磁共振波谱MRS临床应用

磁共振波谱成像讲解影像医学的发展前景更敏感，更特异，更无创放射学----医学影像学放射诊断----诊断治疗学形态解剖----功能、代谢医学磁共振技术的应用MRI：研究人体组织器官大体形态病理生理改变MRS：研究人体能量代谢及生化改变fMRI：磁共振脑功能成像脑功能成像测量脑内化合物测量脑局部代谢和血氧变化技术测量脑内神经元活动的技术脑功能成像测量脑内化合物测量脑局部代谢和血氧变化技术测量脑内神经元活动的技术测量脑内化合物是特殊神经化学研究技术，可定位定量，测量脑内各种生物分子的分布和代谢。单光子发射计算机断层显像技术（SPECT）正电子发射断层成像技术（PET）磁共振波谱分析（MRS）脑功能成像测量脑内化合物测量脑局部代谢和血氧变化技术测量脑内神经元活动的技术测量脑代谢和血氧变化当脑活动增加时，局部血流，氧代谢和糖代谢增加，可以功能定位，对脑局部反应特征研究PET光学成像技术功能磁共振成像（fMRI）灌注成像：外源性灌注成像（PWI）内源性，血氧水平依赖法（BOLD）脑功能成像测量脑内化合物测量脑局部代谢和血氧变化测量脑内神经元活动测量脑内神经元活动脑电图（EEG）脑磁图（MEG）事件相关电位（ERP）磁共振功能成像磁共振波谱（MRS）扩散加权成像（扩散张量成像，DTI）灌注成像：外源性灌注成像（PWI）内源性，血氧水平依赖法（BOLD）磁共振波谱(MRS)技术及临床应用MRS技术概述MagneticResonanceSpectroscopy，MRS研究人体能量代谢的病理生理改变研究范围：中枢神经系统，体部如前列腺肝脏，乳腺等不同波谱：1H、31P、13C、19F、23Na31P-MRS最早应用1H-MRS应用最广泛MRS对硬件的要求与MRI相同磁体RF线圈RF放大器RF发射器接收器和计算器MRS对硬件的要求与MRI不同高场强，1.0T以上高均匀度，B0的不均匀性必须小于1.0ppm不需要梯度线圈，但需要一些空间定位的辅助装置不需要成像装置，但需要必要的硬件和软件，显示波谱，计算化学位移频率，测定波峰等MRS技术及基本原理射频脉冲原子核激励驰豫信号呈指数衰减（自由感应衰减）傅立叶变换MRS显示振幅与频率的函数即MRSMRS技术及基本原理利用原子核化学位移和原子核自旋耦合裂分现象不同化合物的相同原子核，相同的化合物不同原子核之间，由于所处的化学环境不同，其周围磁场强度会有轻微的变化，共振频率会有差别，这种现象称为化学位移不同化合物的相同原子核之间，相同的化合物不同原子核之间，共振频率的差别就是MRS的理论基础MRS技术及基本原理MRS表示方法在横轴代表化学位移（频率差别），单位百万分子一（ppm）纵轴代表信号强度，峰高和峰值下面积反映某种化合物的存在和化合物的量，与共振原子核的数目成正比。脑MRS如何获得MRS选择成像序列：激励回波法STEAM、点分辨波谱法PRESS等选择检查方法：单体素和多体素具体的步骤：扫描参数、定位、饱和带、预扫描匀场、数据采集、后处理分析MRS空间定位及序列选择激励回波法(theStimulatedEchoAcquisitionMethod,STEAM)点分辨波谱法(thePointResolvedSpectroscopyPRESS)深部分辨波谱法（DRESS）空间分辨波谱法（SPARS）MRS序列选择激励回波法：连续使用三个90°射频脉冲产生激励回波：900—900—900优点：常使用短TE（35ms）检测代谢物种类多，如脂质、谷氨酰胺和肌醇只有在短TE才能检出缺点：对运动敏感，信噪比低，对匀场和水抑制要求严格，对T2弛豫不敏感MRS序列选择点分辨波谱法：用1个90°和2个180°脉冲产生自旋回波：900—1800—1800优点：信噪比高，是激励回波法的2倍，可以选择长、短TE（144msor35ms），对T2弛豫敏感，