文章信息
- 陈梅泞, 王前锋, 李改英, 张竹伟, 陈录广, 李建奇
- CHEN Mei-ning, WANG Qian-feng, LI Gai-ying, ZHANG Zhu-wei, CHEN Lu-guang, LI Jian-qi
- 人脑GABA磁共振波谱测量中大分子影响的研究
- Effects of Macromolecules on Cerebral GABA Measurements Using Magnetic Resonance Spectroscopy
- 波谱学杂志, 2016, 33(4): 618-626
- Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2016, 33(4): 618-626
- http://dx.doi.org/10.11938/cjmr20160411
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文章历史
收稿日期: 2016-04-11
收修改稿日期: 2016-10-24
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DOI:10.11938/cjmr20160411
活体磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy,MRS)由于其无创性、对早期病变高敏感性(相对于T1加权和T2加权磁共振图像而言)等优点,已成为检测人脑组织代谢物含量最简单有效的方法[1]. g-氨基丁酸(g-aminobutyricacid,GABA)作为人脑中主要的抑制性神经递质,对大脑功能具有重要的调节作用,其代谢异常与很多疾病有关,如癫痫、抑郁症、精神分裂症等[2-5]. GABA含量与脑功能认知反应也有密切关系[6-9],如GABA含量与视觉皮层血氧水平依赖法(blood oxygenation level dependent,BOLD)信号成负相关[10];在情绪加工中,前扣带回BOLD信号受到GABA含量的调制[11].
在GABA-MRS测量方法中,MEGA-PRESS序列利用J差分谱编辑技术(两次编辑脉冲的中心频率分别设置为δH1.90和δH7.50,然后两次作差得到差谱),能有效去除肌酸(creatine,Cr)等代谢物对GABA δH3.02共振谱峰的掩盖[12]. 因此,MEGA-PRESS序列已被广泛用于定量测定GABA含量. 然而,由于大脑中大分子(macromolecule,MM)在δH3.00处的质子信号与GABA的δH 3.02接近,且受到的J偶合作用(受δH1.70偶合影响)也与GABA(受δH1.90偶合影响)相似[12],因此MEGA-PRESS序列测量得到的GABA信号中也包含MM信号(GABA+MM:简称GABA+)[13]. 对称谱编辑技术是一种有效抑制MM信号的方法[13],其基本原理为:将MEGA-PRESS序列中edited-off编辑脉冲中心频率设为δH 1.50,此时GABA δH1.90不被编辑,GABA δH3.02出现回波时间(echo time,TE)调制现象;而MM δH1.70被编辑,由于J耦合作用,MM δH3.00的TE调制现象被抑制;将edited-on编辑脉冲中心频率设置为δH1.90,δH1.70仍被编辑,因此MM δH3.00在edited-on和edited-off时均无TE调制现象,通过做差,即可减去MM的信号,得到GABA δH3.02的信号. 对称谱编辑技术需要高品质的编辑脉冲,编辑脉冲的波形、持续时间等都直接影响采集得到的谱图质量. 当编辑脉冲中心频率为δH 1.50时,若激发带宽过大则会对δH 1.90和δH1.00代谢物进行编辑,从而影响测量结果.
Aufhaus等人[14]采用标准MEGA-PRESS序列与对称谱编辑技术,将TE设置为68 ms,分别测量了未抑制MM的GABA+含量和抑制MM后的GABA含量,发现GABA含量比GABA+含量降低约50%. 在实际应用中,限于硬件条件的原因,为了更好的降低MM信号的影响,需要尽可能提高编辑射频脉冲的频率选择性,即需要增加编辑脉冲的持续时间,这样TE就会变长. 使用长TE的MEGA-PRESS序列测量GABA很普遍[15],因此探究长TE下MM信号对GABA含量的影响具有重要意义.
