3.0T磁共振波譜成像在嬰幼兒腦白質發育評價中的應用研究

徐文麗，馬賀驥，胡鐵成，徐基磐，王倩，譚威，高德雙

磁共振波譜(MRS)技術的發展使無創性檢測活體組織器官的能量代謝、生化改變及特定化合物定量分析成為可能[1-2]。顱腦發育過程中，腦組織尤其是腦白質的結構、功能不斷完善，至2歲左右基本成熟，因而，嬰幼兒腦發育的變化過程已引起國內外學者的極大關注[3-4]。目前已有許多關于年齡因素對正常腦質發育影響的MRI研究，但鮮見應用MRS對正常嬰幼兒腦白質代謝進行觀察的報道[5-6]。本文應用3.0T磁共振儀多體素1H-MRS觀察180名2歲以內的健康嬰幼兒側腦室旁白質的常見代謝物峰下面積及比值，以期為正常腦發育及腦內異常代謝提供臨床診斷依據。

1 材料與方法

1.1 樣本收集與分組 納入遼寧醫學院附屬第一醫院180名健康嬰幼兒，年齡0～2歲，共分成6組，每組30名。第1組為出生～3個月，第2組為4～6個月，第3組為7～9個月，第4組為10～12個月，第5組為13～18個月，第6組為19～24個月。入選標準：一般體檢顯示無異常；除其他部位MRI檢查顯示無神經系統疾病且無相關病史。

1.2 檢查方法 采用德國Siemens Magnetom Verio 3.0T磁共振成像儀，頭顱正交線圈。1H-MRS掃描前常規行頭顱軸位T1WI、T2WI、T2FLAIR，矢狀位T1WI及冠狀位T1WI。1H-MRS選用化學位移成像序列(chemical shift imaging sequence，CSI)。感興趣區(region of interest，ROI)包括側腦室旁腦白質的正常腦組織解剖區域，大小為6cm×6cm。最小測量體素為1cm3(1.0cm×1.0cm×1.0cm)。TR 1500ms，TE 135ms，層厚10mm，視野16cm×16cm，激勵次數3，成像時間417s。掃描程序自動完成接收/發射增益調節、體素內勻場、水抑制，勻場效果達到半高全寬(FWHM)≤8Hz，水抑制≥98%水平。

1.3 波譜后處理 采用Siemens Magnetom Verio工作站對采集的波譜數據進行后處理，獲得正常腦組織1H-MRS曲線，不同的化合物在強磁場作用下產生不同的化學位移，通常以磁場頻率的百萬分之一(ppm)表示。測量側腦室旁白質的N-乙酰天門冬氨酸(NAA，2.02ppm)、膽堿(Cho，3.20ppm)、肌酸(Cr，3.03ppm)峰下面積，計算NAA/Cho、NAA/Cr、Cho/Cr的值。

1.4 統計學處理 采用SPSS 17.0軟件進行統計分析。對數據行方差齊性檢驗，方差不齊者轉換數據。代謝物峰下面積及比值均以s表示，不同年齡組間比較采用單因素方差分析，與年齡的相關性采用Spearman相關分析。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 側腦室旁白質波譜及代謝物峰下面積 出生后25d的新生兒，側腦室旁白質的波譜代謝物中，Cho為主峰，其次為Cr，NAA峰最低(圖1)。隨著年齡增加，NAA峰逐漸增高，Cho峰逐漸減低，Cr變化不明顯，在出生后6個月時，NAA峰與Cho峰接近，Cr峰最低(圖2)。隨后NAA峰繼續升高，至2歲時，NAA峰已經成為腦室旁白質波譜代謝物的主峰，其次為Cho峰，Cr峰最低(圖3)。本研究納入的180例正常嬰幼兒側腦室旁白質波譜代謝物中，第1組NAA峰下面積最低，均值為14.72，第6組NAA峰下面積最高，均值為18.80，隨著年齡增加，峰下面積均值增加。第1組Cho峰下面積最高，均值為20.46，第6組Cho峰下面積最低，均值為17.59，隨著年齡增加，峰下面積均值減低。第1組Cr峰下面積最低，均值為10.20，第2至第6組數值變化不明顯(表1)。

