1.5 T磁共振不同NEX脑部肿瘤酰胺质子转移成像的应用初探

杨永贵，郭岗

近年来，化学交换饱和转移(chemical exchange saturation transfer，CEST)成像技术作为一种全新的磁共振分子影像技术，已经从科研至临床应用逐渐转变，越来越被人们所熟知。酰胺质子转移(amide proton transfer，APT)成像[1-6]是基于CEST，能无创性地检测内源性的、位于细胞质内的游离蛋白质及多肽分子的新影像技术，在脑部肿瘤的研究也被人们所重视。

然而，目前CEST的临床应用研究存在准确定量的问题，需要涉及到预饱和脉冲能量、时间、波形、个数等许多参数的优化定量。还有在体内的CEST效应在高分子磁化传递竞争、直接的水饱和度(溢出效应)和随之而来的饱和的交换或偶极耦合池。此外，这些干扰的影响强烈地依赖于磁场强度(B0)、射频辐射振幅(B1)和其他实验参数。且CEST在脑部疾病的应用还受组织的游离蛋白及多肽的含量、水含量、pH值及温度的影响，还有头部运动导致的CEST图像上脑表面及脑室的伪影及CEST效应很小导致的图像空间分辨率极低等。因为实现APT成像需要满足△ω≥K和R1≤K两个基本条件，其中△ω为酰胺质子与自由水质子的化学位移差，K为化学交换速率，R1为水质子的纵向弛豫速率。酰胺质子的共振峰位于8.3 ppm处，相对于水峰而言，△ω为3.5 ppm，在3.0 T场强下，△ω为448 Hz，且K值范围为10～300 Hz，故3.0 T场强的磁共振上进行APT成像是符合条件的，且可以进行定量分析组织的pH值。而目前临床应用的磁共振仪大多以1.5 T场强为主，在1.5 T场强的磁场下，△ω=224 Hz，只有部分满足△ω≥K这个条件，故在饱和的过程中将直接影响到水峰，且信噪比相对较低。通过预实验优化了其他参数后，本文旨在初步探讨1.5 T磁共振不同激励次数(number of excitation，NEX)脑部肿瘤APT成像对ATP成像图像采集及后处理的影响[1]。

1 材料与方法

1.1 一般资料

收集从2013年10月至2014年10月在厦门市第二医院进行CEST采集的脑肿瘤患者90例，男50例，女40例，年龄35～73岁，平均年龄52.6岁。所有病例均有常规磁共振平扫及增强检查，根据其诊断结果有转移瘤67例，胶质母细胞瘤3例，胶质瘤9例，表皮样囊肿5例，听神经鞘瘤6例。本课题的所有实验由厦门市第二医院伦理学委员会审理通过，且在检查前所有受检者均了解检查内容，并签署了知情同意书。

本实验采用对比分析法和随机分组分析法两种分组方法进行数据分析。对比分析组：该组20例受检者分别进行两种激励次数(2次和8次)的图像采集并进行后处理重建分析。随机分组分析组：该组70例受检者按照检查时间顺序交替进行随机分组各35例，进行单种激励次数(2次或8次)的图像采集并进行后处理重建分析。

1.2 成像方法

采用GE Signa HDe 1.5 T MRI仪进行临床病例的CEST成像和常规MRI检查的数据采集。CEST成像分别采集opmt=1、磁化传递频率为-224 Hz和224 Hz、及opmt=0 3组图像，并通过该3组图像进行后处理得出APT图。

CEST成像：采用pulsed RF irradiation的GRE序列，其饱和脉冲占空比为50%。脉冲个数和相位编码数一致，单个饱和脉冲的饱和时间为8 ms，总的饱和时间是8 ms乘饱和脉冲个数再乘2。TR时间为60 ms，TE时间为默认的最小值，翻转角为35º ，FOV为20 cm×20 cm，矩阵为128×128，磁化传递翻转角为105º，opfat=1 (注：opfat是脂肪抑制的开关命令符，1为开，0为关。opmt是磁化传递饱和脉冲的开关命令符，1为开，0为关)。NEX=2，采集时间15.5 s/每层；NEX=8，采集时间1 min 5 s/每层。预扫描时间1 min/每层。

1.3 图像质量评分

参照图像质量评价标准的绝对评价尺度的妨碍尺度[7-9]，本组数据评分标准如下：5分：信噪比优，对比度优，病灶显示好。4分：信噪比良，对比度良，病灶显示良。3分：信噪比一般，对比度一般，但不妨碍病灶显示。2分：信噪比差，对比度差，略有妨碍病灶显示，但不影响观察。1分：信噪比极差，对比度极差，严重妨碍病灶显示。其中以原始图3组图(-224 Hz)的质量最低分为原始图整体的最后得分。以3分及以上的图像作为诊断敏感度的评价指标。

