MRS的原理和临床应用.ppt

MRS的原理和临床应用 南华大学附二医院神经内科梁江红 什么叫核磁共振 原子核在自旋中会产生磁场 所以这样的原子核可以看成微小的磁铁 如果把这样带有磁性的核放到外磁场中 核自旋对外磁可以有2I 1种取向 氢原子核的I 1 2 因此只有两种取向 1 2 1 2 即与外磁场同向和与外磁场反向 前者能量低 后者能量高 什么叫核磁共振 若质子受到一定频率的电磁波辐射 辐射所提供的能量恰好等于质子两种取向的能量差 质子就吸收电磁辐射的能量 从低能级跃迁至高能级 这种现象即称核磁共振 MRS发展历史 11946年美国斯坦福F 布洛克和哈弗大学E M 帕塞尔小组均同时记录到液体样品和固体样品的磁共振信号 220世纪50年代桑德斯和柯克伍德首次成功的利用MRS直接观测生物大分子40MHz的核糖核酸酶的MRS 此后 又连续测到其他蛋白质 核酸 磷脂等相应组分 MRS技术特点 在研究生物大分子时 MRS有以下技术特点 1不破坏生物高分子的结构 包括空间结构 2在溶液中测定符合生物体的常态 也可测定固体样品 比较晶态和溶液态构象的异同 3不仅可以用来研究构象而且可以用来研究构象变化即构象动力学过程 MRS技术特点 4可以提供分子中个别基团的信息 对于比较小的多肽和蛋白质已经可以通过二维的MRS获得三维的结构的信息 5可用来研究活细胞和活组织 MRS在生物体中研究范围 MRS在生物体中研究范围很广 1确定生物分子的成分和浓度 特别是可不破坏组织细胞而测得其组分 确定异构体比例 确定分子解离状态 确定金属离子或配基是否处于结合状态 以及测定细胞内外的PH值等 2热力学的研究 测定酶与底物 配基 抑制剂的结合常数 测定可解离基团的PK值 特别是生物大分子中处于不同微环境的同类残基的同类基团的不同PK值 MRS在生物体中研究范围 3动力学研究监测反应进程测定各组分随时间的变化等 4分子运动研究 如生物膜的流动性等 5分子构象及构象变化研究6活体研究7二维MRS研究 20世纪70 80年代人类进入二维到三维MRS研究 二维MRS波谱图 MRS的临床意义 磁共振波谱 MRSpectroscopy MRS 是医学影像学近年来发展的新的检查手段 1 作为一种无创伤性研究活体器官组织代谢 生化变化及化合物定量分析的方法 2 随着MRI MRS装置不断改进 软件开发及临床研究的不断深入 人们通过MRS对各种疾病的生化代谢的认识将不断提高 为临床的诊断 鉴别 分期 治疗和预后提供更多有重要价值的信息 3 1HMRS可对神经元的丢失 神经胶质增生进行定量分析 431P磁共振波谱可对心肌梗塞能量代谢变化进行评价 5MRS以分子水平了解人体生理上的变化 从而对疾病的早期诊断 预后及鉴别诊断 疗效追踪等方面 做出更明确的结论 MRS基本原理 磁共振波谱分析原理 MRS MRS是一种利用核磁共振现象和化学位移作用 测量脑内有关区域中各种元素和化合物分子的波谱 借此了解局部脑神经元的活动信息 其基本原理与MRI一致 只不过经典MRI和fMRI技术是检测水质子共振信号 而MRS是检测其他化学物质分子的质子或其他原子核 1H 31P 23Na 13C 19F 的共振信号 其中在医学领域应用最多的是1H和31P MRS基本原理 一 名词解释1进动 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 自旋的進動現象主要出現在核磁共振與磁振造影上 其中的例子包括了穩定態自由旋進 進動 造影 在一个旋转系统里 力F 力矩 动量P 角动量L 这些物理量之间的关系 2弛豫 relaxation 病人检查时被置于磁场中接受一序列脉冲后 打乱组织内质子运动 脉冲停止后质子的能级和相位恢复到激发前状态 这一过程称为弛豫 纵向弛豫 T1 和横向弛豫 T2 磁共振现象类比 玩具小鸡啄米 重力场主磁场 摇晃的手脉冲激励磁场 回复平衡状态弛豫 MRS基本原理 3电子云 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 4化学位移 将人体置入外加主磁场中 核沿主磁场方向做陀螺样进动 原子核所受的磁场主要由主磁场决定 但是 也与核的磁旋比 核外电子云及临近质子的电子云有关 电子云的作用会屏蔽主磁场的作用 使的核所受的磁场强度小于外加主磁场 这种由于电子云的作用产生的磁场差异被称为化学位移 主要是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 MRS基本原理 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 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 将具有不同的共振频率 这就是所谓的化学位移现象 也是磁共振波谱成像的基础 MRS基本原理 