磁共振波谱在诊断颅内肿瘤中的应用.ppt

DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 磁共振波谱 MRS 在诊断颅内肿瘤中的应用 北京大学人民医院神经外科栾文忠教授 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 一基础理论 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 磁共振波谱 Magneticresonancespectroscopy MRS 概念 可检测出活体组织代谢物的浓度 为MRI影像提供定量诊断依据可反映组织的代谢信息和状态 来确定组织的性质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 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 磁共振波谱 Magneticresonancespectroscopy MRS 历史 20世纪40年代 国外最早开始研究波谱学1946年 美国的Purcell和Bloch发现了核磁共振现象5年后 Proctor和Yu提出核子的 化学位移 chemicalshift 20世纪50年代 国内波谱学研究工作开始20世纪70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20世纪90年代 开始应用于临床 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 化学位移 chemicalshift 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 共振频率就会有所差别 这种现象就是化学位移单位 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 的百万分之一 ppm 来表示 在MRS谱线上 横座标最右边一点即中心频率位置定义为零 其ppm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物根据其化学位移的程度在频率轴上区别开来 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 磁共振波谱 Magneticresonancespectroscopy MRS 原理 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 relaxation 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弛豫过程中自由感应衰减 freeinductiondecay FID 的射频脉冲信号被检测后 经傅立叶转换 所形成的频率 信号强度曲线即磁共振波谱 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 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有1H 31P 23Na 13C 19F 7Li等由于氢质子1H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 故做波谱分析时多采用1H1H MRS在脑部疾病诊断中的应用最为广泛如 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 脑部的放射性损伤等 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital MRS的兴趣区 regionofintrest ROI 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 称为MRS的兴趣区 regionofintrest ROI 对于肿瘤来说 ROI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定义为T2WI上显示为高信号而在增强T1WI上无强化的肿瘤周围区域 约肿瘤周围的2cm左右的区域目前人体研究1H MRS的ROI为1 8ml DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 相对定量 不同化合物可根据其MRS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 反映了化合物的浓度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 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 二各种代谢物 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中的浓度变化 N 乙酰天门冬氨酸 N aminosuccinicacid NAA 胆碱 choline Cho 肌酸 creatine Cr 乳酸 lacticacid Lac 脂质 lipid Lip 丙氨酸 alanine Ala 肌醇 myo inosito MI 谷氨酸复合物 glutamine Glk DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 1H MRS检测颅脑肿瘤的各种代谢物 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital N 乙酰天门冬氨酸 N aminosuccinicacid NAA NAA存在于哺乳动物神经元内 被公认是神经元的内标志物 endogenousmarker NAA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 它的降低与神经元缺失及其轴突损伤有关波谱位于2 0ppm处 在正常1H MRS中是最高的峰 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital N 乙酰天门冬氨酸 NAA 变化意义 NAA的减少提示正常神经元被破坏和 或被肿瘤细胞替代所致 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 