磁共振功能成像的临床应用

1、磁共振功能成像的临床应用 The clinical application of functional MRI 1 1 历史 2 2 1945年由美国斯坦福大学的Bloch和哈佛大学的Purcell教授同时发现了磁共 振的物理现象，即处在某一静磁场中的原子核受到相应频率的电磁波作用时，处在某一静磁场中的原子核受到相应频率的电磁波作用时， 在它们的核能级之间发生共振跃迁现象在它们的核能级之间发生共振跃迁现象。 1971年纽约州立大学的 Damadian 教授在Science杂志上发表了题为 “核磁共振信号可检测疾病”和“癌组织中氢的T1时间延长”等论文。 1973年 Mansfields 研制出

2、脉冲梯度法选择成像断层。 1974年英国科学家研制成功组织内磁共振光谱仪。 1975年 Ernst 研制出相位编码成像方法。 1976年，得到了第一张人体MR图像（活体手指）。 1977年磁共振成像技术进入体层摄影实验阶段。 fMRI分类 3 3 4 4 扩散加权成像 Diffusion Weighted Imaging（DWI） 基本概念 5 5 弥散（弥散（diffusiondiffusion）：）： 也称扩散，是描述小分子在组织中微观运动的物理概念，是分子等微 观颗粒由高浓度向低浓度弥散的微观移动，即布朗运动，单位为mm2/s。分为 三类，即细胞外扩散，细胞内扩散，跨膜扩散。 受限弥散（

3、受限弥散（limited diffusionlimited diffusion）：）： 弥散运动将使溶液系统中的浓度梯度逐渐消失。但是，在生物体中细 胞内外或小器官内外却能保持不同的化学环境，这是由细胞膜的屏障作用决 定的，也就是说，膜有阻碍分子自由通过的功能，从而使有些分子的跨膜弥 散受到限制。受限弥散构成了弥散成像的基础。 6 6 弥散系数（diffusion coefficient，D） 表示分子的弥散程度，是指水分子单位时间内弥散的范围，单位为 mm2/s， D值越大，弥散的速率越大，反之则变小。D值对许多物理和生理因素均十分 敏感，在体内这个复杂的环境中心跳、脉搏、呼吸、血液灌注等自

4、主或不自主运 动都可以引起DWI信号减弱，因而在临床实际应用中常用能够反应整体组织结构特 征的表观扩散系数（ADC）来代替扩散系数D. 表观扩散系数(Apparent Diffusion Coefficient, ADC) 在弥散加权成像上，弥散加权的程度由弥散敏感因子（用b表示）决定，单位为 s/mm2。 ADC= Ln(S2-S1)/(b1-b2)，S1、S2是不同为弥散敏感因子（b1、b2）下的信号强 度，Ln为自 然对数。ADC值增大，代表水分子弥散增加，而DWI信号降低，反之亦然。 b值代表扩散敏感系数； r代表磁旋比； Gi和Gj分别为i轴和j轴上的磁场梯度强度； 代表梯度场持续时

5、间； 代表两个梯度场间隔时间。 b值越高，扩散的权重越重 b值越高，信号越弱 b值越高，信噪比越差 b值越高，相同TR内可采集的层数越少 出现周围神经的刺激症状也限制了太高的b值。 较小的b值可得到的较高信噪比的图像，但对水分子扩散运动的检测 不敏感 因此，b值的选择非常重要， 用小b值进行DWI，在一定程度上反 映了局部组织的微循环灌注，但所测得的ADC值稳定性较差，且易受其 他生理活动的影响，不能有效反映水分子的弥散运动；用大b值进行 DWI，所测得的ADC值受局部组织的微循环灌注影响较小，能较好反映 水分子的弥散运动，b=0时产生无弥散加权的时产生无弥散加权的T2WI. 原理 1111

6、人体中70%是水，通常所说的弥散主要指水分子或含水组织的弥散。在 任一常规MR成像序列中加入弥散梯度突出弥散效应即可行弥散加权成像， 通过在常规自旋回波成像序列基础上，在180度聚焦射频脉冲前后各加上 一个位置对称、极性相反的梯度场，在梯度场的作用下，弥散中的水分子 中的横向磁化发生相位位移，这种相位位移广泛扩散，相互干扰，导致MR 信号衰减，从而形成DWI上的信号。 1313 1.1.自由水扩散自由，信号衰减多，呈低信号；自由水扩散自由，信号衰减多，呈低信号； 2.2.结合水扩散受限，信号衰减少，呈高信号。结合水扩散受限，信号衰减少，呈高信号。 错误 1414 无创探测活体组织中水分子扩散的

