MRS在中樞神經(jīng)系統(tǒng)基本應(yīng)用

1、MRS在中樞神經(jīng)系統(tǒng)基本應(yīng)用PurcellBloch各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象，為分子結(jié)各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象，為分子結(jié)構(gòu)的研究提供了一種全新的手段，也因此獲得構(gòu)的研究提供了一種全新的手段，也因此獲得1952年諾貝年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1971年年Damadian發(fā)現(xiàn)腫瘤組織的發(fā)現(xiàn)腫瘤組織的T1和和T2值比正常組織長(zhǎng)。值比正常組織長(zhǎng)。1973年年Lauterbur得到了兩個(gè)充水試管的核磁共振圖像，并在得到了兩個(gè)充水試管的核磁共振圖像，并在1974年得到活鼠的核磁共振圖像。年得到活鼠的核磁共振圖像。1978年年Mallard、Hutchison及及Lauterbur利用利用0.0

2、40.085 Tesla的磁共振裝備取得了第一幅人體頭、胸和腹部圖像。的磁共振裝備取得了第一幅人體頭、胸和腹部圖像。磁共振成像的發(fā)展磁共振成像的發(fā)展生物組織中含有生物組織中含有1H、13C、19F、23Na、31P等元素，等元素，有磁性的元素有百余種。有磁性的元素有百余種。在現(xiàn)今，研究和使用的最多的是在現(xiàn)今，研究和使用的最多的是1H。1H是磁化最高的原子核，可以得到較強(qiáng)的信號(hào)（即是磁化最高的原子核，可以得到較強(qiáng)的信號(hào)（即SNR高）；高）；1H占活體組織中原子數(shù)的占活體組織中原子數(shù)的2/3，數(shù)量豐富。，數(shù)量豐富。MRI時(shí)，均指的是時(shí)，均指的是1H原子核。原子核。MRS應(yīng)用時(shí)，除應(yīng)用時(shí)，除1H外，

3、還用到其它一些元素，如：外，還用到其它一些元素，如：31P可用于判定磷代謝產(chǎn)物的濃度，并可根據(jù)無(wú)機(jī)磷波譜可用于判定磷代謝產(chǎn)物的濃度，并可根據(jù)無(wú)機(jī)磷波譜的位置，測(cè)定的位置，測(cè)定pH值；值；13C可用于幫助診斷酶缺乏性疾病；可用于幫助診斷酶缺乏性疾?。淮殴舱癯上竦脑泶殴舱癯上竦脑鞰RI & & MRS比較比較在本質(zhì)上，在本質(zhì)上，MRS與與MRI相同，其物理原理是相同相同，其物理原理是相同的；不同的是，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示方式的差別；的；不同的是，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示方式的差別；MRI掃描后，一定時(shí)域內(nèi)獲得的信號(hào)被用于產(chǎn)生掃描后，一定時(shí)域內(nèi)獲得的信號(hào)被用于產(chǎn)生一個(gè)影像，如矢狀、橫軸和

4、冠狀等；一個(gè)影像，如矢狀、橫軸和冠狀等；MRS掃描后，一定時(shí)域內(nèi)獲得的信號(hào)通過(guò)快速傅立掃描后，一定時(shí)域內(nèi)獲得的信號(hào)通過(guò)快速傅立葉轉(zhuǎn)換（葉轉(zhuǎn)換（Fourier Transform）產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子成分產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子成分按頻率分布的波譜圖，而此波譜圖顯示了構(gòu)成該圖按頻率分布的波譜圖，而此波譜圖顯示了構(gòu)成該圖像的各組成成分。像的各組成成分。MRI獲得的信號(hào)是由不同體素內(nèi)氫核發(fā)射的已經(jīng)在不同的空間方向進(jìn)行頻率和相位編碼的信號(hào)。MRS能以質(zhì)和量的方式獲取氫原子核化學(xué)環(huán)境的信息，揭示某部分的質(zhì)子組成成分。MRI & & MRS比較比較絕大多數(shù)原子核都具有圍繞自身軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特性，稱(chēng)之為自旋特

