1.5 T磁共振不同NEX腦部腫瘤酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像的應(yīng)用初探

楊永貴，郭崗

近年來，化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移(chemical exchange saturation transfer，CEST)成像技術(shù)作為一種全新的磁共振分子影像技術(shù)，已經(jīng)從科研至臨床應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)變，越來越被人們所熟知。酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移(amide proton transfer，APT)成像[1-6]是基于CEST，能無創(chuàng)性地檢測內(nèi)源性的、位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的游離蛋白質(zhì)及多肽分子的新影像技術(shù)，在腦部腫瘤的研究也被人們所重視。

然而，目前CEST的臨床應(yīng)用研究存在準(zhǔn)確定量的問題，需要涉及到預(yù)飽和脈沖能量、時(shí)間、波形、個(gè)數(shù)等許多參數(shù)的優(yōu)化定量。還有在體內(nèi)的CEST效應(yīng)在高分子磁化傳遞競爭、直接的水飽和度(溢出效應(yīng))和隨之而來的飽和的交換或偶極耦合池。此外，這些干擾的影響強(qiáng)烈地依賴于磁場強(qiáng)度(B0)、射頻輻射振幅(B1)和其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)。且CEST在腦部疾病的應(yīng)用還受組織的游離蛋白及多肽的含量、水含量、pH值及溫度的影響，還有頭部運(yùn)動導(dǎo)致的CEST圖像上腦表面及腦室的偽影及CEST效應(yīng)很小導(dǎo)致的圖像空間分辨率極低等。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)APT成像需要滿足△ω≥K和R1≤K兩個(gè)基本條件，其中△ω為酰胺質(zhì)子與自由水質(zhì)子的化學(xué)位移差，K為化學(xué)交換速率，R1為水質(zhì)子的縱向弛豫速率。酰胺質(zhì)子的共振峰位于8.3 ppm處，相對于水峰而言，△ω為3.5 ppm，在3.0 T場強(qiáng)下，△ω為448 Hz，且K值范圍為10～300 Hz，故3.0 T場強(qiáng)的磁共振上進(jìn)行APT成像是符合條件的，且可以進(jìn)行定量分析組織的pH值。而目前臨床應(yīng)用的磁共振儀大多以1.5 T場強(qiáng)為主，在1.5 T場強(qiáng)的磁場下，△ω=224 Hz，只有部分滿足△ω≥K這個(gè)條件，故在飽和的過程中將直接影響到水峰，且信噪比相對較低。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了其他參數(shù)后，本文旨在初步探討1.5 T磁共振不同激勵次數(shù)(number of excitation，NEX)腦部腫瘤APT成像對ATP成像圖像采集及后處理的影響[1]。

1 材料與方法

1.1 一般資料

收集從2013年10月至2014年10月在廈門市第二醫(yī)院進(jìn)行CEST采集的腦腫瘤患者90例，男50例，女40例，年齡35～73歲，平均年齡52.6歲。所有病例均有常規(guī)磁共振平掃及增強(qiáng)檢查，根據(jù)其診斷結(jié)果有轉(zhuǎn)移瘤67例，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤3例，膠質(zhì)瘤9例，表皮樣囊腫5例，聽神經(jīng)鞘瘤6例。本課題的所有實(shí)驗(yàn)由廈門市第二醫(yī)院倫理學(xué)委員會審理通過，且在檢查前所有受檢者均了解檢查內(nèi)容，并簽署了知情同意書。

本實(shí)驗(yàn)采用對比分析法和隨機(jī)分組分析法兩種分組方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對比分析組：該組20例受檢者分別進(jìn)行兩種激勵次數(shù)(2次和8次)的圖像采集并進(jìn)行后處理重建分析。隨機(jī)分組分析組：該組70例受檢者按照檢查時(shí)間順序交替進(jìn)行隨機(jī)分組各35例，進(jìn)行單種激勵次數(shù)(2次或8次)的圖像采集并進(jìn)行后處理重建分析。

1.2 成像方法

采用GE Signa HDe 1.5 T MRI儀進(jìn)行臨床病例的CEST成像和常規(guī)MRI檢查的數(shù)據(jù)采集。CEST成像分別采集opmt=1、磁化傳遞頻率為-224 Hz和224 Hz、及opmt=0 3組圖像，并通過該3組圖像進(jìn)行后處理得出APT圖。

