基于7 T MRS利用量子濾波技術(shù)檢測(cè)GABA序列設(shè)計(jì)及對(duì)比

董靜，邱慶春，沈智威，章桃，聶婷婷，賈巖龍，吳仁華*

1.汕頭大學(xué)理學(xué)院，汕頭 515063

2.汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院放射科，汕頭 515041

3.汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院，汕頭 515041

1 引言

γ-氨基丁酸(Gamma-aminobutyric acid，GABA)對(duì)維持大腦的正常功能發(fā)揮著重要作用，GABA濃度的異常與許多精神疾病相關(guān)[1-2]。大腦中GABA含量的準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)研究大腦正常和疾病起重要作用。1H MRS是目前惟一能無創(chuàng)性觀察活體組織代謝及生化變化的技術(shù)，已在神經(jīng)系統(tǒng)的臨床上廣泛應(yīng)用[3-5]。磁共振頻譜(Magnetic resonance spectrum，MRS)可以無創(chuàng)在體檢測(cè)大腦GABA水平[6-7]，然而由于GABA在大腦中含量較低(1mM/kg)且與大腦中其他代謝物如肌酸、膽堿以及大分子有重疊，因此檢測(cè)比較復(fù)雜困難。為了消除這種重疊，很多譜編輯法應(yīng)運(yùn)而生。目前針對(duì)GABA的譜編輯法主要有：J調(diào)制差分技術(shù)、二維J分解或化學(xué)位移相關(guān)譜、多量子濾波技術(shù)、磁化傳遞方法等[8-11]。本研究的目的是利用雙量子濾波技術(shù)檢測(cè)GABA，并提高檢測(cè)GABA信號(hào)的選擇性。

2 方法

2.1 原理

γ-氨基丁酸近似為A2M2X2自旋系統(tǒng)，A2、M2和X2自旋共振峰分別在3.01 ppm、1.89 ppm和2.28 ppm處，其中它們的J耦合強(qiáng)度為：J=JAM=JMX=7.3 Hz。γ-氨基丁酸(GABA)1H 核相互耦合，構(gòu)成自旋體系(六旋體)耦合的1H 能產(chǎn)生雙量子相干。肌酸及膽堿等中1H的不能產(chǎn)生量子相干效應(yīng)，通過雙量子相干效應(yīng)達(dá)到抑制肌酸或膽堿的目的，使得在3.0 ppm化學(xué)位移處的GABA可被檢測(cè)到。90°-τ- 90°是雙量子躍遷的基本脈沖序列，雙量子濾波技術(shù)在多種生物組織中均可應(yīng)用，點(diǎn)分辨自旋回波序列時(shí)序如(1)式，將雙量子濾技術(shù)與此序列結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)GABA的在體檢測(cè)。

2.2 脈沖序列比較

將改進(jìn)的射頻脈沖添加在點(diǎn)分辨自旋回波序列中，雙量子濾波脈沖時(shí)序(2)式：

第一個(gè)90°脈沖和兩個(gè)180°脈沖稱為定位序列，括號(hào)內(nèi)兩個(gè)90°脈沖為雙量子濾波脈沖。如圖1A、B為簡(jiǎn)化的雙量子-點(diǎn)分辨自旋回波脈沖序列圖，為了表示清晰圖中省略了抑水脈沖、體積外抑脂脈沖。本實(shí)驗(yàn)序列比較兩種脈沖的檢測(cè)效率，如圖1兩種基本脈沖序列，A為兩個(gè)量子濾波脈沖都采用sinc選擇性脈沖，B為圖中的兩個(gè)量子濾波脈沖采用Gauss選擇性脈沖[12]。

2.3 實(shí)驗(yàn)

所有實(shí)驗(yàn)是在7Tesla Agilent 核磁共振掃描儀上采用體線圈掃描，比較兩種量子濾波脈沖序列的檢測(cè)效率，通過對(duì)3種試管溶液掃描：50mM GABA+ 50mM Cr、50mM GABA+ 50mM Cr+61mM Cho、50mM GABA+61mM Cho，利用不同的序列掃描。磁共振頻譜的獲得所選體素大小為(2.7 mm×2.7 mm×2.7 mm)，同時(shí)比較不同參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的影響分別取不同TR、TE和NA，觀察波譜圖像結(jié)果的差別分析其原因，其余參數(shù)設(shè)定為Bandwidth=2500 Hz、Power=(43,43)。

3 討論

所有光譜都經(jīng)過LCModel處理[13]，圖2、3顯示了雙量子濾波脈沖序列與傳統(tǒng)的點(diǎn)分辨自旋回波序列的比較。通過掃描50mM GABA+ 50mM Cr、50mM GABA、50mM Cr、50mM GABA+50mM Cr+ 61mM Cho的混合液可以觀察DQF技術(shù)的抑制效果及在3.0 ppm附近的共振峰的檢測(cè)效率。

利用DQF-PRESS序列掃描，圖2、3的結(jié)果顯示出一個(gè)較明顯的GABA信號(hào)，通過數(shù)據(jù)分析和對(duì)比的結(jié)果是新序列有效的有力證據(jù)。譜編輯效率為30%～40%，此實(shí)驗(yàn)證明了譜編輯的有效性。

