1.5 T磁共振不同NEX腦部腫瘤酰胺質子轉移成像的應用初探

楊永貴，郭崗

近年來，化學交換飽和轉移(chemical exchange saturation transfer，CEST)成像技術作為一種全新的磁共振分子影像技術，已經從科研至臨床應用逐漸轉變，越來越被人們所熟知。酰胺質子轉移(amide proton transfer，APT)成像[1-6]是基于CEST，能無創性地檢測內源性的、位于細胞質內的游離蛋白質及多肽分子的新影像技術，在腦部腫瘤的研究也被人們所重視。

然而，目前CEST的臨床應用研究存在準確定量的問題，需要涉及到預飽和脈沖能量、時間、波形、個數等許多參數的優化定量。還有在體內的CEST效應在高分子磁化傳遞競爭、直接的水飽和度(溢出效應)和隨之而來的飽和的交換或偶極耦合池。此外，這些干擾的影響強烈地依賴于磁場強度(B0)、射頻輻射振幅(B1)和其他實驗參數。且CEST在腦部疾病的應用還受組織的游離蛋白及多肽的含量、水含量、pH值及溫度的影響，還有頭部運動導致的CEST圖像上腦表面及腦室的偽影及CEST效應很小導致的圖像空間分辨率極低等。因為實現APT成像需要滿足△ω≥K和R1≤K兩個基本條件，其中△ω為酰胺質子與自由水質子的化學位移差，K為化學交換速率，R1為水質子的縱向弛豫速率。酰胺質子的共振峰位于8.3 ppm處，相對于水峰而言，△ω為3.5 ppm，在3.0 T場強下，△ω為448 Hz，且K值范圍為10～300 Hz，故3.0 T場強的磁共振上進行APT成像是符合條件的，且可以進行定量分析組織的pH值。而目前臨床應用的磁共振儀大多以1.5 T場強為主，在1.5 T場強的磁場下，△ω=224 Hz，只有部分滿足△ω≥K這個條件，故在飽和的過程中將直接影響到水峰，且信噪比相對較低。通過預實驗優化了其他參數后，本文旨在初步探討1.5 T磁共振不同激勵次數(number of excitation，NEX)腦部腫瘤APT成像對ATP成像圖像采集及后處理的影響[1]。

1 材料與方法

1.1 一般資料

收集從2013年10月至2014年10月在廈門市第二醫院進行CEST采集的腦腫瘤患者90例，男50例，女40例，年齡35～73歲，平均年齡52.6歲。所有病例均有常規磁共振平掃及增強檢查，根據其診斷結果有轉移瘤67例，膠質母細胞瘤3例，膠質瘤9例，表皮樣囊腫5例，聽神經鞘瘤6例。本課題的所有實驗由廈門市第二醫院倫理學委員會審理通過，且在檢查前所有受檢者均了解檢查內容，并簽署了知情同意書。

本實驗采用對比分析法和隨機分組分析法兩種分組方法進行數據分析。對比分析組：該組20例受檢者分別進行兩種激勵次數(2次和8次)的圖像采集并進行后處理重建分析。隨機分組分析組：該組70例受檢者按照檢查時間順序交替進行隨機分組各35例，進行單種激勵次數(2次或8次)的圖像采集并進行后處理重建分析。

1.2 成像方法

采用GE Signa HDe 1.5 T MRI儀進行臨床病例的CEST成像和常規MRI檢查的數據采集。CEST成像分別采集opmt=1、磁化傳遞頻率為-224 Hz和224 Hz、及opmt=0 3組圖像，并通過該3組圖像進行后處理得出APT圖。

CEST成像：采用pulsed RF irradiation的GRE序列，其飽和脈沖占空比為50%。脈沖個數和相位編碼數一致，單個飽和脈沖的飽和時間為8 ms，總的飽和時間是8 ms乘飽和脈沖個數再乘2。TR時間為60 ms，TE時間為默認的最小值，翻轉角為35o ，FOV為20 cm×20 cm，矩陣為128×128，磁化傳遞翻轉角為105o，opfat=1 (注：opfat是脂肪抑制的開關命令符，1為開，0為關。opmt是磁化傳遞飽和脈沖的開關命令符，1為開，0為關)。NEX=2，采集時間15.5 s/每層；NEX=8，采集時間1 min 5 s/每層。預掃描時間1 min/每層。

1.3 圖像質量評分

參照圖像質量評價標準的絕對評價尺度的妨礙尺度[7-9]，本組數據評分標準如下：5分：信噪比優，對比度優，病灶顯示好。4分：信噪比良，對比度良，病灶顯示良。3分：信噪比一般，對比度一般，但不妨礙病灶顯示。2分：信噪比差，對比度差，略有妨礙病灶顯示，但不影響觀察。1分：信噪比極差，對比度極差，嚴重妨礙病灶顯示。其中以原始圖3組圖(-224 Hz)的質量最低分為原始圖整體的最后得分。以3分及以上的圖像作為診斷敏感度的評價指標。

