腦單體素氫質(zhì)子波譜掃描未抑制水分析的應(yīng)用價值研究

陳林麗， 吳偉， 郭大靜

氫質(zhì)子磁共振波譜成像(1H-magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)是眾多影像檢查中唯一能無創(chuàng)地獲取體內(nèi)代謝物信息的方法，不僅可以先于形態(tài)學(xué)異常發(fā)現(xiàn)病變，而且對于病變定性、分期有重要意義，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛[1]。在波譜成像過程中由于磁場不均勻、梯度切換產(chǎn)生渦電流以及射頻發(fā)射接收時間延遲等都會造成數(shù)據(jù)失真而表現(xiàn)為譜線擬合的相位錯誤，必須在數(shù)據(jù)處理過程中去除以獲得真實的代謝物信息；因此在掃描過程中需要采集一部分未抑制水?dāng)?shù)據(jù)作為相位校正因子對代謝物譜線進行相位校正[2]。另一方面，由于體素放置、局部磁場不均及部分容積效應(yīng)等影響，代謝物濃度通常以比例即半定量表達更為準(zhǔn)確；腦內(nèi)肌酸在正常及多數(shù)病理條件下濃度變化不大，一直以來都作為內(nèi)源性參照數(shù)據(jù)，但是在某些病理條件下如肌酸激酶、肌酸轉(zhuǎn)運酶合成障礙導(dǎo)致的原發(fā)性肌酸減少綜合征，甚至中風(fēng)、高氨血癥同樣會導(dǎo)致肌酸濃度降低；而作為神經(jīng)元保護劑口服肌酸治療某些腦部病變時又會引起肌酸濃度增高[3]，因此采用肌酸作為內(nèi)源性參照在這些情況下不一定準(zhǔn)確。本文通過對未抑制水?dāng)?shù)據(jù)進行擬合分析，旨在探討其在腦單體素1H-MRS掃描時作為內(nèi)源性校正因子及參照物的應(yīng)用價值。

材料與方法

對26組波譜數(shù)據(jù)進行回顧性分析，包括經(jīng)臨床證實的6例腦梗(患側(cè)及對側(cè)共12組數(shù)據(jù))、2例顱內(nèi)感染、4例顱內(nèi)占位患者及8例健康體檢者，其中男13例，女7例，年齡22～78歲。

采用Philips Achieva3.0TX磁共振掃描儀，16通道頭頸聯(lián)合線圈，波譜掃描在常規(guī)平掃獲得T2WI、FLAIR、T1WI圖像基礎(chǔ)上，腦?；颊邔⒍ㄎ蝗莘e分別置于病變處及對側(cè)正常組織，其余只采集病變處或基底節(jié)，并在定位容積上下、左右、前后分別添加飽和帶以抑制周圍干擾信號；采用點分辨波譜成像(point resolved spectroscopy，PRESS)序列，容積選擇法定位、半回波采集。掃描參數(shù)：TR 2000 ms，TE 35 ms，帶寬2000 Hz，采樣數(shù)1024，敏感編碼快速因子2×1.5，激勵次數(shù)128，體素大小20 mm×20 mm×20 mm；采用筆形波束一階勻場，激勵法結(jié)合自動水抑制優(yōu)化抑制水信號。

在Philips EWS工作站對每組數(shù)據(jù)分別進行常規(guī)腦部單體素短TE腳本擬合及未抑制水分析擬合，兩種擬合中選擇相同的高斯函數(shù)和指數(shù)函數(shù)進行譜線變跡，同時采用零階自動相位校正，代謝物選擇N-乙酰天門冬氨酸(N-acetyl asparte，NAA)、膽堿(choline，Cho)、肌酸(creatine，Cr)；將第二種擬合獲得的未抑制水參數(shù)作為第二分母，依次獲得NAA、Cho、Cr與其比值；兩組數(shù)據(jù)擬合后獲得代謝物峰下面積、代謝物與Cr比值及相應(yīng)代謝物與未抑制水比值，同時將相應(yīng)擬合參數(shù)及比值進行t檢驗(采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié)果

正常側(cè)兩種擬合方法獲得的代謝物峰下面積、代謝物與Cr比值基本一致，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05，表1)；患側(cè)原始數(shù)據(jù)兩種擬合獲得的代謝物峰下面積、代謝物與Cr比值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05，表2、圖1、2)；與正常組織比較，患側(cè)未抑制水?dāng)M合NAA與水比值、Cr與水比值、NAA與Cr比值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05，表3)，常規(guī)擬合各代謝物峰下面積、代謝物與Cr比值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05，表4，圖3)。

