基于磁共振擴(kuò)散加權(quán)波譜技術(shù)的水分子擴(kuò)散測(cè)量方法

1、    基于磁共振擴(kuò)散加權(quán)波譜技術(shù)的水分子擴(kuò)散測(cè)量方法作者：高嵩    作者單位：北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部醫(yī)學(xué)物理教研室，北京 100083【摘要】  在常規(guī)醫(yī)用磁共振機(jī)上利用擴(kuò)散加權(quán)波譜技術(shù)測(cè)量水分子的擴(kuò)散系數(shù)。方法 在受激回波采集模式序列中第二個(gè)/2射頻脈沖之前及第三個(gè)/2射頻脈沖之后加入兩個(gè)強(qiáng)擴(kuò)散梯度磁場(chǎng)，在3.0特斯拉醫(yī)用磁共振機(jī)上運(yùn)行此脈沖序列掃描磁共振波譜模體，擴(kuò)散梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度固定，通過(guò)改變兩擴(kuò)散梯度磁場(chǎng)間隔得到不同的擴(kuò)散權(quán)重，掃描過(guò)程中不抑制水信號(hào)。結(jié)果 在重?cái)U(kuò)散權(quán)重條件下得到的波譜中水信號(hào)信噪比依然較高，擴(kuò)散

2、權(quán)重對(duì)水分子表觀擴(kuò)散系數(shù)的影響不顯著(P>0.05)。結(jié)論 在常規(guī)醫(yī)用磁共振機(jī)上利用擴(kuò)散加權(quán)波譜技術(shù)測(cè)量水分子擴(kuò)散系數(shù)是可行的，而且結(jié)果不受擴(kuò)散權(quán)重的影響?！娟P(guān)鍵詞】  擴(kuò)散加權(quán)成像 擴(kuò)散加權(quán)波譜 脈沖梯度自旋回波 擴(kuò)散系數(shù)  Measurement of the Diffusion Property of Water Molecules Based on Magnetic Resonance Diffusion Weighted Spectroscopy.GAO Song,ZHANG Huailing, BAO Shanglian.Space Medicine &a

3、mp; Medical Engineering,2008,21(2):130133    Abstract: Objective To investigate the diffusion coefficient of water molecules using magnetic resonance (MR) diffusion weighted spectroscopy (DWS) with normal medical magnetic resonance device. Methods Two powerful diffusion gradient magne

4、tic fields were applied before the second and after the third /2 radio frequency pulses respectively in the stimulated echo acquisition mode (STEAM) pulse sequence. A MR spectroscopy phantom was scanned in a conventional 3.0 Tesla MR scanner. The different diffusion weighting values were achieved by

5、 keeping the strength of diffusion gradient magnetic fields fixed and varying the time between the two diffusin gradient magnetic fields. The water suppression process in STEAM sequence was ignored. Results The signal/noise ratio of water signal in the spectra was high even with heavy diffusion weig

6、hting. The effect of diffusion weighting on the calculated apparent diffusion coefficients of water was not significant (P>0.05). Conclusion It is feasible to implement the DWS pulse sequence in conventional MR system to investigate the diffusion property of water molecule, furthermore the result

7、s are not dependent on diffusion weighting.    Key words:diffusion weighted imaging;diffusion weighted spectroscopy;pulsed gradient spin echo;diffusion coefficient    Address reprint requests to:GAO Song.Department of Medical Physics, Health Science Center, Peking Unive

8、rsity, Beijing 100083, China    人體內(nèi)水分子擴(kuò)散性質(zhì)的變化可以反映多種生理和病理過(guò)程,磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像 (diffusion weighted imaging,DWI)及擴(kuò)散張量成像（diffusion tensor imaging,DTI）技術(shù)可以非侵入地研究人體內(nèi)水分子的擴(kuò)散性質(zhì),在臨床及研究工作中得到廣泛的應(yīng)用。由Stejskal 和Tanner提出的脈沖梯度自旋回波(pulsed gradient spin echo, PGSE)是DWI及DTI中最常用的方法，一般通過(guò)在自旋回波脈沖序列中的射頻脈沖兩側(cè)施加一對(duì)強(qiáng)的擴(kuò)散梯度