1.4 数据处理及分析

所得数据采用MATLAB平台上自主编译的后处理软件(已申请软件著作权)进行CEST-APT成像，分别对原始图信号、APT信号进行评价分析。数据分析采用SPSS 16.0进行独立样本t检验和方差分析等统计学分析。

2 结果

对比分析组，NEX=2，采集opmt=1，磁化传递频率为-224 Hz和224 Hz，及opmt=0 3组图像，原始图图像质量得分为(4.55±0.83)分，APT图的图像质量得分为(2.70±1.03)分；NEX=8，原始图图像质量得分为(4.60±0.68)分，APT图的图像质量得分为(3.35±0.81)分。该组数据中的两种NEX数据对比，原始图评分Levene's Test，F=0.79，P＞0.05，方差齐性；独立样本t检验，差异无统计学意义(P＞0.05)。APT图评分Levene's Test，F=1.012，P＞0.05，方差齐性；独立样本t检验，差异有统计学意义(P＜0.05)。

以3分及以上的图像作为检出率的评价指标，原始图检出率均为100%，APT图检出率分别为70%和90%。

随机分组分析组，NEX=2，采集opmt=1，磁化传递频率为-224 Hz和224 Hz，及opmt=0 3组图像，原始图图像质量得分为(4.54±0.78)分，APT图的图像质量得分为(2.89±0.96)分；NEX=8，原始图图像质量得分为(4.69±0.63)分，APT图的图像质量得分为(3.60±0.69)分。该组数据中的两种NEX数据对比，原始图评分Levene's Test，F=3.04，P＞0.05，方差齐性；独立样本t检验，差异无统计学意义(P＞0.05)。APT图评分Levene's Test，F=1.16，P＞0.05，方差齐性；独立样本t检验，差异有统计学意义(P＜0.05)。

原始图检出率均为100%，APT图检出率分别为77.1%和94.3%。无论是哪一组的结果，实验组发现APT图整体比原始图评分降一档。图像质量上APT图略差，但均能显示并区分病灶。其可以通过原始图、伪彩图及重建的APT图上信号改变的情况，区分不同类型脑肿瘤的信号，并通过伪彩颜色的不同，区分病灶实质、坏死及其周边情况。无论是原始图还是APT图，两组间的检出率及各分值的比例分布趋势类似(如图1、2)。

3 讨论

3.1 病例入选原则及局限性

蛋白质是机体细胞的重要组成部分，是生命的物质基础，占体重的比例达16%～20%，它与各种形式的生命活动密切相关。蛋白质由肽键将氨基酸连接而成，而酰胺质子正是肽键的组成部分之一，其分布范围非常广泛。

APT成像[1-6]能无创性地检测内源性的、位于细胞质内的游离蛋白质及多肽分子。细胞内蛋白质和/或多肽的酰胺质子是APT成像中CEST效应的物质基础。肿瘤中含有丰富的游离蛋白质或多肽，早期诊断和综合评估肿瘤的范围及其与周围解剖结构的关系对于肿瘤的预后及治疗有重要意义。

据文献报道[6,10]，转移瘤、胶质母细胞瘤、胶质瘤、表皮样囊肿、听神经鞘瘤等脑部肿瘤，因为自身病程中代谢物的改变，或有游离蛋白质及多肽分子，均会产生APT成像上信号的差异，以便区分肿瘤实质区、坏死区及周围水肿区等。脑转移瘤的实质与周围水肿区的区分，其占颅内肿瘤的10%～15%，且肺癌脑转移占30%～40%，而厦门市第二医院有大量肺癌脑肿瘤患者。这也是本实验数据病例纳入上述病种的原因，如图3～6。

本实验旨在验证APT成像效果，入选的均为有代谢改变尤其是蛋白质变化的疾病。另外，图像质量评估只有主观评分，因为所有图像是通过MATLAB平台上自主编译的后处理软件进行处理，目前还无法进行信噪比、对比信噪比、Noise等客观指标的测量，这些情况也带来分析上的局限性。

采用对比分析组与随机分组分析组两种入选数据的分组方法，并比较其原始图评分、APT图评分，各分值比例分布情况，探讨实验数据的分组可行性，尽量避免分组带来的数据分布问题。

3.2 不同NEX的优劣势分析

酰胺质子的化学位移为(8.3±0.5) ppm，即在水峰左边3.5 ppm的位置[10]。釆用CEST技术，用饱和脉冲激发可交换的酰胺质子，这样被饱和的酰胺质子会与未饱和的水中氢质子进行化学交换，从而使水中氢质子的信号强度发生变化。本实验所用的数据采用的饱和脉冲频率采用的就是酰胺质子的化学位移频率，即1.5 T场强下的224 Hz。

