磁共振波谱技术在听觉皮层的应用及其质量控制

倪萍，陈自谦，梁永辉，陈贤明

南京军区福州总医院 a.医学工程科；b.医学影像科；c.耳鼻喉科，

福建 福州 350025

0 前言

磁共振波谱（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS）技术是目前唯一可以无创地检测活体组织能量代谢、生化改变和化合物定量分析的技术。它利用质子的磁共振现象和化学位移作用，对分子结构有很强的解析能力，所获得组织的生化信息能够观察到明显早于组织形态结构异常改变的代谢变化，是一种真正的分子影像学技术[1]。听皮层作为最主要的高级听觉中枢，其代谢物的改变将影响到对声音的分析、整合和感知。它分为初级听皮层和次级听皮层，初级听皮层位于颞横回，主要负责接收听觉信号；次级听觉皮层位于颞极、颞平面、颞上回及颞中回部分区域，主要负责接收声音信息并进一步将之处理成可理解为语言的功能，执行更高水平的听觉功能[2-3]。目前，MRS在听觉皮层的应用大都采用单体素MRS技术，将整个听觉皮层作为一个整体进行分析，很少有对其进行功能区分区的研究。

本研究通过采用单体素和多体素两种不同的MRS技术对正常人听觉中枢进行分析检测，进一步探讨这两种不同MRS技术的优劣以及应用过程质量控制的相关问题，以提高MRS技术在听觉皮层应用的准确性。

1 材料和方法

1.1 数据采集

选取健康志愿者10人，男5人，女5人，年龄22～27岁，中位年龄25岁。所有志愿者均为右利手，耳镜检查外耳道、鼓膜正常，纯音听阈测定125～4000 Hz，平均听阈≤25 db，声导抗检测示中耳功能正常。所有志愿者均无眩晕、耳鸣等前庭系统症状，无神经、精神疾病及全身其他疾病史。实验获得了医院伦理委员会审查通过，所有志愿者均在实验前了解实验的目的、方法和相关内容，并签署了书面知情同意书。

采用SIEMENS MAGNETOM Trio TIM 3T 磁共振成像系统，24通道头线圈进行扫描。受试者进入磁共振扫描室后平卧，戴眼罩、磁共振兼容密闭耳机，以尽可能减小视觉和扫描噪音刺激。头部严格控制，周围衬硬海绵垫，防止受试者在检查过程中头部运动。每位受试者在相对安静状态下进行质子MRS扫描。首先，扫描三平面定位像；然后，采用三维快速扰相梯度回波序列（3D SPGR）扫描全脑T1像，排除颅内病变，并采用多平面重建得到波谱扫描所需的定位图。

选择T1W冠状位定位右侧听皮层行单体素1H-MRS检查，单体素波谱采用点分辨波谱序列MRS_SVS_SE_135，TR/TE=2000/135 ms，重复次数（Average）=256次，每个体素大小为10 mm×10 mm×10 mm，接收带宽1200 Hz，成像时间约520 s。

多体素选择平行于外侧裂的轴位图像作为定位平面，结合冠状位、矢状位进行定位，采用MRS_CSI_SE_135序列，对右侧听皮层进行1H-MRS检查。感兴趣区包括右侧听皮层颞平面、整个颞横回和部分岛叶，符合听皮层的解剖特点，并尽量避开颅骨的干扰（图 1），并将感兴趣区以外周围组织加上预饱和，以去除周围颅骨、脂肪、脑积液等带来的干扰。具体序列参数为：TR/TE=1700/135 ms，视野为110 mm×110 mm，扫描范围55 mm×55 mm；扫描分辨率为16×16；层厚10 mm，FA=90°，带宽=1200 Hz，重复次数（Average）=3次，体素大小为10 mm×10 mm×10 mm，成像时间413 s。