5、性。原子核是帶電粒子，在做自旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生一個(gè)微小的磁場(chǎng)，像小磁針一樣，具有南北兩極，其矢量大小用自旋磁矩表示。MRI 的物理基礎(chǔ)的物理基礎(chǔ)原子核在外加磁場(chǎng)中自旋的同時(shí)，還以一定的角度圍繞外加磁場(chǎng)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為進(jìn)動(dòng)（precession)。進(jìn)動(dòng)頻率亦稱(chēng)角頻率（ ），取決于外加磁場(chǎng)強(qiáng)度（B）和原子核的旋磁比（ ）： = B。上述方程式稱(chēng)為拉莫方程（Larmor Equation），其角頻率又稱(chēng)為拉莫頻率。旋磁比（）是原子核的固有特性，僅與原子核的種類(lèi)有關(guān)。MRI 的物理基礎(chǔ)的物理基礎(chǔ)外加射頻脈沖（Radio Frequency，RF）頻率與原子核拉莫頻率相同時(shí)，原子核就

6、會(huì)吸收射頻脈沖的能量，從低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變到高能量狀態(tài)，產(chǎn)生磁共振現(xiàn)象。對(duì)于某種給定的原子核，如氫核，激發(fā)所需要的射頻脈沖的頻率與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，如1.5 Tesla場(chǎng)強(qiáng)下RF頻率為63.86MHz，3.0 Tesla場(chǎng)強(qiáng)下則為137.72MHz。MRI 的物理基礎(chǔ)的物理基礎(chǔ)對(duì)于具有相同原子序數(shù)的原子核，即同種元素對(duì)于具有相同原子序數(shù)的原子核，即同種元素的同位素，如氫原子核的三種同位素（氕，氘的同位素，如氫原子核的三種同位素（氕，氘和氚），即使它們是在理想均勻的磁場(chǎng)中，進(jìn)和氚），即使它們是在理想均勻的磁場(chǎng)中，進(jìn)行精確地測(cè)量，其共振頻率也不完全相同，而行精確地測(cè)量，其共振頻率也不完全相同，而是在一個(gè)

7、較窄的頻率范圍內(nèi)。是在一個(gè)較窄的頻率范圍內(nèi)。這種差異是由于原子核處于不同的化合物中，這種差異是由于原子核處于不同的化合物中，受到原子核周?chē)碾娮佑绊懰?。受到原子核周?chē)碾娮佑绊懰?。MRS 的物理基礎(chǔ)的物理基礎(chǔ)帶負(fù)電荷的電子具有與原子核相似的自旋特性，在原子核周?chē)纬删哂衅帘巫饔玫拇艌?chǎng)，這一磁場(chǎng)稱(chēng)為電子云。電子云的作用使得外加磁場(chǎng)對(duì)原子核的作用減弱。這種磁屏蔽作用的大小用屏蔽系數(shù)（）表示，被磁屏蔽作用消弱掉的磁場(chǎng)強(qiáng)度為B。這部分磁場(chǎng)（ B ）與外加磁場(chǎng)方向相反，強(qiáng)度與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度（B）成正比。MRS 的物理基礎(chǔ)的物理基礎(chǔ)屏蔽系數(shù)與原子核的特性（或者說(shuō)種類(lèi)）以及原子核所在的化學(xué)環(huán)境有關(guān)?；瘜W(xué)環(huán)

8、境指的是，原子核所在的分子結(jié)構(gòu)。同一種原子核處在不同的分子結(jié)構(gòu)中，甚至同一個(gè)分子結(jié)構(gòu)的不同位置或者不同的基團(tuán)中，其周?chē)碾娮訑?shù)和電子分布都將有所不同，因而受到的磁屏蔽作用也不同。MRS 的物理基礎(chǔ)的物理基礎(chǔ)所以，考慮到電子的磁屏蔽作用，拉莫方程應(yīng)修正為： = （1- ）B。上式表示，處于化合物中的同一種原子核，由于所受磁屏蔽作用的程度不同（即 的大小不同），將具有不同的共振頻率，這就是所謂的化學(xué)位移現(xiàn)象（Chemical Shift Phenomenon），也是磁共振波譜成像的基礎(chǔ)。MRS 的物理基礎(chǔ)的物理基礎(chǔ)化學(xué)位移（chemical shift）用于表示化合物中各組成成分的原子核共振的波峰