7、唯一方法 信号来源于组织中的自由水自由水 结合水尽管活动受限，但仍不能产生信号 不同组织对自由水扩散限制程度不同产生DWI对比，是检测组织中自由水限制性 扩散的程度 自由水扩散越自由信号丢失多，DWI信号越低 自由水扩散越受限信号丢失少，DWI信号越高 临床应用 1515 由于脑组织成分均匀，比其他部位发生的运动伪影少，因而DWI首先在脑部 应用。弥散成像已用于脑梗塞、脑肿瘤、多发性动脉硬化症以及其他病理变化 的研究中。 1616 1.脑梗塞 脑梗死超急性期（6h），由于急性缺血、缺氧，钠-钾泵功能失调，水分子 从细胞外进入细胞内，从而产生细胞毒性水肿，水分子弥散受限，ADC值下降， DWI呈

8、高信号。超急性脑梗死的ADC下降主要与细胞毒性水肿有关，要比反映血管 源性水肿的T2WI高信号早得多。血管源性水肿是由于血脑屏障破坏，血浆由血管 内漏出进入细胞外间隙引起的。人脑脑梗死显示DWI上异常信号的最早时间11min. 超急性期脑梗死（3h） 1717 脑梗死超急性期（6h），常规MRI表现正常，而DWI高信号。 急性期脑梗死（24h） 1818 脑梗死急性期（6h3d），T2呈稍高信号，DWI上梗死信号进一步升高， ADC值下降。 亚急性期（10d） 1919 亚急性期（3d3周），随着血管源性水 肿的加重及细胞裂解，细胞外间隙水分 增多，弥散速度加快，直到与脑组织相 同（10d左右

9、），ADC值逐渐增加，达 到并高于正常值，期间在ADC图上梗死 灶可以表现为等信号，出现“假性正常 化”。 慢性期（3m） 2020 慢性期（3周3个月），梗死区发生软 化，产生快速弥散，ADC值可逐渐接近 脑脊液，在DWI上表现为低信号，ADC 图上类似脑脊液的高信号。 脑梗塞的演变过程 2121 早期梗死早期梗死：ADC起决定作用，DWI为高信号。 亚急性期亚急性期：血管源性水肿明显，ADC有所升高，但T2对比度对DWI有很大作用。 后期后期： T2对DWI的贡献无变化，但ADC明显升高，使DWI的信号下降。 2222 2.颅内环形强化病变的鉴别诊断 脑脓肿和囊变、坏死为主的胶质瘤和脑转移

10、瘤在临床表现及常规MRI上有时缺 乏特征性。二者均可表现为T1低信号，T2高信号，增强后囊壁呈均一或不规则的 环状强化，并有不同程度的占位效应均周围水肿，有时难以鉴别。 2323 脑脓肿脓液具有高度粘滞性，含有大量细菌、炎性细胞、细胞碎屑和蛋白复 合物，限制了水分子的随机运动，DWI表现为高信号，ADC值降低。而肿瘤的坏死 或囊腔内通常包含坏死肿瘤细胞的碎屑、细胞碎片、炎性细胞等，黏液性成分含 量较少，富含浆液性液体，其内水分子扩散运动增加，DWI表现为低信号，ADC图 为高信号。 2424 高英 肺癌脑转移 2727 值得注意的是，文献中有转移瘤及放射性坏死DWI上呈高信号的个案报道，也 有

11、由于脓肿形成、成熟及液化，脑脓肿的DWI信号强度及ADC值明显变化的情况。 尽管如此，DWI在鉴别脑脓肿和脑肿瘤囊变坏死仍有具有重要的价值。 2828 3.颅脑囊性病变的鉴别诊断 颅内表皮样囊肿和蛛网膜囊肿均可发生在鞍区、桥小脑角区、松果体区和 脑室内，均可呈脑脊液信号，常规MR检查有时区别困难。 2929 蛛网膜囊肿 表皮样囊肿 3030 蛛网膜囊肿 表皮样囊肿 3131 表皮样囊肿囊腔内为含有上皮碎屑、角蛋白、胆固醇结晶及其他脂质成分的 豆渣样油腻液体，粘稠度极高，水分子弥散受限。蛛网膜囊肿是脑脊液被包围在 蛛网膜所形成的袋状结构，水分子运动相对自由，DWI呈低信号。 4. 在评价弥漫性轴