表1 正常側(cè)兩種擬合方法比較

表2 患側(cè)兩種擬合方法比較

表3 正常與患側(cè)未抑制水?dāng)M合比較

表4 正常與患側(cè)常規(guī)擬合比較

討 論

眾所周知，MR成像過程中信號來源于氫質(zhì)子，而人體內(nèi)水分子又是氫質(zhì)子的主要來源；由于水含量遠遠超過代謝物濃度，加之其含量多少對臨床診斷意義并不大，而且過高的水峰不僅會使擬合基線變形，還會導(dǎo)致檢測到的代謝物不可靠；因此在進行氫質(zhì)子波譜掃描的時候通常需要最小化水信號以更好地顯示感興趣代謝物的濃度[4]。根據(jù)掃描采用序列的回波時間(一般以70 ms為界)可分為短TE和長TE波譜，按照定位方法可分為單體素波譜和多體素波譜[5]；由于多數(shù)代謝物橫向馳豫時間較短，因此序列回波時間越短，理論上可以檢測到的代謝就越多，而且在掃描過程中，磁場均勻性越好，橫向馳豫衰減就越慢，單體素相對于多體素需勻場范圍較小，因此一般認為單體素掃描相對于多體素結(jié)果更為可靠；因此本研究采用INTERPRET多中心研究組推薦的序列，使用35 ms回波時間和單體素掃描[6,7]；相對于STEAM，PRESS固有信噪比高，且本研究在3.0T MR設(shè)備上進行，一定程度上彌補了信噪比的下降，因此采用了SENSE以保證合理的掃描時間，所有采集的波譜數(shù)據(jù)均能達到診斷要求。

圖1 小腦感染灶SV-1HMRS兩種擬合比較。a) 常規(guī)擬合； b) 未抑制水?dāng)M合。 圖2 基底節(jié)區(qū)梗死SV-1HMRS兩種擬合比較。a) 常規(guī)擬合； b) 未抑制水?dāng)M合。 圖3 梗死對側(cè)正常組織SV-1HMRS兩種擬合比較。a) 常規(guī)擬合； b) 未抑制水?dāng)M合。

氫質(zhì)子波譜成像的信號來源于NAA、Cr、Cho等各種代謝物，而這些代謝物濃度又遠低于水含量，因此氫質(zhì)子波譜水抑制掃描的效果直接影響感興趣代謝物的濃度。本研究26組數(shù)據(jù)中24組采用設(shè)備提供的激勵法結(jié)合自動水抑制優(yōu)化均獲得較好的抑制效果，2例激勵法效果不佳在更換為翻轉(zhuǎn)法后也獲得滿足診斷要求的譜線。為了校正由于磁場不均勻、梯度切換產(chǎn)生渦電流以及射頻發(fā)射接收時間延遲等造成的譜線相位錯誤，需要采集一部分未抑制水?dāng)?shù)據(jù)作為相位校正因子對代謝物譜線進行相位校正；本研究中未抑制水采集次數(shù)為16次，主要基于以下兩點理由：①未抑制水與代謝物來源于同一體素，因此磁場的飄移、渦電流和射頻延遲對兩者作用一樣，一方面完整去除未抑制水?dāng)?shù)據(jù)即可獲得純水?dāng)?shù)據(jù)，再用完整數(shù)據(jù)去除純水?dāng)?shù)據(jù)即可獲得純代謝物數(shù)據(jù)；另一方面純水?dāng)?shù)據(jù)與理論值比較即可獲得相位校正因子以修正純代謝物數(shù)據(jù)采集過程中各種因素造成的相位錯誤；②水濃度遠遠高于代謝物，只需很少的采集數(shù)即可獲得其衰減曲線信息，因此整合到完整采集過程也不會明顯增加掃描時間。因此一直以來大多數(shù)單體素波譜掃描都采用未抑制水進行譜線擬合過程中的相位校正。

正是由于受磁場的不均勻性、渦電流、射頻以及體素放置等諸多因素的影響，甚至在譜線擬合過程中的參數(shù)選擇都會對最終擬合出的曲線下面積即代謝物濃度造成影響，所以對氫質(zhì)子波譜結(jié)果進行半定量分析即代謝物之間的相對比值結(jié)果更為可靠[8]。在腦單體素波譜掃描過程中曾經(jīng)以NAA作為內(nèi)源性參照進行半定量分析，但作為神經(jīng)元標(biāo)志物在多數(shù)疾病如腫瘤、腦白質(zhì)病等病理過程中都會伴有NAA的降低；而Cr作為腦內(nèi)能量代謝的標(biāo)志物，在正常情況以及大多數(shù)病理條件下其濃度保持穩(wěn)定，因此在現(xiàn)階段絕大多數(shù)波譜半定量分析采用Cr作為內(nèi)源性參照[9]。人體內(nèi)肌酸主要由腎臟生成，在肝臟最終合成后經(jīng)血液轉(zhuǎn)運至大腦，整個過程中會涉及肌酸激酶、肌酸轉(zhuǎn)運酶等，因此這些酶類合成障礙便會導(dǎo)致腦內(nèi)肌酸濃度降低；近來更有研究表明，在中風(fēng)、高氨血癥時腦內(nèi)肌酸濃度會繼發(fā)性下降，可達半年甚至數(shù)年時間[10]；而神經(jīng)內(nèi)科在治療某些腦部神經(jīng)元丟失的退行性疾病時會建議口服肌酸作為神經(jīng)元保護劑，這又會造成腦內(nèi)肌酸濃度的升高；由此采用肌酸作為內(nèi)源性參照在這些情況下可能并不一定準(zhǔn)確[11]。本研究中常規(guī)擬合NAA/Cr相對于近年類似研究結(jié)果略高[12]，梗死及占位病例Cr濃度一定程度降低也說明在將其作為半定量數(shù)據(jù)時需慎重，尤其相關(guān)病變可能會引起腦內(nèi)能量代謝異常時。EWS工作站提供了未抑制水分析擬合功能，在這種方式下，采集到的未抑制水?dāng)?shù)據(jù)不僅僅是作為相位校正因子，還可如代謝物濃度一樣擬合出峰值曲線，獲得相應(yīng)的濃度信息；同樣的原因，其絕對濃度值由于受各種因素影響，并無太大意義，但是在最終擬合過程中可作為第二分母獲得各種代謝物與其比值的數(shù)據(jù)。本研究所有26組數(shù)據(jù)均進行了常規(guī)短TE擬合和未抑制水?dāng)M合，結(jié)果表明正常側(cè)兩種擬合方法獲得的代謝物峰下面積、代謝物與Cr比值基本一致，差異無統(tǒng)計學(xué)意義；患側(cè)兩種擬合獲得的代謝物峰下面積、代謝物與Cr比值差異亦無統(tǒng)計學(xué)意義；與正常組織比較，患側(cè)NAA與未抑制水比值、Cr與未抑制水比值及NAA與Cr比值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義，說明增加對未抑制水的分析并不影響代謝物之間與肌酸的相對比值，可以提供常規(guī)擬合類似的代謝物信息以輔助診斷。

