MRS颅内应用专题知识

MRSMRS颅内应用专题知识第1页1946年，哈佛大学Purcell和斯坦福大学Bloch各自独立地发觉了核磁共振现象，为分子结构研究提供了一个全新伎俩，也所以取得1952年诺贝尔物理学奖。1971年Damadian发觉肿瘤组织T1和T2值比正常组织长。1973年Lauterbur得到了两个充水试管核磁共振图像，并在1974年得到活鼠核磁共振图像。1978年Mallard、Hutchison及Lauterbur利用0.04~0.085Tesla磁共振装备取得了第一幅人体头、胸和腹部图像。磁共振成像发展MRS颅内应用专题知识第2页生物组织中含有1H、13C、19F、23Na、31P等元素，有磁性元素有百余种。在现今，研究和使用最多是1H。1H是磁化最高原子核，能够得到较强信号（即SNR高）；1H占活体组织中原子数2/3，数量丰富。MRI时，均指是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浓度，并可依据无机磷波谱位置，测定pH值；13C可用于帮助诊疗酶缺乏性疾病；磁共振成像原理MRS颅内应用专题知识第3页MRI&MRS比较在本质上，MRS与MRI相同，其物理原理是相同；不一样是，数据处理和数据显示方式差异；MRI扫描后，一定时域内取得信号被用于产生一个影像，如矢状、横轴和冠状等；MRS扫描后，一定时域内取得信号经过快速傅立叶转换（FourierTransform）产生一个质子成份按频率分布波谱图，而此波谱图显示了组成该图像各组成成份。MRS颅内应用专题知识第4页MRI取得信号是由不一样体素内氢核发射已经在不一样空间方向进行频率和相位编码信号。MRS能以质和量方式获取氢原子核化学环境信息，揭示某部分质子组成成份。MRI&MRS比较MRS颅内应用专题知识第5页绝大多数原子核都含有围绕本身轴线做旋转运动特征，称之为自旋特征。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磁场，像小磁针一样，含有南北两极，其矢量大小用自旋磁矩表示。MRI物理基础MRS颅内应用专题知识第6页原子核在外加磁场中自旋同时，还以一定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（ω），取决于外加磁场强度（B）和原子核旋磁比（γ）：ω=γB。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（γ）是原子核固有特征，仅与原子核种类相关。MRI物理基础MRS颅内应用专题知识第7页外加射频脉冲（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。对于某种给定原子核，如氢核，激发所需要射频脉冲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物理基础MRS颅内应用专题知识第8页对于含有相同原子序数原子核，即同种元素同位素，如氢原子核三种同位素（氕，氘和氚），即使它们是在理想均匀磁场中，进行准确地测量，其共振频率也不完全相同，而是在一个较窄频率范围内。这种差异是因为原子核处于不一样化合物中，受到原子核周围电子影响所致。MRS物理基础MRS颅内应用专题知识第9页带负电荷电子含有与原子核相同自旋特征，在原子核周围形成含有屏蔽作用磁场，这一磁场称为电子云。电子云作用使得外加磁场对原子核作用减弱。这种磁屏蔽作用大小用屏蔽系数（）表示，被磁屏蔽作用消弱掉磁场强度为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物理基础MRS颅内应用专题知识第10页屏蔽系数与原子核特征（或者说种类）以及原子核所在化学环境相关。化学环境指是，原子核所在分子结构。同一个原子核处于不一样分子结构中，甚至同一个分子结构不一样位置或者不一样基团中，其周围电子数和电子分布都将有所不一样，因而受到磁屏蔽作用也不一样。MRS物理基础MRS颅内应用专题知识第11页所以，考虑到电子磁屏蔽作用，拉莫方程应修正为：ω=γ（1-）B。上式表示，处于化合物中同一个原子核，因为所受磁屏蔽作用程度不一样（即大小不一样），将含有不一样共振频率，这就是所谓化学位移现象（ChemicalShiftPhenomenon），也是磁共振波谱成像基础。MRS物理基础MRS颅内应用专题知识第12页化学位移（chemicalshift）用于表示化合物中各组成成份原子核共振波峰位置。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。化学位移表示方法MRS颅内应用专题知识第13页=（f-fr）/f106ppm其中，表示化学位移，f表示被测原子核共振频率，fr表示中心拉莫频率,ppm表示百万分之一。上式可反应不一样化学环境屏蔽系数差异。是一个相对值，与外加磁场强度大小无关，是非磁场依赖性。化学位移表示方法MRS颅内应用专题知识第14页对于指定MRI/MRS一体化扫描机器，其磁场强度是一定。利用频率连续RF脉冲激励选定区域组织，处于不一样化学环境同类原子核会以不一样频率发生共振。