磁共振波谱在诊断颅内肿瘤中的应用

DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital磁共振波谱（MRS）在诊断颅内肿瘤中的应用北京大学人民医院神经外科栾文忠教授DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital一基础理论DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital磁共振波谱(Magneticresonancespectroscopy，MRS)概念•可检测出活体组织代谢物的浓度，为MRI影像提供定量诊断依据•可反映组织的代谢信息和状态，来确定组织的性质•是目前唯一无创研究人体器官、组织代谢、生化改变及化合物定量分析的方法DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital磁共振波谱(Magneticresonancespectroscopy，MRS)历史•20世纪40年代，国外最早开始研究波谱学1946年，美国的Purcell和Bloch发现了核磁共振现象5年后，Proctor和Yu提出核子的“化学位移(chemicalshift)”•20世纪50年代，国内波谱学研究工作开始•20世纪70年代，提出二维傅立叶变换概念，人体和动物的磁共振研究由此开始•20世纪90年代，开始应用于临床DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital化学位移(chemicalshift)•在同一均匀磁场中，不同化合物的同一原子核由于其所处的化学环境不同，共振频率就会有所差别，这种现象就是化学位移单位:采用磁场强度（检测物与参照物共振频率相比得到的相对值）的百万分之一(ppm)来表示，在MRS谱线上，横座标最右边一点即中心频率位置定义为零，其ppm值向左依次增加•化学位移可将含有同种原子核的不同化合物根据其化学位移的程度在频率轴上区别开来DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital磁共振波谱(Magneticresonancespectroscopy，MRS)原理•每一带电的原子核自旋即可在其周围产生一微弱磁场，置于外加磁场，其自旋轴就会趋于平行或反方向于这个磁场方向•施加射频脉冲，处于低能状态的原子核因吸收了能量而跃迁到高能状态；射频脉冲停止，高能态的原子核即弛豫(relaxation)或恢复到低能状态，并以射频脉冲信号的形式释放出吸收的能量•弛豫过程中自由感应衰减(freeinductiondecay,FID)的射频脉冲信号被检测后，经傅立叶转换，所形成的频率-信号强度曲线即磁共振波谱DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital氢质子磁共振波谱(1H-MRS)•目前，可用在医学领域波谱研究的原子核有1H、31P、23Na、13C、19F、7Li等•由于氢质子1H较其他原子核在有机物结构中具有高自然丰度和核磁感性，故做波谱分析时多采用1H•1H-MRS在脑部疾病诊断中的应用最为广泛如:脑肿瘤、脑梗塞、脑脓肿、脑炎、癫痫、家族性精神分裂症、缺血缺氧性脑病、多发性硬化、肝性脑病、脑部的放射性损伤等DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospitalMRS的兴趣区(regionofintrest,ROI)•先行磁共振检查，在适当的时间里在磁共振上设定波谱磁共振检查的靶区，摈弃周围组织的影响，称为MRS的兴趣区(regionofintrest,ROI)•对于肿瘤来说，ROI多选择瘤内实体区、坏死区、瘤周区等及与相应解剖学部位对应的对侧正常区瘤周区定义为T2WI上显示为高信号而在增强T1WI上无强化的肿瘤周围区域，约肿瘤周围的2cm左右的区域•目前人体研究1H-MRS的ROI为1-8mlDepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital相对定量•不同化合物可根据其MRS共振峰位置不同加以区别•MRS共振峰面积与共振核数目成正比，反映了化合物的浓度•测定绝对浓度会受到许多问题的困扰，如检查条件的不同、共振峰的重叠、涡流导致峰宽增宽等•普遍采用的是两种代谢物波峰下面积的比值，即相对定量的方法来代表代谢物的相对浓度•相对定量的方法有利于自我调整成像仪、定位方法的差异和增益的不稳定性，减少部分容积效应DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital二各种代谢物目前在大多数颅内肿瘤1H-MRS表现为以下多种代谢物的局部脑组织中的浓度变化N-乙酰天门冬氨酸(N-aminosuccinicacid，NAA)胆碱(choline，Cho)肌酸(creatine，Cr)乳酸(lacticacid，Lac)脂质(lipid，Lip)丙氨酸(alanine，Ala)肌醇(myo-inosito，MI)谷氨酸复合物(glutamine，Glk)DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital1H-MRS检测颅脑肿瘤的各种代谢物DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospitalN-乙酰天门冬氨酸(N-aminosuccinicacid，NAA)•NAA存在于哺乳动物神经元内，被公认是神经元的内标志物(endogenousmarker)•NAA含量多少可反映神经元的功能状况及脑神经元细胞的完整性，它的降低与神经元缺失及其轴突损伤有关•波谱位于2.0ppm处，在正常1H-MRS中是最高的峰DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospitalN-乙酰天门冬氨酸(NAA)变化意义•NAA的减少提示正常神经元被破坏和/或被肿瘤细胞替代所致，其减少可能是一个渐进的过程•NAA在肿瘤中心比肿瘤周围下降更明显，高级别胶质瘤下降更多•Canavan病是唯一NAA浓度增高的疾病Canavan病亦称中枢神经海绵样变性，是一种罕见的常染色体隐性遗传病，致病基因定位于17p13-pter。