功能性磁共振頻譜在3T系統下的可行性:以視覺實驗驗證 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學理學院應用物理研究所碩士論文 Graduate Institute of Applied Physics, College of Science National Chengchi University Master Thesis. 功能性磁共振頻譜在 3T政系統下的可行性:以視覺實驗驗證治. 大. 學. ‧ 國. 立 MRS in 3T system: demonstration using Feasibility of functional visual experiments. ‧. n. TSAI,YU-JU. Ch. engchi. y. sit. io. al. er. Nat. 蔡育儒. i n U. v. 指導教授：蔡尚岳 Advisor：TSAI, SHANG-YUEH. 中華民國一○五年三月 March,2016.

(2) 謝辭能順利完成本論文，最先感謝我的指導老師蔡尚岳老師在兩年多的時間裡能給我在此研究上的指導與建議。不論是實驗上或是論文的撰寫都給我很大的幫助與啟發，並讓我能夠順利畢業。另外老師也讓我有機會可以當上課程的助教，訓練我在台上的膽量及給予生活上的幫助。. 我也要感謝我的兩位口試委員，台科大的黃騰毅老師及所上的馬文忠老師在論文口試時給了許多寶貴的建議。在碩一時，參加黃騰毅老師台科 Group meeting 裡讓我更能理解核磁共振領. 政治大. 域的研究，馬文忠老師則是在計算物理課程上給予我一些研究上的啟發。. 立. 另外我也要感謝台科大電子的王宛琦學姐花了許多時間教我如何操作磁振儀器及給予實驗. ‧ 國. 學. 上的幫助，還有政緯學弟則是在實驗上幫助許多。. 謝謝所有碩士班的同學們，可以一起成長、玩樂、做研究，儘管大家在不同的老師底下做不. ‧. 同領域的研究，但大家相處在同一間研究室底下就像最好的研究夥伴一樣，互相分享生活及經. y. Nat. n. al. er. io. sit. 驗，兩年的碩士生活有你們的陪伴及鼓勵，這些將成為我日後成長的基石。. i n U. 最後，將此論文獻給我親愛的家人們，尤其是我的父母親。. Ch. engchi. I. v.

(3) 中文摘要核磁共振頻譜技術提供了非侵入式方法檢測大腦代謝物濃度的變化，功能性磁振頻譜 (functional Magnetic Resonance Spectroscopy，fMRS)為在接受外在刺激下大腦活動時所量測的頻譜訊號(非一般的影像)。此研究在約 21 分鐘的視覺刺激模式下進行，代謝物量測的時間序列頻譜由 LCModel(Linear Combination of Model)計算出每張掃描的濃度、擬合(fitting)及 CRLB(Cramér–Rao lower bound)。. 政治大在接收視覺刺激下，代謝物濃度有改變的現象，其中包含谷氨酸(Glutamate)、乳酸(Lactate)的立. 近年來，有文獻指出在 7T 的磁場下利用功能性磁振頻譜技術在腦部視覺皮質區(Visual cortex). ‧. ‧ 國. 學. 濃度在視覺刺激當下會有所增加；葡萄糖(Glucose)有減少的傾向但不明顯。. 本研究的目的為在 3T 的磁場下，當受試者在接受視覺刺激時，探討大腦在視覺區的代謝物. sit. y. Nat. 濃度變化，並比較有使用相位循環(Phase Cycling, PC)與無相位循環(NO_Phase Cycling, NO_PC). al. er. io. 兩種結果有哪些差異。其後我們發現在幾次的實驗裡部分代謝物間出現濃度在某時刻下有相同. v. n. 的跳躍或相同趨勢的現象，尤其是在無相位循環的時候，該現象也比較常出現，為此我們也做. Ch. engchi. i n U. 了代謝物濃度的相關係數分析，計算不同的代謝物之間的關聯性以及平均結果。. 關鍵詞: 功能性磁振頻譜;相位循環;視覺刺激. II.

(4) Abstract Functional magnetic resonance spectroscopy (fMRS) provides a non-invasive technique to investigate brain metabolism during brain activation. Concentration, fitting and CRLB of the measurements were evaluated from LCModel analysis of time series of spectra measured during 21 mins visual stimulation paradigm. Recently, several researches indicated that using functional magnetic resonance spectroscopy at 7T. 政治大 Glutamate(Glu), Lactate(Lac) increased 立 during periods of stimulation; Glucose (Glc) showed a. magnetic field brain metabolism concentration in visual cortex will change during visual stimulation.. ‧. ‧ 國. 學. tendency to decrease, but not significantly.. The purpose of this study is to investigate metabolism concentration changes at 3T field in MRS. sit. y. Nat. during visual stimulation, and compare what kind of difference of phase cycling and not-phase. n. al. er. io. cycling. Then we found a few experiments in concentration between parts of metabolites appear to. i n U. v. have the same or the same tendency to jump at a certain time of the phenomenon, especially. Ch. engchi. no_phase cycling.We also calculated correlation coefficient of metabolite and the result of average.. keyword: functional MR spectroscopy;Phase cycling;visual stimulation. III.

(5) 目錄. 謝辭......................................................................................................................................................... I 中文摘要................................................................................................................................................ II Abstract ................................................................................................................................................. III 目錄.......................................................................................................................................................IV 圖目錄....................................................................................................................................................V. 政治大. 表目錄...................................................................................................................................................VI. 立. 第一章介紹.......................................................................................................................................... 1. ‧ 國. 學. 1-1 功能性磁共振頻譜 ................................................................................................................. 1. ‧. 1-2 文獻回顧 ................................................................................................................................. 6 1-3 研究動機 ................................................................................................................................. 9. y. Nat. io. sit. 第二章方法........................................................................................................................................ 10. n. al. er. 2-1 受試者 ................................................................................................................................... 10. Ch. i n U. v. 2-2 視覺刺激及實驗設計 ........................................................................................................... 10. engchi. 2-3 頻譜資料擷取 ...................................................................................................................... 11 2-4 代謝物的量化 ....................................................................................................................... 13 2-5 資料分析 ............................................................................................................................... 13 2-6 統計分析 ............................................................................................................................... 15 第三章結果........................................................................................................................................ 16 第四章討論........................................................................................................................................ 36 參考資料.............................................................................................................................................. 37. IV.

