磁共振波譜技術在聽覺皮層的應用及其質量控制

倪萍，陳自謙，梁永輝，陳賢明

南京軍區福州總醫院 a.醫學工程科；b.醫學影像科；c.耳鼻喉科，

福建 福州 350025

0 前言

磁共振波譜（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS）技術是目前唯一可以無創地檢測活體組織能量代謝、生化改變和化合物定量分析的技術。它利用質子的磁共振現象和化學位移作用，對分子結構有很強的解析能力，所獲得組織的生化信息能夠觀察到明顯早于組織形態結構異常改變的代謝變化，是一種真正的分子影像學技術[1]。聽皮層作為最主要的高級聽覺中樞，其代謝物的改變將影響到對聲音的分析、整合和感知。它分為初級聽皮層和次級聽皮層，初級聽皮層位于顳橫回，主要負責接收聽覺信號；次級聽覺皮層位于顳極、顳平面、顳上回及顳中回部分區域，主要負責接收聲音信息并進一步將之處理成可理解為語言的功能，執行更高水平的聽覺功能[2-3]。目前，MRS在聽覺皮層的應用大都采用單體素MRS技術，將整個聽覺皮層作為一個整體進行分析，很少有對其進行功能區分區的研究。

本研究通過采用單體素和多體素兩種不同的MRS技術對正常人聽覺中樞進行分析檢測，進一步探討這兩種不同MRS技術的優劣以及應用過程質量控制的相關問題，以提高MRS技術在聽覺皮層應用的準確性。

1 材料和方法

1.1 數據采集

選取健康志愿者10人，男5人，女5人，年齡22～27歲，中位年齡25歲。所有志愿者均為右利手，耳鏡檢查外耳道、鼓膜正常，純音聽閾測定125～4000 Hz，平均聽閾≤25 db，聲導抗檢測示中耳功能正常。所有志愿者均無眩暈、耳鳴等前庭系統癥狀，無神經、精神疾病及全身其他疾病史。實驗獲得了醫院倫理委員會審查通過，所有志愿者均在實驗前了解實驗的目的、方法和相關內容，并簽署了書面知情同意書。

采用SIEMENS MAGNETOM Trio TIM 3T 磁共振成像系統，24通道頭線圈進行掃描。受試者進入磁共振掃描室后平臥，戴眼罩、磁共振兼容密閉耳機，以盡可能減小視覺和掃描噪音刺激。頭部嚴格控制，周圍襯硬海綿墊，防止受試者在檢查過程中頭部運動。每位受試者在相對安靜狀態下進行質子MRS掃描。首先，掃描三平面定位像；然后，采用三維快速擾相梯度回波序列（3D SPGR）掃描全腦T1像，排除顱內病變，并采用多平面重建得到波譜掃描所需的定位圖。

選擇T1W冠狀位定位右側聽皮層行單體素1H-MRS檢查，單體素波譜采用點分辨波譜序列MRS_SVS_SE_135，TR/TE=2000/135 ms，重復次數（Average）=256次，每個體素大小為10 mm×10 mm×10 mm，接收帶寬1200 Hz，成像時間約520 s。

多體素選擇平行于外側裂的軸位圖像作為定位平面，結合冠狀位、矢狀位進行定位，采用MRS_CSI_SE_135序列，對右側聽皮層進行1H-MRS檢查。感興趣區包括右側聽皮層顳平面、整個顳橫回和部分島葉，符合聽皮層的解剖特點，并盡量避開顱骨的干擾（圖 1），并將感興趣區以外周圍組織加上預飽和，以去除周圍顱骨、脂肪、腦積液等帶來的干擾。具體序列參數為：TR/TE=1700/135 ms，視野為110 mm×110 mm，掃描范圍55 mm×55 mm；掃描分辨率為16×16；層厚10 mm，FA=90°，帶寬=1200 Hz，重復次數（Average）=3次，體素大小為10 mm×10 mm×10 mm，成像時間413 s。

圖1 二維多體素MRS定位及預飽和圖。

中心頻率、接收/發射增益調節、勻場、水抑制均由程序自動完成，勻場效果達到半高全寬（Full Width at Half Maximum，FWHM）＜19 Hz，水抑制＞95%水平就可以進行波譜的采集，如果無法達到就需要進行手動勻場，或者重新定位感興趣區和預飽和后重新進行勻場和水抑制。