CEST成像：采用pulsed RF irradiation的GRE序列，其飽和脈沖占空比為50%。脈沖個(gè)數(shù)和相位編碼數(shù)一致，單個(gè)飽和脈沖的飽和時(shí)間為8 ms，總的飽和時(shí)間是8 ms乘飽和脈沖個(gè)數(shù)再乘2。TR時(shí)間為60 ms，TE時(shí)間為默認(rèn)的最小值，翻轉(zhuǎn)角為35o ，F(xiàn)OV為20 cm×20 cm，矩陣為128×128，磁化傳遞翻轉(zhuǎn)角為105o，opfat=1 (注：opfat是脂肪抑制的開關(guān)命令符，1為開，0為關(guān)。opmt是磁化傳遞飽和脈沖的開關(guān)命令符，1為開，0為關(guān))。NEX=2，采集時(shí)間15.5 s/每層；NEX=8，采集時(shí)間1 min 5 s/每層。預(yù)掃描時(shí)間1 min/每層。

1.3 圖像質(zhì)量評分

參照圖像質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的絕對評價(jià)尺度的妨礙尺度[7-9]，本組數(shù)據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)如下：5分：信噪比優(yōu)，對比度優(yōu)，病灶顯示好。4分：信噪比良，對比度良，病灶顯示良。3分：信噪比一般，對比度一般，但不妨礙病灶顯示。2分：信噪比差，對比度差，略有妨礙病灶顯示，但不影響觀察。1分：信噪比極差，對比度極差，嚴(yán)重妨礙病灶顯示。其中以原始圖3組圖(-224 Hz)的質(zhì)量最低分為原始圖整體的最后得分。以3分及以上的圖像作為診斷敏感度的評價(jià)指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

所得數(shù)據(jù)采用MATLAB平臺上自主編譯的后處理軟件(已申請軟件著作權(quán))進(jìn)行CEST-APT成像，分別對原始圖信號、APT信號進(jìn)行評價(jià)分析。數(shù)據(jù)分析采用SPSS 16.0進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)和方差分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2 結(jié)果

對比分析組，NEX=2，采集opmt=1，磁化傳遞頻率為-224 Hz和224 Hz，及opmt=0 3組圖像，原始圖圖像質(zhì)量得分為(4.55±0.83)分，APT圖的圖像質(zhì)量得分為(2.70±1.03)分；NEX=8，原始圖圖像質(zhì)量得分為(4.60±0.68)分，APT圖的圖像質(zhì)量得分為(3.35±0.81)分。該組數(shù)據(jù)中的兩種NEX數(shù)據(jù)對比，原始圖評分Levene's Test，F(xiàn)=0.79，P＞0.05，方差齊性；獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。APT圖評分Levene's Test，F(xiàn)=1.012，P＞0.05，方差齊性；獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。

以3分及以上的圖像作為檢出率的評價(jià)指標(biāo)，原始圖檢出率均為100%，APT圖檢出率分別為70%和90%。

隨機(jī)分組分析組，NEX=2，采集opmt=1，磁化傳遞頻率為-224 Hz和224 Hz，及opmt=0 3組圖像，原始圖圖像質(zhì)量得分為(4.54±0.78)分，APT圖的圖像質(zhì)量得分為(2.89±0.96)分；NEX=8，原始圖圖像質(zhì)量得分為(4.69±0.63)分，APT圖的圖像質(zhì)量得分為(3.60±0.69)分。該組數(shù)據(jù)中的兩種NEX數(shù)據(jù)對比，原始圖評分Levene's Test，F(xiàn)=3.04，P＞0.05，方差齊性；獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。APT圖評分Levene's Test，F(xiàn)=1.16，P＞0.05，方差齊性；獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。

原始圖檢出率均為100%，APT圖檢出率分別為77.1%和94.3%。無論是哪一組的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)APT圖整體比原始圖評分降一檔。圖像質(zhì)量上APT圖略差，但均能顯示并區(qū)分病灶。其可以通過原始圖、偽彩圖及重建的APT圖上信號改變的情況，區(qū)分不同類型腦腫瘤的信號，并通過偽彩顏色的不同，區(qū)分病灶實(shí)質(zhì)、壞死及其周邊情況。無論是原始圖還是APT圖，兩組間的檢出率及各分值的比例分布趨勢類似(如圖1、2)。

3 討論

3.1 病例入選原則及局限性

蛋白質(zhì)是機(jī)體細(xì)胞的重要組成部分，是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，占體重的比例達(dá)16%～20%，它與各種形式的生命活動密切相關(guān)。蛋白質(zhì)由肽鍵將氨基酸連接而成，而酰胺質(zhì)子正是肽鍵的組成部分之一，其分布范圍非常廣泛。