9、位置。實(shí)際應(yīng)用中，此頻率數(shù)值并非用其絕對(duì)值（Hz，赫茲）表示，而是用一個(gè)相對(duì)值ppm表示?；瘜W(xué)位移的表示方法化學(xué)位移的表示方法=（ f - fr ）/ f106 ppm其中，表示化學(xué)位移， f表示被測(cè)原子核的共振頻率， fr表示中心拉莫頻率, ppm表示百萬(wàn)分之一。上式可反映不同化學(xué)環(huán)境屏蔽系數(shù)的差別。 是一個(gè)相對(duì)值，與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小無(wú)關(guān)，是非磁場(chǎng)依賴性的?；瘜W(xué)位移的表示方法化學(xué)位移的表示方法對(duì)于指定的MRI/MRS一體化掃描機(jī)器，其磁場(chǎng)強(qiáng)度是一定的。利用頻率連續(xù)的RF脈沖激勵(lì)選定區(qū)域的組織，處于不同化學(xué)環(huán)境的同類(lèi)原子核會(huì)以不同的頻率發(fā)生共振。在RF脈沖停止激勵(lì)后，組織弛豫過(guò)程所產(chǎn)生信號(hào)的

10、頻率也是連續(xù)的。磁共振波譜圖磁共振波譜圖將接收線圈接收到的磁共振信號(hào)通過(guò)傅立葉轉(zhuǎn)換，描繪成直角坐標(biāo)中按頻率分布按頻率分布的函數(shù)曲線的函數(shù)曲線，就得到磁共振波譜圖。其中，縱坐標(biāo)表示信號(hào)強(qiáng)度信號(hào)強(qiáng)度，橫坐標(biāo)表示共振共振頻率頻率。磁共振波譜圖磁共振波譜圖MRS測(cè)定的含1H基團(tuán)1H MRS可測(cè)定的活體組織代謝物分子基團(tuán)：甲基（CH3-）：位于脂肪酸末端、乳酸、NAA、N-乙酰糖蛋白和膽堿；次甲基（-CH2-）：位于脂肪酸、谷氨酸、-氨基丁酸、肌酸和丙三醇羥基等；乙醇基（H-C-OH）：多位于糖中，如葡萄糖、肌醇；乙烯基或烴：位于飽和脂肪酸。1H MRS測(cè)定的代謝物及其臨床含義N-乙?；扉T(mén)冬氨酸（NA

11、A）正常腦組織1H MRSppm；與蛋白質(zhì)和脂肪合成，維持細(xì)胞內(nèi)陽(yáng)離子濃度以及鉀、鈉、鈣等陽(yáng)離子通過(guò)細(xì)胞和維持神經(jīng)膜的興奮性有關(guān)；僅存在于神經(jīng)元內(nèi)，而不會(huì)出現(xiàn)于膠質(zhì)細(xì)胞，是神經(jīng)元密度和生存的標(biāo)志；含量多少反映神經(jīng)元的功能狀況，降低的程度反映了其受損的大小。1H MRS測(cè)定的代謝物及其臨床含義肌酸（Cr）正常腦組織1H MRS中的第二大峰，位于3.03ppm附近，有時(shí)在3.94ppm 處可見(jiàn)其附加峰（PCr）；此峰由肌酸、磷酸肌酸、-氨基丁酸、賴氨酸和谷胱甘肽共同組成；此代謝物是腦細(xì)胞能量依賴系統(tǒng)的標(biāo)志；能量代謝的提示物，在低代謝狀態(tài)下增加，而在高代謝狀態(tài)下減低；峰值一般較穩(wěn)定，常作為其它代謝物

12、信號(hào)強(qiáng)度的參照物。1H MRS測(cè)定的代謝物及其臨床含義膽堿（Cho）位于3. 2 ppm附近；由磷酸膽堿、磷酸甘油膽堿、磷脂酰膽堿組成，反映腦內(nèi)的總膽堿量；細(xì)胞膜磷脂代謝的成分之一，參與細(xì)胞膜的合成和蛻變，從而反映細(xì)胞膜的更新；Cho峰是評(píng)價(jià)腦腫瘤的重要共振峰之一，腫瘤快速的細(xì)胞分裂導(dǎo)致細(xì)胞膜轉(zhuǎn)換和細(xì)胞增殖加快，從而使Cho峰增高；Cho峰在幾乎所有的原發(fā)和繼發(fā)性腦腫瘤中都升高；惡性程度高的腫瘤中，Cho/Cr比值顯示增高。1H MRS測(cè)定的代謝物及其臨床含義乳酸（Lac）位于1.32ppm，由兩個(gè)共振峰組成，稱(chēng)為雙重線；正常情況下，細(xì)胞代謝以有氧代謝為主，檢測(cè)不到Lac峰，或只檢測(cè)到微量；此