(6) 圖目錄圖 1-1 原子核自旋 ................................................................................................................ 2 圖 1-2 內部原子核感受的磁場 B......................................................................................... 3 圖 1-3 頻譜座標上之關聯性 ............................................................................................... 4 圖 1-4 DC offset 所造成頻譜中樣的峰值............................................................................ 4 圖 1-5 不同相位所造成的頻譜差異以及經線性組合後之結果 ........................................ 5 圖 2-1 視覺刺激實驗流程 .................................................................................................. 10. 政治大圖 2-3 單一體素 VOI 位置立.................................................................................................12. 圖 2-2 脈衝訊列 .................................................................................................................. 11. ‧ 國. 學. 圖 2-4 頻譜對位 .................................................................................................................. 13 圖 3-1 LCModel 分析出的結果 .......................................................................................... 16. ‧. 圖 3-2 五種代謝物濃度隨時間變化圖 ............................................................................. 20. sit. y. Nat. 圖 3-3 代謝物濃度相關係數 ............................................................................................. 24. al. er. io. 圖 3-4 受試者 A 經過 Fisher z transformation 後的的群體相關係數比較(PC/NO_PC). 25. v. n. 圖 3-5 受試者 B 經過 Fisher z transformation 後的的群體相關係數比較(PC/NO_PC) . 26. Ch. engchi. i n U. 圖 3-6 受試者 A，六組實驗 NAA、tCr、tcho、Glx、Glu 濃度隨時間的變化，平均值± 標準差.......................................................................................................................... 29 圖 3-7 受試者 B，六組實驗 NAA、tCr、tcho、Glx、Glu 濃度隨時間的變化，平均值 ±標準差 ....................................................................................................................... 30 圖 3-8 受試者 A(VC3) LCModel 分析之結果................................................................... 32 圖 3-9 受試者 A(VC3)視覺刺激與無視覺刺激之譜線，及相減後之差異 .................... 33. V.

(7) 表目錄表 1-1 不同核種(Nucleus)的在不同的磁場之旋進頻率 ................................................... 2 表 3-1 各代謝物之 CRLB，受試者 A_PC/NO_PC .......................................................... 27 表 3-2 各代謝物之 CRLB，受試者 B_PC/NO_PC .......................................................... 27 表 3-3 受試者 A 六次實驗比較不同區域的濃度改變(%)，比較的區域:II-I、IV-I、 Stim-Rest...................................................................................................................... 35 表 3-4 受試者 B 六次實驗比較不同區域的濃度改變(%)，比較的區域:II-I、IV-I、. 政治大. Stim-Rest...................................................................................................................... 35. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. VI. i n U. v.

(8) 第一章介紹 1-1 功能性磁共振頻譜功能性磁共振頻譜(functional Magnetic Resonance Spectroscopy， fMRS)為在磁共振掃描的過程中，讓受試者接受外在刺激下，測量大腦代謝物之訊號，並將訊號經過後處理傅立葉轉換成頻譜資訊來分析大腦的代謝產物是否會因為外在刺激，而產生相對應的代謝物濃度變化。然而，代謝物本身濃度較水濃度低，其分子結構與化學環境等因素使得頻譜具有複雜的譜線，讓磁共. 政治大振頻譜處理軟體的廣泛應用，從複雜譜線中分析出各種代謝物並量化其濃度的技術越趨穩定。立振頻譜的在量測代謝物時，較磁共振影像的敏感度更低，但由於影像系統穩定度的改良與磁共. ‧ 國. 學. 隨著功能性磁共振影像(functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)已廣泛的作為許多社會科學領域的研究工具，功能性磁共振頻譜也開始有ㄧ些研究成果的發表。. ‧. n. al. er. io. sit. y. Nat. 核磁共振頻譜訊號. i n U. v. 由於原子核、電子具有自旋特性，每個氫原子核(1H)就像一個小磁矩一樣，在強磁場下具有與. Ch. engchi. 磁場平行及反平行的特性，圖 1-1。當外加一靜磁場 B0，磁矩會做旋進(precession)運動，而旋進的頻率由拉莫公式所決定，如式(1.1)，每種原子核均有不同的共振頻率，如表 1-1。 𝜔0 = −𝛾 𝐵0 (1.1) 𝞬:磁旋比，B0:主磁場，在 3T 磁場下做旋進的質子 1H 頻率~127(MHz). 1.

(9) 政治大表 1-1 不同核種(Nucleus)在不同的磁場之旋進頻率立 Frequency at Frequency at Relative 𝞬/2𝞹 圖 1-1 原子核自旋. F. ‧ 國. P. 1/2. sensitivity. 1/2. 42.57. 127.71. 297.99. 100. 1/2. 10.71. 32.13. 74.97. 1.59. 1/2. 40.07. 120.21. 280.49. 17.25. 51.75. 120.75. 83.40. y. 31. 7T(MHz). ‧. C. 19. 3T(MHz). 6.65. sit. H. 13. (MHz/T). Nat. 1. 學. Nucleus Spin. io. er. 在此頻率的條件下，須打一相近頻率的射頻脈衝 (radio frequency pulse)，使磁矩 M0 激發至 x-y. al. 平面(射頻脈衝垂直於主磁場 B0)，受激發後的磁矩在 x-y 平面旋進時，接收訊號的線圈因磁矩. n. v i n Ch 在線圈磁通量的變化而產生電訊號，此為時域之訊號來源。一般而言，代謝物的訊號自由感應 engchi U 衰減(Free Induction Decay，FID)可以表示成e. −𝑡⁄𝑇 ∗ +iωt 2. 的形式，其中𝑇 ∗ 2為在 XY 平面上的弛緩. 時間常數，與磁矩的同調性及磁場均勻度有關係。所感應出的感應電動勢即我們所需訊號來源 FID: 𝐹𝐼𝐷(t) = ∑ 𝐶𝑗 (e. −𝑡⁄𝑇 ∗ +iω𝑗 t+i𝜑𝑗 2𝑗. ) (1.2). 𝑗. 𝐶𝑗 :振幅，𝑇 ∗ 2𝑗 :弛緩時間，𝜑𝑗 :相角常數，ω:氫原子核旋進與共振頻率的差值將式(1.2)時域下的訊號做傅立葉轉換後得到頻域的頻譜資訊。. 2.

(10) 化學位移在靜磁場環境下的原子，外圍環繞的電子會在該磁場的影響下，產生一與靜磁場相反方向的小磁場使實際上原子感受到的磁場受到影響，圖 1-2，因此氫核所感受到的磁場如式(1.3). 圖 1-2 內部原子核感受的磁場 B. 學. ‧ 國. 立. 政治大. ‧. 𝐵 = 𝐵0 (1 − σ)(1.3) σ:遮蔽常數且遠小於 1. y. Nat. sit. 而原子間所形成的鍵結，因不同核種對電子的搶奪能力不同，造成原子所圍繞的電子雲分佈不. n. al. er. io. 同，以 O-H 及 C-H 為例，氧對氫(O-H)的外圍電子搶奪能力較碳對氫(C-H)來的大，使得 O-H. i n U. v. 的氫外圍電子雲分佈相較於 C-H 的氫來的小，因而感受到的等效磁場較大，導致 O-H 的氫磁共振的頻率較大。. Ch. engchi. 然而在不同強度的主磁場下，因為主磁場越大而使得頻譜上不同代謝物的峰值位置差異越大。因此通常以式(1.4)來表示頻譜 X 軸上的刻度，以此方法呈現頻譜則不論在多大的主磁場下皆可在相同的刻度下看見相同的代謝物峰值，不受主磁場強度大小而影響代謝物峰值的位置。 δ=. 𝜈 − 𝜈𝑇𝑀𝑆 × 106 (𝑝𝑝𝑚) 𝜈0. (1.4). 𝜈為所量測的代謝物頻率，𝜈0 為 1H 共振頻率，𝜈𝑇𝑀𝑆 則是四甲基矽烷(Si(CH3)4)的頻率，用以標定化學位移零點的作用。圖 1-3 為頻譜的 X 軸(0.2 ~ 4.4 ppm)與上述所提的遮蔽效應、共振頻率之關聯性。. 3.

