多参数相位循环平衡稳态自由进动成像在复发缓解型多发性硬化脑组织表征中的应用研究

《JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE IMAGING》：Multi-Parametric Phase-Cycled Balanced Steady-State Free Precession Brain Tissue Characterization in Relapsing-Remitting Multiple Sclerosis

　　

摘要 背景：时间效率高的相位循环平衡稳态自由进动（phase-cycled balanced steady-state free precession, pc-bSSFP）成像是一种新型的微结构和髓鞘敏感的多参数脑组织表征方法，尚未在脱髓鞘疾病如多发性硬化（multiple sclerosis, MS）中进行评估。 目的：采用多参数pc-bSSFP框架，评估复发缓解型多发性硬化（relapsing-remitting multiple sclerosis, RRMS）与健康对照（healthy control, HC）队列白质（white matter, WM）和灰质（gray matter, GM）中的定量弛豫测量指标。 研究类型：前瞻性和回顾性、观察性研究。 研究对象：20例RRMS患者（34.5±5.9岁，女性15/20）和10例HC受试者（33.4±6.9岁，女性5/10）。 场强/序列：3T；T1加权磁化准备快速梯度回波、T2加权液体衰减反转恢复、pc-bSSFP、B1+ mapping、单次激发自旋回波平面成像扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）。 评估：比较RRMS与HC在选定WM和GM感兴趣区（regions of interest, ROIs）中的R1、R2及bSSFP不对称指数（asymmetry index, AI）。采用DTI衍生的纤维-场角度、纤维方向数和各向异性分数进行参数各向异性分析。 统计检验：采用线性混合效应模型检验各指标的组别、ROI及组别-ROI交互效应。队列间各向异性差异采用双侧t检验。ROI和各向异性检验采用错误发现率校正，显著性水平设为pcorr<0.05。 结果：R1（β=?0.16）和R2（β=?2.84）存在显著的组别、ROI及组别-ROI交互效应。AI的ROI效应显著，而组别效应（p=0.450）和组别-ROI交互效应（p=0.747）不显著。年龄和性别协变量均未达到显著性（年龄：p=[0.563, 0.705, 0.591]，性别：p=[0.839, 0.822, 0.179]，分别对应[R1, R2, AI]）。16个ROI中有14个显示RRMS组的R1和R2显著低于HC组（d=?4.25至?0.85）。所有ROI的AI均无显著差异。R2（pcorr≥0.055）和AI（pcorr≥0.108）在RRMS与HC组间的各向异性比较均未达到显著性。 数据结论：相位循环bSSFP弛豫测量显示RRMS中以WM为主的差异，并包含灰质的全脑评估。 证据等级：2。 技术效能：阶段1。

论文解读

一、研究背景与问题

多发性硬化（multiple sclerosis, MS）是最常见的中枢神经系统（central nervous system, CNS）炎症性和神经退行性疾病之一，其发病机制涉及多因素。CNS中形成白质（white matter, WM）快速信号传导核心结构的髓鞘化轴突可能受到活化免疫细胞的攻击，或遭受少突胶质细胞支持功能减退的影响。虽然局灶性病灶的检测是MS的诊断标准之一，但病灶负荷与临床残疾程度的相关性并不理想，因此研究者越来越关注非病灶组织的改变。弥漫性异常白质（diffusely abnormal white matter, DAWM）表现为质子密度和T₂加权图像上非局灶性的轻微信号增高，其数值介于正常表现白质（normal-appearing WM, NAWM）与局灶性病灶之间，已在MS所有临床表型中被报道，且可在疾病早期出现，在临床孤立综合征患者中患病率约25%，在复发缓解型MS（relapsing-remitting MS, RRMS）中高达73%。因此，独立于复发活动的疾病进展已被确定为残疾累积的关键因素。