1.4 數據處理及分析

所得數據采用MATLAB平臺上自主編譯的后處理軟件(已申請軟件著作權)進行CEST-APT成像，分別對原始圖信號、APT信號進行評價分析。數據分析采用SPSS 16.0進行獨立樣本t檢驗和方差分析等統計學分析。

2 結果

對比分析組，NEX=2，采集opmt=1，磁化傳遞頻率為-224 Hz和224 Hz，及opmt=0 3組圖像，原始圖圖像質量得分為(4.55±0.83)分，APT圖的圖像質量得分為(2.70±1.03)分；NEX=8，原始圖圖像質量得分為(4.60±0.68)分，APT圖的圖像質量得分為(3.35±0.81)分。該組數據中的兩種NEX數據對比，原始圖評分Levene's Test，F=0.79，P＞0.05，方差齊性；獨立樣本t檢驗，差異無統計學意義(P＞0.05)。APT圖評分Levene's Test，F=1.012，P＞0.05，方差齊性；獨立樣本t檢驗，差異有統計學意義(P＜0.05)。

以3分及以上的圖像作為檢出率的評價指標，原始圖檢出率均為100%，APT圖檢出率分別為70%和90%。

隨機分組分析組，NEX=2，采集opmt=1，磁化傳遞頻率為-224 Hz和224 Hz，及opmt=0 3組圖像，原始圖圖像質量得分為(4.54±0.78)分，APT圖的圖像質量得分為(2.89±0.96)分；NEX=8，原始圖圖像質量得分為(4.69±0.63)分，APT圖的圖像質量得分為(3.60±0.69)分。該組數據中的兩種NEX數據對比，原始圖評分Levene's Test，F=3.04，P＞0.05，方差齊性；獨立樣本t檢驗，差異無統計學意義(P＞0.05)。APT圖評分Levene's Test，F=1.16，P＞0.05，方差齊性；獨立樣本t檢驗，差異有統計學意義(P＜0.05)。

原始圖檢出率均為100%，APT圖檢出率分別為77.1%和94.3%。無論是哪一組的結果，實驗組發現APT圖整體比原始圖評分降一檔。圖像質量上APT圖略差，但均能顯示并區分病灶。其可以通過原始圖、偽彩圖及重建的APT圖上信號改變的情況，區分不同類型腦腫瘤的信號，并通過偽彩顏色的不同，區分病灶實質、壞死及其周邊情況。無論是原始圖還是APT圖，兩組間的檢出率及各分值的比例分布趨勢類似(如圖1、2)。

3 討論

3.1 病例入選原則及局限性

蛋白質是機體細胞的重要組成部分，是生命的物質基礎，占體重的比例達16%～20%，它與各種形式的生命活動密切相關。蛋白質由肽鍵將氨基酸連接而成，而酰胺質子正是肽鍵的組成部分之一，其分布范圍非常廣泛。

APT成像[1-6]能無創性地檢測內源性的、位于細胞質內的游離蛋白質及多肽分子。細胞內蛋白質和/或多肽的酰胺質子是APT成像中CEST效應的物質基礎。腫瘤中含有豐富的游離蛋白質或多肽，早期診斷和綜合評估腫瘤的范圍及其與周圍解剖結構的關系對于腫瘤的預后及治療有重要意義。

據文獻報道[6,10]，轉移瘤、膠質母細胞瘤、膠質瘤、表皮樣囊腫、聽神經鞘瘤等腦部腫瘤，因為自身病程中代謝物的改變，或有游離蛋白質及多肽分子，均會產生APT成像上信號的差異，以便區分腫瘤實質區、壞死區及周圍水腫區等。腦轉移瘤的實質與周圍水腫區的區分，其占顱內腫瘤的10%～15%，且肺癌腦轉移占30%～40%，而廈門市第二醫院有大量肺癌腦腫瘤患者。這也是本實驗數據病例納入上述病種的原因，如圖3～6。

本實驗旨在驗證APT成像效果，入選的均為有代謝改變尤其是蛋白質變化的疾病。另外，圖像質量評估只有主觀評分，因為所有圖像是通過MATLAB平臺上自主編譯的后處理軟件進行處理，目前還無法進行信噪比、對比信噪比、Noise等客觀指標的測量，這些情況也帶來分析上的局限性。

采用對比分析組與隨機分組分析組兩種入選數據的分組方法，并比較其原始圖評分、APT圖評分，各分值比例分布情況，探討實驗數據的分組可行性，盡量避免分組帶來的數據分布問題。

3.2 不同NEX的優劣勢分析

酰胺質子的化學位移為(8.3±0.5) ppm，即在水峰左邊3.5 ppm的位置[10]。釆用CEST技術，用飽和脈沖激發可交換的酰胺質子，這樣被飽和的酰胺質子會與未飽和的水中氫質子進行化學交換，從而使水中氫質子的信號強度發生變化。本實驗所用的數據采用的飽和脈沖頻率采用的就是酰胺質子的化學位移頻率，即1.5 T場強下的224 Hz。