(11) 圖 1-3 頻譜座標上之關聯性. 相位循環(Phase cycling) 當接收一 FID 訊號時，因線圈接收的電子訊號常有一直流偏移量(DC offset)，訊號經由傅立葉. 政治大分別讓射頻脈衝打至 X-Y 平面上不同的軸上，例如兩次的量測分別打至 X、-X 所測得的訊號，立轉換後的頻譜會在頻譜中央有一峰值，圖 1-4。為了消除此訊號偏移量所造成不必要的峰值，. 將其中一 FID 乘上-1 並將兩者 FID 相加後 FT 轉換即可得到消除頻譜的的中央峰值的頻譜，圖. ‧. ‧ 國. 學. io. sit. y. Nat. n. al. er. 1-5。. Ch. engchi. i n U. v. 圖 1-4 DC offset 所造成頻譜中央的峰值. 4.

(12) 圖 1-5 不同相位所造成的頻譜差異以及經線性組合後之結果. 政治大 0，Y 軸相位 90，-X 軸相位 180，-Y 立軸相位 270。另外相位循環也可以改善更複雜的訊號干擾. 而這裡所指的相位(phase)是以射頻脈衝打在 X-Y 平面上的角度，射頻脈衝打在+X 軸定為相位. ‧ 國. 學. 問題，針對有許多射頻脈衝的脈衝序列，可能產生不同的回訊，透過設計相位循環的順序，減少不想要看的回訊訊號的干擾。. ‧. 代謝物簡述. y. Nat. sit. 本研究所量化的代謝物主要有五種，除了量化頻譜代謝物濃度之外，了解代謝物在頻譜上的位. n. al. er. io. 置及特性在研究上是必要的，因此以下簡述[1]五種代謝物在頻譜的特性及位置以及在人體大腦所代表的表徵。 N-acetyl aspartate(NAA). Ch. engchi. i n U. v. 乙酰天門冬氨酸，其在頻譜的共振位置為 2.01ppm，大腦頻譜為顯著代謝物之一，然而 NAA 在大腦裡的功能目前還未知，通常健康的大腦 NAA 具有一定的濃度，因此可以透過了解 NAA 在大腦的濃度判別是否發生神經元受損。 total Creatine(tCr) tCr 主要為 Creatine(Cr)及 Phosphocreatine(PCr)兩種代謝物的合稱，分別在共振頻譜的峰值位置為 3.03ppm 及 3.93ppm，而 total creatine 在大腦的濃度為相對恆定，不受年齡和其他症狀所影響，因此常作為內部參考濃度。 total Choline(tcho) 5.

(13) 由 choline、Phosphorylcholine 及 Glycerophosphorylcholine 所組成，濃度約為 1~2mM，共振位置為 3.2ppm。 Glutamate (Glu)、Glutamate+Gltamine (Glx) Glutamate 為大腦主要的神經傳導物質，在大腦活動時會扮演重要角色，但由於 Glu 和 Gln 化學結構相似，不但具有複雜的磁振頻譜，通常頻譜上多有重疊，在 3T 磁場的情況下不易分辨出 Glu 及 Gln，因此量化時常將 Glu 及 Gln 合併而稱為 Glx。. 1-2 文獻回顧. 立. 政治大. 血氧相依對比濃度(Blood Oxygenation Level-Dependent，BOLD)在 1990 年時，由 S. Ogawa 等. ‧ 國. 學. 人[2]在貝爾實驗室在 7T 的磁振造影下透過改變老鼠所吸入的氧氣濃度含量不同，而有不同的. ‧. 影像對比，其原因為腦中的帶氧血紅素具有反磁性而去氧血紅素有順磁性導致微血管內的血氧. y. Nat. 濃度的不同而造成局部磁場不同而𝑇 ∗ 2 有所不同進而影響影像的對比。J. Prichard 等人在 1991. er. io. sit. 年[3]透過氫原子核磁共振頻譜技術，在 2.1 T 磁共振頻譜系統下，在人腦的枕葉脊椎下放置 6 公分單一表面線圈偵測訊號，讓受試者戴上護目鏡並利用紅色 LED 排成 5×6 之格狀陣列並以. al. n. v i n 16Hz 閃爍頻率為視覺刺激。約前面幾分鐘人類大腦乳酸(Lactate，Lac)濃度有所增加(~60%)且 Ch engchi U. 增加幅度較大，之後乳酸的增加量則在 10 分鐘後沒有太大的增長(≈20~30%)而後在磁振頻譜相關視覺刺激實驗裡主要著重在 Lac；而 S.Mangia 等人[4]在 2003 年使用的視覺刺激實驗模式 (1.5T)則是在給受試者 1 秒的視覺刺激後分別以不同的間隔(0、3、5、8、12 秒)收集視覺刺激後的單一頻譜並重複收集，結果顯示出在視覺刺激後的乳酸下降的趨勢結果，與先前的研究所測量的乳酸上升有所不同。 2001 年 X-H.Zhu 等人的研究[5]透過在 4T 磁場下讓受試者做視覺刺激並比較有無刺激下的頻譜譜線差異，在受視覺刺激時的頻譜代謝物 NAA (頻譜高度:+2.5%；頻寬:-1.7%)， Cr(Creatinine)(頻譜高度:+3.1%；頻寬:-1.8%)，且水的譜線亦有頻譜高度增加頻寬減少的趨勢此為頻譜上的血氧相異對比濃度對頻譜的影響。2005 年 P.Sarchielli 等人的研究[6]利用磁振頻 6.