9、磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。    DWI及DTI結(jié)果中的擴(kuò)散權(quán)重由擴(kuò)散梯度磁場(chǎng)的寬度及兩個(gè)擴(kuò)散梯度磁場(chǎng)的間隔決定。由PGSE方法可得到水分子的表觀擴(kuò)散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC），但結(jié)果會(huì)受到擴(kuò)散權(quán)重的影響。    磁共振的擴(kuò)散加權(quán)波譜技術(shù)(diffusion weighted spectroscopy， DWS)可以研究人體內(nèi)多種代謝物的擴(kuò)散性質(zhì),如N乙酸門(mén)冬氨酸(Naa)、 膽堿(Cho)及肌酸(Cr)等。雖然DWS在臨床及研究工作中有巨大的應(yīng)用前景，但常規(guī)的醫(yī)用MRI設(shè)備很少使用這一技術(shù)。主要原因

10、是代謝物的波譜信號(hào)十分微弱,DWS實(shí)驗(yàn)必須使用超高強(qiáng)度的主磁場(chǎng)以保證一定的信噪比。另一方面, 在DWS實(shí)驗(yàn)中水分子信號(hào)被認(rèn)為是沒(méi)有用處的甚至是對(duì)結(jié)果有害的信號(hào)而被抑制。    本研究在常規(guī)醫(yī)用磁共振成像設(shè)備上利用DWS實(shí)驗(yàn)中被抑制的水分子信號(hào)研究水分子的擴(kuò)散性質(zhì),并分析擴(kuò)散權(quán)重對(duì)結(jié)果的影響。    方  法    脈沖序列     點(diǎn)分辨譜(point resolved spectroscopy， PRESS)及受激回波采集模式(stimulated ec

11、ho acquisition mode，STEAM)是磁共振波譜分析（magnetic resonance spectroscopy，MRS）常用的兩種方法,可以在這兩種方法的脈沖序列中加入一對(duì)梯度磁場(chǎng)脈沖,使采集的信號(hào)受到水分子擴(kuò)散距離的影響。由于在STEAM脈沖序列中可以在不增加回波時(shí)間的情況下延長(zhǎng)混合時(shí)間,所以STEAM更適用于研究擴(kuò)散權(quán)重對(duì)結(jié)果的影響。另一方面,由于許多研究組在獲取及解釋STEAM結(jié)果方面已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn),所以STEAM是MRS中最常用的方法。因此本研究使用基于STEAM的DWS脈沖序列。    如圖1所示，在STEAM脈沖序列的前兩個(gè)

12、/2射頻脈沖之間及第三個(gè)/2射頻脈沖之后各加入一個(gè)擴(kuò)散敏感梯度磁場(chǎng)，兩擴(kuò)散敏感梯度磁場(chǎng)的持續(xù)時(shí)間為，間隔為。PGSE方法的特點(diǎn)是2個(gè)擴(kuò)散敏感梯度磁場(chǎng)之間包含一個(gè)射頻脈沖，而本方法兩個(gè)擴(kuò)散敏感梯度磁場(chǎng)之間包含兩個(gè)/2射頻脈沖,并且本實(shí)驗(yàn)所用脈沖序列中沒(méi)有設(shè)置讀出梯度磁場(chǎng)。    使用美國(guó)通用電氣公司提供的MRS專(zhuān)用球形模體(型號(hào):2152220)。模體中N乙酸門(mén)冬氨酸濃度是12 mmol/L、肌酸濃度是10 mmol/L、谷氨酸鹽濃度是12.5 mmol/L、乳酸鹽濃度是5 mmol/L、肌醇濃度是7.5 mmol/L、膽堿濃度是3 mmol/L，另外還含有0.1%

13、的釓噴酸葡胺。由粘貼于模體表面的溫度計(jì)可讀出模體在實(shí)驗(yàn)中的溫度是20 。    磁共振掃描  用GE Signa Twinspeed 3.0 Tesla磁共振成像系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，其最大梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度為40 mT/m，最大切換率150 mT/(m·ms)，正交鳥(niǎo)籠式線(xiàn)圈用于發(fā)射和采集信號(hào)。將模體置于鳥(niǎo)籠線(xiàn)圈中，模體下鋪墊3 cm厚毛巾。掃描前將模體置于磁體中靜止5 min以減少模體中液體整體流動(dòng)及熱傳導(dǎo)流動(dòng)對(duì)結(jié)果的影響。    首先用梯度回波方法采集橫截面、矢狀面及冠狀面圖像，掃描參數(shù): 重復(fù)時(shí)間 (TR)= 3 000