APT成像[1-6]能無創(chuàng)性地檢測內(nèi)源性的、位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的游離蛋白質(zhì)及多肽分子。細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和/或多肽的酰胺質(zhì)子是APT成像中CEST效應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。腫瘤中含有豐富的游離蛋白質(zhì)或多肽，早期診斷和綜合評估腫瘤的范圍及其與周圍解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系對于腫瘤的預(yù)后及治療有重要意義。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[6,10]，轉(zhuǎn)移瘤、膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、膠質(zhì)瘤、表皮樣囊腫、聽神經(jīng)鞘瘤等腦部腫瘤，因?yàn)樽陨聿〕讨写x物的改變，或有游離蛋白質(zhì)及多肽分子，均會產(chǎn)生APT成像上信號的差異，以便區(qū)分腫瘤實(shí)質(zhì)區(qū)、壞死區(qū)及周圍水腫區(qū)等。腦轉(zhuǎn)移瘤的實(shí)質(zhì)與周圍水腫區(qū)的區(qū)分，其占顱內(nèi)腫瘤的10%～15%，且肺癌腦轉(zhuǎn)移占30%～40%，而廈門市第二醫(yī)院有大量肺癌腦腫瘤患者。這也是本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)病例納入上述病種的原因，如圖3～6。

本實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證APT成像效果，入選的均為有代謝改變尤其是蛋白質(zhì)變化的疾病。另外，圖像質(zhì)量評估只有主觀評分，因?yàn)樗袌D像是通過MATLAB平臺上自主編譯的后處理軟件進(jìn)行處理，目前還無法進(jìn)行信噪比、對比信噪比、Noise等客觀指標(biāo)的測量，這些情況也帶來分析上的局限性。

采用對比分析組與隨機(jī)分組分析組兩種入選數(shù)據(jù)的分組方法，并比較其原始圖評分、APT圖評分，各分值比例分布情況，探討實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分組可行性，盡量避免分組帶來的數(shù)據(jù)分布問題。

3.2 不同NEX的優(yōu)劣勢分析

酰胺質(zhì)子的化學(xué)位移為(8.3±0.5) ppm，即在水峰左邊3.5 ppm的位置[10]。釆用CEST技術(shù)，用飽和脈沖激發(fā)可交換的酰胺質(zhì)子，這樣被飽和的酰胺質(zhì)子會與未飽和的水中氫質(zhì)子進(jìn)行化學(xué)交換，從而使水中氫質(zhì)子的信號強(qiáng)度發(fā)生變化。本實(shí)驗(yàn)所用的數(shù)據(jù)采用的飽和脈沖頻率采用的就是酰胺質(zhì)子的化學(xué)位移頻率，即1.5 T場強(qiáng)下的224 Hz。

本文只探討NEX這個(gè)成像參數(shù)的原因，是因?yàn)樵陬A(yù)實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)通過模型進(jìn)行了各種成像參數(shù)的對比分析。其他參數(shù)不變，通過模型進(jìn)行不同NEX (2、4、6、8)的預(yù)實(shí)驗(yàn)，每層采集時(shí)間分別為15.5 s、32 s、48 s、1 min 5 s，原始圖和APT圖的圖像質(zhì)量均是越來越好，但時(shí)間越來越長。本實(shí)驗(yàn)是為了探討適用臨床受檢者的快速方案，在兼顧圖像質(zhì)量的前提下，要考慮采集時(shí)間對受檢者耐受能力的影響導(dǎo)致的圖像質(zhì)量問題。

本實(shí)驗(yàn)所有APT數(shù)據(jù)采用pulsed RF irradiation的GRE序列，其飽和脈沖占空比(即飽和脈沖與間隔時(shí)間之比)為50%。脈沖個(gè)數(shù)和相位編碼數(shù)一致，單個(gè)飽和脈沖的飽和時(shí)間為8 ms，總的飽和時(shí)間為8 ms乘飽和脈沖個(gè)數(shù)再乘2。即矩陣越大，飽和時(shí)間越長，采集時(shí)間也越長。且文獻(xiàn)報(bào)道[11-15]TR為60 ms，足夠組織縱向恢復(fù)至原始狀態(tài)。故筆者在1.5 T的磁共振儀上，進(jìn)行APT成像采用參數(shù)如下：TR時(shí)間為60 ms，TE時(shí)間為默認(rèn)的最小值，翻轉(zhuǎn)角為35o，F(xiàn)OV為20 cm×20 cm，矩陣=128×128，磁化傳遞翻轉(zhuǎn)角為105°，opfat=1，激勵次數(shù)為8次。但因該參數(shù)成像時(shí)間較長，采集一層的時(shí)間為1 min 5 s，預(yù)掃描輸入命令的時(shí)間一般需要1 min/每層，即3個(gè)飽和頻率的原始圖至少需要7 min。其他參數(shù)不變，筆者將激勵次數(shù)設(shè)置為2次，采集一層的時(shí)間為15.5 s，加上預(yù)掃描的時(shí)間，總的采集時(shí)間可以減少近一半?？梢员M量減少因?yàn)椴杉瘯r(shí)間過長受檢者無法耐受而導(dǎo)致的失敗。