图1 二维多体素MRS定位及预饱和图。

中心频率、接收/发射增益调节、匀场、水抑制均由程序自动完成，匀场效果达到半高全宽（Full Width at Half Maximum，FWHM）＜19 Hz，水抑制＞95%水平就可以进行波谱的采集，如果无法达到就需要进行手动匀场，或者重新定位感兴趣区和预饱和后重新进行匀场和水抑制。

1.2 数据重建和测量

在SIEMENS后处理工作站SYNGO软件上把扫描得到的CSI_SE序列载入Spectroscopy 软件上进行后处理。所观察的主要代谢产物包括：N-乙酰天门冬氨酸（NAA，位于2.02 ppm，ppm表示百万分之一，代表化学位移大小）、肌酸（Cr，位于3.02 ppm）、胆碱（Cho，位于3.2 ppm）、谷氨酰胺和谷氨酸（Glx，位于3.78 ppm）、γ-氨基丁酸乳酸（GABA，位于2.28～2.31 ppm）、乳酸（Lac，位于1.33 ppm）等，并以Cho+Cr为参照值，分别计算NAA/(Cho+Cr)、Glx/(Cho+Cr)、GABA/(Cho+Cr)峰下面积比值并生成以各比值大小为灰阶的伪彩图[4]。多体素波谱在听皮层相应部位选3个体素进行代谢物测量，分别是颞平面（Planum Temporale，PT）、颞横回后内侧（Posterior-medial of Heschl's Gyrus，HGpm）、颞横回前外侧（Antero-lateral of Heschl's Gyrus，HGal）；单体素波谱的测量值作为对照组。

1.3 数据分析

采用SPSS11.0软件进行统计学分析，数据用均数±标准差（x±s）表示，统计学方法为配对t检验， p<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

通过对颞横回后内侧、颞横回前外侧和颞平面3个区域对应的体素进行波谱重建，均可见高耸的NAA、Cho、Cr峰，说明匀场和水抑制良好（图2），所测代谢物的比值，见表1。

PT组NAA/(Cho+Cr)比值最高，颞横回后内侧HGpm次高，对照组较低，颞横回前外侧HGal最低。PT组和对照组相比差异有统计学意义（t=3.932，p=0.001），HGpm组和对照组相比差异没有统计学意义（t=1.655，p=0.115），HGal组和对照组相比差异没有统计学意义（t=1.114，p=0.280）。

HGpm组Glx/(Cho+Cr)最高，PT组次之，对照组较低，HGal组最低。HGpm组和对照组相比差异有统计学意义（t=2.354，p=0.005）；PT组和对照组相比差异没有统计学意义（t=1.278，p=0.218）；HGal组和对照组相比差异有统计学意义（t=2.573，p=0.019）。

PT组GABA/(Cho+Cr)最高，对照组次之，HGal组较低，HGpm组最低。PT组和对照组相比差异有统计学意义（t=3.457，p=0.003）；HGal组和对照组相比差异没有统计学意义（t=0.663，p=0.535）；HGpm组和对照组相比差异有统计学意义（t=2.121，p=0.0448）。

HGpm组10例均能检测到乳酸峰，PT组能检测到6例，HGal和对照组都只有3例能检测到乳酸峰。

图2 二维多体素听皮层MRS谱线

表1 10例健康志愿者听皮层MRS代谢物测量(x±s)

3 讨论

3.1 听皮层不同MRS定位技术代谢物的比较

MRS在物理学上由化学位移和自旋耦合裂分的波形及频率成分按其内在规律排列组合而成，波谱信号与被测物的体内原子核的自然丰度、浓度及固有敏感性相关。因人体内1H含量最大，临床多采用1H-MRS反映活体组织代谢变化，一般分为单体素技术和多体素技术。

