31P-MRS掃描序列選擇及進展

劉 陽，楊春升，李昊翔，王 凱，孫夕林*

(1.哈爾濱醫(yī)科大學分子影像研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086；2.哈爾濱醫(yī)科大學附屬第四醫(yī)院TOF-PET/CT/MR中心，黑龍江 哈爾濱 150001；3.中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院，湖北 武漢 430071)

磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy, MRS)是在活體中檢測某一特定組織區(qū)域化學成分的方法，是以MRI為基礎衍生出來的無創(chuàng)檢查方法，可通過特征性譜峰顯示不同代謝物質(zhì)的信號?；瘜W位移是MRS的基礎，由此利用相同原子核在不同化合物之間的頻率差異區(qū)分不同化合物[1]。

磷酸膽堿(phosphocholine, PC)、磷酸乙醇胺(phosphoethanolamine, PE)、甘油磷酸膽堿(glycerophosphorylcholine, GPC)和甘油磷酸乙醇胺(glycerophosphorylethanolamine, GPE)、無機磷(inorganic phosphate, Pi)和磷酸肌酸(phosphocreatine, PCr)、腺苷三磷酸(adenosine triphosphate, ATP)等含磷化合物均參與細胞能量代謝及生物膜磷脂代謝[2]。1H-MRS可監(jiān)測總膽堿代謝變化，但不能區(qū)分PC、GPC、PE及GPE等磷脂類化合物。31P化學位移分布范圍寬，與31P耦合的自旋體系少，譜峰裂分少，目前31P-MRS是最適用于無創(chuàng)檢測能量代謝和磷脂代謝的方法，如大腦、肝臟、心肌、骨骼肌及腫瘤的代謝等[3-4]，其缺點是在低場強下會出現(xiàn)嚴重光譜重疊、低信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)和基線扭曲。隨著高場強、質(zhì)子去耦等技術的發(fā)展，這些問題得到改善，31P-MRS已逐步用于臨床和科研中[4-5]。通常人體31P-MRS可獲得7種代謝物峰，但并非于所有組織均可見，如心腔內(nèi)血液和肝臟的31P-MRS中均不出現(xiàn)PCr峰[6]。更高場強下能測到一些新的代謝物峰，如在7.0T MR上肝臟31P-MRS含有煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide, NADH)和尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphosphoglucose, UDPG)的譜峰，以及包含膽汁組分的磷脂酰膽堿(phosphatidylcholine, PtdC)的譜峰[7]。不同序列各有其優(yōu)缺點，需根據(jù)不同組織的特性及掃描目的選擇最佳序列。本文針對31P-MRS不同掃描序列及其特點進行綜述。

1 化學位移成像(chemical-shift imaging, CSI)

CSI利用k空間相位編碼方案采集自由感應衰減信號(free induction decay, FID)或自旋回波信號而行MRS。常規(guī)CSI是選層激發(fā)脈沖后用2個維度的相位編碼梯度對多個體素進行編碼，優(yōu)點是一次掃描可同時得到多個體素的代謝物譜線，但梯度不理想、渦流等因素可使信號失真[8]。利用CSI獲得的光譜SNR低、穩(wěn)定性較差，譜線校正及擬合復雜。目前CSI廣泛用于臨床掃描人體心臟、肝臟、大腦等，但評估心肌能量狀態(tài)區(qū)域性差異易受到體素內(nèi)血液信號的影響。POHMANN等[9]應用3D采集加權CSI對人體心臟進行準確的磷代謝物成像，以減少血液信號污染，使獲取左心室后壁31P-MRS成為可能。WOKRINA等[10]使用快速、完整的三維橢圓形k空間編碼的31P CSI序列，結(jié)合異核極化轉(zhuǎn)移編輯(heteronuclear polarization transfer editing, RINEPT)技術，優(yōu)化后可用于31P-MRS觀察大腦磷脂代謝，且掃描時間符合臨床要求。