1.2 數據重建和測量

在SIEMENS后處理工作站SYNGO軟件上把掃描得到的CSI_SE序列載入Spectroscopy 軟件上進行后處理。所觀察的主要代謝產物包括：N-乙酰天門冬氨酸（NAA，位于2.02 ppm，ppm表示百萬分之一，代表化學位移大小）、肌酸（Cr，位于3.02 ppm）、膽堿（Cho，位于3.2 ppm）、谷氨酰胺和谷氨酸（Glx，位于3.78 ppm）、γ-氨基丁酸乳酸（GABA，位于2.28～2.31 ppm）、乳酸（Lac，位于1.33 ppm）等，并以Cho+Cr為參照值，分別計算NAA/(Cho+Cr)、Glx/(Cho+Cr)、GABA/(Cho+Cr)峰下面積比值并生成以各比值大小為灰階的偽彩圖[4]。多體素波譜在聽皮層相應部位選3個體素進行代謝物測量，分別是顳平面（Planum Temporale，PT）、顳橫回后內側（Posterior-medial of Heschl's Gyrus，HGpm）、顳橫回前外側（Antero-lateral of Heschl's Gyrus，HGal）；單體素波譜的測量值作為對照組。

1.3 數據分析

采用SPSS11.0軟件進行統計學分析，數據用均數±標準差（x±s）表示，統計學方法為配對t檢驗， p<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

通過對顳橫回后內側、顳橫回前外側和顳平面3個區域對應的體素進行波譜重建，均可見高聳的NAA、Cho、Cr峰，說明勻場和水抑制良好（圖2），所測代謝物的比值，見表1。

PT組NAA/(Cho+Cr)比值最高，顳橫回后內側HGpm次高，對照組較低，顳橫回前外側HGal最低。PT組和對照組相比差異有統計學意義（t=3.932，p=0.001），HGpm組和對照組相比差異沒有統計學意義（t=1.655，p=0.115），HGal組和對照組相比差異沒有統計學意義（t=1.114，p=0.280）。

HGpm組Glx/(Cho+Cr)最高，PT組次之，對照組較低，HGal組最低。HGpm組和對照組相比差異有統計學意義（t=2.354，p=0.005）；PT組和對照組相比差異沒有統計學意義（t=1.278，p=0.218）；HGal組和對照組相比差異有統計學意義（t=2.573，p=0.019）。

PT組GABA/(Cho+Cr)最高，對照組次之，HGal組較低，HGpm組最低。PT組和對照組相比差異有統計學意義（t=3.457，p=0.003）；HGal組和對照組相比差異沒有統計學意義（t=0.663，p=0.535）；HGpm組和對照組相比差異有統計學意義（t=2.121，p=0.0448）。

HGpm組10例均能檢測到乳酸峰，PT組能檢測到6例，HGal和對照組都只有3例能檢測到乳酸峰。

圖2 二維多體素聽皮層MRS譜線

表1 10例健康志愿者聽皮層MRS代謝物測量(x±s)

3 討論

3.1 聽皮層不同MRS定位技術代謝物的比較

MRS在物理學上由化學位移和自旋耦合裂分的波形及頻率成分按其內在規律排列組合而成，波譜信號與被測物的體內原子核的自然豐度、濃度及固有敏感性相關。因人體內1H含量最大，臨床多采用1H-MRS反映活體組織代謝變化，一般分為單體素技術和多體素技術。

單體素空間定位技術應用3個互相垂直的層面選擇脈沖，采集的僅為與3個層面均相交的點內回波信號。常用的有激勵回波采集模式（Stimulated Echo Acquisition Mode，STEAM）和 點 分 辨 波 譜（Point Resolved Spectroscopy，PRESS）。STEAM序列是連續運用3個互相垂直的90°脈沖，采集3個脈沖相交的激發區域回波，而其他回波信號由一個大的打擊梯度在混合時間內施加去相位將信號去除。它的優點是一次激發就可采集，不需要相位再循環，水抑制充分，STEAM回波時間短（通常20～30 ms），對T2弛豫時間比較敏感，可以觀察到更多短T2代謝物，如MI、LIP等，缺點是有近1/2的信號丟失，信噪比較低，對運動偽影較為敏感，容易造成基線不穩，信號丟失。PRESS序列運用一個90°脈沖，兩個重聚的180°脈沖，產生一個自旋回波的VOI，而相應的一對打擊梯度伴隨在180°脈沖兩旁，重聚相位的180°脈沖減低了對磁場均勻性的要求，減少了信號的丟失，信噪比較STEAM序列高[5]。在波譜成像中回波時間的選擇上，135 ms左右1H波譜可以得到人腦Cr、NAA和Cho的單峰，更短一些的TE可以顯示MI、LIP等。根據序列設計的特點，在短TE時選擇STEAM，而長TE時選擇PRESS序列，故本研究的單體素技術采用PRESS序列。