(14) 譜技術在 1.5T 下不同的生理狀態(有無偏頭痛)的受試者研究受視覺刺激時對照差異。實驗以 PRESS(Position Resolved Spectroscopy)脈衝序列 TE/TR=144/200 ms，讓受試者戴上護目鏡並給予 8Hz 的紅色閃光的視覺刺激並比較之間的代謝物濃度變化有哪些差異，該研究發現有偏頭痛症狀的受試者在接收視覺刺激時，NAA 代謝物有下降的趨勢(-14.61%)。. S.Mangia 等人[7]在 2007 年在 7T 的磁場下檢測 12 位受試者頻譜，並以 5.3min(兩次 ON， ON-OFF-ON-OFF)、10.6min(一次 ON，ON-OFF)兩種不同視覺刺激長度來做對照。利用 EPI 影像技術及 8 個視覺試驗(5secs stim ON，22.5secs stim OFF)來選擇受試者 VOI，以 STEAM 脈. 政治大解析度(20secs、160secs)之頻譜其結果為:Lac(+23%±5%，p<0.0005)、Glu(+3%±1%，p<0.01)、立衝序列 TE/TR=6/5000ms 取得功能性磁振頻譜並以 LCModel 量化個別受試者及群體不同時間. Asp(-15%±6%，p<0.05)，單一頻譜之 SNR 介於 20~25 之間。. ‧ 國. 學. 2012 年 Y. Lin 等人[8]在 7T 的磁共振系統上，分別以兩種不同時間視覺刺激模式檢測 10 位受. ‧. 試者代謝物濃度變化。以 99 秒的 block 為一個單位:第一種視覺刺激為 rest(4block) – ON. y. Nat. (8block) – recovery (12block)；第二種為 OFF(6block) – ON (6block) – OFF (6block )- ON (6block)，. er. io. sit. 受試者皆進行兩種視覺刺激模式。在掃描磁振頻譜前，使用測試視覺刺激 ON (4.4sec) –OFF (28.6sec)重複 8 次，再利用 EPI (Echo Planar Imaging)將大腦受視覺刺激時有 BOLD 反應的視覺. al. n. v i n 區區塊選出再進行磁振頻譜掃描。掃描磁振頻譜參數:VOI:2×2×2cm ，STEAM(Stimulated Echo Ch engchi U 3. Acquisition Mode)序列，TE/TR=15/3000ms。透過 32 張頻譜平均的 NAA 代謝物訊雜比. SNR(Signal to noise ratio)約在 43~58 之間；在單一視覺刺激的分析結果為:Glu(+2%±1%， 0.22𝞵mol/g，p<0.05)、Asp(-9%±8%，0.32 𝞵mol/g，P<0.05)、Lac(+10%±6%，0.1 𝞵mol/g，p<0.05)。在第一種的視覺刺激下，將 ON(8block)拆解成兩個 4block 分析，發現在前面的 4 個 block，Lac 的增加量為(26%±7%，~0.2 𝞵mol/g，p=0.038)。與 8 個 block 分析的增加量較為多。第二種視覺刺激主要目的為確認是否在接收兩個 on(6block)的重複刺激下的濃度改變是否能對應第一種視覺刺激，分析結果為:Glu(+3%±1%,p=0.021)、Asp(-10%±7%，p=0.044)、Lac(+9%±7%，p=0.015)，並發現 Lac 在第一次刺激上升較多(30%±7%，0.21 𝞵mol/g，p=0.038)而第二次刺刺激 Lac 則無明顯增加，此外 Glu 及 GHS(Glutathione)則是在第二次的刺激下代謝物濃度較第一次刺激依序 7.

(15) 多了 1%及 3%左右，該研究推測 Glu 及 GHS 有較緩慢的回復速率。然而探討腦區的代謝物變化，並非只限定視覺的刺激。2014 年 B.Schaller 等人[9]在 7T 的磁振造影裡以螢幕提供 1~4 的數字(每個數字代表手指的編號)讓受試者以固定 3Hz 的頻率從小拇指到食指做規律的點壓運動，並檢測有無手指運動的狀況下磁振頻譜代謝物是否有增減。在掃描磁振頻譜前，先測試手指運動(20s ON, 20s OFF)並以功能性磁振造影 EPI 序列將有活動的腦區定位，以 SPECIAL(SPin ECho, full Intensity Acquired Localized)序列做頻譜掃描，參數:TR/TE= 7500/12 ms，頻寬:4000Hz，VOI=17×20×17mm3。實驗發現在受試者做手指點壓運動時， Lac(+17%±5%，p<0.001)及 Glu(+2%±1%，p<0.005)代謝物仍有增加的現象。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 8. i n U. v.

(16) 1-3 研究動機在以上許多文獻上提到的功能性磁共振頻譜實驗中，透過視覺刺激，會造成大腦會代謝物濃度的變化，主要是 Glu(+2~3%)、Asp(-10%)、Lac(+10~20%)，同樣的結果在動手指實驗[8]也有同樣的發現，但這些研究主要在高磁場(7T)下測量出，因此本研究的目的為測試是否功能性磁共振頻譜實驗在 3T 磁場下是否可行，一般的核磁共振主磁場強度也都以 3T 居多，因此我們希望以 3T 磁場下來研究功能性磁共振頻譜的可行性，如果能在 3T 磁共振系統下進行，將有較多的研究議題可進行。在 3T 磁場下主要的限制在於，訊號強度將會較弱，需要以較多的平. 政治大振頻譜在 3T 是有可行的可能性的。另外由於時間解析度對於功能性磁共振頻譜相當重要，但立均方式進行掃描，另外由於陣列線圈的使用，可以改善磁共振頻譜的訊雜比，因此功能性磁共. 分別進行無相位循環及相位循環兩種實驗模式，並比較結果。. 學. ‧ 國. 時間解析度會受到相位循環影響，我們因此也測試了相位循環對於頻譜量化的影響，因此我們. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 9. i n U. v.

(17) 第二章方法 2-1 受試者共有兩位健康的受試者參與本實驗，年齡分別為:24、26(男性)。實驗開始前，預先告知受試者躺進儀器內的環境，以及實驗當下的視覺刺激圖片，了解同意書上的內容。實驗開始後，讓受試者平躺在 3T 磁場強度下的磁振儀器(Skyra, SIEMENS Medical Solution, Erlangen, Germany) 裡並附有 32 個頻道頭部線圈，磁振儀器後方附有連結電腦的投影機，並投射刺激圖片，平躺的受試者在前方平面鏡上，可以看到視覺刺激的畫面。視覺刺激開始前，會通知受試者眼睛張. 政治大. 開保持清醒，並注視在刺激圖片的中心十字位置。. 立. ‧ 國. 學. 2-2 視覺刺激及實驗設計. ‧. 在 ON 的狀態下視覺刺激為黑白相間圓形棋盤格子狀，並以 8Hz 的頻率做黑白切換；OFF 的狀態顯示為黑色，我們的實驗設計共有 65 組掃描，OFF(8+1 組)-ON(16 組)-OFF(16 組)-ON(16. n. al. er. io. sit. y. Nat. 組)-OFF(8 組)，如圖 2-1. Ch. engchi. i n U. 圖 2-1 視覺刺激實驗流程. 10. v.

(18) 2-3 頻譜資料擷取大腦具有許多的代謝物、灰質、白質、腦脊髓液等組織，在大腦裡的分佈也會有所不同，當量測的大腦某特定區塊之代謝物訊號時，磁共振頻譜最常用到的方法為單一體素頻譜。而我們使用的是視覺刺激，因此感興趣的位置為大腦枕葉的視覺皮質區(Visual cortex)。本實驗用的脈衝序列為單一體素頻譜(Single Voxel Spectroscopy, SVS)的 PRESS 脈衝序列，由 90°-180°-180° 射頻脈衝組成，配合梯度磁場在三個垂直的維度(GZ、GX、GY)，當 GZ 打開時造成磁場隨著 Z 方向上有線性的變化，打上一 90°之射頻脈衝即可激發在 Z 方向上的特定切面，而後面兩個 180° 則是先後配合 GY、GX 來定義出該體素，由此方法可以激發並接收特定體素內的代謝物訊號。. (a). 立. 政治大 (b). ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-2 脈衝訊列，(a) PRESS 序列示意圖，(b) 切面選擇後的單一體素[10]. 每位受試者先進行 MP-RAGE(Magnetization-Prepared Rapid Acquisition with Gradient Echo)掃描，得到 T1 權重的大腦結構影像，掃描參數為 FOV:256×256 mm2，TE/TR=3.3 /2530 ms，我們在結構影像上，定位出單一體素頻譜方法掃描位置，VOI=30×25×25 mm3，30 mm 為由左到右之長度，如圖 2-2，並利用多個 OVS (Outer Volume Suppression)，放置頭殼附近，以降低頭殼附近脂肪的訊號，磁共振頻譜掃描參數為: TE/TR=25/2500 ms,頻寬(spectra width): 2000 Hz，取樣點數:2048，掃描分成相位循環及無相位循環兩部分:相位循環部分，每組頻譜使用八個不同相位的脈衝所取得的頻譜作平均，因此我們拿到的一張頻譜即為 8 張平均後的結果。. 11.