高级别胶质瘤下降更多Canavan病是唯一NAA浓度增高的疾病Canavan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 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NAA增多 MRS显示脑内NAA波升高可作为确诊本病的依据 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 胆碱 choline Cho Cho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 磷酸胆碱和磷脂酰胆碱 反映脑内总的胆碱量Cho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 细胞增殖 胶质增生Cho的波谱位于3 2ppm处 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 胆碱 Cho 变化意义 Cho在肿瘤边缘增加比中心高 实体部分比囊性部分高Cho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 细胞分裂增殖越活跃 具有越高的Cho值Tedeschi等在随访的脑胶质瘤患者中 病情进展病例的Cho升高率 45 而病情稳定病例Cho升高率 35 无一例Cho无改变或下降 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 肌酸 creatine Cr Cr是包括肌酸与磷酸肌酸 是高能磷酸化的储备及ATP和ADP的缓冲剂Cr的浓度变化反映了能量代谢的信息 是细胞内能量的标志Cr的波谱位于3 02ppm处 另一峰 Cr2峰 位于3 94ppm处 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 肌酸 Cr 变化意义 Cr在脑内总量较恒定 不同代谢条件下均保持相对稳定 可作为其他峰的比值参考Cr在低级别胶质瘤中多正常 在高级别胶质瘤中 Cr的浓度稍有降低 同一肿瘤的高代谢区域较低代谢的区域的Cr浓度稍有降低多数学者的研究表明 低级别与高级别胶质瘤Cho Cr Cho NAA值的升高有统计学意义 特别是Cho Cr值与肿瘤的恶性程度具有正相关性 可以用来对胶质瘤进行分级 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 乳酸 lacticacid Lac Lac峰出现是无氧酵解和Lac清除率降低的结果 提示脑组织缺血 缺氧 坏死肿瘤的能量代谢特点为糖酵解作用增强 故高级别胶质瘤中心及周围的波谱中多出现Lac峰 但不是恶性肿瘤的可靠征象囊肿 脓肿 梗塞 坏死 术后缺损区或体积较大的良性肿瘤 因限制Lac的清除导致清除率下降 也出现Lac峰Lac的波谱位于1 33ppm处 在正常脑组织内探测不到 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 脂质 lipid Lip Lip来源于肿瘤边缘巨嗜细胞或坏死组织细胞将组织结构中脂肪分解为小分子脂质Lip与肿瘤的侵袭性有关 它的出现提示高级别胶质瘤或转移瘤 常在肿瘤坏死区 未经治疗的肿瘤中出现在约40 的高级别胶质瘤中可见Lip峰 而低级别胶质瘤中出现的比率约为16 且峰值有显著差异单用Lip对星形细胞瘤分级不准确 而高Cho峰及Lip峰同时出现 更提示为高级星形细胞瘤Lip峰的波谱位于0 9 1 5ppm处 与Lac化学位移位置相近 所以经常与Lac被同时检测 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 丙氨酸 alanine Ala Ala来自于糖分解中的丙酮酸 是谷氨酰胺转氨基和部分氧化作用大于糖酵解的结果Ala增高被认为是脑膜瘤的特征 但并非所有脑膜瘤均会出现胶质瘤内也可出现Ala峰 脑膜瘤的Ala Cr比值比星形细胞瘤高3 4倍神经鞘瘤和转移瘤无Ala峰Ala峰的波谱位于波谱曲线1 4ppm处 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 肌醇 myo inosito MI MI是磷酸酰肌醇和磷酸磷脂酰肌酸的前体物 主要作用为调节渗透压 营养细胞 抗氧化及生成表面活性物质低级别星形细胞瘤 间变性星形细胞瘤 胶质母细胞瘤的MI Cr值依次降低 且存在显著差别脑膜瘤 转移瘤中见不到及MI峰神经鞘瘤的MI升高MI峰的波谱位于3 5ppm处 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 谷氨酸复合物 glutamine Glk 谷氨酸 Glu 和谷氨酸盐 Gln 这两种代谢产物相邻很近 通常由谷氨酸复合物 Glx 表示Glk是兴奋性神经递质 参与脑内氨的解毒 最终代谢产物是丙氨酸 Ala Glx在脑膜瘤和少突胶质细胞瘤中相对于正常脑组织和星形细胞瘤是抬高的 因此其被认为是脑膜瘤和少突胶质细胞瘤的特征之一谷氨酸 Glu 和谷氨酸盐 Gln 共振峰分别位于2 2 2 4ppm 峰 及3 6 3 8ppm 峰 正常的1H MRS表现 NAA Cho Cr Cr2 正常Cho Cr Cho NAA比值范围约为0 789 0 545NAA Cho比值的范围约为1 267 1 835 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 三胶质瘤的1H MRS的表现 胶质瘤的1H MRS表现 N 乙酰天门冬氨酸 NAA 显著下降胆碱 Cho 显著升高肌酸 Cr 不变或轻度下降可出现乳酸盐 Lac Lip NAA Cr下降NAA Cho减少Cho Cr升高 肿瘤对神经元的破坏 肿瘤细胞增殖活跃和有丝分裂增加 胶质瘤发生坏死 Cho Cr2 Cr NNA Lac 星形细胞瘤 随胶质瘤级别增加 NAA逐渐下降 Cho逐渐升高Cho NAA和Cho Cr比值反映肿瘤级别比较稳定 在所有的胶质母细胞瘤中均升高Lac峰可出现于各级别组脑胶质瘤中 其峰值无显著差异 关于胶质瘤的分级 低级别胶质瘤的1H MRS表现 NAA Cho Cr Cr2 NAA下降Cho升高Cr轻度下降 左颞顶低级别胶质瘤 高级别胶质瘤的1H MRS表现 Cho Cr NAA显著下降至消失Cho显著升高Cr下降 右枕部高级别胶质瘤 