MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識

MRSMRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第1頁1946年，哈佛大學(xué)Purcell和斯坦福大學(xué)Bloch各自獨立地發(fā)覺了核磁共振現(xiàn)象，為分子結(jié)構(gòu)研究提供了一個全新伎倆，也所以取得1952年諾貝爾物理學(xué)獎。1971年Damadian發(fā)覺腫瘤組織T1和T2值比正常組織長。1973年Lauterbur得到了兩個充水試管核磁共振圖像，并在1974年得到活鼠核磁共振圖像。1978年Mallard、Hutchison及Lauterbur利用0.04~0.085Tesla磁共振裝備取得了第一幅人體頭、胸和腹部圖像。磁共振成像發(fā)展MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第2頁生物組織中含有1H、13C、19F、23Na、31P等元素，有磁性元素有百余種。在現(xiàn)今，研究和使用最多是1H。1H是磁化最高原子核，能夠得到較強信號（即SNR高）；1H占活體組織中原子數(shù)2/3，數(shù)量豐富。MRI時，均指是1H原子核。MRS應(yīng)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)物濃度，并可依據(jù)無機磷波譜位置，測定pH值；13C可用于幫助診療酶缺乏性疾病；磁共振成像原理MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第3頁MRI&MRS比較在本質(zhì)上，MRS與MRI相同，其物理原理是相同；不一樣是，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示方式差異；MRI掃描后，一定時域內(nèi)取得信號被用于產(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)取得信號經(jīng)過快速傅立葉轉(zhuǎn)換（FourierTransform）產(chǎn)生一個質(zhì)子成份按頻率分布波譜圖，而此波譜圖顯示了組成該圖像各組成成份。MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第4頁MRI取得信號是由不一樣體素內(nèi)氫核發(fā)射已經(jīng)在不一樣空間方向進行頻率和相位編碼信號。MRS能以質(zhì)和量方式獲取氫原子核化學(xué)環(huán)境信息，揭示某部分質(zhì)子組成成份。MRI&MRS比較MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第5頁絕大多數(shù)原子核都含有圍繞本身軸線做旋轉(zhuǎn)運動特征，稱之為自旋特征。原子核是帶電粒子，在做自旋運動時，會在其周圍產(chǎn)生一個微小磁場，像小磁針一樣，含有南北兩極，其矢量大小用自旋磁矩表示。MRI物理基礎(chǔ)MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第6頁原子核在外加磁場中自旋同時，還以一定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（ω），取決于外加磁場強度（B）和原子核旋磁比（γ）：ω=γB。上述方程式稱為拉莫方程（LarmorEquation），其角頻率又稱為拉莫頻率。旋磁比（γ）是原子核固有特征，僅與原子核種類相關(guān)。MRI物理基礎(chǔ)MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第7頁外加射頻脈沖（RadioFrequency，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。對于某種給定原子核，如氫核，激發(fā)所需要射頻脈沖頻率與磁場強度成正比，如1.5Tesla場強下RF頻率為63.86MHz，3.0Tesla場強下則為137.72MHz。MRI物理基礎(chǔ)MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第8頁對于含有相同原子序數(shù)原子核，即同種元素同位素，如氫原子核三種同位素（氕，氘和氚），即使它們是在理想均勻磁場中，進行準確地測量，其共振頻率也不完全相同，而是在一個較窄頻率范圍內(nèi)。這種差異是因為原子核處于不一樣化合物中，受到原子核周圍電子影響所致。MRS物理基礎(chǔ)MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第9頁帶負電荷電子含有與原子核相同自旋特征，在原子核周圍形成含有屏蔽作用磁場，這一磁場稱為電子云。電子云作用使得外加磁場對原子核作用減弱。這種磁屏蔽作用大小用屏蔽系數(shù)（）表示，被磁屏蔽作用消弱掉磁場強度為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物理基礎(chǔ)MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第10頁屏蔽系數(shù)與原子核特征（或者說種類）以及原子核所在化學(xué)環(huán)境相關(guān)?；瘜W(xué)環(huán)境指是，原子核所在分子結(jié)構(gòu)。同一個原子核處于不一樣分子結(jié)構(gòu)中，甚至同一個分子結(jié)構(gòu)不一樣位置或者不一樣基團中，其周圍電子數(shù)和電子分布都將有所不一樣，因而受到磁屏蔽作用也不一樣。MRS物理基礎(chǔ)MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第11頁所以，考慮到電子磁屏蔽作用，拉莫方程應(yīng)修正為：ω=γ（1-）B。上式表示，處于化合物中同一個原子核，因為所受磁屏蔽作用程度不一樣（即大小不一樣），將含有不一樣共振頻率，這就是所謂化學(xué)位移現(xiàn)象（ChemicalShiftPhenomenon），也是磁共振波譜成像基礎(chǔ)。MRS物理基礎(chǔ)MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第12頁化學(xué)位移（chemicalshift）用于表示化合物中各組成成份原子核共振波峰位置。實際應(yīng)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(xué)位移表示方法MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第13頁=（f-fr）/f106ppm其中，表示化學(xué)位移，f表示被測原子核共振頻率，fr表示中心拉莫頻率,ppm表示百萬分之一。上式可反應(yīng)不一樣化學(xué)環(huán)境屏蔽系數(shù)差異。是一個相對值，與外加磁場強度大小無關(guān)，是非磁場依賴性?；瘜W(xué)位移表示方法MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第14頁對于指定MRI/MRS一體化掃描機器，其磁場強度是一定。利用頻率連續(xù)RF脈沖激勵選定區(qū)域組織，處于不一樣化學(xué)環(huán)境同類原子核會以不一樣頻率發(fā)生共振。在RF脈沖停頓激勵后，組織弛豫過程所產(chǎn)生信號頻率也是連續(xù)。