磁共振脑功能成像

磁共振波谱成像讲解 影像医学的发展前景 更敏感 更特异 更无创放射学 医学影像学放射诊断 诊断治疗学形态解剖 功能 代谢 医学磁共振技术的应用 MRI 研究人体组织器官大体形态病理生理改变MRS 研究人体能量代谢及生化改变fMRI 磁共振脑功能成像 脑功能成像 测量脑内化合物测量脑局部代谢和血氧变化技术测量脑内神经元活动的技术 脑功能成像 测量脑内化合物测量脑局部代谢和血氧变化技术测量脑内神经元活动的技术 测量脑内化合物 是特殊神经化学研究技术 可定位定量 测量脑内各种生物分子的分布和代谢 单光子发射计算机断层显像技术 SPECT 正电子发射断层成像技术 PET 磁共振波谱分析 MRS 脑功能成像 测量脑内化合物测量脑局部代谢和血氧变化技术测量脑内神经元活动的技术 测量脑代谢和血氧变化 当脑活动增加时 局部血流 氧代谢和糖代谢增加 可以功能定位 对脑局部反应特征研究PET光学成像技术功能磁共振成像 fMRI 灌注成像 外源性灌注成像 PWI 内源性 血氧水平依赖法 BOLD 脑功能成像 测量脑内化合物测量脑局部代谢和血氧变化测量脑内神经元活动 测量脑内神经元活动 脑电图 EEG 脑磁图 MEG 事件相关电位 ERP 磁共振功能成像 磁共振波谱 MRS 扩散加权成像 扩散张量成像 DTI 灌注成像 外源性灌注成像 PWI 内源性 血氧水平依赖法 BOLD 磁共振波谱 MRS 技术及临床应用 MRS技术概述 MagneticResonanceSpectroscopy MRS研究人体能量代谢的病理生理改变研究范围 中枢神经系统 体部如前列腺肝脏 乳腺等不同波谱 1H 31P 13C 19F 23Na31P MRS最早应用1H MRS应用最广泛 MRS对硬件的要求 与MRI相同磁体RF线圈RF放大器RF发射器接收器和计算器 MRS对硬件的要求 与MRI不同高场强 1 0T以上高均匀度 B0的不均匀性必须小于1 0ppm不需要梯度线圈 但需要一些空间定位的辅助装置不需要成像装置 但需要必要的硬件和软件 显示波谱 计算化学位移频率 测定波峰等 MRS技术及基本原理 射频脉冲原子核激励驰豫信号呈指数衰减 自由感应衰减 傅立叶变换MRS显示振幅与频率的函数即MRS MRS技术及基本原理 利用原子核化学位移和原子核自旋耦合裂分现象不同化合物的相同原子核 相同的化合物不同原子核之间 由于所处的化学环境不同 其周围磁场强度会有轻微的变化 共振频率会有差别 这种现象称为化学位移不同化合物的相同原子核之间 相同的化合物不同原子核之间 共振频率的差别就是MRS的理论基础 MRS技术及基本原理 MRS表示方法在横轴代表化学位移 频率差别 单位百万分子一 ppm 纵轴代表信号强度 峰高和峰值下面积反映某种化合物的存在和化合物的量 与共振原子核的数目成正比 脑MRS 如何获得MRS 选择成像序列 激励回波法STEAM 点分辨波谱法PRESS等选择检查方法 单体素和多体素具体的步骤 扫描参数 定位 饱和带 预扫描匀场 数据采集 后处理分析 MRS空间定位及序列选择 激励回波法 theStimulatedEchoAcquisitionMethod STEAM 点分辨波谱法 thePointResolvedSpectroscopyPRESS 深部分辨波谱法 DRESS 空间分辨波谱法 