人额叶脑N-乙酰天门冬氨酸谷氨酸的测定¹7T时的H MRS

摘要

简介

由于N-乙酰天冬氨酸（NAA）和谷氨酸（Glu）的浓度相对较低，且与强烈信号重叠，因此质子磁共振波谱法测量人脑中的N-乙酰天门冬氨酸谷氨酸（NAAG）具有挑战性。测量NAAG的一种方法是乙酰基CH的光谱拟合_三2.045 ppm下的单线态(1)与2.010 ppm的大NAA单峰重叠。由于Glu、Gln（谷氨酰胺）、GSH（谷胱甘肽）和NAAG谷氨酸部分在~2 ppm的潜在多重性，NAAG单倍体的检测更加复杂。由于这些光谱的复杂性，需要良好的填隙来区分NAAG和NAA单态，如之前在2T时的研究所示(2)，1.5吨(三)和7T(4). 或者，NAAG可以通过J差异编辑来测量，正如最近在3T报道的那样(5). CH公司₂天门冬氨酰基团的共振相互重叠，但它们的耦合伙伴（CH质子）的共振非常不同；即4.61和4.38 ppm(6). 此0.23-ppm光谱距离可用于选择性检测NAAG和NAA CH₂通过差异编辑产生共鸣。

高场MRS可能受益于光谱分辨率的提高和热平衡磁化强度的增加。耦合谐振的分辨率得到了提高，因为控制多重态总线宽的耦合强度与场强B无关₀然而，随着B的增加，单线态之间的光谱分辨率可能保持不变₀当线条与B成比例变宽时₀考虑到精确检测NAAG单线态的困难，我们采用了一种单体素局部差异编辑方法来区分天冬氨酸CH₂7T时NAAG和NAA的共振。代谢物水平的区域差异通过编辑信号之间的线性回归得到与体素中的白质分数。初步体内给出了来自人类额叶的结果。

方法和材料

实验在全身7.0T扫描仪上进行（美国俄亥俄州克利夫兰市飞利浦医疗系统公司）。使用了带有16通道相控阵接收机插件的正交发射音量头射频线圈。最大可用射频场强度（B₁)对人脑来说是15μT。切片选择性射频脉冲包括8.8-ms振幅/频率调制的90°射频波形（带宽（BW）=4.7 kHz）和11.9-ms振幅调制的180°RF波形（BW=1.4 kHz）(7).

采用差异编辑法测量人脑NAAG和NAA。CH公司₂NAAG和NAA天门冬氨酰基团的质子共振（~2.5ppm）在J差分编辑方案（MEGA）内通过选择性180°旋转其耦合伙伴CH质子（分别为4.61ppm和4.38ppm）进行编辑(8)

其中90和180表示切片选择90°和180°射频脉冲。使用20-ms编辑180°RF脉冲（E180）（高斯包络；截短为10%；BW=57 Hz）选择性激发次扫描中的CH-质子共振。交替使用E180脉冲的对称载流子，以尽量减少NAAG和NAA之间的污染(5,9). 即，对于NAAG编辑，E180载体设置为4.61和4.15 ppm，对于NAA编辑，设置为4.38和4.84 ppm。编辑序列的回波时间在模型中进行了优化。在pH=7.2的条件下制备两个球形模型（内径=6 cm）；一种含有NAAG 20 mM和Cr 16 mM，另一种含有NAA 20 mM、肌酸（Cr）14 mM和Glu 18 mM。在TE=103–147 ms时获得了NAAG和NAA的不同编辑光谱，具有相同的TE₁和TE₂26毫秒。这里，26毫秒TE₁是扫描仪上所选射频和梯度脉冲的最短可能。从25×25×25 mm^三体素。重复时间（TR）为10s（＞5T₁幻影解决方案）。

体内对五名健康志愿者（3名女性和2名男性，年龄25-35岁）进行了NAAG编辑测试。该方案得到了UT西南学院审查委员会的批准。扫描前获得书面知情同意。采集测量图像后，矢状面T₁-使用MP-AGE序列获得加权图像（TR/TE/TI=2500/3.7/1300ms；翻转角度=8°；视野=240×240×150mm；150个切片；切片厚度=1.0mm）。¹H-MRS数据是使用25×30×30 mm的体素大小从两个区域获得的^三; 内侧前额叶（灰质为主）和右额叶（白质为主）。对50×50×50 mm的体积进行一级和二级填隙^三使用FASTMAP(10). TE=108 ms时，水信号的线宽（FWHM）为~14 Hz。Cr CH的平均FWHM_三相同回声时间下，前额和右额的单峰频率均为11±1 Hz。数据采集参数包括TR=2.5 s，频谱宽度=5 kHz，采样点=4096。为三段选择性射频脉冲构建了64步相位循环方案(即，每个RF脉冲的四个步骤）。在6次虚拟扫描后，分别在64和16个块中记录NAAG和NAA编辑运行的自由感应衰减（FID），每个块有4个平均值。E180载体在交替的4次平均扫描中在两个值之间切换。通过使用小翻转角（~3°）从所选音量获取水信号，然后在每次单次扫描之前重新设置合成器频率，可将编辑扫描期间的频率漂移降至最低。这是用飞利浦MR扫描仪的内部工具在约12毫秒内完成的。使用这种方法，11分钟NAAG编辑扫描期间的剩余频率漂移在±3 Hz范围内（标准偏差<0.5 Hz）。切片选择性射频脉冲的载流子设置为2.5 ppm。采用四脉冲可变滑角方案进行水抑制(11). 使用与水抑制编辑采集相同的梯度方案采集未抑制的脑水信号。