磁共振波譜圖MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第15頁將接收線圈接收到磁共振信號經(jīng)過傅立葉轉(zhuǎn)換，描繪成直角坐標中按頻率分布函數(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顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第16頁MRS測定含1H基團1HMRS可測定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。MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第17頁1HMRS測定代謝物及其臨床含義N-乙?；扉T冬氨酸（NAA）正常腦組織1HMRS中第一大峰，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、鈣等陽離子經(jīng)過細胞和維持神經(jīng)膜興奮性相關(guān)；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)元密度和生存標志；含量多少反應(yīng)神經(jīng)元功效情況，降低程度反應(yīng)了其受損大小。MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第18頁1HMRS測定代謝物及其臨床含義肌酸（Cr）正常腦組織1HMRS中第二大峰，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)標志；能量代謝提醒物，在低代謝狀態(tài)下增加，而在高代謝狀態(tài)下減低；峰值普通較穩(wěn)定，常作為其它代謝物信號強度參考物。MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第19頁1HMRS測定代謝物及其臨床含義膽堿（Cho）位于3.2ppm附近；由磷酸膽堿、磷酸甘油膽堿、磷脂酰膽堿組成，反應(yīng)腦內(nèi)總膽堿量；細胞膜磷脂代謝成份之一，參加細胞膜合成和蛻變，從而反應(yīng)細胞膜更新；Cho峰是評價腦腫瘤主要共振峰之一，腫瘤快速細胞分裂造成細胞膜轉(zhuǎn)換和細胞增殖加緊，從而使Cho峰增高；Cho峰在幾乎全部原發(fā)和繼發(fā)性腦腫瘤中都升高；惡性程度高腫瘤中，Cho/Cr比值顯示增高。MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第20頁1HMRS測定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)提醒惡性程度較高，常見于多形膠質(zhì)母細胞瘤中；Lac也能夠積聚于無代謝囊腫和壞死區(qū)內(nèi)；MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第21頁脂質(zhì)（Lip）位于1.3、0.9、1.5和6.0ppm處，分布代表甲基、亞甲基、等位基和不飽和脂肪酸乙烯基；共振頻率與Lac相同，能夠遮蔽Lac峰；此峰多見于壞死腦腫瘤中，其出現(xiàn)提醒壞死存在；1HMRS測定代謝物及其臨床含義MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第22頁肌醇（mI）位于3.56ppm，能夠用STEAM技術(shù)顯示；此代謝物被認為是激素敏感性神經(jīng)受體代謝物，可能是葡萄糖醛酸前體；mI含量升高與病灶內(nèi)（尤其是慢性病灶內(nèi)）膠質(zhì)增生相關(guān)；有研究認為，在低高級星形細胞瘤中，此峰伴隨腫瘤惡性程度增加而增高；1HMRS測定代謝物及其臨床含義MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第23頁丙氨酸（Ala）位于1.3-1.44ppm，常被Lac和Lip峰所遮蓋，其功效尚不必定；谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺（Gln）位于2.1-2.5ppm；Glu是一個興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，在線粒體代謝中含有主要功效；Gln參加神經(jīng)遞質(zhì)滅活和調(diào)整活動；1HMRS測定代謝物及其臨床含義MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第24頁腦腫瘤膠質(zhì)瘤表現(xiàn)為NAA峰下降、Cho峰升高，Cr峰稍有改變。Cho峰升高與腫瘤惡性相關(guān)；Cr峰隨腫瘤惡性程度升高有降低趨勢；Lip峰出現(xiàn)于大多數(shù)高級別腫瘤中，尤其是腫瘤壞死區(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(yù)示腫瘤深入惡變可能；顱內(nèi)常見臨床疾病1HMRS表現(xiàn)MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第25頁腦梗死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1HMRS表現(xiàn)MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第26頁感染性病變NAA、Cho、Cr顯著下降；Lac、Lip增加，有時見aa增加；顱內(nèi)常見臨床疾病1HMRS表現(xiàn)MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第27頁顱內(nèi)常見臨床疾病1HMRS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；MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第28頁顱內(nèi)常見臨床疾病1HMRS表現(xiàn)腦代謝性疾病非酮性高甘氨酸血癥，腦MRS可見多出甘氨酸信號;線粒體疾病，MRS表現(xiàn)為ＮＡＡ信號減低和異常乳酸信號(氧化磷酸化障礙而致乳酸堆積);Ｃａｎａｖａｎ氏病人可見特異性ＮＡＡ信號升高。MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第29頁顱內(nèi)常見臨床疾病1HMRS表現(xiàn)癲癇ＮＡＡ濃度與額葉、顳葉癲癇發(fā)作頻率呈負相關(guān)；伴隨發(fā)作頻率增加,ＮＡＡ呈逐步下降趨勢,研究表明癲癇發(fā)作越頻繁神經(jīng)元喪失或功效缺失越嚴重。肌酸(Ｃｒ)和膽堿(Ｃｈｏ)峰值升高；ＮＡＡ與(Ｃｒ+Ｃｈｏ)比值降低提醒海馬硬化；1ＨＭＲＳ還可用于測定與癲癇活動相關(guān)神經(jīng)遞質(zhì):ｒ氨基丁酸(ＧＡＢＡ)、谷氨酸(Ｇｌｕ)和谷胺酰鹽(Ｇｌｎ)。MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第30頁顱內(nèi)常見病變代謝物特征疾病NAACrChoLacLipaa腫瘤---膿腫梗死---MS---癲癇--MRS顱內(nèi)應(yīng)用專題知識第31頁MRS掃描關(guān)鍵點確定MRS掃描感興趣區(qū)（RegionofInterest，ROI）；水和脂肪質(zhì)子峰抑制