磁共振腦功能成像張愛蓮

1、磁共振腦功能(gngnng)成像解放軍總醫(yī)院 張愛蓮共九十四頁影像(yn xin)醫(yī)學(xué)的發(fā)展前景更敏感，更特異，更無創(chuàng)放射學(xué)-醫(yī)學(xué)(yxu)影像學(xué)放射診斷-診斷治療學(xué)形態(tài)解剖-功能、代謝共九十四頁醫(yī)學(xué)磁共振技術(shù)(jsh)的應(yīng)用MRI：研究人體組織器官大體形態(tài)病理生理(shngl)改變MRS：研究人體能量代謝及生化改變fMRI：磁共振腦功能成像共九十四頁腦功能(gngnng)成像測量腦內(nèi)化合物測量腦局部代謝和血氧變化技術(shù)(jsh)測量腦內(nèi)神經(jīng)元活動的技術(shù)共九十四頁腦功能(gngnng)成像測量腦內(nèi)化合物測量腦局部(jb)代謝和血氧變化技術(shù)測量腦內(nèi)神經(jīng)元活動的技術(shù)共九十四頁測量(cling)腦內(nèi)化

2、合物是特殊神經(jīng)化學(xué)研究(ynji)技術(shù)，可定位定量，測量腦內(nèi)各種生物分子的分布和代謝。單光子發(fā)射計算機斷層顯像技術(shù)（SPECT）正電子發(fā)射斷層成像技術(shù)（PET）磁共振波譜分析（MRS）共九十四頁腦功能(gngnng)成像 測量(cling)腦內(nèi)化合物測量腦局部代謝和血氧變化技術(shù)測量腦內(nèi)神經(jīng)元活動的技術(shù)共九十四頁測量腦代謝(dixi)和血氧變化當(dāng)腦活動增加時，局部血流，氧代謝和糖代謝增加，可以(ky)功能定位，對腦局部反應(yīng)特征研究PET光學(xué)成像技術(shù)功能磁共振成像（fMRI）灌注成像：外源性灌注成像（PWI） 內(nèi)源性，血氧水平依賴法（BOLD）共九十四頁腦功能(gngnng)成像 測量腦內(nèi)化合物測

3、量腦局部代謝和血氧變化(binhu)測量腦內(nèi)神經(jīng)元活動共九十四頁測量(cling)腦內(nèi)神經(jīng)元活動腦電圖（EEG）腦磁圖（MEG）事件(shjin)相關(guān)電位（ERP）共九十四頁磁共振功能(gngnng)成像磁共振波譜（MRS）擴散加權(quán)成像（擴散張量成像，DTI）灌注(gunzh)成像：外源性灌注成像（PWI）內(nèi)源性，血氧水平依賴法（BOLD）共九十四頁磁共振波譜(MRS)技術(shù)及臨床(ln chun)應(yīng)用 共九十四頁MRS技術(shù)(jsh)概述Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS研究人體能量代謝的病理生理改變研究范圍：中樞神經(jīng)系統(tǒng)，體部如前列腺肝臟，乳腺等不同波譜：1

4、H、31P、13C、19F、23Na 31P-MRS最早應(yīng)用(yngyng)1H-MRS應(yīng)用最廣泛共九十四頁MRS對硬件(yn jin)的要求 與MRI相同磁體(ct)RF線圈RF放大器RF發(fā)射器接收器和計算器共九十四頁MRS對硬件(yn jin)的要求 與MRI不同高場強，1.0T以上高均勻度，B0的不均勻性必須小于1.0ppm不需要梯度線圈，但需要一些空間定位的輔助裝置不需要成像裝置，但需要必要的硬件和軟件，顯示波譜(bp)，計算化學(xué)位移頻率，測定波峰等共九十四頁MRS技術(shù)(jsh)及基本原理射頻脈沖 原子核激勵(jl) 馳豫 信號呈指數(shù)衰減（自由感應(yīng)衰減） 傅立葉變換 MRS顯示 振幅與

5、頻率的函數(shù)即MRS共九十四頁MRS技術(shù)(jsh)及基本原理利用原子核化學(xué)位移和原子核自旋耦合裂分現(xiàn)象(xinxing)不同化合物的相同原子核，相同的化合物不同原子核之間，由于所處的化學(xué)環(huán)境不同，其周圍磁場強度會有輕微的變化，共振頻率會有差別，這種現(xiàn)象稱為化學(xué)位移不同化合物的相同原子核之間，相同的化合物不同原子核之間，共振頻率的差別就是MRS的理論基礎(chǔ)共九十四頁MRS技術(shù)(jsh)及基本原理MRS表示(biosh)方法在橫軸代表化學(xué)位移（頻率差別），單位百萬分子一（ppm） 縱軸代表信號強度，峰高和峰值下面積反映某種化合物的存在和化合物的量，與共振原子核的數(shù)目成正比。共九十四頁腦 MRS共九十四