在RF脉冲停顿激励后，组织弛豫过程所产生信号频率也是连续。磁共振波谱图MRS颅内应用专题知识第15页将接收线圈接收到磁共振信号经过傅立叶转换，描绘成直角坐标中按频率分布函数曲线，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颅内应用专题知识第16页MRS测定含1H基团1HMRS可测定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。MRS颅内应用专题知识第17页1HMRS测定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、钙等阳离子经过细胞和维持神经膜兴奋性相关；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标志；含量多少反应神经元功效情况，降低程度反应了其受损大小。MRS颅内应用专题知识第18页1HMRS测定代谢物及其临床含义肌酸（Cr）正常脑组织1HMRS中第二大峰，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标志；能量代谢提醒物，在低代谢状态下增加，而在高代谢状态下减低；峰值普通较稳定，常作为其它代谢物信号强度参考物。MRS颅内应用专题知识第19页1HMRS测定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，反应脑内总胆碱量；细胞膜磷脂代谢成份之一，参加细胞膜合成和蜕变，从而反应细胞膜更新；Cho峰是评价脑肿瘤主要共振峰之一，肿瘤快速细胞分裂造成细胞膜转换和细胞增殖加紧，从而使Cho峰增高；Cho峰在几乎全部原发和继发性脑肿瘤中都升高；恶性程度高肿瘤中，Cho/Cr比值显示增高。MRS颅内应用专题知识第20页1HMRS测定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出现提醒恶性程度较高，常见于多形胶质母细胞瘤中；Lac也能够积聚于无代谢囊肿和坏死区内；MRS颅内应用专题知识第21页脂质（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乙烯基；共振频率与Lac相同，能够遮蔽Lac峰；此峰多见于坏死脑肿瘤中，其出现提醒坏死存在；1HMRS测定代谢物及其临床含义MRS颅内应用专题知识第22页肌醇（mI）位于3.56ppm，能够用STEAM技术显示；此代谢物被认为是激素敏感性神经受体代谢物，可能是葡萄糖醛酸前体；mI含量升高与病灶内（尤其是慢性病灶内）胶质增生相关；有研究认为，在低高级星形细胞瘤中，此峰伴随肿瘤恶性程度增加而增高；1HMRS测定代谢物及其临床含义MRS颅内应用专题知识第23页丙氨酸（Ala）位于1.3-1.44ppm，常被Lac和Lip峰所遮盖，其功效尚不必定；谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺（Gln）位于2.1-2.5ppm；Glu是一个兴奋性神经递质，在线粒体代谢中含有主要功效；Gln参加神经递质灭活和调整活动；1HMRS测定代谢物及其临床含义MRS颅内应用专题知识第24页脑肿瘤胶质瘤表现为NAA峰下降、Cho峰升高，Cr峰稍有改变。Cho峰升高与肿瘤恶性相关；Cr峰随肿瘤恶性程度升高有降低趋势；Lip峰出现于大多数高级别肿瘤中，尤其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深入恶变可能；颅内常见临床疾病1HMRS表现MRS颅内应用专题知识第25页脑梗死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1HMRS表现MRS颅内应用专题知识第26页感染性病变NAA、Cho、Cr显著下降；Lac、Lip增加，有时见aa增加；颅内常见临床疾病1HMRS表现MRS颅内应用专题知识第27页颅内常见临床疾病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；MRS颅内应用专题知识第28页颅内常见临床疾病1HMRS表现脑代谢性疾病非酮性高甘氨酸血症，脑MRS可见多出甘氨酸信号;线粒体疾病，MRS表现为ＮＡＡ信号减低和异常乳酸信号(氧化磷酸化障碍而致乳酸堆积);Ｃａｎａｖａｎ氏病人可见特异性ＮＡＡ信号升高。MRS颅内应用专题知识第29页颅内常见临床疾病1HMRS表现癫痫ＮＡＡ浓度与额叶、颞叶癫痫发作频率呈负相关；伴随发作频率增加,ＮＡＡ呈逐步下降趋势,研究表明癫痫发作越频繁神经元丧失或功效缺失越严重。肌酸(Ｃｒ)和胆碱(Ｃｈｏ)峰值升高；ＮＡＡ与(Ｃｒ+Ｃｈｏ)比值降低提醒海马硬化；1ＨＭＲＳ还可用于测定与癫痫活动相关神经递质:ｒ氨基丁酸(ＧＡＢＡ)、谷氨酸(Ｇｌｕ)和谷胺酰盐(Ｇｌｎ)。MRS颅内应用专题知识第30页颅内常见病变代谢物特征疾病NAACrChoLacLipaa肿瘤---脓肿梗死---MS---癫痫--MRS颅内应用专题知识第31页MRS扫描关键点确定MRS扫描感兴趣区（RegionofInterest，ROI）；水和脂肪质子峰抑制