脑单体素氢质子波谱扫描未抑制水分析的应用价值研究

陈林丽， 吴伟， 郭大静

氢质子磁共振波谱成像(1H-magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)是众多影像检查中唯一能无创地获取体内代谢物信息的方法，不仅可以先于形态学异常发现病变，而且对于病变定性、分期有重要意义，在中枢神经系统中的应用最为广泛[1]。在波谱成像过程中由于磁场不均匀、梯度切换产生涡电流以及射频发射接收时间延迟等都会造成数据失真而表现为谱线拟合的相位错误，必须在数据处理过程中去除以获得真实的代谢物信息；因此在扫描过程中需要采集一部分未抑制水数据作为相位校正因子对代谢物谱线进行相位校正[2]。另一方面，由于体素放置、局部磁场不均及部分容积效应等影响，代谢物浓度通常以比例即半定量表达更为准确；脑内肌酸在正常及多数病理条件下浓度变化不大，一直以来都作为内源性参照数据，但是在某些病理条件下如肌酸激酶、肌酸转运酶合成障碍导致的原发性肌酸减少综合征，甚至中风、高氨血症同样会导致肌酸浓度降低；而作为神经元保护剂口服肌酸治疗某些脑部病变时又会引起肌酸浓度增高[3]，因此采用肌酸作为内源性参照在这些情况下不一定准确。本文通过对未抑制水数据进行拟合分析，旨在探讨其在脑单体素1H-MRS扫描时作为内源性校正因子及参照物的应用价值。

材料与方法

对26组波谱数据进行回顾性分析，包括经临床证实的6例脑梗(患侧及对侧共12组数据)、2例颅内感染、4例颅内占位患者及8例健康体检者，其中男13例，女7例，年龄22～78岁。

采用Philips Achieva3.0TX磁共振扫描仪，16通道头颈联合线圈，波谱扫描在常规平扫获得T2WI、FLAIR、T1WI图像基础上，脑梗患者将定位容积分别置于病变处及对侧正常组织，其余只采集病变处或基底节，并在定位容积上下、左右、前后分别添加饱和带以抑制周围干扰信号；采用点分辨波谱成像(point resolved spectroscopy，PRESS)序列，容积选择法定位、半回波采集。扫描参数：TR 2000 ms，TE 35 ms，带宽2000 Hz，采样数1024，敏感编码快速因子2×1.5，激励次数128，体素大小20 mm×20 mm×20 mm；采用笔形波束一阶匀场，激励法结合自动水抑制优化抑制水信号。

在Philips EWS工作站对每组数据分别进行常规脑部单体素短TE脚本拟合及未抑制水分析拟合，两种拟合中选择相同的高斯函数和指数函数进行谱线变迹，同时采用零阶自动相位校正，代谢物选择N-乙酰天门冬氨酸(N-acetyl asparte，NAA)、胆碱(choline，Cho)、肌酸(creatine，Cr)；将第二种拟合获得的未抑制水参数作为第二分母，依次获得NAA、Cho、Cr与其比值；两组数据拟合后获得代谢物峰下面积、代谢物与Cr比值及相应代谢物与未抑制水比值，同时将相应拟合参数及比值进行t检验(采用SPSS 19.0软件进行统计学分析)，以P<0.05为差异有统计学意义。

结果

正常侧两种拟合方法获得的代谢物峰下面积、代谢物与Cr比值基本一致，差异无统计学意义(P>0.05，表1)；患侧原始数据两种拟合获得的代谢物峰下面积、代谢物与Cr比值差异无统计学意义(P>0.05，表2、图1、2)；与正常组织比较，患侧未抑制水拟合NAA与水比值、Cr与水比值、NAA与Cr比值差异均有统计学意义(P<0.05，表3)，常规拟合各代谢物峰下面积、代谢物与Cr比值差异均有统计学意义(P<0.05，表4，图3)。

表1 正常侧两种拟合方法比较

表2 患侧两种拟合方法比较

表3 正常与患侧未抑制水拟合比较

表4 正常与患侧常规拟合比较

讨 论

众所周知，MR成像过程中信号来源于氢质子，而人体内水分子又是氢质子的主要来源；由于水含量远远超过代谢物浓度，加之其含量多少对临床诊断意义并不大，而且过高的水峰不仅会使拟合基线变形，还会导致检测到的代谢物不可靠；因此在进行氢质子波谱扫描的时候通常需要最小化水信号以更好地显示感兴趣代谢物的浓度[4]。根据扫描采用序列的回波时间(一般以70 ms为界)可分为短TE和长TE波谱，按照定位方法可分为单体素波谱和多体素波谱[5]；由于多数代谢物横向驰豫时间较短，因此序列回波时间越短，理论上可以检测到的代谢就越多，而且在扫描过程中，磁场均匀性越好，横向驰豫衰减就越慢，单体素相对于多体素需匀场范围较小，因此一般认为单体素扫描相对于多体素结果更为可靠；因此本研究采用INTERPRET多中心研究组推荐的序列，使用35 ms回波时间和单体素扫描[6,7]；相对于STEAM，PRESS固有信噪比高，且本研究在3.0T MR设备上进行，一定程度上弥补了信噪比的下降，因此采用了SENSE以保证合理的扫描时间，所有采集的波谱数据均能达到诊断要求。