单体素空间定位技术应用3个互相垂直的层面选择脉冲，采集的仅为与3个层面均相交的点内回波信号。常用的有激励回波采集模式（Stimulated Echo Acquisition Mode，STEAM）和 点 分 辨 波 谱（Point Resolved Spectroscopy，PRESS）。STEAM序列是连续运用3个互相垂直的90°脉冲，采集3个脉冲相交的激发区域回波，而其他回波信号由一个大的打击梯度在混合时间内施加去相位将信号去除。它的优点是一次激发就可采集，不需要相位再循环，水抑制充分，STEAM回波时间短（通常20～30 ms），对T2弛豫时间比较敏感，可以观察到更多短T2代谢物，如MI、LIP等，缺点是有近1/2的信号丢失，信噪比较低，对运动伪影较为敏感，容易造成基线不稳，信号丢失。PRESS序列运用一个90°脉冲，两个重聚的180°脉冲，产生一个自旋回波的VOI，而相应的一对打击梯度伴随在180°脉冲两旁，重聚相位的180°脉冲减低了对磁场均匀性的要求，减少了信号的丢失，信噪比较STEAM序列高[5]。在波谱成像中回波时间的选择上，135 ms左右1H波谱可以得到人脑Cr、NAA和Cho的单峰，更短一些的TE可以显示MI、LIP等。根据序列设计的特点，在短TE时选择STEAM，而长TE时选择PRESS序列，故本研究的单体素技术采用PRESS序列。

多体素技术又称化学位移成像，分为二维或三维多体素采集，其优点是一次采集覆盖范围较大，在选定的空间分布中可以得到多个体素的代谢物谱线，并可在MRI图像上融合代谢图，直观显示代谢物的分布变化。

早期双耳分听测试研究发现，使用环境噪声、复合声等非语言材料时受试者左耳比右耳感知更精确，称为左耳优势或右侧半球优势[6]。扫描噪声属于非语言类声音，故本研究测量对象选定右侧听皮层。

颞横回完全位于外侧裂内，在颞上平面内从中央下区外侧向后延伸至脑岛内侧，是一个隐形的弓形脑回。以往人们认为颞横回全长即为人体听皮层，关于听皮层的MRS研究也大都利用单体素技术，感兴趣区包括初级和次级听皮层（包括颞横回和颞平面）。

听皮层1H-MRS检测的代谢物主要包括NAA、Cho、Cr、Glx、Lac、GABA等。NAA完全位于神经元胞体和突触中，认为是神经元的标志峰，NAA的合成与ATP产生过程中的线粒体活性直接相关，还与代谢效率及细胞膜的兴奋性有关[7]；Glx作为大脑皮层中重要的兴奋性传入神经递质是大脑皮层功能活动的生物化学基础之一，GABA是能量代谢低能通路-葡萄糖无氧酵解的终产物[8]；Lac峰出现是组织供氧不足的表现，但有学者研究认为正常人在扫描噪声的刺激下听皮层会出现Lac峰。Cr反应能量状况，在病理状态下较稳定，常做参考值比较其他代谢产物的变化；Cho与细胞膜磷脂的分解和合成有关；因Cho和Cr较为接近，相邻处有融合峰存在，测量两者共同的峰下面积（Cho+Cr）可以消除主观区分单个波峰产生的误差。

本研究中多体素听皮层的NAA/(Cho+Cr)、Glx/(Cho+Cr)、GABA/(Cho+Cr)在听皮层不同区域分布差异很大，颞平面的NAA含量最高，颞横回后内侧高于颞横回前外侧；颞横回后内侧Glx最高，颞平面高于颞横回前外侧；颞横回后内侧GABA含量最低，提示颞横回后内侧神经元密度较高，兴奋神经递质释放较多，抑制递质含量较低，可能为听觉的功能核区，单纯扫描噪声的刺激使听觉初级皮层处于兴奋状态。Lac峰在颞横回后内侧均能检测到，也可能与扫描噪声造成颞横回后内侧高度兴奋而缺氧有关。

