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1、磁共振脑功能成像解放军总医院 张爱莲影像医学的发展前景l更敏感，更特异，更无创l放射学-医学影像学l放射诊断-诊断治疗学l形态解剖-功能、代谢医学磁共振技术的应用lMRI：研究人体组织器官大体形态病理生理改变lMRS：研究人体能量代谢及生化改变lfMRI：磁共振脑功能成像脑功能成像u测量脑内化合物u测量脑局部代谢和血氧变化技术u测量脑内神经元活动的技术脑功能成像u测量脑内化合物u测量脑局部代谢和血氧变化技术u测量脑内神经元活动的技术测量脑内化合物u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。u单光子发射计算机断层显像技术（SPECT）u正电子发射断层成像技术（PET）
2、u磁共振波谱分析（MRS）脑功能成像 u测量脑内化合物u测量脑局部代谢和血氧变化技术u测量脑内神经元活动的技术测量脑代谢和血氧变化u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uPETu光学成像技术u功能磁共振成像（fMRI）u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 u测量脑内化合物u测量脑局部代谢和血氧变化u测量脑内神经元活动测量脑内神经元活动u脑电图（EEG）u脑磁图（MEG）u事件相关电位（ERP）磁共振功能成像u磁共振波谱（MRS）u扩散加权成像（扩散张量成像，DTI）u灌注成像：u外源性灌注成像（PWI）u内
3、源性，血氧水平依赖法（BOLD）磁共振波谱磁共振波谱(MRS)技术及技术及临临床应用床应用 MRS技术概述技术概述uMagnetic Resonance Spectroscopy，MRSu研究人体能量代谢的病理生理改变u研究范围：中枢神经系统，体部如前列腺肝脏，乳腺等u不同波谱：1H、31P、13C、19F、23Nau 31P-MRS最早应用u1H-MRS应用最广泛MRS对硬件的要求 与MRI相同u磁体uRF线圈uRF放大器uRF发射器u接收器和计算器MRS对硬件的要求 与MRI不同u高场强，1.0T以上u高均匀度，B0的不均匀性必须小于1.0ppmu不需要梯度线圈，但需要一些空间定位的辅助装
4、置u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技术及技术及基本原理u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 u振幅与频率的函数即MRSMRS技术及技术及基本原理u利用原子核化学位移和原子核自旋耦合裂分现象u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u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技术及技术及基本原理uMRS表示方法u在横轴代表化学位移（频率差别）
5、，单位百万分子一（ppm）u 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MRSu选择成像序列：激励回波法 STEAM、点分辨波谱法 PRESS等u选择检查方法：单体素和多体素u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l激励回波法 (the Stimulated Echo Acquisition Method,STEAM)n点分辨波谱法 (the Point Resolved Spectroscopy PRESS)n深部分辨波谱法（DRESS）n空间分辨波谱法（SPARS）M
6、RS序列选择l激励回波法：连续使用三个90射频脉冲产生激励回波：900900900l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 l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n点分辨波谱法：用1个90和2个180脉冲产生自旋回波：90018001800n优点：信噪比高，是激励回波法的2倍，可以选择长、短TE（144ms or 35ms），对T2弛豫敏感，对运动不太敏感n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（Single voxel，SV）MRS多体素氢质子（proton mu
7、lti-voxel spectroscopy imaging，PMVSI）MRSSV氢质子MRS特点u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u采集时间短，一般35分钟MV氢质子MRSIn2D PROBE-SIn3D Focal PROBE-SInFull coverage MRSI和UltroPROBE-SIMV氢质子脑MRSI的特点u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。u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u采集时间比较长。单体素与多体素的比较 单体素容易实现
8、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 成像参数的选择 兴趣区的选择 预扫描：体素匀场、水抑制 传导和接收增益，调整中央频率 资料采集 资料后处理，显示和储存 如何获得好的MRSu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u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）u成像参数 TR 1500ms TE 35ms或144ms Voxel size 1520mm NEX 8 Scan time 340“参
9、数选择对MRS的影响SNRCho/crNaa/crScan timesensitivity采集次数增加_体素大小_TR延长TE延长_不同不同TE对波谱的影响（对波谱的影响（PRESS）TE=35msTE=144ms不同不同TE对波谱的影响（对波谱的影响（PRESS）u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。u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u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
10、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1520mmu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u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u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u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uMRS 的信噪比决定谱线的质量uMRS 的信噪比：最大代谢物的峰高除