12、索损伤中的价值 头部受到切线方向暴力时，脑组织绕中轴发生旋转运动，导致脑白 质、灰白质交界区和中线结构等部位的撕裂和轴索损伤，主要累及皮髓质 交界区，胼胝体压部，深部灰质及脑干。 其特点为：广泛性白质变性，其特点为：广泛性白质变性， 小灶性出血，神经轴索回缩球，小胶质细胞簇出现，常与其他颅脑损小灶性出血，神经轴索回缩球，小胶质细胞簇出现，常与其他颅脑损 伤合并，死亡率高。伤合并，死亡率高。 1、DWI和ADC均表现为高信号，提示 病变为血管源性水肿，病变可逆。 2、DWI高信号，ADC低信号，提示病 变为细胞毒性水肿，恢复困难。 3、DWI、ADC表现各异，病变为各种 不同时期的出血，预后较差

13、。 弥漫性轴索损伤：细胞毒性水肿，恢复困难 3535 扩散张量成像 Diffusion Tensor Imaging（DTI） 基本概念 3636 均质介质中水分子的运动是无序随机运动，即向各个方向运动的几率是 相同，即具有各向同性（isotropyisotropy） 在人体组织中，水分子的运动由于受到组织细胞结构的影响，在各个方 向弥散程度是不同的，具有方向依赖性，即具有各向异性( (anisotropy)anisotropy) 原理 3737 在神经纤维组织，水分子因受髓鞘、轴索排列方式等影响，表现为沿纤维走行 方向的扩散比与其垂直方向更容易。且在脑内不同组织的神经纤维上各向异性不同， 如

14、胼胝体、椎体束、内囊前肢、半卵圆中心的各向异性依次降低，可以利用水分子 弥散的各向异性来追踪纤维的走行。 临床应用 3838 白质纤维束示踪成像（白质纤维束示踪成像（fiber tractographyfiber tractography） 3939 显示白质纤维和肿瘤的相互关系，利于指导外科手术，这是DTI技术最有临 床价值和应用的前景。 4040 灌注加权成像 Perfusion Weighted Imaging（PWI） 基本概念 4141 脑血流量脑血流量(cerebral blood flow, CBF)(cerebral blood flow, CBF)：指在单位时间内流经一定量组

15、织 血管结构的血流量。 脑血容量（脑血容量（cerebral blood volumecerebral blood volume，CBVCBV）：指存在于一定量组织血管结 构内的血容量。CBV=CBF*MTT：CBV降低=低灌注 ，升高=高灌注。 平均通过时间平均通过时间(mean transit time, MTT)(mean transit time, MTT)：指血液流经血管结构时,包括动 脉、毛细血管、静脉窦、静脉，所经过的路径不同，其通过时间也不同，因此 用平均通过时间表示，主要反映的是对比剂通过兴趣区脑组织的平均时间。 峰值时间（峰值时间（Transit time to the p

16、eakTransit time to the peak，TTPTTP）：指从对比剂开始出现到对 比剂达峰值的时间。 rCBFrCBF、rCBVrCBV、rMTTrMTT、rTTPrTTP 原理 4242 注入顺磁性造影剂如Gd-DTPA，血管腔内的磁敏感性增加，在局部产生梯度场， 导致磁场不均匀，进而引起邻近氢质子共振频率改变，使质子自旋失相位，T2值缩 短，从而使得T2WI信号强度降低。血脑屏障（blood brain barrier，BBB）存在时， Gd-DTPA不能通过毛细血管进入组织间隙，不影响组织的T1时间，因此不产生T1增 强效应。采用快速成像序列，获得对比剂首次通过受检组织前、

