基于7 T MRS利用量子滤波技术检测GABA序列设计及对比

董静，邱庆春，沈智威，章桃，聂婷婷，贾岩龙，吴仁华*

1.汕头大学理学院，汕头 515063

2.汕头大学医学院第二附属医院放射科，汕头 515041

3.汕头大学医学院，汕头 515041

1 引言

γ-氨基丁酸(Gamma-aminobutyric acid，GABA)对维持大脑的正常功能发挥着重要作用，GABA浓度的异常与许多精神疾病相关[1-2]。大脑中GABA含量的准确测定对研究大脑正常和疾病起重要作用。1H MRS是目前惟一能无创性观察活体组织代谢及生化变化的技术，已在神经系统的临床上广泛应用[3-5]。磁共振频谱(Magnetic resonance spectrum，MRS)可以无创在体检测大脑GABA水平[6-7]，然而由于GABA在大脑中含量较低(1mM/kg)且与大脑中其他代谢物如肌酸、胆碱以及大分子有重叠，因此检测比较复杂困难。为了消除这种重叠，很多谱编辑法应运而生。目前针对GABA的谱编辑法主要有：J调制差分技术、二维J分解或化学位移相关谱、多量子滤波技术、磁化传递方法等[8-11]。本研究的目的是利用双量子滤波技术检测GABA，并提高检测GABA信号的选择性。

2 方法

2.1 原理

γ-氨基丁酸近似为A2M2X2自旋系统，A2、M2和X2自旋共振峰分别在3.01 ppm、1.89 ppm和2.28 ppm处，其中它们的J耦合强度为：J=JAM=JMX=7.3 Hz。γ-氨基丁酸(GABA)1H 核相互耦合，构成自旋体系(六旋体)耦合的1H 能产生双量子相干。肌酸及胆碱等中1H的不能产生量子相干效应，通过双量子相干效应达到抑制肌酸或胆碱的目的，使得在3.0 ppm化学位移处的GABA可被检测到。90°-τ- 90°是双量子跃迁的基本脉冲序列，双量子滤波技术在多种生物组织中均可应用，点分辨自旋回波序列时序如(1)式，将双量子滤技术与此序列结合，从而实现GABA的在体检测。

2.2 脉冲序列比较

将改进的射频脉冲添加在点分辨自旋回波序列中，双量子滤波脉冲时序(2)式：

第一个90°脉冲和两个180°脉冲称为定位序列，括号内两个90°脉冲为双量子滤波脉冲。如图1A、B为简化的双量子-点分辨自旋回波脉冲序列图，为了表示清晰图中省略了抑水脉冲、体积外抑脂脉冲。本实验序列比较两种脉冲的检测效率，如图1两种基本脉冲序列，A为两个量子滤波脉冲都采用sinc选择性脉冲，B为图中的两个量子滤波脉冲采用Gauss选择性脉冲[12]。

2.3 实验

所有实验是在7Tesla Agilent 核磁共振扫描仪上采用体线圈扫描，比较两种量子滤波脉冲序列的检测效率，通过对3种试管溶液扫描：50mM GABA+ 50mM Cr、50mM GABA+ 50mM Cr+61mM Cho、50mM GABA+61mM Cho，利用不同的序列扫描。磁共振频谱的获得所选体素大小为(2.7 mm×2.7 mm×2.7 mm)，同时比较不同参数对数据结果的影响分别取不同TR、TE和NA，观察波谱图像结果的差别分析其原因，其余参数设定为Bandwidth=2500 Hz、Power=(43,43)。

3 讨论

所有光谱都经过LCModel处理[13]，图2、3显示了双量子滤波脉冲序列与传统的点分辨自旋回波序列的比较。通过扫描50mM GABA+ 50mM Cr、50mM GABA、50mM Cr、50mM GABA+50mM Cr+ 61mM Cho的混合液可以观察DQF技术的抑制效果及在3.0 ppm附近的共振峰的检测效率。

利用DQF-PRESS序列扫描，图2、3的结果显示出一个较明显的GABA信号，通过数据分析和对比的结果是新序列有效的有力证据。谱编辑效率为30%～40%，此实验证明了谱编辑的有效性。

结果显示，改进的双量子滤波序列在7T上的检测效率较其他谱编辑及2D光谱效率高。调整量子滤波射频脉冲的形状，可以发现对于GABA的检测效率不同的特点。图2可看出运用量子滤波技术编译的DQF-PRESS序列扫描肌酸与GABA的混合溶液时，Gauss脉冲当改变TR或TE均可以达到抑制肌酸并检测出3.0处的GABA共振峰的目的。然而经过多次扫描和处理发现用Sinc脉冲扫描的结果相对较差(图示未给出)。图3两种不同的脉冲波形扫描GABA与肌酸(Cr)、胆碱(Cho)的混合溶液时，高信号肌酸和胆碱被抑制下去，Gauss脉冲得到的GABA信号相对较强，且两种波形脉冲的序列都需要较长的TE扫描得到GABA的共振峰。通过比较各个图示数据结果，分析量子滤波技术在体检测GABA对肌酸的抑制效果较好，随着代谢物种类的增多对于GABA的在体检测有一定的影响。

图 1A、B 为添加了两个90°脉冲的双量子滤波脉冲序列。A中采用两个90°sinc脉冲为量子滤波脉冲；B中采用两个90°Gauss脉冲量子滤波脉冲。为了简单起见，最初的水抑制脉冲和体积外抑脂省略。增加的G1和G2梯度振幅分别为11.0 mT/m和22.0 mT/m，标记用黑色表示实现双量子相干选择 图2 示扫描结果(DQF序列均为Gauss脉冲)。A为常规PRESS定位序列扫描GABA与Cr混合溶液(TR/TE=3500/15 ms，NA=128)；B为常规PRESS定位序列扫描GABA(TR/TE=3500/15 ms，NA=128)；C为DQF-PRESS序列扫描Cr(TR/TE=4500/30ms，NA=128)；D为DQF-PRESS序列扫描GABA与Cr混合溶液(TR/TE=4500/30 ms，NA=128)；E为DQF-PRESS序列扫描GABA与Cr混合溶液(TR/TE=4500/90 ms，NA=128)图3 示GABA 50mM 与Cr 50mM 、Cho61 60nM的混合溶液扫描结果。A为常规PRESS定位序列(TR/TE=3500/15 ms，NA=128)；B为Gauss脉冲DQF-PRESS序列(TR/TE=4500/30 ms，NA=128)；C为Sinc脉冲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 结论

前额叶皮层功能和结构的改变与许多精神类疾病有关，利用MRS测量这一区域的GABA含量较为困难，主要源于GABA信号强度小且受其它代谢物的影响[14]。利用两种编译的双量子点分辨自旋回波序列在7 T核磁共振仪上进行了在体检测GABA水平。实验首先通过扫描验证两种序列的有效性，然后比较不同选择性脉冲在双量子滤波技术中的检测的效率。结果发现：双量子滤波脉冲可以有效的抑制一些与GABA重叠的代谢物的信号，从而为GABAB的在体检测提供可能。此外，结果还显示在7 T核磁共振仪上选用不同脉冲波形其序列的有效性不同，且与TR、TE的参数设定有较大关系。因此，最佳设定TR、TE的参数将会提高序列的有效性。

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