磁共振頻譜數(shù)據(jù)定量后處理技術(shù)比較

郭繡琴，肖葉玉，沈智威，徐志鋒，龐 麗，寧立波，吳仁華*

磁共振頻譜(magnetic resonance spectroscopy,MRS)是目前一種能對活體組織進(jìn)行無創(chuàng)性檢測的方法。磁共振頻譜學(xué)的一個重要作用是可以對代謝產(chǎn)物進(jìn)行定量分析。正常組織代謝物通常處于一種已知平衡狀態(tài)，組織功能紊亂或疾病可引起代謝物不平衡，利用MRS可檢測到這種不平衡的變化，從而為治療提供有用的信息。因而， MRS分析定量的準(zhǔn)確性對臨床疾病的準(zhǔn)確診斷具有重要的指導(dǎo)作用。目前，臨床上常用于磁共振頻譜定量研究的后處理軟件較多，如LCModel(Linear Combination of Model)、SAGE(Spectroscopy Analysis by General Electric)、Functool、GAMMA、jMRUI等[1]。LCModel是一種磁共振頻譜絕對定量的軟件[2]。SAGE軟件是為GE公司的MR spectroscopy定量研究所設(shè)計的一個后處理軟件[3]，一般常用于計算波峰下面積，是目前國外常用的代謝物濃度分析軟件。Functool軟件是GE公司的ADW系統(tǒng)的內(nèi)置可選擇性后處理軟件包，可直接給出代謝物相對濃度[4]。因?yàn)檫@種軟件操作簡單，是臨床對頻譜譜線進(jìn)行簡單分析常用的后處理方法。目前國內(nèi)的磁共振頻譜實(shí)驗(yàn)常用的后處理軟件是SAGE軟件和Functool軟件，并且以SAGE軟件為多，而實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)絕大多是代謝物的波峰下面積或相對濃度，在代謝物的絕對定量方面研究相對較少。

本實(shí)驗(yàn)通過使用STEAM(Stimulated Echo Acquisition Mode)序列，在相同TE時間條件下，對大腦中央前回同一個VOI內(nèi)的代謝物質(zhì)進(jìn)行MRS檢測，理論上測得代謝物濃度基本一致。本研究使用LCModel、SAGE、Functool三種后處理軟件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行后處理，然后對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，比較這三種后處理軟件對磁共振頻譜代謝物含量估計的準(zhǔn)確性，為臨床頻譜定量研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

14名健康志愿者，女4名，男10名，年齡23～29歲，平均年齡26.1歲。檢測對象均為右利手。檢測前均簽署知情同意書。

1.2 數(shù)據(jù)采集

圖1 本實(shí)驗(yàn)在中央前回定位圖像，F(xiàn)OV 24 cm×18 cmFig.1 Location map for the experiment in the anterior central gyrus, FOV 24 cm×18 cm

應(yīng)用美國GE公司1.5 T Signa Horizon超導(dǎo)型磁共振成像系統(tǒng)及配套頭頸專用正交線圈。常規(guī)MRI掃描：所有受試者均進(jìn)行頭部MRI平掃，采用FSGRE序列獲取矢狀位、冠狀位、橫斷面T2WI圖像，矩陣256×256，F(xiàn)OV 24 cm×18 cm，層厚7 mm, 層間距2 mm。應(yīng)用STEAM序列對中央前回進(jìn)行探測，使所選擇的VOI盡量避開腦溝池內(nèi)的腦脊液(見圖1)，大小約15 mm×10mm×10mm，測量參數(shù)為：TR=3000ms，TE=30ms，NEX=8。每位志愿者完成1次掃描采集，采集時間為 7分30秒。射頻增益調(diào)節(jié)、體素內(nèi)勻場和水抑制掃描均由計算機(jī)自動預(yù)掃描程序及手動完成，達(dá)到半高寬(FWHM)＜5 Hz，水抑制98%水平。

1.3 數(shù)據(jù)后處理

STEAM序列短回波測量所得代謝物頻譜使用LCModel、SAGE、Functool三種軟件進(jìn)行分析。根據(jù)使用GE公司1.5 T Signa Horizon的兩種激發(fā)序列檢測中央前回代謝物頻譜所得的Pfile導(dǎo)出，分別使用LCModel和SAGE軟件進(jìn)行分析，同時使用GE ADW Functool軟件進(jìn)行分析。所得分析結(jié)果顯示，LCModel軟件可分析擬合出NAA/Cr、Cho/Cr、mI/Cr比值，F(xiàn)unctool軟件則能直接得出NAA/Cr、Cho/Cr、mI/Cr比值，而SAGE軟件通過峰值選擇，僅能得到NAA、Cho、Cr、mI的波峰下面積值積分值，然后通過積分值相互比較，計算轉(zhuǎn)換為代謝物比值(見表 1、圖 2)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