17、通过中和通过后一 段时间内的一系列动态图像，从而评价组织的血流灌注情况。 应用 4343 1.短暂性脑缺血发作（transient ischemic attacks，TIA） 指症状持续时间CBFCBV. 发病后20h 发病后20h CT平扫低密度区面积与各 参数图低灌注区一致，1周 后复查病灶不变，说明低密 度区代表因血流灌注减少所 致的难以恢复的缺血脑组织。 发病后2h 发病后2h CBV-CBF MTT TTP CBF下降,CBV正常,说明缺血 脑组织仍有自身调节 （autoregulation）功能,脑 损伤轻,有可能恢复。 CBF 小动脉及毛细血管 扩张 CBV或正常 mismatc

18、h模型 缺血半暗带（缺血半暗带（ischemic penumbra，IP）：）： 定义为围绕在不可逆性损伤区域 之外的电生理活动消失，但尚能 维持自身离子平衡的脑组织。 match PWI=DWI，不存在缺血半暗带，不宜溶栓治疗，否 则容易出现出血性脑梗塞。 mismatch DWI显示左侧枕叶脑梗塞，PWI显示的病变范围与DWI完全不匹配， 几乎整个左侧大脑半球都出现灌注不足。DWI间变 性星形细胞瘤低级别胶质瘤，灌注成像能够在活体上快速而几乎无 创地量化反映组织的血管生成及分布情况，从而达到对胶质瘤分级 的目的。 星形细胞瘤 2级 间变性星形细胞瘤 3级 低级别星形细胞肿瘤多为相对低 灌注

19、、高通透性；高级别星形细 胞肿瘤多为高灌注、高通透性。 敏感度超过80%，特异度超过90%. 5656 磁敏感加权成像 Susceptibility Weighted Imaging（SWI） 原理 5757 SWI是一种利用不同组织间的磁敏感性差异而成像的技术，对小静脉、微出血和 铁沉积更敏感。 临床应用 海绵状血管瘤 动静脉畸形 毛细血管 扩张症 弥漫性轴索损伤（diffuse axonal injury，DAI） 文献报道1,2，DAI微出血灶检出数 SWIDWIT2WIT1WI，SWI可以将动脉、静脉、微出血区分 开来，清晰显示细小静脉及微出血。有研究表明，脑出血发病后 1h甚至23m

20、in后，SWI就可以发现病变，说明SWI对急性期、超 急性期出血极为敏感，其敏感性明显超过CT及常规MRI序列。 1 LinfanteI，Llinas RH，CaplanLR，et alMRI features of intracerebral hemorrhage within 2 hours from symptomonsetJStroke，199930(11)：22632267 2 Patel MR，Edelman PP，Warach SDetection of hyper acute primary intraparenchymal hemorrhage by magnetic res

21、ouance imaging L JStroke，1996，27(12)：23212324 6363 血氧水平依赖法脑功能成像技术 Blood Oxygenation Level Dependented （BOLD） 原理 6464 当脑组织兴奋时，局部血管扩张，流入大量含氧丰富的新鲜血液，其携带的含 氧血红蛋白远远超过氧的消耗，因此总的来说，静脉血中逆磁性物质也就是含氧血 红蛋白的含量还是增加的，这样氢核的去相位就会减慢，从而延长了T2，最终导致 T2加权像的信号增加。通过磁共振成像系统采集到的图像上可见到激活脑区的信号 强度增加，从而获得激活脑区的功能成像图。 临床应用 6666 磁共振波

22、谱分析 Magnetic Resonance Spectroscopy（MRS） 原理 6767 磁共振波谱（磁共振波谱（Magnetic Resonance SpectroscopyMagnetic Resonance Spectroscopy，MRSMRS）分析技术是利用MR 成像分析体内生化物质结构及含量的一种完全无创的成像方法。其基本原理乃基于 化学位移现象。在均匀磁场中，同种元素的同一原子由于其化学结构的差异，拉莫 频率也不相同，这种频率差异称为化学位移。MRS实际上就是某种原子的化学位移 分布图。其横轴表示化学位移，通常以百分万率（百分万率（parts per millionpar

23、ts per million，ppmppm）为 单位表示，以消除其与磁场强度的依赖性。纵轴表示各种具有不同化学位移的原子 的相对含量。临床应用的主要是H质子核的共振谱。 常见代谢产物的1H MRS共振峰 6868 1 1NAANAA（N-acetylaspartateN-acetylaspartate）：）： 氮-乙酰天门冬氨酸峰。主峰位于2.0ppm处。是神经元的标志。是脑MRS谱峰中 最高者，神经元减少，功能受损，肿瘤侵犯时会下降甚至消失。高级别胶质瘤 NAA下降；但低级别胶质瘤NAA可正常。 2 2Cr/PcrCr/Pcr（creatine and phosphocreatinecrea