SPARS MRS序列选择 激励回波法 连续使用三个90 射频脉冲产生激励回波 900 900 900优点 常使用短TE 35ms 检测代谢物种类多 如脂质 谷氨酰胺和肌醇只有在短TE才能检出缺点 对运动敏感 信噪比低 对匀场和水抑制要求严格 对T2弛豫不敏感 MRS序列选择 点分辨波谱法 用1个90 和2个180 脉冲产生自旋回波 900 1800 1800优点 信噪比高 是激励回波法的2倍 可以选择长 短TE 144msor35ms 对T2弛豫敏感 对运动不太敏感缺点 选择长TE 不易检出短T2物质 如脂质 MRS检查方法 单体素氢质子 Singlevoxel SV MRS多体素氢质子 protonmulti voxelspectroscopyimaging PMVSI MRS SV氢质子MRS特点 覆盖范围有限 一次采集只能分析一个区域 适用于局限性病变 后颅窝病变采集时间短 一般3 5分钟 MV氢质子MRSI 2DPROBE SI3DFocalPROBE SIFullcoverageMRSI和UltroPROBE SI MV氢质子脑MRSI的特点 可以同时获取病变侧和未被病变累及的区域 评价病灶的范围大 匀场比较困难 由于多个区域同时获得相同的磁场均匀性 对临近颅骨 鼻窦或后颅窝的病灶 由于磁敏感伪影常常一次匀常不能成功采集时间比较长 单体素与多体素的比较 单体素容易实现成像时间相对较短磁场不均匀性易克服谱线定性分析容易谱线的基线不稳定 多体素覆盖范围大 一次采集可获得较多信息成像时间长容易受磁场不均匀性的影响谱线基线稳定 MRS具体操作步骤 成像参数的选择 兴趣区的选择 预扫描 体素匀场 水抑制 传导和接收增益 调整中央频率 资料采集 资料后处理 显示和储存 如何获得好的MRS 必要的硬件和软件是基础 静磁场的均匀性 射频脉冲的稳定性 后处理软件序列 方法 参数和位置的合理选择 是高信噪比保证 单体素点分辨波谱法 PRESS 成像参数TR1500msTE35ms或144msVoxelsize15 20mmNEX8Scantime3 40 参数选择对MRS的影响 不同TE对波谱的影响 PRESS TE 35ms TE 144ms 不同TE对波谱的影响 PRESS 短TE 检测代谢物种类多 如脂质 谷氨酰胺和肌醇只有在短TE才能检出 便于测量短T2的物质 缺点是基线不够稳定 长TE 检测代谢物种类少 基线稳定 常用于肿瘤性病变 因为TE 144ms时易于显示胆碱和乳酸峰 此时乳酸峰反转于基线下 兴趣区定位对MRS的影响 兴趣区大小直接影响波谱曲线的准确性 过小信号相对较低 过大容易受周围组织的干扰 产生部分容积效应 依据病灶大小决定 一般单体素为15 20mm兴趣区定位注意 避开血管 脑脊液 空气 脂肪 坏死区 金属 钙化区和骨骼 上述区域易产生磁敏感伪影 降低分辨率和敏感性 掩盖代谢物的检出 匀场和水 脂抑制 匀场 波谱反映的是局部磁场的瞬间变化 任何导致磁场均匀性发生改变的因素 都可以引起波谱峰增宽或重叠 使MRS信噪比和分辨率降低水 脂抑制 水 脂浓度是代谢物的几十倍 几百倍 甚至几千倍 如不抑制 代谢物将被掩盖匀场和水抑制后 线宽 头颅小于10Hz 肝脏小于20Hz 水抑制大于95 MRS的信噪比 MRS的信噪比决定谱线的质量MRS的信噪比 