Application of MRI T1mapping technique in nervous system examination of manganese poisoning
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+ English摘要:目的 使用磁共振成像(MRI) T1mapping技术对慢性锰中毒患者双侧尾状核头、壳核、苍白球、丘脑和胼地体进行定量分析，寻求该技术在锰中毒神经系统检查中的应用价值。方法 对24例慢性锰中毒患者和36例对照组受试者进行颅脑MRI检查，采用BrainQuant序列生成T1mapping图像，测量双侧尾状核头、壳核、苍白球、丘脑和胼胝体一定范围感兴趣区(ROI)T1值，并进行比较。结果 慢性锰中毒组患者双侧尾状核头、壳核、苍白球、丘脑ROI区T1值均低于对照组(P＜0.05)，慢性锰中毒组患者胼胝体ROI区T1值与对照组大致相当(P＞0.05)。结论 T1mapping技术可用于慢性锰中毒患者的辅助诊断和鉴别，具有较好的应用前景。
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锰(Mn)是一种人体必需的微量元素，广泛存在于各种食物中，在维持人体健康和正常功能方面发挥着巨大作用。职业接触锰最常见的方式是吸入，可导致人体组织细胞中的锰含量升高，锰在中枢神经系统中的过度积累会导致锰中毒的发生[1-2]。现行的职业性锰中毒诊断标准GBZ 3—2006 《职业性慢性锰中毒诊断标准》对锰中毒的诊断主要依靠职业接触史和临床表现，血锰和尿锰作为辅助诊断依据。神经成像研究显示，即使在相对较低的暴露浓度下，脑中的锰沉积也会出现。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI) 是一种非侵入性的检查方法，基于锰的顺磁特性，利用T1加权磁共振成像可以间接定量脑中锰的积累[3-4]。MRI图像具有多个成像参数，T1为纵向弛豫时间(longitudinal relaxation time)，代表纵向磁化矢量从最小值恢复至平衡状态的63%的时间。T1mapping技术是一种磁共振定量技术，通过特殊的序列，测量并计算组织的T1纵向弛豫时间。T1弛豫又称为自旋-晶格弛豫，反映自旋质子核与周围环境进行能量交换，周围环境的改变影响T1弛豫时间，反映组织T1弛豫时间定量信息的图即为T1mapping图像[5-8]。本研究通过使用T1mapping技术对神经核团进行定量分析，研究锰中毒神经核团T1纵向弛豫的特点，评估T1mapping技术在锰中毒诊断中的应用价值。
1. 对象与方法
1.1 对象
选择2020年12月—2021年3月门诊就诊的职业性慢性锰中毒患者为研究对象，根据纳入、排除标准，排除1例脑梗死患者，共有24名慢性锰中毒患者纳入研究。对照组从体检中心健康体检者随机招募选取无脑出血、无脑梗死以及无帕金森病史的36名受检者。对两组人群均进行颅脑MRI检查(包括T1加权图像、T2加权图像、flair加权图像和BrainQuant序列)，明确告知并签署知情同意书。锰中毒组纳入标准：具有可靠的职业史，符合GBZ 3— 2006《职业性慢性锰中毒诊断标准》的锰中毒患者。
1.2 方法
1.2.1 设备和检查序列
检查设备采用东软医疗NeuMR 1.5T磁共振系统，常规脑MRI序列(包括T1和T2加权图像和flair序列)，附加扫描颅脑BrainQuant序列，依次扫描生成包括T1map、Pdmap等8组图像。BrainQuant序列扫描参数：重复时间(TR)45 ms，回波时间(TE) 10 ms，翻转角为8°，视野216 mm × 256 mm，扫描层数48，层厚2.7 mm，扫描时间8 min 32 s。
1.2.2 实施方法
东软医疗NeuMR 1.5 T磁共振系统颅脑BrainQuant序列一次扫面通过计算能生成8种不同权重的图像，选择T1mapping图像进行研究，测量双侧尾状核头、壳、苍白球、丘脑一定范围的感兴趣区域(region of interest，ROI)的T1值，以及胼胝体一定范围的ROI区的T1值，ROI区大小为神经核团或胼胝体截面最窄处宽度的1/3 ~ 2/3，取ROI区T1值的平均值用于研究，比较职业性慢性锰中毒患者与对照组受试者在不同核团以及胼胝体ROI区T1值，评估锰中毒患者T1值特点。