24、tine and phosphocreatine）：）： 肌酸-磷酸肌酸峰。共振峰位于3.0ppm及3.94ppm，主峰在3.0ppm。包括肌酸、 磷酸肌酸及少量-氨基丁酸、赖氨酸及谷胱甘肽。因其含量在各种病理状态下 较稳定，故常用作参考值比较其他代谢产物的变化。 6969 3 3ChoCho（choline containing compoundscholine containing compounds）：）： 胆碱复合物。包括磷酸胆碱、甘油磷酸胆碱及磷脂酰胆碱等，共振峰位于 3.2ppm处，代表细胞增殖活性，被认为是颅内肿瘤最特异的标记物。Cho水平升 高和Cho/Cr比率升高强烈提示肿瘤

25、。 4 4MIMI（myoinositolmyoinositol）：）： 肌醇峰。共振峰位于3.56ppm及4.06ppm，其主要作用为调节渗透压、营养细胞、 抗氧化作用及生成表面活性物质等。为星形细胞中神经胶质的标记物，髓鞘溶 解时升高，肿瘤时多下降。 5 5LacLac（lactatelactate）： 乳酸峰。共振峰位于1.3ppm，来源于葡萄糖的无氧代谢产物乳酸。一般认为，Lac 峰升高与恶性或侵袭性很高的肿瘤有关，亦有可能与含坏死组织有关，治疗后出现 Lac峰可能与治疗后脑水肿、血脑屏障破坏有关。 6 6GLXGLX（Gln+GluGln+Glu）： 谷氨酰胺（glutamine）及

26、谷氨酸（glutamic）复合物峰。共振峰位于2.2 2.4ppm（+峰）及3.63.8ppm（峰），谷氨酸是一种兴奋性氨基酸，可与氨 生成谷氨酰胺而参与脑内氨的解毒作用，同时还是抑制性神经递质-氨基丁酸合成 的前体，具有兴奋性作用，在脑组织缺血缺氧状态及肝性脑病时增高。升高多见于脑 膜瘤，有助于鉴别颅内脑外和表浅部位的脑内肿瘤。 7 7AlaAla（alaninealanine）： 丙氨酸峰。位于1.47ppm，此峰不常出现，脑膜瘤出现的几率为其它肿瘤的 4倍。 8 8LipLip（lipidlipid）： 脂质峰。正常脑组织脂质峰可出现于0.8、1.2、1.5及6.0ppm等处，是由 甲基

27、、亚甲基、等位基和不饱和脂肪酸的乙烯基组成。若发现异常增高的 Lip峰则一般预示着病变的恶性度很高，代表组织坏死后的代谢产物的聚集、 游历的脂肪酸、乳酸的产生以及氨基酸的残留等，恶性肿瘤及肿瘤放疗后出 现较多。 临床应用 Cho增加，NAA降低 胶质瘤 胶质瘤NAA峰值降低，Cho增高，NAA/Cho、NAA/Cr比值降低，Cho/Cr比值增高。 出现坏死时可见Lac峰，高度恶性胶质瘤中可见脂质峰，这是由于瘤细胞坏死所致。 Cho峰明显增高，这是胶质瘤波谱较为特征的表现。 Cho含量的增加是与临床情况的恶化相平行的。 胶质瘤分级 文献报道，以瘤体强化区的代谢物 NAA/Cho0.55为阈值，瘤周 水肿区的代谢物 NAA/Cho1.18 为阈值来鉴别高低级别胶质瘤具 有很高的灵敏度和特异性 磁共振波谱分析在颅脑胶质瘤分级中的应用研究 文章编号 ：1006-6586(2012)01-0019-07 中图分类号 ： R814.4 文献标识码 ：A 鉴别胶质瘤和转移瘤 转移瘤无星形细胞或神经元，表现为无NAA及Cr峰瘤周水肿区无Cho 峰。Smith等认为脑转移瘤和胶质瘤的区别在于脑转移瘤有清楚边界， 瘤体邻近的组织在波谱上无明显异常，胶质瘤在强化区域以外可以显 示异常的波谱。 Smith JK