3.0T二維多體素磁共振波譜對(duì)新生兒腦發(fā)育評(píng)價(jià)的研究

孫親利，金 超，杜永浩，徐小玲，鄭 婕，曹 盼，魚(yú)博浪，楊 健

(西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院：1. 醫(yī)學(xué)影像科；2. 臨床研究中心，陜西西安 710061)

磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy, MRS)是目前唯一無(wú)創(chuàng)性的研究活體組織代謝、生化變化及化合物定量分析的方法[1-2]，其可實(shí)現(xiàn)腦內(nèi)生化代謝過(guò)程的定量刻畫(huà)，提供有關(guān)細(xì)胞能量代謝、神經(jīng)元功能及選擇性神經(jīng)遞質(zhì)活動(dòng)等信息，已被廣泛應(yīng)用于新生兒腦損傷疾病的早期診斷和療效評(píng)估[3-8]。然而，目前尚未建立新生兒腦波譜代謝物水平的正常值標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。既往關(guān)于正常新生兒腦發(fā)育的研究多采用單體素波譜技術(shù)，其體素較大，混合了腦發(fā)育成熟度不同的腦區(qū)，測(cè)量結(jié)果不甚準(zhǔn)確[9,11]?，F(xiàn)有的多體素波譜成像技術(shù)，體素較小，一次采集實(shí)現(xiàn)多腦區(qū)分析，已廣泛應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的臨床診斷及鑒別診斷。本研究應(yīng)用3.0T多體素MRS技術(shù)比較新生早產(chǎn)兒與足月兒腦內(nèi)不同部位代謝物比值的差異，分析代謝物比值與校正胎齡(母親末次月經(jīng)第1天至新生兒MRI檢查時(shí)的周數(shù))的相關(guān)性，探討多體素MRS在腦發(fā)育評(píng)價(jià)中的價(jià)值及建立波譜代謝物正常值范圍的可行性。

1 材料與方法

1.1 病例資料 本研究經(jīng)西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所納入新生兒的父母均簽署了MR檢查知情同意書(shū)。連續(xù)性收集自2011年1月-12月在我院行頭顱MRS檢查的新生兒。正常新生兒納入標(biāo)準(zhǔn)：①檢查日齡≤28 d；②頭顱MRI未見(jiàn)異常。排除標(biāo)準(zhǔn)：①臨床神經(jīng)系統(tǒng)表現(xiàn)異常；②嚴(yán)重代謝性疾?。虎跰RS譜線信噪比差無(wú)法進(jìn)行定量分析的病例。

1.2 掃描設(shè)備及方法 應(yīng)用3.0T GE Signa HDxt磁共振掃描儀，8通道頭部相控陣線圈進(jìn)行頭顱MR掃描。為減少新生兒頭動(dòng)并順利完成MRI檢查，在掃描前30 min，由責(zé)任護(hù)士遵照臨床主管醫(yī)師醫(yī)囑，給予100 g/L水合氯醛0.5 mL/kg口服或苯巴比妥10～15 mg/kg肌內(nèi)注射，患者的選擇、生命體征監(jiān)護(hù)以及后續(xù)跟蹤觀察嚴(yán)格按照指南要求執(zhí)行[12]。待新生兒入睡后由主管醫(yī)師和家屬護(hù)送至MR室，包裹在襁褓中放置于MRI掃描床上，外耳道放置防噪聲彈性耳塞以減小MRI設(shè)備噪聲對(duì)聽(tīng)力的影響，并在頭部?jī)蓚?cè)用海綿固定以減少運(yùn)動(dòng)偽影，掃描全程對(duì)新生兒實(shí)施心電監(jiān)護(hù)，監(jiān)測(cè)心率和呼吸情況，掃描結(jié)束后，由主管醫(yī)師及父母將其護(hù)送回新生兒監(jiān)護(hù)室。