在听皮层，NAA与神经递质分布的不均匀可能与听皮层亚结构的功能差异有关，单体素把整个听皮层某个区域或者颞上回作为一个整体进行研究难以反映代谢物分布的差异性，容易导致片面结果。目前，3.0T磁共振能保证波谱质量的单体素技术最小体素为10 mm×10 mm×10 mm，易包含轴位颞上回、岛叶等，从而影响结果的准确性。本研究多体素视野大，体素小，可对颞横回亚结构进行检测。本研究多体素MRS采用平行与外侧裂的斜轴位作为主定位平面，能在轴位像上由前到后显示颞极、颞横回和颞平面的解剖位置，沿颞横回前后走行方向采用矩形采集，不但获得相对较多的感兴趣区结构，并能有效避开邻近骨骼和脑脊液的影响，成像质量较好，同时减少了单体素技术多个区域多次检测的误差和时间。

本研究单体素测量结果NAA/(Cho+Cr)比值和颞横回后内侧接近，Glx/(Cho+Cr)和颞平面接近，GABA/(Cho+Cr)和颞横回前外侧接近。说明单体素感兴趣区在颞横回的定位较多体素精确性差，存在主观因素。多体素技术在颞横回后内侧均能测到Lac峰，而在单体素仅30%可检测到，说明小范围低含量的代谢物检测在单体素技术中容易遗漏。因此，二维多体素技术在听皮层MRS的检测可以比较准确反映听皮层不同部位代谢的微小变化，具有较大的优势。

3.2 听皮层MRS质量控制的主要因素

3.2.1 磁共振设备的质量控制保证

与MRI图像一样，MRS的质量主要也是由信噪比和分辨率决定的。MRS检测的信号强度与所测组织内原子核的自然丰度和核的浓度及其固有敏感度有关。磁场强度越高，不仅信噪比提高，而且代谢物的化学位移增大，更容易区分不同的代谢物。因此，对于MRS而言，3T比1.5T可以获得信号更强、分辨率更高的谱线,更容易检出微少的代谢物[9]。

磁共振设备的良好磁场均匀性和时间稳定性是获得高质量MRS的前提。定期对磁共振系统进行功能磁共振质量控制检测和波谱质量控制扫描（MRS-QC），检测系统的磁场均匀性、时间稳定性和Cr SNR，以及发射增益、中心频率等重要参数，特别注意成像区域内不能有金属异物、残留的造影剂等影响磁场均匀性的磁性物质[10]。

3.2.2 患者的配合

MRS采集每次检查时间长，患者的移动将会影响整个数据的采集。因此，在检查之前一定要嘱咐患者在整个检查过程中务必保持一个体位，必要时可在患者的头颅两侧塞填海绵垫以固定[11]。MRS检测头动判断不像常规MRI那样直观，为更好保证波谱检测结果的准确性，排除头动的可能，可以在MRS扫描后马上扫一个快速序列，与定位像比较，看头部位置是否一致以排除头动。如果发现头动，则原来扫描结果应放弃，重新采集。另外，需要叮嘱病人保证头部的清洁，不要涂摩丝等美发用品或者其他药物，以免其中复杂化学成分造成磁场的不均匀，影响检查的顺利进行[12]。

3.2.3 体素的大小和感兴趣区的设定

体素的大小及科学的定位是获得高质量MRS的关键。MRS谱线的半高宽主要受原子核自然半高宽及磁场的均匀度影响，VOI内磁场的均匀度越高，所得谱线的半高宽越小。在保证设备磁场均匀性的前提下，MRS还受到感兴趣区内磁场的均匀性影响。虽然每次采集前系统给要自动进行中心频率校正、射频发射增益调整、匀场等，但如果VOI内含有空气、颅骨等成分，局部磁场磁敏感效应严重，将影响到采集区域磁场的均匀性。由于听皮层体积较小，且靠近骨骼及外侧裂等沟回，感兴趣区的定位要利用三平面定位技术，即三维采集后用多平面重建方式选择一个好的方位MRI图像来定位，本研究采用了平行于外侧裂的轴位图像作为定位平面，其他两个方位的MRI图像作为参考，感兴趣区包括初级及次级听皮层（包括颞横回和颞平面），不必太大，尽量避开空气及骨骼，减少不必要的干扰。

