1、脑磁共振波谱成像 MR spectroscopy of the brain,李向荣 广西医科大学第一附属医院放射科,Introduction,Magnetic Resonance Spectroscopy, 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、23Na1H-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
2、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(Chemical Shift ), 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
3、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 (the Stimulated Echo Acquisition Method, 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 (the Point Resolved Spectroscopy PRESS)优点:信噪比高,是激励回波法的2倍 ,可以选择长、短TE( 144ms or 35ms ),对T2弛豫敏感,对运动
4、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(Single voxel,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35分钟 谱线定性分析容易,单体素SV,STEAM TE=35ms,MRS检查方法选择,2、多体素氢质子(proton multi-voxel spectroscopy imaging,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
5、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MV,PRESS TE=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
6、2cm2cm,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
7、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 TR 1500 ms TE 144/35 ms FOV 24 cm Voxel size 8cm3 NEX 8 Scan time 3 min 40s,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
8、,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
9、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3.56p
10、pm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,LAC,LAC,TE=35,TE=144,脂质( Lip),波峰位于0.81.33ppm之间,共振频率与Lac相似,可以遮蔽Lac峰;脂质、
11、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2.1-2.55 ppm,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1.3-1.44 ppm,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:
12、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, NAA: 海马皮质及皮质下,小脑其他 Cr: 灰质白质(左右)3 Cho:白质灰质,在桥脑浓度其他部位 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
13、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1H MRS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
14、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,2013.5.30,2013.12.5,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表现为信号减低和异常乳酸信号(氧化磷酸化障碍而致乳酸堆积); 氏病人可见特异性信号升高。,线粒体脑病,癫痫,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,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()和胆碱()峰值升高; 与(+)的比值降低提示海马硬化; 1 还可用于测定与癫痫活动有关的神经递质: 氨基丁酸()、谷氨酸()和谷胺酰盐()。,颅内常见病变的代谢物特征,疾病 NAA Cr Cho Lac Lip aa肿瘤 - - - 脓肿 梗死 - - - MS - - - 癫痫 - - ,