脑磁共振波谱成像技术及应用

脑磁共振波谱成像MRspectroscopyofthebrain李向荣广西医科大学第一附属医院放射科IntroductionMagneticResonanceSpectroscopy，MRS研究人体能量代谢的病理生理改变，显示组织生化特征研究范围：主要中枢神经系统，体部如前列腺，肝脏，乳腺等不同波谱：1H、31P、13C、19F、23Na1H-MRS应用最广泛MRS对硬件的要求与MRI不同高场强，1.0T以上（通常1.5或3.0T）高均匀度，B0的不均匀性必须小于1.0ppm不需要梯度线圈，但需要一些空间定位的辅助装置不需要成像装置，但需要必要的硬件和软件，显示波谱，计算化学位移频率，测定波峰等MRS基本原理利用原子核化学位移和原子核自旋耦合裂分现象不同化合物的相同原子核，相同的化合物不同原子核之间，由于所处的化学环境不同，其周围磁场强度会有轻微的变化，共振频率会有差别，这种现象称为化学位移（ChemicalShift），不同化合物的相同原子核之间，相同的化合物不同原子核之间，共振频率的差别就是MRS的理论基础MRS如何生成射频脉冲原子核激励驰豫信号呈指数衰减（自由感应衰减）傅立叶变换以振幅与频率的函数曲线显示，即磁共振波谱图横轴代表化学位移（频率差别），单位百万分子一（ppm）•纵轴代表信号强度•峰高和峰值下面积反映某种化合物的存在和化合物的量，与共振原子核的数目成正比。MRS扫描前的若干问题MRS序列选择1、激励回波法(theStimulatedEchoAcquisitionMethod,STEAM)优点：常使用短TE（35ms）检测代谢物种类多，如脂质、谷氨酰胺和肌醇只有在短TE才能检出缺点：对运动敏感，信噪比低，对匀场和水抑制要求严格，对T2弛豫不敏感MRS序列选择2、点分辨波谱法(thePointResolvedSpectroscopyPRESS)优点：信噪比高，是激励回波法的2倍，可以选择长、短TE（144msor35ms），对T2弛豫敏感，对运动不太敏感缺点：选择长TE，不易检出短T2物质，如脂质对于在体的临床评价，PRESS具有高的信噪比且时效性好，最常用（3.0T）。MRS检查方法选择1、单体素氢质子（Singlevoxel，SV）MRS覆盖范围有限，一次采集只能分析一个区域，适用于局限性病变，后颅窝病变采集时间短，一般3~5分钟谱线定性分析容易单体素—SVSTEAMTE=35msMRS检查方法选择2、多体素氢质子（protonmulti-voxelspectroscopyimaging，PMVSI）MRS可以同时获取病变侧和未被病变累及的区域，评价病灶的范围大。匀场比较困难，由于多个区域同时获得相同的磁场均匀性。对临近颅骨、鼻窦或后颅窝的病灶，由于磁敏感伪影常常一次匀场不能成功采集时间比较长。多体素—MVPRESSTE=144ms不同TE对波谱的影响（PRESS）短TE：检测代谢物种类多，如脂质、谷氨酰胺和肌醇只有在短TE才能检出，便于测量短T2的物质。缺点是基线不够稳定。长TE：检测代谢物种类少，基线稳定，常用于肿瘤性病变。因为TE=144ms时易于显示胆碱和乳酸峰，此时乳酸峰反转于基线下。兴趣区对MRS的影响兴趣区大小直接影响波谱曲线的准确性，过小信号相对较低；过大容易受周围组织的干扰，产生部分容积效应。