基于磁共振扩散加权波谱技术的水分子扩散测量方法

1、基于磁共振扩散加权波谱技术的水分子扩散测量方法        【摘要】     在常规医用磁共振机上利用扩散加权波谱技术测量水分子的扩散系数。方法 在受激回波采集模式序列中第二个/2射频脉冲之前及第三个/2射频脉冲之后加入两个强扩散梯度磁场，在3.0特斯拉医用磁共振机上运行此脉冲序列扫描磁共振波谱模体，扩散梯度磁场强度固定，通过改变两扩散梯度磁场间隔得到不同的扩散权重，扫描过程中不抑制水信号。结果 在重扩散权重条件下得到的波谱中水信号信噪比依然较高，扩散权重对水分子

2、表观扩散系数的影响不显著(P>0.05)。结论 在常规医用磁共振机上利用扩散加权波谱技术测量水分子扩散系数是可行的，而且结果不受扩散权重的影响。     【关键词】  扩散加权成像 扩散加权波谱 脉冲梯度自旋回波 扩散系数      Measurement of the Diffusion Property of Water Molecules Based on Magnetic Resonance Diffusion Weighted Spectroscopy.GAO Song,ZHAN

3、G Huailing, BAO Shanglian.Space Medicine & 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. Me

4、thods Two powerful diffusion gradient magnetic 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

5、diffusion weighting values were achieved by 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 spec

6、tra was high even with heavy diffusion weighting. 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 propert

7、y of water molecule, furthermore the results 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 P

8、hysics, Health Science Center, Peking University, Beijing 100083, China    人体内水分子扩散性质的变化可以反映多种生理和病理过程,磁共振扩散加权成像 (diffusion weighted imaging,DWI)及扩散张量成像（diffusion tensor imaging,DTI）技术可以非侵入地研究人体内水分子的扩散性质,在临床及研究工作中得到广泛的应用。由Stejskal 和Tanner提出的脉冲梯度自旋回波(pulsed gradient spin echo, PGSE)是DWI

9、及DTI中最常用的方法，一般通过在自旋回波脉冲序列中的射频脉冲两侧施加一对强的扩散梯度磁场实现。    DWI及DTI结果中的扩散权重由扩散梯度磁场的宽度及两个扩散梯度磁场的间隔决定。由PGSE方法可得到水分子的表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC），但结果会受到扩散权重的影响。    磁共振的扩散加权波谱技术(diffusion weighted spectroscopy， DWS)可以研究人体内多种代谢物的扩散性质,如N乙酸门冬氨酸(Naa)、 胆碱(Cho)及肌酸(Cr)等。虽然DW

10、S在临床及研究工作中有巨大的应用前景，但常规的医用MRI设备很少使用这一技术。主要原因是代谢物的波谱信号十分微弱,DWS实验必须使用超高强度的主磁场以保证一定的信噪比。另一方面, 在DWS实验中水分子信号被认为是没有用处的甚至是对结果有害的信号而被抑制。    本研究在常规医用磁共振成像设备上利用DWS实验中被抑制的水分子信号研究水分子的扩散性质,并分析扩散权重对结果的影响。    方  法    脉冲序列     点分辨谱(point resolved

11、spectroscopy， PRESS)及受激回波采集模式(stimulated echo acquisition mode，STEAM)是磁共振波谱分析（magnetic resonance spectroscopy，MRS）常用的两种方法,可以在这两种方法的脉冲序列中加入一对梯度磁场脉冲,使采集的信号受到水分子扩散距离的影响。由于在STEAM脉冲序列中可以在不增加回波时间的情况下延长混合时间,所以STEAM更适用于研究扩散权重对结果的影响。另一方面,由于许多研究组在获取及解释STEAM结果方面已经积累了大量的经验,所以STEAM是MRS中最常用的方法。因此本研究使用基于STEAM的DWS脉

12、冲序列。    如图1所示，在STEAM脉冲序列的前两个/2射频脉冲之间及第三个/2射频脉冲之后各加入一个扩散敏感梯度磁场，两扩散敏感梯度磁场的持续时间为，间隔为。PGSE方法的特点是2个扩散敏感梯度磁场之间包含一个射频脉冲，而本方法两个扩散敏感梯度磁场之间包含两个/2射频脉冲,并且本实验所用脉冲序列中没有设置读出梯度磁场。    使用美国通用电气公司提供的MRS专用球形模体(型号:2152220)。模体中N乙酸门冬氨酸浓度是12 mmol/L、肌酸浓度是10 mmol/L、谷氨酸盐浓度是12.5 mmol/L、乳酸盐浓度是5 mmo

13、l/L、肌醇浓度是7.5 mmol/L、胆碱浓度是3 mmol/L，另外还含有0.1%的钆喷酸葡胺。由粘贴于模体表面的温度计可读出模体在实验中的温度是20 。    磁共振扫描  用GE Signa Twinspeed 3.0 Tesla磁共振成像系统采集数据，其最大梯度磁场强度为40 mT/m，最大切换率150 mT/(m·ms)，正交鸟笼式线圈用于发射和采集信号。将模体置于鸟笼线圈中，模体下铺垫3 cm厚毛巾。扫描前将模体置于磁体中静止5 min以减少模体中液体整体流动及热传导流动对结果的影响。    首先用梯

14、度回波方法采集横截面、矢状面及冠状面图像，扫描参数: 重复时间 (TR)= 3 000 ms, 回波时间 (TE)= 102 ms, 层厚=5 mm, 视野(FOV)= 24 cm×24 cm,平均次数 (NEX)=1, 图像矩阵=256×256。然后使用自己改写的扩散加权STEAM脉冲序列研究水分子的扩散，扫描参数: TR=1 500 ms,TE=144 ms,FOV=24 cm×24 cm,NEX=2, 体素体积10 mm×10 mm×10 mm, 感兴趣区(ROI)位于模体中心。 沿x轴方向施加扩散敏感梯度磁场，持续时间8 ms。扫描过程