实际上 研究某种样品物质的磁共振频谱时 常选用一种物质做参考基准 以它的共振频率作为频谱图横坐标的原点 并且 将不同种原子基团中的核的共振频率相对于坐标原点的频率之差作为该基团的化学位移 显然 这种用频率之差表示的化学位移的大小与磁场强度高低有关 MRS基本原理 在正常组织中 代谢物在物质中以特定的浓度存在 当组织发生病变时 代谢物浓度会发生改变 磁共振成像主要是对水和脂肪中的氢质子共振峰进行测量 在1 5T场强下水和脂肪共振频率相差220Hz 化学位移 但是在这两个峰之间还有多种浓度较低代谢物所形成的共振峰 如NAA Cr Cho等 这些代谢物的浓度与水和脂肪相比非常低 MRS需要通过匀场抑制水和脂肪的共振峰 才能使这些微弱的共振峰群得以显示 MRS基本原理 MRI与MRS的区别 MRI尽量去除化学位移的作用 并突出反映组织间T1 T2的差异 而MRS恰恰要利用化学位移的作用来确定代谢物的种类和含量 MRS基本原理 化学位移的表示方法化学位移 chemicalshift 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 MRS基本原理 5自旋耦合 spin spincoupling 在分子中 不仅核外的电子会对质子的共振吸收产生影响 邻近质子之间也会因互相之间的作用影响对方的的核磁共振吸收 引起共振谱线增多 这种相邻原子核之间的相互作用称为自旋偶合 因自旋偶合而引起的谱线增多现象称为自旋裂分 所谓自旋裂分是当发生核磁共振时 一个质子发出的信号被邻近的另一个质子裂分成了两个 这就是自旋裂分 任何原子核都具有磁距和自旋的特性并能产生磁共振信号 用于临床最常见的元素有氢 1H 磷 31P 碳 13C 钠 23Na及氟 19F 其受激发后产生的信号构成了磁共振波谱成像的基础 应用高分辨的现代核磁共振仪 乙醚的谱图 低分辨 原来的两个峰各分裂成四重峰和三重峰 这种情况叫做峰的裂分现象 吸收峰为什么会发生裂分这是因为相邻两个碳上质子之间的自旋偶合 自旋干扰 引起的 如 一个质子共振峰不受相邻的另一个氢质子的自旋偶合时 表现为一个单峰 若受其 相邻一个质子 1 2 1 2 自旋偶合时 则裂分为一组二重峰 该二重峰强度相等 其总面积正好和未分裂的单峰的面积相等 峰位则对称分布在未分裂的单峰两侧 一个在强度较低的外加磁场区 一个在强度较高的外加磁场区 这是由于受附近质子自旋影响的结果 因此 自旋耦合的强度与共价键的多少有关 而化学位移则随MR的场强变化 同种原子核在不同化合物中进动频率的不同在MRS上具体表现为频率轴上不同位置而形成不同的峰 如果对两组峰做积分 则积分曲线所代表的两组峰的总面积比为1 2 质子的自旋裂分是有规律的 若一组化学等价的质子 它只有一组数目为n的相邻碳原子上的等价质子 那么它的吸收峰裂分为 n 1 个 这就是 n 1 规律 裂分峰的相对峰面积 基本上满足二项展开式的各项系数比 即双峰 1 1 三重峰 1 2 1 四重峰 1 3 3 1 五重峰 1 4 6 4 1 等 在核磁共振谱中常以s singlet 表示单峰 d doublet 表示双峰 t triplet 表示三重峰 q quartet 表示四重峰 m multiplet 表示多重峰 常用耦合常数作为自旋耦合的量度 用符号J表示 单位是赫兹 Hz J的大小表示了耦合作用的强弱 Jab表示质子a被质子b裂分的耦合常数 它可以通过吸收峰的位置差别来体现 这在图谱上就是裂分峰之间的距离 MRS基本原理 MRS检查方法MRS检查前 一般先做MRI 根据图像提供的病变部位 对感兴趣区 ROI 进行MRS检查 现最常用下列几种技术来获取代谢变化信号 1 表面线圈法 将表面线圈置于被检测部位的体表 这主要用于周围肌肉 皮肤和肝脏的检查 2 深部分辨表面线圈法 应用选择性脉冲激发距体表一定距离的单一层面 主要用于心脏的检查 3 选择性激发技术 利用梯度脉冲激发感兴趣区的中心点 可用于脑组织的检查 MRS基本原理 MRS临床应用医学领域波谱分析以31PMRS及1HMRS应用研究较多 31P MRS 31P在活体能量代谢中有重要作用 同时组织31P的峰值曲线数目不多 但化学位移值大 易于判断其峰值结果 生物组织31PMRS可测出7条不同的共振峰 磷酸单脂 PME 磷酸二脂 PDE 磷酸肌酸 PCr 无机磷 topicphaphate Pi 和三磷酸腺昔 adenodnetriPbephate ATP 中的 磷原子 MRS基本原理 这7条共振峰在不同组织 不同代谢状态时的峰值是不同的 与正常标准对照 可判断每一个化合物的含量 另外 Pi的化学位移受细胞内pH值的影响 根据它的化学位移相对于PCr的改变可测定细胞内的PH值 但磷在人体内自然丰度及灵敏度较低 而氢是人体最丰富的原子核 自然丰度和灵敏度均高 最易被检测到 检测设备要求相对简单 故近年来1HMRS研究较多 