磁共振波谱在诊断颅内肿瘤中的应用

Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 磁共振波谱（磁共振波谱（ MRS） 在诊断颅内肿瘤中的应用在诊断颅内肿瘤中的应用 1 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 一一 基础理论基础理论 2 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 磁共振波谱磁共振波谱 (Magnetic resonance spectroscopy， MRS)概念概念 可检测出活体组织代谢物的浓度，为可检测出活体组织代谢物的浓度，为 MRI影影 像提供定量诊断依据像提供定量诊断依据 可反映组织的代谢信息和状态，来确定组可反映组织的代谢信息和状态，来确定组 织的性质织的性质 是目前唯一无创研究人体器官、组织代谢是目前唯一无创研究人体器官、组织代谢 、生化改变及化合物定量分析的方法、生化改变及化合物定量分析的方法 3 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 磁共振波谱磁共振波谱 (Magnetic resonance spectroscopy， MRS)历史历史 20世纪世纪 40年代，国外最早开始研究波谱学年代，国外最早开始研究波谱学 1946年，美国的年，美国的 Purcell和和 Bloch发现了核磁共振现象发现了核磁共振现象 5年后，年后， Proctor和和 Yu提出核子的提出核子的 “化学位移化学位移 (chemical shift)” 20世纪世纪 50年代，国内波谱学研究工作开始年代，国内波谱学研究工作开始 20世纪世纪 70年代，提出二维傅立叶变换概念年代，提出二维傅立叶变换概念 ，人体和动物的磁共振研究由此开始，人体和动物的磁共振研究由此开始 20世纪世纪 90年代，开始应用于临床年代，开始应用于临床 4 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 化学位移化学位移 (chemical shift) 在同一均匀磁场中，不同化合物的同一原在同一均匀磁场中，不同化合物的同一原 子核由于其所处的化学环境不同，共振频子核由于其所处的化学环境不同，共振频 率就会有所差别，这种现象就是化学位移率就会有所差别，这种现象就是化学位移 单位单位 :采用磁场强度（检测物与参照物共振频率相比得到的相对值采用磁场强度（检测物与参照物共振频率相比得到的相对值 ） 的百万分之一的百万分之一 (ppm) 来表示，在来表示，在 MRS谱线上，横座标最右边一点即谱线上，横座标最右边一点即 中心频率位置定义为零，其中心频率位置定义为零，其 ppm值向左依次增加值向左依次增加 化学位移可将含有同种原子核的不同化合化学位移可将含有同种原子核的不同化合 物根据其化学位移的程度在频率轴上区别物根据其化学位移的程度在频率轴上区别 开来开来 5 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 磁共振波谱磁共振波谱 (Magnetic resonance spectroscopy， MRS)原理原理 每一带电的原子核自旋即可在其周围产生一微弱每一带电的原子核自旋即可在其周围产生一微弱 磁场，置于外加磁场，其自旋轴就会趋于平行或磁场，置于外加磁场，其自旋轴就会趋于平行或 反方向于这个磁场方向反方向于这个磁场方向 施加射频脉冲，处于低能状态的原子核因吸收了施加射频脉冲，处于低能状态的原子核因吸收了 能量而跃迁到高能状态；射频脉冲停止，高能态能量而跃迁到高能状态；射频脉冲停止，高能态 的原子核即弛豫的原子核即弛豫 (relaxation)或恢复到低能状态或恢复到低能状态 ，并以射频脉冲信号的形式释放出吸收的能量，并以射频脉冲信号的形式释放出吸收的能量 弛豫过程中自由感应衰减弛豫过程中自由感应衰减 (free induction decay,FID) 的射频脉冲信号被检测后，经傅立叶的射频脉冲信号被检测后，经傅立叶 转换，所形成的频率转换，所形成的频率 -信号强度曲线即磁共振波谱信号强度曲线即磁共振波谱 6 Department of Neurosurgery Peking University People s Hospital 氢质子磁共振波谱氢质子磁共振波谱 (1H-MRS) 目前，可用在医学领域波谱研究的原子核目前，可用在医学领域波谱研究的原子核 有有 1H、 31P、 23Na、 13C、 19F、 7Li等等 由于氢质子由于氢质子 1H较其他原子核在有机物结构中较其他原子核在有机物结构中 具有高自然丰度和核磁感性，故做波谱分具有高自然丰度和核磁感性，故做波谱分 析时多采用析时多采用 1H 1H-MRS在脑部疾病诊断中的应用最为广泛在脑部疾病诊断中的应用最为广泛 如如 :脑肿瘤、脑梗塞、脑脓肿、脑炎、癫痫、家族性精脑肿瘤、脑梗塞、脑脓肿、脑炎、癫痫、家族性精 神分裂症、缺血缺氧性脑病、多发性硬化、肝性脑病、脑神分裂症、缺血缺氧性脑病、多发性硬化、肝性脑病、脑 部的放射性损伤等部的放射性损伤等 7 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital MRS的兴趣区的兴趣区 (region of intrest,ROI) 先行磁共振检查，在适当的时间里在磁共振上设先行磁共振检查，在适当的时间里在磁共振上设 定波谱磁共振检查的靶区，摈弃周围组织的影响定波谱磁共振检查的靶区，摈弃周围组织的影响 ，称为，称为 MRS的兴趣区的兴趣区 (region of intrest,ROI) 对于肿瘤来说，对于肿瘤来说， ROI多选择瘤内实体区、坏死区、多选择瘤内实体区、坏死区、 瘤周区等及与相应解剖学部位对应的对侧正常区瘤周区等及与相应解剖学部位对应的对侧正常区 瘤周区定义为瘤周区定义为 T2WI上显示为高信号而在增强上显示为高信号而在增强 T1WI上无强化的肿瘤上无强化的肿瘤 周围区域，约肿瘤周围的周围区域，约肿瘤周围的 2cm左右的区域左右的区域 目前人体研究目前人体研究 1H-MRS的的 ROI为为 1-8ml 8 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 相对定量相对定量 不同化合物可根据其不同化合物可根据其 MRS共振峰位置不同加以区别共振峰位置不同加以区别 MRS共振峰面积与共振核数目成正比，反映了化合共振峰面积与共振核数目成正比，反映了化合 物的浓度物的浓度 测定绝对浓度会受到许多问题的困扰，如检查条测定绝对浓度会受到许多问题的困扰，如检查条 件的不同、共振峰的重叠、涡流导致峰宽增宽等件的不同、共振峰的重叠、涡流导致峰宽增宽等 普遍采用的是两种代谢物波峰下面积的比值，即普遍采用的是两种代谢物波峰下面积的比值，即 相对定量的方法来代表代谢物的相对浓度相对定量的方法来代表代谢物的相对浓度 相对定量的方法有利于自我调整成像仪、定位方相对定量的方法有利于自我调整成像仪、定位方 法的差异和增益的不稳定性，减少部分容积效应法的差异和增益的不稳定性，减少部分容积效应 9 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 二二 各种代谢物各种代谢物 10 目前在大多数颅内肿瘤目前在大多数颅内肿瘤 1H-MRS表现为以下多种代谢物的局部脑组织表现为以下多种代谢物的局部脑组织 中的浓度变化中的浓度变化 N-乙酰天门冬氨酸乙酰天门冬氨酸 (N-aminosuccinic acid， NAA) 胆碱胆碱 (choline， Cho) 肌酸肌酸 (creatine， Cr) 