磁共振频谱数据定量后处理技术比较

郭绣琴，肖叶玉，沈智威，徐志锋，庞 丽，宁立波，吴仁华*

磁共振频谱(magnetic resonance spectroscopy,MRS)是目前一种能对活体组织进行无创性检测的方法。磁共振频谱学的一个重要作用是可以对代谢产物进行定量分析。正常组织代谢物通常处于一种已知平衡状态，组织功能紊乱或疾病可引起代谢物不平衡，利用MRS可检测到这种不平衡的变化，从而为治疗提供有用的信息。因而， MRS分析定量的准确性对临床疾病的准确诊断具有重要的指导作用。目前，临床上常用于磁共振频谱定量研究的后处理软件较多，如LCModel(Linear Combination of Model)、SAGE(Spectroscopy Analysis by General Electric)、Functool、GAMMA、jMRUI等[1]。LCModel是一种磁共振频谱绝对定量的软件[2]。SAGE软件是为GE公司的MR spectroscopy定量研究所设计的一个后处理软件[3]，一般常用于计算波峰下面积，是目前国外常用的代谢物浓度分析软件。Functool软件是GE公司的ADW系统的内置可选择性后处理软件包，可直接给出代谢物相对浓度[4]。因为这种软件操作简单，是临床对频谱谱线进行简单分析常用的后处理方法。目前国内的磁共振频谱实验常用的后处理软件是SAGE软件和Functool软件，并且以SAGE软件为多，而实验所得数据绝大多是代谢物的波峰下面积或相对浓度，在代谢物的绝对定量方面研究相对较少。

本实验通过使用STEAM(Stimulated Echo Acquisition Mode)序列，在相同TE时间条件下，对大脑中央前回同一个VOI内的代谢物质进行MRS检测，理论上测得代谢物浓度基本一致。本研究使用LCModel、SAGE、Functool三种后处理软件对实验结果进行后处理，然后对所得数据进行对比，比较这三种后处理软件对磁共振频谱代谢物含量估计的准确性，为临床频谱定量研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验对象

14名健康志愿者，女4名，男10名，年龄23～29岁，平均年龄26.1岁。检测对象均为右利手。检测前均签署知情同意书。

1.2 数据采集

图1 本实验在中央前回定位图像，FOV 24 cm×18 cmFig.1 Location map for the experiment in the anterior central gyrus, FOV 24 cm×18 cm

应用美国GE公司1.5 T Signa Horizon超导型磁共振成像系统及配套头颈专用正交线圈。常规MRI扫描：所有受试者均进行头部MRI平扫，采用FSGRE序列获取矢状位、冠状位、横断面T2WI图像，矩阵256×256，FOV 24 cm×18 cm，层厚7 mm, 层间距2 mm。应用STEAM序列对中央前回进行探测，使所选择的VOI尽量避开脑沟池内的脑脊液(见图1)，大小约15 mm×10mm×10mm，测量参数为：TR=3000ms，TE=30ms，NEX=8。每位志愿者完成1次扫描采集，采集时间为 7分30秒。射频增益调节、体素内匀场和水抑制扫描均由计算机自动预扫描程序及手动完成，达到半高宽(FWHM)＜5 Hz，水抑制98%水平。

1.3 数据后处理

STEAM序列短回波测量所得代谢物频谱使用LCModel、SAGE、Functool三种软件进行分析。根据使用GE公司1.5 T Signa Horizon的两种激发序列检测中央前回代谢物频谱所得的Pfile导出，分别使用LCModel和SAGE软件进行分析，同时使用GE ADW Functool软件进行分析。所得分析结果显示，LCModel软件可分析拟合出NAA/Cr、Cho/Cr、mI/Cr比值，Functool软件则能直接得出NAA/Cr、Cho/Cr、mI/Cr比值，而SAGE软件通过峰值选择，仅能得到NAA、Cho、Cr、mI的波峰下面积值积分值，然后通过积分值相互比较，计算转换为代谢物比值(见表 1、图 2)。