对运动不太敏感缺点：选择长TE，不易检出短T2物质，如脂质MRS检查方法单体素氢质子（Singlevoxel，SV）MRS多体素氢质子（protonmulti-voxelspectroscopyimaging，PMVSI）MRSSV氢质子MRS特点覆盖范围有限，一次采集只能分析一个区域，适用于局限性病变，后颅窝病变采集时间短，一般3~5分钟MV氢质子MRSI2DPROBE-SI3DFocalPROBE-SIFullcoverageMRSI和UltroPROBE-SIMV氢质子脑MRSI的特点可以同时获取病变侧和未被病变累及的区域，评价病灶的范围大。匀场比较困难，由于多个区域同时获得相同的磁场均匀性。对临近颅骨、鼻窦或后颅窝的病灶，由于磁敏感伪影常常一次匀常不能成功采集时间比较长。单体素与多体素的比较单体素容易实现成像时间相对较短磁场不均匀性易克服谱线定性分析容易谱线的基线不稳定多体素覆盖范围大，一次采集可获得较多信息成像时间长容易受磁场不均匀性的影响谱线基线稳定MRS具体操作步骤①成像参数的选择②兴趣区的选择③预扫描：体素匀场、水抑制④传导和接收增益，调整中央频率⑤资料采集⑥资料后处理，显示和储存如何获得好的MRS必要的硬件和软件是基础：静磁场的均匀性，射频脉冲的稳定性，后处理软件序列、方法、参数和位置的合理选择，是高信噪比保证单体素点分辨波谱法（PRESS）成像参数TR1500msTE35ms或144msVoxelsize15~20mmNEX8Scantime3‘40“参数选择对MRS的影响SNRCho/crNaa/crScantimesensitivity采集次数增加__体素大小___TR延长——TE延长_不同TE对波谱的影响（PRESS）TE=35msTE=144ms不同TE对波谱的影响（PRESS）短TE：检测代谢物种类多，如脂质、谷氨酰胺和肌醇只有在短TE才能检出，便于测量短T2的物质。缺点是基线不够稳定。长TE：检测代谢物种类少，基线稳定，常用于肿瘤性病变。因为TE=144ms时易于显示胆碱和乳酸峰，此时乳酸峰反转于基线下。兴趣区定位对MRS的影响兴趣区大小直接影响波谱曲线的准确性，过小信号相对较低；过大容易受周围组织的干扰，产生部分容积效应。依据病灶大小决定，一般单体素为15~20mm兴趣区定位注意：避开血管、脑脊液、空气、脂肪、坏死区、金属、钙化区和骨骼。上述区域易产生磁敏感伪影，降低分辨率和敏感性，掩盖代谢物的检出匀场和水、脂抑制匀场：波谱反映的是局部磁场的瞬间变化，任何导致磁场均匀性发生改变的因素，都可以引起波谱峰增宽或重叠，使MRS信噪比和分辨率降低水、脂抑制：水、脂浓度是代谢物的几十倍，几百倍，甚至几千倍，如不抑制，代谢物将被掩盖匀场和水抑制后:线宽，头颅小于10Hz，肝脏小于20Hz；水抑制大于95%MRS的信噪比MRS的信噪比决定谱线的质量MRS的信噪比：最大代谢物的峰高除以无信号区噪声的平均振幅。通常大于3，谱线的质量可以接受。MRS信噪比的影响因素磁场均匀性兴趣区定位采集平均次数体素大小TR、TE时间组织内原子核的自然浓度和敏感性磁场强度：MRS敏感性与磁场强度的2/3次方成正比，场强越高，敏感性和分辨率越高总之•兴趣区定位准确，避开可能影响MRS的周围组织因素•恰当的匀场，保证采样区磁场均匀性，提高分辨力和敏感度•充分抑制水、脂信号，避免波谱的脂肪污染和水信号对代谢物的掩盖•增加采集次数、增加体素大小提高信噪比•根据不同的病变选择不同参数：TR、TE波谱检查不成功或出现非诊断性波谱的原因患者不能配合匀场不成功病灶存在大量的坏死、血液成分、钙化和黑色素手术金属夹产生磁化率伪影甘露醇治疗后会在3.8ppm出现波峰类固醇类药物治疗后影响代谢物的水平MRS面临的挑战特定技术抑制水波谱：与水相比，脑内代谢物的含量非常低提高分辨力和敏感度：MRS反映