15、中不抑制水信号。    扩散权重计算  对于图1所示脉冲序列，扩散权重(常用b值表示)为:    b=20t0G(t)dt2dt-    4f·/2t0G(t)dtdt+2f2(1)    式中是质子旋磁比，是回波时间，扩散敏感梯度磁场强度G(t)是时间的函数， f由下式决定：    f=/20G(t)dt(2)    经过计算可知本研究所用扩散加权STEAM序列的b值是：  

16、  b=2G22/2-/3+    2(/30-/3)(3)    式中是梯度磁场强度由0上升或下降到40 mTestla/m所需的时间。通过固定的扩散敏感梯度磁场强度及变化的扩散时间得到不同的扩散权重(b值)。实验中使用的b值分别是 25,102,164,285,371,510,973,1297,1823 s/mm2。不同的b值对应的扫描过程重复8次。图2   同扩散权重条件下得到的波谱    Fig. 2  Spectra obtained under diff

17、erent diffusion weighting    (a)b =25 mm-2s;(b) b =164 mm-2s;(c) b =510 mm-2s; (d) b =1823 mm-2s    数据处理  用GE公司的SAGE软件离线处理原始数据。付立叶变换及相位校正后可以得到9个b值对应的波谱。由波谱可得到峰下面积及峰高。由于峰下面积更容易受随机噪声的影响9，所以本研究中用峰高标定水分子的信号强度。    水分子表观扩散系数由下式得到：    ADC=-ln

18、S(b)/S(b0)/(b-b0)(4)    式中S(b0)和S(b)分别是不同扩散权重下得到的波谱中的水信号峰高。    单因素方差分析(ANOVA)用于检验扩散权重(b值)对水分子ADC的影响。显著性水平=0.05。    结  果    在四种不同扩散权重条件下得到的波谱如图2所示。由于温度的影响，模体水峰的化学位移是4.61 Hz，略小于人体内水分子的化学位移8。由图2可以看出，随着扩散权重的增加，水的信号强度明显减小。这导致随着扩散权重增加，信噪比下降。

19、由于水信号没有被抑制，波谱中其他代谢物的峰不能被分辨。    由不同扩散权重下水信号的峰高通过公式(4)得到水分子的ADC。由8次扫描得到的平均ADC与扩散权重的关系如图3所示。方差分析结果表明扩散权重(b值)对ADC的影响不显著(P=0.971)。    图3  ADC与b值关系图    Fig.3  Mean ADC plotted against bvalue for water molecules    Error bar indicates st

20、andard deviation (SD)    讨  论    DWS极少用于常规医用MRI系统。主要原因是DWS实验中代谢物的信号极微弱，必须使用超高强度的主磁场以提高信噪比，如7.0Tesla6及9.4Tesla7等。其他原因包括脉冲序列很难得到及数据处理比较复杂。如图2所示，水分子的信号强度很高,即使在强扩散权重条件下也可得到较高的信噪比。这说明在常规MRI系统上使用DWS方法研究水分子的扩散是可行的。    本研究表明，扩散权重对DWS结果的影响不显著。由于在本实验中不同的扩散权重是通

21、过固定的扩散梯度磁场强度及变化的扩散时间得到的，所以扩散权重对结果的影响可归因于扩散时间，扩散时间表示扩散过程被观察的时间。这一结果与其他研究组的结果相符10。这样便可以用对数线性回归方法更准确地计算水分子的ADC。    在常规DWS实验中，由于神经代谢物的信号十分微弱，所以必须多次重复扫描及增大体素体积以提高信噪比，这使的常规DWS的时间和空间分辨率较低。与神经代谢物信号强度相比，水分子的信号很强，这样便可以在实验中使用单次扫描及小的体素体积。虽然空间与时间分辨率仍然低于PGSE加EPI的结果,但由本研究结果可知这两种分辨率是可以接受的。  

22、;  近来，基于点分辨谱PRESS的序列越来越多地用于DWS。PRESS序列最显著的特点是一个/2 射频脉冲后跟两个射频脉冲，这样就很容易在PRESS序列中插入扩散敏感梯度磁场。虽然PRESS的信号强度是STEAM信号强度的两倍，但STEAM加扩散敏感梯度磁场仍是DWS最常用的方法。原因是开始阶段使用STEAM的研究组已经积累了大量获取与分析STEAM结果的经验，转而应用PRESS需要积累新的经验。但是有理由相信，使用基于PRESS的DWS脉冲序列研究水分子的扩散将会得到更好的结果。    结  论    在常规M

23、RI设备上可以利用DWS实验中水分子信号研究水分子的扩散性质，而且结果不受扩散时间的影响。这一方法的缺点是时间和空间分辨率低于PGSE加EPI方法的结果。如何提高这两种分辨率需进一步研究。     【参考文献】  1    DU ning,NIE hongjing,JIN lingyun, et al. Observation of diffusion weighted MRI and pathology of cerebral edema during hypoxia J. Space Med

24、icine & Medical Engineering,2005, 18(6): 415418.    2    Stejskal EO, Tanner JE. Spin diffusion measurements: spin echoes in the presence of a timedependent field gradient J. Journal of Chemical Physics, 1965, 42(2): 288292.    3 &

25、#160;  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 Natural Science, 2006, 17(7):706711.    4    ZHANG Huailing, LI Y

26、uan, 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 electroco

27、nvulsive 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 of glucose and lactate in the rat brain assessed noninvasively by diffusionweighted 1H nuclear magnetic resonance spectroscopy in vivo J. J Cereb Blood Flow