依据病灶大小决定，SV而言，对弥散病变，体素通常为2cm×2cm×2cm，局灶性病变，体素可减小兴趣区定位注意：避开血管、血液成分、脑脊液、空气、脂肪、坏死区、金属、钙化区和骨骼。上述区域易产生磁敏感伪影，降低分辨率和敏感性，掩盖代谢物的检出兴趣区过小颅骨伪影匀场和水、脂抑制匀场：波谱反映的是局部磁场的瞬间变化，任何导致磁场均匀性发生改变的因素，都可以引起波谱峰增宽或重叠，使MRS信噪比和分辨率降低水、脂抑制：水、脂浓度是代谢物的几十倍，几百倍，甚至几千倍，如不抑制，代谢物将被掩盖匀场和水抑制后:半高全宽（FWHM)，头颅小于10Hz，肝脏小于20Hz；水抑制大于95%MRS临床应用技术—脑点分辨波谱法PRESS选用SV或MV选择成像参数兴趣区的选择定位自动预扫描：匀场、水抑制数据采集后处理和分析序列及扫描参数SV,PRESSTR1500msTE144/35msFOV24cmVoxelsize8cm3NEX8Scantime3min40s自动预扫描后获得的参数：半高全宽小于10Hz水抑制大于95%波谱评价具有诊断质量的波谱应有平直的基线和明确的窄峰。波谱检查不成功或出现非诊断性波谱的原因患者不能配合匀场不成功病灶存在大量的坏死、血液成分、钙化和黑色素手术金属夹产生磁化率伪影甘露醇治疗后会在3.8ppm出现波峰类固醇类药物治疗后影响代谢物的水平MRS的主要代谢物及其意义N-乙酰天门冬氨酸(NAA)位于波谱2.02-2.05ppm处，主要位于成熟神经元内，是神经元的内标记物，是正常波谱中最大的峰。NAA下降见于神经元损害，包括缺血、创伤、感染、肿瘤等，脑外肿瘤无NAA峰NAA升高少见，Cavana病，发育中的儿童，轴索恢复时可升高。正常浓度为6.5-9.7mmol，平均7.8mmol肌酸(Cr/Pcr)位于波谱3.03ppm、3.94ppm（PCr）附近;此峰由肌酸、磷酸肌酸、-氨基丁酸、赖氨酸和谷胱甘肽共同组成；是脑细胞能量代谢的提示物，在低代谢状态下增加，而在高代谢状态下减低；一般较稳定，常作为其它代谢物信号强度的参照物；正常脑波谱中，Cr是第二高波峰Cr/Pcr升高：创伤，高渗状态Cr/Pcr降低：缺氧，中风，肿瘤胆碱(Cho)波峰位于3.20ppm处；由磷酸胆碱、磷酸甘油胆碱、磷脂酰胆碱组成，反映脑内的总胆碱量；是细胞膜磷脂代谢的成份之一，是细胞膜转换的标记物，反映了细胞膜的运转，和细胞的增殖，Cho是髓鞘磷脂崩溃的标志。Cho升高：肿瘤，急性脱髓鞘疾病，炎症、慢性缺氧等Cho降低：中风，肝性脑病Cho峰是评价脑肿瘤的重要共振峰之一，肿瘤快速的细胞分裂导致细胞膜转换和细胞增殖加快，Cho峰增高正常浓度0.8-1.6mmol，平均1.3mmol肌醇（mI）波峰的位置3.56ppm和4.06ppm处，胶质细胞的标记物，是最重要的渗透压或细胞容积的调节剂mI升高，新生儿，低级别的胶质瘤，慢性病灶胶质增生mI降低：慢性肝病，梗死，恶性肿瘤乳酸(Lac)位于1.32ppm，次峰4.1ppm，由两个共振峰组成，称为双重线；TE为144ms时反转向下；正常情况下检测不到Lac峰。此峰出现说明细胞内有氧呼吸被抑制，无氧糖酵解过程加强出现乳酸峰：见于脑肿瘤、脓肿、囊肿、梗塞及炎症，线粒体异常脑肿瘤中，Lac出现提示恶性程度较高TE=35TE=144脂质（Lip）波峰位于0.8~1.33ppm之间，共振频率与Lac相似，可以遮蔽Lac峰；脂质、谷氨酰胺和肌醇只有在短TE才能检出Lip增高，提示髓鞘的坏死和／或中断。