MRS颅内应用ppt课件

MRS 1946年 哈佛大学Purcell和斯坦福大学Bloch各自独立地发现了核磁共振现象 为分子结构的研究提供了一种全新的手段 也因此获得1952年诺贝尔物理学奖 1971年Damadian发现肿瘤组织的T1和T2值比正常组织长 1973年Lauterbur得到了两个充水试管的核磁共振图像 并在1974年得到活鼠的核磁共振图像 1978年Mallard Hutchison及Lauterbur利用0 04 0 085Tesla的磁共振装备取得了第一幅人体头 胸和腹部图像 磁共振成像的发展 生物组织中含有1H 13C 19F 23Na 31P等元素 有磁性的元素有百余种 在现今 研究和使用的最多的是1H 1H是磁化最高的原子核 可以得到较强的信号 即SNR高 1H占活体组织中原子数的2 3 数量丰富 MRI时 均指的是1H原子核 MRS应用时 除1H外 还用到其它一些元素 如 31P可用于判定磷代谢产物的浓度 并可根据无机磷波谱的位置 测定pH值 13C可用于帮助诊断酶缺乏性疾病 磁共振成像的原理 MRI MRS比较 在本质上 MRS与MRI相同 其物理原理是相同的 不同的是 数据处理和数据显示方式的差别 MRI扫描后 一定时域内获得的信号被用于产生一个影像 如矢状 横轴和冠状等 MRS扫描后 一定时域内获得的信号通过快速傅立叶转换 FourierTransform 产生一个质子成分按频率分布的波谱图 而此波谱图显示了构成该图像的各组成成分 MRI获得的信号是由不同体素内氢核发射的已经在不同的空间方向进行频率和相位编码的信号 MRS能以质和量的方式获取氢原子核化学环境的信息 揭示某部分的质子组成成分 MRI MRS比较 绝大多数原子核都具有围绕自身轴线做旋转运动的特性 称之为自旋特性 原子核是带电粒子 在做自旋运动时 会在其周围产生一个微小的磁场 像小磁针一样 具有南北两极 其矢量大小用自旋磁矩表示 MRI的物理基础 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 进动频率亦称角频率 取决于外加磁场强度 B 和原子核的旋磁比 B 上述方程式称为拉莫方程 LarmorEquation 其角频率又称为拉莫频率 旋磁比 是原子核的固有特性 仅与原子核的种类有关 MRI的物理基础 外加射频脉冲 RadioFrequency RF 频率与原子核拉莫频率相同时 原子核就会吸收射频脉冲的能量 从低能量状态转变到高能量状态 产生磁共振现象 对于某种给定的原子核 如氢核 激发所需要的射频脉冲的频率与磁场强度成正比 如1 5Tesla场强下RF频率为63 86MHz 3 0Tesla场强下则为137 72MHz MRI的物理基础 对于具有相同原子序数的原子核 即同种元素的同位素 如氢原子核的三种同位素 氕 氘和氚 即使它们是在理想均匀的磁场中 进行精确地测量 其共振频率也不完全相同 而是在一个较窄的频率范围内 这种差异是由于原子核处于不同的化合物中 受到原子核周围的电子影响所致 MRS的物理基础 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 这种磁屏蔽作用的大小用屏蔽系数 表示 被磁屏蔽作用消弱掉的磁场强度为 B 这部分磁场 B 与外加磁场方向相反 强度与外加磁场强度 B 成正比 MRS的物理基础 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 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 MRS的物理基础 所以 考虑到电子的磁屏蔽作用 拉莫方程应修正为 1 B 上式表示 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 即 的大小不同 将具有不同的共振频率 这就是所谓的化学位移现象 ChemicalShiftPhenomenon 也是磁共振波谱成像的基础 MRS的物理基础 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 化学位移的表示方法 f fr f 106ppm其中 表示化学位移 f表示被测原子核的共振频率 fr表示中心拉莫频率 ppm表示百万分之一 上式可反映不同化学环境屏蔽系数的差别 是一个相对值 与外加磁场强度的大小无关 是非磁场依赖性的 化学位移的表示方法 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 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 1HMRS测定的代谢物及其临床含义 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 1HMRS测定的代谢物及其临床含义 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 1HMRS测定的代谢物及其临床含义 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 1HMRS测定的代谢物及其临床含义 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 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 1HMRS测定的代谢物及其临床含义 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 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 1HMRS测定的代谢物及其临床含义 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 1HMRS测定的代谢物及其临床含义 脑肿瘤胶质瘤表现为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 颅内常见临床疾病的1HMRS表现 脑梗死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 颅内常见临床疾病的1HMRS表现 感染性病变NAA Cho Cr明显下降 Lac Lip增加 有时见aa增加 颅内常见临床疾病的1HMRS表现 颅内常见临床疾病的1HMRS表现 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 颅内常见临床疾病的1HMRS表现 脑代谢性疾病非酮性高甘氨酸血症 脑MRS可见多余甘氨酸信号 线粒体疾病 MRS表现为 信号减低和异常乳酸信号 氧化磷酸化障碍而致乳酸堆积 氏病人可见特异性 信号升高 颅内常见临床疾病的1HMRS表现 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 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