本文只探討NEX這個成像參數的原因，是因為在預實驗中已經通過模型進行了各種成像參數的對比分析。其他參數不變，通過模型進行不同NEX (2、4、6、8)的預實驗，每層采集時間分別為15.5 s、32 s、48 s、1 min 5 s，原始圖和APT圖的圖像質量均是越來越好，但時間越來越長。本實驗是為了探討適用臨床受檢者的快速方案，在兼顧圖像質量的前提下，要考慮采集時間對受檢者耐受能力的影響導致的圖像質量問題。

本實驗所有APT數據采用pulsed RF irradiation的GRE序列，其飽和脈沖占空比(即飽和脈沖與間隔時間之比)為50%。脈沖個數和相位編碼數一致，單個飽和脈沖的飽和時間為8 ms，總的飽和時間為8 ms乘飽和脈沖個數再乘2。即矩陣越大，飽和時間越長，采集時間也越長。且文獻報道[11-15]TR為60 ms，足夠組織縱向恢復至原始狀態。故筆者在1.5 T的磁共振儀上，進行APT成像采用參數如下：TR時間為60 ms，TE時間為默認的最小值，翻轉角為35o，FOV為20 cm×20 cm，矩陣=128×128，磁化傳遞翻轉角為105°，opfat=1，激勵次數為8次。但因該參數成像時間較長，采集一層的時間為1 min 5 s，預掃描輸入命令的時間一般需要1 min/每層，即3個飽和頻率的原始圖至少需要7 min。其他參數不變，筆者將激勵次數設置為2次，采集一層的時間為15.5 s，加上預掃描的時間，總的采集時間可以減少近一半。可以盡量減少因為采集時間過長受檢者無法耐受而導致的失敗。

圖1 對比分析組評分餅狀圖 圖2 隨機分組分析組評分餅狀圖 圖3轉移瘤圖像質量好的(-224 Hz)原始圖(A)與APT圖(B) 圖4 轉移瘤圖像質量差的(-224 Hz)原始圖(A)與APT圖(B) 圖5 聽神經鞘瘤的(-224 Hz)原始圖(A)與APT圖(B) 圖6 表皮樣囊腫的(-224 Hz)原始圖(A)與APT圖(B)Fig.1 Pie chart of contrast group. Fig.2 Pie chart of random group.Fig.3 Image of metastasis, good quality of original image (-224 Hz) (A) and APT image (B). Fig.4 Image of metastasis, poor quality of original image(-224 Hz) (A) and APT image (B). Fig.5 Original image (-224 Hz) (A) and APT image (B) of acoustic neurinoma. Fig.6 Original image (-224 Hz) (A)and APT image (B) of epidermoid cyst.

無論是哪一組的結果，實驗組發現APT圖整體比原始圖評分降一檔。因為在1.5 T場強的磁場下，△ω=224 Hz，只有部分滿足△ω≥K，故在飽和的過程中將直接影響到水峰，且信噪比相對較低，導致圖像質量上APT圖略差，但均能顯示并區分病灶。其可以通過原始圖、偽彩圖及重建的APT圖上信號改變的情況，區分不同類型腦腫瘤的信號，并通過偽彩顏色的不同，區分病灶實質、壞死及其周邊情況。無論是原始圖還是APT圖，兩組間的敏感度及各分值的比例分布趨勢相類似(如圖1、2)。

以4分及以上的圖像作為檢出率的評價指標，對比分析組原始圖分別為80%和90%，APT分別為20%和50%；隨機分組分析組原始圖分別為80%和91.4%，APT分別為25.7%和68.6%。NEX的差異帶來敏感性的差異，但作為輔助，結合常規檢查，可以辨別病灶分布情況。故本實驗組采用以3分及以上的圖像作為檢出率的評價指標，對比分析組原始圖均為100%，APT分別為70%和90%；隨機分組分析組原始圖均為100%，APT分別為77.1%和94.3%。

4 結論與展望

圖像質量上APT圖略差，尤其是NEX為2次時，ATP圖像現實的CEST效應不理想，但可以通過原始圖、偽彩圖及重建的APT圖上信號改變的情況，區分病灶實質、壞死及其周邊情況。以3分及以上的圖像作為檢出率的評價指標，各組檢出率均在70%以上。且無論是原始圖還是APT圖，兩組間的敏感度及各分值的比例分布趨勢相類似。一般情況下，優化參數后的APT成像，可以明確區分腦部腫瘤的病灶分布，從分子影像學層面呈現腦腫瘤的代謝物等生物學信息，早期診斷和綜合評估腫瘤的范圍及其與周圍解剖結構的關系，對腫瘤的預后及治療具有重要意義。如果受檢者無法耐受，可以采用NEX為2次的參數采集，也可以提供相對滿意的APT成像效果[16-18]。

本實驗組將進一步收集數據，擴大病種范圍，隨機入選數據，分析特異性與敏感度。且在快速APT成像序列的研發方面做深入的工作，爭取能采用快速的序列軟件包，讓一次采集3種偏置頻率自動重建APT圖像，做到智能精準的CESTAPT成像，為腦部疾病的研究提供智能精準的分子影像學診斷信息。

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