基于7 T MRS利用量子濾波技術檢測GABA序列設計及對比

董靜，邱慶春，沈智威，章桃，聶婷婷，賈巖龍，吳仁華*

1.汕頭大學理學院，汕頭 515063

2.汕頭大學醫學院第二附屬醫院放射科，汕頭 515041

3.汕頭大學醫學院，汕頭 515041

1 引言

γ-氨基丁酸(Gamma-aminobutyric acid，GABA)對維持大腦的正常功能發揮著重要作用，GABA濃度的異常與許多精神疾病相關[1-2]。大腦中GABA含量的準確測定對研究大腦正常和疾病起重要作用。1H MRS是目前惟一能無創性觀察活體組織代謝及生化變化的技術，已在神經系統的臨床上廣泛應用[3-5]。磁共振頻譜(Magnetic resonance spectrum，MRS)可以無創在體檢測大腦GABA水平[6-7]，然而由于GABA在大腦中含量較低(1mM/kg)且與大腦中其他代謝物如肌酸、膽堿以及大分子有重疊，因此檢測比較復雜困難。為了消除這種重疊，很多譜編輯法應運而生。目前針對GABA的譜編輯法主要有：J調制差分技術、二維J分解或化學位移相關譜、多量子濾波技術、磁化傳遞方法等[8-11]。本研究的目的是利用雙量子濾波技術檢測GABA，并提高檢測GABA信號的選擇性。

2 方法

2.1 原理

γ-氨基丁酸近似為A2M2X2自旋系統，A2、M2和X2自旋共振峰分別在3.01 ppm、1.89 ppm和2.28 ppm處，其中它們的J耦合強度為：J=JAM=JMX=7.3 Hz。γ-氨基丁酸(GABA)1H 核相互耦合，構成自旋體系(六旋體)耦合的1H 能產生雙量子相干。肌酸及膽堿等中1H的不能產生量子相干效應，通過雙量子相干效應達到抑制肌酸或膽堿的目的，使得在3.0 ppm化學位移處的GABA可被檢測到。90°-τ- 90°是雙量子躍遷的基本脈沖序列，雙量子濾波技術在多種生物組織中均可應用，點分辨自旋回波序列時序如(1)式，將雙量子濾技術與此序列結合，從而實現GABA的在體檢測。

2.2 脈沖序列比較

將改進的射頻脈沖添加在點分辨自旋回波序列中，雙量子濾波脈沖時序(2)式：

第一個90°脈沖和兩個180°脈沖稱為定位序列，括號內兩個90°脈沖為雙量子濾波脈沖。如圖1A、B為簡化的雙量子-點分辨自旋回波脈沖序列圖，為了表示清晰圖中省略了抑水脈沖、體積外抑脂脈沖。本實驗序列比較兩種脈沖的檢測效率，如圖1兩種基本脈沖序列，A為兩個量子濾波脈沖都采用sinc選擇性脈沖，B為圖中的兩個量子濾波脈沖采用Gauss選擇性脈沖[12]。

2.3 實驗

所有實驗是在7Tesla Agilent 核磁共振掃描儀上采用體線圈掃描，比較兩種量子濾波脈沖序列的檢測效率，通過對3種試管溶液掃描：50mM GABA+ 50mM Cr、50mM GABA+ 50mM Cr+61mM Cho、50mM GABA+61mM Cho，利用不同的序列掃描。磁共振頻譜的獲得所選體素大小為(2.7 mm×2.7 mm×2.7 mm)，同時比較不同參數對數據結果的影響分別取不同TR、TE和NA，觀察波譜圖像結果的差別分析其原因，其余參數設定為Bandwidth=2500 Hz、Power=(43,43)。

3 討論

所有光譜都經過LCModel處理[13]，圖2、3顯示了雙量子濾波脈沖序列與傳統的點分辨自旋回波序列的比較。通過掃描50mM GABA+ 50mM Cr、50mM GABA、50mM Cr、50mM GABA+50mM Cr+ 61mM Cho的混合液可以觀察DQF技術的抑制效果及在3.0 ppm附近的共振峰的檢測效率。

利用DQF-PRESS序列掃描，圖2、3的結果顯示出一個較明顯的GABA信號，通過數據分析和對比的結果是新序列有效的有力證據。譜編輯效率為30%～40%，此實驗證明了譜編輯的有效性。