31P通常以PCr为标定物 MRS基本原理 1H MRS 氢原子核因只含有一个质子 其波谱也称质子磁共振波谱 且氢原子核占人体原子核数量的2 3左右 自然丰度及相对灵敏度高 其相对灵敏度是31P的16倍 是人体磁共振信号的主要来源 故质子磁共振波谱容易成功 MRS基本原理 1HMRS的检查方法单体素1HMRS检查是一种自动检测MRS技术 应用较早 可在3 5分钟内直接得到波谱分析图 常用的脉冲序列为激励回波法 STEAM 和点分辨法 PRESS 多体素1HMRS检查该法采用CSI成像 空间定位由选择性RF及三维梯度在每次扫描中递增而定 是多维相位编码技术 可同时编码多个体素 该技术的一大优点是一次可采集多个感兴趣区的信号 便于比较正常组织和病变组织 并对容积内任一像素进行波谱重建 MRS基本原理 3D1HMRS检查即全脑容积波谱成像 采用螺旋波谱成像法可得到较大范围的波谱成像 并得到全脑代谢物分布图 具体为同时进行连续多个层面的二维波谱成像 得到多个频率图像 扫描结果经计算机后处理分析后可得到波谱图 MRS基本原理 磁共振波谱图对于指定的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 Representativespectrumofthehumanbraininvivo Eachpeakislabeledwiththemoleculeanditsstructure SciFinder Notethatlipidandlactatearenotobservedinhealthybrain asshownhere andthereforetheirabsorptionsarenotvisible ThecurvedarrowrepresentsHunter sAngle whichisdrawnstartingfrommItoNAA MI 肌醇 glutamate glutamine Glx 谷氨酸盐与谷氨酸比值 磁共振波谱图 不同的MRI MRS一体机 有不同的MRS波谱图 此图是北京天坛医院波谱图 有两条彩色线条表示不同化合物的峰值 Anormalmagneticresonancespectroscopy MRS studyisshown Thevoxelwasplacedintherightposteriorfrontallobeasindicated TheMRSwastakenfromafluid attenuatedinversionrecovery FLAIR imageusingsingle voxelpointresolvedselectivespectroscopy PRESS technique TR1500 TEof35 Notethedistributionandappearanceofthenormalneurometabolites 正常新生儿1H MRS N 乙酰基天门冬氨酸 NAA 肌酸复合物 Cr 胆碱复合物 Cho 波峰高耸 肌醇 MI 波略低 谷氨酸 谷氨酰胺 Glu Gln 及乳酸波低平 磁共振波谱图 本院波谱图 1纵向坐标表示信号强度 横向坐标表示共振频率 PPM 2纵向坐标以零轴为界 零轴以上为正值 零轴以下为负值 MRS基本原理 下面是研究MRS谱线时常用到的参数 1 共振峰的共振频率的中心 峰的位置V 化学位移决定磁共振波谱中共振峰的位置 2 共振峰的分裂 3 共振峰下的面积和共振峰的高度 在磁共振波谱中 吸收峰占有的面积与产生信号的质子数目成正比 在研究波谱时 共振峰下的面积比峰的高度更有价值 因为它不受磁场均匀度的影响 对噪音相对不敏感 4 半高宽 半高宽是指吸收峰高度一半时吸收峰的宽度 它代表了波谱的分辨率 MRS测定的含1H基团 1HMRS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 磁共振波谱图波峰及临床意义 1H MRS波峰 NAA波峰 N 乙酰基天门冬氨酸 NAA 正常脑组织1HMRS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 峰值下降可见于多种累及神经元或轴索的神经系统疾病中 如脑梗死 脑肿瘤 癫痫 多发性硬化和神经系统变性病 NAA特异性升高见于Canavan s病 为一种遗传性脑白质营养不良 因缺乏NAA水解酶所致 NAA N 乙酰天门冬氨酸 波峰 肌酸 Cr 正常脑组织1HMRS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 因为Cr值一般不会随病理变化而变化 所以临床上通常用它作为参考值 对代谢信号强度进行标准化 即通常计算NAA Cr Cho Cr等 但是高度恶性肿瘤时 由于能量代谢不能正常进行 则不能作为参照值 Cr波峰 胆碱 Cho 位于3 2ppm附近 由磷酸胆碱 