1.2.3 统计学分析
应用SPSS 20.0软件进行统计学处理，计量数据进行Kolmogorov-Smirnov正态性检验，符合正态分布采用t检验，不符合正态分布采用秩和检验，两组变量采用Mann-Whitney U检验；计数数据进行χ2检验；左右尾状核头、壳、苍白球、丘脑ROI区T1值采用配对t检验。所有检验均为双侧检验，P < 0.05为差异具有统计学意义。
2. 结果
2.1 基本情况
纳入研究的锰中毒组24名职业性慢性锰中毒患者中男性患者23名，对照组36名受试者中男性34名，两组性别差异无统计学意义(χ2 = 0.058，P = 0.809)。锰中毒组平均年龄(60.8 ± 13.1)岁，对照组平均年龄(57.2 ± 9.6)岁，差异无统计学意义(t = 1.223，P = 0.226)。
2.2 锰中毒组和对照组ROI区T1值比较
锰中毒组和对照组双侧尾状核头、壳核、苍白球、丘脑T1值经Kolmogorov-Smirnov检验均符合正态分布，锰中毒组双侧尾状核头、壳、苍白球、丘脑T1值均低于对照组，差异有统计学意义(P < 0.01)。锰中毒组和对照组胼胝体T1值相近，差异无统计学意义(P > 0.05)。见表 1。各部位中胼胝体T1值最低，神经核团中苍白球T1值总体较低，其T1均值显著低于其他神经核团。见图 1。
表 1 锰中毒组与对照组对应区域感兴趣区T1值比较(ms) 部位 对照组(n = 36) 锰中毒(i = 24) t值 p值 尾状核头 921.2 ±62.5 829.5 ±25.5 9.64 < 0.01 壳 893.9 ± 67.8 792.2 ±50.7 8.87 < 0.01 苍白球 752.1 ±77.3 663.2 ±36.3 7.43 < 0.01 丘脑 874.1 ±56.0 787.9 ± 13.5 10.44 < 0.01 胼胝体 551.5 ±41.0 569.2 ± 46.7 -1.55 0.127 2.3 双侧神经核团T1值比较
配对t检验结果显示：锰中毒组、对照组左右尾状核头、壳、苍白球、丘脑ROI区T1值，锰中毒组和对照组两侧对应神经核团ROI区T1值差异均无统计学意义(P < 0.05)。见表 2。
表 2 双侧神经核团对应感兴趣区T1均值比较组别 部位 右侧 左侧 t值 P值 锰中毒组 尾状核头 830.7 ± 25.6 828.3 ± 26.0 0.66 0.52 壳苍白球 794.8 ± 57.1 789.7 ± 44.4 1.24 0.23 苍白球 655.9 ± 36.8 670.5 ± 35.1 -1.87 0.08 丘脑 785.1 ± 12.9 790.9 ± 13.6 -1.99 0.06 对照组 尾状核头 921.8 ± 63.1 920.6 ± 62.7 0.31 0.76 壳 896.9 ± 76.7 891.1 ± 58.5 0.52 0.61 苍白球 754.2 ± 93.4 750.1 ± 58.4 0.28 0.78 丘脑 875.1 ± 63.7 873.1 ± 48.0 0.24 0.81 两组各一名研究对象的BrainQuant序列T1mapping图像见图 2。
3. 讨论
锰是人体维持身体健康必需的元素，大剂量吸收会产生毒性，可导致人体组织细胞中的锰含量升高，急性锰中毒多表现为口腔黏膜出现糜烂，胃黏膜坏死，伴随有腹部疼痛、消化出血，严重时出现休克。锰在中枢神经系统中的过度积累会导致锰中毒的发生。慢性锰中毒主要表现为头晕、头痛、肢体酸痛、恶心、呕吐等全身症状，还会出现记忆力下降、反应迟钝等神经行为改变。有研究表明锰首先沉积在苍白球，随后沉积在黑质、纹状体、松果体、嗅球等部位[8-9]。基底神经节有重要的运动调节功能，它与随意运动的稳定、肌紧张的控制、本体感觉传入冲动信息的处理都有关系，参与精巧运动的形成。慢性锰中毒患者体内锰在基底神经核团沉积导致功能异常，产生相应的症状和体征。本研究所用BrainQuant序列基于梯度多回波并通过采集各个回波对应的翻转角(FA) 计算形成的T1值定量参数图，即T1mapping图像，反映的是组织T1弛豫时间。有研究[10]表明脑组织T1弛豫时间与髓鞘性状、脑组织含水量以及铁沉积等因素有关，脑组织脱髓鞘T1值增加，铁沉积T1值缩短。另有研究[11]证明锰在通常富含铁的大脑区域积累。锰沉积在脑组织导致组织纵向弛豫时间变短，相应的T1值变小。纳入本研究的24例慢性锰中毒T1mapping相应ROI区域的T1值与对照组比较，尾状核头、壳、苍白球、丘脑T1值均明显缩短(P < 0.01)，说明慢性锰中毒患者尾状核头、壳、苍白球、丘脑锰的沉积导致脑组织T1值缩短。
