MRS颅内应用

MRS,1946年，哈佛大学Purcell和斯坦福大学Bloch各自独立地发现了核磁共振现象，为分子结构的研究提供了一种全新的手段，也因此获得1952年诺贝尔物理学奖。1971年Damadian发现肿瘤组织的T1和T2值比正常组织长。1973年Lauterbur得到了两个充水试管的核磁共振图像，并在1974年得到活鼠的核磁共振图像。1978年Mallard、Hutchison及Lauterbur利用0.040.085 Tesla的磁共振装备取得了第一幅人体头、胸和腹部图像。,磁共振成像的发展,生物组织中含有1H、13C、19F、23Na、31P等元素，有磁性的元素有百余种。在现今，研究和使用的最多的是1H。1H是磁化最高的原子核，可以得到较强的信号（即SNR高）；1H占活体组织中原子数的2/3，数量丰富。MRI时，均指的是1H原子核。MRS应用时，除1H外，还用到其它一些元素，如：31P可用于判定磷代谢产物的浓度，并可根据无机磷波谱的位置，测定pH值；13C可用于帮助诊断酶缺乏性疾病；,磁共振成像的原理,MRI & MRS比较,在本质上，MRS与MRI相同，其物理原理是相同的；不同的是，数据处理和数据显示方式的差别；MRI扫描后，一定时域内获得的信号被用于产生一个影像，如矢状、横轴和冠状等；MRS扫描后，一定时域内获得的信号通过快速傅立叶转换（Fourier Transform）产生一个质子成分按频率分布的波谱图，而此波谱图显示了构成该图像的各组成成分。,MRI获得的信号是由不同体素内氢核发射的已经在不同的空间方向进行频率和相位编码的信号。MRS能以质和量的方式获取氢原子核化学环境的信息，揭示某部分的质子组成成分。,MRI & MRS比较,绝大多数原子核都具有围绕自身轴线做旋转运动的特性，称之为自旋特性。原子核是带电粒子，在做自旋运动时，会在其周围产生一个微小的磁场，像小磁针一样，具有南北两极，其矢量大小用自旋磁矩表示。,MRI 的物理基础,原子核在外加磁场中自旋的同时，还以一定的角度围绕外加磁场方向进行旋转运动，这种运动称为进动（precession)。进动频率亦称角频率（ ），取决于外加磁场强度（B）和原子核的旋磁比（ ）： = B。上述方程式称为拉莫方程（Larmor Equation），其角频率又称为拉莫频率。旋磁比（）是原子核的固有特性，仅与原子核的种类有关。,MRI 的物理基础,外加射频脉冲（Radio Frequency，RF）频率与原子核拉莫频率相同时，原子核就会吸收射频脉冲的能量，从低能量状态转变到高能量状态，产生磁共振现象。对于某种给定的原子核，如氢核，激发所需要的射频脉冲的频率与磁场强度成正比，如1.5 Tesla场强下RF频率为63.86MHz，3.0 Tesla场强下则为137.72MHz。,MRI 的物理基础,对于具有相同原子序数的原子核，即同种元素的同位素，如氢原子核的三种同位素（氕，氘和氚），即使它们是在理想均匀的磁场中，进行精确地测量，其共振频率也不完全相同，而是在一个较窄的频率范围内。这种差异是由于原子核处于不同的化合物中，受到原子核周围的电子影响所致。,MRS 的物理基础,带负电荷的电子具有与原子核相似的自旋特性，在原子核周围形成具有屏蔽作用的磁场，这一磁场称为电子云。电子云的作用使得外加磁场对原子核的作用减弱。这种磁屏蔽作用的大小用屏蔽系数（）表示，被磁屏蔽作用消弱掉的磁场强度为B。这部分磁场（ B ）与外加磁场方向相反，强度与外加磁场强度（B）成正比。,MRS 的物理基础,屏蔽系数与原子核的特性（或者说种类）以及原子核所在的化学环境有关。化学环境指的是，原子核所在的分子结构。同一种原子核处在不同的分子结构中，甚至同一个分子结构的不同位置或者不同的基团中，其周围的电子数和电子分布都将有所不同，因而受到的磁屏蔽作用也不同。,MRS 的物理基础,所以，考虑到电子的磁屏蔽作用，拉莫方程应修正为： = （1- ）B。上式表示，处于化合物中的同一种原子核，由于所受磁屏蔽作用的程度不同（即 的大小不同），将具有不同的共振频率，这就是所谓的化学位移现象（Chemical Shift Phenomenon），也是磁共振波谱成像的基础。,MRS 的物理基础,化学位移（chemical shift）用于表示化合物中各组成成分的原子核共振的波峰位置。实际应用中，此频率数值并非用其绝对值（Hz，赫兹）表示，而是用一个相对值ppm表示。,化学位移的表示方法,=（ f - fr ）/ f106 ppm其中，表示化学位移， f表示被测原子核的共振频率， fr表示中心拉莫频率, ppm表示百万分之一。