圖1 25d新生兒腦室旁白質波譜Fig.1 Spectrum of paraventricular white maはer of a neonate aged 25 days. A is the spectrum of paraventricular white maはer, spectrum of Cho is the main peak, NAA is the second, Cr is the lowest; B is the anatomy of the axial picture of region of interest (ROI)

圖2 6個月嬰兒腦室旁白質波譜Fig.2 Spectrum of paraventricular white matter of an infant aged 6 months. A is the spectrum of paraventricular white matters, spectrum peak of Cho and NAA are similar, and Cr is lower; B is the anatomy of the axial picture of ROI

圖3 24個月幼兒腦室旁白質波譜Fig.3 Spectrum of paraventricular white matter of a young child aged 24 months. A is the spectrum of paraventricular white matter, spectrum of NAA is the main peak, Cho is the second,Cr is the lowest. B is the anatomy of the axial picture of ROI

2.2 側腦室旁白質波譜代謝物的峰下面積比值單因素方差分析顯示，不同年齡組側腦室旁白質NAA/Cr、Cho/Cr、NAA/Cho比值差異有統計學意義(P＜0.05)，其中第2組NAA/Cr、NAA/Cho明顯高于第1組，Cho/Cr明顯低于第1組(表2)。相關分析顯示，側腦室旁白質NAA/Cho及NAA/Cr與年齡呈正相關(r=0.741，r=0.625，P＜0.05)，Cho/Cr與年齡呈負相關(r=–0.552，P＜0.05)。

表1 各組側腦室旁白質腦代謝物的峰下面積s，n=30)Tab.1 Peak areas of different metabolites in paraventricular white matter in each group s, n=30)

表1 各組側腦室旁白質腦代謝物的峰下面積s，n=30)Tab.1 Peak areas of different metabolites in paraventricular white matter in each group s, n=30)

(1)P＜0.05 compared with group 1; (2)P＜0.05 compared with group 2

Group NAA Cho Cr 1 14.72±5.88 20.46±7.90 10.20±5.52 2 18.31±5.90(1) 19.28±6.48(1) 11.34±5.04(1)3 18.52±5.42(1) 18.18±6.51(1)(2) 11.34±5.16(1)4 18.63±5.58(1) 17.90±6.72(1)(2) 11.35±5.35(1)5 18.75±5.70(1) 17.69±6.63(1)(2) 11.35±5.29(1)6 18.80±5.60(1) 17.59±6.35(1)(2) 11.35±5.45(1)

表2 各組側腦室旁白質腦代謝物峰下面積比值(，n=30)Tab.2 Ratios of peak areas of different metabolites in paraventricular white matter in each group s, n=30)

表2 各組側腦室旁白質腦代謝物峰下面積比值(，n=30)Tab.2 Ratios of peak areas of different metabolites in paraventricular white matter in each group s, n=30)

(1)P＜0.05 compared with group 1; (2)P＜0.05 compared with group 2

Group NAA/Cho NAA/Cr Cho/Cr 1 0.72±0.18 1.44±0.29 2.01±0.16 2 0.95±0.13(1) 1.62±0.10(1) 1.70±0.22(1)3 1.02±0.06(1)(2) 1.64±0.15(1) 1.60±0.09(1)(2)4 1.04±0.07(1)(2) 1.65±0.09(1) 1.58±0.12(1)(2)5 1.06±0.10(1)(2) 1.66±0.09(1) 1.56±0.11(1)(2)6 1.07±0.08(1)(2) 1.65±0.11(1) 1.55±0.12(1)(2)

3 討 論

MRS研究始于20世紀80年代，在MRI形態學診斷的基礎上，利用化學位移和J-耦合兩種物理現象，可無創性地獲得人體器官組織內生化代謝方面的信息。隨著MRS技術的不斷進步，其在嬰幼兒腦組織代謝中的研究應用成為可能。3.0T磁共振掃描儀具有更大的化學位移，使MRS個體峰值檢出率增強，且每種代謝產物獲得的信號增加，更易從背景噪聲中分出，從而提高了檢測代謝異常的能力[7]。