扫描仪的MRS数据使用内部Matlab程序进行处理。使用未抑制的脑水信号，对多块FID分别进行涡流伪影校正。使用NAA单线作为参考，单独校正剩余频率漂移。对每个E180载波的子光谱进行平均、相位校正，然后减去。用2-Hz指数函数对光谱进行切趾。假设NAAG和NAA之间具有相同的弛豫效应，则根据2.4–2.8 ppm之间的峰面积估算NAAG与NAA的浓度比体内.

MRS扫描所选体积内的灰质（GM）、白质（WM）和脑脊液（CSF）的成分由T估计₁-使用统计参数映射软件（SPM5）对图像进行加权。计算图像每个像素的三个分量的概率。然后平均每个分量的概率，以获得MRS体素中的GM和WM分数。为了获得GM和WM中NAAG与NAA的浓度比，将5名受试者的前额叶和右额叶区域的浓度比拟合为分数白质含量的线性函数。Prism 5（GraphPad Software Inc.）用于线性回归。

结果

图1显示天冬氨酸部分CH的模差光谱₂当TE=103–148 ms，增量为5 ms时，作为TE函数的NAAG共振。编辑后的多重波的谱型和信号幅度随TE的变化而变化。对于TE₁和TE₂在26 ms时，模型光谱在TE<130 ms时显示出相对较大的信号强度，并且信号随着TE的增加而退化。数据表明，对于NAAG编辑，暂定T的最佳TE为108 ms₂130毫秒，公布的Cr和NAA单线态T的平均值₂7T时的人脑(12). 该TE约等于1/J，其中J是NAAG 2.5和4.61 ppm共振的耦合强度（9.5 Hz）。

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图1

NAAG和NAA天冬氨酸CH的体模差异编辑光谱₂绘制了7T时的共振曲线与.TE公司。光谱被拓宽到9赫兹的单线半宽。TE公司₁和TE₂均为26ms。相对于相应的单线态振幅对光谱进行缩放。

图2显示了NAAG和NAA在（TE）处差异编辑的幻像光谱₁，TE公司₂，TE公司_三)=（26，26，56）ms。对于幻影-1，NAAG编辑的子扫描A在2.5和2.7 ppm处产生两个正峰，子扫描A′在2.5 ppm处产生一个小峰，在2.7 ppm时产生一个较大的正信号，从而导致差异光谱中2.5 ppm处出现一个主峰，（A–A′）/2。编辑CH的峰面积₂在2.045 ppm的亚光谱下，信号测量为NAAG单峰的16%。对于NAA编辑，亚光谱中的NAAG信号是相同的，导致差异光谱中的零信号。对于包含NAA和Glu的phantom-2，信号在NAAG编辑的差谱中全部被取消，只有NAACH₂在NAA编辑的差异谱中检测到共振。NAA CH的峰面积₂编辑后的信号在2.01 ppm时相对于NAA单倍体为16%。测定了NAAG和NAA在峰面积方面的编辑产率相等。此结果表明体内假设代谢物之间具有相同的弛豫效应，NAAG-NAA浓度比可以通过其峰面积比获得。

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图2

NAAG和NAA差分编辑的子编辑和差分编辑光谱，从两个模型获得。亚回波时间为（TE₁，TE公司₂，TE公司_三)=（26，26，56）ms。光谱被加宽到9 Hz的单线态半高宽，用NAAG或NAA单线态进行标准化。垂直线表示峰值面积计算的宽度。TR为10秒（>5T₁).

图3显示代表体内人类前额叶和右前额叶皮层的亚光谱和差异光谱，以及体素定位。E180载体在4.61和4.15 ppm的亚扫描在差谱中给出了NAAG编辑的信号，（A–A′）/2。通过4.38和4.84 ppm亚光谱之间的减法得到NAA差异光谱（B–B′）/2。编辑后的NAAG和NAA多重态的光谱模式与幻影结果一致。NAAG和NAA之间的浓度比由编辑后的峰面积比获得，计算值介于2.4和2.8 ppm之间，如图中的垂直线所示。编辑后的NAAG峰的平均信噪比（SNR）在前额叶和右额叶分别为13±3和16±4（平均±SD，n=5），从峰值振幅相对于0.5–1 ppm噪声级的标准偏差进行测量。

