MRS的基本概念与临床应用(一)
发布时间：2024-04-24 16:43:37 来源：文档文库
小
中
大
字号：
・ ７２４ ・ 中国中西医结合影像学杂志２０１３年１２月第１１卷第６期 ： 一攀簇薮翥谤地＿ ＭＲＳ的基本概念与临床应用（一） 娄 晶 ，王光彬 （１．山东省济南市中医医院ＣＴ室，山东济南２５００１２；２．山东省医学影像学研究所，山东济南２５００２１） ［关键词］磁共振波谱学 ［中图分类号］Ｒ４４５．２ ［文献标识码］Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—０５１２．２０１３．０６．０６４ ２Ｏ世纪９Ｏ年代以来，在传统ＭＲＩ技术基础上 发展起来的ｆＭＲＩ技术已广泛应用于临床和基础医 学研究。在许多疾病中，代谢改变常常先于病理形 态改变，ＭＲＳ对这种代谢改变的潜在敏感性很高， 能够提供早期检测病变的信息，是目前唯一能无创 性观察活体组织代谢及生化变化的技术。 １ ＭＲＳ的基本概念 １．１ 基本原理 ＭＲＳ是利用磁共振现象和化学位 移效应进行特定原子核及其化合物定量分析的方 法。原子核的共振频率不仅取决于外加磁场强度和 原子核本身物理性质，即旋磁比，同时还受原子核在 化合物中的化学环境的影响。即使是同一种原子核 （如Ｐ、Ｈ、Ｃ核），其所在化合物的化学环境不同，进 动频率就会不同。这种在相同环境条件（温度、ｐＨ 值、均匀外磁场等）下，由于所处的分子结构不同所 致的同一原子核进动频率出现差异的现象被称为化 学位移现象口］。由于化学位移的作用，不同化合物 可以根据其在频谱上共振峰的不同加以区别，这就 是ＭＲＳ各频谱谱峰差别产生的基础。 １．２谱线ＭＲＳ由一系列的谱峰组成，ＭＲＳ谱线 的横轴代表化学位移，即共振频率。不同化合物共 振频率之间的绝对差值难以记忆，通常应用“百万分 之几”（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ，ｐｐｍ）来表示，所能探测到 的化合物表现在一个或几个特定频率上的峰。纵轴 代表化合物的信号强度，其峰高度或峰下面积与该 化合物的浓度成正比。化合物最大峰高一半处的谱 线宽度称为线宽（１ｉｎｅ ｗｉｄｔｈ），亦称为半高线宽（ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ，ＦＷＨＭ），决定谱线的频率 分辨力。信号峰值由共振频率峰高和线宽决定（见 图１）。如果原子核之间存在共价键，其自旋磁矩之 间的相互作用形成自旋一自旋偶联（ｓｐｉｎ—ｓｐｉｎ ＣＯＨ— ｐｉｉｎｇ），亦称为Ｊ偶联，偶联常数为Ｊ，Ｊ值越大，耦合 越强，波分离越宽。这种化合物的特定化学结构会 造成其表现为特定形态的峰（如乳酸双峰、Ｊ３／ｒ—ＧＩ Ｘ 多峰等）［ 。 ＭＲＳ所采集到的化学物质的浓度根据不同的 后处理软件处理方法不同，差异也会有不同。频谱 谱线的宽度会受到以下因素的影响＿３］：①主磁场的 均匀度，均匀度越差，则谱线越宽，ＭＲＳ检查时匀场 非常重要；②采样容积内部磁化频率的均匀度，均匀 度越高，谱线越窄；③横向弛豫时间（Ｔ ），Ｔ。