磷酸甘油胆碱 磷脂酰胆碱组成 反映脑内的总胆碱量 细胞膜磷脂代谢的成分之一 参与细胞膜的合成和蜕变 从而反映细胞膜的更新 Cho峰是评价脑肿瘤的重要共振峰之一 肿瘤快速的细胞分裂导致细胞膜转换和细胞增殖加快 从而使Cho峰增高 Cho峰在几乎所有的原发和继发性脑肿瘤中都升高 恶性程度高的肿瘤中 Cho Cr比值显示增高 Cho波峰 Cho与Cr在神经元及胶质细胞中均被发现 但细胞研究表明在后者中的浓度明显高于前者 因此 当星形胶质细胞发生形态功能改变时 Cho与Cr值会升高 Glutamate glutamine GlX Amixtureofcloselyrelatedaminoacids aminesandderivativescloselyinvolvedinexcitatoryandinhibitoryneurotransmissionthatliesbetween2 1and2 4ppm BecausethesearealsointegralproductsofintactTCA Krebs cycleactivityandmitochondrialredoxsystems Glxoffersavitalmarker s inMRSofstroke lymphoma hypoxia andmanymetabolicbraindisorders 肌醇 mI 位于3 56ppm 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 mI被认为仅存在于神经胶质细胞中 故将它作为胶质的标志物 在脱髓鞘疾病和老年痴呆病中 mI可以增高 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 mI波峰 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 Lac波峰 脂质 Lip 位于1 3 0 9 1 5和6 0ppm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 Lip波峰 丙氨酸 Ala 位于1 3 1 44ppm 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 5ppm 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 正常人的1H MRS通常出现三个波峰 其峰值的高低顺序为NAA Cr Cho 有时Cho高于Cr 有时可能出现mI峰 但峰值较低 AdditionalresonancepeaksMRSisa spectrum ofnormalandabnormalbrainconstituents Lotsof odd thingsturnupinthebrainafteringestion alcohol methylsulphonylmethane acommonhealthfoodsupplement 6mannitolandpropyleneglycol commonmedications glucose acetate acetone succinate phenyl alanine alldefinedbytheirchemicalshift ppm andaddingspiceanddiagnosticspecificitytotheclinicalpracticeofneurospectroscopy Everymetabolitehasanormalconcentrationthatgeneratesapatternofpeaksthatisthesamefrompersontopersonunlessthereisanunderlyingpathology DiagnosiswithMRScanthereforebemadebyeithercomparingthenumericvaluesofmetaboliteconcentrationsorbyrecognizingabnormalpatternsofpeaksinthespectrasuchasinelectrocardiograminterpretations Hunter sangleNamedforaneminentneurosurgeonwhoappliedapocketcombtothetaskofrecognizingthe45 degreeangleformedbythepeaksmI Cr Cho andNAA whentheyarepresentinnormalproportions viz NAA Cr 1 5 Cho Cr 0 75 mI Cr 0 5 thus averyrough and readyapproachforshort echo