CSI與其他序列結(jié)合可提高31P-MRS的SNR。CHMELK等[11]采用7.0T MR儀，基于1D活體影像選擇波譜(image-selected in vivo spectroscopy, ISIS)結(jié)合2D CSI序列，開發(fā)出具有降低化學位移偏移誤差的2D31P CSI序列即GOIA-1D-ISIS/2D-CSI(goISICS)。為提高平面內(nèi)分辨率，CSI需在2個方向進行大矩陣相位編碼，隨之體素減小、SNR降低，需進行多次累加，較為耗時。為縮短掃描時間，在此基礎上發(fā)展出平面回波光譜成像(echo-planar spectroscopic imaging, EPSI)。

2 EPSI

EPSI可實現(xiàn)光譜信息和空間信息同時編碼，顯著縮短掃描時間。信號衰減過程中，EPSI使用與平面回波成像(echo planar imaging, EPI)類似的讀出梯度反轉(zhuǎn)連續(xù)測量每條k空間線，故其譜寬取決于1個梯度回波的長度[12]，相比CSI極大地限制了可實現(xiàn)的光譜寬度。POSSE等[13]首次將1H EPSI成功用于人腦。RICARDO等[14]以7.0T MR儀驗證了31P EPSI的可行性。EPSI的局限性在于對梯度系統(tǒng)性能要求高，梯度不穩(wěn)定性和時間誤差及在B0場中的漂移和不均勻性均可導致光譜中的偽影。一般在單個CSI的SNR足夠高的情況下使用EPSI，如水脂分離的應用，其縮短掃描時間以降低單位時間和單位體積光譜質(zhì)量及SNR降低為代價，而采用梯度波形斜坡采樣技術可將減少SNR降幅。ULRICH等[15]應用頻譜寬度范圍為313～2.27 kHz的8個不同31P-(1H)EPSI序列證實了在人腦中進行2D31P-(1H)EPSI的可行性，且可快速獲得具有良好分辨率的磷譜。

EPSI為多體素波譜序列，在掃描速度加快的同時也使SNR受限，需累加而較為耗時。為檢測小病灶或局部微小區(qū)域代謝物變化，可在31P-MRS中采用技術比較成熟的單體素序列，如點分辨波譜(point-resolved spectroscopy, PRESS)和激勵回波采集模式(stimulated echo acquisition mode spectroscopy, STEAM)。

3 PRESS

PRESS由1個90°脈沖和2個重聚的180°脈沖組成，在180°脈沖的兩旁伴有損毀梯度。為減少STEAM信號丟失，PRESS序列主要運用180°脈沖來重聚相位，但采集信號的回波時間(echo time, TE)長，導致短T2代謝物丟失且SNR下降，故多用于1H-MRS[1]。HAMILTON等[16]分別應用PRESS和STEAM序列評估人體肝臟脂肪性變程度，發(fā)現(xiàn)PRESS比STEAM更依賴于T2校正技術。GREENMAN[17]使用基于快速采集弛豫增強的PRESS序列，在較短時間內(nèi)以相對較高的空間分辨率準確測量人體肌肉中的31P濃度。PRESS可用于采集T2較長、譜峰較窄的含磷化合物信號，如PCr的定量譜等。

4 STEAM

為采集短T2物質(zhì)的磷譜，相比PRESS，STEAM序列應用更多。STEAM是由3個90°射頻脈沖和與之配合的選層梯度、損毀梯度組成，即采集3個正交層面相交區(qū)域的回波信號，在混合時間內(nèi)損毀梯度將不需要的回波信號消除而獲取短TE光譜，不需要進行相位循環(huán)，一次激發(fā)即可采集，但SNR較低[1]。MEYERSPEER等[18]在3.0T MR儀上以STEAM序列測量人體小腿肌肉中含磷代謝物弛豫時間，并開發(fā)出一種穩(wěn)定的單次激發(fā)STEAM序列來獲得梯度定位的31P和1H譜[19]。31P STEAM序列能有效抑制鄰近組織信號污染，但采集的是回波信號，會受T1、T2加權信號污染，并不適用于采集超短T2含磷物質(zhì)譜，亦不常用于31P-MRS。