值越 大，谱线越窄；Ｔ。值越小，谱线越宽。短回波（ＴＥｄ ５０ ｍｓ）采集到的代谢物多，可看到短Ｔ 的代谢物， 如肌醇（ｍＩ）、谷氨酸胺（ＧＩｎ）和谷氨酸盐（Ｇｌｕ）的复 合物（Ｇｌｎ＋Ｇｌｕ，Ｇｌｘ），可见脂肪信号；长回波 （ＴＥ￣５０ ｍｓ）采集到的代谢物少，有利于观察乳酸 峰。此外，谱线的判读还应考虑到受检者年龄及采 集部位不同的相关性变化。ＭＲＳ可以对多种原子 核进行成像，包括 Ｈ、３１Ｐ、”Ｃ、∞Ｎａ等。其中 Ｈ的 旋磁比最大，在生物体中的含量也最丰富，产生的 ＭＲＳ信号最强，且与常规ＭＲＩ所用的激发及接收 频率一致，因此，临床应用 Ｈ—ＭＲＳ技术最为成熟， 应用也最方便、最广泛。 ２ Ｈ—ＭＲＳ技术在中枢神经系统的临床应用 ２．１ Ｈ—ＭＲＳ正常谱线及常见代谢物的信号特点 中枢神经系统由于运动伪影少、脑组织含脂肪组织 少等特点，是ＭＲＳ的主要应用范围。 Ｈ—ＭＲＳ目前 可测定多种脑代谢产物和神经递质的共振峰，如Ｎ一 乙酸门冬氨酸（ＮＡＡ）、肌酸（Ｃｒ）／磷酸肌酸（ＰＣｒ）、 胆碱复合物（Ｃｈｏ）、ｍＩ、ＧＬｘ、乳酸（Ｌａｃ）、移动脂肪 （Ｌｉｐ）等，其中正常人脑的 Ｈ—ＭＲＳ有５个较明显的 共振频谱波峰，ＮＡＡ、Ｃｒ／ＰＣｒ、Ｃｈｏ、ｍＩ、ＧＬｘ（见 图２）。 ①ＮＡＡ： Ｈ—ＭＲＳ中波峰最高，化学位移大约 位于２．０２ ｐｐｍ，有时在２．６ ｐｐｍ处可见，在正常人 的大脑内浓度接近１２．０ ｍｍｏｌ／Ｉ 。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，是神经元密度和生存的标志；一些研 究［＝４ 报告，ＮＡＡ也存在于少突胶质细胞或肥大细胞
中国中西医结合影像学杂志２０１３年１２月第１１卷第６期 中。ＮＡＡ含量多少反映神经元的功能状况，ＮＡＡ 水平的降低可作为神经元丢失或损伤的可靠指标， 如肿瘤或坏死的进程、多发性硬化、艾滋病或颞叶癫 痫等。此外，ＮＡＡ峰值增高少见，仅见于海绵状脑 白质营养不良。 ②Ｃｒ／ＰＣｒ：化学位移大约位于３．０３ ｐｐｍ和 ３．９６ ｐｐｍ，由Ｃｒ、ＰＣｒ、７一氨基丁酸（ＧＡＢＡ）、赖氨酸 和谷胱甘肽共同组成，在脑能量代谢减退的情况下 增加，能量代谢增加的情况下降低，是脑细胞能量依 赖系统的标志物，在脑灰质的含量高于脑白质。此 代谢物峰值一般较稳定，常作为其他代谢物信号强 度的参照物。随着肿瘤恶性程度的增加，代谢物的 活性增加而Ｃｒ峰降低。 ③Ｃｈｏ：化学位移大约位于３．２ ｐｐｍ，由磷酸胆 碱、甘油磷酸胆碱、磷脂酰胆碱组成，主要是自由胆 碱细胞膜翻转的标志物，在脑白质中含量高于脑灰 质。参与细胞膜的构成，是髓鞘形成、细胞代谢、胶 质增生和髓鞘脂质崩溃降解的指标，反映了细胞膜 的运转状态。升高见于恶性肿瘤、脱髓鞘、炎症或者 其他能导致细胞膜破坏（轴突损伤）的各种病变¨５］。 ④Ｇｌｘ：化学位移大约位于２．１～２．５ ｐｐｍ，有时 见于３．５～３．８ ｐｐｍ，波峰是Ｇｌｎ、Ｇｌｕ和ＧＡＢＡ的 复合物，Ｇｌｕ和Ｇｌｎ在一系列复杂的能量代谢中保 持着动态的平衡，而在神经元和星形胶质细胞中则 是独立的。