GE公司提供的Functool軟件自動生成NAA、Cr、Cho三種代謝物與內(nèi)標(biāo)Cr之間的比值。LCModel軟件自動完成信號平均、基線校正、相位循環(huán)、代謝物識別、絕對定量，提供NAA、Cr、Cho、mI的信號強(qiáng)度，信噪比(S/N)。使用SAGE軟件將時域頻譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻域數(shù)據(jù)后，通過對四個主要能見代謝物峰值NAA、Cr、Cho、和mI選擇并計算其波峰下面積的積分值，然后通過比值間相互比較，得出代謝物比值。將所有測量結(jié)果利用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理，計算各代謝物濃度及比值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，計算結(jié)果用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，并將計算所得結(jié)果采用一維方差分析，以P＜0.05為差異具有顯著性意義。

2 結(jié)果

14例健康成年人大腦中央前回各代謝物濃度STEAM序列檢測所得代謝物比值相互比較結(jié)果及文獻(xiàn)參考值見表1。

表1 STEAM序列所檢測代謝物數(shù)據(jù)結(jié)果分析比較Tab.1 The results derived from STEAM sequence

圖2 LCModle、SAGE及Functool軟件分析后所得頻譜圖像，分別為STEAM序列所測出頻譜經(jīng)LCModel(圖2A、2B)、SAGE(圖2C)和Functool(圖2D)軟件處理后所得出頻譜圖像Fig.2 Pictures obtained from LCModel (2A, 2B), SAGE (2C) and Functool (2D)

由表1可以看出，對STEAM序列檢測組內(nèi)相同部位的NAA/Cr、Cho/Cr、mI/Cr的比值進(jìn)行方差分析，NAA/Cr的比值在三種軟件之間沒有明顯差異(P＞0.05)。而Cho/Cr、mI/Cr的比值在三種軟件相互之間存在差異(P＜0.05)。

對STEAM序列檢測組內(nèi)相同部位經(jīng)三種后處理軟件處理得出NAA/Cr、Cho/Cr、mI/Cr的比值，與安維民等[5]所測額葉代謝物濃度比較并觀察。NAA/Cr值三種后處理軟件處理結(jié)果基本符合文獻(xiàn)給出代謝物濃度比值；Cho/Cr比值與文獻(xiàn)結(jié)果比較，F(xiàn)unctool軟件處理所得結(jié)果與文獻(xiàn)參考值接近；mI/Cr比值與文獻(xiàn)比較，LCModel軟件處理所得比值與文獻(xiàn)值較接近。

3 討論

3.1 LCModel軟件

LCModel軟件使用內(nèi)生水作為內(nèi)標(biāo)定量和使用從離體模型中所測代謝物濃度作為外標(biāo)兩種方法進(jìn)行絕對定量。本文所采用的定量方式是以內(nèi)生水為內(nèi)標(biāo)作為定量標(biāo)準(zhǔn)，并與從LCModel軟件中自帶的標(biāo)準(zhǔn)模型中檢測獲得代謝物譜線和基線組(Basis set)共同分析模擬活體代謝物譜線的方法進(jìn)行絕對定量。這種方法無需已知濃度水模作為外標(biāo)，并且能最大限度地獲得各種代謝物濃度，尤其是當(dāng)短TE條件下檢測代謝物頻譜濃度時，LCModel軟件能更清晰地通過與基線組的相互校正模擬之后識別譜線中各種代謝物的峰值，同時以內(nèi)生水作為內(nèi)標(biāo)校正，獲得較為準(zhǔn)確的絕對濃度值。除此以外，LCModel軟件還可自動地進(jìn)行去渦流效應(yīng)、自動選擇擬合線型及基線等功能，避免由于少參數(shù)模型所引起的偏倚或者多參數(shù)模型引起的過度擬合，得出更為標(biāo)準(zhǔn)的譜線和準(zhǔn)確的代謝物濃度。但是，仍有部分文獻(xiàn)提出，軟件不包括病理狀態(tài)下如腫瘤、腦梗死等的基線組，在進(jìn)行相關(guān)頻譜檢測時可導(dǎo)致誤差。此外，LCModel不能直接對各種代謝物峰的波峰下面積進(jìn)行測量，而且該軟件對CSI序列測量的多體素譜線后處理方面存在缺陷[1,2,6,7]。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用LCModel軟件分析后，NAA/Cr、mI/Cr比值均與文獻(xiàn)的參考值基本接近，但Cho/Cr值則較文獻(xiàn)參考值相差較遠(yuǎn)。由于LCModel進(jìn)行后處理分析需要手動完成部分參數(shù)的調(diào)節(jié)，即使處理后所得頻譜較其他兩種軟件相對穩(wěn)定，但也可能由于部分參數(shù)調(diào)節(jié)不當(dāng)造成結(jié)果的估計誤差。

