磁共振波譜技術在聽覺皮層的應用及其質(zhì)量控制

倪萍，陳自謙，梁永輝，陳賢明

南京軍區(qū)福州總醫(yī)院 a.醫(yī)學工程科；b.醫(yī)學影像科；c.耳鼻喉科，

福建 福州 350025

0 前言

磁共振波譜（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS）技術是目前唯一可以無創(chuàng)地檢測活體組織能量代謝、生化改變和化合物定量分析的技術。它利用質(zhì)子的磁共振現(xiàn)象和化學位移作用，對分子結(jié)構(gòu)有很強的解析能力，所獲得組織的生化信息能夠觀察到明顯早于組織形態(tài)結(jié)構(gòu)異常改變的代謝變化，是一種真正的分子影像學技術[1]。聽皮層作為最主要的高級聽覺中樞，其代謝物的改變將影響到對聲音的分析、整合和感知。它分為初級聽皮層和次級聽皮層，初級聽皮層位于顳橫回，主要負責接收聽覺信號；次級聽覺皮層位于顳極、顳平面、顳上回及顳中回部分區(qū)域，主要負責接收聲音信息并進一步將之處理成可理解為語言的功能，執(zhí)行更高水平的聽覺功能[2-3]。目前，MRS在聽覺皮層的應用大都采用單體素MRS技術，將整個聽覺皮層作為一個整體進行分析，很少有對其進行功能區(qū)分區(qū)的研究。

本研究通過采用單體素和多體素兩種不同的MRS技術對正常人聽覺中樞進行分析檢測，進一步探討這兩種不同MRS技術的優(yōu)劣以及應用過程質(zhì)量控制的相關問題，以提高MRS技術在聽覺皮層應用的準確性。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

選取健康志愿者10人，男5人，女5人，年齡22～27歲，中位年齡25歲。所有志愿者均為右利手，耳鏡檢查外耳道、鼓膜正常，純音聽閾測定125～4000 Hz，平均聽閾≤25 db，聲導抗檢測示中耳功能正常。所有志愿者均無眩暈、耳鳴等前庭系統(tǒng)癥狀，無神經(jīng)、精神疾病及全身其他疾病史。實驗獲得了醫(yī)院倫理委員會審查通過，所有志愿者均在實驗前了解實驗的目的、方法和相關內(nèi)容，并簽署了書面知情同意書。

采用SIEMENS MAGNETOM Trio TIM 3T 磁共振成像系統(tǒng)，24通道頭線圈進行掃描。受試者進入磁共振掃描室后平臥，戴眼罩、磁共振兼容密閉耳機，以盡可能減小視覺和掃描噪音刺激。頭部嚴格控制，周圍襯硬海綿墊，防止受試者在檢查過程中頭部運動。每位受試者在相對安靜狀態(tài)下進行質(zhì)子MRS掃描。首先，掃描三平面定位像；然后，采用三維快速擾相梯度回波序列（3D SPGR）掃描全腦T1像，排除顱內(nèi)病變，并采用多平面重建得到波譜掃描所需的定位圖。

選擇T1W冠狀位定位右側(cè)聽皮層行單體素1H-MRS檢查，單體素波譜采用點分辨波譜序列MRS_SVS_SE_135，TR/TE=2000/135 ms，重復次數(shù)（Average）=256次，每個體素大小為10 mm×10 mm×10 mm，接收帶寬1200 Hz，成像時間約520 s。

多體素選擇平行于外側(cè)裂的軸位圖像作為定位平面，結(jié)合冠狀位、矢狀位進行定位，采用MRS_CSI_SE_135序列，對右側(cè)聽皮層進行1H-MRS檢查。感興趣區(qū)包括右側(cè)聽皮層顳平面、整個顳橫回和部分島葉，符合聽皮層的解剖特點，并盡量避開顱骨的干擾（圖 1），并將感興趣區(qū)以外周圍組織加上預飽和，以去除周圍顱骨、脂肪、腦積液等帶來的干擾。具體序列參數(shù)為：TR/TE=1700/135 ms，視野為110 mm×110 mm，掃描范圍55 mm×55 mm；掃描分辨率為16×16；層厚10 mm，F(xiàn)A=90°，帶寬=1200 Hz，重復次數(shù)（Average）=3次，體素大小為10 mm×10 mm×10 mm，成像時間413 s。