11、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n磁场均匀性n兴趣区定位n采集平均次数n体素大小nTR、TE时间n组织内原子核的自然浓度和敏感性n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u患者不能配合u匀场不成功u病灶存在大量的坏死、血液成分、钙化和黑
12、色素u手术金属夹产生磁化率伪影u甘露醇治疗后会在3.8ppm出现波峰u类固醇类药物治疗后影响代谢物的水平MRS面临的挑战 l特定技术抑制水波谱：与水相比，脑内代谢物的含量非常低l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l定量分析困难：尤其是绝对定量MRS临床应用u脑部u体部：前列腺、肝脏、乳腺等MRS在脑部临床应用技术u点分辨波谱法 PRESSu选用SV或 MVu选择成像参数u兴趣区的选择定位u自动预扫描：匀场、水抑制u数据采集后处理和分析序列及扫描参数uSV,pressuTR 1500
13、 msuTE 144/35 msuFOV 24 cmuVoxel size 20 mmuNEX 8uScan time 3 minu自动预扫描后获得的参数：u线宽（Ln）小于10Hzu水抑制大于95%1H MRS在颅脑疾病的应用在颅脑疾病的应用u肿瘤与非肿瘤u肿瘤的类型u观察肿瘤的治疗效果和复发u肿瘤与水肿u非肿瘤：感染，梗塞、出血、癫痫等u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/Ins3.6ChoNA
14、ACrmI人脑代谢物测定的意义 uN-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。uNAA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uNAA升高少见，Cavana病，发育中的儿童，轴索恢复时可升高。ChoCrNAA正常正常异常异常l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。lCho升高：脑肿瘤，急性脱髓鞘疾病lCho降低：中风，肝性脑病ChoNAACrl肌酸(Cr/Pcr):包括
15、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。lCr/Pcr升高：创伤，高渗状态lCr/Pcr降低：缺氧，中风CrChoNAAl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。l出现乳酸峰：见于脑肿瘤、脓肿、囊肿、梗塞及炎症TE=35TE=144l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lmI 升高，提示胶质增生及髓鞘化不良：新生
16、儿，低级别的胶质瘤lmI降低：恶性肿瘤，慢性肝病uLip-脂质：波峰位于0.81.33ppm之间，脂质、谷氨酰胺和肌醇只有在短TE才能检出uLip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
17、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 NAA:海马皮质及皮质下，小脑其他 Cr:灰质白质（左右）3 Cho：白质灰质，在桥脑浓度其他部位 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u 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u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比率升高，提示细胞
18、膜退变加剧和胶质细胞数目增加MRS鉴别肿瘤与非肿瘤 波谱技术uTE=144ms，容易反映Cho水平的增长，即肿瘤病灶中主要代谢物uTE=35ms，能检出mI，有助于肿瘤分级u静脉注射对比剂前后，均可进行质子波谱成像，但进行随访时应与前一次一致MRS鉴别肿瘤与非肿瘤 肿瘤的波谱形式：NAA 及NAA/Cr比率降低，提示神经元数目和生存能力降低Cr降低，是由于肿瘤能量代谢的需要Cho、Cho/NAA 和Cho/Cr比率增加，与细胞膜转换率和细胞的稠密度有关，是源于肿瘤细胞的增殖Lac出现：与成人脑肿瘤的分级直接相关，肿瘤级别越高峰值越高；见于所有儿童脑肿瘤中MRS鉴别肿瘤与非肿瘤Lip的出现强烈提
19、示组织坏死，见于肿瘤、炎症、急性脱髓鞘病变mI/Cr便于肿瘤分级，低度恶性肿瘤高度恶性肿瘤；mI/Cr比率明显增高，提示为非肿瘤性病变Glx高于NAA峰1/3时即认为Glx增高，见于脑膜瘤，明显增高提示非肿瘤性病变：感染，梗死，肝性脑病等MRS鉴别肿瘤与非肿瘤 注意点u不能完全依赖于波谱，要结合MRI图像和灌注结果u假阴性结果：见于肿瘤明显坏死、低度恶性、非常小的病变u假阳性结果：见于炎性假瘤、机化的血肿、病毒性脑炎等胶质瘤Cho增加，NAA降低Cho增加Cho增加脑脓肿Lac增高磁共振波谱磁共振波谱(MRS)技术在体技术在体部的部的应用应用MRS在前列腺肿瘤中的应用u超声、CT、MRI诊断前
20、列腺癌，敏感性特异性都不高uMRS使前列腺癌的诊断重现生机，MRI与3D-MRS相结合评价前列腺癌u敏感性95%，特异性91%的，是最为理想的检出前列腺癌的方法。摘自（Radiology,1999,213:473-480）MRS在前列腺肿瘤中的应用u前列腺癌在MRS上表现为较高的Cho峰，同时特异性的枸橼酸盐（Citrate）峰明显减低，对前列腺癌的诊断特异性较高。uMRS技术：选择序列参数、定位、饱和带、匀场u常规自动预扫描自动匀场和水脂抑制，要求线宽小于15Hz，方可进行MRS数据采集。u数据后处理分析正常前列腺的正常前列腺的MRS图像来自北京大学第一医院Cho3.2Cre3.0Cit2.
21、6-2.7正常前列腺正常前列腺MRS谱线表现谱线表现cit高于高于cho+cr胆碱+肌酸枸橼酸盐图像来自北京大学第一医院前列腺癌前列腺癌1H MRSI表现表现Cho+cr增高，增高，cit降低降低PCaCC/C0.53CC/C2.22枸橼酸盐枸橼酸盐胆碱+肌酸图像来自北京大学第一医院MRS在肝脏病变中的应用uMRS在肝部的应用较少u动物实验、初级临床应用阶段u肝脏MRS受呼吸运动的影响较大u采集技术上的困难，限制其应用u肝脏富含液体，强大水信号以及肝脏周围脂肪信号的影响，波谱采集受到干扰MRS在肝脏病变中的应用 病人肝脏标本MRS显示识别正常肝组织与肝癌的准确率达100%区分正常肝组织与肝硬化组织的准确率为92%区分肝硬化与肝癌的准确率为98%。1H MRS研究强烈提示肝细胞癌Cho明显高于自体正常肝组织 摘自（Pathology,2002,34:417-422）肝脏MRS扫描技术u应用单体素，准确定位，避开血管、胆管、脂肪组织，减少污染，体素大小25X25mmu兴趣区周围加饱和带，减少周围组织干扰u采用多次分段屏气法，呼吸训练，保持每次屏气一致，消除呼吸运动伪影u常规自动预扫描严格匀场：线宽小于20Hz，水抑制大于95%，方可进行MRS数据采集u数据后处理分析例1 M 33Y 肝癌ChoCho例2 M 56Y 肝癌，肿瘤不同部位Cho例3 F 41Y 乳癌肝转移肝癌谢谢 谢谢