stimulatedechoacquisitionmode STEAMonGEMRsystemsorStimulated EchoonSiemens spectroscopy Likeallrules exceptionsabound movingfromSTEAMtopointresolvedspectroscopy PRESSonGEMRsystemsorSpin EchoonSiemens fromshorttolongechotime TE andrepetitiontime TR fromcortextomidbrain allchangeHA Nevertheless itisratherconvincingwhenappliedtosuchcommonMRSdiagnosesastumor HA 50 stroke AD HA 15 neonatalhypoxia HA 45 oracquiredimmunedeficiencysyndrome AIDS relatedprogressivemultifocalleukomalacia HA 0 MRS定量分析 临床波谱学的一个重要方面是可以对代谢产物进行定量分析 利用波谱峰的高度和峰的宽度计算峰下面积 代谢物的峰下面积与所测的代谢产物的含量成正比 主要有三种定量方法 绝对定量 半定量和相对定量 绝对定量的方法为 将已知含量的化合物作为外标准 内标准用内生水来计算代谢物的浓度 用其峰下面积来校正代谢产物的峰下面积 计算出代谢产物含量的绝对值 半定量是直接测峰下面积 相对定量是代谢物峰下面积的比值 箭头所示 峰下面积 峰值单位 MRS一些化学物质峰值的单位是PPM 它是描述磁场强度的 百万分之一 partpermillion ppm 在波谱成像中 由于化学位移的缘故 不同化合物中相同原子核的进动频率不同 产生及释放的共振频率不同 在磁共振线频率上不同位置形成不同的峰 又由于原子核的共振频率与外加磁场强度有关 在分析MRS时 为了使在不同场强的磁场中获得结果具有可比性 通常使用一个参照物 将被测物的共振频率与参照物的共振频率进行比较 从而获得化学位移的相对值 化学位移采用磁场强度的百万分一为单位 partpermillion ppm 波峰比值的临床意义 1正常人NAA Cr Cho 值的95 参考值范围是0 74 2 0 07 M 2SD 最低值是0 6 双侧NAA Cr Cho 相差不超过0 07 2例如 在颞叶癫痫患者中NAA Cr值病灶侧低于健侧和正常人 Cho Cr值病灶侧高于健侧和正常人 颞叶癫痫患者 病灶侧及健侧NAA Cr Cho 的值均低于正常人 当颞叶脑组织NAA Cr Cho 低于0 6时 可以判断脑组织代谢功能异常 当双侧颞叶脑组织NAA Cr Cho 差值大于0 07时 较低的一侧为病灶侧 研究还表明颞叶脑组织NAA Cr Cho 的减低与发作次数无线性相关 如何判断波峰 11H MRS的三大主峰 NAA Cr Cho是依次逐渐变小 这是从形态上判断 NAA最高 2三大主峰都有固定的共振频率 NAA在2 02 2 05ppm Cr在3 03ppm 有时在3 94ppm Cho在3 2ppm 在以上位置出现 3乳酸 Lca 脂质 Lip 正常情况下不会出现 或者低波峰 如果出现高波峰 肯定是异常 临床常见疾病的MRS 31P MRS1肌肉系统MRS的临床应用 就肌肉骨骼系统而言 现在研究和应用较多的是31P MRS 3 但也有用1HMRS研究正常和疾病状态下横纹肌细胞内Cr PCr的变化者 由于生物组织中磷化合物的浓度主要与组织细胞的代谢密切相关 因此31P MRS可通过测定磷代谢物的相对浓度来反应细胞的能量状态 从而无创性监测肌肉组织生物能量的转换利用 31P MRS 正常骨骼肌内PCr多于ATP 而磷酸二脂更少 当肌肉运动增加时 PCr向ATP转化 PCr量下降 乳酸堆积 Pi位移造成肌肉内pH下降 终止运动后 PCr恢复 pH值也上升 对假性肥大性肌营养不良 肌强直性营养不良 脊髓灰质炎 家族性脊椎肌萎缩病等神经肌肉疾病的31PMRS发现病变肌肉的 ATP PCr和Pi PCr值均较正常者升高 且ATP PCr值增高与疾病的严重程度有关 而肌强直性营养不良和家族性脊椎肌萎缩病GPC PCr明显升高 且具特异性 利用31PMRS测定肌细胞内6 磷酸葡萄糖发现抗胰岛素型糖尿病其细胞葡萄糖转运及磷酸化障碍是其主要的原因 31P MRS 2肝脏肝脏中许多化合物都含有31P 而且这些化合物参与细胞的能量代谢和与生物膜有关的磷脂代谢 因此31PMRS被广泛应用在研究肝脏的能量代谢和生化变化 由于肝脏无PCr存在 故肝脏31PMRS峰值曲线上无PCr峰 31P MRS 肝硬变 肝炎和肝肿瘤31PMRS发现 肝硬变时全部6个共振峰中仅PME明显升高 输血后肝炎急性期同样是PME升高 但肝功能恢复后PME共振峰降低 