优化扫描矩阵对脑肿瘤患者头部多体素氢质子磁共振波谱成像的临床应用价值

李珮，冷琦，夏春潮，李真林

1.四川大学华西第二医院 放射科，四川 成都 610041；2.四川大学华西医院 放射科，四川 成都 610041

引言

磁共振波谱成像（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS）是获得活体内生化参数定量信息和诊断信息的一种非侵入功能成像技术。随着高场强MR设备的应用及相关技术的快速发展，MRS应用日益广泛，成为目前唯一能无创性检测活体器官和组织代谢、生化、化合物定量分析的技术[1-2]。多体素氢质子MRS（1H MRS）的感兴趣区可以覆盖整个脑肿瘤甚至邻近脑组织，能较好地呈现肿瘤的内部及周围组织的代谢情况，在临床诊断中发挥着重要作用[3]。由于MRS扫描时间较长，很多状态不佳或是年龄较小的患者无法长时间坚持，很难获得满足临床需求的高质量波谱图像，不利于疾病的诊断与鉴别诊断。近年来对于磁共振波谱的研究主要集中在对疾病的诊断价值方面，较少提到扫描时间长对与检查的影响及解决方案，但扫描时间长这一问题确实限制了磁共振波谱的应用与发展。MRS曾经作为前列腺癌检查广泛运用，如今因为检查时间长退至辅助序列[4]。侯效芳等[5]采用单体素波谱成像，避免了扫描时间过长的问题，但单体素波谱提供信息有限，可能需要多次采集才能获得病变的全部信息。MRS在精神疾病研究方面运用较广，序列扫描时长多为6 min左右，由于扫描时间长患者配合度的问题该类研究较多都存在样本量小的问题[6-7]。本研究通过调整波谱扫描矩阵，缩短扫描时间，探讨其对颅脑MRS成像的应用价值。

1 材料与方法

1.1 临床资料

2018年3～5月经本院确诊为脑肿瘤患者20例，其中男13名，女7名，年龄18～76岁，平均（48.60±3.97）岁，纳入标准：纳入标准：① 患有颅脑占位性病变的患者；② MRI检查前未行手术、放化疗或其他干预治疗；③ 能够耐受高场强MRI检查；④ MRI检查结束后1～2周内行手术，能够获取病变的病理结果。所有研究对象均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法

采用Siemens skyra 3.0 T磁共振扫描仪，患者取头部先进仰卧位。行常规颅脑T2WI、T2 FLAIR轴位、矢状位扫描用于MRS扫描定位。MRS扫描层面的设置，选择患者轴位病变最大层面，MRS扫描野尽量避开颅骨、空气、脂肪、出血、钙化等干扰组织。修改扫描矩阵前后的16×16与8×8两组波谱序列，见表1。

表1 被试者扫描参数

1.3 图像评价方法

修改矩阵大小前后扫描得出的原始数据导入波谱分析软件LCModel进行后处理，分别得出两次扫描的信噪比、半高宽、临床常见代谢物浓度等数据。代谢物选择N-乙酰天门冬氨酸（N-acetyl aspar-tate，NAA）、胆碱化合物（Choline，Cho）、肌酸 /磷酸肌酸（Creatime，Cr）、谷氨酸类化合物（Glutamate，Glu/glutamine，Gln，合称Glx）。所有图像和数据分别由两位高年资影像诊断医师（头部MRI诊断工作经历大于10年）在互相独立的情况下，仔细阅片，从信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、半峰全宽（Full Width at Half Peak，FWHM）以及代谢物浓度进行评价。

1.4 统计分析

选取病变区域几个体素进行测量，计算平均值。运用SPSS 22.0统计软件，采用配对检验，对修改扫描矩阵前后的SNR、FWHM、代谢物浓度等数据差值进行正态性检验，差值符合正态性检验分布使用配对t检验，否则选择Wilcoxon符号秩和检验。统计学显著性水平设置为P<0.05。

2 结果

2.1 扫描时间

未修改扫描矩阵前扫描时间为400 s；修改扫描矩阵后扫描时间为87 s。

2.2 波普质量

修改扫描矩阵前FWHM大于修改后，差异有统计学意义（P<0.05）。修改扫描矩阵前SNR小于修改后，差异有统计学意义（P<0.05），见图1和表2。

图1 波谱图像

表2 扫描矩阵修改前后主要波谱质量评价指标及代谢物浓度结果

2.3 主要代谢物浓度比

修改前后，Cr+Pcr(Tcr）、NAA/Tcr、Ins/Tcr、Cho/Tcr、Glx/Tcr，均无统计学意义（P>0.05），见表2。

3 讨论

MRS通过细胞分子代谢层面对大脑局部神经元活动进行分析，可以进一步了解大脑病理生理学的改变。其检测的主要内容包括NAA、胆碱、肌酸、肌醇等指标。NAA波峰位于2.0 ppm处，含量直接反映神经元的密度和活性，含量减少反映神经元丢失或功能受损；胆碱反映脑内总胆碱含量，波峰位于3.2 ppm位移处，是反映髓鞘形成和胶质增生的指标；肌酸是能量代谢产物，位于3.0 ppm位移处，肌酸值一般不会随病理变化而变化，因而临床上常被量化用作内部参考。MRS在头部疾病的应用非常广泛的，有文献报道，MRS在抑郁症患者的诊断、多发性硬化患者病情检测、脑肿瘤的分级等方面都有重要作用[8-10]。