值得一提的是，由于腦內(nèi)不同的解剖位置水含量略有差異，而且在某些病理條件下腦內(nèi)水含量差異較大，因此在使用未抑制水作為內(nèi)源性參照進行半定量分析時同樣需慎重[13]。本研究結(jié)果表明未抑制水分析除了可以對代謝物譜線擬合進行相位校正之外，還可以明確諸如梗死、腫瘤等可能涉及肌酸濃度改變時各種代謝物相應(yīng)的變化，可以對病變的定性、分期診斷等提供更多層次的信息；然而波譜掃描過程受諸多因素的影響，這種分析依然是半定量的，未來如能收集更多病例甚至多中心分組研究，或許能做到完全定量分析。

[1] Behar KL，den Hollander JA，Stromski ME，et al.High resolution1H nuclear magnetic resonance study of cerebral hypoxia in vivo[J].Proc Natl Acad Sci USA，1983，80(16)：4945-4948.

[2] Van Der Veen JW，Weinberger DR，Tedeschi G，et al.Proton MR spectroscopic imaging without water suppression[J].Radiology，2000，217(1)：296-300.

[3] Lei H，Berthet C，Hirt L，et al.Evolution of the neurochemical profile after transient focal cerebral ischemia in the mouse brain[J].J Cereb Blood Flow Metab，2009，29(4)：811-819.

[4] Clayton DB， Elliott.MA， Lenkinski RE，et al.In vivo proton spectroscopy without solvent suppression[J].Concepts Magn Reson，2010，13(3)：260-275.

[5] Clayton DB，Elliott MA，Leigh JS，et al.1H spectroscopy without solvent suppression:characterization of signal modulations at short echo times[J].J Magn Reson，2001，153(2)：203-209.

[6] Tate AR，Underwood J，Acosta DM，et al.Development of a decision support system for diagnosis and grading of brain tumours using in vivo magnetic resonance single voxel spectra[J].NMR Biomed，2006，19(4)：411-434.

[7] Perez-Ruiz A，Julia-Sape M，Mercadal G，et al.The INTERPRET Decision-Support System version 3.0 for evaluation of magnetic resonance spectroscopy data from human brain tumors and other abnormal brain masses[J].BMC Bioinformatics，2010，29(11)：581.

[8] Condon B.Magnetic resonance imaging and spectroscopy:how useful is it for prediction and prognosis?[J].EPMA J，2011，2(4)：403-410.

[9] Li BS，Wang H，Gonen O，et al.Metabolite ratios to assumed stable creatine level may confound the quantification of proton brain MR spectroscopy[J].Magn Reson Imaging，2003，21(8)：923-928.

[10] Nie K，Zhang Y，Huang B，et al.Marked N-acetylaspartate and choline metabolite changes in Parkinson's disease patients with mild cognitive impairment[J].Parkinsonism Relat Disord，2012，19(3)：329-334.

[11] Mountz JM.Nuclear medicine in the rehabilitative treatment evaluation in stroke recovery.role of diaschisis resolution and cerebral reorganization[J].Eura Medicophys，2007，43(2)：221-239.

[12] 周玉榮，蔣濤，高敏，等.急性CO中毒與正常人海馬體1H-MRS對照研究[J].放射學(xué)實踐，2016，31(11)：1038-1040.

[13] Brief EE，Vavasour IM，Laule C，et al.Proton MRS of large multiple sclerosis lesions reveals subtle changes in metabolite T1and area[J].NMR Biomed，2010，23(9)：1033-1037.