Ｇｌｕ是一种兴奋性氨基酸，是抑制性神 经递质ＧＡＢＡ的前体，具有兴奋毒性作用，并参与 脑内氨的解毒，在脑组织缺血缺氧和肝性脑病时增 高；Ｇｉｎ有灭活和调节神经递质的作用；ＧＡＢＡ参与 一系列神经系统疾病的发病机制，如癫痫、精神分裂 症等Ｅ 。 ⑤ｍＩ：化学位移大约位于３．５６ ｐｐｍ，有时在 ４．０６ ｐｐｍ处可见，是脑内神经胶质细胞的标志物； 参与细胞渗透压的调节、细胞内第二信使的生成、肝 脏和颅脑的解毒等过程。含量的升高与病灶内（尤 其是慢性病灶内）的胶质增生有关。另外，脑内还会 出现Ｌａｃ、Ｌｉｐ、丙氨酸（ａｌａｎｉｎｅ，Ａｌａ）等。Ｌａｃ是能量 代谢的低能通路、葡萄糖无氧酵解的产物，以及细胞 能量代谢缺乏的指标，Ｌａｃ峰的出现常提示正常细 胞的有氧代谢不能正常进行，周围组织出现缺血、缺 氧甚至占位性病变。 ２．２颅内常见临床疾病的 Ｈ—ＭＲＳ表现 ＭＲＳ主 要应用于脑肿瘤、癫痫、脱髓鞘病变、感染性疾病、神 经退行性病变、神经皮肤综合征和畸形、颅脑损伤、 精神异常等疾病的诊断和鉴别诊断。 ・ ７２５ ・ ２．２．１脑肿瘤 Ｈ—ＭＲＳ是研究脑肿瘤物质和能 量代谢的有效方法，有助于脑肿瘤的诊断和鉴别诊 断，能提供其组织分级、术后复发和疗效评价等信 息。肿瘤组织的 Ｈ—ＭＲＳ与正常脑组织有显著差 异 ：ＭＲＳ主要表现为ＮＡＡ、Ｃｒ峰下降、Ｃｈｏ、Ｌａｃ、 Ｌｉｐ峰升高（见图３），其中Ｃｈｏ峰值升高提示膜代 谢增加，被认为是颅内肿瘤最特异的标记物，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，儿童肿瘤中则大部分能检测出 Ｌａｃ。 肿瘤诊断与鉴别诊断：脑膜瘤、转移瘤的 Ｈ— ＭＲＳ显示ＮＡＡ和Ｃｒ信号部分或完全缺失。另 外，脑膜瘤的 Ｈ—ＭＲＳ还常见异常Ａｌａ信号。转移 瘤可见特征性的成对共振峰，由可流动脂质产生。 低度恶性胶质瘤Ｃｒ信号峰和正常脑组织大致相同， 而其Ｃｈｏ峰值信号成倍增加，肿瘤内还可见小的 ＮＡＡ信号，这与胶质瘤浸润性生长的特点一致，这 说明瘤体内仍残留少量神经元。约５０ 的胶质瘤 内可见Ｌａｃ信号，高度恶性胶质瘤部分表现为 ＮＡＡ和Ｃｒ峰值显著降低甚至完全缺乏，部分表现 与低度恶性胶质瘤表现相似，出现这种差别的原因 是胶质母细胞瘤结构的不均一性，即实体和坏死成 分比例的差异。坏死区，Ｃｈｏ峰值下降而Ｌａｃ峰值 提高，Ｌａｃ水平提高显示预后不良，对制定放疗计划 非常重要。淋巴瘤可能显示为Ｃｈｏ峰升高并伴Ｌｉｐ 峰明显增高。初级神经外胚层肿瘤典型显示为ｍＩ 升高，Ｃｈｏ／Ｃｒ和Ｃｈｏ／ＮＡＡ比率明显增高，有助于 儿童后颅窝肿瘤的术前鉴别诊断。 肿瘤分级提示： Ｈ—ＭＲＳ对肿瘤分级的精确性 高于盲目活检，在区别良、恶性肿瘤方面， Ｈ—ＭＲＳ 的敏感性、特异性和准确性分别为１００ 、８６ ９／６和 ９６ ¨８］。Ｃｈｏ／Ｃｒ、Ｌａｃ／Ｃｒ比率升高，则恶性程度越 高；典型的Ｌｉｐ峰见于高度恶性并伴有坏死的肿瘤， 但在低度恶性肿瘤中也有可能出现；ＮＡＡ峰和ｃｒ 峰在恶性程度高的肿瘤中峰值降低最明显；ｍＩ／Ｃｒ 在低度恶性肿瘤中高于高度恶性肿瘤。 评估肿瘤浸润及进展： Ｈ—ＭＲＳ能对ＴｚｗＩ或 Ｔ 一ＦＩ ＡＩＲ上环绕肿瘤的高信号区可能代表血管源 性水肿、肿瘤的浸润和治疗所致的异常作出精确的 评价。连续的 Ｈ—ＭＲＳ检查可用于随诊胶质瘤的进 展 ］，肿瘤进展以Ｃｈｏ水平的增加＞４５ ９／６为特征，
