MRS顱內(nèi)應用

MRS,1946年，哈佛大學Purcell和斯坦福大學Bloch各自獨立地發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象，為分子結構的研究提供了一種全新的手段，也因此獲得1952年諾貝爾物理學獎。1971年Damadian發(fā)現(xiàn)腫瘤組織的T1和T2值比正常組織長。1973年Lauterbur得到了兩個充水試管的核磁共振圖像，并在1974年得到活鼠的核磁共振圖像。1978年Mallard、Hutchison及Lauterbur利用0.040.085 Tesla的磁共振裝備取得了第一幅人體頭、胸和腹部圖像。,磁共振成像的發(fā)展,生物組織中含有1H、13C、19F、23Na、31P等元素，有磁性的元素有百余種。在現(xiàn)今，研究和使用的最多的是1H。1H是磁化最高的原子核，可以得到較強的信號（即SNR高）；1H占活體組織中原子數(shù)的2/3，數(shù)量豐富。MRI時，均指的是1H原子核。MRS應用時，除1H外，還用到其它一些元素，如：31P可用于判定磷代謝產(chǎn)物的濃度，并可根據(jù)無機磷波譜的位置，測定pH值；13C可用于幫助診斷酶缺乏性疾病；,磁共振成像的原理,MRI & MRS比較,在本質(zhì)上，MRS與MRI相同，其物理原理是相同的；不同的是，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示方式的差別；MRI掃描后，一定時域內(nèi)獲得的信號被用于產(chǎn)生一個影像，如矢狀、橫軸和冠狀等；MRS掃描后，一定時域內(nèi)獲得的信號通過快速傅立葉轉(zhuǎn)換（Fourier Transform）產(chǎn)生一個質(zhì)子成分按頻率分布的波譜圖，而此波譜圖顯示了構成該圖像的各組成成分。,MRI獲得的信號是由不同體素內(nèi)氫核發(fā)射的已經(jīng)在不同的空間方向進行頻率和相位編碼的信號。MRS能以質(zhì)和量的方式獲取氫原子核化學環(huán)境的信息，揭示某部分的質(zhì)子組成成分。,MRI & MRS比較,絕大多數(shù)原子核都具有圍繞自身軸線做旋轉(zhuǎn)運動的特性，稱之為自旋特性。原子核是帶電粒子，在做自旋運動時，會在其周圍產(chǎn)生一個微小的磁場，像小磁針一樣，具有南北兩極，其矢量大小用自旋磁矩表示。,MRI 的物理基礎,原子核在外加磁場中自旋的同時，還以一定的角度圍繞外加磁場方向進行旋轉(zhuǎn)運動，這種運動稱為進動（precession)。進動頻率亦稱角頻率（ ），取決于外加磁場強度（B）和原子核的旋磁比（ ）： = B。上述方程式稱為拉莫方程（Larmor Equation），其角頻率又稱為拉莫頻率。旋磁比（）是原子核的固有特性，僅與原子核的種類有關。,MRI 的物理基礎,外加射頻脈沖（Radio Frequency，RF）頻率與原子核拉莫頻率相同時，原子核就會吸收射頻脈沖的能量，從低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變到高能量狀態(tài)，產(chǎn)生磁共振現(xiàn)象。對于某種給定的原子核，如氫核，激發(fā)所需要的射頻脈沖的頻率與磁場強度成正比，如1.5 Tesla場強下RF頻率為63.86MHz，3.0 Tesla場強下則為137.72MHz。,MRI 的物理基礎,對于具有相同原子序數(shù)的原子核，即同種元素的同位素，如氫原子核的三種同位素（氕，氘和氚），即使它們是在理想均勻的磁場中，進行精確地測量，其共振頻率也不完全相同，而是在一個較窄的頻率范圍內(nèi)。這種差異是由于原子核處于不同的化合物中，受到原子核周圍的電子影響所致。