6、頁如何(rh)獲得MRS選擇(xunz)成像序列：激勵回波法 STEAM、點分辨波譜法 PRESS等選擇檢查方法：單體素和多體素具體的步驟：掃描參數(shù)、定位、飽和帶、預(yù)掃描勻場、數(shù)據(jù)采集、后處理分析共九十四頁MRS空間定位(dngwi)及序列選擇激勵回波法 (the Stimulated Echo Acquisition Method, STEAM) 點分辨波譜(bp)法 (the Point Resolved Spectroscopy PRESS)深部分辨波譜法（DRESS）空間分辨波譜法（SPARS）共九十四頁MRS序列(xli)選擇激勵回波法 ：連續(xù)使用三個90射頻(sh pn)脈沖產(chǎn)生激

7、勵回波： 900900900優(yōu)點：常使用短TE（35ms）檢測代謝物種類多，如脂質(zhì)、谷氨酰胺和肌醇只有在短TE才能檢出 缺點：對運動敏感，信噪比低，對勻場和水抑制要求嚴格，對T2弛豫不敏感共九十四頁MRS序列(xli)選擇點分辨波譜法 ：用1個90和2個180脈沖產(chǎn)生自旋回波： 90018001800優(yōu)點：信噪比高，是激勵回波法的2倍 ，可以選擇長、短TE（ 144ms or 35ms ），對T2弛豫敏感，對運動不太敏感缺點：選擇長TE，不易(b y)檢出短T2物質(zhì)，如脂質(zhì)共九十四頁MRS檢查(jinch)方法單體(dn t)素氫質(zhì)子（Single voxel，SV）MRS多體素氫質(zhì)子（pro

8、ton multi-voxel spectroscopy imaging，PMVSI）MRS共九十四頁共九十四頁SV氫質(zhì)子(zhz)MRS特點覆蓋范圍有限，一次采集只能分析(fnx)一個區(qū)域，適用于局限性病變，后顱窩病變采集時間短，一般35分鐘共九十四頁MV氫質(zhì)子(zhz)MRSI2D PROBE-SI3D Focal PROBE-SIFull coverage MRSI和UltroPROBE-SI共九十四頁MV氫質(zhì)子(zhz)腦MRSI的特點可以同時獲取病變側(cè)和未被病變累及的區(qū)域，評價病灶的范圍大 。勻場比較困難，由于多個(du )區(qū)域同時獲得相同的磁場均勻性。對臨近顱骨、鼻竇或后顱窩的病灶

9、，由于磁敏感偽影常常一次勻常不能成功采集時間比較長 。共九十四頁單體(dn t)素與多體素的比較 單體素容易實現(xiàn)成像時間相對較短磁場不均勻(jnyn)性易克服譜線定性分析容易譜線的基線不穩(wěn)定多體素覆蓋范圍大，一次采集可獲得較多信息成像時間長容易受磁場不均勻性的影響譜線基線穩(wěn)定共九十四頁MRS具體(jt)操作步驟 成像參數(shù)的選擇 興趣(xngq)區(qū)的選擇 預(yù)掃描：體素勻場、水抑制 傳導(dǎo)和接收增益，調(diào)整中央頻率 資料采集 資料后處理，顯示和儲存 共九十四頁如何(rh)獲得好的MRS必要的硬件和軟件是基礎(chǔ)：靜磁場的均勻性，射頻脈沖的穩(wěn)定性，后處理軟件序列(xli)、方法、參數(shù)和位置的合理選擇，是高信

10、噪比保證共九十四頁單體(dn t)素點分辨波譜法（PRESS ）成像參數(shù)(cnsh) TR 1500ms TE 35ms或144ms Voxel size 1520mm NEX 8 Scan time 340“ 共九十四頁參數(shù)(cnsh)選擇對MRS的影響SNRCho/crNaa/crScan timesensitivity采集次數(shù)增加_體素大小_TR延長TE延長_共九十四頁不同(b tn)TE對波譜的影響（ PRESS ）TE=35msTE=144ms共九十四頁不同(b tn)TE對波譜的影響（PRESS）短TE：檢測代謝物種類多，如脂質(zhì)、谷氨酰胺和肌醇只有在短TE才能檢出 ，便于測量短T2