病理特点为中枢神经海绵样变性。生化特点为天冬氨酸酰基转移酶缺陷导致脑内NAA堆积和尿NAA增多。MRS显示脑内NAA波升高可作为确诊本病的依据DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital胆碱(choline，Cho)•Cho主要存在于细胞膜上，是细胞膜磷脂代谢的中间产物，包括胆碱、磷酸甘油胆碱、磷酸胆碱和磷脂酰胆碱，反映脑内总的胆碱量•Cho与肿瘤转移和细胞的生长活性相关，浓度升高反映肿瘤细胞膜结构增加，细胞增殖，胶质增生•Cho的波谱位于3.2ppm处DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital胆碱(Cho)变化意义•Cho在肿瘤边缘增加比中心高，实体部分比囊性部分高•Cho与胶质瘤级别有很好相关性。肿瘤的恶性程度越高，生长越快，细胞分裂增殖越活跃，具有越高的Cho值•Tedeschi等在随访的脑胶质瘤患者中，病情进展病例的Cho升高率45%，而病情稳定病例Cho升高率35%，无一例Cho无改变或下降DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital肌酸(creatine，Cr)•Cr是包括肌酸与磷酸肌酸，是高能磷酸化的储备及ATP和ADP的缓冲剂•Cr的浓度变化反映了能量代谢的信息，是细胞内能量的标志•Cr的波谱位于3.02ppm处,另一峰(Cr2峰)位于3.94ppm处DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital肌酸(Cr)变化意义•Cr在脑内总量较恒定，不同代谢条件下均保持相对稳定，可作为其他峰的比值参考•Cr在低级别胶质瘤中多正常，在高级别胶质瘤中，Cr的浓度稍有降低；同一肿瘤的高代谢区域较低代谢的区域的Cr浓度稍有降低•多数学者的研究表明，低级别与高级别胶质瘤Cho/Cr、Cho/NAA值的升高有统计学意义，特别是Cho/Cr值与肿瘤的恶性程度具有正相关性，可以用来对胶质瘤进行分级DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital乳酸(lacticacid，Lac)•Lac峰出现是无氧酵解和Lac清除率降低的结果，提示脑组织缺血、缺氧，坏死•肿瘤的能量代谢特点为糖酵解作用增强，故高级别胶质瘤中心及周围的波谱中多出现Lac峰，但不是恶性肿瘤的可靠征象•囊肿、脓肿、梗塞、坏死、术后缺损区或体积较大的良性肿瘤（因限制Lac的清除导致清除率下降）也出现Lac峰•Lac的波谱位于1.33ppm处，在正常脑组织内探测不到DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital脂质(lipid，Lip)•Lip来源于肿瘤边缘巨嗜细胞或坏死组织细胞将组织结构中脂肪分解为小分子脂质•Lip与肿瘤的侵袭性有关，它的出现提示高级别胶质瘤或转移瘤，常在肿瘤坏死区、未经治疗的肿瘤中出现在约40%的高级别胶质瘤中可见Lip峰，而低级别胶质瘤中出现的比率约为16%，且峰值有显著差异•单用Lip对星形细胞瘤分级不准确，而高Cho峰及Lip峰同时出现，更提示为高级星形细胞瘤•Lip峰的波谱位于0.9-1.5ppm处，与Lac化学位移位置相近，所以经常与Lac被同时检测DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital丙氨酸(alanine，Ala)•Ala来自于糖分解中的丙酮酸，是谷氨酰胺转氨基和部分氧化作用大于糖酵解的结果•Ala增高被认为是脑膜瘤的特征，但并非所有脑膜瘤均会出现•胶质瘤内也可出现Ala峰，脑膜瘤的Ala/Cr比值比星形细胞瘤高3-4倍•神经鞘瘤和转移瘤无Ala峰•Ala峰的波谱位于波谱曲线1.4ppm处DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital肌醇(myo-inosito，MI)•MI是磷酸酰肌醇和磷酸磷脂酰肌酸的前体物，主要作用为调节渗透压，营养细胞，抗氧化及生成表面活性物质•低级别星形细胞瘤、间变性星形细胞瘤、胶质母细胞瘤的MI/Cr值依次降低，且存在显著差别•脑膜瘤、转移瘤中见不到及MI峰•神经鞘瘤的MI升高•MI峰的波谱位于3.5ppm处DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital谷氨酸复合物(glutamine，Glk)•谷氨酸(Glu)和谷氨酸盐(Gln)这两种代谢产物相邻很近,通常由谷氨酸复合物(Glx)表示•Glk是兴奋性神经递质，参与脑内氨的解毒，最终代谢产物是丙氨酸(Ala)•Glx在脑膜瘤和少突胶质细胞瘤中相对于正常脑组织和星形细胞瘤是抬高的,因此其被认为是脑膜瘤和少突胶质细胞瘤的特征之一•谷氨酸(Glu)和谷氨酸盐(Gln)共振峰分别位于2.2-2.4ppm(β+γ峰)及3.6-3.8ppm(α峰)正常的1H-MRS表现NAAChoCrCr2正常Cho/Cr、Cho/NAA比值范围约为0.789-0.545NAA/Cho比值的范围约为1.267-1.835DepartmentofNeurosurgeryPekingUniversityPeople’sHospital三胶质瘤的1H-MRS的表现胶质瘤的1H-MRS表现