约4个月后恢复至正常 大肠癌肝转移PME比肝硬变更高 特别是Pi也升高 但与其他肝良性病变或正常肝相比 其它波峰显示降低 对何杰金氏病肝浸润的研究表明 当何杰金氏病肝浸润时 在31PMRS上PME ATP和PME Pi的比值均升高 提示31PMRS能显示普通影象学难以显示的系统性疾病 如何杰金氏病 肝浸润 近来对肝肿瘤的研究还表明 肿瘤31PMRS主要变化是磷酸胆碱 PCHo 和磷酸胆胺 31P MRS 脑梗死 急性期脑梗塞26小时再通后患者的PCr减低而Pi升高 脑梗塞32小时后PH就开始下降 ATP和PDE信号也较健侧大脑为低 这说明脑组织能量代谢活性细胞的减少 31PMRS用于脑梗塞的早期诊断 梗塞1 5 3 0小时后 MRI的T2才能发现异常信号 而31PMRS在0 5小时内就可出波峰的异常变化 1HMRS 正常人峰值变化 MRS可了解脑组织发育的成熟度 同时提示在分析波谱时应考虑到年龄相关性变化 有学者报告在正常成人脑内各区域1HMRS表现也不相同 NAA Cho在大脑灰质最高 在小脑最低 两者相差30 脑灰质较白质高 两者相差28 Cr Cho在小脑最高 在白质最低 两者相差29 而丘脑 小脑和灰质之间无显著性差异 NAA Cr比值灰质最高 小脑最低 目前 中国人的MRS还没有一组正常人随年龄变化的峰值 正常人基底节区质子磁共振波谱目的 运用质子磁共振波谱 1H MRS 研究年龄对正常人基底节区脑组织代谢物浓度的影响 方法 对40例健康人进行1H MRS检测 对比分析NAA Cr和Cho Cr比值 结果 随着年龄的增长 在 50岁年龄段基底节区的NAA Cr和Cho Cr比值无明显改变 但在 50岁年龄段基底节区的NAA Cr比值逐渐降低 Cho Cr比值逐渐增高 结论 1H MRS是一种无创技术 可以为正常人基底节区与年龄相关的代谢物浓度的改变提供有价值的信息 基底节区是神经系统疾病多发区 如MS 脑梗死 脑溢血 变性等疾病 因此 NAA Cr Cho等峰值的变化 具有重要的意义 质子MRS波谱分析显示大脑神经祖细胞密度随年龄增长而显著下降 目的 大脑神经祖细胞与年龄的关系 方法 MRS测量溴脱氧尿嘧啶核苷 BrdU 标记分裂细胞结果 在1 28ppm处 峰高值的下降与试验对象的年龄增加具有很好的相关性 8 10岁组平均波峰积分面积 代表生物标示物浓度 50 x10 6 14 16岁组26x10 6 30 35岁组4x10 6 很显然 这样的数值 各组之间的差异都具有高度的统计学意义 结论 这是人脑MRS波普检测所获得的首套数据 它们表明大脑从儿童到成人的发育过程中存在的NPCs减少的事实 人大脑神经再生能力随年龄增长而下降的趋势比预期的大 也即是说 这一现象在人身上表现得更突出 研究人员表示不清楚这种现象的意义到底是什么 1HMRS 脑梗死 急性期1HMRS上NAA PCr下降 Cho无改变 亚急性期和慢性期的各种信号均下降 基底节 峰值明显降低 提示神经元损伤 严重者早期可见Cr信号下降 提示能量代谢障碍 乳酸信号则提示脑组织乏氧代谢 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 1HMRS 急性脑梗塞特征性的变化是出现Lac峰 Barker等认为24小时内MRI高信号区Lac波升高 但Lac持续时间报道不一 以Lac波逐渐下降并持续数天至数周较多 无论在急慢性期均示NAA下降 一般Lac出现的范围大于T2WI高信号的显示的区域 中央高于周边 Lac峰最高的部位就是NAA降低最严重的部位 NAA减少愈显著 功能恢复越差 Cr与Cho的改变各家观点不一 以Cr与Cho降低居多 1HMRS 脑肿瘤由于组成细胞的成分不同 不同类型肿瘤的MRS表现各异 星型细胞瘤典型表现 NAA显著下降 Cr中等下降和Cho显著升高 NAA Cr比值下降和Cho Cr比值升高 以NAA Cho及Cho Cr的比值反映肿瘤级别较稳定 国内鱼博浪等认为Cho NAA及Cho Cr比值在2 4之间提示为弥漫性星形细胞瘤 Cho NAA及Cho Cr比值 4提示为间变性星型细胞瘤或胶质母细胞瘤 但Cho NAA及Cho Cr比值不能区别间变型星形细胞瘤和胶质母细胞瘤 1HMRS Cho波具有脑肿瘤诊断价值 1显著升高时2Cho波增高最明显的部位肿瘤最活跃 也是穿刺的最佳部位 3如果肿瘤周围区域Cho波增高 提示原发脑肿瘤浸润生长 1HMRS 脑转移瘤 缺乏NAA波 Cr波缺乏或消失 Cho升高 脑膜瘤和神经鞘瘤 属脑外肿瘤 不含神经元 MRS中不见NAA和Cr波 脑膜瘤时Cho波明显升高 可以出现丙氨酸 Ala 波为其特点 神经鞘瘤的特点是在3 6ppm处出现磷酸肌醇峰 丙氨酸 Ala 波也可见于垂体瘤 1HMRS 鞍区和鞍上区内病灶内出现Lip波提示颅咽管瘤 总之 