见于坏死肿瘤，炎症，急性中风，多发性硬化急性期TE=35ms谷氨酸和谷氨酰胺（Glx）位于2.1-2.55ppm，3.76ppm；谷氨酸是一种兴奋性神经递质，主要的氨摄取途径；谷氨酰胺参与神经递质的灭活和调节活动Glx升高：肝性脑病，缺氧性脑病TE=35丙氨酸（Ala）位于1.3-1.44ppm，常被Lac和Lip峰所遮盖，其功能尚不肯定升高：脑膜瘤，脑囊虫Ala波谱结果分析（1）病灶与正常侧对比注意病灶区与对侧非病变区对称采集，便于对比两次采集必须采用同样的技术和方案，保持可比性假阴性：由于部分容积效应，体积较小的病灶可能表现为正常（2）比例因素和对比剂比例因素（病理掩盖）：当一种代谢物占优势时，其他代谢物由于比例的原因，显示为很小的波峰，这并不意味着其他代谢物浓度低，而是由于某种代谢物的病理性增加对比剂的影响：对比剂的注射不影响整个波谱的解释，但可能会影响个别峰的面积（3）区域变化１NAA:海马＜皮质及皮质下，小脑＜其他２Cr:灰质＞白质（２０％左右）3Cho：白质＞灰质，在桥脑浓度＞其他部位４基底节区：NAA/Cr和mI/Cr比率较低，Cho/Cr比率较高（4）年龄变化新生儿：NAA及NAA/Cr比率逐渐增加，提示出生后神经元逐渐成熟＜8月：Cho和mI水平明显升高8月至2岁：波谱逐渐趋于正常化2岁后与成人基本一致老年人：NAA及NAA/Cr比率减低，提示神经元数目减少或生存能力减低。Cho和Cho/Cr比率升高，提示细胞膜退变加剧和胶质细胞数目增加新生儿成人顶叶波谱颅内常见临床疾病的1HMRS表现胶质瘤表现为NAA峰下降、Cho峰升高，Cr峰稍有变化。Cho峰的升高与肿瘤的恶性相关；Cr峰随肿瘤恶性程度的升高有降低趋势；Lip峰出现于大多数高级别的肿瘤中，特别是肿瘤坏死区或邻近坏死区；Lac峰多见于多形胶质母细胞瘤中，低级星形细胞瘤中出现此峰则预示肿瘤进一步恶变的可能；脑肿瘤脑肿瘤脑肿瘤鞍区肿瘤脑膜瘤鼻咽癌颅内侵犯31P波谱可见PCr和ATP下降，Pi升高，PCr/Pi下降出现于ATP之前；1H波谱可见NAA下降，Lac增加，Cho和Cr下降；脑梗死急性期脑梗塞腔隙性脑梗塞脑梗塞—慢性期NAA、Cho、Cr明显下降；Cho升高(脑炎）Lac、Lip增加，有时见aa增加；感染性病变脑脓肿脑炎2013.5.302013.12.5脑炎脱髓鞘性病变急性强化病灶Cho含量升高，NAA含量相对正常；mI含量常升高；慢性非强化病灶NAA，Cho含量均下降，程度不一；mI含量升高，尤其是在慢性继发型MS；脱髓鞘病变代谢性疾病非酮性高甘氨酸血症，脑MRS可见多余甘氨酸信号;线粒体疾病，MRS表现为ＮＡＡ信号减低和异常乳酸信号(氧化磷酸化障碍而致乳酸堆积);Ｃａｎａｖａｎ氏病人可见特异性ＮＡＡ信号升高。线粒体脑病癫痫ＮＡＡ浓度与额叶、颞叶癫痫发作频率呈负相关；随着发作频率的增加,ＮＡＡ呈逐渐下降的趋势,研究表明癫痫发作越频繁神经元丧失或功能缺失越严重。肌酸(Ｃｒ)和胆碱(Ｃｈｏ)峰值升高；ＮＡＡ与(Ｃｒ+Ｃｈｏ)的比值降低提示海马硬化；1ＨＭＲＳ还可用于测定与癫痫活动有关的神经递质:ｒ氨基丁酸(ＧＡＢＡ)、谷氨酸(Ｇｌｕ)和谷胺酰盐(Ｇｌｎ)。颅内常见病变的代谢物特征疾病NAACrChoLacLipaa肿瘤---脓肿梗死---MS---癫痫--