黑质神经黑色素敏感磁共振成像的标准化数据采集

摘要

本方案展示了如何获取黑质的神经黑色素敏感磁共振成像数据。

摘要

多巴胺能系统在正常认知功能（例如奖赏学习和不确定性处理）以及神经精神疾病（例如帕金森病和精神分裂症）中起着关键作用。神经黑色素是多巴胺合成过程中产生的一种副产物，会在黑质中的多巴胺能神经元内积聚。神经黑色素敏感磁共振成像（NM-MRI）是一种无创性测量这些多巴胺能神经元中神经黑色素的方法，可直接反映黑质中多巴胺能细胞的丢失情况，并间接评估多巴胺功能。尽管研究表明NM-MRI在研究多种神经精神疾病方面具有应用价值，但其在头-足方向上的成像视野有限，可能导致部分黑质区域意外被排除在成像范围之外，从而造成数据丢失。此外，目前该领域尚缺乏标准化的NM-MRI数据采集方案，而这一标准化步骤对于推动大规模多中心研究以及临床转化至关重要。本方案详细描述了一种逐步实施的NM-MRI容积定位操作流程以及在线质量控制检查方法，以确保获得覆盖整个黑质的高质量成像数据。

引言

神经黑色素（NM）是一种存在于黑质（SN）多巴胺能神经元和蓝斑（LC）去甲肾上腺素能神经元中的深色色素^1,2。NM 由细胞质中多巴胺和去甲肾上腺素的铁依赖性氧化合成，并储存在胞体的自噬空泡中³。它在人类中最早出现于约 2–3 岁，并随年龄增长而逐渐积累^1,4,5。

在黑质（SN）和蓝斑（LC）神经元含有神经黑色素（NM）的囊泡内，NM与铁形成复合物。这些NM-铁复合物具有顺磁性，因此可利用磁共振成像（MRI）对NM进行无创可视化^6,7。能够可视化NM的MRI扫描被称为对NM敏感的MRI（NM-MRI），其通过直接或间接的磁化转移效应，实现高浓度NM区域（如黑质）与周围白质之间的影像对比^8,9。

磁化转移对比度源于大分子结合水中的质子（这些质子会被磁化转移脉冲饱和）与周围自由水中的质子之间的相互作用。在黑质磁共振成像（NM-MRI）中，人们认为黑质-铁复合物的顺磁性会缩短周围自由水质子的T₁弛豫时间，从而减弱磁化转移效应，使得黑质铁含量较高的区域在NM-MRI扫描中呈现高信号强度¹⁰。相反，黑质（SN）周围的白质含有丰富的大分子，导致较强的磁化转移效应，因此这些区域在NM-MRI扫描中表现为低信号强度，从而在黑质与周围白质之间形成高对比度。

在黑质中，神经黑色素磁共振成像（NM-MRI）可作为多巴胺能细胞丢失的标志物¹¹ 以及多巴胺系统功能¹²这两个过程与多种神经精神疾病相关，并有大量的临床和临床前研究工作支持。例如，精神分裂症患者中已广泛观察到多巴胺功能的异常； 体内 使用正电子发射断层扫描（PET）的研究表明，纹状体多巴胺释放增加^13,14,15,16 多巴胺合成能力增强^{17,18,19,20,21,22}此外，尸检研究显示，精神分裂症患者基底神经节中酪氨酸羟化酶（催化多巴胺合成的限速酶）的水平升高。²³ 和 SN^24,25.

多项研究已探讨了多巴胺能细胞丢失的模式，尤其是在帕金森病中。尸检研究显示，黑质（SN）中的色素性多巴胺能神经元是帕金森病神经退行性变的主要部位^26,27，且尽管帕金森病中黑质细胞的丢失与正常衰老过程中的细胞丢失无相关性²⁸，但其与疾病的持续时间呈正相关²⁹。与其他大多数研究多巴胺能系统的方法不同，神经黑色素磁共振成像（NM-MRI）具有无创性、成本效益高且不使用电离辐射的优势，使其成为一种多功能的生物标志物³⁰。

本文所述的黑质磁共振成像（NM-MRI）方案旨在提高NM-MRI在个体内部及个体间结果的可重复性。该方案可确保对黑质（SN）实现完整覆盖，即使NM-MRI扫描在下-上方向上的覆盖范围有限。该方案采用矢状面、冠状面和轴向的三维（3D）T1加权（T1w）图像，并需遵循相应步骤以实现正确的切片堆栈定位。本文所描述的方案已在多项研究中得到应用^31,32，并经过广泛验证。Wengler等人开展了一项关于该方案可靠性的研究，其中每位参与者在多个不同日期共进行了两次NM-MRI图像采集³²。组内相关系数显示，该方法在基于感兴趣区域（ROI）和体素水平的分析中均表现出极佳的重测信度，且图像对比度较高。