合理设置体素的大小。扫描序列参数的设定非常关键，频率矩阵、相位矩阵、FOV、层厚以及采集次数都会影响到分辨率和信噪比，但两者不可兼得，应根据病变部位的大小设定合理的参数。MRS的信号强度与所检测到的核的数量成正比，增大体素可提高信噪比，但降低了分辨率。本研究为了更加精确测量听皮层不同区域代谢物的分布，将测量体素减小，单体素测量由原来默认的20 mm×20 mm×20 mm减小到10 mm×10 mm×10 mm，因此，造成测量信噪比减低，谱线质量下降，结果不可靠。增加采集次数可提高信号比，但检查时间要相应延长，通过将平均次数由144提高到256，提高了谱线质量，但采集时间也由原来的296 s增加到520 s，增加了病人配合的难度。

3.2.4 合理设置饱和带

充分利用选择性饱和带技术：空间预饱和带将RF脉冲发送到FOV内部或外部的选定位置，从而使该处的原子核达到饱和并消除不必要的信号。在选层脉冲之前应用的90°RF脉冲，受饱和带脉冲影响的组织没有时间充分恢复，因此，也就没有或只有少量从这些组织激活的纵向磁化，从而也就不会生成信号或只有少量信号，减少了外部复杂组织结构对感兴趣区谱线的影响。合理使用预置空间饱和带技术能有效抑制可能存在的信号污染，提高波谱检测的准确性。

4 结束语

MRS技术在听皮层的应用，使磁共振技术在听觉系统的应用从形态学上升到了功能与分子影像学的水平，为听皮层相关疾病的诊断、预后评价到康复过程的功能重塑提供了客观准确的评价手段。

[1]Richards TL,Gates GA,Gardner JC,et al.Functional MR spectroscopy of the auditory cortex in healthy subjects and patients with sudden hearing loss[J].Am J Neuroradio,1997,(18):611-620.

[2]梁永辉,陈贤明,李建忠,等.纯音刺激前后正常人听皮层代谢变化的HMRS研究[J].中华耳科杂志,2011(9):145-148.

[3]Tollkötter M,Pfleiderer B,Soros P,et al.Exects of antidepressive therapy on auditory processing in severely depressed patients:A combined MRS and MEG study[J].Journal of Psychiatric Research,2006,40(4):293-306.

[4]Rosen Y,Lenkinski RE.Recent advances in magnetic resonance neurospectroscopy[J].Neurotherapeutics,2007,4(3):330-345.

[5]韩鸿宾.临床磁共振成像序列设计与应用[M].北京:北京大学医学出版社,2003.

[6]Schönwiesner M,Rübsamen R,von Cramon DY.Hemispheric asymmetry for spectral and temporal processing in the human antero-lateral auditory belt cortex[J].Eur J Neurosci,2005,22(6):1521-1528.

[7]N Agarwal,PF Renshaw.Proton MR spectroscopy-detectable major neurotransmitters of the brain: biology and possible clinical applications[J].Am J Neuroradiology,2012,33(4):595-602.

[8]Hasler G,van der Veen JW,Tumonis T,et al.Reduced prefrontal glutamate/glutamine and gamma-aminobutyric acid levels in major depression determined using proton magnetic resonance spectroscopy[J].Arch Gen Psychiatry,2007,64(2):193-200.

[9]倪萍,陈自谦,张鲁闽,等.3T磁共振的特点及其质量控制策略[J].中国医疗设备,2009,24(12):121-124.

[10]倪萍,陈自谦,张鲁闽,等.高场磁共振应用安全和质量控制的规范化管理[J].中国医疗设备,2011,26(2):1-4.

[11]倪萍,陈自谦,钱根年,等.Bold—fMRI研究过程若干质量控制因素分析[J].医疗设备信息,2007,22(12):6-9.

[12]倪萍,陈自谦,许尚文,等.正常人听觉皮层血氧水平依赖功能磁共振成像及其质量控制研究[J].中国医疗设备,2008,23(12):3-6.