乳酸乳酸 (lactic acid， Lac) 脂质脂质 (lipid， Lip) 丙氨酸丙氨酸 (alanine， Ala) 肌醇肌醇 (myo-inosito， MI) 谷氨酸复合物谷氨酸复合物 (glutamine， Glk) Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 1H-MRS检测颅脑肿瘤的各种代谢物检测颅脑肿瘤的各种代谢物 11 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital N-乙酰天门冬氨酸乙酰天门冬氨酸 (N-aminosuccinic acid， NAA) NAA存在于哺乳动物神经元内，被公认是神存在于哺乳动物神经元内，被公认是神 经元的内标志物经元的内标志物 (endogenous marker) NAA含量多少可反映神经元的功能状况及脑含量多少可反映神经元的功能状况及脑 神经元细胞的完整性，它的降低与神经元神经元细胞的完整性，它的降低与神经元 缺失及其轴突损伤有关缺失及其轴突损伤有关 波谱位于波谱位于 2.0ppm处，在正常处，在正常 1H-MRS中是最高中是最高 的峰的峰 12 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital N-乙酰天门冬氨酸乙酰天门冬氨酸 (NAA)变化意义变化意义 NAA的减少提示正常神经元被破坏和的减少提示正常神经元被破坏和 /或被肿瘤细或被肿瘤细 胞替代所致，其减少可能是一个渐进的过程胞替代所致，其减少可能是一个渐进的过程 NAA在肿瘤中心比肿瘤周围下降更明显，高级别胶在肿瘤中心比肿瘤周围下降更明显，高级别胶 质瘤下降更多质瘤下降更多 Canavan病是唯一病是唯一 NAA浓度增高的疾病浓度增高的疾病 Canavan病病 亦称中枢神经海绵样变性，是一种罕见的常染色体隐性遗亦称中枢神经海绵样变性，是一种罕见的常染色体隐性遗 传病，致病基因定位于传病，致病基因定位于 17p13-pter。病理特点为中枢神经海绵样变性。病理特点为中枢神经海绵样变性 。生化特点为天冬氨酸酰基转移酶缺陷导致脑内。生化特点为天冬氨酸酰基转移酶缺陷导致脑内 NAA堆积和尿堆积和尿 NAA增多增多 。 MRS显示脑内显示脑内 NAA波升高可作为确诊本病的依据波升高可作为确诊本病的依据 13 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 胆碱胆碱 (choline， Cho) Cho主要存在于细胞膜上，是细胞膜磷脂代主要存在于细胞膜上，是细胞膜磷脂代 谢的中间产物，包括胆碱、磷酸甘油胆碱谢的中间产物，包括胆碱、磷酸甘油胆碱 、磷酸胆碱和磷脂酰胆碱，反映脑内总的、磷酸胆碱和磷脂酰胆碱，反映脑内总的 胆碱量胆碱量 Cho与肿瘤转移和细胞的生长活性相关，浓与肿瘤转移和细胞的生长活性相关，浓 度升高反映肿瘤细胞膜结构增加，细胞增度升高反映肿瘤细胞膜结构增加，细胞增 殖，胶质增生殖，胶质增生 Cho的波谱位于的波谱位于 3.2ppm处处 14 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 胆碱胆碱 (Cho)变化意义变化意义 Cho在肿瘤边缘增加比中心高，实体部分比在肿瘤边缘增加比中心高，实体部分比 囊性部分高囊性部分高 Cho与胶质瘤级别有很好相关性。肿瘤的恶与胶质瘤级别有很好相关性。