圖1 二維多體素MRS定位及預飽和圖。

中心頻率、接收/發(fā)射增益調(diào)節(jié)、勻場、水抑制均由程序自動完成，勻場效果達到半高全寬（Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM）＜19 Hz，水抑制＞95%水平就可以進行波譜的采集，如果無法達到就需要進行手動勻場，或者重新定位感興趣區(qū)和預飽和后重新進行勻場和水抑制。

1.2 數(shù)據(jù)重建和測量

在SIEMENS后處理工作站SYNGO軟件上把掃描得到的CSI_SE序列載入Spectroscopy 軟件上進行后處理。所觀察的主要代謝產(chǎn)物包括：N-乙酰天門冬氨酸（NAA，位于2.02 ppm，ppm表示百萬分之一，代表化學位移大?。⒓∷幔–r，位于3.02 ppm）、膽堿（Cho，位于3.2 ppm）、谷氨酰胺和谷氨酸（Glx，位于3.78 ppm）、γ-氨基丁酸乳酸（GABA，位于2.28～2.31 ppm）、乳酸（Lac，位于1.33 ppm）等，并以Cho+Cr為參照值，分別計算NAA/(Cho+Cr)、Glx/(Cho+Cr)、GABA/(Cho+Cr)峰下面積比值并生成以各比值大小為灰階的偽彩圖[4]。多體素波譜在聽皮層相應部位選3個體素進行代謝物測量，分別是顳平面（Planum Temporale，PT）、顳橫回后內(nèi)側(cè)（Posterior-medial of Heschl's Gyrus，HGpm）、顳橫回前外側(cè)（Antero-lateral of Heschl's Gyrus，HGal）；單體素波譜的測量值作為對照組。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS11.0軟件進行統(tǒng)計學分析，數(shù)據(jù)用均數(shù)±標準差（x±s）表示，統(tǒng)計學方法為配對t檢驗， p<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

通過對顳橫回后內(nèi)側(cè)、顳橫回前外側(cè)和顳平面3個區(qū)域?qū)捏w素進行波譜重建，均可見高聳的NAA、Cho、Cr峰，說明勻場和水抑制良好（圖2），所測代謝物的比值，見表1。

PT組NAA/(Cho+Cr)比值最高，顳橫回后內(nèi)側(cè)HGpm次高，對照組較低，顳橫回前外側(cè)HGal最低。PT組和對照組相比差異有統(tǒng)計學意義（t=3.932，p=0.001），HGpm組和對照組相比差異沒有統(tǒng)計學意義（t=1.655，p=0.115），HGal組和對照組相比差異沒有統(tǒng)計學意義（t=1.114，p=0.280）。

HGpm組Glx/(Cho+Cr)最高，PT組次之，對照組較低，HGal組最低。HGpm組和對照組相比差異有統(tǒng)計學意義（t=2.354，p=0.005）；PT組和對照組相比差異沒有統(tǒng)計學意義（t=1.278，p=0.218）；HGal組和對照組相比差異有統(tǒng)計學意義（t=2.573，p=0.019）。

PT組GABA/(Cho+Cr)最高，對照組次之，HGal組較低，HGpm組最低。PT組和對照組相比差異有統(tǒng)計學意義（t=3.457，p=0.003）；HGal組和對照組相比差異沒有統(tǒng)計學意義（t=0.663，p=0.535）；HGpm組和對照組相比差異有統(tǒng)計學意義（t=2.121，p=0.0448）。

HGpm組10例均能檢測到乳酸峰，PT組能檢測到6例，HGal和對照組都只有3例能檢測到乳酸峰。

圖2 二維多體素聽皮層MRS譜線

表1 10例健康志愿者聽皮層MRS代謝物測量(x±s)