图1 小脑感染灶SV-1HMRS两种拟合比较。a) 常规拟合； b) 未抑制水拟合。 图2 基底节区梗死SV-1HMRS两种拟合比较。a) 常规拟合； b) 未抑制水拟合。 图3 梗死对侧正常组织SV-1HMRS两种拟合比较。a) 常规拟合； b) 未抑制水拟合。

氢质子波谱成像的信号来源于NAA、Cr、Cho等各种代谢物，而这些代谢物浓度又远低于水含量，因此氢质子波谱水抑制扫描的效果直接影响感兴趣代谢物的浓度。本研究26组数据中24组采用设备提供的激励法结合自动水抑制优化均获得较好的抑制效果，2例激励法效果不佳在更换为翻转法后也获得满足诊断要求的谱线。为了校正由于磁场不均匀、梯度切换产生涡电流以及射频发射接收时间延迟等造成的谱线相位错误，需要采集一部分未抑制水数据作为相位校正因子对代谢物谱线进行相位校正；本研究中未抑制水采集次数为16次，主要基于以下两点理由：①未抑制水与代谢物来源于同一体素，因此磁场的飘移、涡电流和射频延迟对两者作用一样，一方面完整去除未抑制水数据即可获得纯水数据，再用完整数据去除纯水数据即可获得纯代谢物数据；另一方面纯水数据与理论值比较即可获得相位校正因子以修正纯代谢物数据采集过程中各种因素造成的相位错误；②水浓度远远高于代谢物，只需很少的采集数即可获得其衰减曲线信息，因此整合到完整采集过程也不会明显增加扫描时间。因此一直以来大多数单体素波谱扫描都采用未抑制水进行谱线拟合过程中的相位校正。

正是由于受磁场的不均匀性、涡电流、射频以及体素放置等诸多因素的影响，甚至在谱线拟合过程中的参数选择都会对最终拟合出的曲线下面积即代谢物浓度造成影响，所以对氢质子波谱结果进行半定量分析即代谢物之间的相对比值结果更为可靠[8]。在脑单体素波谱扫描过程中曾经以NAA作为内源性参照进行半定量分析，但作为神经元标志物在多数疾病如肿瘤、脑白质病等病理过程中都会伴有NAA的降低；而Cr作为脑内能量代谢的标志物，在正常情况以及大多数病理条件下其浓度保持稳定，因此在现阶段绝大多数波谱半定量分析采用Cr作为内源性参照[9]。人体内肌酸主要由肾脏生成，在肝脏最终合成后经血液转运至大脑，整个过程中会涉及肌酸激酶、肌酸转运酶等，因此这些酶类合成障碍便会导致脑内肌酸浓度降低；近来更有研究表明，在中风、高氨血症时脑内肌酸浓度会继发性下降，可达半年甚至数年时间[10]；而神经内科在治疗某些脑部神经元丢失的退行性疾病时会建议口服肌酸作为神经元保护剂，这又会造成脑内肌酸浓度的升高；由此采用肌酸作为内源性参照在这些情况下可能并不一定准确[11]。本研究中常规拟合NAA/Cr相对于近年类似研究结果略高[12]，梗死及占位病例Cr浓度一定程度降低也说明在将其作为半定量数据时需慎重，尤其相关病变可能会引起脑内能量代谢异常时。EWS工作站提供了未抑制水分析拟合功能，在这种方式下，采集到的未抑制水数据不仅仅是作为相位校正因子，还可如代谢物浓度一样拟合出峰值曲线，获得相应的浓度信息；同样的原因，其绝对浓度值由于受各种因素影响，并无太大意义，但是在最终拟合过程中可作为第二分母获得各种代谢物与其比值的数据。本研究所有26组数据均进行了常规短TE拟合和未抑制水拟合，结果表明正常侧两种拟合方法获得的代谢物峰下面积、代谢物与Cr比值基本一致，差异无统计学意义；患侧两种拟合获得的代谢物峰下面积、代谢物与Cr比值差异亦无统计学意义；与正常组织比较，患侧NAA与未抑制水比值、Cr与未抑制水比值及NAA与Cr比值差异均有统计学意义，说明增加对未抑制水的分析并不影响代谢物之间与肌酸的相对比值，可以提供常规拟合类似的代谢物信息以辅助诊断。

值得一提的是，由于脑内不同的解剖位置水含量略有差异，而且在某些病理条件下脑内水含量差异较大，因此在使用未抑制水作为内源性参照进行半定量分析时同样需慎重[13]。本研究结果表明未抑制水分析除了可以对代谢物谱线拟合进行相位校正之外，还可以明确诸如梗死、肿瘤等可能涉及肌酸浓度改变时各种代谢物相应的变化，可以对病变的定性、分期诊断等提供更多层次的信息；然而波谱扫描过程受诸多因素的影响，这种分析依然是半定量的，未来如能收集更多病例甚至多中心分组研究，或许能做到完全定量分析。

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