掃描序列及成像參數(shù)如下：①T1WI：FSPGR序列，3D軸位掃描；TR/TE：10/4.6 ms；層厚/間距：1/0 mm；矩陣：256×256；視野(field of view, FOV)：180 mm×180 mm；采集次數(shù)：1次；掃描時(shí)間：5 min 5 s；②T2WI：FSE序列，行軸位掃描；TR/TE：4 200/102～118 ms；層厚/間距：4/0 mm；矩陣：320×320；FOV：180 mm×180 mm；采集次數(shù)：1.5次；掃描時(shí)間：2 min 14 s；③垂直橫軸位T2WI：FSE序列；TR/TE：2 900/120 ms；層厚/間距：5/0 mm；矩陣：320×192；FOV：200 mm×200 mm；采集次數(shù)：2次；掃描時(shí)間：35 s；④MRS：選用PRESS序列，Probe 2D-SI，在垂直橫軸位T2WI上并結(jié)合三平面來(lái)定位，感興趣區(qū)位于基底節(jié)區(qū)層面，包括雙側(cè)豆?fàn)詈恕㈦p側(cè)丘腦及側(cè)腦室前角旁白質(zhì)等解剖區(qū)域(圖1)，參數(shù)：TR 1 000 ms，TE 144 ms，層厚10 mm，矩陣：18×18；FOV：240 mm×240 mm；采集次數(shù)：1次；掃描時(shí)間：5 min 28 s。在感興趣邊緣添加飽和帶。掃描過(guò)程包括自動(dòng)勻場(chǎng)和水抑制，要求水峰半高線寬≤10，水抑制≥98%。

圖1 MRS檢查感興趣區(qū)定位圖、測(cè)量部位及譜線圖示例(女，胎齡33+6周，生后8 d)

Fig.1 Representative MRS images of anatomical location and spectroscopy metabolites：A newborn girl of 33+6weeks’ gestation, imaged on day 8

A：基底節(jié)區(qū)層面多體素MRS定位圖；B：右側(cè)丘腦；C：右側(cè)豆?fàn)詈?；D：右側(cè)側(cè)腦室前角旁白質(zhì)。

1.3 圖像后處理及測(cè)量方法 應(yīng)用GE AW4.4工作站Functool軟件進(jìn)行波譜后處理，調(diào)整體素位置使分別位于左右側(cè)豆?fàn)詈恕⒆笥覀?cè)丘腦及左右側(cè)腦室前角旁白質(zhì)，測(cè)量膽堿(Cho，3.20 ppm)、N-乙酰天門冬氨酸(NAA，2.02 ppm)、肌酸(Cr，3.00 ppm)波峰下面積，記錄Cho/Cr、NAA/Cho、NAA/Cr峰下面積比值。

2 結(jié) 果

2.1 一般情況 如圖2流程圖所示，依據(jù)納入標(biāo)準(zhǔn)及排除標(biāo)準(zhǔn)，本研究最終納入分析的正常新生兒MRS數(shù)據(jù)共54例，其中早產(chǎn)兒、足月兒各27例，基本人口統(tǒng)計(jì)學(xué)資料見(jiàn)表1。早產(chǎn)兒：出生胎齡30+1～36+1周[平均(34.03±1.30)周]，MRS檢查時(shí)生后日齡3～20 d[平均(9.59±4.35)d]，校正胎齡32+2～37+4周[平均(35.40±1.31)周]。足月兒：出生胎齡37～41周[平均(39.11±1.23)周]，MRS檢查時(shí)生后日齡3～28 d[平均(9.44±6.84)周]，校正胎齡37+4～43周[平均(40.46±1.65)周]。早產(chǎn)兒組與足月兒組間生后日齡沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.925)。

圖2 研究人群選擇的流程圖及納排標(biāo)準(zhǔn)

Fig.2 Flow chart for determining the research participants based on the inclusion and exclusion criteria