多體素技術又稱化學位移成像，分為二維或三維多體素采集，其優點是一次采集覆蓋范圍較大，在選定的空間分布中可以得到多個體素的代謝物譜線，并可在MRI圖像上融合代謝圖，直觀顯示代謝物的分布變化。

早期雙耳分聽測試研究發現，使用環境噪聲、復合聲等非語言材料時受試者左耳比右耳感知更精確，稱為左耳優勢或右側半球優勢[6]。掃描噪聲屬于非語言類聲音，故本研究測量對象選定右側聽皮層。

顳橫回完全位于外側裂內，在顳上平面內從中央下區外側向后延伸至腦島內側，是一個隱形的弓形腦回。以往人們認為顳橫回全長即為人體聽皮層，關于聽皮層的MRS研究也大都利用單體素技術，感興趣區包括初級和次級聽皮層（包括顳橫回和顳平面）。

聽皮層1H-MRS檢測的代謝物主要包括NAA、Cho、Cr、Glx、Lac、GABA等。NAA完全位于神經元胞體和突觸中，認為是神經元的標志峰，NAA的合成與ATP產生過程中的線粒體活性直接相關，還與代謝效率及細胞膜的興奮性有關[7]；Glx作為大腦皮層中重要的興奮性傳入神經遞質是大腦皮層功能活動的生物化學基礎之一，GABA是能量代謝低能通路-葡萄糖無氧酵解的終產物[8]；Lac峰出現是組織供氧不足的表現，但有學者研究認為正常人在掃描噪聲的刺激下聽皮層會出現Lac峰。Cr反應能量狀況，在病理狀態下較穩定，常做參考值比較其他代謝產物的變化；Cho與細胞膜磷脂的分解和合成有關；因Cho和Cr較為接近，相鄰處有融合峰存在，測量兩者共同的峰下面積（Cho+Cr）可以消除主觀區分單個波峰產生的誤差。

本研究中多體素聽皮層的NAA/(Cho+Cr)、Glx/(Cho+Cr)、GABA/(Cho+Cr)在聽皮層不同區域分布差異很大，顳平面的NAA含量最高，顳橫回后內側高于顳橫回前外側；顳橫回后內側Glx最高，顳平面高于顳橫回前外側；顳橫回后內側GABA含量最低，提示顳橫回后內側神經元密度較高，興奮神經遞質釋放較多，抑制遞質含量較低，可能為聽覺的功能核區，單純掃描噪聲的刺激使聽覺初級皮層處于興奮狀態。Lac峰在顳橫回后內側均能檢測到，也可能與掃描噪聲造成顳橫回后內側高度興奮而缺氧有關。

在聽皮層，NAA與神經遞質分布的不均勻可能與聽皮層亞結構的功能差異有關，單體素把整個聽皮層某個區域或者顳上回作為一個整體進行研究難以反映代謝物分布的差異性，容易導致片面結果。目前，3.0T磁共振能保證波譜質量的單體素技術最小體素為10 mm×10 mm×10 mm，易包含軸位顳上回、島葉等，從而影響結果的準確性。本研究多體素視野大，體素小，可對顳橫回亞結構進行檢測。本研究多體素MRS采用平行與外側裂的斜軸位作為主定位平面，能在軸位像上由前到后顯示顳極、顳橫回和顳平面的解剖位置，沿顳橫回前后走行方向采用矩形采集，不但獲得相對較多的感興趣區結構，并能有效避開鄰近骨骼和腦脊液的影響，成像質量較好，同時減少了單體素技術多個區域多次檢測的誤差和時間。

本研究單體素測量結果NAA/(Cho+Cr)比值和顳橫回后內側接近，Glx/(Cho+Cr)和顳平面接近，GABA/(Cho+Cr)和顳橫回前外側接近。說明單體素感興趣區在顳橫回的定位較多體素精確性差，存在主觀因素。多體素技術在顳橫回后內側均能測到Lac峰，而在單體素僅30%可檢測到，說明小范圍低含量的代謝物檢測在單體素技術中容易遺漏。因此，二維多體素技術在聽皮層MRS的檢測可以比較準確反映聽皮層不同部位代謝的微小變化，具有較大的優勢。