5 ISIS

ISIS是31P-MRS最常用的序列，屬于單體素空間定位，適用于測量短T2弛豫時間的物質(zhì)。常規(guī)ISIS序列施加3個180°反轉(zhuǎn)脈沖，配合3個正交方向的選層梯度進行空間選擇，3個正交層面的交叉區(qū)域為所選擇的體素，用1個90°脈沖讀出z軸方向上的磁化矢量，隨后采集FID數(shù)據(jù)，能有效提高SNR，但針對1個體素需要8次掃描信號疊加；加之31P磁旋比小，整體SNR低，需要累加，導致掃描時間長，且對運動十分敏感，易受容積感興趣區(qū)(volume of interest， VOI)外物質(zhì)信號污染。“T1 smearing”是構(gòu)成信號污染的重要來源[20]，重復時間(repetition time, TR)與T1的比值<5時，這種信號污染會增多，故一般盡量使TR/T1>5。

LJUNGBERG等[21]設計了Extended ISIS(E-ISIS)序列，以消除或進一步降低VOI外物質(zhì)信號的干擾；缺點是掃描時間更長。BAKERMANS等[22]在9.4T小動物MR儀上使用3D ISIS序列獲得小鼠心肌31P-MRS。E-ISIS序列對運動偽影特別敏感，需要結(jié)合呼吸和心電門控，且在呼吸門控期間使用空掃激勵來保持穩(wěn)定的磁化狀態(tài)，以確保TR恒定。

為觀察深部位器官，如肝臟或心臟，需排除器官表面肌肉及鄰近組織器官信號的干擾，且準確定位[23]。研究人員對射頻線圈技術加以改進，結(jié)合相對成熟的波譜技術，開發(fā)出深度分辨表面線圈光譜(depth-resolved surface-coil spectroscopy, DRESS)。

6 DRESS

7 其他序列

在以上相對成熟的31P-MRS序列之外，研究人員設計了一些新型31P-MRS序列。LAM等[26]設計了利用空間譜相關的光譜成像(spectroscopic imaging by exploiting spatiospectral correlation, SPICE)序列，利用光譜信號的部分分離性(partial separability, PS)進行數(shù)據(jù)采集和圖像重建，以加快光譜成像[27]；通過優(yōu)化SPICE數(shù)據(jù)采集和圖像重建，不僅在水模實驗中獲得了高SNR的代謝物譜和圖像，還利用3.0T MR儀進行人腦1H-MRS和31P-MRS，獲得了高SNR的肌酸(creatine， Cr)圖、PCr圖等代謝物譜圖和相應的1H-MRS及31P-MRS[28]。van der KEMP等[29]在7.0T MR儀應用具有球形k空間采樣的絕熱多回波光譜成像(adiabatic multi-echo spectroscopic imaging, AMESING)序列將FID與全部回波信號進行組合，使31P-MRS的SNR最大化，并用于乳腺癌患者。RUNGE等[30]在3.0T和7.0T MR儀上應用AMESING MRS得到局部組織的T2信息。

8 小結(jié)

伴隨硬件技術的進步，31P-MRS已廣泛用于臨床、科研等領域。不同序列有其優(yōu)點，同時也存在不可避免的缺點。針對不同的掃描目的，根據(jù)掃描位置、特征等適當選擇序列，對成功實施31P-MRS、提高SNR，獲得準確穩(wěn)定的數(shù)據(jù)尤為重要。DRESS結(jié)合ISIS是目前相對較優(yōu)的31P-MRS掃描方法，但受限于MR系統(tǒng)的31P射頻線圈配置情況。如何在SNR可接受的前提下進一步優(yōu)化掃描序列、參數(shù)，縮短掃描時間，提高譜線分辨率，并更加敏感、穩(wěn)定地定量代謝物，實現(xiàn)將代謝物譜轉(zhuǎn)化成代謝物圖像來表征疾病造成的代謝改變，尚需不斷深入研究。