(19) 在約 21 分鐘裡的實驗，我們共收集了 65 張頻譜；而短 TR 的情況下，磁矩尚未完全 T1 恢復即打下一個射頻脈衝，此時第一次的 FID 與之後的 FID 訊號的大小將會有所差異，因此分析時將第一張去掉並分析達穩態後的頻譜，每次實驗會有 64 個頻譜用來做後續分析，相當於 512 個頻譜資料，分成 64 組，時間解析度為 20 sec。無相位循環部分，使用同樣的掃描參數，但不使用相位循環，直接擷取 516 個頻譜資料，去掉前兩個資料後，一樣得到 512 個資料，在後續直接將八個頻譜平均成 64 組資料，時間解析度為 20 秒，2 位受試者分別掃描了 6 組相位循環和無相位循環的資料，每組資料均為 64 個頻譜。. 政治大人體約有 70%的水成分，水的莫耳濃度大約 55mol/L，因此水裡的氫核濃度約為 110 mol/L，立. 與頻譜上帶謝物訊號強度數量級約差了一萬倍，例如: NAA 濃度約在 1~10 mmol/L，因此在磁. ‧ 國. 學. 振頻譜會看到水的峰值大過其它代謝物而無法分析大腦其他代謝物，處理方法為將頻譜水抑制. ‧. (Water suppression)來凸顯出頻譜上其他重要代謝物，我們在進行功能性磁共振頻譜掃描時，均. y. Nat. 是有加上水抑制技術，但在最後，會再收取一組非水抑制的頻譜，這組資料可以得到水的訊號，. n. al. er. io. 總共使用四次平均。. sit. 用來做代謝物濃度的校正，同樣使用 PRESS 脈衝序列，和相同的參數，在非水抑制的掃描時. Ch. engchi. i n U. 圖 2-3 單一體素 VOI 位置. 12. v.

(20) 2-4 代謝物的量化在頻譜上量化代謝物時，我們計算頻譜每個代謝物峰值的面積，根據訊號的模型，我們知道該面積正比於濃度，但仍需後續校正程序才能得知大腦裡代謝物的絕對濃度。通常做法是利用仿體(Phantom)，內容物為模擬活體大腦的已知代謝物濃度，透過掃描仿體所得到的訊號強度來比較出大腦內代謝物濃度，另一種較常用的方式是，利用水濃度去做校正，透過非水抑制的掃描，可以得知同樣參數下，大腦同樣位置的水訊號強度，假設水濃度已知可以對量測到的代謝物訊號作校正，如式(2.1)。 [𝑚𝑒𝑡𝑎] =. 𝑆𝑚𝑒𝑡𝑎 [𝐻 𝑂](2.1) 𝑆𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 2. 政治大. [meta]:代謝物濃度，Smeta:代謝物訊號強度，Swater:水訊號強度，[H2O]:水濃度. 立. ‧. ‧ 國. 學. 2-5 資料分析. 磁振儀器所取得的相位循環和無相位循環資料，經 Matlab 處理(傅立葉轉換)後得到頻譜，每次. sit. y. Nat. 掃描均有 64 張頻譜，每張頻譜均為 8 次平均結果，掃描的過程 20 分鐘，可能會因為系統不穩. io. al. er. 定，導致頻譜有所飄移，在頻譜尚未做後續平均前，會先把所有頻譜根據 NAA 的峰值都對齊. n. 在同樣的點上(在 2048 個點的頻譜上，對齊在第 1364 的點)，對應頻譜 2.01ppm 的位置，圖 2-4。. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2-4 頻譜對位 LCModel 為腦物質定量分析軟體，常被用在磁振頻譜分析上，因此拿到的頻譜均由 LCModel 13.

(21) 做量化分析，該軟體主要功能為對核磁共振頻譜上不同代謝物之峰值做線性回歸擬和 fitting，從而計算出各個代謝物的面積，並利用水訊號去做校正，得到相對濃度，因無進行更精準校正程序，因此得到的並非代謝物的絕對濃度單位(mM)，但在同樣掃描參數下，每位受試者得到的結果是可以互相比較的，採用相對濃度單位(Institutional Unit, IU)，我們所分析的化合物為:NAA、tCr、tcho、Glx、Glu 一般而言以 CRLB 來估算代謝物濃度的標準差，其在 LCModel 的輸出介面為在%SD 欄位；不同代謝物在量化時，因為自身訊號強度和頻譜複雜度不同，穩定度也不同，通常當%SD<20 時，為可以接受的標準，而我們所分析的代謝物以 NAA、tCr、 tcho 而言，需<10%，在 Glu、Glx 部分需%SD<15. 代謝物濃度量化之同步現象. 立. 政治大. 在比較有無相位循環之頻譜的影響，我們會比較各個代謝物濃度隨時間的變化，是否在某時刻. ‧ 國. 學. 具有一致性，因此會有同步現象，我們透過計算每次實驗裡的代謝物之間的濃度相關係數來量. ∑𝑛𝑖=1(𝑥𝑖 − 𝑥̅ )(𝑦𝑖 − 𝑦̅) 𝑆𝑥𝑦 = (2.2) 𝑆𝑥 𝑆𝑦 √∑𝑛𝑖=1(𝑥𝑖 − 𝑥̅ )2 √∑𝑛𝑖=1(𝑦𝑖 − 𝑦̅)2. sit. y. Nat. r=. ‧. 化比較這個同步現象，如式(2.2)。. n. al. er. io. xi 及 yi:某時刻下兩種不同代謝物之濃度，𝑥̅ 及𝑦̅: 某代謝物的平均值. Ch. engchi. i n U. v. 分析的代謝物共有五種，因此會得到一個 5×5 的矩陣，每位受試者各有相位循環及無相位循環兩種情形，分別將兩種情形的相關係數平均並比較，而相關係數之平均則是用 Fisher z transformation 將相關係數矩陣(R)內各個相關係數元素利用式(2.3)轉換成 z 值，形成 Z 矩陣，轉換後不同次實驗的 Z 矩陣裡的每個元素做算術平均，並把平均後所得的 Z 矩陣內的所有矩陣元素利用式(2.4)轉換回 r，代表不同受試者的相位循環與無相位循環之相關係數。 1. 1+𝑟. 2. 1−𝑟. Z = ln ( r= 𝑟11 𝑅𝑛 = [ ⋮ 𝑟51. ⋯ ⋱ ⋯. 𝑟15 𝑧11 ⋮ ] 𝑍𝑛 = [ ⋮ 𝑧51 𝑟55. 𝑒 2𝑍 −1 𝑒 2𝑍 +1. ⋯ ⋱ ⋯. ). (2.3). (2.4). 𝑧15 ⋮ ](𝑍1 + ⋯ + 𝑍𝑛 ) ÷ n𝑅′𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (2.5) 𝑧55 14.