2.2 MRS代謝物比值分析

2.2.1 早產(chǎn)兒與足月兒MRS代謝物比值的比較 新生兒MRS表現(xiàn)為Cho峰最高，其次為Cr、NAA峰。各部位左右側(cè)MRS代謝物比值比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，取左右側(cè)平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，早產(chǎn)兒與足月兒各部位MRS代謝物比值見(jiàn)表2。早產(chǎn)兒組豆?fàn)詈?、丘腦及側(cè)腦室前角旁白質(zhì)Cho/Cr、NAA/Cho與足月兒組比較均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)：Cho/Cr早產(chǎn)兒組高于足月兒組(P<0.05)，NAA/Cho早產(chǎn)兒組低于足月兒組(P<0.001)。早產(chǎn)兒組與足月兒組NAA/Cr僅在豆?fàn)詈擞胁町?P<0.001)，早產(chǎn)兒組低于足月兒組，丘腦及側(cè)腦室前角旁白質(zhì)兩組間無(wú)差異(P>0.05，圖3)。

表1 研究對(duì)象的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)資料

Tab.1 Patient demographics (preterm and term neonates)

項(xiàng)目早產(chǎn)兒(n=27)足月兒(n=27)P男孩[n(%)] 17(62.96) 11(40.74)0.173胎齡(x±s,周)34.03±1.3039.11±1.23<0.001體質(zhì)量(x±s,g)1819.26±382.612865.56±619.48<0.001生后日齡(x±s,d)9.59±4.359.44±6.840.925校正胎齡(x±s,周)35.40±1.3140.46±1.65<0.001

表2 早產(chǎn)兒與足月兒各部位MRS代謝物比值

Tab.2 Metabolite ratios of preterm and term neonates in three regions

(±s)

2.2.2 各部位間MRS代謝物比值的比較 早產(chǎn)兒Cho/Cr、NAA/Cho、NAA/Cr在豆?fàn)詈?、丘腦及側(cè)腦室前角旁白質(zhì)等3個(gè)部位兩兩之間比較均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(豆?fàn)詈伺c丘腦、豆?fàn)詈伺c側(cè)腦室前角旁白質(zhì)、丘腦與側(cè)腦室前角旁白質(zhì)Cho/Cr比較P值分別為0.002、<0.001、0.015，NAA/Cho比較P值分別為0.004、<0.001、<0.001，NAA/Cr比較P值分別為0.010、0.011、<0.001)。足月兒Cho/Cr、NAA/Cho、NAA/Cr在豆?fàn)詈伺c側(cè)腦室前角旁白質(zhì)間比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P值分別為<0.001、<0.001、0.002)，在豆?fàn)詈伺c丘腦間沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P值分別為0.090、0.276、0.465)；丘腦與側(cè)腦室前角旁白質(zhì)間NAA/Cho、NAA/Cr有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P均<0.001)，Cho/Cr沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.053，圖3)。

2.2.3 MRS代謝物比值與校正胎齡相關(guān)性分析 除側(cè)腦室前角旁白質(zhì)NAA/Cr與校正胎齡沒(méi)有相關(guān)性外(P=0.285)，其余各部位各代謝物比值均與校正胎齡有相關(guān)性(P<0.05，圖4)。豆?fàn)詈?、丘腦及側(cè)腦室前角旁白質(zhì)Cho/Cr均與校正胎齡呈負(fù)相關(guān)(r=-0.325、-0.633、-0.438，P=0.017、<0.001、0.001)，NAA/Cho均與校正胎齡呈正相關(guān)(r=0.604、0.773、0.483，P均<0.001)；NAA/Cr在豆?fàn)詈?、丘腦與校正胎齡呈正相關(guān)(r=0.487、0.367，P<0.001、P=0.006)?；貧w方程見(jiàn)圖4所示。

圖3 各部位間MRS代謝物比值的比較

Fig.3 Comparison of metabolite ratios among the three regions in preterm and term groups

***P<0.001，**P<0.01，*P<0.05。

圖4 各部位MRS代謝物比值與校正胎齡的相關(guān)與回歸分析

Fig.4 Correlation and regression analyses of metabolite ratios with postmenstrual ages (PMA) in the three regions

