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。

在磁共振成像（MRI）中，当矩阵尺寸增大，且视野（FOV）和层厚减小时，空间分辨率得以提高。然而，分辨率的提高会降低信噪比（SNR），而信噪比与体素体积成正比。信噪比还与测量次数的平方根成正比。在活体人类中，尽管可以在多次独立的成像会话中采集多幅图像，但最终的分辨率受限于生理噪声，例如呼吸、循环脉动和头部运动。

采集了高分辨率（平面内体素为0.35 mm）的质子密度加权扫描图像。质子密度扫描可增强丘脑中灰质与白质的对比度¹，所得图像可最大限度地减少T₁和T₂效应的影响。该成像结果依赖于成像体积内以水以及蛋白质和脂肪等大分子形式存在的质子密度。组织中质子数量的增加会导致磁化纵向分量升高，从而在图像上表现为更亮的信号²。

采集PD加权扫描图像，因为其能提供皮层下结构与周围组织之间更高的对比度。其他对比方式，如T1加权和T2加权成像，由于信噪比相对较低，难以清晰显示外侧膝状体（LGN）等皮层下结构，这一点已在文献ƒ ^1,3中得到证实。

同样，早期研究发现，与T1加权和T2加权图像相比，福尔马林固定的死后脑组织的质子密度加权图像在灰质与白质之间呈现出更高的对比度差异，后者的灰质和白质图像信号强度相似^3,4。这些差异可通过其潜在的生物物理决定因素加以解释。氢质子的T1（纵向）和T2（横向）弛豫时间取决于水分子在组织内的运动方式。福尔马林等固定剂通过交联蛋白质发挥作用。当使用固定剂时，不同类型组织之间水分子运动性的差异会减小。固定后已观察到T1组织对比度降低，而脑组织中质子相对密度的差异则随固定而增加，从而提供更佳的对比度分辨能力^{3, 4}。

既往研究已利用1.5 T设备在质子密度加权扫描中识别出外侧膝状体核（LGN）^5,6,7，并在3 T扫描仪上实现^8,9。获取这些扫描图像对于精确勾画LGN的范围至关重要。为确保对皮层下核团的完全覆盖，在丘脑区域共获取18个质子密度加权切片。每个容积数据被重采样至两倍分辨率（1024矩阵，面内体素大小为0.15 mm），随后进行拼接、运动校正并取平均，以生成皮层下结构的高分辨率三维图像。为满足后续切片定位需求，最佳质子密度图像数量为5幅，可将活体人脑扫描时间缩短至15分钟以内。而在尸检脑组织中，仅需1幅质子密度图像即可清晰界定皮层下区域，扫描时间缩短至3分钟以内（图2 和 图3）。

一名82岁女性因心肺骤停死亡后，对其完整的福尔马林固定尸体脑组织标本进行了扫描。查阅病历显示，该患者患有：慢性阻塞性肺疾病、心绞痛、8年前曾接受三重旁路移植手术、7年前因子宫癌接受子宫切除术、高脂血症、青光眼以及白内障手术。死后脑组织标本在4 °C条件下浸入10%中性缓冲福尔马林溶液中固定，时间不少于3周。该死后脑组织标本采用相同的成像方案，并在多个小时内使用不同参数进行扫描，以比较图像质量。本方案仅描述经过优化的参数。

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”选项卡以创建新协议。观察屏幕上出现的设置窗口，点击“常规”选项卡，并输入以下参数：采集时间 28 秒，采集矩阵 160 × 160，1 层，各向同性体素尺寸 1.6 mm，1 层，FOV = 260 mm，FoV 相位 = 100%，层分辨率 = 69%，相位和层面部分相位傅里叶 = 6/8，TR = 3.15 ms，TE = 1.37 msec，翻转角 = 8°。
4. 将用于采集 PD 图像的层面选择框叠加在定位像上，覆盖丘脑内的皮层下核团以及周围结构（图 4）。

3. 高分辨率结构参数

1. 创建一个新的获取高分辨率PD加权扫描的方案。在屏幕上的设置窗口中，点击常规（Routine）选项卡，并在冠状位方向输入以下参数：采集时间179秒，采集矩阵512 × 512，体素尺寸0.3 × 0.3 × 1 mm³，TR = 3.25秒，TE = 32毫秒，翻转角 = 120°，采用隔层采集方式，读取视野（FoV read）= 160 mm，相位视野（FoV phase）= 100%，并使用并行成像（GRAPPA）技术，加速因子为2。
   1. 采用Turbo Spin Echo序列，回波链长度为5。第一个回波出现在32毫秒，为该序列的有效回波。将带宽（BW）降低至尽可能小的值，即40 Hz/像素，以最大化信噪比（SNR）。为缩短扫描时间，选择18层，每层厚1 mm，视野（FOV）= 160 mm。该扫描范围足以覆盖感兴趣的皮层下区域。
      注意：为可靠识别皮层下结构，建议使用上述参数进行5次扫描。总扫描时间仅约15分钟（图5）。未使用脂肪抑制技术。
2. 在尸体脑成像中，采用与步骤3.1相同的扫描方案，仅需一次扫描即可清晰识别皮层下结构，总扫描时间仅约3分钟（图6）。

