磁共振功能成像的临床应用PPT课件.ppt

磁共振功能成像的临床应用TheclinicalapplicationoffunctionalMRI 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 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DiffusionWeightedImaging DWI 基本概念 5 5 弥散 diffusion 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 limiteddiffusion 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 diffusioncoefficient 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 ApparentDiffusionCoefficient 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T2WI 原理 11 11 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 13 13 1 自由水扩散自由 信号衰减多 呈低信号 2 结合水扩散受限 信号衰减少 呈高信号 错误 14 14 无创探测活体组织中水分子扩散的唯一方法信号来源于组织中的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 15 15 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 16 16 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 17 17 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 18 18 脑梗死急性期 6h 3d 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 19 19 亚急性期 3d 3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 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 20 20 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 21 21 早期梗死 ADC起决定作用 DWI为高信号 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 T2对DWI的贡献无变化 但ADC明显升高 使DWI的信号下降 22 22 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 23 23 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 24 24 高英 肺癌脑转移 27 27 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 28 28 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 29 29 蛛网膜囊肿 表皮样囊肿 30 30 蛛网膜囊肿 表皮样囊肿 31 31 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 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 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 弥漫性轴索损伤 细胞毒性水肿 恢复困难 35 35 扩散张量成像DiffusionTensorImaging DTI 基本概念 36 36 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 isotropy 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 原理 37 37 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 38 38 白质纤维束示踪成像 fibertractography 39 39 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 40 40 灌注加权成像PerfusionWeightedImaging PWI 基本概念 41 41 脑血流量 cerebralbloodflow CBF 指在单位时间内流经一定量组织血管结构的血流量 脑血容量 cerebralbloodvolume CBV 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 meantransittime 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 Transittimetothepeak TTP 指从对比剂开始出现到对比剂达峰值的时间 rCBF rCBV rMTT rTTP 原理 42 42 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 bloodbrainbarrier 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 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 43 43 1 短暂性脑缺血发作 transientischemicattacks TIA 指症状持续时间 24h的局灶性脑缺血事件 无任何脑梗死的证据 正常成年人的当CBF降低到10 20ml 100g min 或皮层CBF降低到正常的40 白质CBF降低到正常的35 时 就引起脑组织的缺血反应 约50 的TIA患者在发病12h内的PWI上存在异常灌注区 主要为TTP或MTT延长 灌注成像技术能发现早期脑缺血区及其血液动力学改变 能在脑缺血后30min即清楚显示缺血区 44 44 2 急性缺血性脑梗死 acuteischemiccerebralinfarction PWI的各个参数均可用于急性缺血性梗死的判断 但其意义有一定的区别 CBV图上的异常低灌注区多代表梗死核心 即最终梗死区 CBF图可提供CBV图不能反映的血流动力学改变 CBF图上的异常低灌注区代表缺血组织 MTT图和TTP图对组织的低灌注最敏感 可最大范围显示低灌注组织 急性脑缺血时 PWI参数图上异常范围大小顺序为 MTT CBF CBV 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 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 mismatch模型 缺血半暗带 ischemicpenumbra 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 PWI 是理想的溶栓对象 mismatch包括如下几种情况 1 PWI DWI 即PWI所显示的异常区域明显大于DWI所显示者 提示DWI所显示的异常区域可能代表梗死核心 而PWI所显示者可能包括了梗死核心和缺血半暗带 2 PWI异常 DWI正常 提示血流已有障碍 但还没有下降到造成组织缺血性损伤的程度 若血流得不到恢复 则最终的DWI缺损区与PWI相等 3 DWI异常 而PWI正常 提示PWI成像时栓塞等所致脑梗死的病因已自行解除 而不表现PWI灌注缺损 4 DWI PWI 即DWI显示的异常区域大于PWI所显示者 提示可能为梗死核心产生的兴奋性毒物使周围组织发生继发性梗死所致 3 在脑肿瘤诊断中的应用肿瘤细胞增殖活跃 导致细胞内葡萄糖降低和缺氧 诱导血管内皮生长因子 vascularendothelialgrowthfactor VEGF 生成 形成肿瘤血管 新生成的血管迂曲 结构异常 使得肿瘤的CBV和CBF增加 MTT延长 PWI在脑肿瘤的诊断 分级 鉴别诊断 预后评估方面具有重要作用 肿瘤术前分级 从总体上看 肿瘤恶性程度越高rCBV值越大 即多形胶母 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 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 56 56 磁敏感加权成像SusceptibilityWeightedImaging SWI 原理 57 57 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 diffuseaxonalinjury DAI 文献报道 1 2 DAI微出血灶检出数SWI DWI T2WI T1WI 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23min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 LlinasRH CaplanLR etal MRIfeaturesofintracerebralhemorrhagewithin2hoursfromsymptomonset J Stroke 1999 30 11 2263 2267 2 PatelMR EdelmanPP WarachS DetectionofhyperacuteprimaryintraparenchymalhemorrhagebymagneticresouanceimagingLJ Stroke 1996 27 12 2321 2324 63 63 血氧水平依赖法脑功能成像技术BloodOxygenationLevelDependented BOLD 原理 64 64 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 66 66 磁共振波谱分析MagneticResonanceSpectroscopy MRS 原理 67 67 磁共振波谱 MagneticResonanceSpectroscopy MRS 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 partspermillion ppm 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1HMRS共振峰 68 68 1 NAA N 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 Cr Pcr creatineandphosphocreatine 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 69 69 3 Cho cholinecontainingcompounds 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 4 MI myoinositol 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 Lac lactate 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 GLX Gln Glu 谷氨酰胺 glutamine 及谷氨酸 glutamic 复合物峰 共振峰位于2 2 2 4ppm 峰 及3 6 3 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