11、的物質(zhì)。缺點是基線不夠穩(wěn)定。長TE：檢測代謝物種類少，基線穩(wěn)定，常用于腫瘤(zhngli)性病變。因為TE=144ms 時易于顯示膽堿和乳酸峰，此時乳酸峰反轉(zhuǎn)于基線下。共九十四頁興趣(xngq)區(qū)定位對MRS的影響興趣區(qū)大小直接影響波譜曲線的準確性，過小信號相對較低；過大容易受周圍組織的干擾，產(chǎn)生部分容積效應(yīng)。依據(jù)病灶大小決定，一般單體素為1520mm興趣區(qū)定位注意：避開血管、腦脊液、空氣、脂肪、壞死(hui s)區(qū)、金屬、鈣化區(qū)和骨骼。上述區(qū)域易產(chǎn)生磁敏感偽影，降低分辨率和敏感性，掩蓋代謝物的檢出共九十四頁勻場和水、脂抑制(yzh)勻場：波譜反映的是局部磁場的瞬間變化，任何導(dǎo)致磁場均勻性發(fā)生

12、改變的因素，都可以引起波譜峰增寬或重疊，使MRS信噪比和分辨率降低水、脂抑制：水、脂濃度是代謝物的幾十倍，幾百倍，甚至幾千倍，如不抑制，代謝物將被掩蓋(yngi)勻場和水抑制后: 線寬，頭顱小于10Hz，肝臟小于20Hz；水抑制大于95%共九十四頁MRS的信噪比MRS 的信噪比決定(judng)譜線的質(zhì)量MRS 的信噪比：最大代謝物的峰高除以無信號區(qū)噪聲的平均振幅。通常大于3，譜線的質(zhì)量可以接受。共九十四頁MRS信噪比的影響(yngxing)因素磁場(cchng)均勻性興趣區(qū)定位采集平均次數(shù)體素大小TR、TE時間組織內(nèi)原子核的自然濃度和敏感性磁場強度：MRS敏感性與磁場強度的2/3次方成正比，

13、場強越高，敏感性和分辨率越高共九十四頁總之(zngzh)興趣區(qū)定位準確，避開可能影響MRS的周圍組織因素恰當(dāng)(qidng)的勻場，保證采樣區(qū)磁場均勻性，提高分辨力和敏感度充分抑制水、脂信號，避免波譜的脂肪污染和水信號對代謝物的掩蓋增加采集次數(shù)、增加體素大小提高信噪比根據(jù)不同的病變選擇不同參數(shù)：TR、TE共九十四頁波譜檢查(jinch)不成功或出現(xiàn)非診斷性波譜的原因患者(hunzh)不能配合勻場不成功病灶存在大量的壞死、血液成分、鈣化和黑色素手術(shù)金屬夾產(chǎn)生磁化率偽影甘露醇治療后會在3.8ppm出現(xiàn)波峰類固醇類藥物治療后影響代謝物的水平共九十四頁MRS面臨(minlng)的挑戰(zhàn) 特定技術(shù)抑制水波譜

14、：與水相比，腦內(nèi)代謝物的含量非常低提高(t go)分辨力和敏感度： MRS反映局部磁場的瞬間變化，對任何原因引起磁場均一性的微小波動均較敏感，導(dǎo)致波峰增寬和重迭，從而降低MRS技術(shù)的分辨力和敏感度定量分析困難：尤其是絕對定量共九十四頁MRS臨床(ln chun)應(yīng)用腦部體部：前列腺、肝臟(gnzng)、乳腺等共九十四頁MRS在腦部臨床(ln chun)應(yīng)用技術(shù)點分辨波譜法 PRESS選用SV或 MV選擇成像參數(shù)興趣區(qū)的選擇定位自動預(yù)掃描：勻場、水抑制數(shù)據(jù)采集(cij)后處理和分析共九十四頁序列(xli)及掃描參數(shù)SV, pressTR 1500 msTE 144/35 msFOV 24 cmV

15、oxel size 20 mmNEX 8Scan time 3 min自動(zdng)預(yù)掃描后獲得的參數(shù)：線寬（Ln）小于10Hz水抑制大于95%共九十四頁1H MRS在顱腦(l no)疾病的應(yīng)用腫瘤與非腫瘤腫瘤的類型觀察(gunch)腫瘤的治療效果和復(fù)發(fā)腫瘤與水腫非腫瘤：感染，梗塞、出血、癲癇等各種變性病變、神經(jīng)退行性變、脫髓鞘病變、代謝性病變等共九十四頁腦MRS常見(chn jin)成分中文名稱英文縮寫ppm位置脂質(zhì)Lipid0.8-1.3乳酸Lac1.3乙酰天門冬NAA2.0谷氨酸Glu/Gln2.1, 2.3, 3.7膽堿Cr/Pcr3.2肌醇Mi/Ins3.6共九十四頁ChoNAAC