3 討 論

本研究應(yīng)用3.0T二維多體素MRS對(duì)新生兒大腦基底節(jié)層面腦內(nèi)重要區(qū)域代謝物進(jìn)行量化分析，研究結(jié)果顯示，早產(chǎn)兒Cho/Cr高于足月兒，NAA/Cho低于足月兒；腦內(nèi)不同部位代謝物比值有差異，白質(zhì)區(qū)域Cho/Cr高于灰質(zhì)，NAA/Cho低于灰質(zhì)；Cho/Cr隨校正胎齡升高而降低，NAA/Cho隨校正胎齡升高而增加。以上結(jié)果表明，隨著大腦不斷發(fā)育成熟，腦內(nèi)代謝物比值呈現(xiàn)時(shí)空演變的特征。這也進(jìn)一步證明MRS在新生兒腦發(fā)育評(píng)估中的應(yīng)用價(jià)值。

3.1 早產(chǎn)兒與足月兒MRS代謝物比值不同 本研究發(fā)現(xiàn)，早產(chǎn)兒與足月兒腦內(nèi)MRS代謝物比值明顯不同，早產(chǎn)兒Cho/Cr較足月兒高，NAA/Cho較足月兒低。既往研究在基底節(jié)區(qū)、丘腦、側(cè)腦室周圍腦白質(zhì)等部位亦發(fā)現(xiàn)早產(chǎn)兒與足月兒代謝物比值有差異[9,13-14]。有關(guān)新生兒腦內(nèi)代謝物濃度的研究發(fā)現(xiàn)，新生兒腦內(nèi)NAA與Cr呈動(dòng)態(tài)變化，其濃度隨年齡增長(zhǎng)不斷升高，而Cho的濃度在新生兒期無(wú)明顯變化[15]。據(jù)此分析，隨著腦發(fā)育的成熟，神經(jīng)元密集、髓鞘形成活躍、能量需求增加，MRS代謝物比值Cho/Cr與NAA/Cho分別會(huì)呈現(xiàn)降低與升高趨勢(shì)，這亦是早產(chǎn)兒與足月兒MRS代謝物比值Cho/Cr、NAA/Cho存在差異的原因所在。而發(fā)育中NAA與Cr濃度均不斷升高，其比值NAA/Cr較難反映大腦成熟度的變化，正如本研究結(jié)果所示，早產(chǎn)兒與足月兒間丘腦、側(cè)腦室前角旁白質(zhì)NAA/Cr沒(méi)有明顯差異。以上分析，我們可以得出，MRS代謝物比值Cho/Cr、NAA/Cho可作為腦代謝評(píng)價(jià)的生物學(xué)指標(biāo)，評(píng)估新生兒腦發(fā)育進(jìn)程及成熟度。

3.2 不同部位MRS代謝物比值不同 比較豆?fàn)詈恕⑶鹉X及側(cè)腦室前角旁白質(zhì)3個(gè)部位間MRS代謝物比值，發(fā)現(xiàn)早產(chǎn)兒Cho/Cr、NAA/Cho與NAA/Cr在3部位間均存在差異，足月兒在豆?fàn)詈伺c側(cè)腦室前角旁白質(zhì)、丘腦與側(cè)腦室前角旁白質(zhì)間存在差異。以上結(jié)果進(jìn)一步印證了人類大腦發(fā)育的時(shí)空變化特征，即不同部位生化成熟的速率不同[9,16]。Cho/Cr比值在側(cè)腦室前角旁白質(zhì)最高，其次為丘腦和豆?fàn)詈?；NAA/Cho比值在豆?fàn)詈恕⑶鹉X高于側(cè)腦室前角旁白質(zhì)。以上結(jié)果提示，新生兒發(fā)育過(guò)程中，丘腦和豆?fàn)詈溯^側(cè)腦室前角旁白質(zhì)較早成熟，這也符合腦發(fā)育從背側(cè)到腹側(cè)、從中心到外周的一般規(guī)律[16]。值得注意的是，我們發(fā)現(xiàn)豆?fàn)詈薔AA/Cho比值最高，與以往研究中丘腦NAA/Cho比值最高、為發(fā)育最成熟區(qū)的結(jié)論不一致[9,11]。筆者分析，這可能與其僅進(jìn)行丘腦與基底節(jié)區(qū)比較，而未將豆?fàn)詈藛为?dú)測(cè)量分析有關(guān)。本研究亦發(fā)現(xiàn)，早產(chǎn)兒部位間代謝物比值的差異較足月兒大，這與VIGNERON等[9]的研究一致；足月兒丘腦與豆?fàn)詈瞬课婚gCho/Cr、NAA/Cho、NAA/Cr無(wú)差異，可能說(shuō)明此兩部位間的成熟度差異隨著發(fā)育呈逐漸縮小趨勢(shì)。