3 討論

3.1 聽皮層不同MRS定位技術代謝物的比較

MRS在物理學上由化學位移和自旋耦合裂分的波形及頻率成分按其內(nèi)在規(guī)律排列組合而成，波譜信號與被測物的體內(nèi)原子核的自然豐度、濃度及固有敏感性相關。因人體內(nèi)1H含量最大，臨床多采用1H-MRS反映活體組織代謝變化，一般分為單體素技術和多體素技術。

單體素空間定位技術應用3個互相垂直的層面選擇脈沖，采集的僅為與3個層面均相交的點內(nèi)回波信號。常用的有激勵回波采集模式（Stimulated Echo Acquisition Mode，STEAM）和 點 分 辨 波 譜（Point Resolved Spectroscopy，PRESS）。STEAM序列是連續(xù)運用3個互相垂直的90°脈沖，采集3個脈沖相交的激發(fā)區(qū)域回波，而其他回波信號由一個大的打擊梯度在混合時間內(nèi)施加去相位將信號去除。它的優(yōu)點是一次激發(fā)就可采集，不需要相位再循環(huán)，水抑制充分，STEAM回波時間短（通常20～30 ms），對T2弛豫時間比較敏感，可以觀察到更多短T2代謝物，如MI、LIP等，缺點是有近1/2的信號丟失，信噪比較低，對運動偽影較為敏感，容易造成基線不穩(wěn)，信號丟失。PRESS序列運用一個90°脈沖，兩個重聚的180°脈沖，產(chǎn)生一個自旋回波的VOI，而相應的一對打擊梯度伴隨在180°脈沖兩旁，重聚相位的180°脈沖減低了對磁場均勻性的要求，減少了信號的丟失，信噪比較STEAM序列高[5]。在波譜成像中回波時間的選擇上，135 ms左右1H波譜可以得到人腦Cr、NAA和Cho的單峰，更短一些的TE可以顯示MI、LIP等。根據(jù)序列設計的特點，在短TE時選擇STEAM，而長TE時選擇PRESS序列，故本研究的單體素技術采用PRESS序列。

多體素技術又稱化學位移成像，分為二維或三維多體素采集，其優(yōu)點是一次采集覆蓋范圍較大，在選定的空間分布中可以得到多個體素的代謝物譜線，并可在MRI圖像上融合代謝圖，直觀顯示代謝物的分布變化。

早期雙耳分聽測試研究發(fā)現(xiàn)，使用環(huán)境噪聲、復合聲等非語言材料時受試者左耳比右耳感知更精確，稱為左耳優(yōu)勢或右側(cè)半球優(yōu)勢[6]。掃描噪聲屬于非語言類聲音，故本研究測量對象選定右側(cè)聽皮層。

顳橫回完全位于外側(cè)裂內(nèi)，在顳上平面內(nèi)從中央下區(qū)外側(cè)向后延伸至腦島內(nèi)側(cè)，是一個隱形的弓形腦回。以往人們認為顳橫回全長即為人體聽皮層，關于聽皮層的MRS研究也大都利用單體素技術，感興趣區(qū)包括初級和次級聽皮層（包括顳橫回和顳平面）。

聽皮層1H-MRS檢測的代謝物主要包括NAA、Cho、Cr、Glx、Lac、GABA等。NAA完全位于神經(jīng)元胞體和突觸中，認為是神經(jīng)元的標志峰，NAA的合成與ATP產(chǎn)生過程中的線粒體活性直接相關，還與代謝效率及細胞膜的興奮性有關[7]；Glx作為大腦皮層中重要的興奮性傳入神經(jīng)遞質(zhì)是大腦皮層功能活動的生物化學基礎之一，GABA是能量代謝低能通路-葡萄糖無氧酵解的終產(chǎn)物[8]；Lac峰出現(xiàn)是組織供氧不足的表現(xiàn)，但有學者研究認為正常人在掃描噪聲的刺激下聽皮層會出現(xiàn)Lac峰。Cr反應能量狀況，在病理狀態(tài)下較穩(wěn)定，常做參考值比較其他代謝產(chǎn)物的變化；Cho與細胞膜磷脂的分解和合成有關；因Cho和Cr較為接近，相鄰處有融合峰存在，測量兩者共同的峰下面積（Cho+Cr）可以消除主觀區(qū)分單個波峰產(chǎn)生的誤差。