在Mikkelsen等人[16]关于去除MM对GABA影响的研究中,将未抑制MM时的编辑脉冲持续时间设置为16 ms,TE设置为68 ms,而使用对称谱编辑技术抑制MM时,编辑脉冲持续时间设置为20 ms,TE增加到80 ms,发现GABA含量比GABA+含量低52%. 其去除MM和未去除MM扫描采用了不同的编辑脉冲持续时间和TE,因此得到的GABA含量与GABA+含量的比值变化中,包含多方面因素的影响,如MM的受抑制程度、不同TE导致的信号衰减、编辑脉冲的频率选择性不同等. 因此,在人脑GABA含量的测量中当使用较长编辑脉冲作用时间(如20 ms)和较长TE(如80 ms)时,MM信号对GABA含量的影响程度还不是很清楚.
本研究在MEGA-PRESS序列的基础上,为了提高编辑脉冲的频率选择性,将编辑脉冲持续时间延长到20 ms,TE延长到80 ms,测量得到GABA+含量;利用对称谱编辑技术原理,使用相同的参数进行MM抑制,测量得到GABA含量. 本研究的目的是探究抑制MM时GABA与未抑制MM时GABA+之间的关系;进而分析长编辑脉冲持续时间和长TE条件下,MM信号对GABA信号的影响程度.
1 材料和方法 1.1 实验对象共招募5名(全部为男性)右利手健康志愿者,平均年龄为(25.0±2.8)岁. 在实验前对5名被试进行常规磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)扫描调查.所有被试均没有神经疾病和精神类疾病,以及这类疾病的药物服药史. 被试在实验前均签署了知情同意书.
1.2 数据采集所有磁共振图像从西门子3 T MRI谱仪(Siemens 3.0 T MAGNETOM Trio Tim)上获得,系统软件版本为syngo MR B17. 使用32通道头部线圈作为信号接收线圈. 高分辨率结构像使用T1加权3D成像序列(magnetization-prepared rapid acquisition gradient echo,MP-RAGE),其扫描参数为:重复时间(TR)= 2 530 ms,反转恢复时间(TI)= 1 100 ms,TE = 2.45 ms,翻转角(flip angle)= 7˚,视野(FOV)= 210 mm×210 mm,矩阵(matrix)= 256×256,层厚(slice thickness)= 1 mm.
采用在西门子序列集成开发平台(IDEA)上实现的MEGA-PRESS序列[17, 18]得到活体磁共振波谱,扫描方案如下:
(1)TE= 68 ms,编辑脉冲持续时间为14 ms,编辑脉冲中心频率分别设置为 δH 1.90和δH 7.50,两谱相减获得GABA+(TE= 68 ms)含量;
(2)TE= 80 ms,编辑脉冲持续时间为20 ms,编辑脉冲中心频率分别设置为 δH 1.90和δH 1.50,两谱相减获得GABA(TE= 80 ms)含量;
(3)TE= 80 ms,编辑脉冲持续时间为20 ms,编辑脉冲中心频率分别设置为 δH 1.90和δH 7.50,两谱相减获得GABA+(TE= 80 ms)含量.
其余扫描参数相同:TR= 2 000 ms,采样带宽(band width)= 1 200 Hz,重复次数= 256,采样点数= 1 024.MEGA-PRESS扫描前采用CHESS序列进行水抑制[19].
在结构像基础上进行波谱感兴趣容积(volume of interest,VOI)定位,定位在枕叶正中,大小为25×25×25 mm3(如图 1所示). 对VOI以外的六个区域加饱和带,避免VOI外信号的干扰. 整个数据采集过程中要求志愿者头部及身体均保持不动.