4. 图像分析

注意：为了分析 MRI 数据，可使用免费的 FMRIB 软件库（FSL）软件包，该软件包可从以下网址下载：https://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/。

1. 打开终端窗口，使用 DICOM 转 NIfTI 转换工具将来自扫描仪的每个 PD 体积的原始 DICOM 文件转换为 NIfTI 格式。此类转换工具可免费下载（例如., https://www.nitrc.org/projects/mricron）。在命令行中输入 dcm2nii，后跟每个PD加权图像序列的目录路径。
2. 在终端窗口中获取原始PD扫描的参数。在命令行中输入 fslinfo，后接NIfTI格式的PD扫描文件。
3. 创建一个高分辨率的空白图像目标体积，其分辨率是原始PD扫描通过fslinfo获取参数所给分辨率的两倍，体素大小为原来的一半。该命令的数据输入顺序如下：
   fslcreatehd <xsize> <大小> <zsize> <tsize> <xvoxsize> <yvoxsize> <zvoxsize> <tr> <xorigin> <yorigin> <zorigin> <数据类型> <页眉名称>
   注意：例如，如果按照3.1节所述参数采集原始PD扫描数据（即， 512 × 512 矩阵，18 层，0.3 × 0.3 × 1 mm³ 体素大小，TR = 3.25 s），在命令窗口中输入以下内容：
   fslcreatehd 1024 1024 36 1 0.15 0.15 0.5 3.25 0 0 0 4 blankhr.nii.gz
4. 使用单位矩阵定义变换。在任意文本编辑器中输入以下内容，并将文件保存为“identity.mat”：
   0 0 0
   1 0 0
   0 1 0
   0 0 1
5. 使用 flirt 命令进行变换，将每个原始 PD 加权序列上采样至总分辨率翻倍，即从 512 矩阵增至 1024 矩阵，同时使每个维度的体素尺寸减半，最终获得 0.15 × 0.15 × 0.5 mm 的分辨率³在每个 PD 体积的终端窗口中，输入以下 flirt 命令，并根据每次运行情况更改原始文件名和输出文件名：
   flirt -interp sinc -in originalPD.nii.gz -ref blankhr.nii.gz -applyxfm -init identity.mat -out highresPD.nii.gz
   注意：在以下情况下 originalPD.nii.gz 是源体积, blankhr.nii.gz 是期望的输出分辨率，highresPD.nii.gz 是输出图像的文件名。
6. 将所有高分辨率图像移至一个新文件夹，并在终端窗口中导航至该文件夹。
7. 对于每位受试者，使用 fslmerge 将所有上采样的 PD 图像拼接成一个单一的 4D 文件。在终端窗口中输入：
   fslmerge -t concat_highresPD *.nii.gz
   注意：这将生成一个名为 concat_highresPD.nii.gz 的 4D 文件。
8. 使用 mcflirt 对拼接后的文件进行运动校正 ¹⁰ 该工具可实现线性（仿射）脑部图像的跨被试及跨模态自动化稳健配准。选择四阶段校正方法，该方法在内部采用sinc插值作为进一步优化步骤，以提高配准精度。在终端窗口中输入以下命令：
   mcflirt -in concat_highresPD -out mcf_concat_highresPD.nii.gz -stages 4 -plots
   注意：这将生成一个名为 mcf_concat_highresPD.nii.gz 的 4D 文件。
9. 最后，使用 fslmaths 创建三维平均图像。在终端窗口中输入以下命令：
   fslmaths mcf_concat_highresPD.nii.gz -Tmean mean_highresPD.nii.gz
   注意：这将生成一个名为 mean_highresPD.nii.gz 的高质量 3D 文件
10. 使用 fslview 命令可视化最终结果的三维高分辨率图像。在图像所在目录中，于终端窗口输入以下命令：
    fslview mean_highresPD.nii.gz"
11. 检查所关注 ROI 的强度分布曲线。使用 fslview 创建 ROI（例如，在 LGN 的某个区域上绘制一条垂直线）。在 fslview 中加载高分辨率 PD 图像，点击工具选项卡，然后点击单幅图像选项卡以放大图像，便于绘制 ROI。接着点击文件选项卡，再选择创建掩模选项卡，在目标 ROI 区域内绘制一条线。通过点击文件选项卡，然后选择另存为，保存该 ROI。针对同一 ROI 内多个区域或其他待分析 ROI，重复绘制线状掩模，以进行强度比较。
12. 使用 AFNI 的 3dmaskdump 命令分析图像的最终强度。在图像所在目录中，于终端窗口执行以下命令，以提取感兴趣区域（ROI）掩膜的图像强度及位置信息（结果保存为 result_mask.txt）：
    3dmaskdump -o result_mask.txt -noijk -xyz -mask ROI_linemask.nii.gz PDaverage_image.nii.gz

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