3.2 聽皮層MRS質量控制的主要因素

3.2.1 磁共振設備的質量控制保證

與MRI圖像一樣，MRS的質量主要也是由信噪比和分辨率決定的。MRS檢測的信號強度與所測組織內原子核的自然豐度和核的濃度及其固有敏感度有關。磁場強度越高，不僅信噪比提高，而且代謝物的化學位移增大，更容易區分不同的代謝物。因此，對于MRS而言，3T比1.5T可以獲得信號更強、分辨率更高的譜線,更容易檢出微少的代謝物[9]。

磁共振設備的良好磁場均勻性和時間穩定性是獲得高質量MRS的前提。定期對磁共振系統進行功能磁共振質量控制檢測和波譜質量控制掃描（MRS-QC），檢測系統的磁場均勻性、時間穩定性和Cr SNR，以及發射增益、中心頻率等重要參數，特別注意成像區域內不能有金屬異物、殘留的造影劑等影響磁場均勻性的磁性物質[10]。

3.2.2 患者的配合

MRS采集每次檢查時間長，患者的移動將會影響整個數據的采集。因此，在檢查之前一定要囑咐患者在整個檢查過程中務必保持一個體位，必要時可在患者的頭顱兩側塞填海綿墊以固定[11]。MRS檢測頭動判斷不像常規MRI那樣直觀，為更好保證波譜檢測結果的準確性，排除頭動的可能，可以在MRS掃描后馬上掃一個快速序列，與定位像比較，看頭部位置是否一致以排除頭動。如果發現頭動，則原來掃描結果應放棄，重新采集。另外，需要叮囑病人保證頭部的清潔，不要涂摩絲等美發用品或者其他藥物，以免其中復雜化學成分造成磁場的不均勻，影響檢查的順利進行[12]。

3.2.3 體素的大小和感興趣區的設定

體素的大小及科學的定位是獲得高質量MRS的關鍵。MRS譜線的半高寬主要受原子核自然半高寬及磁場的均勻度影響，VOI內磁場的均勻度越高，所得譜線的半高寬越小。在保證設備磁場均勻性的前提下，MRS還受到感興趣區內磁場的均勻性影響。雖然每次采集前系統給要自動進行中心頻率校正、射頻發射增益調整、勻場等，但如果VOI內含有空氣、顱骨等成分，局部磁場磁敏感效應嚴重，將影響到采集區域磁場的均勻性。由于聽皮層體積較小，且靠近骨骼及外側裂等溝回，感興趣區的定位要利用三平面定位技術，即三維采集后用多平面重建方式選擇一個好的方位MRI圖像來定位，本研究采用了平行于外側裂的軸位圖像作為定位平面，其他兩個方位的MRI圖像作為參考，感興趣區包括初級及次級聽皮層（包括顳橫回和顳平面），不必太大，盡量避開空氣及骨骼，減少不必要的干擾。

合理設置體素的大小。掃描序列參數的設定非常關鍵，頻率矩陣、相位矩陣、FOV、層厚以及采集次數都會影響到分辨率和信噪比，但兩者不可兼得，應根據病變部位的大小設定合理的參數。MRS的信號強度與所檢測到的核的數量成正比，增大體素可提高信噪比，但降低了分辨率。本研究為了更加精確測量聽皮層不同區域代謝物的分布，將測量體素減小，單體素測量由原來默認的20 mm×20 mm×20 mm減小到10 mm×10 mm×10 mm，因此，造成測量信噪比減低，譜線質量下降，結果不可靠。增加采集次數可提高信號比，但檢查時間要相應延長，通過將平均次數由144提高到256，提高了譜線質量，但采集時間也由原來的296 s增加到520 s，增加了病人配合的難度。

3.2.4 合理設置飽和帶

充分利用選擇性飽和帶技術：空間預飽和帶將RF脈沖發送到FOV內部或外部的選定位置，從而使該處的原子核達到飽和并消除不必要的信號。在選層脈沖之前應用的90°RF脈沖，受飽和帶脈沖影響的組織沒有時間充分恢復，因此，也就沒有或只有少量從這些組織激活的縱向磁化，從而也就不會生成信號或只有少量信號，減少了外部復雜組織結構對感興趣區譜線的影響。合理使用預置空間飽和帶技術能有效抑制可能存在的信號污染，提高波譜檢測的準確性。

4 結束語

MRS技術在聽皮層的應用，使磁共振技術在聽覺系統的應用從形態學上升到了功能與分子影像學的水平，為聽皮層相關疾病的診斷、預后評價到康復過程的功能重塑提供了客觀準確的評價手段。

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