脑肿瘤的磁共振波谱成像简北放会

脑肿瘤的磁共振波谱成像,马国林 MD.PhD.卫生部中日友好医院放射科,病理生理和神经化学成像技术和脉冲序列临床应用,脑肿瘤的磁共振波谱,能给出病理和代谢信息 对常规MRI进行补充 有助疑难疾病的诊断,1H-MRS检测的神经代谢物的意义NAA 神经元标志 减少与神经元丧失或死亡有关Cho 反映脑内总胆碱量 包括磷酸胆碱 甘油磷酸胆碱 磷脂酰胆碱和鞘磷脂 升高提示细胞膜更新紊乱Cr 包括肌酸 磷酸肌酸 是能量代谢产物 反映细胞内肌酸总储备情况 相对稳定 常用内标准,理论上测各物质绝对浓度最科学但复杂NAA，Cho与Cr比值相对容易 不随T1/T2变化 不受脑脊液影响,Calella A M, et al. Neural Dev,2007,2:4.,Ehrengruber M U, et al. Gene,2000,258(1-2):63-69.,脑肿瘤MR波谱成像病理生理和神经化学,ppm 3.9 3.2 3.0 2.4 2.0 1.3,Normal MR Spectrum,Hunters angle,脑肿瘤中Cho 改变Cho水平 与肿瘤细胞密度 肿瘤级别 有无坏死有关Cho升高 见于肿瘤 由于细胞膜翻转和增生 细胞膜破坏释放磷酸胆碱和甘油磷酸胆碱及其代谢物合成是Cho升高的生物学基础,脑肿瘤MR波谱成像病理生理和神经化学,脑肿瘤基本代谢改变,Cho lactate lipids 升高 NAA Cr 降低,脑肿瘤中Cho改变Cho降低 高度恶性肿瘤和GBMs的大量坏死Cho半定量 能显示胶质瘤的增生 与胶质瘤增生活跃组织学标志Ki-67明显相关 Cho值不同 可显示肿瘤内不同组织学分级 出血 钙化 辐射射坏死区等,脑肿瘤MR波谱成像病理生理和神经化学,脑肿瘤中NAA确切功能不清 神经元密度和发育标志-神经元特性也见于不成熟少突胶质细胞 原始星形细胞 轴突NAA 降低-正常神经元和轴突被肿瘤组织取代正常脑内乳酸很少检出乳酸明显升高 有氧反应失去 无氧糖酵解取代 缺氧 代谢紊乱 巨噬细胞聚集（炎症区）乳酸也可聚集囊肿和坏死灶 乳酸和脂质常见于坏死和囊性肿瘤内-预示高度恶性,脑肿瘤MR波谱成像病理生理和神经化学,脑肿瘤中Cr和PCr改变Cr 能量代谢标志Cr 相对恒定 常用作计算代谢物比值(Cho/Cr和 NAA/Cr）但恶性病变降低 Cr减少 肿瘤消耗能量增加代谢活动 局部和个性化Cr浓度不清 绝对定量增加MRS敏感度和特异度肌醇（Myo-inositol） 低级别胶质瘤升高,脑肿瘤MR波谱成像病理生理和神经化学,History: 68 y/o man 严重头疼,TE 30 ms,Dx: Grade 2 astrocytoma,随肿瘤级别磁共振波谱的变化,随恶性程度增加:NAA 降低Cr 降低Cho 升高Lactate 升高Lipids 可能升高,Dx: GBM,3,1,3,2,3,2,1,序列 单体素-多体素单体素 采样小 一般病变 2D定位 对低波谱分辨率组织 化学位移伪影 体素内出血 化学位移成像污染更好多体素 MRSI 或化学位移成像(CSI) 2D 或3D 采样大 分辨率高 代谢物覆盖兴趣区大 可评价局部和全脑MRSI+MRI 比较正常和病理组织体素 获得具体代谢物分布,成像技术和脉冲序列,质子MRS和MRSI,成像技术和脉冲序列,质子MRS和MRSI,序列 单体素-多体素3D MRSI -提供脑肿瘤全面波谱评价K空间采样和化学位移编码结合 -减少3D 成像时间 加容积饱和带 -减少头皮和脂肪污染,序列 短回波-长回波时间 短回波（20-40ms ） MI Glx lipids -重要肿瘤特征和监测疗效 高信/噪比 基线不平 假“NAA” 2.05-2.5 ppm Glx复合物 中等回波（135-144ms） 颅内肿瘤多用 -1.3/1.4ppm 脂肪中分出乳酸和丙氨酸 双波J-耦合/倒置 -基线平 少扭曲 -无“假NAA” 2.0-2.05仅NAA 2.05-2.5ppm无Glx复合物 -脂质出现比短波更有意义 -易重复 准确 尤其肿瘤特性主峰 Cho和NAA 长回波（270-288ms） 因代谢物T2衰减 NAA Cho和Cr信号低 信/噪比低,成像技术和脉冲序列,质子MRS和MRSI,左顶叶复发性高级别胶质瘤 体素位置 rCBV增加第1-2行肿瘤波谱 明显胆碱升高 长回波信/噪比低 乳酸峰倒置 肌醇 Glx 脂质峰短TE 易鉴别 高Glx（ 2.05-2.5 ppm ）假NAA峰 长回波不明显 第3行正常对侧大脑 长回波基线信号降低 第4行脑脊液缺乏波谱,rCBV,rCBV,常用中等回波 135 or 144 ms 时间允许 再短回波30 ms3D MRSI序列更好回波时间靠个人经验 与正常对照比较时间有限时 推荐仅短回波 -短TE代谢物信息对肿瘤特性重要,成像技术和脉冲序列,质子MRS和MRSI,序列 增强前-后波谱争议 对比剂对波谱数据影响 尤其波峰面积定量注对比剂后波谱理由-对代谢物比和峰面积影响小-在波宽和波峰比上可减少患者间的差异-不仅获得肿瘤T2信号异常区波谱 -而且确定强化 坏死及肿瘤侵犯或水肿区代谢变化,成像技术和脉冲序列,质子MRS和MRSI,序列 STEAM-PRESS,成像技术和脉冲序列,质子MRS和MRSI,在体临床评价，PRESS有高的信噪比且时效性好，常用（3.0T）,脑肿瘤MRI参数,3D或2D TR/TE 1500/144ms 混合多体素化学位移成像( Chemical shift imaging, CSI) 点解析频谱技术(point resolved spectroscopy，PRESS) 双自旋回波 包异常和正常脑组织VOI在脑内相位编码FOV中心 外放饱和带 第二个3D或2D TR/TE 1500/30ms（时间允许）,脑肿瘤MRI参数,Proton MRSI,波谱表现无特异 环状强化波谱重叠 如胶质瘤 转移瘤 炎症 脱髓鞘病变 AIDS相关病变MRI MRSI 灌注MRI联合 提高准确度 可信度 敏感度病变部位和对侧正常脑组织代谢物比较 Cho/Cho(n) 和Cho/Cr(n)比值 不是传统Cho/Cr or Cho/NAA MRSI 和 DSC MRI数据不仅肿瘤而且肿瘤周围 鉴别 原发胶质瘤水肿 转移瘤单纯血管源水肿 非肿瘤侵犯一些共振峰 帮助细菌性脓肿诊断 亮氨酸 异亮氨酸 缬氨酸 丙氨酸 醋酸盐 琥珀酸盐 甘氨酸除CBV外其它灌注参数 帮助提高特异性 MTT升高-缺血 血管通透性升高-非典型脑膜瘤,MRI MRS 灌注成像结合,Summary of DSC MRI and MRSI Findings for Common Ring Enhancing Brain Lesions,磁共振波谱和灌注,磁共振波谱肿瘤组织学恶性程度界定肿瘤 vs. 强化边缘指导活检疗效随访,脑肿瘤,磁共振灌注DSI (动态磁敏感成像) 主要参数 CBV (脑血容量)恶性程度指导活检监测疗效,rCBV在胶质瘤分级有用LGGs and HGGs rCBV 比较 LGGs 1.11-2.14 HGGs 3.64-7.32330例胶质瘤分级rCBV 胶质母细胞瘤 7.32 间变性星形细胞瘤 5.84 低级别胶质瘤 1.26160例胶质瘤分级rCBV LGGs 2.14 HGGs 5.1866,胶质瘤级别评价,MRS在脑肿瘤的临床应用,与低级别比较 高级别胶质瘤 rCBV高 Cho高,52岁 女 II / IV级胶质瘤 Cho增加区与高rCBV区不对应 Cho升高,70岁 女 /级胶质瘤 Cho增加区与高rCBV区不完全符合 Cho增加区超出增强区肿瘤浸润 明显Cho 增高,60岁 男 IV/IV级胶质瘤 病变周围增加灌注和坏死中心降低灌注 Cho增加区对应高rCBV 明显脂质升高,不同波谱技术（如TE）和方法确定代谢物比 区别LGGs