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 由于部分不同病理类型或恶性程度不同的肿瘤的MRS表现有一定的交叉性 增加了脑肿瘤诊断与鉴别诊断的难度 需大宗病例的研究 1HMRS 脑炎临床和MRI之前即有MRS的异常改变 早期表现为NAA水平下降和Cho升高 以后出现非特异性弥漫性脑白质脱髓鞘 NAA进一步下降 Cho继续上升 国内鱼博浪等认为Cho Cr小于2可提示脑炎 NAA Cho Cr明显下降 Lac Lip增加 有时见aa增加 TheglioticareasofRasmussen sencephalitis Fig8 withhyperintenseT2signal maybeconfusedwithinfiltrateprocesswhenhemisphericatrophyisnotsopronounced ProtonMRS however showsadecreaseintheNAA Creratio indicatingthesecondaryneuronallossobservedinthisinstance Lactateaccumulationisassociatedwiththerepetitiveneuronalepilepticactivityinthisdisorde 脑脓肿脑脓肿时可出现特征性的氨基酸波 包括亮氨酸波 Aas0 9ppm 乙酸盐波 Ace 1 9ppm 和丁二酸盐波 SUCC2 4ppm 与脑肿瘤坏死相比 在进行MRS检查时 均表现为Lac波的出现 NAA波 Cr波和均降低 Cho波明显升高 在DWI上信号增高 MRSconfirmedthehypothesisofabscessduetothepresenceofaminoacidpeakandelevatedsuccinatesignalintensity ThelesionwassurgicallyaspiratedandculturerevealedinfectionbyPneumococcussp 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 目前认为MS是一种全脑病变 NAA的降低是神经元脱失与轴突损坏的结果 神经元进行性丢失是其特征 活动期Cho Lipid Lac NAA MS非活动期NAA降低 轴突损害 MI升高 胶质增生 病变周围正常的脑白质 NAWM 亦有NAA降低 且随离病变中央距离的不同NAA降低也不同 代表白质病变的进展范围 同时说明轴突损伤是疾病进展的机制 单纯神经元脱失可解释NAA降低 大量神经元变性是MS的重要变化 可解释MS患者的认知障碍 20 综合国内外研究普遍认为NAA降低与病情的相关性需更进一步研究 Theacutemultiplesclerosis Fig4 plaquesmayproducelargemasseffectwithsurroundingedemaandblood brainbarrierrupture pseudotumoralmultiplesclerosislesions attimessimulatingneoplasm inparticularwhenthereisonlyonelesion InprotonMRStheyarecharacterizedbylacincrease dependingonthedegreeofinflammatoryreaction andbyincreasedCho Creratiosduetoacutemyelinbreakdown butusuallynotsointenseasinneoplasticlesions ChronicplaquespresentreducedNAA Creratiosinthecenterofthelesion asconsequenceofirreversibleaxonalinjuryandpartialorcompleterecoverofNAAsignalintheperipheryofthelesion Therefore asingleMRSexaminacutemultiplesclerosislesionsmayshowaverysimilarpatternasseeninbraintumors However followupMRSexamswillshowdistinctpatternsofmetabolicchangesinthesetwoconditions MS不仅可累及白质 还可累及灰质 虽然较少出现 但无论是组织病理学还是MRI MRS都已经证实MS可累及灰质 病变可位于皮层内 近皮层和皮层下深部灰质核团 由于灰质病灶增强后的强化没有白质显著 因而传统的MRI较难发现灰质的病灶 患者灰质的NAA峰值明显低于正常对照 Cho峰值和NAA 