方案

注意：本方案所依据的研究工作均遵循纽约州精神病研究所机构审查委员会（IRB #7655）的指导方针进行。一名受试者接受了扫描以录制本方案视频，并已获得其书面知情同意。有关本方案所用磁共振成像仪的详细信息，请参见材料表。

1. MRI 采集参数

1. 使用三维磁化准备快速梯度回波（MPRAGE）序列准备采集高分辨率T1加权（T1w）图像，参数如下：空间分辨率 = 0.8 × 0.8 × 0.8 mm³；视野（FOV）= 176 × 240 × 240 mm³；回波时间（TE）= 3.43 ms；重复时间（TR）= 2462 ms；反转时间（TI）= 1060 ms；翻转角 = 8°；平面内并行成像因子（ARC）= 2；层面间并行成像因子（ARC）= 2³³；带宽 = 208 Hz/像素；总采集时间 = 6 分 39 秒。
2. 使用二维梯度回波序列结合磁化转移对比（2D GRE-MTC）准备采集黑质成像（NM-MRI）图像，参数如下：分辨率 = 0.43 × 0.43 mm²；视野（FOV）= 220 × 220 mm²；层厚 = 1.5 mm；20 层；层间间隙 = 0 mm；TE = 4.8 ms；TR = 500 ms；翻转角 = 40°；带宽 = 122 Hz/像素；磁化转移频率偏移 = 1.2 kHz；磁化转移脉冲持续时间 = 8 ms；磁化转移翻转角 = 670°；平均次数 = 5；总采集时间 = 10 分 4 秒。
   注意：尽管展示的结果使用了上述MRI采集参数，本方案适用于多种T1w和NM-MRI成像方案。NM-MRI方案在下-上方向的覆盖范围应约为25 mm，以确保完全覆盖黑质（SN）。

2. NM-MRI 体积的定位

1. 获取高分辨率T1加权图像（体素尺寸 ≤1 mm 各向同性）。在图像采集后立即使用在线重定向功能，生成与前连合-后连合（AC-PC）线及中线对齐的高分辨率T1加权图像。
   1. 使用设备供应商提供的软件进行在线重定向（例如，在GE扫描仪上采集数据时：在Planning中使用多平面重建（MPR）；在西门子扫描仪上采集数据时：在3D Task Card中使用MPR；在飞利浦扫描仪上采集数据时：在VolumeView Package的Render Mode中使用MPR）。
      1. 对3D T1加权图像在垂直于AC-PC线的轴向平面上进行多平面重建，覆盖全脑并尽量减少层间间隙。
      2. 对3D T1加权图像在垂直于AC-PC线的冠状平面上进行多平面重建，覆盖全脑并尽量减少层间间隙。
      3. 对3D T1加权图像在平行于AC-PC线的矢状平面上进行多平面重建，覆盖全脑并尽量减少层间间隙。
2. 加载重定向后的高分辨率T1加权图像的矢状面、冠状面和轴向面视图，并确保显示各切片位置的参考线存在。
3. 确定显示中脑与丘脑之间最大分离的矢状面图像（图1A）。为此，需目视检查重定向后T1加权图像的矢状面切片，直至找到显示该最大分离的切片。
4. 利用步骤2.3结束时的矢状面图像，目视识别界定中脑最前部的冠状面（图1B）。
5. 利用步骤2.4结束时的冠状面图像，目视识别界定第三脑室下缘的轴向面（图1C）。
6. 在步骤2.3结束时的矢状面图像上，将NM-MRI体积的上边界与步骤2.5中确定的轴向面对齐（图1D）。
7. 将NM-MRI体积的上边界向上移动3 mm（图1E）。
8. 在轴向和冠状面图像上，将NM-MRI体积与中线对齐（图1F）。
9. 采集NM-MRI图像。

图 1： 显示逐步进行的黑质磁敏感 MRI 容积定位过程的图像。黄色线条表示本方案中用于容积定位的切片位置。（A）首先，确定中脑与丘脑分离最明显的矢状面图像（方案步骤 2.3）。（B）其次，利用 A 中的图像，确定勾画中脑最前部的冠状面（步骤 2.4）。（C）第三，在 B 所确定的冠状面上，确定勾画第三脑室下界的轴向面（步骤 2.5）。（D）第四，将 C 中确定的轴向面显示在 A 的矢状面图像上（步骤 2.6）。（E）第五，将 D 中的轴向面在矢状方向上向上移动 3 mm，该平面即为黑质磁敏感 MRI 容积的上界（步骤 2.7）。（F）最终的黑质磁敏感 MRI 容积定位，其中冠状面对应于 C，矢状面对应于 A，轴向面对应于 E 中的轴向面。在冠状面和轴向面中，黑质磁敏感 MRI 容积与脑中线对齐，在矢状面中与前连合-后连合（AC-PC）线对齐（步骤 2.8）。该图部分已获爱思唯尔许可转载自³⁰。缩写：NM-MRI = 黑质敏感磁共振成像；AC-PC = 前连合-后连合。请点击此处查看该图的放大版本。