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图 1 枕叶磁共振波谱VOI定位图. (a) 矢状位图;(b) 横断位图 Fig. 1 VOI of MRS voxel in the occipital lobe with sagittal (a) and transversal (b) views |
波谱数据的后处理采用jMRUI5.2频谱分析软件包[20]. 首先进行数据预处理,过程如下:将数据采集点数填0至2 048;参照残余水峰对谱进行相位和频率位移校正;使用HLSVD(Hankel lancos singular value decomposition)[21]拟合算法去除残余水峰;对差谱进行洛伦兹滤波,其半高宽为4 Hz;然后采用时域拟合算法AMARES(advanced method for accurate, robust and efficient spectral)[22]对代谢物进行定量分析. 由于氮-天门冬氨酸(N-aspartic acid,NAA)信号在差谱中可以直接获得,并且在人脑中NAA信号较高且稳定,因此本研究所有结果均是以NAA作为参照物的相对定量方式表示. 在AMARES拟合差谱算法中,NAA被拟合为一个反相的洛伦兹峰(相位为180˚),其谱宽为7 Hz,化学位移为δH 2.02,GABA被拟合为两个和NAA谱峰同样谱宽的洛伦兹峰(相位为0˚),其化学位移分别为δH 3.07和δH 2.97 [δH(3.02±0.05)].
采用SPM8软件[23]进行高分辨结构像组织成分分割. 将高分辨结构像分割为灰质图像、白质图像和脑脊液图像. 通过编写C++程序实现组织成分计算,计算每一个VOI中的灰质比例、白质比例和脑脊液比例.
2 结果所有被试枕叶部位波谱图如图 2所示,所有被试均得到高质量谱图. 每名被试枕叶处GABA定量结果见表 1. δH 3.02处GABA+(TE= 68 ms)共振谱峰和GABA+(TE= 80 ms)共振谱峰的面积均大于GABA(TE= 80 ms)共振谱峰的面积.GABA+(TE= 68 ms)测量平均值为0.157±0.028,GABA+(TE= 80 ms)测量平均值为0.132±0.024,GABA(TE= 80 ms)测量平均值为0.096±0.018. GABA(TE= 80 ms)测量值比GABA+(TE= 68 ms)测量值降低约39%,比GABA+(TE= 80 ms)测量值降低约27%,由此可见本方法可有效实现对称谱编辑技术,以抑制大分子. 两组GABA+相比,GABA+(TE= 80 ms)测量值比GABA+(TE= 68 ms)测量值降低约16%.
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图 2 所有被试采用MEGA-PRESS序列三次不同扫描参数得到的波谱. Glu(谷氨酸);Gln(谷氨酰胺) Fig. 2 Individual difference spectra acquired from each subject by MEGA-PRESS sequence with different parameters. Glu (glutamate); Gln (glutamine) |
MEGA-PRESS | TE/ms | 编辑脉冲持续时间/ms | 编辑脉冲中心频率/10-6 | 相对定量结果 |
a | 68 | 14 | 1.90/7.50 | 0.157±0.028 (GABA+) |
b | 80 | 20 | 1.90/1.50 | 0.096±0.018 (GABA) |
c | 80 | 20 | 1.90/7.50 | 0.132±0.024 (GABA+) |
*GABA+或GABA谱峰面积相对于NAA谱峰面积的比值 |
所有被试VOI内灰质、白质和脑脊液比例见表 2所示,灰质、白质和脑脊液比例分别为0.597±0.037、0.254±0.031和0.148±0.033. 标准偏差较小,说明每名被试的组织成分比例是接近的.
志愿者 | 灰质比例 | 白质比例 | 脑脊液比例 |
1 | 0.651 | 0.206 | 0.141 |
2 | 0.602 | 0.276 | 0.121 |
3 | 0.548 | 0.246 | 0.205 |
4 | 0.601 | 0.258 | 0.140 |
5 | 0.583 | 0.285 | 0.131 |
平均值±标准差 | 0.597±0.037 | 0.254±0.031 | 0.148±0.033 |
标准MEGA-PRESS序列中,编辑脉冲持续时间一般为14~16 ms,TE为68 ms.由于GABA δH 3.02与δH1.90之间偶合常数(J)约为7.5 Hz,当TE=1/2J =68 ms时,理论上可获得GABA δH3.02信号的最大值[24]. 然而,MEGA-PRESS序列测量得到的GABA信号受到组织中MM信号的干扰. 采用对称谱编辑技术抑制MM时,由于编辑脉冲持续时间变长,TE也会变长. 本研究报道了长TE、长编辑脉冲持续时间条件下,采用对称谱编辑技术探究组织中MM信号对GABA测量的影响程度.