14、 ms, 回波時(shí)間 (TE)= 102 ms, 層厚=5 mm, 視野(FOV)= 24 cm×24 cm,平均次數(shù) (NEX)=1, 圖像矩陣=256×256。然后使用自己改寫(xiě)的擴(kuò)散加權(quán)STEAM脈沖序列研究水分子的擴(kuò)散，掃描參數(shù): TR=1 500 ms,TE=144 ms,FOV=24 cm×24 cm,NEX=2, 體素體積10 mm×10 mm×10 mm, 感興趣區(qū)(ROI)位于模體中心。 沿x軸方向施加擴(kuò)散敏感梯度磁場(chǎng)，持續(xù)時(shí)間8 ms。掃描過(guò)程中不抑制水信號(hào)。    擴(kuò)散權(quán)重計(jì)算  對(duì)于圖

15、1所示脈沖序列，擴(kuò)散權(quán)重(常用b值表示)為:    b=20t0G(t)dt2dt-    4f·/2t0G(t)dtdt+2f2(1)    式中是質(zhì)子旋磁比，是回波時(shí)間，擴(kuò)散敏感梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度G(t)是時(shí)間的函數(shù)， f由下式?jīng)Q定：    f=/20G(t)dt(2)    經(jīng)過(guò)計(jì)算可知本研究所用擴(kuò)散加權(quán)STEAM序列的b值是：    b=2G22/2-/3+    2(/30

16、-/3)(3)    式中是梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度由0上升或下降到40 mTestla/m所需的時(shí)間。通過(guò)固定的擴(kuò)散敏感梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度及變化的擴(kuò)散時(shí)間得到不同的擴(kuò)散權(quán)重(b值)。實(shí)驗(yàn)中使用的b值分別是 25,102,164,285,371,510,973,1297,1823 s/mm2。不同的b值對(duì)應(yīng)的掃描過(guò)程重復(fù)8次。圖2   同擴(kuò)散權(quán)重條件下得到的波譜    Fig. 2  Spectra obtained under different diffusion weighting   

17、 (a)b =25 mm-2s;(b) b =164 mm-2s;(c) b =510 mm-2s; (d) b =1823 mm-2s    數(shù)據(jù)處理  用GE公司的SAGE軟件離線(xiàn)處理原始數(shù)據(jù)。付立葉變換及相位校正后可以得到9個(gè)b值對(duì)應(yīng)的波譜。由波譜可得到峰下面積及峰高。由于峰下面積更容易受隨機(jī)噪聲的影響9，所以本研究中用峰高標(biāo)定水分子的信號(hào)強(qiáng)度。    水分子表觀擴(kuò)散系數(shù)由下式得到：    ADC=-lnS(b)/S(b0)/(b-b0)(4)    式中S(

18、b0)和S(b)分別是不同擴(kuò)散權(quán)重下得到的波譜中的水信號(hào)峰高。    單因素方差分析(ANOVA)用于檢驗(yàn)擴(kuò)散權(quán)重(b值)對(duì)水分子ADC的影響。顯著性水平=0.05。    結(jié)  果    在四種不同擴(kuò)散權(quán)重條件下得到的波譜如圖2所示。由于溫度的影響，模體水峰的化學(xué)位移是4.61 Hz，略小于人體內(nèi)水分子的化學(xué)位移8。由圖2可以看出，隨著擴(kuò)散權(quán)重的增加，水的信號(hào)強(qiáng)度明顯減小。這導(dǎo)致隨著擴(kuò)散權(quán)重增加，信噪比下降。由于水信號(hào)沒(méi)有被抑制，波譜中其他代謝物的峰不能被分辨。  

19、0; 由不同擴(kuò)散權(quán)重下水信號(hào)的峰高通過(guò)公式(4)得到水分子的ADC。由8次掃描得到的平均ADC與擴(kuò)散權(quán)重的關(guān)系如圖3所示。方差分析結(jié)果表明擴(kuò)散權(quán)重(b值)對(duì)ADC的影響不顯著(P=0.971)。    圖3  ADC與b值關(guān)系圖    Fig.3  Mean ADC plotted against bvalue for water molecules    Error bar indicates standard deviation (SD)    討&#