肿瘤的恶 性程度越高，生长越快，细胞分裂增殖越性程度越高，生长越快，细胞分裂增殖越 活跃，具有越高的活跃，具有越高的 Cho值值 Tedeschi等在随访的脑胶质瘤患者中，病情进展病例的等在随访的脑胶质瘤患者中，病情进展病例的 Cho升高率升高率 45%，而病情稳定病例，而病情稳定病例 Cho升高率升高率 2.30 1.35 2时，患者 1年生存率为 20%，而 Lac/NAA值 1.3即可 诊断胶质瘤复发， 1.71或 /(和 )Cho/NAA1.71作为区分复发和 坏死的标准 Cho明显增高及合并 Lac、 NAA、 Cr的异常，提示胶质 细胞瘤治疗后复发；治疗后 Cho下降或保持稳定者， 则肿瘤生长受到抑制 41 胶质瘤放疗胶质瘤放疗 3个月后个月后 MRS见依旧明显增高 Cho峰 、下降的 Cr峰 表明肿瘤细胞仍存在 对应右侧额叶 MRS Cr Cr Cho Cho NNA 42 级星形细胞瘤术后及放疗后级星形细胞瘤术后及放疗后 1年年 MRS见 NNA、 Cho、 Cr峰均消 失 无复发迹象 对应右侧额叶 MRS Cr Cho NNA 43 级星形细胞瘤术后级星形细胞瘤术后 2年复发年复发 MRI提示原手术病灶未见明 显异常 MRS见 Cho峰增高 提示复发 对应右侧额叶 MRS Cr Cho NNA Cho NNA 44 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 四四 脑膜瘤的脑膜瘤的 1H-MRS的表现的表现 45 脑膜瘤的脑膜瘤的 1H-MRS表现表现 脑膜瘤无神经元，故理论上无 NAA峰 胆碱 (Cho)升高 出现特征性丙氨酸 (Ala)峰 可出现谷氨酸 (Glx) 峰 强化区域外没有病理性波谱 Lip峰出现提示恶性脑膜瘤可能 -有时可见较低的峰，原因是肿瘤侵犯正常脑组织或部分容积效应所致 -各型脑膜瘤中没有显著性差异 Cho Cr2 Cr Ala NNA -对肿瘤细胞具有化学抵抗作用 -并非所有脑膜瘤均会出现 -非侵袭性肿瘤的特征 46 左额顶脑膜瘤左额顶脑膜瘤 NAA消失 Cho升高 出现丙氨酸 Ala峰 瘤周的 MRS表现 Cho Cho NAA Cr Cr Ala 47 左枕叶脑膜瘤左枕叶脑膜瘤 NAA下降至消失 Cho明显升高 Cr明显下降 出现丙氨酸 Ala峰 瘤周的 MRS表现 Cho Cho NAA Cr Cr Ala NAA 48 右颞叶脑膜瘤右颞叶脑膜瘤 Cho Cr Cr2 NNA 周边区接近正常 实质区 NAA峰消失 Cho峰明显增高 可见特征性的丙氨酸 Ala峰 Cho Ala Cr2 NNA 49 右额顶部镰旁纤维细胞型脑膜瘤右额顶部镰旁纤维细胞型脑膜瘤 实质区 NAA峰消失 Cho峰增高 可见丙氨酸 Ala、 乳酸 Lac、脂质 Lip、 谷氨酸 GLX 、 峰 Cho GLx GLx Ala Lip Lac GLx Lac 水肿区 亦可见 GLx 、 Lac峰 50 恶性脑膜瘤恶性脑膜瘤 MRS表现表现 Cho GLx GLx Ala 水肿区 可见谷氨酸 GLx 峰 可见丙氨酸 Ala峰 Cho Lip GLx GLx 坏死区 脂质 Lip为第一高峰 Cho NNA Cr 对侧正常区 未见 NAA峰显示 Cho峰升高 谷氨酸 GLx 峰呈梯状 谷氨酸 Glx 峰较显著 可见丙氨酸 Ala峰 可见乳酸 Lac/脂质 Lip峰 Cho GLx GLx Ala Lip 瘤体区 51 脑膜瘤术后复发的脑膜瘤术后复发的 MRS表现表现 肿瘤复发时，由于进行性生长肿瘤的边缘巨噬细胞吞噬不移动的脑脂质和坏 死肿瘤细胞分解代谢，脂质 Lip明显增加 肿瘤复发常继发正常血管网的破坏，乳酸 Lac含量增加 Cho/Cr比值在残留和复发的肿瘤中明显高于术后反应性损伤区 52 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 五五 转移瘤的转移瘤的 1H-MRS的表现的表现 53 转移瘤的转移瘤的 1H-MRS表现表现 转移瘤特点： NAA消失， Cho明显增高， Cr下降， Cho/Cr比值升高，可出现乳酸 Lac峰和脂质 Lip峰 转移瘤和胶质瘤瘤体强化部分各代谢物比值相似 瘤周 Cho/Cr比值是鉴别胶质瘤和转移瘤的重要手 