磷酸肌酸比值也明显升高 丘脑 尾状核 壳核等深部灰质的NAA峰值也明显降低 尽管其降低幅度明显小于MS患者白质内NAA峰值的降低 反映了灰质内髓鞘成分较少 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 癫痫与MRS180 的癫痫与海马硬化有关 神经元减少和胶质细胞增生 MRS表现为NAA减少 Cho和Cr增加 NAA Cho Cr 比值下降 Duncan认为海马硬化时 NAA峰值降低 减少22 减少说明癫痫灶内神经元的缺失 受损和功能活动异常 Cho和Cr可增加25 和15 反映胶质细胞增生 NAA Cho Cr 比值下降 定位及定侧NAA Cho Cr 0 72为正常 双侧比值差大于0 05或双侧较正常对照低时为异常 Lac峰的出现对定侧很有价值 但在发作间歇期 Lac几乎不出现 发作次数越多 患病时间越长 NAA峰降低和Cho波升高明显 MRI和MRS结合有利于癫痫灶术前准确定位 测定癫痫活动中重要的三种神经递质 即 氨基丁酸 GABA 谷氨酸 Glu 和谷氨酰氨 Gln 其中GABA降低 抗癫痫治疗后升高 在癫痫病灶中 Glu升高 2MRS对于癫痫灶的定位是一种很好的检查方法MRS在颞叶癫痫病灶的定位的重要价值毫无疑问 近年的研究表明 MRS对颞叶外特别是起源额叶癫痫同样具有重要价值 研究表明与正常对照组相比较 很多癫痫病人的一侧或双侧额叶出现NAA Cr或NAA Cho比值的降低 癫痫灶往往定位与大脑半球NAA降低最明显的地方 而其中有很多是MRI没有发现异常的 并且MRS发现代谢产物异常的范围要比脑电图的定位更广泛 虽然MRS对癫痫的定位较好 但是如果只用MRS一种检查方法 仍有10 15 的错误 最好能将MRS与EEG MRIV PET SPECT等方法结合起来 达到最佳效果 3MRS癫痫的发作 病程 严重程度的评估 Duc等认为海马中NAA的降低的部位大小与病人的发病年龄有关 具有相同起病年龄的癫痫患者他们的病程和NAA下降的范围密切相关 难治性癫痫患者术前NAA的下降和术后的病理学上海马的硬化程度有关 可以认为MRS测得的代谢物的数量能用来评估难治性癫痫患者神经元丢失及功能下降的严重程度 对监视病情变化和评估海马的组织病理学改变有一定的作用 另外 MRS测得的代谢物的数量和癫痫的发作频率有密切关系 如随着NAA的下降 EEG上癫痫的发作频率增加 没有证据表明代谢物的变化和癫痫的病程有关 4MRS对难治性癫痫术后效果的评估大量的研究表明 结合EEG和MRS可以对难治性癫痫术后效果进行评估 如果EEG确定的癫痫灶和MRS确定的异常部位在相符合 术后的疗效较好 如果MRS确定的异常部位面积较大 两侧都有异常或与EEG确定的癫痫灶差别较大则预后较差 5MRS对癫痫药物的评估关于用MRS来评估抗癫痫药物的研究已经有很多 如Petro研究了服用氨己烯酸后脑中的GABA浓度的变化 氨己烯酸可以提高GABA的浓度 服用一次氨己烯酸 50mg kg day 2小时后GABA的浓度增高40 以上 并且第二天继续上升 从第五天开始慢慢下降 这支持氨己烯酸升高GABA浓度从而起到抗癫痫的作用 并且可据此制定氨己烯酸的服用方法 另外妥泰也可以升高脑中的GABA浓度 关于其它抗癫痫药物对大脑代谢物的影响也在研究中 MRS不但敏感性较高 而且对双侧病变的检出率优于MRI 双侧NAA Cr的不对称程度和EEG的不对称程度是一致的 在NAA Cr下降多的一侧 EEG的异常越重 意味着组织损伤的波谱异常的地方往往是EEG上首先异常放电的地方 波谱改变的病灶不一定在MRI上能发现形态学异常 因为这时可能处于病变早期 随着病变的发展MRI上出现形态学改变 MRS的异常越加明显 颅内常见病变的代谢物特征 疾病NAACrChoLacLipaa肿瘤脓肿梗死MS癫痫 MRS扫描要点 确定MRS扫描的感兴趣区 RegionofInterest ROI 水和脂肪质子峰的抑制待测定代谢物的浓度在毫摩尔数量级 水的质子浓度约为110摩尔 为前者浓度的104 105倍 同样 脂肪的质子也需要进行抑制 化学位移选择法 ChemicalShiftSelective CHESS MRS扫描要点 避开干扰组织 如颅骨 脂肪 硬膜 脑脊液等 被检查者的配合 被检查部位的大小脊髓病变一般不适于做MRS检查 位于延髓者可以考虑 脑部病变太小者 所测数值不准确 MRS检查影响因素 1MRS检测的信号强度与所测组织的原子核的量和浓度 敏感性密切相关 1H在人体中自然丰度和敏感性最高 易于检测 活体1H代谢物浓度达到100 mol 1mmol L 1 才可检测 2磁场的均匀性波谱谱线线宽受原子核自然线宽及磁场均匀性的影响 内磁场的均匀度越高 线宽越小 基线越平整光滑 外部磁场均匀性差会导致波谱频率出现偏差 导致波谱的谱线变宽 波峰不易区分 通常以水共振的半高线宽表示磁场的均匀性