另外，苍白球的T1值在慢性锰中毒组和对照组中均偏低，与锰首先沉积在苍白球有关，一方面苍白球的T1值变化与年龄有关，年龄越大T1值越短。另一方面，二价金属转运蛋白-1(DMT1)不均衡分布可能也是苍白球T1值较低的原因之一。锰在神经元细胞转运主要依赖于DMT1，锰在大脑中的积累和神经毒性可能是由于基底神经节、壳核、皮质和嗅觉上皮中DMT1的表达较高[12]。本研究锰中毒组和对照组在年龄和性别差异并无统计学意义，一定程度上消除了年龄和性别因素的影响，保证了研究结果的可靠性和科学性。本次研究发现测量区域呈对称分布，对应区域T1值测量结果具有一致性。
脑白质由神经纤维组成，相对于皮质及神经核团白质T1值较短，对照组胼胝体T1值(551.5 ± 41.0)ms，低于其他神经核团的T1值，但与锰中毒组胼胝体的T1值差异无统计学意义(P > 0.05)，提示慢性锰中毒患者该区域组织T1值受锰的沉积影响很小。研究对象排除脑出血和脑梗死，一定程度上避免了脑组织变性坏死以及含铁血黄素沉积对T1值的影响。锰中毒与帕金森病具有类似的表现，帕金森病与锰在神经系统沉积导致的中毒不同，是一种老年神经系统退行性疾病，本研究在人员选择上已进行了排除规避。
综上，慢性锰中毒患者尾状核头、壳、苍白球以及丘脑由于锰的沉积组织的纵向弛豫T1值变小，结合患者病史，可以有效提示锰中毒可能。T1mapping技术可用于锰中毒患者辅助诊断和鉴别，在锰中毒诊疗方面具有较好的应用前景。
作者声明 本文无实际或潜在的利益冲突 -
表 1 锰中毒组与对照组对应区域感兴趣区T1值比较
(ms) 部位 对照组(n = 36) 锰中毒(i = 24) t值 p值 尾状核头 921.2 ±62.5 829.5 ±25.5 9.64 < 0.01 壳 893.9 ± 67.8 792.2 ±50.7 8.87 < 0.01 苍白球 752.1 ±77.3 663.2 ±36.3 7.43 < 0.01 丘脑 874.1 ±56.0 787.9 ± 13.5 10.44 < 0.01 胼胝体 551.5 ±41.0 569.2 ± 46.7 -1.55 0.127 
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表 2 双侧神经核团对应感兴趣区T1均值比较
组别 部位 右侧 左侧 t值 P值 锰中毒组 尾状核头 830.7 ± 25.6 828.3 ± 26.0 0.66 0.52 壳苍白球 794.8 ± 57.1 789.7 ± 44.4 1.24 0.23 苍白球 655.9 ± 36.8 670.5 ± 35.1 -1.87 0.08 丘脑 785.1 ± 12.9 790.9 ± 13.6 -1.99 0.06 对照组 尾状核头 921.8 ± 63.1 920.6 ± 62.7 0.31 0.76 壳 896.9 ± 76.7 891.1 ± 58.5 0.52 0.61 苍白球 754.2 ± 93.4 750.1 ± 58.4 0.28 0.78 丘脑 875.1 ± 63.7 873.1 ± 48.0 0.24 0.81
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1. 刘彬，张健，孔令重，刘成平. 心脏磁共振T1 mapping技术在肥厚型心肌病心肌纤维化中定量参数改变及诊断价值. 遵义医科大学学报. 2023(03): 307-311 . 
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