最大代谢物的峰高除以无信号区噪声的平均振幅 通常大于3 谱线的质量可以接受 MRS信噪比的影响因素 磁场均匀性兴趣区定位采集平均次数体素大小TR TE时间组织内原子核的自然浓度和敏感性磁场强度 MRS敏感性与磁场强度的2 3次方成正比 场强越高 敏感性和分辨率越高 总之 兴趣区定位准确 避开可能影响MRS的周围组织因素恰当的匀场 保证采样区磁场均匀性 提高分辨力和敏感度充分抑制水 脂信号 避免波谱的脂肪污染和水信号对代谢物的掩盖增加采集次数 增加体素大小提高信噪比根据不同的病变选择不同参数 TR TE 波谱检查不成功或出现非诊断性波谱的原因 患者不能配合匀场不成功病灶存在大量的坏死 血液成分 钙化和黑色素手术金属夹产生磁化率伪影甘露醇治疗后会在3 8ppm出现波峰类固醇类药物治疗后影响代谢物的水平 MRS面临的挑战 特定技术抑制水波谱 与水相比 脑内代谢物的含量非常低提高分辨力和敏感度 MRS反映局部磁场的瞬间变化 对任何原因引起磁场均一性的微小波动均较敏感 导致波峰增宽和重迭 从而降低MRS技术的分辨力和敏感度定量分析困难 尤其是绝对定量 MRS临床应用 脑部体部 前列腺 肝脏 乳腺等 MRS在脑部临床应用技术 点分辨波谱法PRESS选用SV或MV选择成像参数兴趣区的选择定位自动预扫描 匀场 水抑制数据采集后处理和分析 序列及扫描参数 SV pressTR1500msTE144 35msFOV24cmVoxelsize20mmNEX8Scantime3min 自动预扫描后获得的参数 线宽 Ln 小于10Hz水抑制大于95 1HMRS在颅脑疾病的应用 肿瘤与非肿瘤肿瘤的类型观察肿瘤的治疗效果和复发肿瘤与水肿非肿瘤 感染 梗塞 出血 癫痫等各种变性病变 神经退行性变 脱髓鞘病变 代谢性病变等 脑MRS常见成分 Cho NAA Cr mI 人脑代谢物测定的意义 N 乙酰天门冬氨酸 NAA 位于波谱2 0ppm处 主要位于成熟神经元内 是神经元的内标记物 是正常波谱中最大的峰 NAA下降见于神经元损害 包括缺血 创伤 感染 肿瘤等 脑外肿瘤无NAA峰NAA升高少见 Cavana病 发育中的儿童 轴索恢复时可升高 Cho Cr NAA 正常 异常 胆碱 Cho 脑内总胆碱 波峰位于3 2ppm处 是细胞膜磷脂代谢的成份之一 是细胞膜转换的标记物 反映了细胞膜的运转 和细胞的增殖 Cho是髓鞘磷脂崩溃的标志 Cho升高 脑肿瘤 急性脱髓鞘疾病Cho降低 中风 肝性脑病 Cho NAA Cr 肌酸 Cr Pcr 包括肌酸和磷酸肌酸 是脑代谢的标记物 位于波谱3 0ppm和4 1ppm处 参与体内能量代谢 Cr波峰比较稳定 常用作内标准 在正常脑波谱中 Cr是第三高波峰 Cr Pcr升高 创伤 高渗状态Cr Pcr降低 缺氧 中风 Cr Cho NAA 乳酸 Lac 乳酸是糖酵解的终产物 它的出现提示无氧呼吸 正常脑组织中不可见 位于波谱1 32ppm 当TE从短TE变为长TE时 Lac峰会发生翻转 出现乳酸峰 见于脑肿瘤 脓肿 囊肿 梗塞及炎症 LAC LAC TE 35 TE 144 肌醇 mI 波峰的位置3 56ppm处 胶质细胞的标记物 是最重要的渗透压或细胞容积的调节剂mI升高 提示胶质增生及髓鞘化不良 新生儿 低级别的胶质瘤mI降低 恶性肿瘤 慢性肝病 