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图3

代表体内从内侧前额叶和右侧额叶皮质获得的NAAG和NAA编辑的亚光谱和差异光谱以及体素定位（体素大小25×30×30 mm^三). 在傅里叶变换之前，用2-Hz指数函数对光谱进行切趾。垂直线表示峰值面积计算的宽度。TR=2.5s。TE=108ms。对于NAAG和NAA编辑，NEX=256和64。

图4显示了NAAG与NAA的浓度比[NAAG]/[NAA]，作为五名受试者前额和右额叶数据的部分白质含量的函数。[NAAG]/[NAA]的线性相关与白质含量分数具有统计学意义（p=0.014），拟合优度为0.55。假设脑脊液中的代谢物水平可以忽略不计，NAAG和NAA之间的松弛效应相同，则根据线性回归线到纵坐标轴的截距估计GM和WM中的浓度比。GM和WM中的浓度比分别为0.13和0.28（95%置信区间0.07–0.19和0.22–0.34）。

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图4

五名健康志愿者前额叶和右额叶区域NAAG-NAA浓度比的线性回归与分数白质含量。虚线表示拟合的95%置信区间。

讨论

当前的论文报告了通过差异编辑测量的人类额叶脑NAAG和NAA水平。结果表明，对于人类额叶脑，WM中NAAG与NAA的浓度比是GM中的大约2倍。当前研究的NAAG和NAA测量值与之前的一致¹Pouwels和Frahm的H-MRS研究(2)据报告，[NAAG]/[NAA]在GM和WM占优势的8-12 ml额脑容积中分别约为0.1和0.2，尽管数据可能无法直接进行比较，因为目前的数据是针对纯GM和WM。在富含WM的顶叶和中央半卵圆体内，NAAG与NAA的浓度比似乎更高，据先前的研究报告大于0.3(2,三,5).

与回归截距相比，95%置信限不小，这表明本研究的估计精度似乎很低。虽然编辑可以完全区分NAAG和NAA，但低信噪比限制了可靠性。B类₁考虑到耦合和非耦合自旋信号之间的翻转角度变化的影响不同，不均匀效应在编辑中可能是有害的(13). 使用绝热脉冲进行体积定位可以减少伪影(14). 一些错误可能是由体内NAA编辑的信号，其看起来或多或少比幻影光谱中的信号大。在这种情况下，最好使用稍长的TE（例如113 ms），此时负尾可能消失（比较图1). 在本研究的高斯E180下，编辑扫描期间的频率漂移（在±3 Hz范围内）不太可能对NAAG编辑产量产生重大影响（在模型中验证<1%）。然而，受试者的运动会导致扫描具有不同GM和WM内容的解剖结构，导致误导NAAG信号强度和后续数据分析中的输入。

对于MEGA差分编辑，由于化学位移定位错误，在编辑扫描（亚扫描A′和B′）中广泛发生信号减少(15,16)当切片选择BW不足时。对于本研究的180°脉冲（BW=1400 Hz），其BW是NAAG耦合伙伴之间光谱距离的2.2倍(即，4.61–2.5 ppm=629 Hz（7T时），相对于切片厚度，化学位移定位误差可能约为50%，导致编辑扫描中几乎为零信号。该切片位移比之前3T研究中的位移大得多(5)使用2.2 kHz BW 180°脉冲进行音量定位。体素位移伪影也出现在NAA编辑中，尽管由于耦合伙伴之间的光谱距离较小，信号减少略有减轻。

在NAAG和NAA差异编辑中可以对几种代谢物进行协同编辑，如图3。在NAAG编辑中，任何耦合共振接近4.61和4.15 ppm的代谢物都将进行协整。当调谐到4.15 ppm时，肌醇的4.06 ppm共振部分（50%）受到E180的影响，在3.52 ppm时给出其耦合伙伴的协同信号。当E180调谐至4.15 ppm时，其耦合伙伴（3.98 ppm）被激发，因此约3.2 ppm处的负峰可能归因于磷乙醇胺。2.95ppm处的一个小峰可能是GSH半胱氨酸CH的共同编辑信号₂与4.56ppm共振耦合的质子。约2 ppm的信号主要归因于NAAG谷氨酸部分，因为其4.13 ppm的共振由E180激发。前额叶光谱和右额叶光谱之间的2-ppm多重波模式的不一致部分是由于NAA CH的抵消误差造成的_三单线。Cr CH公司₂当调谐到4.15 ppm时，3.92 ppm的共振部分被E180激发，在差谱中给出3.92 ppm信号。在NAA编辑中，3.65 ppm的峰值可能是甘油磷酸胆碱（GPC）和磷酰胆碱（PC）的协同复合信号。当E180被调谐到4.38 ppm时，GPC胆碱部分和PC的4.31和4.28 ppm共振部分被激发（70%和47%），导致其耦合伙伴分别在3.66和3.64 ppm处进行共编码。

致谢

参考文献