1.4 数据分析

GE公司提供的Functool软件自动生成NAA、Cr、Cho三种代谢物与内标Cr之间的比值。LCModel软件自动完成信号平均、基线校正、相位循环、代谢物识别、绝对定量，提供NAA、Cr、Cho、mI的信号强度，信噪比(S/N)。使用SAGE软件将时域频谱数据转换成频域数据后，通过对四个主要能见代谢物峰值NAA、Cr、Cho、和mI选择并计算其波峰下面积的积分值，然后通过比值间相互比较，得出代谢物比值。将所有测量结果利用SPSS 16.0软件进行统计学处理，计算各代谢物浓度及比值的均值和标准差，计算结果用均值±标准差表示，并将计算所得结果采用一维方差分析，以P＜0.05为差异具有显著性意义。

2 结果

14例健康成年人大脑中央前回各代谢物浓度STEAM序列检测所得代谢物比值相互比较结果及文献参考值见表1。

表1 STEAM序列所检测代谢物数据结果分析比较Tab.1 The results derived from STEAM sequence

图2 LCModle、SAGE及Functool软件分析后所得频谱图像，分别为STEAM序列所测出频谱经LCModel(图2A、2B)、SAGE(图2C)和Functool(图2D)软件处理后所得出频谱图像Fig.2 Pictures obtained from LCModel (2A, 2B), SAGE (2C) and Functool (2D)

由表1可以看出，对STEAM序列检测组内相同部位的NAA/Cr、Cho/Cr、mI/Cr的比值进行方差分析，NAA/Cr的比值在三种软件之间没有明显差异(P＞0.05)。而Cho/Cr、mI/Cr的比值在三种软件相互之间存在差异(P＜0.05)。

对STEAM序列检测组内相同部位经三种后处理软件处理得出NAA/Cr、Cho/Cr、mI/Cr的比值，与安维民等[5]所测额叶代谢物浓度比较并观察。NAA/Cr值三种后处理软件处理结果基本符合文献给出代谢物浓度比值；Cho/Cr比值与文献结果比较，Functool软件处理所得结果与文献参考值接近；mI/Cr比值与文献比较，LCModel软件处理所得比值与文献值较接近。

3 讨论

3.1 LCModel软件

LCModel软件使用内生水作为内标定量和使用从离体模型中所测代谢物浓度作为外标两种方法进行绝对定量。本文所采用的定量方式是以内生水为内标作为定量标准，并与从LCModel软件中自带的标准模型中检测获得代谢物谱线和基线组(Basis set)共同分析模拟活体代谢物谱线的方法进行绝对定量。这种方法无需已知浓度水模作为外标，并且能最大限度地获得各种代谢物浓度，尤其是当短TE条件下检测代谢物频谱浓度时，LCModel软件能更清晰地通过与基线组的相互校正模拟之后识别谱线中各种代谢物的峰值，同时以内生水作为内标校正，获得较为准确的绝对浓度值。除此以外，LCModel软件还可自动地进行去涡流效应、自动选择拟合线型及基线等功能，避免由于少参数模型所引起的偏倚或者多参数模型引起的过度拟合，得出更为标准的谱线和准确的代谢物浓度。但是，仍有部分文献提出，软件不包括病理状态下如肿瘤、脑梗死等的基线组，在进行相关频谱检测时可导致误差。此外，LCModel不能直接对各种代谢物峰的波峰下面积进行测量，而且该软件对CSI序列测量的多体素谱线后处理方面存在缺陷[1,2,6,7]。本实验数据使用LCModel软件分析后，NAA/Cr、mI/Cr比值均与文献的参考值基本接近，但Cho/Cr值则较文献参考值相差较远。由于LCModel进行后处理分析需要手动完成部分参数的调节，即使处理后所得频谱较其他两种软件相对稳定，但也可能由于部分参数调节不当造成结果的估计误差。

3.2 SAGE软件

用SAGE软件处理磁共振频谱时，首先将时域谱线转换成频域谱线，然后通过系统与人为共同选择可见的感兴趣峰，再对波峰下面积进行测量计算，最后可得出相应代谢物的波峰下面积的积分值。根据文献介绍，SAGE软件在CSI测量所得多体素的后处理技术方面较LCModel稍优。如SAGE软件除了能对多体素谱线进行类似于LCModel的定量校正外，尚可将分析后谱线与MRI图像叠加、图形化，充分体现了谱线分析与定位图像的关系[3]。本实验中，在选择感兴趣峰时因涉及主观因素较多，造成一定人为误差。此外，测出波峰下面积后，需通过根据外标水模浓度经过公式人为计算转换才能得到各种代谢物浓度。在运算过程中，因涉及更多人为的调节因素，使误差更大，使所得代谢物浓度比值结果相对于LCModel计算所得代谢物浓度误差要多。