,MRS 的物理基礎,帶負電荷的電子具有與原子核相似的自旋特性，在原子核周圍形成具有屏蔽作用的磁場，這一磁場稱為電子云。電子云的作用使得外加磁場對原子核的作用減弱。這種磁屏蔽作用的大小用屏蔽系數(shù)（）表示，被磁屏蔽作用消弱掉的磁場強度為B。這部分磁場（ B ）與外加磁場方向相反，強度與外加磁場強度（B）成正比。,MRS 的物理基礎,屏蔽系數(shù)與原子核的特性（或者說種類）以及原子核所在的化學環(huán)境有關。化學環(huán)境指的是，原子核所在的分子結構。同一種原子核處在不同的分子結構中，甚至同一個分子結構的不同位置或者不同的基團中，其周圍的電子數(shù)和電子分布都將有所不同，因而受到的磁屏蔽作用也不同。,MRS 的物理基礎,所以，考慮到電子的磁屏蔽作用，拉莫方程應修正為： = （1- ）B。上式表示，處于化合物中的同一種原子核，由于所受磁屏蔽作用的程度不同（即 的大小不同），將具有不同的共振頻率，這就是所謂的化學位移現(xiàn)象（Chemical Shift Phenomenon），也是磁共振波譜成像的基礎。,MRS 的物理基礎,化學位移（chemical shift）用于表示化合物中各組成成分的原子核共振的波峰位置。實際應用中，此頻率數(shù)值并非用其絕對值（Hz，赫茲）表示，而是用一個相對值ppm表示。,化學位移的表示方法,=（ f - fr ）/ f106 ppm其中，表示化學位移， f表示被測原子核的共振頻率， fr表示中心拉莫頻率, ppm表示百萬分之一。上式可反映不同化學環(huán)境屏蔽系數(shù)的差別。 是一個相對值，與外加磁場強度的大小無關，是非磁場依賴性的。,化學位移的表示方法,對于指定的MRI/MRS一體化掃描機器，其磁場強度是一定的。利用頻率連續(xù)的RF脈沖激勵選定區(qū)域的組織，處于不同化學環(huán)境的同類原子核會以不同的頻率發(fā)生共振。在RF脈沖停止激勵后，組織弛豫過程所產(chǎn)生信號的頻率也是連續(xù)的。,磁共振波譜圖,將接收線圈接收到的磁共振信號通過傅立葉轉(zhuǎn)換，描繪成直角坐標中按頻率分布的函數(shù)曲線，就得到磁共振波譜圖。其中，縱坐標表示信號強度，橫坐標表示共振頻率。,磁共振波譜圖,MRS測定的含1H基團,1H MRS可測定的活體組織代謝物分子基團：甲基（CH3-）：位于脂肪酸末端、乳酸、NAA、N-乙酰糖蛋白和膽堿；次甲基（-CH2-）：位于脂肪酸、谷氨酸、-氨基丁酸、肌酸和丙三醇羥基等；乙醇基（H-C-OH）：多位于糖中，如葡萄糖、肌醇；乙烯基或烴：位于飽和脂肪酸。,1H MRS測定的代謝物及其臨床含義,N-乙?；扉T冬氨酸（NAA）正常腦組織1H MRS中的第一大峰，位于2.02-2.05ppm；與蛋白質(zhì)和脂肪合成，維持細胞內(nèi)陽離子濃度以及鉀、鈉、鈣等陽離子通過細胞和維持神經(jīng)膜的興奮性有關；僅存在于神經(jīng)元內(nèi)，而不會出現(xiàn)于膠質(zhì)細胞，是神經(jīng)元密度和生存的標志；含量多少反映神經(jīng)元的功能狀況，降低的程度反映了其受損的大小。,1H MRS測定的代謝物及其臨床含義,肌酸（Cr）正常腦組織1H MRS中的第二大峰，位于3.03ppm附近，有時在3.94ppm 處可見其附加峰（PCr）；此峰由肌酸、磷酸肌酸、-氨基丁酸、賴氨酸和谷胱甘肽共同組成；此代謝物是腦細胞能量依賴系統(tǒng)的標志；能量代謝的提示物，在低代謝狀態(tài)下增加，而在高代謝狀態(tài)下減低；峰值一般較穩(wěn)定，常作為其它代謝物信號強度的參照物。