(22) 視覺刺激代謝物反應分析針對功能性磁共振頻譜的部分，我們主要分析有相位循環的結果，根據刺激模式，將頻譜分成五區，如圖 2-1，I、V 區塊都有 8 個頻譜，而 II、III、IV 三個區塊則是有 16 個頻譜以及將所有頻譜分為有刺激(Stim:II+IV)與無刺激(Rest:I+III+V)兩個部分，各有 32 張頻譜，在 LCModel 分析之前，分為兩種平均的方法:其一是，將每個頻譜直接做 LCModel 運算，得到代謝物濃度後，再去做濃度的平均；其二是，將每張頻譜先直接做平均，然後平均後的頻譜，再由 LCModel 量化出代謝物濃度，而文獻[11]指出，第二種方法平均後的結果，其訊雜比優於第一種方法，能反應出代謝物濃度與視覺刺激模式有所相關，因此我們依序將七個區塊(I、II、III、IV、V、. 政治大. Stim、Rest)內的頻譜各自平均後，得到代表這 7 區塊的頻譜，之後進行 LCModel 分析。. 立. 2-6 統計分析. ‧ 國. 學. 利用兩種統計分析方法比較刺激與無刺激之濃度兩者是否有明顯差異，分別把計算出來的濃度以 Wilcoxon test 比較有刺激於無刺激之間是否有明顯差異。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 15. i n U. v.

(23) 第三章結果圖 3-1 LCModel 分析出的結果。紅色實線為 LCModel 所非分析出來的結果，黑色實線的部分為原始頻譜(a) S/N=23，CRLB(NAA、tCr、tcho、Glx、Glu)=3、3、6、7、7 (b) S/N=23，CRLB(NAA、 tCr、tcho、Glx、Glu)=3、3、6、8、9。另外無相位循環部分(c) S/N=16，CRLB(NAA、tCr、tcho、 Glx、Glu)=3、3、8、16、10 (d) S/N=17，CRLB(NAA、tCr、tcho、Glx、Glu)=3、4、9、8、7。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 3-1(a) 相位循環實驗於視覺刺激時得到第 14 張頻譜，受試者 A. 16.

(24) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 sit. y. Nat. n. al. er. io. 圖 3-1(b) 相位循環實驗於無視覺刺激時得到第 28 張頻譜，受試者 A. Ch. engchi. 17. i n U. v.

(25) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. n. al. er. io. sit. 圖 3-1(c) 無相位循環實驗於視覺刺激時得到第 14 張頻譜，受試者 A. Ch. engchi. 18. i n U. v.

(26) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. n. al. er. io. sit. 圖 3-1(d) 無相位循環於無視覺刺激時得到第 28 張頻譜，受試者 A. 濃度的同步現象. Ch. engchi. i n U. v. 在無相位循環的實驗下，會觀察到代謝物濃度具有同步的現象，如圖 3-2(a)，為代謝物濃度隨時間的變化，總共 64 組，紅線標示出所有代謝物在同一時間點，計算得到的濃度有同步上升或下降的情形，且與視覺刺激流程較無關聯性，在無相位循環實驗得到的代謝物濃度隨時間的變化，則代謝物之間無明顯相關性，如圖 3-2(b)。. 19.

(27) (a). (b). 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 圖 3-2 五種代謝物濃度隨時間變化圖，(a)無相位循環實驗 (b) 相位循環實驗. 我們計算每組實驗之五種代謝物之間的相關係數，藉此觀察此同步現象現象是否在無相位循環. sit. y. Nat. 下為常態，並與相位循環結果比較，如圖 3-3，計算後的矩陣以方格圖之顏色表示不同代謝物. al. er. io. 濃度之間的相關係數大小，以暖色系代表相關係數大於零；冷色系代表相關係數小於零；對角. v. n. 線的部分為同一次實驗相同的代謝物自身的相關係數，故相關係數皆為 1，可以觀察到無論受. Ch. engchi. i n U. 試者 A 或 B，均在無相位循環時，相關係數有較大的趨勢。. 20.

(28) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 圖 3-3(a). 21. i n U. v.

(29) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 圖 3-3(b). 22. i n U. v.

(30) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 圖 3-3(c). 23. i n U. v.

(31) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 3-3(d). 圖 3-3 代謝物濃度相關係數(a)受試者 A,6 次實驗(NO_PC)，(b)受試者 A,6 次實驗(PC)，(c) 受試者 B,5 次實驗(NO_PC)，(d)受試者 B,6 次實驗(PC). 24.

(32) 根據計算後的相關係數結果於圖 3.4 及圖 3.5，比較無相位循環與相位循環的相關係數時，普遍來說相位循環實驗的代謝物濃度間相關係數比無相位循環實驗來的小，受試者 A 在無相位循環時具有高相關性，受試者 B 在無相位循相時則較低，但兩位受試者在有相位循環時，均呈現一致的相關係數分布，使用相位循環可以得到較穩定的濃度量化結果。在無相位循環實驗的下 Glx-Glu 兩位受試者的相關係數都是最高的，除 Glx-Glu 外，而 NAA 及 tCr 的相關性，在無相位循環的情況下兩位受試者相關係數接 0.8 以上，具有很高的相關性；在相位循環的情形也是所有相關係數最高的部分。. y. sit. io. al. n. 0.2 0 -0.2. er. 0.4. ‧. 0.6. ‧ 國. 0.8. 學. 1. Nat. Correlation coefficient. 立. 政治大 SubjectA. Ch. engchi. PC. i n U. v. NO_PC. NAA-tCr NAA-tcho NAA-Glx NAA-Glu tCr-tcho tCr-Glx tCre-Glu tcho-Glx. 圖 3-4 受試者 A 經過 Fisher z transformation 後的的群體相關係數比較(PC/NO_PC). 25.

(33) Correlation coefficient. SubjectB 1. NAA-tCr NAA-tcho NAA-Glx NAA-Glu tCr-tcho tCr-Glx tCre-Glu tcho-Glx. 0.8 0.6 0.4 0.2. 0 PC. 立. 政治NO_PC 大. 圖 3-5 受試者 B 經過 Fisher z transformation 後的的群體相關係數比較(PC/NO_PC). ‧ 國. 學 ‧. 頻譜品質 CRLB 及 SNR(PC/NO_PC). y. Nat. 我們以 LCModel 量化時的穩定度(CRLB)以及 SNR 來比較相位循環以及無相位循環得到的頻. er. io. sit. 譜品質，如表 3-1 及 3-2，是將每組資料 64 張頻譜，個別經過 LCModel 分析後，每個代謝物的 CRLB 和 SNR 在時間軸上做平均，我們可以看到 CRLB 在 PC 的部分較 NO_PC 較為低，而. al. n. v i n 頻譜的 SNR 則是 PC 較高，針對探討大腦活動的重要代謝物 Glx、Glu 上，則是有較明顯的差 Ch engchi U 別，在受試者 A，PC 實驗得到的 Glu 及 Glx 的 CRLB，約在 7.42%-10.03%間，NO_PC 則在. 8.77%-16.48%間，在受試者 B，PC 實驗得到的 Glu 及 Glx 的 CRLB，約在 7.69%-17.77%間， NO_PC 則在 11.63%-16.44%間，依據以上結果，為避免量化代謝物濃度同步造成的影響，以及量化穩定度的部分，在後續視覺刺激實驗統計分析的部分，則以相位循環為主。. 26.