局部磁场的瞬间变化，对任何原因引起磁场均一性的微小波动均较敏感，导致波峰增宽和重迭，从而降低MRS技术的分辨力和敏感度定量分析困难：尤其是绝对定量MRS临床应用脑部体部：前列腺、肝脏、乳腺等MRS在脑部临床应用技术点分辨波谱法PRESS选用SV或MV选择成像参数兴趣区的选择定位自动预扫描：匀场、水抑制数据采集后处理和分析序列及扫描参数SV,pressTR1500msTE144/35msFOV24cmVoxelsize20mmNEX8Scantime3min自动预扫描后获得的参数：线宽（Ln）小于10Hz水抑制大于95%1HMRS在颅脑疾病的应用肿瘤与非肿瘤肿瘤的类型观察肿瘤的治疗效果和复发肿瘤与水肿非肿瘤：感染，梗塞、出血、癫痫等各种变性病变、神经退行性变、脱髓鞘病变、代谢性病变等脑MRS常见成分中文名称英文缩写ppm位置脂质Lipid0.8-1.3乳酸Lac1.3乙酰天门冬NAA2.0谷氨酸Glu/Gln2.1,2.3,3.7胆碱Cr/Pcr3.2肌醇Mi/Ins3.6ChoNAACrmI人脑代谢物测定的意义N-乙酰天门冬氨酸(NAA)：位于波谱2.0ppm处，主要位于成熟神经元内，是神经元的内标记物，是正常波谱中最大的峰。NAA下降见于神经元损害，包括缺血、创伤、感染、肿瘤等，脑外肿瘤无NAA峰NAA升高少见，Cavana病，发育中的儿童，轴索恢复时可升高。ChoCrNAA正常异常胆碱(Cho)：脑内总胆碱，波峰位于3.2ppm处，是细胞膜磷脂代谢的成份之一，是细胞膜转换的标记物，反映了细胞膜的运转，和细胞的增殖，Cho是髓鞘磷脂崩溃的标志。Cho升高：脑肿瘤，急性脱髓鞘疾病Cho降低：中风，肝性脑病ChoNAACr肌酸(Cr/Pcr):包括肌酸和磷酸肌酸，是脑代谢的标记物,位于波谱3.0ppm和4.1ppm处，参与体内能量代谢，Cr波峰比较稳定，常用作内标准。在正常脑波谱中，Cr是第三高波峰。Cr/Pcr升高：创伤，高渗状态Cr/Pcr降低：缺氧，中风CrChoNAA乳酸(Lac)：乳酸是糖酵解的终产物，它的出现提示无氧呼吸，正常脑组织中不可见，位于波谱1.32ppm，当TE从短TE变为长TE时，Lac峰会发生翻转。出现乳酸峰：见于脑肿瘤、脓肿、囊肿、梗塞及炎症TE=35TE=144肌醇（mI）：波峰的位置3.56ppm处，胶质细胞的标记物，是最重要的渗透压或细胞容积的调节剂mI升高，提示胶质增生及髓鞘化不良：新生儿，低级别的胶质瘤mI降低：恶性肿瘤，慢性肝病Lip-脂质：波峰位于0.8~1.33ppm之间，脂质、谷氨酰胺和肌醇只有在短TE才能检出Lip增高，提示髓鞘的坏死和／或中断。见于恶性肿瘤，炎症，急性中风TE=35ms（1）分析MRS时注意点注意病灶区与对侧非病变区对称采集，便于对比两次采集必须采用同样的技术和方案，保持可比性假阴性：由于部分容积效应，体积较小的病灶可能表现为正常减少假阴性的措施：缩小体素，提高分辨率；增加采集次数，提高信噪比（2）分析MRS时注意点比例因素（病理掩盖）：当一种代谢物占优势时，其他代谢物由于比例的原因，显示为很小的波峰，这并不意味着其他代谢物浓度低，而是由于某种代谢物的病理性增加对比剂的影响：对比剂的注射不影响整个波谱的解释，但可能会影响个别峰的面积（3）正常情况下不同区域代谢物的变化１NAA:海马＜皮质及皮质下，小脑＜其他２Cr:灰质＞白质（２０％左右）3Cho：白质＞灰质，在桥脑浓度＞其他部位４基底节区：NAA/Cr和mI/Cr比率较低，Cho/Cr比率较高（4）不同年龄代谢物的变化新生儿：NAA及NAA/Cr比率逐渐增加，提示出生后神经元逐渐成熟＜8月：Cho和mI水平明显升高8月至2岁：波谱逐渐趋于正常化2岁后与成人基本一致老年人：NAA及NAA/Cr比率减低，提示神经元数目减少或生存能力减低。Cho和Cho/Cr比率升