编辑脉冲持续时间变长,其激发带宽减小,这样可以提高编辑脉冲的频率选择性,从而获得高质量的GABA谱,而且长编辑脉冲持续时间也有利于实现对称谱编辑技术抑制MM信号. 本研究中将编辑脉冲持续时间由14 ms增加到20 ms,以提高编辑脉冲的频率选择性. 在长编辑脉冲持续时间和长TE条件下,采用对称谱编辑技术,有效抑制了MM信号,发现测量得到GABA含量是GABA+含量的73%.
Aufhaus等人[14]在TE为68 ms和编辑脉冲持续时间为20 ms条件下,测量了人脑前扣带回GABA+含量和对称谱编辑技术抑制MM后的GABA含量,发现测量得到的GABA含量是GABA+含量的50%. 我们的结果比Aufhaus等人的结果偏高,其可能原因主要是由于我们使用了较长的TE. MM的T2较短(约为40 ms),而GABA的T2更长(约为88 ms[25]). 在长TE条件,MM和GABA信号均会衰减,但MM信号衰减更多,因此相对于短TE条件下,该方法测得的GABA+中GABA含量更高. 另一个可能的原因是,本研究测量的脑区是枕叶,不同脑区MM信号对GABA+的影响可能不同.
比较不抑制MM信号时,长TE(80 ms)和短TE(68 ms)两种情况下GABA+测量值的变化,发现GABA+(TE= 80 ms)比GABA+(TE= 68 ms)减少16%,其主要原因是GABA和MM信号的T2弛豫衰减和编辑脉冲持续时间不同.
采用对称谱编辑技术抑制大分子时,需要编辑脉冲持续时间较长,才能得到较窄的激发带宽,从而提高编辑脉冲的频率选择性. 在edited-off中编辑脉冲中心频率为δH1.50,较窄的编辑脉冲激发带宽,可以减小编辑脉冲对GABA δH1.90处和δH1.00附近脂肪分子的编辑作用,以提高波谱质量. 本研究采用的MEGA-PRESS序列中,由于梯度设计和TE要求,TE= 68 ms时,编辑脉冲持续时间最高为14 ms,要延长编辑脉冲持续时间,只能将TE增大至80 ms时,编辑脉冲持续时间可随之延长至20 ms. 由于TE超过80 ms后,GABA信号会衰减较多[25],故TE和编辑脉冲持续时间都无法继续增大. 因此本研究使用的MEGE-PRESS序列中,要有效实现对称谱编辑技术抑制大分子,只能将TE增大到80 ms,则编辑脉冲持续时间最大可达20 ms. 编辑脉冲持续时间越长,其频率选择性越好,因此Near等人[26]提出了MEGA-SPECIAL序列,该序列采用SPECIAL进行波谱定位,与MEGE-PRESS相比,在不改变TE(TE = 68 ms)的情况下,可将编辑脉冲持续时间增大到26 ms. 更长的编辑脉冲持续时间,对应更窄的激发带宽,结合对称谱编辑技术,可更好地抑制MM信号,减小脂肪信号对谱质量的影响. 但是MEGA-SPECIAL序列需要四次扫描,两次做差,才能得到GABA信号,被试的头部运动、扫描仪器的不稳定性均会对实验结果产生很大影响,因此该方法还未广泛应用于临床[15].
4 结论综上所述,本研究在MEGA-PRESS序列的基础上采用较长编辑脉冲持续时间和较长TE,提高了编辑脉冲的频率选择性,更好地实现了对称谱编辑技术抑制MM信号,得到的GABA含量相比GABA+含量有一定程度的下降. 对称谱编辑技术抑制MM后的纯GABA含量,可以帮助我们更准确地分析GABA在人脑中的代谢过程,以及GABA含量与各种疾病和功能认知反应之间的相关性.
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