and HGGs Cho/Cr and Cho/NAA最大值 NAA/Cr最小值 Cho水平 LGGs比HGGs 更低 Cho/NAA 2.5 区别肿瘤和非肿瘤 敏感度90% 特异度86% II/IV,III/IV和IV/IV胶质瘤Cho/NAA 值分别为6.9/7.1/9.3 但IV/IV级变异较大,胶质瘤级别评价,MRS在脑肿瘤的临床应用,胶质瘤分级 MRS 非常敏感 但特异度相对低 LGGs 高Cho/Cr and Cho/NAA 假阳性 HGGs 低Cho/Cr and Cho/NAA （大量坏死)-假阴性Lipid 和lactate 与HGGs的坏死相关 可区别HGGs和LGGs短回波 MRSI (TE 20 to 30 ms) MI能区分HGGs和LGGs LGGs MI升高 因缺乏磷脂酰肌醇代谢物活性-MI聚集 in LGGsMRSI 和DSC MRI 结合提高敏感度93.3% 而传统MRI仅72.5%,胶质瘤级别评价,MRS在脑肿瘤的临床应用,首治后6月 残余肿瘤和治疗效应或放射性脑病 (RLE)共存正常脑以不同放射剂量 -Cho/NAA明显升高 2月达峰值 依赖剂量恢复-Cho治疗后 6月内不变-Cho首次升高 脱髓鞘和星形或胶质细胞增生 -Cho暂时升高 与RLE或脱髓鞘有关 -短TE MI升高 星形细胞增生标志放化疗后6个月 用于基线比较 治疗初期有残余肿瘤,治疗监测-治疗坏死和肿瘤复发,MRS在脑肿瘤的临床应用,治疗后MRI依靠 增强 水肿 内径变化 确定 胶质增生 迟发放射坏死（DRN）和肿瘤复发-非特异性首治后6月 DSC MRI和MRSI随访确定治疗效果 所有代谢物中 Cho鉴别肿瘤复发和非肿瘤最有价值 任何时间点Cho和rCBV升高 预示肿瘤复发,治疗监测-治疗坏死和肿瘤复发,MRS在脑肿瘤的临床应用,无代谢物 或仅脂肪和乳酸及低rCBV -可能DRN MRSI需正常波谱比较 提高预测肿瘤复发特异度 不仅Cho/Cr和Cho/NAA 而且Cho/Cho(n)和Cho/Cr(n) 辅助治疗改变脑内代谢物浓度 随访要有治疗前基线 Cho or Cho/Cr 升高时 两种选择DSC MRI 高rCBV-肿瘤复发 低rCBV-治疗相关变化MRSI随访（6-8周内） Cho 继续升高-肿瘤复发 Cho减少-好的治疗反应,治疗监测-治疗坏死和肿瘤复发,MRS在脑肿瘤的临床应用,68岁 男GBM放化疗6月后 肿瘤复发 rCBV 12.3 灌注增加 血管增生 病灶内波谱TE144Cho/ Cr和Cho/ NAA明显升高 NAA/Cr明显减少,Approach to Patients Post-Radiation Therapy with MRSI and DSC MRI,37,Meng Law, in Clinical MRI, Elsevier, 2006,60岁 男 迟发放射坏死（DRN）GBM放化疗2年后 MRSI很少代谢物波谱 病灶周围显著水肿 但灌注减少,-左额顶叶强化肿块 MRI诊断肿瘤复发/ RLE 和DRN -右半球正常MRSI 作为对照,-波谱不确定 可能残余肿瘤和放射变化 Cho/Cr和Cho/NAA.Cho(Abn)/Cho(N)升高-在6至8周随访 Cho(Abn)/Cho(N)继续抬高 肿瘤复发 NAA / Cr减少及乳酸,-不同患者DRN波谱 脂质和乳酸 与最小Cho Cr NAA或代谢物缺乏 符合DRN,III/ IV级胶质瘤 49岁 女 6月随访 A-C 血管增多符合HGGs D 残留小结节 可能残留肿瘤 E TE144 无Cho / Cr和Cho（Abn）/ Cho（n）升高 好的治疗反应 F 肿瘤内残留血管增加MRSI和DSC MRI不一致 放化疗 反应细胞增生减少 不反应微血管密度效应,放疗效果评价- 磁共振波谱,低 NAA低 Cr低 Cho高 lipids高 lactate,(Taylor