种无创测量脑组织铁含量的方法，其特征在于，它的步骤如下：
1）招募健康人群参与者，年龄分布为30-100岁，每位参与者签署知情同意书；
2）使用磁共振仪器对参与者行全脑的磁敏感序列，并保存所得图像数据中的幅度图像；
3）在幅度图像上分别测量每位参与者脑区域中的尾状核（1）、壳核（2）、苍白球（3）、丘脑（4）、红核（5）、黑质（6）、额叶白质（7）以及延髓（8）的信号强度，尾状核（1）、壳核（2）、苍白球（3）、丘脑（4）、红核（5）、黑质（6）根据解剖结构进行选取，得到平均信号强度；对于额叶白质及延髓则分别选取200个体素大小的区域，得到平均信号强度；
4）将上述尾状核（1）、壳核（2）、苍白球（3）、丘脑（4）、红核（5）、黑质（6）、额叶白质（7）脑区域平均信号强度分别除以作为内参照的延髓（8）的平均信号强度，得到相对幅度信号强度数据；
5）对所得的相对幅度信号强度数据进行正态分布转换后，与尸检研究公布的相同年龄段人群的脑区域铁含量分布数据进行pearson线性相关分析，并根据相关性分析结果拟合出简易关系方程；
6）对于待测者的脑组织铁含量的测量，只需测量该待测者的脑组织所在脑区域及延髓（8）的幅度图像平均信号强度后，使用步骤5）中得到的简易关系方程计算该脑组织的铁含量。
2.根据权利要求1所述的无创测量脑组织铁含量的方法，其特征在于：所述的磁共振仪器的磁场强度为3.0特斯拉，具备三维多回波梯度回波成像功能。
3.根据权利要求1所述的无创测量脑组织铁含量的方法，其特征在于：所述的磁共振仪器参数设定为：采用三维多回波梯度回波，共11个等时间距回波：第一个回波时间 = 4.5 毫秒，回波间隔时间 = 4.5毫秒，重复时间 = 58毫秒，偏转角 = 20°，矩阵 = 256 × 256，视野 = 240 × 240 平方毫米，层厚 = 2.0 毫米，并且层间距为0 毫米，分辨率 = 0.4688 × 0.4688 毫米/像素。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Inventor after: Lou Min Inventor after: Yan Shenqiang Inventor after: Sun Jianzhong Inventor before: Yan Shenqiang Inventor before: Lou Min Inventor before: Sun Jianzhong |
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