31P-MRS扫描序列选择及进展

刘 阳，杨春升，李昊翔，王 凯，孙夕林*

(1.哈尔滨医科大学分子影像研究中心，黑龙江 哈尔滨 150086；2.哈尔滨医科大学附属第四医院TOF-PET/CT/MR中心，黑龙江 哈尔滨 150001；3.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，湖北 武汉 430071)

磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy, MRS)是在活体中检测某一特定组织区域化学成分的方法，是以MRI为基础衍生出来的无创检查方法，可通过特征性谱峰显示不同代谢物质的信号。化学位移是MRS的基础，由此利用相同原子核在不同化合物之间的频率差异区分不同化合物[1]。

磷酸胆碱(phosphocholine, PC)、磷酸乙醇胺(phosphoethanolamine, PE)、甘油磷酸胆碱(glycerophosphorylcholine, GPC)和甘油磷酸乙醇胺(glycerophosphorylethanolamine, GPE)、无机磷(inorganic phosphate, Pi)和磷酸肌酸(phosphocreatine, PCr)、腺苷三磷酸(adenosine triphosphate, ATP)等含磷化合物均参与细胞能量代谢及生物膜磷脂代谢[2]。1H-MRS可监测总胆碱代谢变化，但不能区分PC、GPC、PE及GPE等磷脂类化合物。31P化学位移分布范围宽，与31P耦合的自旋体系少，谱峰裂分少，目前31P-MRS是最适用于无创检测能量代谢和磷脂代谢的方法，如大脑、肝脏、心肌、骨骼肌及肿瘤的代谢等[3-4]，其缺点是在低场强下会出现严重光谱重叠、低信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)和基线扭曲。随着高场强、质子去耦等技术的发展，这些问题得到改善，31P-MRS已逐步用于临床和科研中[4-5]。通常人体31P-MRS可获得7种代谢物峰，但并非于所有组织均可见，如心腔内血液和肝脏的31P-MRS中均不出现PCr峰[6]。更高场强下能测到一些新的代谢物峰，如在7.0T MR上肝脏31P-MRS含有烟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)的谱峰，以及包含胆汁组分的磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine, PtdC)的谱峰[7]。不同序列各有其优缺点，需根据不同组织的特性及扫描目的选择最佳序列。本文针对31P-MRS不同扫描序列及其特点进行综述。

1 化学位移成像(chemical-shift imaging, CSI)

CSI利用k空间相位编码方案采集自由感应衰减信号(free induction decay, FID)或自旋回波信号而行MRS。常规CSI是选层激发脉冲后用2个维度的相位编码梯度对多个体素进行编码，优点是一次扫描可同时得到多个体素的代谢物谱线，但梯度不理想、涡流等因素可使信号失真[8]。利用CSI获得的光谱SNR低、稳定性较差，谱线校正及拟合复杂。目前CSI广泛用于临床扫描人体心脏、肝脏、大脑等，但评估心肌能量状态区域性差异易受到体素内血液信号的影响。POHMANN等[9]应用3D采集加权CSI对人体心脏进行准确的磷代谢物成像，以减少血液信号污染，使获取左心室后壁31P-MRS成为可能。WOKRINA等[10]使用快速、完整的三维椭圆形k空间编码的31P CSI序列，结合异核极化转移编辑(heteronuclear polarization transfer editing, RINEPT)技术，优化后可用于31P-MRS观察大脑磷脂代谢，且扫描时间符合临床要求。

CSI与其他序列结合可提高31P-MRS的SNR。CHMELK等[11]采用7.0T MR仪，基于1D活体影像选择波谱(image-selected in vivo spectroscopy, ISIS)结合2D CSI序列，开发出具有降低化学位移偏移误差的2D31P CSI序列即GOIA-1D-ISIS/2D-CSI(goISICS)。为提高平面内分辨率，CSI需在2个方向进行大矩阵相位编码，随之体素减小、SNR降低，需进行多次累加，较为耗时。为缩短扫描时间，在此基础上发展出平面回波光谱成像(echo-planar spectroscopic imaging, EPSI)。

2 EPSI

EPSI可实现光谱信息和空间信息同时编码，显著缩短扫描时间。信号衰减过程中，EPSI使用与平面回波成像(echo planar imaging, EPI)类似的读出梯度反转连续测量每条k空间线，故其谱宽取决于1个梯度回波的长度[12]，相比CSI极大地限制了可实现的光谱宽度。POSSE等[13]首次将1H EPSI成功用于人脑。RICARDO等[14]以7.0T MR仪验证了31P EPSI的可行性。EPSI的局限性在于对梯度系统性能要求高，梯度不稳定性和时间误差及在B0场中的漂移和不均匀性均可导致光谱中的伪影。一般在单个CSI的SNR足够高的情况下使用EPSI，如水脂分离的应用，其缩短扫描时间以降低单位时间和单位体积光谱质量及SNR降低为代价，而采用梯度波形斜坡采样技术可将减少SNR降幅。ULRICH等[15]应用频谱宽度范围为313～2.27 kHz的8个不同31P-(1H)EPSI序列证实了在人脑中进行2D31P-(1H)EPSI的可行性，且可快速获得具有良好分辨率的磷谱。

