上海交大团队开发亚体素QSM新技术 实现脑内磁性物质精准定量

研究成果发表于《NeuroImage》，为神经退行性疾病研究提供全新影像学手段

近日，上海交通大学生物医学工程学院魏红江教授课题组基于联影医疗uAIFI平台高端科研型3T磁共振系统，成功开发出一种亚体素定量磁化率成像（QSM）新算法——APART-QSM。该成果已在国际权威期刊《NeuroImage》发表，题为“APART-QSM: An improved sub-voxel quantitative susceptibility mapping for susceptibility source separation using an iterative data fitting method”。论文第一作者为李政皓、冯瑞敏，通讯作者为魏红江教授，瑞金医院刘强强主任提供数据支持。

研究背景：传统QSM技术面临定量特异性瓶颈

人脑组织的磁共振相位信号反映铁、钙、髓鞘和蛋白质等磁性物质的空间分布。QSM技术是当前定量这些成分最有效的手段。然而，由于磁共振分辨率在毫米级，多种顺磁性（如铁）与逆磁性（如髓鞘）物质常共存于同一像素内，导致传统QSM仅能获得综合磁化率值，无法区分具体来源，影响定量准确性。

这一局限严重制约了其在脑发育、衰老及帕金森病、多发性硬化、癫痫等神经系统疾病研究中的应用。如何实现无创、特异、精准的多成分一体化定量，成为QSM领域亟待突破的关键难题。

技术突破：APART-QSM实现顺磁与逆磁成分分离

针对上述挑战，研究团队提出一种基于多回波GRE和SE序列采集的复指数信号模型，并采用交替迭代求解策略，成功实现了组织内顺磁与逆磁磁化率的分离成像。

该技术在联影医疗uMR 790和uMR 890 3T平台上完成验证，通过自制模体实验与健康志愿者扫描，证实其可稳定重建高精度顺磁（χ_para）与逆磁（χ_dia）磁化率图。

图1. 传统QSM与亚体素QSM对比示意图。传统方法缺乏特异性；APART-QSM可精准区分不同磁性物质含量

在健康受试者脑部成像中，χ_para图清晰显示脑深部核团、皮层及血管区域的高信号，χ_dia图则在白质区呈现明确结构特征。与现有先进方法相比，APART-QSM在前额叶、内囊后肢等区域表现出更优的顺磁信号识别能力，在基底节区逆磁信号更清晰，且定量结果与组织染色高度一致，显著提升准确性。

图2. QSM、APART-QSM及其他方法重建结果比较。A：整体图像；B-D：局部放大图（前额叶、基底节、中脑），末行为铁与髓鞘染色对照

临床应用潜力：揭示脑老化机制与疾病病理特征

利用APART-QSM，研究团队首次系统分析了脑区磁化率随年龄变化的趋势。结果显示：

• 脑深部核团顺磁磁化率随年龄增长而上升，提示铁沉积增加；
• 苍白球（GP）与黑质（SN）区域逆磁磁化率先下降后上升，可能反映先髓鞘合成、后脱髓鞘的老化过程。

图3. GP、SN、壳核（PUT）的QSM及顺/逆磁磁化率随年龄变化趋势

在多发性硬化（MS）患者中，APART-QSM显示病灶在逆磁图中呈明显低信号，提示其主要由脱髓鞘引起，而非铁过载，为疾病分型与治疗评估提供了直接影像依据。

图4. APART-QSM用于MS重建结果：病灶在逆磁图中显示低信号，提示脱髓鞘为主

此外，该技术支持多方向数据融合重建，显著提升微小结构分辨能力。图5展示了基于多方向APART-QSM实现的丘脑亚核团精细分割，为脑深部电刺激（DBS）等神经外科手术提供高精度定位参考。

图5. 多方向采集重建用于丘脑亚区分割。A：单方向QSM；B：单方向APART-QSM；C：多方向APART-QSM与分割结果；D：髓鞘染色图谱

研究展望：推动QSM进入精准定量2.0时代

APART-QSM技术的推出标志着QSM从“整体磁化率”迈向“成分分离”的精准定量新阶段。研究表明，该方法可广泛应用于脑发育、衰老及神经退行性疾病机制研究，如帕金森病中铁与髓鞘相互作用、阿尔茨海默病中β-淀粉样蛋白与铁沉积关系等。

未来，该技术还可拓展至关节软骨胶原、肝脏铁沉积与纤维化、心肌病变等领域，具备广阔的科研与临床转化前景，有望成为神经系统疾病诊断的重要影像工具。