段；转移瘤强化之外区域没有病理性波谱 两种肿瘤瘤周区病理上是不一样的：胶质瘤周围有肿瘤细胞的散 在浸润，转移瘤瘤周无肿瘤细胞存在 54 胶质瘤与脑转移瘤瘤周特点的鉴别胶质瘤与脑转移瘤瘤周特点的鉴别 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 分类 胆碱 Cho峰 肌酸 Cr峰 肌醇 MI峰 脂质 Lip峰 Cho/Cr值 瘤周波谱形态 胶质瘤 明显 升高 轻度 下降 可见 7.04 8.18 2.28 1.24 较大的 Cho峰 转移瘤 与正常 相似 明显 下降 无 9.60 8.03 0.76 0.23 与正常相似 P0.05 P0.05 55 转移瘤不同部位的转移瘤不同部位的 MRS比较比较 图 对侧正常区 肿瘤周围区 与正常波谱相似 肿瘤强化区 NAA降低 Cho升高 Cho Cr Cho Cr Cho Cr NNA NNA NNA ROI选择 肿瘤强化区 肿瘤周围区 对侧正常区 56 右额叶脑转移瘤右额叶脑转移瘤 Cho明显升高 NAA明显降低 Cr明显下降 对侧正常 MRS Cho NAA Cr Lip Cho ROI选择 在增强部分及对 侧正常脑实质部 分选取感兴趣区 Cr NAA 57 左顶叶脑转移瘤左顶叶脑转移瘤 Cho峰略降低 NAA及 Cr峰显示不清 出现明显的脂质 Lip峰 对侧正常 MRS Cho NAA Cr Lip Cho ROI选择 在增强部分及对 侧正常脑实质部 分选取感兴趣区 58 左枕叶转移瘤左枕叶转移瘤 NAA峰显著降低 Cr峰显著降低 Cho峰明显增高 可见脂质 Lip峰 周边水肿区 MRS与正常 MRS无显著区别 Cho NAA Cr Lip Cho ROI选择 在肿瘤实质区 和周边水肿区 Cr2 NAA Cr Cr2 59 转移瘤转移瘤 MRS的乳酸的乳酸 Lac和脂质和脂质 Lip峰峰 主要表现为向下的乳酸 Lac双峰 降低非常明显的 Cr峰和 NAA峰 可见见高尖的脂质 Lip峰 NAA,Cr,Cho峰均减低 Lac Lip 60 Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital 六六 淋巴瘤的淋巴瘤的 1H-MRS的表现的表现 61 淋巴瘤的淋巴瘤的 1H-MRS表现表现 中枢神经系统淋巴瘤特点： NAA几乎完全丧 失， Cr降低， Cho和乳酸 Lac升高明显，脂 质 Lip峰出现，肌醇 MI表现正常 明显升高的脂质 Lip峰是原发性中枢神经系 统淋巴瘤特征表现 与胶质瘤类似，在 增强区域以外仍可 测得病理波谱 Cr2 Cho Cr NAA Lip 62 右额叶淋巴瘤右额叶淋巴瘤 Cho NAA Cr Lip NAA及 Cr明显消失 Cho明显升高 出现特征的脂质 Lip峰 63 双侧额叶双侧额叶 B细胞型淋巴瘤细胞型淋巴瘤 ROI选择 1、 2选择在增强区； 3选择在瘤周区； 4选择在正常区 64 双侧额叶双侧额叶 B细胞型淋巴瘤细胞型淋巴瘤 强化区可见 NAA峰降低 Cho峰升高 脂质 Lip峰出现 瘤周区 近于正常 Cho NAA Cr Lip Cho Cho Cho Cr Cr Cr NAA NAA NAA Lip 正常区瘤周区 肿瘤强化区 65 右侧额叶深部右侧额叶深部 B细胞型淋巴瘤细胞型淋巴瘤 ROI选择 1、 2选择在增强区； 3选择在瘤周区； 4选择在正常区 66 双侧额叶双侧额叶 B细胞型淋巴瘤细胞型淋巴瘤 强化区可见 NAA峰及 Cr峰 明显降低 Cho峰升高 Lip峰出现 瘤周区 近于正常 Cho NAA Lip Cho Cho Cho Cr Cr NAA NAA Lip 肿瘤强化区 正常区瘤周区 67 双侧额叶及胼胝体淋巴瘤双侧额叶及胼胝体淋巴瘤 Lip 出现特征的脂质 Lip峰 68 Department of Neur