嬰幼兒腦白質具有髓鞘發育不完善、含水量多等特點，未髓鞘化的腦白質在常規MRI的T1WI上呈低信號，T2WI上呈高信號，與腦水腫、白質軟化等的MRI表現相似，易導致假陽性診斷。嬰幼兒時期很多疾病可導致腦內白質的損傷，其中新生兒缺氧缺血腦病(hypoxic-ischemic encephalopathy，HIE)極易造成腦室旁白質特別是后角旁白質的壞死、軟化[8]，腫瘤、感染、中毒、梗死、代謝疾病、腦白質病等均可伴發腦白質的代謝異常，但由于小兒腦的特殊性，在MRI傳統圖像上易與正常腦白質發育相混淆而被漏診。另外胎兒期或圍生期的各種不利因素引起的腦白質發育不良、發育遲緩等亦好發于側腦室后角旁白質，目前尚無確切的診斷依據。因此探討正常嬰幼兒腦白質發育中腦內代謝物的含量及變化規律，可以為上述疾病的診斷提供依據，具有非常重要的臨床意義。

NAA位于2.02ppm，主要由NAA和N-乙酰天門冬谷氨酸鹽(NAAG)組成，在腦發育過程中不僅見于神經元，也可見于Ⅱ型星形細胞的原始細胞和未成熟少突膠質細胞，是髓鞘形成中脂肪酸合成乙酰基的供體，因此成為未發育神經組織的標志。Cr位于3.03ppm，是高能磷酸化合物的儲備以及ATP和ADP的緩沖劑，標志著腦組織能量代謝。Cho位于3.20ppm，包括磷酸膽堿、磷脂酰膽堿及磷酸甘油膽堿，是神經遞質乙酰膽堿的前體，也是細胞膜磷脂代謝的成分之一，參與細胞膜的合成與代謝。Moore[9]認為腦內代謝物變化最顯著的時期是在生后的2年內，完全達到成人水平約在4歲。

本研究發現隨年齡增加側腦室旁白質中NAA逐漸增高，Cho逐漸降低，在2歲時趨于穩定，Cr 3個月內升高，4個月后趨于穩定。側腦室旁腦白質各代謝物比值在不同年齡組間差異有統計學意義(P＜0.05)。為了使在不同場強的磁場中獲得的結果具有可比性，通常使用一個參照物，將被檢測的代謝物共振頻率與參照物的共振頻率相比，從而獲得化學位移的相對值。本研究顯示側腦室旁白質的NAA/Cho、NAA/Cr與年齡呈正相關，Cho/Cr與年齡呈負相關。神經膠質細胞是神經系統尤其是發育期的腦白質內最主要的細胞類型，新生兒期腦白質中膠質細胞軸突、樹突及髓鞘發育不完善，NAA含量較低，隨著突觸修剪、重組髓鞘形成等變化，NAA水平逐漸升高，至2歲時穩定，與文獻報道一致[10]。本研究結果顯示腦內Cr出生時含量較少，在生后3個月內增長并于4個月后趨于穩定，與Cecil、Hüppi等報道一致[11-12]。NAA/Cho隨著時間的變化逐漸升高。Cho峰在腦發育早期主要代表形成細胞膜和髓鞘所需的高濃度底物。Cho含量在生后2年內逐漸降低，在2歲時穩定。NAA/Cho隨著兩種化合物的變化逐漸升高，于6個月左右NAA、Cho峰發生逆轉，Cho峰為出生時的腦內波譜的最高峰，隨后Cho峰逐漸減低，Cho/Cr逐漸減低。相關文獻報道Cho隨著髓鞘化過程逐漸降低，髓鞘化主要發生于妊娠中期到2歲末階段[11]。有學者認為，Cho含量降低可能是由于其在髓鞘形成過程中轉變為MRS所不能發現的髓鞘大分子結構。本研究觀察了側腦室旁白質各代謝物的比值，發現生后3個月內NAA/Cr快速升高，隨后逐漸升高，Cho/Cr降低最快，之后逐漸降低，至2歲末進入平臺期，與腦內髓鞘發育過程一致，與國外研究結果一致[11]。