定量磁共振成像（quantitative MRI, qMRI）旨在提供反映病理组织细微变化的生物物理组织特性的客观指标。纵向（T₁）和横向（T₂）弛豫时间、磁化传递以及扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）指标如各向异性分数（fractional anisotropy, FA）已被报道与离体组织病理学相关，并反映慢性MS表型体内病理改变的严重程度。然而，传统qMRI面临需要采集多个加权对比导致扫描时间长、且通常仅能测量单一生物物理参数的挑战。近年来，多参数（multi-parametric, MP）方法的发展可在临床可行的扫描时间内提供多个配准的定量图，支持神经系统疾病评估。相位循环平衡稳态自由进动（phase-cycled balanced steady-state free precession, pc-bSSFP）成像具有高信噪比效率和体素内频率内容敏感性，可反映组织微结构，但尚未在脱髓鞘疾病中系统评估。本研究旨在展示快速pc-bSSFP全脑成像在RRMS患者与HC比较中的多参数弛豫测量和微结构脑组织表征应用。

二、研究设计与主要技术方法

本研究包含前瞻性部分（MR测量）和回顾性部分（RRMS队列临床信息提取）。共纳入10例健康对照（healthy control, HC）（平均年龄33.4±6.9岁，女性5/10）和20例年龄匹配的RRMS患者（平均年龄34.5±5.9岁，女性15/20），其中4例RRMS因数据不完整或运动伪影导致图像质量不足被排除，最终分析纳入16例RRMS患者。MR实验在3T临床扫描仪（Magnetom Vida, Siemens Healthineers）上进行，采用20通道接收头线圈。研究采用的主要技术方法包括：T₁加权磁化准备快速梯度回波（MPRAGE）和T₂加权液体衰减反转恢复（FLAIR）用于脑组织分割和RRMS患者自动病灶分割；4D全脑pc-bSSFP测量采用12个线性相位增量均匀分布于0–2π范围，用于多参数映射；B₁⁺ mapping序列校正B₁⁺不均匀性；单壳层DTI序列（30个扩散方向，b值=0, 1000 s/mm2）。总MRI采集时间为24分19秒。数据处理方面，采用FastRelax-DL深度学习框架同时估计R₁和R₂弛豫率图，计算bSSFP不对称指数（asymmetry index, AI）；使用AIRAscore自动病灶分割；通过TractoFlow管道进行DTI处理、纤维方向分布函数（fiber orientation distribution function, fODF）估计和全脑纤维束成像；使用BundleSeg将全脑纤维束图分割为WM通路；采用tractometry_flow管道进行纤维束特异性分析。定量指标通过SynthMorph配准至ICBM152标准空间，并计算RRMS受试者的体素级z分数。

三、研究结果

3.1 队列详情

最终分析纳入10例HC（平均年龄33.4±6.9岁，女性5/10）和16例年龄匹配的RRMS患者（平均年龄34.4±6.3岁，女性12/16）。RRMS队列的EDSS评分普遍较低，病程4–7年，表明该队列为已确诊但病情相对较轻、残疾累积有限的MS患者。

3.2 可重复性与方向依赖性

HC受试者的扫描-重扫描可重复性分析显示，R₁、R₂和AI的平均百分比偏差分别为?1.04%±2.40%、?1.91%±2.5%和?0.17%±0.51%，对应的组内相关系数（intraclass correlation coefficient, ICC）分别为0.99、0.97和0.96，表明所提出的多参数框架具有良好的可重复性。纤维-场角度依赖性分析显示，R₂和AI具有较高的各向异性可重复性，所有θ分箱的平均相对差异<0.85%，而R₁因各向异性程度较低而表现出稍高的变异性（平均相对差异最高达2.04%）。比较HC与RRMS非病灶WM的各向异性发现：RRMS组的非病灶WM平均R₁和R₂值显著低于HC组，所有θ分箱的平均差异分别为?0.16±0.01 1/s和?2.41±0.28 1/s（平均效应量：?2.16±0.28和?2.70±0.34）；R₂和AI的强方向依赖性随体素内纤维方向数（number of fiber orientations, NuFO）增加而降低；RRMS队列的R₂和AI各向异性较HC队列在所有NuFO水平均有所降低，但未达到统计学显著性（R₂: p_corr≥0.055；AI: p_corr≥0.108）。