MRS在研究精神疾病方面潜力巨大，如已有的研究基本都认为孤独症谱系障碍（Autism Spectrum Disorder，ASD）主要是由脑生物学因素导致的，故寻找有效的生物标志物是该研究领域最具挑战性的任务之一，磁共振波谱就是从标志物出发，去探究ASD患者脑代谢的异常情况[11]。针对此方面的研究非常广泛，由来已久，但迟迟难以运用于临床，且较多与此相关的临床研究都存在着样本量少的问题，本研究认为，这与MRS扫描时间较长，检查部位的任何细微活动都可能导致检查的失败，一般小孩和配合较差的患者难以坚持完成检查有关。潘钰等在总结研究的不足时，也指出研究对象大部分为低龄儿童，不能完全配合扫描检查[12]。

提高MRS检查成功率有三个方面：① 争取患者配合；② 修改扫描参数，减少患者移动对检查造成的影响；③ 缩短扫描时间，使检查易于配合，降低患者移动的可能性。

付丽媛等[13]提出MRS检查成功的最基本条件是患者检查前的充分准备与良好配合。检查前需与患者做好沟通，告知其检查过程，克服恐惧及紧张心理，尽量取得患者的良好配合，尤其是要告知患者在检查中制动，对于配合欠佳的儿童患者在必要的情况下可口服水合氯醛镇静。但6 min左右的扫描时间中头部有轻微的移动便可导致检查的失败，在准备良好的情况仍存在较大的配合难度，且使用镇静类药物有一定的风险。

张敏等[14]研究了不同形式位移经过校正后对MRS检查的影响，得出结论平动位移可较好的得到校正，转动位移校正效果不佳。且该研究受试者均为健康志愿者，位移控制在一定范围内，剔除了头部明显移动对检查的影响。MRS常规检查时，患者的移动平动、转动均存在，且无规律可循，故位移校正运用于MRS中有较大局限。

本研究着眼于缩短扫描时间，使扫描易于配合，从根本上降低因患者头部位移造成检查失败的可能性。MRS检查中体素大小可根据病灶的大小灵活设置，病灶大体素可适当调大9。本研究MRS扫描修改前扫描体素为10 mm×10 mm×10 mm，笔者将2×2的四个体素合并为一个体素进行扫描，在该扫描野内无间隔、无重复的扫描，扫描矩阵由16×16变为了8×8，扫描体素变为20 mm×20 mm×10 mm，修改后的体素大小未超过病灶的大小范围，不会因混入周边组织损失病灶信息。解析矩阵仍保持16×16，解析体素为10 mm×10 mm×10 mm，每个体素显示波谱均为所在扫描体素的波谱谱线。修改扫描矩阵后扫描时间减少3/4，由未修改前的400 s变为87 s，极大缩短了检查时间，检查成功率可大幅度提高。

在MRS分析中，谱线的纵轴即化合物的信号强度，其峰下面积与该化合物的浓度成正比，化合物最大峰高一半处的谱线宽度为FWHM，决定谱线的频率分辨率，是波谱质量的重要评价指标之一，FWHM越小，代表谱线质量越好。MRS的SNR定义为最大代谢物的峰高度除以无信号区噪声振幅的均方根，信噪比越高，谱线质量越好。本研究结果表明，在扫描矩阵缩短一倍的情况下，患者组与正常组半高宽明显减小，信噪比明显增加半高宽，优于临床常规矩阵的扫描结果。

MRS谱线中，NAA/Cr、Cho/Cr等代谢物浓度比值在肿瘤的诊断与鉴别诊断中具有重要价值[15]。修改后的矩阵扫描所得代谢物浓度比值与常规方法测量得出的代谢物浓度无统计学差异，符合临床诊断要求。

本研究不足之处为：① 样本量较少，且样本选取时间较为久远；② 扫描矩阵减小后，体素体积变大，在病变较小和垂体、海马等特殊部位的波普研究[16-17]中可能由于部分容积效应，影响检查结果。期待在今后的工作中扩大样本量，进行更合理更深入的研究。

4 结论

综上所述，磁共振波谱（多体素）扫描中，扫描矩阵的适当减小在保证图像质量的前提下，极大地缩短了扫描时间，可提高检查成功率，但扫描矩阵过小，体素过大，可能会影响波普检查结果的准确性，如何根据受检者病情需要，个性化设定矩阵、体素大小，在保证检查准确性的前提下，尽量缩短检查时间，有待于我们进一步研究。