綜上所述，本研究結果顯示，出生后不同時期側腦室旁白質的代謝物比值不同，且呈現出一定的規律性，與國內外研究結果一致[11,13]。國內相關研究報道基底節區、丘腦中NAA/Cho比值于出生前后上升最快[13]，本研究則顯示側腦室旁白質的NAA/Cho比值在出生后前3個月內增長最快，之后逐漸增長。本研究較完整地探討了腦白質的常見代謝物比值的演變，對之前相關研究的部位及代謝物比值方面進行了補充。

本研究的不足在于單個體素容積小，信號強度較低，采集次數較多，序列掃描時間相對單體素較長，且需要較高的磁場均勻性。

本研究應用3.0T多體素MRS對正常嬰兒腦白質發育進行了探討，結果顯示不同年齡的嬰幼兒腦內代謝物比值不同，且與年齡相關，為正常嬰幼兒腦發育及相關疾病的診斷及鑒別診斷提供一定的影像學依據。

[1]Lin AQ, Shou JX, Li XY. Study of acute cerebral infraction using proton magnetic resonance spectroscopy[J]. J Zhengzhou Univ(Med Sci), 2012, 47(4): 560-563. [林愛琴, 壽記新, 李雪元.急性腦梗死患者氫質子磁共振波譜分析[J]. 鄭州大學學報(醫學版), 2012, 47(4): 560-563.]

[2]Di Costanzo A, Trojsi F, Tosetti M, et al. High-field proton MRS of human brain[J]. Eur J Radiol, 2003, 48(2): 146-153.

[3]Stiles J, Jernigan TL. The basics of brain development[J].Neuropsychol Rev, 2010, 20(4): 327-348.

[4]Brown TT, Jernigan TL. Brain development during the preschool years[J]. Neuropsychol Rev, 2012, 22(4): 313-333.

[5]Vigneron DB. Magnetic resonance spectroscopic imaging of human brain development[J]. Neuroimaging Clin N Am, 2006,16(1): 75-85.

[6]Inder TE, Huppi PS. In vivo studies of brain development by magnetic resonance techniques[J]. MRDD Reserch Rev, 2000,6(1): 59-67.

[7]Kim JH, Chang KH, Na DG, et al. 3T1H-MR spectroscopy in grading of cerebral gliomas: comparison of short and intermediate echo time sequences[J]. AJNR Am J Neuroradiol,2006, 27(7): 1412-1418.

[8]Han YK, Yang YJ, Shao XM, et al. Neonatal hypoxic ischemic encephalopathy[M]. 2nd Ed. Beijing: People's Medical Publishing House, 2010. 110-111. [韓玉昆, 楊于嘉, 邵肖梅,等. 新生兒缺血缺氧腦病[M]. 2版. 北京: 人民衛生出版社,2010. 110-111.]

[9]Moore GJ. Proton magnetic resonance spectroscopy in pediatric neuroradiology[J]. Pediatr Radiol, 1998, 28(11): 805-814.

[10]Li MR, Li YH.1H-MRS of the normal neonatal brain[J]. Int J Med Radiol, 2011, 34(6): 522-525. [李美蓉, 李玉華. 正常新生兒腦組織1H-MRS研究[J]. 國際醫學放射學雜志, 2011,34(6): 522-525.]

[11]Cecil KM, Jones BV. Magnetic resonance spectroscopy of the pediatric brain[J]. Top Magn Reson Imaging, 2001, 12(6): 435-452.

[12]Hüppi PS. MR imaging and spectroscopy of brain development[J]. Magn Reson Imaging Clin N Am, 2001, 9(1):1-17.

[13]Zhang J, Zhao X, Zhang XA, et al. Study of proton magnetic resonance spectroscopy in normal brain development of infants and young children[J]. Clin J Radiol, 2010, 29(4): 510-514. [張君, 趙鑫, 張小安, 等. 正常嬰幼兒腦組織發育的1H-MRS研究[J]. 臨床放射學雜志, 2010, 29(4): 510-514.]