人类皮层下结构的高分辨率结构性磁共振成像 在体 内 和死后

摘要

本文介绍了一种用于确定为分辨皮层下结构所需采集并平均的最少图像数量的实验方案，并检验在无生理噪声干扰的情况下是否能够分辨外侧膝状体（LGN）的各个个体层次。

摘要

本研究旨在检验死后人脑结构磁共振成像相对于活体人脑的分辨率极限。结构磁共振成像的分辨率 体内 最终受限于生理噪声，包括脉动、呼吸和头部运动。尽管成像硬件持续改进，仍难以分辨毫米尺度的结构。例如，初级视觉感觉通路在丘脑的外侧膝状体核（lateral geniculate nucleus, LGN）处形成突触，LGN 是一个视觉中继和调控核团，通常由六层交错排列的单眼神经层构成。由于这些神经层厚度小于1毫米，神经影像学研究尚无法可靠地区分它们。

通过长时间（约24小时）多次成像并进行平均，测试了死后脑组织中结构磁共振成像（MRI）的分辨极限。目的是检验在无生理噪声干扰的情况下，是否能够分辨外侧膝状体核（LGN）的各个分层。采用质子密度（PD）¹加权脉冲序列，通过改变分辨率及其他参数，确定为可靠区分LGN及其他皮层下区域所需进行配准和平均的最少图像数量。研究结果还与活体人脑获取的图像进行了比较。在体受试者接受了扫描，以评估生理噪声对区分皮层下结构所需最少PD扫描次数的额外影响，该信息对临床应用具有重要意义。

引言

本研究旨在测试在无生理噪声干扰的情况下，结构磁共振成像（MRI）的分辨率极限。通过对一例死后脑组织进行长时间（约两个24小时的扫描会话）的质子密度（PD）加权成像，以确定为分辨出皮层下结构所需配准并平均的最少图像数量。作为对比，还在多个扫描会话中对活体人类受试者获取了PD加权图像。具体目标是评估在理想条件下是否有可能分辨出人外侧膝状体核（LGN）全部六个独立的层次结构，这些层次的厚度约为1 mm（图1）。

图1. 人类外侧膝状体核的分层结构。 外侧膝状体（LGN）的层状结构示意图。大细胞（M）层由较大的神经元细胞和较低的细胞密度组成，负责感知运动和粗略轮廓（第1-2层，图中显示为深灰色）。小细胞（P）层由较小的神经元细胞和较高的细胞密度组成，负责感知精细形态和颜色（第4-6层，图中显示为浅灰色）。比例尺：1 mm。本图基于染色的人类LGN绘制¹²。

方案

1. 受试者与尸检脑组织准备

注意：所有图像均使用配备32通道头部线圈的3 T磁共振成像（MRI）扫描仪获取，所有MRI扫描均在室温（约20 °C）下进行。所有受试者均为右利手，并已签署知情同意书。每位受试者均身体健康，无神经系统疾病史。实验方案经约克大学人类受试者审查委员会批准，并遵循其指导方针。

1. 要求每位参与者填写并签署患者知情同意书，其中详细说明磁共振成像（MRI）安全指南及神经影像学检查方案。
2. 为每位参与者双耳佩戴耳塞，并使用垫片固定其头部，以尽量减少头部运动。
3. 对于尸检后脑组织成像，确保脑组织在神经影像扫描前已完成固定，并置于适合MRI头部线圈的袋或容器内。将尸检后脑组织放入头部线圈时，使其z轴（由上至下）与扫描仪孔道方向一致，脑干（后部）朝向扫描床足端。
4. 在尸检后脑组织周围放置真空固定垫以提供额外支撑。

2. 亚皮质区域的定位与划定

注意：丘脑是位于大脑中心附近、中脑与大脑皮层之间的双侧叶状结构。位于背侧丘脑内的人外侧膝状体（LGN）是一个较小的皮层下结构，其最大延伸长度约为10 mm。

1. 要注册一名新受试者，请打开 MRI 成像软件，点击左上角的“患者”选项卡，然后点击“注册”。
2. 填写相应的患者信息，然后点击“检查”选项卡。
3. 为获取定位像扫描，请点击“检查浏览器”选项卡以创建新....

结果

一旦在丘脑内确定了皮层下区域，便在切片选择框内采集质子密度加权图像（图 4）。信噪比随着死后样本和活体样本中平均次数的增加而提高 体内 扫描。为了评估图像质量，通过将大脑区域平均信号除以脑外某区域的标准差，比较不同扫描平均次数下的信噪比（SNR）。信噪比计算公式为 SNR = 0.655 * µ_组织/σ_空气 ¹¹ ，其中 µ_组织 表示脑区内某一感兴趣区域（ROI）的平均像素强度值， σ_空气 表示图像背景空气中无鬼影伪影区域的感兴趣区（ROI）噪声的标准偏差，0.655 因子表示幅度图像中背景噪声的瑞利分布（Rician distribution）图2）。在仅需约3分钟采集时间的单个质子密度加权容积图像中，尸检脑组织即可清晰显示皮层下结构的界限，而获取至少5个质子密度加权的平均图像（约15分钟）则是 体内 脑部以清晰显示皮层下结构的界限（图3.......

讨论

本研究描述了一种优化的图像采集与分析技术方案，旨在获得高分辨率的皮层下区域PD加权图像。通过测试并调整多个扫描参数，其中对信噪比（SNR）影响最为显著的参数包括矩阵大小、体素大小和带宽，以提高信噪比并减少采集次数，这是准确识别高分辨率皮层下结构的关键步骤。在确定活体人类受试者中的最优参数的同时，本研究还在理想条件下测试了磁共振成像（MRI）设备的绝对性能极限，即通过扫描离体脑组织排除运动伪影及患者检查时间限制的影响。在未来的研究中，该高分辨率图像可在对样本进行切片和染色前用作参考模板。

既往研究已描述了适用于1.5 T设备对福尔马林固定的死后脑组织进行高分辨率质子密度（PD）结构成像的合适弛豫时间及最优扫描方案^3,13。本研究对参数进行了优化，从而缩短了扫描时间，更适合临床应用。我们成功报告了左侧和右侧外侧膝状体（LGN）的最大in vivo平均扫描图像中的线强度分布。我们绘制了最大平均扫描图像的线强度分布曲线（40次in vivo扫描，100次死后扫描）。左侧和右侧in vivo的LGN清晰显示出对应于六.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Magnetom Trio 3T  MRI	西门子（德国埃朗根）。
真空垫手部固定装置	西门子	物料号：4765454	制造商：Johannes-Stark-Stk. 8 D-92224 Amberg