,1H MRS測定的代謝物及其臨床含義,1H MRS測定的代謝物及其臨床含義,乳酸（Lac）位于1.32ppm，由兩個共振峰組成，稱為雙重線；正常情況下，細胞代謝以有氧代謝為主，檢測不到Lac峰，或只檢測到微量；此峰出現(xiàn)說明細胞內(nèi)有氧呼吸被抑制，糖酵解過程加強；腦腫瘤中，Lac出現(xiàn)提示惡性程度較高，常見于多形膠質(zhì)母細胞瘤中；Lac也可以積聚于無代謝的囊腫和壞死區(qū)內(nèi)；,脂質(zhì)（Lip）位于1.3、0.9、1.5和6.0 ppm處，分布代表甲基、亞甲基、等位基和不飽和脂肪酸的乙烯基；共振頻率與Lac相似，可以遮蔽Lac峰；此峰多見于壞死腦腫瘤中，其出現(xiàn)提示壞死的存在；,1H MRS測定的代謝物及其臨床含義,肌醇（mI）位于3.56 ppm，可以用STEAM技術顯示；此代謝物被認為是激素敏感性神經(jīng)受體的代謝物，可能是葡萄糖醛酸的前體；mI含量的升高與病灶內(nèi)（尤其是慢性病灶內(nèi)）的膠質(zhì)增生有關；有研究認為，在低高級星形細胞瘤中，此峰隨著腫瘤惡性程度的增加而增高；,1H MRS測定的代謝物及其臨床含義,丙氨酸（Ala）位于1.3-1.44 ppm，常被Lac和Lip峰所遮蓋，其功能尚不肯定；谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺（Gln）位于2.1-2.5 ppm；Glu是一種興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，在線粒體代謝中具有重要功能；Gln參與神經(jīng)遞質(zhì)的滅活和調(diào)節(jié)活動；,1H MRS測定的代謝物及其臨床含義,腦腫瘤膠質(zhì)瘤表現(xiàn)為NAA峰下降、Cho峰升高，Cr峰稍有變化。Cho峰的升高與腫瘤的惡性相關；Cr峰隨腫瘤惡性程度的升高有降低趨勢；Lip峰出現(xiàn)于大多數(shù)高級別的腫瘤中，特別是腫瘤壞死區(qū)或鄰近壞死區(qū)；Lac峰多見于多形膠質(zhì)母細胞瘤中，低級星形細胞瘤中出現(xiàn)此峰則預示腫瘤進一步惡變的可能；,顱內(nèi)常見臨床疾病的1H MRS表現(xiàn),腦梗死31P波譜可見PCr和ATP下降，Pi升高， PCr/ Pi下降出現(xiàn)于ATP之前；1H波譜可見NAA下降，Lac增加，Cho和Cr下降；,顱內(nèi)常見臨床疾病的1H MRS表現(xiàn),感染性病變NAA、Cho、Cr明顯下降；Lac、Lip增加，有時見aa增加；,顱內(nèi)常見臨床疾病的1H MRS表現(xiàn),顱內(nèi)常見臨床疾病的1H MRS表現(xiàn),脫髓鞘性病變急性強化病灶Cho含量升高，NAA含量相對正常；mI含量常升高；慢性非強化病灶NAA，Cho含量均下降，程度不一；mI含量升高，尤其是在慢性繼發(fā)型MS；,顱內(nèi)常見臨床疾病的1H MRS表現(xiàn),腦代謝性疾病非酮性高甘氨酸血癥，腦MRS可見多余甘氨酸信號;線粒體疾病，MRS表現(xiàn)為信號減低和異常乳酸信號(氧化磷酸化障礙而致乳酸堆積);氏病人可見特異性信號升高。,顱內(nèi)常見臨床疾病的1H MRS表現(xiàn),癲癇濃度與額葉、顳葉癲癇發(fā)作頻率呈負相關；隨著發(fā)作頻率的增加,呈逐漸下降的趨勢,研究表明癲癇發(fā)作越頻繁神經(jīng)元喪失或功能缺失越嚴重。肌酸()和膽堿()峰值升高；與(+)的比值降低提示海馬硬化；1 還可用于測定與癲癇活動有關的神經(jīng)遞質(zhì): 氨基丁酸()、谷氨酸()和谷胺酰鹽()。,顱內(nèi)常見病變的代謝物特征,疾病 NAA Cr Cho Lac Lip aa腫瘤 - - -膿腫 梗死 - - -MS - - -癲癇 - - ,MRS掃描要點,確定MRS掃描的感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）；水和脂肪質(zhì)子峰的抑制待測定代謝物的