3.3 MRS代謝物比值的隨齡性變化特點(diǎn) 通過(guò)分析腦內(nèi)MRS代謝物比值與校正胎齡的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)豆?fàn)詈恕⑶鹉X及側(cè)腦室前角旁白質(zhì)區(qū)NAA/Cho及豆?fàn)詈?、丘腦NAA/Cr隨著校正胎齡的升高而增加，Cho/Cr均隨著校正胎齡的升高而降低；其中丘腦與校正胎齡的相關(guān)性最強(qiáng)，其次是豆?fàn)詈耍俅螢閭?cè)腦室前角旁腦白質(zhì)，且以NAA/Cho與校正胎齡相關(guān)系數(shù)最高。劉嶺嶺等[17]應(yīng)用單體素MRS分析正常新生兒右側(cè)額葉及右側(cè)基底節(jié)區(qū)腦代謝物亦發(fā)現(xiàn)代謝物比值的這種隨齡性變化。XU等[11]應(yīng)用三維多體素磁共振波譜分析55例早產(chǎn)兒基底節(jié)、丘腦、視輻射、距狀皮層、皮質(zhì)脊髓束、頂葉白質(zhì)及額葉白質(zhì)等7個(gè)腦區(qū)，發(fā)現(xiàn)所有部位的NAA/Cho均隨著胎齡明顯升高，但其未對(duì)Cho/Cr、NAA/Cr與校正胎齡的相關(guān)性進(jìn)行分析。從回歸曲線亦可以看出，隨著胎齡的增加，部位間的差異逐漸縮小，尤其是豆?fàn)詈伺c丘腦，這可能與豆?fàn)詈撕颓鹉X同屬額部皮層下環(huán)路(frontal-subcortical circuits)有關(guān)[18]，均為灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，隨著發(fā)育其代謝速率逐漸同步。

相較國(guó)內(nèi)外1.5T磁共振波譜分析，本研究應(yīng)用3.0T多體素磁共振波譜技術(shù)對(duì)早產(chǎn)與足月新生兒進(jìn)行掃描，所得MRS波譜譜線較好、信噪比高，且多體素采集較單體素測(cè)量的結(jié)果更為準(zhǔn)確。雖然分析濃度更能反映腦內(nèi)代謝情況，但其需專業(yè)軟件，分析過(guò)程復(fù)雜，難以普及應(yīng)用，而選取代謝物比值分析更加便捷，結(jié)果適用于臨床實(shí)際。本研究亦存在以下不足：①考慮新生兒耐受性差，本研究選用二維多體素，未進(jìn)行三維多體素的全腦分析；②考慮到倫理方面，選取的研究對(duì)象并非健康志愿者，但已盡最大努力進(jìn)行臨床隨訪排除有異常的研究對(duì)象。

本研究證實(shí)了應(yīng)用3.0T二維多體素MRS研究新生兒腦發(fā)育的可行性，新生兒腦代謝物比值有部位差異及隨齡性的時(shí)空變化特點(diǎn)，在分析新生兒波譜時(shí)考慮部位和胎齡非常重要。通過(guò)收集正常新生兒MRS數(shù)據(jù)建立不同部位不同胎齡的正常值標(biāo)準(zhǔn)，才能更好地進(jìn)行新生兒腦發(fā)育成熟度的評(píng)價(jià)及腦損傷疾病的早期診斷。

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