脑磁共振波谱分析的临床应用

脑磁共振波谱分析的临床应用

苏州大学附属一院影像中心 丁乙

磁共振波谱(MR spectroscopy,MRS)是目前唯一能无创伤地探测活体组织化学特性的方法。在许多疾病中,代谢改变先于病理形态改变,而MRS对这种代谢改变的潜在敏感性很高,故能提供信息以早期检测病变。磁共振波谱mRS)研究人体细胞代谢的病理生理改变,而常规MRI则是研究人体器官组织大体形态的病理生理改变,但二者的物理学基础都是核共振现象。

一、MRS的原理

磁共振信号的共振频率由两个因素决定①旋磁比r,即原子的内在特性②核所处位置的磁场强度。

核所受的磁场主要由外在主磁场(B。)来诀定,但是核所受的磁场强度也与核外电子云及邻近原子的原子云有关。电子云的作用会屏蔽主磁场的作用,使着核所受的磁场强度小于外加主磁场。这种由于电子云的作用所产生的磁场差别被称为化学位移。因此,对于给定的外磁场,不同核所处的化学环境不一样,从而产生共振频率的微小差别,导致磁共振谱峰的差别,从而识别不同代谢产物及其浓度。

MRS可检测许多重要化合物的浓度,根据这些代谢物含量的多少可以分析组织代谢的改变,1H-MRS可测定 12种脑代谢产物和神经递质的共振峰,N-乙酸门冬氨酸(NAA)、肌酸(Cr)磷酸肌酸(PCr)胆碱(cho)肌醇(MI)谷氨酸胺Gln)谷氨酸盐(Glu)乳酸(Lac)等。生物中,许多生物分子都有31P,这些化合物参与细胞的能量代谢和与生物膜有关的磷脂代谢,31P-MRS被广泛用在对脑组织能量代谢及酸碱平衡的分析上,可以检测磷酸肌酸(PCr人无机磷酸盐(PI)α- ATP、β-ATP、γ—ATP的含量和细胞内的 PH值。

二、MRS的临床应用

1.正常人的脑MRS

MR波谱变化可反映神经元生长分化,脑能量代谢和髓鞘分化瓦解过程改变。NAA是哺乳动物神经系统中普遍存在的化合物,几乎所有的NAA均存在于神经对内,目前将NAA作为反映神经元功能的内标物。正常人有很高的NAA/Cr)值,NAA下降提示神经元的缺失和破坏。Cho和 Cr在神经元和神经胶质细胞内均被发现,但细胞研究证明,星形胶质和少突胶质细胞内Cho和Cr含量明显高于神经

元,故Cho和 Cr增加提示有神经胶质增生。由于NAA减少或Cho、Cr增加,导致了 NAA/(Cho+Cr)上值降低,上值常作为反映神经元功能的指标。此外,1H-MAS发现NAA在人出生后一年内增加近两倍,肌酸信号也相应增加,NAA/Cr。及Giu-n/Cr随年龄增长而上升,MI/Cr随年龄的增长而下降,31P-MRS研究也发现,磷酸一脂(PME)的信号相对于其他代谢产物来说随年龄增加衰减,磷酸肌酸则相反,这说明,通过定量分析脑组织代谢产物的MRS,可了解脑组织的发育成熟度,同时也提示我们在观察病理性波谱时,应考虑到年龄相关性变化。

2.癫痫的MRS

1H-MAS显示癫痫灶侧近中颞叶内 NAA峰值降低,减少 22% ChO和 Cr分别增加 25%和 15%。 NAA的减少说明癫痛灶内神经元的缺失、受损或功能活动异常。Cr和 Cho升高反映胶质细胞的增生,研究倾向于把 NAA/Cho+Cr作为定侧或判定异常的标志。正常人 NAA/ChO+Cr值的低限为 0.72,两侧差值超过 0.05或双侧较正常对照组明显降低均为异常。比值降低说明海马硬化。NAA/Cho+Cr的定侧敏感性为87%,准确率为96%此外1H-MAS还可用于测定与癫痫活动有关的神经递质,r一氨基丁酸(GABA)谷氨酸(Gln)和谷氨酸盐(GLn).

3.脑肿瘤的MRS

1H-MAS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1H-MAS与正常脑组织有显著差异,其中 ChO峰值升高提示膜代谢增加,NAA峰值降低提示神经元受压移位。脑膜瘤、转移瘤的1H-MAS显示NAA信号缺乏,肌酸峰值降低。另外,脑膜瘤的1H-MAS还常见异常丙氨酸信号。转移瘤可见特征性的成对共振峰,系可流动脂质产生。低度恶性胶质瘤肌酸信号

峰和正常脑组织大致相同,而其ChO信号峰值成倍增加,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%的胶质瘤内可见乳酸信号,高度恶性胶质瘤部分表现为 NAA和 Cr峰值,显著减低甚至完全缺乏,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峰值下降而乳酸峰值提高,乳酸水平提高显示预后不良,对制定放疗计划非常重要。

4、脑缺血和脑梗塞的MRS

表现为NAA信号峰值降低,Cho峰值亦降低,这是与脑瘤不同的,但NAA降低的程度明显大于总 Cr和 Cho的降低程度。新生儿缺氧所致的脑缺血损害表现为基底节NAA峰值明显降低,同时可有不同程度的乳酸信号,信号越高提示缺氧越严重。

5.Alzherimer病的 MRS

NAA降低可以敏感,精确的反映Alzherimer病(AD)中神经元脱失的情况,研究证明AD患者NAA水平明显下降,MI水平升高,白质内见水平与痴呆的水平及持续时间密切相关,灰质的NAA/MI比率可以鉴别AD与正常脑。

6.其它

除了上述临床应用外,MRS在脑代谢性疾病、脑白质脱髓鞘疾病(尤其是对多发性硬化人 颅脑外伤的愈后评价等多个领域都具有肯定的重要价值。比如,非酮性高甘氨酸血症患儿的1H-MAS可见多余甘氨酸信号。Ganavan氏病人可见特异性NAA信号升高。在脱髓鞘病变的急性斑块期,1H-MAS(显示胆碱化合物含

量浓度t,而当病情稳定时,NAA浓度则降低。这些研究结果表明1H-MAS可用来对急性期、慢性期直至病变后期的斑块的临床变化过程进行监测。近年来,许多文献还研究了脱髓鞘病变的特异峰值,从监测、治疗效果角度看,这些资料都是有价值的。

三、小结

目前,MRS作为无创伤性地研究人体器官组织代谢及生化改变,进行化合物定量分析的唯一方法,广泛用于肿瘤、缺血性脑卒中、脑出血、老年性痴呆、新生儿重症监护、脑外伤的预后、脑白质病变、感染性疾病以及艾滋病的临床和基础研究中。目前常用方法为PRESS序列单体素(Single Voxel)1H MRS,其操作方便、省时,但仍存在不足,主要是单体素面积设置不能过大也不能过小,其数据为一维性,不能提供病变区代谢异常的空间分布。其次,必须预先知道病灶部位基础上才能进行正确的体素定位,因此在应用方面受到一定制约。新开发的二维或M维MRS技术弥补了上述不足,简单地说它应用化学位移成像(CSI)一次可进行多体素MRS,可以得到二维或三维数据表,经计算机后处理可得到各代谢物分布图。此图可与常规MRT1或T2图象配准得到良好的背景参照,图象更直观。

可以相信随着技术的不断进步,MRS必将在疾病诊治中发挥越来越重要的作用。


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