Lip 脂质 波峰位于0 8 1 33ppm之间 脂质 谷氨酰胺和肌醇只有在短TE才能检出Lip增高 提示髓鞘的坏死和 或中断 见于恶性肿瘤 炎症 急性中风 TE 35ms 1 分析MRS时注意点 注意病灶区与对侧非病变区对称采集 便于对比两次采集必须采用同样的技术和方案 保持可比性假阴性 由于部分容积效应 体积较小的病灶可能表现为正常减少假阴性的措施 缩小体素 提高分辨率 增加采集次数 提高信噪比 2 分析MRS时注意点 比例因素 病理掩盖 当一种代谢物占优势时 其他代谢物由于比例的原因 显示为很小的波峰 这并不意味着其他代谢物浓度低 而是由于某种代谢物的病理性增加对比剂的影响 对比剂的注射不影响整个波谱的解释 但可能会影响个别峰的面积 3 正常情况下不同区域代谢物的变化 NAA 海马 皮质及皮质下 小脑 其他 Cr 灰质 白质 左右 3Cho 白质 灰质 在桥脑浓度 其他部位 基底节区 NAA Cr和mI Cr比率较低 Cho Cr比率较高 4 不同年龄代谢物的变化 新生儿 NAA及NAA Cr比率逐渐增加 提示出生后神经元逐渐成熟 8月 Cho和mI水平明显升高8月至2岁 波谱逐渐趋于正常化2岁后与成人基本一致老年人 NAA及NAA Cr比率减低 提示神经元数目减少或生存能力减低 Cho和Cho Cr比率升高 提示细胞膜退变加剧和胶质细胞数目增加 MRS鉴别肿瘤与非肿瘤 波谱技术TE 144ms 容易反映Cho水平的增长 即肿瘤病灶中主要代谢物TE 35ms 能检出mI 有助于肿瘤分级静脉注射对比剂前后 均可进行质子波谱成像 但进行随访时应与前一次一致 MRS鉴别肿瘤与非肿瘤 肿瘤的波谱形式 NAA及NAA Cr比率降低 提示神经元数目和生存能力降低Cr降低 是由于肿瘤能量代谢的需要Cho Cho NAA和Cho Cr比率增加 与细胞膜转换率和细胞的稠密度有关 是源于肿瘤细胞的增殖Lac出现 与成人脑肿瘤的分级直接相关 肿瘤级别越高峰值越高 见于所有儿童脑肿瘤中 MRS鉴别肿瘤与非肿瘤 Lip的出现强烈提示组织坏死 见于肿瘤 炎症 急性脱髓鞘病变mI Cr便于肿瘤分级 低度恶性肿瘤 高度恶性肿瘤 mI Cr比率明显增高 提示为非肿瘤性病变Glx高于NAA峰1 3时即认为Glx增高 见于脑膜瘤 明显增高提示非肿瘤性病变 感染 梗死 肝性脑病等 MRS鉴别肿瘤与非肿瘤 注意点不能完全依赖于波谱 要结合MRI图像和灌注结果假阴性结果 见于肿瘤明显坏死 低度恶性 非常小的病变假阳性结果 见于炎性假瘤 机化的血肿 病毒性脑炎等 胶质瘤 Cho增加 NAA降低 Cho增加 Cho增加 脑脓肿 Lac增高 磁共振波谱 MRS 技术在体部的应用 MRS在前列腺肿瘤中的应用 超声 CT MRI诊断前列腺癌 敏感性特异性都不高MRS使前列腺癌的诊断重现生机 MRI与3D MRS相结合评价前列腺癌敏感性95 特异性91 的 是最为理想的检出前列腺癌的方法 摘自 Radiology 1999 213 473 480 MRS在前列腺肿瘤中的应用 前列腺癌在MRS上表现为较高的Cho峰 同时特异性的枸橼酸盐 Citrate 峰明显减低 对前列腺癌的诊断特异性较高 MRS技术 选择序列参数 定位 饱和带 匀场常规自动预扫描自动匀场和水脂抑制 要求线宽小于15Hz 方可进行MRS数据采集