第一组 级星形细胞瘤 NAA下降Cho显著升高Cr轻度下降出现倒置的Lac双峰 对侧相应部位的MRS表现正常 Cho NAA Cho NAA Cr Cr Lac 第一组 级星形细胞瘤 NAA显著下降Cho显著升高Cr中度下降出现倒置的Lac双峰 对侧相应部位的MRS表现正常 Cho NAA Cho NAA Cr Cr Lac 第一组 胶质母细胞瘤 NAA显著下降Cho显著升高Cr中度下降1 32ppm处出现倒置的Lac峰 出现MI 肌醇 峰 Cho NAA Cho NAA Cr Cr Lac Lac MI 第二组 II级星形细胞瘤 NAA下降Cho峰升高Cr变化不明显未见Lip Lac峰 对侧相应部位的MRS表现正常 Cho NAA Cho NAA Cr Cr Cr2 Cr2 第二组 III级间变少突胶质细胞瘤 NAA Cho Cr峰均下降可见Lip峰 对侧相应部位的MRS表现正常 NNA NNA Cho Cr Cr Cr2 Lip Cho 第二组 胶质母细胞瘤 NAA Cho Cr峰均下降可见Lip峰 对侧相应部位的MRS表现正常 NAA Cho Cr Cr Lac NNA NNA Cho Cho Cr Cr Cr2 Lip 胶质瘤不同部位的MRS比较 图 肿瘤边界外正常组织 瘤心坏死处见巨大Lac峰 肿瘤边界处 肿瘤内部高活性代谢区 胶质瘤不同部位的MRS比较 图 瘤体谱线Cho NAA 3 90Cho Cr 7 89 近瘤周水肿谱线Cho NAA 1 95Cho Cr 2 11 远瘤周水肿谱线Cho NAA 1 40Cho Cr 1 92 对侧正常谱线Cho NAA 0 94Cho Cr 1 25 NNA NNA Cho Cho Cr Lac NNA NNA Cho Cho Cr Cr Lac Lac 肿瘤波谱显示NAA依次下降 Cho逐渐升高 参照区 级星形细胞瘤MRS波谱 周边区 瘤体区 NNA Cr Cr2 NNA Cr Cr2 NNA Cr Cr2 Cho Cho Cho 肿瘤波谱显示NAA Cr依次明显下降 Cho依次明显升高 瘤体区出现Lip Lac峰 参照区 级星形细胞瘤MRS波谱 周边区 瘤体区 NNA Cr Cr2 NNA Cr Cr2 NNA Cr Cr2 Cho Cho Cho Lip Lac 右颞叶胶质母细胞瘤 1 对侧正常脑组织区 2 肿瘤实质中心区 3 周边区 肿瘤实质区NAA峰显著降低Cho峰明显增高 对侧正常组织区NAA峰最高Cho和Cr峰较低且较接近 肿瘤周边区中等NAA峰Cho峰明显增高 波谱图显示能够判定常规MR表现正常的肿瘤周围无水肿区有肿瘤细胞浸润 NAA Cho Cr 左额叶星形细胞瘤II级病灶周围脑实质无水肿 Cr2 Lac NAA显著下降Cho显著升高出现Lac峰 评价脑胶质瘤的预后 Magalhaes发现Cho浓度高出正常组织标准差的2倍 NAA浓度低于正常脑组织标准差的1 2时 100 有肿瘤侵犯Tarnawski发现Lac NAA值 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 NAA 1 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 胶质瘤放疗3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 级星形细胞瘤术后及放疗后1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 级星形细胞瘤术后2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 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 四脑膜瘤的1H MRS的表现 脑膜瘤的1H MRS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 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 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 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 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 恶性脑膜瘤MRS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 脑膜瘤术后复发的MRS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 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 五转移瘤的1H MRS的表现 转移瘤的1H MRS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 胶质瘤与脑转移瘤瘤周特点的鉴别 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital P 0 05 P 0 05 转移瘤不同部位的MRS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 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 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 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 转移瘤MRS的乳酸Lac和脂质Lip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 DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople sHospital 六淋巴瘤的1H MRS的表现 淋巴瘤的1H MRS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 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 双侧额叶B细胞型淋巴瘤 ROI选择1 2选择在增强