・ ７２６ ・ 未进展的肿瘤则Ｃｈｏ水平降低，不变或增高＜ ３５ 。 评价治疗反应：典型放射性坏死见于放疗后约 ６个月内，其特征为Ｃｈｏ峰值降低和Ｌｉｐ、Ｌａｃ峰值 升高或为正常的频谱形式。而Ｃｈｏ峰和Ｃｈｏ／ＮＡＡ 值的升高则提示肿瘤复发，比对比增强显示的异常 表现要早１～２个月Ｅ１０３。未放疗区域由于胶质增生 可有Ｃｈｏ和／（或）ｍＩ峰值增高，随诊对准确诊断至 关重要。 目前来说，由于导致肿瘤假阳性和假阴性因素 的存在，使临床上所获得的波谱并非总是对某一 种状态具有特异性。多种功能性方法联合应用可 提高病变诊断的精确性，ＭＲＩ增强扫描和 Ｈ～ＭＲＳ 用于指导颅内肿瘤的手术中以保证最大程度的切 除肿瘤，对于颅内肿瘤的外科治疗有着非常积极的 作用。 ２．２．２脑梗死急性期，首先出现的异常是急性脑 梗死后１２ ｈ内Ｌａｃ峰值的增高，Ｌａｃ被认为是梗死 开始阶段最敏感的标记物，Ｌａｃ／Ｃｒ比率与临床进程 和最后的梗死容积有更好的相关性；梗死发生后 ３０～６０ ｍｉｎ可见ＮＡＡ峰值下降 。 亚急性和慢性期，随着梗死的进程，Ｌａｃ峰值每 周下降３６ ，直到晚期开始正常化；慢性期，重现低 水平的Ｌａｃ峰，出现Ｌｉｐ峰，ＮＡＡ、Ｃｈｏ和Ｃｒ峰值 随时间下降，Ｇｌｘ峰值可升高。 ２．２．３感染性病变 脑脓肿，可见琥珀酸盐（Ｓｕｃ— ｃｉｎａｔｅ）、醋酸盐（Ａｃｅｔａｔｅ）峰，与其他囊性病变具有 鉴别意义；ＮＡＡ、Ｃｈｏ、Ｃｒ峰明显降低或缺如，Ｌａｃ、 Ｌｉｐ、Ａｌａ峰升高。 脑炎：病灶区ＮＡＡ、Ｃｒ含量降低，Ｃｈｏ含量增 高，伴随ｍＩ增加可提示感染，ｍＩ和ｍＩ／Ｃｒ比率的 升高是脑炎中常见的表现，有学者口。 认为ＮＡＡ／ Ｃｈｏ比值更能反映病毒性脑炎时神经细胞的受损程 度，比值越低，脑损伤越重。 脑内结核瘤：脑内结核瘤 Ｈ—ＭＲＳ表现为仅有 Ｌｉｐ峰出现，并伴有无意义的分散频谱，有助于诊断 ＭＲＩ上不易与其他肿瘤鉴别的结核球。 ２．２．４脱髓鞘性病变 Ｈ—ＭＲＳ可以鉴别反复发 作型和继发进展型的多发性硬化。随访病变的进 程，检测治疗反应，ＮＡＡ／Ｃｒ、ＮＡＡ／Ｃｈｏ比率的降 低，在白质正常的继发进展型患者中更为明显。 急性和慢性斑块的鉴别：急性斑块，Ｃｈｏ峰、 Ｃｈｏ／Ｃｒ比值升高，Ｌｉｐ峰升高可持续６个月，ＮＡＡ 峰下降，ＮＡＡ／Ｃｒ比值、Ｃｒ峰明显下降，ｍＩ、Ｌａｃ含 中国中西医结合影像学杂志２０１３年１２月第１ｌ卷 塑 量常升高，经过一段时间恢复，部分患者ＮＡＡ峰几 乎正常。慢性斑块，Ｃｈｏ峰、Ｃｈｏ／Ｃｒ比值有正常化 趋势，Ｌａｃ、Ｌｉｐ信号消失，ＮＡＡ峰和ＮＡＡ／Ｃｒ比值 下降是慢性斑块的特征。 ２．２．５癫痫临床倾向于将ＮＡＡ／Ｃｈｏ＋Ｃｒ的比 值作为定侧或判定异常的标志ｕ 。正常人ＮＡＡ／ Ｃｈｏ＋Ｃｒ值的下限为０．