(34) 表 3-1 各代謝物之 CRLB，受試者 A_PC/NO_PC SubA(mean±SD) PC. VC1. VC2. VC3. VC4. VC5. VC6. NAA. 2.69±0.47. 2.97±0.18. 2.11±0.31. 2.44±0.50. 2.64±0.48. 2.98±0.13. tCr. 3.00±0.00. 3.00±0.00. 3.00±0.00. 3.00±0.00. 2.98±0.22. 3.00±0.00. tcho. 6.28±0.79. 6.03±0.62. 5.83±0.52. 6.31±0.66. 6.17±0.92. 5.97±0.62. Glx. 8.44±1.04. 8.14±0.83. 7.42±0.53. 8.38±0.58 10.03±1.44 8.95±0.88. Glu. 8.14±0.73. 8.02±0.60. 7.47±0.62. 8.41±0.68. SNR. 22.47±1.10 22.06±0.69 23.61±0.70 22.36±0.68 21.20±1.26 21.69±0.69 VC4. 8.83±0.70. NO_PC. VC1. VC2. NAA. 3.05±0.58. 3.36±0.55. tCr. 3.47±0.50. 3.98±0.49. tcho. 8.19±0.73. 8.94±1.39. Glx. 10.09±2.36 16.48±2.56 8.89±0.78 13.50±3.39 9.13±1.42 12.92±2.81. Glu. 8.77±1.22 14.70±2.30 8.72±0.93 11.45±2.27 8.28±1.23 10.25±1.21. SNR. 16.75±1.11 10.77±1.15 20.02±1.03 10.14±1.75 16.81±1.87 13.00±0.93. 立. VC3. 9.88±1.23 VC5. VC6. 2.97±0.56. 3.63±0.65. 3.19±0.39. 4.19±0.47. 6.44±0.59 11.14±2.42 7.44±0.69. 9.38±1.25. 2.94±0.35治3.95±0.72 政 3.02±0.13 4.95±0.76 大. ‧. ‧ 國. 學. Nat. NAA. 2.89±0.31. tCr. sit. SubB(mean±SD). al. VC2. VC3. VC4. er. VC1. io. PC. y. 表 3-2 各代謝物之 CRLB，受試者 B_PC/NO_PC. VC5. VC6. tcho. 5.11±0.31. 8.14±1.66. 7.61±0.58. Glx. 11.11±1.13 16.64±8.14 8.30±1.42. 9.84±0.98 17.56±10.99 11.08±1.03. Glu. 10.14±1.49 16.22±8.21 7.69±1.02. 9.84±0.98 17.77±12.22 11.08±1.03. SNR. 18.69±0.64 16.42±2.86 22.06±0.73 19.05±1.40 18.75±2.44 17.13±1.16. n. 2.63±0.49. 3.00±0.00. i v 3.06±0.50 3.36±0.90C 2.33±0.47 2.38±0.49 n i U 3.20±0.41 e n g c h2.84±0.37 3.69±0.81 h 2.89±0.31 5.23±0.46. 6.98±0.63. 6.48±1.14. NO_PC. VC1. VC2. VC3. VC4. VC5. NAA. 3.31±0.53. 3.17±0.46. 3.05±0.28. 2.81±0.39. 2.95±0.33. tCr. 4.02±0.45. 3.48±0.50. 3.30±0.46. 3.00±0.00. 3.19±0.39. tcho. 8.92±1.40. 7.94±1.18. 8.42±1.65. 6.66±0.48. 7.63±0.79. Glx. 16.44±2.54 13.94±2.40 11.63±2.35 13.38±1.43 14.39±4.02. Glu. 14.67±2.30 13.03±2.59 11.63±2.35 13.28±1.45 14.00±3.98. SNR. 10.77±1.15 13.72±1.54 14.31±1.10 15.09±1.03 14.61±1.29 27. 3.00±0.00.

(35) 視覺刺激代謝物濃度分析我們先以 LCModel 分析每次相位循環實驗所得到的 64 張頻譜，得到每種代謝物在時間序列上的濃度隨時間變化，並將同一位受試者的每次實驗點對點做平均所得到的平均結果，如圖 3-6、及 3-7，每個點所得到的時間解析為 120 秒，兩位受試者的代謝物隨時間變化曲線，並無發現與視覺刺激有一致的趨勢。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 28. i n U. v.

(36) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 3-6 受試者 A，六組實驗 NAA、tCr、tcho、Glx、Glu 濃度隨時間的變化，平均值±標準差. 29.

(37) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 3-7 受試者 B，六組實驗 NAA、tCr、tcho、Glx、Glu 濃度隨時間的變化，平均值±標準差. 30.

(38) 我們另外透過區塊平均，觀察代謝濃度的變化，圖 3-8 為受試者 A 的相位循環實驗為透過 LCModel 分析後的頻譜資訊，頻譜平均張數為所有有視覺刺激的點數共 32 張，圖 3-8(a)，以及所有沒有視覺刺激的點數共 32 張，圖 3-8(b)，CRLB(NAA、tCr、tcho、Glx、Glu)分別為 2、 3、5、6、9 及 2、3、5、6、6，SNR 分別為 31 及 30，圖 3.9 則為將 LCModel 所 fitting 出來的頻譜曲線將有刺激(Stim)減去無刺激(Rest)並比較濃度的差異。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi 圖 3-8(a). 31. i n U. v.

(39) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. er. io. sit. 圖 3-8(b). 圖 3-8 受試者 A(VC3) LCModel 分析之結果(a)視覺刺激，(b)無視覺刺激之譜線. n. al. Ch. engchi. 32. i n U. v.

(40) NAA. Stim Rest (Stim-Rest)*10. Glu. 政治大. 立. ‧ 國. 4. 學. 4.5. Lac. 3.5. 3. 2.5. 2. 1.5. 1. 0.5. 0. ‧. ppm. al. er. io. sit. y. Nat. 圖 3-9 受試者 A(VC3)視覺刺激與無視覺刺激之譜線，及相減後之差異. v. n. 我們將兩位受試者分別把每次實驗的頻譜分為五個區域，如圖 2-1，Stim 部分包含 II 及 IV，. Ch. engchi. i n U. Rest 部分則包含 I，III，V；我們將頻譜先平均後，再由 LCModel 計算濃度，然後得到每位受試者各次實驗相同區域的平均以及標準差，如圖 3.10 及 3.11，並無發現明顯刺激及非刺激時的濃度變化，而統計分析結果整理於表 3-3、表 3-4，僅受試者 B 的 Stim-Rest(NAA，+0.87%) 具統計意義(p=0.03)。. 33.

