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(duì)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(gè)重要作用是可以對(duì)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(duì)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(duì)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(jì)的一個(gè)后處理軟件[3]，一般常用于計(jì)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(duì)濃度[4]。因?yàn)檫@種軟件操作簡單，是臨床對(duì)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(duì)濃度，在代謝物的絕對(duì)定量方面研究相對(duì)較少。

本實(shí)驗(yàn)通過使用STEAM(Stimulated Echo Acquisition Mode)序列，在相同TE時(shí)間條件下，對(duì)大腦中央前回同一個(gè)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行后處理，然后對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，比較這三種后處理軟件對(duì)磁共振頻譜代謝物含量估計(jì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(jì)算機(jī)自動(dòng)預(yù)掃描程序及手動(dòng)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(shí)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(jì)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(dòng)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(dòng)完成信號(hào)平均、基線校正、相位循環(huán)、代謝物識(shí)別、絕對(duì)定量，提供NAA、Cr、Cho、mI的信號(hào)強(qiáng)度，信噪比(S/N)。使用SAGE軟件將時(shí)域頻譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻域數(shù)據(jù)后，通過對(duì)四個(gè)主要能見代謝物峰值NAA、Cr、Cho、和mI選擇并計(jì)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(jì)學(xué)處理，計(jì)算各代謝物濃度及比值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算結(jié)果用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，并將計(jì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，LCModel軟件能更清晰地通過與基線組的相互校正模擬之后識(shí)別譜線中各種代謝物的峰值，同時(shí)以內(nèi)生水作為內(nèi)標(biāo)校正，獲得較為準(zhǔn)確的絕對(duì)濃度值。除此以外，LCModel軟件還可自動(dòng)地進(jìn)行去渦流效應(yīng)、自動(dòng)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(shí)可導(dǎo)致誤差。此外，LCModel不能直接對(duì)各種代謝物峰的波峰下面積進(jìn)行測量，而且該軟件對(duì)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(dòng)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(duì)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(jì)誤差。

3.2 SAGE軟件

用SAGE軟件處理磁共振頻譜時(shí)，首先將時(shí)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(duì)波峰下面積進(jìn)行測量計(jì)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(duì)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(shí)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(jì)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(duì)于LCModel計(jì)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(duì)感興趣峰波峰下面積測量并經(jīng)公式計(jì)算轉(zhuǎn)換而得到的一個(gè)相對(duì)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(duì)于感興趣峰進(jìn)行選擇，由于缺乏了人為的代謝物峰識(shí)別，故當(dāng)所測頻譜代謝物峰值偏移明顯時(shí)，不能通過人為方法識(shí)別出感興趣峰，使部分代謝物不被系統(tǒng)識(shí)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(shí)別誤差，從而使系統(tǒng)分析得到的代謝物相對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)較好的頻譜譜線及較平滑的頻譜基線，但對(duì)代謝物濃度及與Cr的比值的計(jì)算轉(zhuǎn)換上仍存在問題，需要對(duì)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(duì)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(jià)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.