７２，两侧差值＞９Ｋ００或双侧 较正常对照组明显降低均为异常，ＮＡＡ／Ｃｈｏ＋Ｃｒ 的定侧敏感性为７５ ～８８ ，准确率为８３ ～ ９７ ９／６，特异性达１００ ；ＮＡＡ峰值降低，ＮＡＡ的减 少说明癫痫灶内神经元的缺失、受损或功能活动异 常；Ｌａｃ及Ｉ ｉｐ峰可出现；Ｃｒ和Ｃｈｏ峰值升高反映 胶质细胞的增生。此外， Ｈ—ＭＲＳ还可用于测定与 癫痫活动有关的神经递质，ＧＡＢＡ、Ｇｌｎ和Ｇｌｕ。 ２．２．６神经退行性疾病 ＮＡＡ降低可以敏感、精 确的反映Ａｌｚｈｅｒｉｍｅｒ病中神经元脱失的情况，通 常，患者ＮＡＡ峰值明显下降，ｍＩ水平升高，与痴呆 的程度及持续时问密切相关，灰质的ＮＡＡ／ｍＩ比率 可以鉴别Ａｌｚｈｅｒｉｍｅｒ病与正常脑组织。 ２．２．７ 缺氧缺血性脑病 特征性的表现为在 １．３ ｐｐｍ处出现双峰状的Ｉ ａｃ，常根据Ｌａｃ／Ｃｒ比值 的不同将缺氧缺血性脑病进行轻、中、重分级（Ｌａｃ／ Ｃｒ比率＜０．５为轻度，０．５～１．５为中度，＞１．５为 重度）…］。ＮＡＡ、Ｃｒ峰值降低，ＧＩ Ｘ峰值明显升高， ｍＩ波峰升高，Ｃｈｏ无显著的波形变化。 ２．２．８其他除了上述临床应用外，ＭＲＳ在脑代 谢性疾病、系统性疾病的脑部异常、神经皮肤综合征 和畸形、颅脑外伤的预后评价等多个领域都具有重 要价值，如非酮性高甘氨酸血症患儿的 Ｈ—ＭＲＳ可 见多余Ａｌａ信号。 ［参考文献］ ［１３ Ｐｏｈｍａｎｎ Ｒ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｂａｓｉｃｓ ｏｆ ＮＭＲ［Ｊ］．Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｍｏｌ Ｂｉｏｌ， ２Ｏｌ１，７７１：３ ２１． Ｅ２３杨正汉，冯逢，王霄英．磁共振成像技术指南［Ｍ］．北京：人民军 医出版社，２００７：３３３ ３３４． Ｅ３３贾文霄，陈敏．磁共振功能成像临床应用［Ｍ］．北京：人民军医出 版社，２０１２：１０５． ［４］Ｍｏｆｆｅｔｔ ＪＲ，Ｒｏｓｓ Ｂ，Ａｒｕｎ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ｎ Ａｃｅｔｙｌａｓｐａｒｔａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ＣＮＳ：ｆｒｏｍ ｎｅｕｒｏｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ ｔｏ ｎｅｕｒｏｂｉｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｐｒｏｇ Ｎｅｕｒｏｂｉ ｏｌ，２００７，８１：８９ １３１． ［５］Ｊｉｓｓｅｎｄｉ Ｔｃｈｏｆｏ Ｐ，Ｂａｌｅｒｉａｕｘ Ｄ．Ｂｒａｉｎ Ｈ ＭＲ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｉｎ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｎｅｕｒｏｉｍａｇｉｎｇ ａｔ ３ＴＥＪ３．Ｊ Ｎｅｕｒｏｒａｄｉｏｌ，２００９，３６：２４—４０． 