16、rmI共九十四頁人腦代謝物測定(cdng)的意義 N-乙酰天門冬氨酸(NAA)：位于波譜2.0ppm處，主要位于成熟神經(jīng)元內(nèi)，是神經(jīng)元的內(nèi)標記物，是正常波譜中最大的峰。NAA下降見于神經(jīng)元損害，包括(boku)缺血、創(chuàng)傷、感染、腫瘤等，腦外腫瘤無NAA峰NAA升高少見，Cavana病，發(fā)育中的兒童，軸索恢復(fù)時可升高。共九十四頁ChoCrNAA共九十四頁正常(zhngchng)異常(ychng)共九十四頁膽堿(Cho)：腦內(nèi)總膽堿，波峰(bfng)位于3.2ppm處，是細胞膜磷脂代謝的成份之一，是細胞膜轉(zhuǎn)換的標記物，反映了細胞膜的運轉(zhuǎn)，和細胞的增殖，Cho是髓鞘磷脂崩潰的標志。 Cho升高：腦腫

17、瘤，急性脫髓鞘疾病Cho降低：中風(fēng)，肝性腦病共九十四頁ChoNAACr共九十四頁肌酸(Cr/Pcr):包括肌酸和磷酸肌酸，是腦代謝的標記物,位于波譜3.0ppm和4.1ppm處，參與體內(nèi)(t ni)能量代謝，Cr波峰比較穩(wěn)定，常用作內(nèi)標準。在正常腦波譜中，Cr是第三高波峰。Cr/Pcr升高：創(chuàng)傷，高滲狀態(tài)Cr/Pcr降低：缺氧，中風(fēng)共九十四頁CrChoNAA共九十四頁乳酸(Lac)：乳酸是糖酵解的終產(chǎn)物，它的出現(xiàn)(chxin)提示無氧呼吸，正常腦組織中不可見，位于波譜1.32ppm，當(dāng)TE從短TE變?yōu)殚LTE時， Lac峰會發(fā)生翻轉(zhuǎn)。出現(xiàn)乳酸峰：見于腦腫瘤、膿腫、囊腫、梗塞及炎癥共九十四頁LAC

18、LACTE=35TE=144共九十四頁共九十四頁肌醇（mI）：波峰的位置3.56ppm處，膠質(zhì)細胞的標記物，是最重要的滲透壓或細胞容積的調(diào)節(jié)劑mI 升高，提示(tsh)膠質(zhì)增生及髓鞘化不良：新生兒，低級別的膠質(zhì)瘤mI降低：惡性腫瘤，慢性肝病共九十四頁Lip-脂質(zhì)：波峰位于0.81.33ppm之間，脂質(zhì)、谷氨酰胺和肌醇只有(zhyu)在短TE才能檢出Lip增高，提示髓鞘的壞死和或中斷。見于惡性腫瘤，炎癥，急性中風(fēng)共九十四頁TE=35ms共九十四頁（1）分析(fnx)MRS時注意點注意病灶區(qū)與對側(cè)非病變(bngbin)區(qū)對稱采集，便于對比兩次采集必須采用同樣的技術(shù)和方案，保持可比性假陰性：由于部分

19、容積效應(yīng)，體積較小的病灶 可能表現(xiàn)為正常減少假陰性的措施：縮小體素，提高分辨率；增加采集次數(shù)，提高信噪比共九十四頁（2）分析(fnx)MRS時注意點比例因素（病理掩蓋）：當(dāng)一種代謝物占優(yōu)勢時，其他代謝物由于比例的原因，顯示為很小的波峰，這并不意味著其他代謝物濃度低，而是由于某種代謝物的病理性增加(zngji)對比劑的影響：對比劑的注射不影響整個波譜的解釋，但可能會影響個別峰的面積共九十四頁（3）正常(zhngchng)情況下不同區(qū)域代謝物的變化 NAA: 海馬皮質(zhì)及皮質(zhì)下，小腦其他 Cr: 灰質(zhì)白質(zhì)(bizh)（左右） 3 Cho：白質(zhì)灰質(zhì)，在橋腦濃度其他部位 基底節(jié)區(qū)：NAA/Cr和mI/C