結果顯示，改進的雙量子濾波序列在7T上的檢測效率較其他譜編輯及2D光譜效率高。調整量子濾波射頻脈沖的形狀，可以發現對于GABA的檢測效率不同的特點。圖2可看出運用量子濾波技術編譯的DQF-PRESS序列掃描肌酸與GABA的混合溶液時，Gauss脈沖當改變TR或TE均可以達到抑制肌酸并檢測出3.0處的GABA共振峰的目的。然而經過多次掃描和處理發現用Sinc脈沖掃描的結果相對較差(圖示未給出)。圖3兩種不同的脈沖波形掃描GABA與肌酸(Cr)、膽堿(Cho)的混合溶液時，高信號肌酸和膽堿被抑制下去，Gauss脈沖得到的GABA信號相對較強，且兩種波形脈沖的序列都需要較長的TE掃描得到GABA的共振峰。通過比較各個圖示數據結果，分析量子濾波技術在體檢測GABA對肌酸的抑制效果較好，隨著代謝物種類的增多對于GABA的在體檢測有一定的影響。

圖 1A、B 為添加了兩個90°脈沖的雙量子濾波脈沖序列。A中采用兩個90°sinc脈沖為量子濾波脈沖；B中采用兩個90°Gauss脈沖量子濾波脈沖。為了簡單起見，最初的水抑制脈沖和體積外抑脂省略。增加的G1和G2梯度振幅分別為11.0 mT/m和22.0 mT/m，標記用黑色表示實現雙量子相干選擇 圖2 示掃描結果(DQF序列均為Gauss脈沖)。A為常規PRESS定位序列掃描GABA與Cr混合溶液(TR/TE=3500/15 ms，NA=128)；B為常規PRESS定位序列掃描GABA(TR/TE=3500/15 ms，NA=128)；C為DQF-PRESS序列掃描Cr(TR/TE=4500/30ms，NA=128)；D為DQF-PRESS序列掃描GABA與Cr混合溶液(TR/TE=4500/30 ms，NA=128)；E為DQF-PRESS序列掃描GABA與Cr混合溶液(TR/TE=4500/90 ms，NA=128)圖3 示GABA 50mM 與Cr 50mM 、Cho61 60nM的混合溶液掃描結果。A為常規PRESS定位序列(TR/TE=3500/15 ms，NA=128)；B為Gauss脈沖DQF-PRESS序列(TR/TE=4500/30 ms，NA=128)；C為Sinc脈沖DQF-PRESS序列(TR/TE=4500/90 ms，NA=128)Fig.1 A、B Sketched diagram of double quantum fi lter sequence with two frequencies selective 90°Gaussian pulses.A:two frequencies selective 90°Sinc pulses; B:two frequencies selective 90°Gaussian pulses.For simplicity,the initial CHESS water suppression pulses and spatial pre-saturation(outer volume suppression,OVS)are not shown.The duration of G1 and G2 are both 1.0 ms.the amplitudes for G1 and G2 are 11.0 mT/m and 22.0 mT/m,respectively.The gradients marked black are used to select the double quantum coherence.Fig.2 Spectra from spherical phantoms for detection of GABA .A:acquiring from the phantom containing the mixture of Cr,GABA using convention PRESS location sequence; B:acquiring from the phantom containing GABA using convention PRESS-location sequence; C:acquiring from the phantom containing Cr using convention DQF-PRESS sequence(TR/TE=4500/30 ms ，NA=128; D:acquiring from the phantom containing Cr,GABA using the DQF-PRESS sequence(TR/TE=4500/30 ms ，NA=128; E:acquiring from the phantom containing Cr,GABA using the DQF-PRESS sequence(TR/TE=4500/90 ms ，NA=128).Fig.3 Spectrums from spherical phantom containing a mixture of GABA,Cho and Cr.A:acquiring with convention PRESS location; B:acquiring with the DQF-PRESS sequence using Gauss RF pulse(TR/TE=4500/30 ms ，NA=128); C:acquiring with the DQF-PRESS sequence using Sinc RF pulse(TR/TE=4500/90 ms ，NA=256)

4 結論

前額葉皮層功能和結構的改變與許多精神類疾病有關，利用MRS測量這一區域的GABA含量較為困難，主要源于GABA信號強度小且受其它代謝物的影響[14]。利用兩種編譯的雙量子點分辨自旋回波序列在7 T核磁共振儀上進行了在體檢測GABA水平。實驗首先通過掃描驗證兩種序列的有效性，然后比較不同選擇性脈沖在雙量子濾波技術中的檢測的效率。結果發現：雙量子濾波脈沖可以有效的抑制一些與GABA重疊的代謝物的信號，從而為GABAB的在體檢測提供可能。此外，結果還顯示在7 T核磁共振儀上選用不同脈沖波形其序列的有效性不同，且與TR、TE的參數設定有較大關系。因此，最佳設定TR、TE的參數將會提高序列的有效性。

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