20、160; 論    DWS極少用于常規(guī)醫(yī)用MRI系統(tǒng)。主要原因是DWS實(shí)驗(yàn)中代謝物的信號(hào)極微弱，必須使用超高強(qiáng)度的主磁場(chǎng)以提高信噪比，如7.0Tesla6及9.4Tesla7等。其他原因包括脈沖序列很難得到及數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜。如圖2所示，水分子的信號(hào)強(qiáng)度很高,即使在強(qiáng)擴(kuò)散權(quán)重條件下也可得到較高的信噪比。這說(shuō)明在常規(guī)MRI系統(tǒng)上使用DWS方法研究水分子的擴(kuò)散是可行的。    本研究表明，擴(kuò)散權(quán)重對(duì)DWS結(jié)果的影響不顯著。由于在本實(shí)驗(yàn)中不同的擴(kuò)散權(quán)重是通過(guò)固定的擴(kuò)散梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度及變化的擴(kuò)散時(shí)間得到的，所以擴(kuò)散權(quán)重對(duì)結(jié)果的影響可歸因于擴(kuò)散時(shí)

21、間，擴(kuò)散時(shí)間表示擴(kuò)散過(guò)程被觀察的時(shí)間。這一結(jié)果與其他研究組的結(jié)果相符10。這樣便可以用對(duì)數(shù)線(xiàn)性回歸方法更準(zhǔn)確地計(jì)算水分子的ADC。    在常規(guī)DWS實(shí)驗(yàn)中，由于神經(jīng)代謝物的信號(hào)十分微弱，所以必須多次重復(fù)掃描及增大體素體積以提高信噪比，這使的常規(guī)DWS的時(shí)間和空間分辨率較低。與神經(jīng)代謝物信號(hào)強(qiáng)度相比，水分子的信號(hào)很強(qiáng)，這樣便可以在實(shí)驗(yàn)中使用單次掃描及小的體素體積。雖然空間與時(shí)間分辨率仍然低于PGSE加EPI的結(jié)果,但由本研究結(jié)果可知這兩種分辨率是可以接受的。    近來(lái)，基于點(diǎn)分辨譜PRESS的序列越來(lái)越多地用于DWS。PRESS序列

22、最顯著的特點(diǎn)是一個(gè)/2 射頻脈沖后跟兩個(gè)射頻脈沖，這樣就很容易在PRESS序列中插入擴(kuò)散敏感梯度磁場(chǎng)。雖然PRESS的信號(hào)強(qiáng)度是STEAM信號(hào)強(qiáng)度的兩倍，但STEAM加擴(kuò)散敏感梯度磁場(chǎng)仍是DWS最常用的方法。原因是開(kāi)始階段使用STEAM的研究組已經(jīng)積累了大量獲取與分析STEAM結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)而應(yīng)用PRESS需要積累新的經(jīng)驗(yàn)。但是有理由相信，使用基于PRESS的DWS脈沖序列研究水分子的擴(kuò)散將會(huì)得到更好的結(jié)果。    結(jié)  論    在常規(guī)MRI設(shè)備上可以利用DWS實(shí)驗(yàn)中水分子信號(hào)研究水分子的擴(kuò)散性質(zhì)，而且結(jié)果不受擴(kuò)散時(shí)間的影

23、響。這一方法的缺點(diǎn)是時(shí)間和空間分辨率低于PGSE加EPI方法的結(jié)果。如何提高這兩種分辨率需進(jìn)一步研究。【參考文獻(xiàn)】1 DU ning,NIE hongjing,JIN lingyun, et al. Observation of diffusion weighted MRI and pathology of cerebral edema during hypoxia J. Space Medicine & Medical Engineering,2005, 18(6): 415418.2 Stejskal EO, Tanner JE. Spin diffusion measuremen

24、ts: spin echoes in the presence of a timedependent field gradient J. Journal of Chemical Physics, 1965, 42(2): 288292.3 GAO Song, WANG Xiaoying, BAO Shanlian. Effects of diffusion time and diffusion gradient strength on the mean diffusivity of water molecules in healthy human brain J. Progress in Na

25、tural Science, 2006, 17(7):706711.4 ZHANG Huailing, LI Yuan, WANG Xiang, et al. Experimental study on dependence of diffusion tensorderived parameters upon diffusion Time J. Space Medicine & Medical Engineering,2006, 19(6):430433.5 Michael N, Erfurth A, Ohrmann P, et al. Neurotrophic effects of electroconvulsive therapy: a proton magnetic resonance study of the left amygdalar region in patients with treatmentresistant depression J. Neuropsychopharmacology,2003, 28 (3): 720725.6 Pfeuffer J, Tkac I, Gruetter R. Extracellularintracellular distribution