13、峰出現(xiàn)說(shuō)明細(xì)胞內(nèi)有氧呼吸被抑制，糖酵解過(guò)程加強(qiáng)；腦腫瘤中，Lac出現(xiàn)提示惡性程度較高，常見(jiàn)于多形膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中；Lac也可以積聚于無(wú)代謝的囊腫和壞死區(qū)內(nèi)；脂質(zhì)（Lip）位于1.3、0.9、1.5和6.0 ppm處，分布代表甲基、亞甲基、等位基和不飽和脂肪酸的乙烯基；共振頻率與Lac相似，可以遮蔽Lac峰；此峰多見(jiàn)于壞死腦腫瘤中，其出現(xiàn)提示壞死的存在；1H MRS測(cè)定的代謝物及其臨床含義肌醇（mI）位于3.56 ppm，可以用STEAM技術(shù)顯示；此代謝物被認(rèn)為是激素敏感性神經(jīng)受體的代謝物，可能是葡萄糖醛酸的前體；mI含量的升高與病灶內(nèi)（尤其是慢性病灶內(nèi)）的膠質(zhì)增生有關(guān)；有研究認(rèn)為，在低高級(jí)星形細(xì)

14、胞瘤中，此峰隨著腫瘤惡性程度的增加而增高；1H MRS測(cè)定的代謝物及其臨床含義丙氨酸（Ala）位于1.3-1.44 ppm，常被Lac和Lip峰所遮蓋，其功能尚不肯定；谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺（Gln）位于2.1-2.5 ppm；Glu是一種興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，在線粒體代謝中具有重要功能；Gln參與神經(jīng)遞質(zhì)的滅活和調(diào)節(jié)活動(dòng)；1H MRS測(cè)定的代謝物及其臨床含義腦腫瘤膠質(zhì)瘤表現(xiàn)為NAA峰下降、Cho峰升高，Cr峰稍有變化。Cho峰的升高與腫瘤的惡性相關(guān)；Cr峰隨腫瘤惡性程度的升高有降低趨勢(shì)；Lip峰出現(xiàn)于大多數(shù)高級(jí)別的腫瘤中，特別是腫瘤壞死區(qū)或鄰近壞死區(qū)；Lac峰多見(jiàn)于多形膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中，低級(jí)星形

15、細(xì)胞瘤中出現(xiàn)此峰則預(yù)示腫瘤進(jìn)一步惡變的可能；顱內(nèi)常見(jiàn)臨床疾病的1H MRS表現(xiàn)腦梗死31P波譜可見(jiàn)PCr和ATP下降，Pi升高， PCr/ Pi下降出現(xiàn)于ATP之前；1H波譜可見(jiàn)NAA下降，Lac增加，Cho和Cr下降；顱內(nèi)常見(jiàn)臨床疾病的1H MRS表現(xiàn)感染性病變NAA、Cho、Cr明顯下降；Lac、Lip增加，有時(shí)見(jiàn)aa增加；顱內(nèi)常見(jiàn)臨床疾病的1H MRS表現(xiàn)顱內(nèi)常見(jiàn)臨床疾病的1H MRS表現(xiàn)脫髓鞘性病變急性強(qiáng)化病灶Cho含量升高，NAA含量相對(duì)正常；mI含量常升高；慢性非強(qiáng)化病灶NAA，Cho含量均下降，程度不一；mI含量升高，尤其是在慢性繼發(fā)型MS；顱內(nèi)常見(jiàn)臨床疾病的1H MRS表現(xiàn)腦代謝性疾病非酮性高甘氨酸血癥，腦MRS可見(jiàn)多余甘氨酸信號(hào);線粒體疾病，MRS表現(xiàn)為信號(hào)減低和異常乳酸信號(hào)(氧化磷酸化障礙而致乳酸堆積);氏病人可見(jiàn)特異性信號(hào)升高。顱內(nèi)常見(jiàn)臨床疾病的1H MRS表現(xiàn)癲癇濃度與額葉、顳葉癲癇發(fā)作頻率呈負(fù)相關(guān)；隨著發(fā)作頻率的增加,呈逐漸下降的趨勢(shì),研究表明癲癇發(fā)作越頻繁神經(jīng)元喪失或功能缺失越嚴(yán)重。肌酸()和膽堿()峰值升高；與(+)的比值降低提示海馬硬化；1 還可用于測(cè)定與癲癇活動(dòng)有關(guān)的神經(jīng)遞質(zhì): 氨基丁酸()、谷氨酸()和谷胺酰鹽()。顱內(nèi)常見(jiàn)病變的代謝物特征疾病 NAA Cr Cho Lac Lip aa腫瘤 - - -膿腫 梗死 - - -MS - - -癲癇