本研究中多體素聽皮層的NAA/(Cho+Cr)、Glx/(Cho+Cr)、GABA/(Cho+Cr)在聽皮層不同區(qū)域分布差異很大，顳平面的NAA含量最高，顳橫回后內(nèi)側(cè)高于顳橫回前外側(cè)；顳橫回后內(nèi)側(cè)Glx最高，顳平面高于顳橫回前外側(cè)；顳橫回后內(nèi)側(cè)GABA含量最低，提示顳橫回后內(nèi)側(cè)神經(jīng)元密度較高，興奮神經(jīng)遞質(zhì)釋放較多，抑制遞質(zhì)含量較低，可能為聽覺的功能核區(qū)，單純掃描噪聲的刺激使聽覺初級皮層處于興奮狀態(tài)。Lac峰在顳橫回后內(nèi)側(cè)均能檢測到，也可能與掃描噪聲造成顳橫回后內(nèi)側(cè)高度興奮而缺氧有關。

在聽皮層，NAA與神經(jīng)遞質(zhì)分布的不均勻可能與聽皮層亞結(jié)構(gòu)的功能差異有關，單體素把整個聽皮層某個區(qū)域或者顳上回作為一個整體進行研究難以反映代謝物分布的差異性，容易導致片面結(jié)果。目前，3.0T磁共振能保證波譜質(zhì)量的單體素技術最小體素為10 mm×10 mm×10 mm，易包含軸位顳上回、島葉等，從而影響結(jié)果的準確性。本研究多體素視野大，體素小，可對顳橫回亞結(jié)構(gòu)進行檢測。本研究多體素MRS采用平行與外側(cè)裂的斜軸位作為主定位平面，能在軸位像上由前到后顯示顳極、顳橫回和顳平面的解剖位置，沿顳橫回前后走行方向采用矩形采集，不但獲得相對較多的感興趣區(qū)結(jié)構(gòu)，并能有效避開鄰近骨骼和腦脊液的影響，成像質(zhì)量較好，同時減少了單體素技術多個區(qū)域多次檢測的誤差和時間。

本研究單體素測量結(jié)果NAA/(Cho+Cr)比值和顳橫回后內(nèi)側(cè)接近，Glx/(Cho+Cr)和顳平面接近，GABA/(Cho+Cr)和顳橫回前外側(cè)接近。說明單體素感興趣區(qū)在顳橫回的定位較多體素精確性差，存在主觀因素。多體素技術在顳橫回后內(nèi)側(cè)均能測到Lac峰，而在單體素僅30%可檢測到，說明小范圍低含量的代謝物檢測在單體素技術中容易遺漏。因此，二維多體素技術在聽皮層MRS的檢測可以比較準確反映聽皮層不同部位代謝的微小變化，具有較大的優(yōu)勢。

3.2 聽皮層MRS質(zhì)量控制的主要因素

3.2.1 磁共振設備的質(zhì)量控制保證

與MRI圖像一樣，MRS的質(zhì)量主要也是由信噪比和分辨率決定的。MRS檢測的信號強度與所測組織內(nèi)原子核的自然豐度和核的濃度及其固有敏感度有關。磁場強度越高，不僅信噪比提高，而且代謝物的化學位移增大，更容易區(qū)分不同的代謝物。因此，對于MRS而言，3T比1.5T可以獲得信號更強、分辨率更高的譜線,更容易檢出微少的代謝物[9]。

磁共振設備的良好磁場均勻性和時間穩(wěn)定性是獲得高質(zhì)量MRS的前提。定期對磁共振系統(tǒng)進行功能磁共振質(zhì)量控制檢測和波譜質(zhì)量控制掃描（MRS-QC），檢測系統(tǒng)的磁場均勻性、時間穩(wěn)定性和Cr SNR，以及發(fā)射增益、中心頻率等重要參數(shù)，特別注意成像區(qū)域內(nèi)不能有金屬異物、殘留的造影劑等影響磁場均勻性的磁性物質(zhì)[10]。