圖1 對比分析組評分餅狀圖 圖2 隨機(jī)分組分析組評分餅狀圖 圖3轉(zhuǎn)移瘤圖像質(zhì)量好的(-224 Hz)原始圖(A)與APT圖(B) 圖4 轉(zhuǎn)移瘤圖像質(zhì)量差的(-224 Hz)原始圖(A)與APT圖(B) 圖5 聽神經(jīng)鞘瘤的(-224 Hz)原始圖(A)與APT圖(B) 圖6 表皮樣囊腫的(-224 Hz)原始圖(A)與APT圖(B)Fig.1 Pie chart of contrast group. Fig.2 Pie chart of random group.Fig.3 Image of metastasis, good quality of original image (-224 Hz) (A) and APT image (B). Fig.4 Image of metastasis, poor quality of original image(-224 Hz) (A) and APT image (B). Fig.5 Original image (-224 Hz) (A) and APT image (B) of acoustic neurinoma. Fig.6 Original image (-224 Hz) (A)and APT image (B) of epidermoid cyst.

無論是哪一組的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)APT圖整體比原始圖評分降一檔。因?yàn)樵?.5 T場強(qiáng)的磁場下，△ω=224 Hz，只有部分滿足△ω≥K，故在飽和的過程中將直接影響到水峰，且信噪比相對較低，導(dǎo)致圖像質(zhì)量上APT圖略差，但均能顯示并區(qū)分病灶。其可以通過原始圖、偽彩圖及重建的APT圖上信號改變的情況，區(qū)分不同類型腦腫瘤的信號，并通過偽彩顏色的不同，區(qū)分病灶實(shí)質(zhì)、壞死及其周邊情況。無論是原始圖還是APT圖，兩組間的敏感度及各分值的比例分布趨勢相類似(如圖1、2)。

以4分及以上的圖像作為檢出率的評價(jià)指標(biāo)，對比分析組原始圖分別為80%和90%，APT分別為20%和50%；隨機(jī)分組分析組原始圖分別為80%和91.4%，APT分別為25.7%和68.6%。NEX的差異帶來敏感性的差異，但作為輔助，結(jié)合常規(guī)檢查，可以辨別病灶分布情況。故本實(shí)驗(yàn)組采用以3分及以上的圖像作為檢出率的評價(jià)指標(biāo)，對比分析組原始圖均為100%，APT分別為70%和90%；隨機(jī)分組分析組原始圖均為100%，APT分別為77.1%和94.3%。

4 結(jié)論與展望

圖像質(zhì)量上APT圖略差，尤其是NEX為2次時(shí)，ATP圖像現(xiàn)實(shí)的CEST效應(yīng)不理想，但可以通過原始圖、偽彩圖及重建的APT圖上信號改變的情況，區(qū)分病灶實(shí)質(zhì)、壞死及其周邊情況。以3分及以上的圖像作為檢出率的評價(jià)指標(biāo)，各組檢出率均在70%以上。且無論是原始圖還是APT圖，兩組間的敏感度及各分值的比例分布趨勢相類似。一般情況下，優(yōu)化參數(shù)后的APT成像，可以明確區(qū)分腦部腫瘤的病灶分布，從分子影像學(xué)層面呈現(xiàn)腦腫瘤的代謝物等生物學(xué)信息，早期診斷和綜合評估腫瘤的范圍及其與周圍解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系，對腫瘤的預(yù)后及治療具有重要意義。如果受檢者無法耐受，可以采用NEX為2次的參數(shù)采集，也可以提供相對滿意的APT成像效果[16-18]。

本實(shí)驗(yàn)組將進(jìn)一步收集數(shù)據(jù)，擴(kuò)大病種范圍，隨機(jī)入選數(shù)據(jù)，分析特異性與敏感度。且在快速APT成像序列的研發(fā)方面做深入的工作，爭取能采用快速的序列軟件包，讓一次采集3種偏置頻率自動重建APT圖像，做到智能精準(zhǔn)的CESTAPT成像，為腦部疾病的研究提供智能精準(zhǔn)的分子影像學(xué)診斷信息。

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