上式可反映不同化学环境屏蔽系数的差别。 是一个相对值，与外加磁场强度的大小无关，是非磁场依赖性的。,化学位移的表示方法,对于指定的MRI/MRS一体化扫描机器，其磁场强度是一定的。利用频率连续的RF脉冲激励选定区域的组织，处于不同化学环境的同类原子核会以不同的频率发生共振。在RF脉冲停止激励后，组织弛豫过程所产生信号的频率也是连续的。,磁共振波谱图,将接收线圈接收到的磁共振信号通过傅立叶转换，描绘成直角坐标中按频率分布的函数曲线，就得到磁共振波谱图。其中，纵坐标表示信号强度，横坐标表示共振频率。,磁共振波谱图,MRS测定的含1H基团,1H MRS可测定的活体组织代谢物分子基团：甲基（CH3-）：位于脂肪酸末端、乳酸、NAA、N-乙酰糖蛋白和胆碱；次甲基（-CH2-）：位于脂肪酸、谷氨酸、-氨基丁酸、肌酸和丙三醇羟基等；乙醇基（H-C-OH）：多位于糖中，如葡萄糖、肌醇；乙烯基或烃：位于饱和脂肪酸。,1H MRS测定的代谢物及其临床含义,N-乙酰基天门冬氨酸（NAA）正常脑组织1H MRS中的第一大峰，位于2.02-2.05ppm；与蛋白质和脂肪合成，维持细胞内阳离子浓度以及钾、钠、钙等阳离子通过细胞和维持神经膜的兴奋性有关；仅存在于神经元内，而不会出现于胶质细胞，是神经元密度和生存的标志；含量多少反映神经元的功能状况，降低的程度反映了其受损的大小。,1H MRS测定的代谢物及其临床含义,肌酸（Cr）正常脑组织1H MRS中的第二大峰，位于3.03ppm附近，有时在3.94ppm 处可见其附加峰（PCr）；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；此代谢物是脑细胞能量依赖系统的标志；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；峰值一般较稳定，常作为其它代谢物信号强度的参照物。,1H MRS测定的代谢物及其临床含义,1H MRS测定的代谢物及其临床含义,乳酸（Lac）位于1.32ppm，由两个共振峰组成，称为双重线；正常情况下，细胞代谢以有氧代谢为主，检测不到Lac峰，或只检测到微量；此峰出现说明细胞内有氧呼吸被抑制，糖酵解过程加强；脑肿瘤中，Lac出现提示恶性程度较高，常见于多形胶质母细胞瘤中；Lac也可以积聚于无代谢的囊肿和坏死区内；,脂质（Lip）位于1.3、0.9、1.5和6.0 ppm处，分布代表甲基、亚甲基、等位基和不饱和脂肪酸的乙烯基；共振频率与Lac相似，可以遮蔽Lac峰；此峰多见于坏死脑肿瘤中，其出现提示坏死的存在；,1H MRS测定的代谢物及其临床含义,肌醇（mI）位于3.56 ppm，可以用STEAM技术显示；此代谢物被认为是激素敏感性神经受体的代谢物，可能是葡萄糖醛酸的前体；mI含量的升高与病灶内（尤其是慢性病灶内）的胶质增生有关；有研究认为，在低高级星形细胞瘤中，此峰随着肿瘤恶性程度的增加而增高；,1H MRS测定的代谢物及其临床含义,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；谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺（Gln）位于2.1-2.5 ppm；Glu是一种兴奋性神经递质，在线粒体代谢中具有重要功能；Gln参与神经递质的灭活和调节活动；,1H MRS测定的代谢物及其临床含义,脑肿瘤胶质瘤表现为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；,颅内常见临床疾病的1H MRS表现,脑梗死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；,颅内常见临床疾病的1H MRS表现,感染性病变NAA、Cho、Cr明显下降；Lac、Lip增加，有时见aa增加；,颅内常见临床疾病的1H MRS表现,颅内常见临床疾病的1H MRS表现,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；,颅内常见临床疾病的1H MRS表现,脑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。,颅内常见临床疾病的1H MRS表现,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 - - ,MRS扫描要点,确定MRS扫描的感兴趣区（Region of Interest，ROI）；水和脂肪质子峰的抑制待测定代谢物的