3. 质量控制检查

1. 确保获取的黑质磁共振成像（NM-MRI）图像覆盖整个黑质，且黑质可见于中心层面的图像中，但在NM-MRI容积的最上层和最下层图像中不可见。否则（图2），重复步骤2.3–2.9以确保NM-MRI容积定位正确。如果受试者在高分辨率T1加权扫描完成后发生明显移动，则需重复步骤2.1–2.9。

图2：一项未通过首次质量控制检查的NM-MRI采集示例（方案步骤3.1）。显示了从最下部（左上图像）到最上部（右下图像）的20个NM-MRI切片；图像窗宽/窗位设置用于增强黑质与大脑脚之间的对比度。切片15-19中的橙色箭头标示了黑质在这些切片中的位置。最上部切片（第20切片）中的红色箭头显示黑质在此切片中仍可见，因此该采集未能通过质量检查。缩写：NM-MRI = 黑质素敏感磁共振成像。 请点击此处查看此图的放大版本。

2. 通过目视检查所获取的黑质磁共振成像（NM-MRI）扫描的每一层图像，查找伪影，特别是穿过黑质（SN）及其周围白质区域的伪影。
   1. 寻找呈线性分布、且不遵循正常解剖边界的信号强度突然变化。例如，可能表现为一个低信号强度区域被两个高信号强度区域夹在中间。
   2. 如果伪影是由血管引起（图3A），则保留NM-MRI图像，因为此类伪影很可能始终存在。
   3. 如果伪影是由受试者头部运动引起（图3B），应提醒受试者尽量保持静止，并按照步骤3.2.5重新采集NM-MRI图像。
   4. 如果伪影性质不明确（图3C），则按照步骤3.2.5重新采集NM-MRI图像。重新采集后若伪影仍然存在，则继续使用这些图像，因其更可能是生物学来源而非采集过程中的技术问题所致。
   5. 如果NM-MRI图像通过了步骤3.1的质量控制检查，则复制先前的NM-MRI容积定位。如果NM-MRI图像未通过步骤3.1的质量控制检查，则重复步骤2.3–2.9以确保正确的NM-MRI容积定位（若受试者发生明显移动，则重复步骤2.1–2.9）。

图 3：未通过第二次质量控制检查（方案步骤 3.2）的 NM-MRI 采集示例。每种情况仅显示一个代表性切片。（A）由于血管伪影（红色箭头）导致未通过质量控制检查的 NM-MRI 采集，该伪影由蓝色箭头标识的血管引起。（B）由于运动伪影（红色箭头）导致未通过质量控制检查的 NM-MRI 采集。（C）由于存在不明确伪影（红色箭头）导致未通过质量控制检查的 NM-MRI 采集。缩写：NM-MRI = 黑质敏感磁共振成像。请点击此处查看此图的放大版本。

结果

图4展示了来自一名28岁女性受试者的代表性结果，该受试者无任何精神或神经系统疾病。通过遵循图1中所述方案的步骤2，NM-MRI方案确保了黑质（SN）的完全覆盖；通过遵循该方案的步骤3，获得了质量满意的NM-MRI图像。图像中黑质与邻近含极少神经黑色素（NM）的白质区域（即大脑脚）之间呈现出优异的对比度。这些图像在采集后立即进行检查，以确认黑质覆盖是否充分，并排查伪影。由于黑质实现了完整覆盖且无任何伪影，扫描通过了质量检查，无需重复扫描。

图4

讨论

多巴胺能系统在健康认知功能及神经精神疾病中发挥着关键作用。开发可重复用于研究多巴胺能系统的非侵入性方法 体内 对于具有临床意义的生物标志物的开发至关重要。本文所述方案提供了获取黑质区优质神经黑色素磁共振成像（NM-MRI）图像的分步操作指南，包括NM-MRI扫描范围的定位以及确保数据可用的质量控制检查。

尽管已有其他文献详细讨论了黑质磁共振成像（NM-MRI）数据的分析方案，为保持完整性，我们仍简要总结了先前的研究工作，并提出了对NM-MRI图像进行预处理及体素水平分析的建议。该方法此前已与本文所述的采集方案结合进行了验证。以往研究更详细地探讨了该方法的优势，并提供了支持其可重复性的数据^6,12,32。但需注意的是，本文所述的标准化采集方案适用于任何图像处理与分析策略（包括在原始空间或MNI空间中进行基于感兴趣区的分析^8,...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3T 磁共振成像	通用电气		GE SIGNA Premier 配备 48 通道头部线圈