20、r比率較低， Cho/Cr比率較高共九十四頁（4）不同年齡(ninlng)代謝物的變化 新生兒：NAA 及NAA/Cr 比率逐漸增加， 提示出生后神經(jīng)元逐漸成熟 8月：Cho和 mI水平明顯(mngxin)升高 8月至2歲：波譜逐漸趨于正?；?2歲后與成人基本一致老年人： NAA 及NAA/Cr 比率減低，提示神經(jīng)元數(shù)目減少或生存能力減低。 Cho和 Cho/Cr比率升高， 提示細胞膜退變加劇和膠質(zhì)細胞數(shù)目增加共九十四頁MRS鑒別(jinbi)腫瘤與非腫瘤 波譜技術(shù)TE=144ms，容易反映Cho水平的增長，即腫瘤病灶中主要(zhyo)代謝物TE=35ms，能檢出mI，有助于腫瘤分級靜脈注射對

21、比劑前后，均可進行質(zhì)子波譜成像，但進行隨訪時應(yīng)與前一次一致共九十四頁MRS鑒別(jinbi)腫瘤與非腫瘤 腫瘤的波譜形式：NAA 及NAA/Cr比率降低(jingd)，提示神經(jīng)元數(shù)目和生存能力降低Cr降低，是由于腫瘤能量代謝的需要Cho 、Cho/ NAA 和Cho /Cr比率增加，與細胞膜轉(zhuǎn)換率和細胞的稠密度有關(guān)，是源于腫瘤細胞的增殖Lac出現(xiàn)：與成人腦腫瘤的分級直接相關(guān)，腫瘤級別越高峰值越高；見于所有兒童腦腫瘤中共九十四頁MRS鑒別(jinbi)腫瘤與非腫瘤Lip的出現(xiàn)強烈提示組織壞死，見于腫瘤、炎癥、急性脫髓鞘病變mI/Cr便于腫瘤分級，低度惡性腫瘤( xng zhng li)高度惡性腫

22、瘤；mI/Cr比率明顯增高，提示為非腫瘤性病變Glx高于NAA峰1/3時即認為Glx增高，見于腦膜瘤，明顯增高提示非腫瘤性病變：感染，梗死，肝性腦病等共九十四頁MRS鑒別(jinbi)腫瘤與非腫瘤 注意點不能完全依賴于波譜，要結(jié)合MRI圖像和灌注結(jié)果假陰性結(jié)果：見于腫瘤明顯壞死、低度惡性、非常小的病變假陽性結(jié)果：見于炎性假瘤、機化的血腫(xuzhng)、病毒性腦炎等共九十四頁膠質(zhì)瘤Cho增加(zngji)，NAA降低共九十四頁Cho增加(zngji)共九十四頁Cho增加(zngji)共九十四頁腦膿腫(nngzhng)Lac增高(znggo)共九十四頁磁共振波譜(bp)(MRS)技術(shù)在體部的應(yīng)用

23、共九十四頁MRS在前列腺腫瘤(zhngli)中的應(yīng)用超聲、CT、MRI診斷前列腺癌，敏感性特異性都不高MRS使前列腺癌的診斷重現(xiàn)生機(shnj)，MRI與3D-MRS相結(jié)合評價前列腺癌敏感性95%，特異性91%的，是最為理想的檢出前列腺癌的方法。 摘自（Radiology,1999,213:473-480）共九十四頁MRS在前列腺腫瘤(zhngli)中的應(yīng)用前列腺癌在MRS上表現(xiàn)為較高的Cho峰，同時特異性的枸櫞酸鹽（Citrate）峰明顯減低，對前列腺癌的診斷特異性較高。MRS技術(shù)：選擇序列參數(shù)、定位、飽和帶、勻場常規(guī)自動(zdng)預(yù)掃描自動(zdng)勻場和水脂抑制，要求線寬小于15Hz

24、，方可進行MRS數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)后處理分析共九十四頁正常(zhngchng)前列腺的MRS圖像(t xin)來自北京大學(xué)第一醫(yī)院共九十四頁Cho3.2Cre3.0Cit2.6-2.7正常(zhngchng)前列腺MRS譜線表現(xiàn)cit高于cho+cr膽堿(dn jin)+肌酸枸櫞酸鹽圖像來自北京大學(xué)第一醫(yī)院共九十四頁前列腺癌1H MRSI表現(xiàn)Cho+cr增高(znggo)，cit降低PCaCC/C0.53CC/C2.22枸櫞酸鹽枸櫞酸鹽膽堿(dn jin)+肌酸圖像來自北京大學(xué)第一醫(yī)院共九十四頁MRS在肝臟病變(bngbin)中的應(yīng)用MRS在肝部的應(yīng)用較少動物實驗、初級(chj)臨床應(yīng)用階段肝臟MRS受呼吸運動的影響較大采集技術(shù)上的困難，限制其應(yīng)用肝臟富含液體，強大水信號以及肝臟周圍