3.2.2 患者的配合

MRS采集每次檢查時間長，患者的移動將會影響整個數(shù)據(jù)的采集。因此，在檢查之前一定要囑咐患者在整個檢查過程中務必保持一個體位，必要時可在患者的頭顱兩側(cè)塞填海綿墊以固定[11]。MRS檢測頭動判斷不像常規(guī)MRI那樣直觀，為更好保證波譜檢測結(jié)果的準確性，排除頭動的可能，可以在MRS掃描后馬上掃一個快速序列，與定位像比較，看頭部位置是否一致以排除頭動。如果發(fā)現(xiàn)頭動，則原來掃描結(jié)果應放棄，重新采集。另外，需要叮囑病人保證頭部的清潔，不要涂摩絲等美發(fā)用品或者其他藥物，以免其中復雜化學成分造成磁場的不均勻，影響檢查的順利進行[12]。

3.2.3 體素的大小和感興趣區(qū)的設定

體素的大小及科學的定位是獲得高質(zhì)量MRS的關鍵。MRS譜線的半高寬主要受原子核自然半高寬及磁場的均勻度影響，VOI內(nèi)磁場的均勻度越高，所得譜線的半高寬越小。在保證設備磁場均勻性的前提下，MRS還受到感興趣區(qū)內(nèi)磁場的均勻性影響。雖然每次采集前系統(tǒng)給要自動進行中心頻率校正、射頻發(fā)射增益調(diào)整、勻場等，但如果VOI內(nèi)含有空氣、顱骨等成分，局部磁場磁敏感效應嚴重，將影響到采集區(qū)域磁場的均勻性。由于聽皮層體積較小，且靠近骨骼及外側(cè)裂等溝回，感興趣區(qū)的定位要利用三平面定位技術，即三維采集后用多平面重建方式選擇一個好的方位MRI圖像來定位，本研究采用了平行于外側(cè)裂的軸位圖像作為定位平面，其他兩個方位的MRI圖像作為參考，感興趣區(qū)包括初級及次級聽皮層（包括顳橫回和顳平面），不必太大，盡量避開空氣及骨骼，減少不必要的干擾。

合理設置體素的大小。掃描序列參數(shù)的設定非常關鍵，頻率矩陣、相位矩陣、FOV、層厚以及采集次數(shù)都會影響到分辨率和信噪比，但兩者不可兼得，應根據(jù)病變部位的大小設定合理的參數(shù)。MRS的信號強度與所檢測到的核的數(shù)量成正比，增大體素可提高信噪比，但降低了分辨率。本研究為了更加精確測量聽皮層不同區(qū)域代謝物的分布，將測量體素減小，單體素測量由原來默認的20 mm×20 mm×20 mm減小到10 mm×10 mm×10 mm，因此，造成測量信噪比減低，譜線質(zhì)量下降，結(jié)果不可靠。增加采集次數(shù)可提高信號比，但檢查時間要相應延長，通過將平均次數(shù)由144提高到256，提高了譜線質(zhì)量，但采集時間也由原來的296 s增加到520 s，增加了病人配合的難度。

3.2.4 合理設置飽和帶

充分利用選擇性飽和帶技術：空間預飽和帶將RF脈沖發(fā)送到FOV內(nèi)部或外部的選定位置，從而使該處的原子核達到飽和并消除不必要的信號。在選層脈沖之前應用的90°RF脈沖，受飽和帶脈沖影響的組織沒有時間充分恢復，因此，也就沒有或只有少量從這些組織激活的縱向磁化，從而也就不會生成信號或只有少量信號，減少了外部復雜組織結(jié)構(gòu)對感興趣區(qū)譜線的影響。合理使用預置空間飽和帶技術能有效抑制可能存在的信號污染，提高波譜檢測的準確性。

4 結(jié)束語

MRS技術在聽皮層的應用，使磁共振技術在聽覺系統(tǒng)的應用從形態(tài)學上升到了功能與分子影像學的水平，為聽皮層相關疾病的診斷、預后評價到康復過程的功能重塑提供了客觀準確的評價手段。

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