3.2 SAGE軟件

用SAGE軟件處理磁共振頻譜時，首先將時域譜線轉(zhuǎn)換成頻域譜線，然后通過系統(tǒng)與人為共同選擇可見的感興趣峰，再對波峰下面積進(jìn)行測量計算，最后可得出相應(yīng)代謝物的波峰下面積的積分值。根據(jù)文獻(xiàn)介紹，SAGE軟件在CSI測量所得多體素的后處理技術(shù)方面較LCModel稍優(yōu)。如SAGE軟件除了能對多體素譜線進(jìn)行類似于LCModel的定量校正外，尚可將分析后譜線與MRI圖像疊加、圖形化，充分體現(xiàn)了譜線分析與定位圖像的關(guān)系[3]。本實(shí)驗(yàn)中，在選擇感興趣峰時因涉及主觀因素較多，造成一定人為誤差。此外，測出波峰下面積后，需通過根據(jù)外標(biāo)水模濃度經(jīng)過公式人為計算轉(zhuǎn)換才能得到各種代謝物濃度。在運(yùn)算過程中，因涉及更多人為的調(diào)節(jié)因素，使誤差更大，使所得代謝物濃度比值結(jié)果相對于LCModel計算所得代謝物濃度誤差要多。

3.3 Functool軟件

Functool軟件包功能強(qiáng)大，包含彌散成像、灌注成像和腦功能成像等圖像數(shù)據(jù)的后處理，磁共振頻譜分析等功能，本文所使用的是該軟件的磁共振頻譜后處理功能。該項(xiàng)功能是在SAGE軟件支持下的一項(xiàng)后處理功能，其定量的方法是以Cr為內(nèi)標(biāo)，通過對感興趣峰波峰下面積測量并經(jīng)公式計算轉(zhuǎn)換而得到的一個相對濃度。與SAGE軟件的頻譜處理過程不同，F(xiàn)unctool軟件是使用軟件內(nèi)部設(shè)置的峰值范圍對于感興趣峰進(jìn)行選擇，由于缺乏了人為的代謝物峰識別，故當(dāng)所測頻譜代謝物峰值偏移明顯時，不能通過人為方法識別出感興趣峰，使部分代謝物不被系統(tǒng)識別，造成結(jié)果缺失。此外，還可能因感興趣峰范圍內(nèi)出現(xiàn)其他異常峰值影響，導(dǎo)致正確代謝峰識別誤差，從而使系統(tǒng)分析得到的代謝物相對濃度出現(xiàn)差異[2,8]。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Functool工具進(jìn)行分析所得出的代謝物濃度比值中，mI/Cr比值與參考文獻(xiàn)結(jié)果相差較大。究其原因，可能是在代謝物檢測過程中，由于機(jī)械性因素，部分代謝物峰出現(xiàn)輕微飄移，導(dǎo)致Functool軟件本身不能有效識別，結(jié)果使某些代謝物的濃度不能被讀出或讀出誤差。

本實(shí)驗(yàn)分別使用以上三種分析軟件對檢測得到的短回波頻譜進(jìn)行分析定量。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LCModel軟件分析得到的頻譜譜線基線平穩(wěn)，各代謝物峰清晰。SAGE軟件分析得到譜線欠平滑，基線穩(wěn)定性稍差。Functool軟件分析后得到與SAGE分析所得譜線相似。此外，實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)中，F(xiàn)unctool軟件檢測所得結(jié)果因?yàn)闄C(jī)械性原因，部分?jǐn)?shù)值不能讀出，致使少量濃度比值丟失。

總之，在短TE的檢測條件下，通過LCModel軟件進(jìn)行后處理后，可將磁共振頻譜后處理過程中常見的幾種引起誤差的因素降低，并能得出相對較好的頻譜譜線及較平滑的頻譜基線，但對代謝物濃度及與Cr的比值的計算轉(zhuǎn)換上仍存在問題，需要對數(shù)據(jù)的處理加以完善。在短TE條件下磁共振頻譜后處理過程中，與SAGE、Functool軟件比較，LCModel有相對較好的處理基線不穩(wěn)的能力及擬合不同代謝物峰值的能力。SAGE和Functool軟件雖然在譜線處理的功能上稍不及LCModel，但所得代謝物比值結(jié)果仍具有一定的參考價值。

[1]Provencher SW.Estimation of metabolite concentrations from localized in vivo proton NMR spectra.Magn Reson Med, 1993, 30: 672-679.

[2]Provencher SW.LcModel and LcMgui User's Manual 2000.Available from: http://s-provencher.com/pages/lcmmanual.shtml

[3]GE Medical Systems.SAGE7 LX User's Guide.

[4]GE Medical Systems.Functool 2000User Guide.

[5]安維民,蔡幼銓,邱本勝,等.健康成人腦代射物濃度以及比值的1H MRS研究.中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志,2001,9:414-416.An WM, Cai YQ, Qiu BS, et al.Cerebral metabolite concentration and ration in healthy adult men by using1H MR spectroscopy.Chin J Med Imaging, 2001, 9: 414-416.

[6]Provencher SW.Automatic quantitation of localized in vivo 1H spectra with LCModel.NMR Biomed, 2001, 14:260-264.

[7]Provencher SW.A constrained regularization method for inverting data represented by linear algebraic or integral equations.Computer Physics Communications, 1982, 27:213-227.

[8]謝晟,肖江喜,蔣學(xué)祥.Functool在fMRI后處理中的作用.中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù),2003,19:626-628.Xie S, Xiao JX, Jiang XX, et al.Value of Functool in the Postprocessing of the fMRI Data.Chin J Med Imaging Technol, 2003, 19: 626-628.