腦單體素氫質子波譜掃描未抑制水分析的應用價值研究

陳林麗， 吳偉， 郭大靜

氫質子磁共振波譜成像(1H-magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)是眾多影像檢查中唯一能無創地獲取體內代謝物信息的方法，不僅可以先于形態學異常發現病變，而且對于病變定性、分期有重要意義，在中樞神經系統中的應用最為廣泛[1]。在波譜成像過程中由于磁場不均勻、梯度切換產生渦電流以及射頻發射接收時間延遲等都會造成數據失真而表現為譜線擬合的相位錯誤，必須在數據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數據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等影響，代謝物濃度通常以比例即半定量表達更為準確；腦內肌酸在正常及多數病理條件下濃度變化不大，一直以來都作為內源性參照數據，但是在某些病理條件下如肌酸激酶、肌酸轉運酶合成障礙導致的原發性肌酸減少綜合征，甚至中風、高氨血癥同樣會導致肌酸濃度降低；而作為神經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源性參照在這些情況下不一定準確。本文通過對未抑制水數據進行擬合分析，旨在探討其在腦單體素1H-MRS掃描時作為內源性校正因子及參照物的應用價值。

材料與方法

對26組波譜數據進行回顧性分析，包括經臨床證實的6例腦梗(患側及對側共12組數據)、2例顱內感染、4例顱內占位患者及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通道頭頸聯合線圈，波譜掃描在常規平掃獲得T2WI、FLAIR、T1WI圖像基礎上，腦梗患者將定位容積分別置于病變處及對側正常組織，其余只采集病變處或基底節，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：TR 2000 ms，TE 35 ms，帶寬2000 Hz，采樣數1024，敏感編碼快速因子2×1.5，激勵次數128，體素大小20 mm×20 mm×20 mm；采用筆形波束一階勻場，激勵法結合自動水抑制優化抑制水信號。

在Philips EWS工作站對每組數據分別進行常規腦部單體素短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和指數函數進行譜線變跡，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作為第二分母，依次獲得NAA、Cho、Cr與其比值；兩組數據擬合后獲得代謝物峰下面積、代謝物與Cr比值及相應代謝物與未抑制水比值，同時將相應擬合參數及比值進行t檢驗(采用SPSS 19.0軟件進行統計學分析)，以P<0.05為差異有統計學意義。

結果

正常側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，差異無統計學意義(P>0.05，表1)；患側原始數據兩種擬合獲得的代謝物峰下面積、代謝物與Cr比值差異無統計學意義(P>0.05，表2、圖1、2)；與正常組織比較，患側未抑制水擬合NAA與水比值、Cr與水比值、NAA與Cr比值差異均有統計學意義(P<0.05，表3)，常規擬合各代謝物峰下面積、代謝物與Cr比值差異均有統計學意義(P<0.05，表4，圖3)。

表1 正常側兩種擬合方法比較

表2 患側兩種擬合方法比較

表3 正常與患側未抑制水擬合比較

表4 正常與患側常規擬合比較

討 論

眾所周知，MR成像過程中信號來源于氫質子，而人體內水分子又是氫質子的主要來源；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，還會導致檢測到的代謝物不可靠；因此在進行氫質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，所有采集的波譜數據均能達到診斷要求。

圖1 小腦感染灶SV-1HMRS兩種擬合比較。a) 常規擬合； b) 未抑制水擬合。 圖2 基底節區梗死SV-1HMRS兩種擬合比較。a) 常規擬合； b) 未抑制水擬合。 圖3 梗死對側正常組織SV-1HMRS兩種擬合比較。a) 常規擬合； b) 未抑制水擬合。

氫質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組數據中24組采用設備提供的激勵法結合自動水抑制優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、梯度切換產生渦電流以及射頻發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數據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數據即可獲得純水數據，再用完整數據去除純水數據即可獲得純代謝物數據；另一方面純水數據與理論值比較即可獲得相位校正因子以修正純代謝物數據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，所以對氫質子波譜結果進行半定量分析即代謝物之間的相對比值結果更為可靠[8]。在腦單體素波譜掃描過程中曾經以NAA作為內源性參照進行半定量分析，但作為神經元標志物在多數疾病如腫瘤、腦白質病等病理過程中都會伴有NAA的降低；而Cr作為腦內能量代謝的標志物，在正常情況以及大多數病理條件下其濃度保持穩定，因此在現階段絕大多數波譜半定量分析采用Cr作為內源性參照[9]。人體內肌酸主要由腎臟生成，在肝臟最終合成后經血液轉運至大腦，整個過程中會涉及肌酸激酶、肌酸轉運酶等，因此這些酶類合成障礙便會導致腦內肌酸濃度降低；近來更有研究表明，在中風、高氨血癥時腦內肌酸濃度會繼發性下降，可達半年甚至數年時間[10]；而神經內科在治療某些腦部神經元丟失的退行性疾病時會建議口服肌酸作為神經元保護劑，這又會造成腦內肌酸濃度的升高；由此采用肌酸作為內源性參照在這些情況下可能并不一定準確[11]。本研究中常規擬合NAA/Cr相對于近年類似研究結果略高[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據時需慎重，尤其相關病變可能會引起腦內能量代謝異常時。EWS工作站提供了未抑制水分析擬合功能，在這種方式下，采集到的未抑制水數據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據。本研究所有26組數據均進行了常規短TE擬合和未抑制水擬合，結果表明正常側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，差異無統計學意義；患側兩種擬合獲得的代謝物峰下面積、代謝物與Cr比值差異亦無統計學意義；與正常組織比較，患側NAA與未抑制水比值、Cr與未抑制水比值及NAA與Cr比值差異均有統計學意義，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水含量差異較大，因此在使用未抑制水作為內源性參照進行半定量分析時同樣需慎重[13]。本研究結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.