(41) 18.00. Concentration (IU). 16.00 14.00. I. 12.00. II. 10.00. III. 8.00. IV. 6.00. V. 政治大. 4.00. 立 NAA. tCr. tcho. Stim. 學. 0.00. ‧ 國. 2.00. Rest. Glx. Glu. y. sit. al. n. 14.00 12.00 10.00. I. er. io. Concentration (IU). 16.00. Nat. 18.00. ‧. 圖 3-10 受試者 A 在相位循環的情況下五個區域之平均濃度，平均值±標準差. Ch. engchi. i n U. v. II III. 8.00. IV. 6.00. V. 4.00. Rest. 2.00. Stim. 0.00 NAA. tCr. tcho. Glx. Glu. 圖 3-11 受試者 B 在相位循環的情況下五個區域之平均濃度，平均值±標準差. 34.

(42) 表 3-3 受試者 A 六次實驗比較不同區域的濃度改變(%)，比較的區域:II-I、IV-I、Stim-Rest Concentration,N=6 subA(mean first) II-I(IU) Chande(%) IV-I(IU) Change(%) Sti-Rest(IU) Change(%) NAA. 0.02. 0.13. 0.16. 1.03. -0.06. -0.43. tCr. 0.10. 1.01. 0.17. 1.75. 0.00. -0.02. tcho. -0.02. -1.65. -0.03. -2.00. -0.01. -1.08. Glx. -0.52. -5.55. -0.27. -2.83. -0.22. -2.38. Glu. 0.03. 0.42. 0.03. 0.39. 0.50. 6.21. 政治大. 表 3-4 受試者 B 六次實驗比較不同區域的濃度改變(%)，比較的區域:II-I、IV-I、Stim-Rest. 學. ‧ 國. 立Concentration,N=6 subB(mean first) -0.20. -0.57. -3.74. 0.13. tCr. 0.16. 1.28. -0.42. -3.48. 0.11. tcho. -0.01. -0.62. -0.07. -4.78. ‧. 0.90. 0.01. 1.06. Glx. -0.85. -9.29. -1.17. -12.70. 0.09. 1.09. Glu. -0.85. -9.29. -1.17. -12.70. 0.09. 1.09. n. al. er. io. (*:P<0.05). sit. -0.03. Nat. NAA. y. II-I(IU) Change(%) IV-I(IU) Change(%) Sti-Rest(IU) Change(%). Ch. engchi. 35. i n U. v. 0.87*.

(43) 第四章討論本研究目的在於 3T 磁場下以視覺刺激來驗證功能性磁共振頻譜的可行性，使用 PRESS 脈衝序列來掃描頻譜，並分為相位循環以及無相位循環來比較差異。分別做了兩位受試者的分析後，初步發現無相位循環的情況下，代謝物濃度之間的相關係數普遍高於使用相位循環，且在 CRLB 部分可發現相位循環較無相位循環較為低，同時相位循環有較高的 SNR，因此在探討代謝物動態變化時，仍須使用相位循環，本研究使用 8 次相位循環後，則可將量化時的同步情形降低，並增加頻譜量化的穩定度，相位循環的機制對於一般頻譜掃描是必定會執行的機制，但. 政治大則是考慮到訊雜比的因素，根據我們的結果，使用 8 次平均， Glu 及 Glx 的 CRLB 可以在 15% 立在動態掃描時則會影響到時間解析度，本研究使用 8 次相位循環後得到的時間解析度為 20 秒，. ‧ 國. 學. 以下，是目前可以接受的範圍。. 我們在視覺刺激的分析中，在代謝物濃度隨時間的變化，或刺激區及非刺激區的平均分析，. ‧. 均無發現代謝物有因視覺刺激而變化，無法重複跟過往文獻的發現，可能原因一是文獻回顧裡. sit. y. Nat. 的研究大部分在做視覺刺激前，都會事先給受試者做時間較短視覺刺激並利用 fMRI 技術將有. al. er. io. 反應的視覺皮質區做定位，而本實驗則是用手動選取視覺皮質區並將其定位掃描，實驗上較無. v. n. 文獻回顧上來的嚴謹即實驗上鎖定為的腦區並非真實有進行神經活動之腦區；可能原因二是頻. Ch. engchi. i n U. 譜品質，訊雜比的部分可以看到我們在 3T 下的結果，我們將所有刺激的頻譜平均後(總共 256 個頻譜，約 10 分鐘)，SNR 為 30，如圖 3.8 及圖 3.9，而過去在 7T 的研究[1]裡單一區塊 SNR 則是為 43~58(時間解析度:99 秒)。另外，將頻譜利用 LCModel 所 fitting 出來的曲線 Stim 減去 Rest 的部分雖然在 CRLB 上都過大(CRLB>900)，卻在頻譜相減後在 Lac(1.33ppm)有所增加，圖 3-9。本研究以相同受試者在 3T 進行 fMRS 實驗，結果並無法反映出視覺刺激時造成的代謝物變化，但提供了動態掃描時頻譜品質上的參考依據，針對相位循環的使用，會在動態掃描時，會造成代謝物量化時的影響，使其無法反應出實際的動態變化趨勢，因此相位循環對於動態掃描仍是需要的。. 36.

(44) 參考資料 [1] Robin A. de Graaf. In vivo NMR Spectroscopy principles and techniques2nd:Wiley-Interscience,2008. [2] S.Ogawa, T.M.Lee,A.R.Kay and D.W.Tank. (1990). Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Biophysics l8:9868-9872.. 政治大 Avison, Alistair Howseman, Christopher 立 Hanstock, and Robert Shulman. (1991). Lactate rise. [3] James Prichard, Douglas Rothman, Edward Novotny, Ognen Petroff, Takeo Kuwabara, Malcolm. ‧. ‧ 國. 5829-5831. 學. detected by 1H NMR in human visual cortex during physiologic stimulation. Medical Science 88:. sit. y. Nat. [4] S.Mangia, G.Garreffa, M.Bianciardi, F.Giove, F.Di Salle and B.Maraviglia. (2003). The aerobic. n. al. er. io. brain actate decrease at the onset of neural activity. Neuralscience 118:7-10. Ch. engchi. i n U. v. [5] Xiao-Hong Zhu and Wei Chen. (2001). Observed BOLD Effects on Cerebral Metabolite Resonances in Human Visual Cortex During Visual Stimulation: A Functional 1H MRS Study at 4 T. Magn Reson Med 46:841-847. [6] Paola Sarchielli, Roberto Tarducci, Otello Presciutti, Gianni Gobbi, Gian Piero Pelliccioli, Giuseppe Stipa, Andrea Alberti, and Giuseppe Capocchi. (2005). Functional 1H-MRS findings in migraine patients with and without aura assessed interictally. Neuroimage 24:1025-1031.. 37.

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(46)