3.3 Functool软件

Functool软件包功能强大，包含弥散成像、灌注成像和脑功能成像等图像数据的后处理，磁共振频谱分析等功能，本文所使用的是该软件的磁共振频谱后处理功能。该项功能是在SAGE软件支持下的一项后处理功能，其定量的方法是以Cr为内标，通过对感兴趣峰波峰下面积测量并经公式计算转换而得到的一个相对浓度。与SAGE软件的频谱处理过程不同，Functool软件是使用软件内部设置的峰值范围对于感兴趣峰进行选择，由于缺乏了人为的代谢物峰识别，故当所测频谱代谢物峰值偏移明显时，不能通过人为方法识别出感兴趣峰，使部分代谢物不被系统识别，造成结果缺失。此外，还可能因感兴趣峰范围内出现其他异常峰值影响，导致正确代谢峰识别误差，从而使系统分析得到的代谢物相对浓度出现差异[2,8]。本实验数据使用Functool工具进行分析所得出的代谢物浓度比值中，mI/Cr比值与参考文献结果相差较大。究其原因，可能是在代谢物检测过程中，由于机械性因素，部分代谢物峰出现轻微飘移，导致Functool软件本身不能有效识别，结果使某些代谢物的浓度不能被读出或读出误差。

本实验分别使用以上三种分析软件对检测得到的短回波频谱进行分析定量。分析结果发现，LCModel软件分析得到的频谱谱线基线平稳，各代谢物峰清晰。SAGE软件分析得到谱线欠平滑，基线稳定性稍差。Functool软件分析后得到与SAGE分析所得谱线相似。此外，实验原始数据中，Functool软件检测所得结果因为机械性原因，部分数值不能读出，致使少量浓度比值丢失。

总之，在短TE的检测条件下，通过LCModel软件进行后处理后，可将磁共振频谱后处理过程中常见的几种引起误差的因素降低，并能得出相对较好的频谱谱线及较平滑的频谱基线，但对代谢物浓度及与Cr的比值的计算转换上仍存在问题，需要对数据的处理加以完善。在短TE条件下磁共振频谱后处理过程中，与SAGE、Functool软件比较，LCModel有相对较好的处理基线不稳的能力及拟合不同代谢物峰值的能力。SAGE和Functool软件虽然在谱线处理的功能上稍不及LCModel，但所得代谢物比值结果仍具有一定的参考价值。

[1]Provencher SW.Estimation of metabolite concentrations from localized in vivo proton NMR spectra.Magn Reson Med, 1993, 30: 672-679.

[2]Provencher SW.LcModel and LcMgui User's Manual 2000.Available from: http://s-provencher.com/pages/lcmmanual.shtml

[3]GE Medical Systems.SAGE7 LX User's Guide.

[4]GE Medical Systems.Functool 2000User Guide.

[5]安维民,蔡幼铨,邱本胜,等.健康成人脑代射物浓度以及比值的1H MRS研究.中国医学影像学杂志,2001,9:414-416.An WM, Cai YQ, Qiu BS, et al.Cerebral metabolite concentration and ration in healthy adult men by using1H MR spectroscopy.Chin J Med Imaging, 2001, 9: 414-416.

[6]Provencher SW.Automatic quantitation of localized in vivo 1H spectra with LCModel.NMR Biomed, 2001, 14:260-264.

[7]Provencher SW.A constrained regularization method for inverting data represented by linear algebraic or integral equations.Computer Physics Communications, 1982, 27:213-227.

[8]谢晟,肖江喜,蒋学祥.Functool在fMRI后处理中的作用.中国医学影像技术,2003,19:626-628.Xie S, Xiao JX, Jiang XX, et al.Value of Functool in the Postprocessing of the fMRI Data.Chin J Med Imaging Technol, 2003, 19: 626-628.