EPSI为多体素波谱序列，在扫描速度加快的同时也使SNR受限，需累加而较为耗时。为检测小病灶或局部微小区域代谢物变化，可在31P-MRS中采用技术比较成熟的单体素序列，如点分辨波谱(point-resolved spectroscopy, PRESS)和激励回波采集模式(stimulated echo acquisition mode spectroscopy, STEAM)。

3 PRESS

PRESS由1个90°脉冲和2个重聚的180°脉冲组成，在180°脉冲的两旁伴有损毁梯度。为减少STEAM信号丢失，PRESS序列主要运用180°脉冲来重聚相位，但采集信号的回波时间(echo time, TE)长，导致短T2代谢物丢失且SNR下降，故多用于1H-MRS[1]。HAMILTON等[16]分别应用PRESS和STEAM序列评估人体肝脏脂肪性变程度，发现PRESS比STEAM更依赖于T2校正技术。GREENMAN[17]使用基于快速采集弛豫增强的PRESS序列，在较短时间内以相对较高的空间分辨率准确测量人体肌肉中的31P浓度。PRESS可用于采集T2较长、谱峰较窄的含磷化合物信号，如PCr的定量谱等。

4 STEAM

为采集短T2物质的磷谱，相比PRESS，STEAM序列应用更多。STEAM是由3个90°射频脉冲和与之配合的选层梯度、损毁梯度组成，即采集3个正交层面相交区域的回波信号，在混合时间内损毁梯度将不需要的回波信号消除而获取短TE光谱，不需要进行相位循环，一次激发即可采集，但SNR较低[1]。MEYERSPEER等[18]在3.0T MR仪上以STEAM序列测量人体小腿肌肉中含磷代谢物弛豫时间，并开发出一种稳定的单次激发STEAM序列来获得梯度定位的31P和1H谱[19]。31P STEAM序列能有效抑制邻近组织信号污染，但采集的是回波信号，会受T1、T2加权信号污染，并不适用于采集超短T2含磷物质谱，亦不常用于31P-MRS。

5 ISIS

ISIS是31P-MRS最常用的序列，属于单体素空间定位，适用于测量短T2弛豫时间的物质。常规ISIS序列施加3个180°反转脉冲，配合3个正交方向的选层梯度进行空间选择，3个正交层面的交叉区域为所选择的体素，用1个90°脉冲读出z轴方向上的磁化矢量，随后采集FID数据，能有效提高SNR，但针对1个体素需要8次扫描信号叠加；加之31P磁旋比小，整体SNR低，需要累加，导致扫描时间长，且对运动十分敏感，易受容积感兴趣区(volume of interest， VOI)外物质信号污染。“T1 smearing”是构成信号污染的重要来源[20]，重复时间(repetition time, TR)与T1的比值<5时，这种信号污染会增多，故一般尽量使TR/T1>5。

LJUNGBERG等[21]设计了Extended ISIS(E-ISIS)序列，以消除或进一步降低VOI外物质信号的干扰；缺点是扫描时间更长。BAKERMANS等[22]在9.4T小动物MR仪上使用3D ISIS序列获得小鼠心肌31P-MRS。E-ISIS序列对运动伪影特别敏感，需要结合呼吸和心电门控，且在呼吸门控期间使用空扫激励来保持稳定的磁化状态，以确保TR恒定。

为观察深部位器官，如肝脏或心脏，需排除器官表面肌肉及邻近组织器官信号的干扰，且准确定位[23]。研究人员对射频线圈技术加以改进，结合相对成熟的波谱技术，开发出深度分辨表面线圈光谱(depth-resolved surface-coil spectroscopy, DRESS)。

6 DRESS

7 其他序列

在以上相对成熟的31P-MRS序列之外，研究人员设计了一些新型31P-MRS序列。LAM等[26]设计了利用空间谱相关的光谱成像(spectroscopic imaging by exploiting spatiospectral correlation, SPICE)序列，利用光谱信号的部分分离性(partial separability, PS)进行数据采集和图像重建，以加快光谱成像[27]；通过优化SPICE数据采集和图像重建，不仅在水模实验中获得了高SNR的代谢物谱和图像，还利用3.0T MR仪进行人脑1H-MRS和31P-MRS，获得了高SNR的肌酸(creatine， Cr)图、PCr图等代谢物谱图和相应的1H-MRS及31P-MRS[28]。van der KEMP等[29]在7.0T MR仪应用具有球形k空间采样的绝热多回波光谱成像(adiabatic multi-echo spectroscopic imaging, AMESING)序列将FID与全部回波信号进行组合，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仪上应用AMESING MRS得到局部组织的T2信息。

8 小结

伴随硬件技术的进步，31P-MRS已广泛用于临床、科研等领域。不同序列有其优点，同时也存在不可避免的缺点。针对不同的扫描目的，根据扫描位置、特征等适当选择序列，对成功实施31P-MRS、提高SNR，获得准确稳定的数据尤为重要。DRESS结合ISIS是目前相对较优的31P-MRS扫描方法，但受限于MR系统的31P射频线圈配置情况。如何在SNR可接受的前提下进一步优化扫描序列、参数，缩短扫描时间，提高谱线分辨率，并更加敏感、稳定地定量代谢物，实现将代谢物谱转化成代谢物图像来表征疾病造成的代谢改变，尚需不断深入研究。