JS, Langston JW, Reddick WE, et al. Int J Radiat Oncol Biol Phys 36:1251, 1996),MRS在脑肿瘤的临床应用,53 y, m, 9 weeks s/p XRT & chemo for a GBM,3,Dx: Recurrent GBM,4 months later,其它脑肿瘤,Metastases（转移瘤） choline, NAA, lipidsLymphoma（淋巴瘤） choline, NAA, lipidsMeningioma（脑膜瘤） choline, no NAA, creatine alanine (1.48 ppm) glutamates ( and at 2.0-2.4 ppm; at 3.8 ppm)PNET（原始神经外胚层肿瘤 ）Very high choline,MRS在脑肿瘤的临床应用,由一组原始神经上皮肿瘤构成 PNET 成神经管细胞瘤 髓上皮瘤 成室管膜细胞瘤 松果体母细胞瘤 周围神经上皮瘤 嗅神经母细胞瘤 和视网膜母细胞瘤高级别(GradeIV)肿瘤 血管内皮增生 rCBV和血管参透性升高 与低级别胶质瘤比较 更高Cho（3-4倍）和脂质-与高细胞结构属性有关 低NAA-低分化细胞产生少量NAA 谷氨酰胺 谷氨酸（盐） 丙氨酸,胚胎性肿瘤（原始神经外胚层肿瘤-PNET）,MRS在脑肿瘤的临床应用,58岁 男 成熟PNET 右额叶强化肿块 病变内囊变/坏死 少量水肿和占位 高血管参透性 灌注增加,轴位T1,轴位T2,rCBV 6.98,TE144,TE30,12岁 后颅窝髓母细胞瘤 病灶内Cho明显升高 脂类和乳酸 低NAA 甘氨酸或肌醇 （见原始组织肿瘤）,轴外和轴内肿瘤鉴别 rCBV不可靠 信号强度-时间曲线和参透程度评价有帮助脑膜瘤-最常见轴外病变 典型脑膜瘤不含NAA 见到NAA是代谢物污染 不典型脑膜瘤或恶性脑膜瘤显示NAA 与胶质瘤鉴别困难脑膜瘤典型波谱 Cho明显升高 Cr降低 丙氨酸峰（1.48双峰） -脑膜瘤特征 可和胶质瘤区别 谷胱甘肽(2.9)及谷氨酰胺和谷氨酸(2.05-2.5) 经柠檬酸循环与丙氨酸代谢密切相关,脑外肿瘤 -脑膜瘤 神经鞘瘤 垂体瘤 颅咽管瘤 脉络丛瘤,MRS在脑肿瘤的临床应用,38岁 女 脑室内脑膜瘤 TE30 Cho明显升高 忽略肌酸（Cr）1.48 双峰丙氨酸 谷胱甘肽（2.9 红箭）Glx（2.05-2.5 黄箭） TE144 丙氨酸双峰反转 缺乏NAA 高 Cho,相对高脑血容量 血管参透性轻度（脑膜瘤）或明显增加（非典型脑膜瘤）,A-C 脑膜瘤（WHO分级/）,D-F 非典型脑膜瘤（WHO级II / III）,实质性转移瘤和原发胶质瘤 MRI无法区别 MRSI和rCBV也不可靠典型转移瘤 Cho升高 乳酸和脂质 NAA降低或缺乏-神经胶质缺乏 发现NAA是临近正常脑部分容积效应转移瘤与胶质瘤鉴别 转移瘤 有脂质/乳酸峰 无Cr峰 高级别胶质瘤 无脂质/乳酸峰 胶质瘤中心坏死区 常有脂质/乳酸峰 也无Cr峰 肿瘤内波谱无特异性,转移瘤,MRS在脑肿瘤的临床应用,胶质瘤和转移瘤瘤周病理生理不同 rCBV 和Cho不同高级别胶质瘤是浸润性肿瘤 肿瘤组织沿血管浸润 转移瘤瘤周包含非浸润肿瘤细胞或血管内皮增生 几乎是纯粹血管原性水肿胶质瘤和转移瘤鉴别 胶质瘤周围高Cho和rCBV而转移瘤不是,MRS在脑肿瘤的临床应用,转移瘤,D-F 54岁 男 右内枕叶GBM 环形强化与中央坏死肿块 胼胝体压部中度水肿 rCBV肿瘤强化区及周围灌注增加 提示瘤周血管增生符合原始高级别胶质瘤浸润,A-C 左额叶肺癌转移,D-F 右内枕叶GBM,A-C 40岁 女 左额叶周边强化肿块伴占位 胼胝体膝部中度水肿 典型原始胶质瘤浸润 MRI对孤立转移灶非特异 rCBV强化边缘部分灌注增加 但肿瘤周围血管减少 提示无肿瘤浸润的血