結(jié)果顯示，改進(jìn)的雙量子濾波序列在7T上的檢測(cè)效率較其他譜編輯及2D光譜效率高。調(diào)整量子濾波射頻脈沖的形狀，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于GABA的檢測(cè)效率不同的特點(diǎn)。圖2可看出運(yùn)用量子濾波技術(shù)編譯的DQF-PRESS序列掃描肌酸與GABA的混合溶液時(shí)，Gauss脈沖當(dāng)改變TR或TE均可以達(dá)到抑制肌酸并檢測(cè)出3.0處的GABA共振峰的目的。然而經(jīng)過多次掃描和處理發(fā)現(xiàn)用Sinc脈沖掃描的結(jié)果相對(duì)較差(圖示未給出)。圖3兩種不同的脈沖波形掃描GABA與肌酸(Cr)、膽堿(Cho)的混合溶液時(shí)，高信號(hào)肌酸和膽堿被抑制下去，Gauss脈沖得到的GABA信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)，且兩種波形脈沖的序列都需要較長(zhǎng)的TE掃描得到GABA的共振峰。通過比較各個(gè)圖示數(shù)據(jù)結(jié)果，分析量子濾波技術(shù)在體檢測(cè)GABA對(duì)肌酸的抑制效果較好，隨著代謝物種類的增多對(duì)于GABA的在體檢測(cè)有一定的影響。

圖 1A、B 為添加了兩個(gè)90°脈沖的雙量子濾波脈沖序列。A中采用兩個(gè)90°sinc脈沖為量子濾波脈沖；B中采用兩個(gè)90°Gauss脈沖量子濾波脈沖。為了簡(jiǎn)單起見，最初的水抑制脈沖和體積外抑脂省略。增加的G1和G2梯度振幅分別為11.0 mT/m和22.0 mT/m，標(biāo)記用黑色表示實(shí)現(xiàn)雙量子相干選擇 圖2 示掃描結(jié)果(DQF序列均為Gauss脈沖)。A為常規(guī)PRESS定位序列掃描GABA與Cr混合溶液(TR/TE=3500/15 ms，NA=128)；B為常規(guī)PRESS定位序列掃描GABA(TR/TE=3500/15 ms，NA=128)；C為DQF-PRESS序列掃描Cr(TR/TE=4500/30ms，NA=128)；D為DQF-PRESS序列掃描GABA與Cr混合溶液(TR/TE=4500/30 ms，NA=128)；E為DQF-PRESS序列掃描GABA與Cr混合溶液(TR/TE=4500/90 ms，NA=128)圖3 示GABA 50mM 與Cr 50mM 、Cho61 60nM的混合溶液掃描結(jié)果。A為常規(guī)PRESS定位序列(TR/TE=3500/15 ms，NA=128)；B為Gauss脈沖DQF-PRESS序列(TR/TE=4500/30 ms，NA=128)；C為Sinc脈沖DQF-PRESS序列(TR/TE=4500/90 ms，NA=128)Fig.1 A、B Sketched diagram of double quantum fi lter sequence with two frequencies selective 90°Gaussian pulses.A:two frequencies selective 90°Sinc pulses; B:two frequencies selective 90°Gaussian pulses.For simplicity,the initial CHESS water suppression pulses and spatial pre-saturation(outer volume suppression,OVS)are not shown.The duration of G1 and G2 are both 1.0 ms.the amplitudes for G1 and G2 are 11.0 mT/m and 22.0 mT/m,respectively.The gradients marked black are used to select the double quantum coherence.Fig.2 Spectra from spherical phantoms for detection of GABA .A:acquiring from the phantom containing the mixture of Cr,GABA using convention PRESS location sequence; B:acquiring from the phantom containing GABA using convention PRESS-location sequence; C:acquiring from the phantom containing Cr using convention DQF-PRESS sequence(TR/TE=4500/30 ms ，NA=128; D:acquiring from the phantom containing Cr,GABA using the DQF-PRESS sequence(TR/TE=4500/30 ms ，NA=128; E:acquiring from the phantom containing Cr,GABA using the DQF-PRESS sequence(TR/TE=4500/90 ms ，NA=128).Fig.3 Spectrums from spherical phantom containing a mixture of GABA,Cho and Cr.A:acquiring with convention PRESS location; B:acquiring with the DQF-PRESS sequence using Gauss RF pulse(TR/TE=4500/30 ms ，NA=128); C:acquiring with the DQF-PRESS sequence using Sinc RF pulse(TR/TE=4500/90 ms ，NA=256)

4 結(jié)論

前額葉皮層功能和結(jié)構(gòu)的改變與許多精神類疾病有關(guān)，利用MRS測(cè)量這一區(qū)域的GABA含量較為困難，主要源于GABA信號(hào)強(qiáng)度小且受其它代謝物的影響[14]。利用兩種編譯的雙量子點(diǎn)分辨自旋回波序列在7 T核磁共振儀上進(jìn)行了在體檢測(cè)GABA水平。實(shí)驗(yàn)首先通過掃描驗(yàn)證兩種序列的有效性，然后比較不同選擇性脈沖在雙量子濾波技術(shù)中的檢測(cè)的效率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：雙量子濾波脈沖可以有效的抑制一些與GABA重疊的代謝物的信號(hào)，從而為GABAB的在體檢測(cè)提供可能。此外，結(jié)果還顯示在7 T核磁共振儀上選用不同脈沖波形其序列的有效性不同，且與TR、TE的參數(shù)設(shè)定有較大關(guān)系。因此，最佳設(shè)定TR、TE的參數(shù)將會(huì)提高序列的有效性。

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