3.3 探索性分析

在MNI空间的定性分析中，代表性RRMS受试者的WM R₁和R₂定量图显示，T₂-FLAIR上标红的局灶性病灶在定量R₁和R₂图上呈高信号（即低弛豫率值），全脑病灶掩膜的绝对z分数均值分别为R₁ 3.61±2.82和R₂ 3.56±2.31。此外，可见z分数超过3但T₂-FLAIR上表现正常的类病灶WM区域，以及z分数在2–3范围的WM区域，提示弥漫性WM改变。纤维束特异性分析显示，皮质脊髓束（corticospinal tract, CST）和上纵束（superior longitudinal fasciculus, SLF1）中，RRMS组的平均R₁和R₂值显著低于HC组，差异最大的部位分别位于CST中段（第10–12段）和SLF1后段（第1–5段），而AI在CST和SLF1中HC与RRMS之间无显著差异。

3.4 统计分析

线性混合效应模型（linear mixed-effects models, LMMs）结果显示，R₁和R₂存在显著的组别效应、ROI效应和组别-ROI交互效应（R₁: β=?0.16；R₂: β=?2.84），而AI的组别效应（p=0.450）和组别-ROI交互效应（p=0.747）不显著。年龄和性别作为协变量在所有指标中均未达到显著性。ROI特异性分析显示，除小脑WM（p_corr=0.189）外，所有ROI的R₁差异均显著；除额叶WM（p_corr=0.107）外，所有ROI的R₂差异均显著。AI在所有ROI中均未达到显著性。效应量最大的ROI包括：R₁方面的大脑灰质（d=?3.71）、丘脑（d=?3.05）和颞顶WM（d=?2.94）；R₂方面的下纵束（inferior longitudinal fasciculus, ILF）（d=?4.25）、颞顶WM（d=?4.03）和枕顶WM（d=?3.52）。总体而言，RRMS非病灶WM的平均R₁、R₂和AI值（分别为1.65 1/s、18.71 1/s和0.05）介于HC WM对应值（1.80 1/s、21.28 1/s和0.05）与病灶值（1.18 1/s、12.46 1/s和0.04）之间。

四、讨论与结论

讨论部分指出，本研究展示了pc-bSSFP成像在RRMS患者中的应用，揭示了非病灶WM的R₁和R₂弛豫率介于HC WM与局灶性RRMS病灶之间。弛豫各向异性的生物物理起源多样，包括髓鞘的各向异性磁化率或髓鞘鞘内残余偶极耦合等。R₂弛豫率随纤维-场角度增大而增加，与既往研究一致。本研究中观察到的RRMS非病灶WM各向异性轻度整体降低可能反映细微的微结构改变。与既往研究一致，RRMS患者非病灶WM弛豫时间增加（即弛豫率降低），且非病灶WM的R₁和R₂改变不太可能主要由整体局灶性病灶负荷解释，提示存在超越局灶性病灶的弥漫性疾病相关效应。沿WM纤维束的组间差异提示潜在的纤维束特异性微结构改变。AI缺乏显著组间差异可能反映其对纤维方向和磁化率驱动的体素内频率分布的强依赖性，在异质性或较大ROI上平均后RRMS与HC之间可能差异不足。短TR pc-bSSFP成像具有无畸变3D笛卡尔编码、高信噪比效率和高各向同性分辨率等优势，是MS疾病中检测小尺寸病灶（如皮层病灶）的有前景的替代方法。研究局限性包括样本量较小、可重复性实验仅在少数HC中进行、协变量信息不足、未进行病灶掩膜手动校正、单壳层DTI数据在交叉纤维估计方面的局限性等。结论部分指出，定量和定性分析表明pc-bSSFP衍生的弛豫测量指标对非病灶WM和GM的微结构变化具有敏感性，各向异性指标在分析数据集中具有可重复性，且RRMS患者非病灶WM中观察到可测量的各向异性降低。所提出的多参数pc-bSSFP框架结合快速、灵活且稳健的拟合算法，可能有助于未来聚焦于MS等神经退行性疾病中细微WM改变表征的研究。