本文只探讨NEX这个成像参数的原因，是因为在预实验中已经通过模型进行了各种成像参数的对比分析。其他参数不变，通过模型进行不同NEX (2、4、6、8)的预实验，每层采集时间分别为15.5 s、32 s、48 s、1 min 5 s，原始图和APT图的图像质量均是越来越好，但时间越来越长。本实验是为了探讨适用临床受检者的快速方案，在兼顾图像质量的前提下，要考虑采集时间对受检者耐受能力的影响导致的图像质量问题。

本实验所有APT数据采用pulsed RF irradiation的GRE序列，其饱和脉冲占空比(即饱和脉冲与间隔时间之比)为50%。脉冲个数和相位编码数一致，单个饱和脉冲的饱和时间为8 ms，总的饱和时间为8 ms乘饱和脉冲个数再乘2。即矩阵越大，饱和时间越长，采集时间也越长。且文献报道[11-15]TR为60 ms，足够组织纵向恢复至原始状态。故笔者在1.5 T的磁共振仪上，进行APT成像采用参数如下：TR时间为60 ms，TE时间为默认的最小值，翻转角为35º，FOV为20 cm×20 cm，矩阵=128×128，磁化传递翻转角为105°，opfat=1，激励次数为8次。但因该参数成像时间较长，采集一层的时间为1 min 5 s，预扫描输入命令的时间一般需要1 min/每层，即3个饱和频率的原始图至少需要7 min。其他参数不变，笔者将激励次数设置为2次，采集一层的时间为15.5 s，加上预扫描的时间，总的采集时间可以减少近一半。可以尽量减少因为采集时间过长受检者无法耐受而导致的失败。

图1 对比分析组评分饼状图 图2 随机分组分析组评分饼状图 图3转移瘤图像质量好的(-224 Hz)原始图(A)与APT图(B) 图4 转移瘤图像质量差的(-224 Hz)原始图(A)与APT图(B) 图5 听神经鞘瘤的(-224 Hz)原始图(A)与APT图(B) 图6 表皮样囊肿的(-224 Hz)原始图(A)与APT图(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.

无论是哪一组的结果，实验组发现APT图整体比原始图评分降一档。因为在1.5 T场强的磁场下，△ω=224 Hz，只有部分满足△ω≥K，故在饱和的过程中将直接影响到水峰，且信噪比相对较低，导致图像质量上APT图略差，但均能显示并区分病灶。其可以通过原始图、伪彩图及重建的APT图上信号改变的情况，区分不同类型脑肿瘤的信号，并通过伪彩颜色的不同，区分病灶实质、坏死及其周边情况。无论是原始图还是APT图，两组间的敏感度及各分值的比例分布趋势相类似(如图1、2)。

以4分及以上的图像作为检出率的评价指标，对比分析组原始图分别为80%和90%，APT分别为20%和50%；随机分组分析组原始图分别为80%和91.4%，APT分别为25.7%和68.6%。NEX的差异带来敏感性的差异，但作为辅助，结合常规检查，可以辨别病灶分布情况。故本实验组采用以3分及以上的图像作为检出率的评价指标，对比分析组原始图均为100%，APT分别为70%和90%；随机分组分析组原始图均为100%，APT分别为77.1%和94.3%。

4 结论与展望

图像质量上APT图略差，尤其是NEX为2次时，ATP图像现实的CEST效应不理想，但可以通过原始图、伪彩图及重建的APT图上信号改变的情况，区分病灶实质、坏死及其周边情况。以3分及以上的图像作为检出率的评价指标，各组检出率均在70%以上。且无论是原始图还是APT图，两组间的敏感度及各分值的比例分布趋势相类似。一般情况下，优化参数后的APT成像，可以明确区分脑部肿瘤的病灶分布，从分子影像学层面呈现脑肿瘤的代谢物等生物学信息，早期诊断和综合评估肿瘤的范围及其与周围解剖结构的关系，对肿瘤的预后及治疗具有重要意义。如果受检者无法耐受，可以采用NEX为2次的参数采集，也可以提供相对满意的APT成像效果[16-18]。

本实验组将进一步收集数据，扩大病种范围，随机入选数据，分析特异性与敏感度。且在快速APT成像序列的研发方面做深入的工作，争取能采用快速的序列软件包，让一次采集3种偏置频率自动重建APT图像，做到智能精准的CESTAPT成像，为脑部疾病的研究提供智能精准的分子影像学诊断信息。

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