2D CSI 1H-MRS在脑部的应用

作者：邝 菲    作者单位：361002 福建省厦门鼓浪屿疗养院影像科

【关键词】  磁共振波谱分析

    常规MRI已经成为临床诊断脑部病变及评价治疗后反应的主要手段之一，但它只能提供形态学的信息，磁共振波谱（MRS）与MRI的基本原理一致，却能无创提供脑部病变的内在代谢信息，因此两者联合使用能大大提高诊断病变的准确率。在过去的十几年里，波谱的数据获取、定位、定量、及数据分析等技术已经取得了很大进展[1]。2D CSI作为MRS的多体素空间定位技术已逐步在临床中广泛应用。本文旨在对2D CSI 1H-MRS的基本技术特点以及几种常见脑部病变做一综述。

    一、 2D CSI 1H-MRS的基本技术特点

    1. 原理

    磁共振波谱分析（MRS）是一种用磁共振成像（MRI）设备，获得活体内有关生物化学物质的核磁共振波谱信息的方法，MRI采集的主要是水和脂肪的1H、31P等原子核的MR信号，而MRS则主要采集人体内除水外的其他化合物原子核1H、31P等的MR信号。1H-MRS是利用核磁共振现象和化学位移对进行H原子核进行化合物定量分析的方法[2]。

    2. 2D CSI 1H-MRS空间定位技术

    空间定位技术即是将检查的范围局限在一定容量的感兴趣区内(VOI)。目前临床应用较为广泛的在体MRS定位技术分为单体素和多体素。其中点分解波谱分析法 (point resolved spectroscopy，PRESS)和激励回波探测法(stimulated-echo acquisition mode，STEAM)是两种最常用的单体素（SVS）序列；化学位移成像（chemical shift imaging,CSI）或磁共振波谱分析成像(magnetic resonance spectroscopic imaging，MRSI)为最常用的多体素序列，可分为2D CSI或2D MRSI和3D MRSI（包括3D 相位编码CSI或多节段CSI）[3]。

    2D CSI 1H-MRS：在层次选择磁场激发后，采用双方向的梯度磁场对此脑断层内不同位置的H质子作相位编码，使其具有位置信息，即形成所谓2D CSI 1H-MRS。它可根据不同化学位移成份制成灰阶图。

    3D CSI 1H-MRS：即是在2D CSI 1H-MRS增加层次选择激发区的厚度以及梯度磁场对层次选择方向中的H质子进行相位编码。

    2D CSI 1H-MRS与3D CSI 1H-MRS的共同点在于都是多体素成像序列，均要求较均匀的磁场。他们一次扫描可同时获得多个感兴趣区，便于比较正常组织和病变组织，相对于单体素序列一次只能采集一个感兴趣区而言多体素对于MRI还未确定的肿瘤延伸的区域拥有更为明显的优势。不同点在于3D CSI 1H-MRS较2D CSI 1H-MRS对于场强均匀性的要求更高，匀场的时间更长，且定位要求更精确，扫描的时间相对更长，但可以获得更多的代谢信息[4,5]。

    3.  2D CSI 1H-MRS的影响因素

    ⑴  匀场

    2D CSI 1H-MRS对于磁场的均匀性要求很高，故在进行MRS检查前需要对感兴趣区做匀场。一般可用机器自动匀场和手动匀场。通常以水共振峰的半高线宽(full width at half maximum，FWHM)表示磁场均匀性，一般要求磁场的均匀性<0.1ppm，或<10HZ。

    ⑵  抑水

    通常水信号的浓度是感兴趣区其它代谢产物浓度的10000倍或是更多，来自水的信号强

    度就将掩盖与之相邻近的化合物。因此水峰抑制是获得良好谱型的必须一步，最常用的方法。

    是化学位移选择性激励法(chemical shift selective excitation,CHESS)。 ⑶  体素位置和大小 脂肪、脑脊液、骨组织、大血管及颅内含气的窦道对CSI影响很大，因此CSI体素设置应该尽量避免这些组织，目前一系列的方法正在开发，如外部容积抑制法（outer volume suppress,OVS）可以不一定通过感兴趣区设置来避免头皮脂肪信号的污染，外部加用饱和带也可以抑制感兴趣区以外组织的污染。体素的大小可以根病灶的大小进行调节，但减少体素体积会引起信噪比的下降，图象质量的下降，而要提高信噪比就必须增加扫描次数，扫描的时间将明显增加[6]。

    ⑷  TE与TR的参数

    长的TR时间允许更多纵向弛豫,因此使更多磁化分量恢复到平衡位置,如果TR 时间刚好取T1 时间,那么每次激励后的信号更强。实践证实,在H波谱测定中,TR 取1.5s比较合适。TE时间的调节可以对于谱形的改变明显，一般可分为长TE（135~270ms）和短TE(10~30ms)，长TE时可以重点获得T2较长的物质，短TE时可以重点获得T2较短的物质[5]。

    ⑸  异物的影响

    金属异物会对磁场的均匀性造成很大的影响，从而造成假象谱线。

    ⑹  病人移动的影响

    如果在检查过程中病人的轻微移动,极易造成波谱的不真实性，因此要在扫描的过程中尽量让病人保持不动。

    二、脑部疾病几种主要代谢产物的测定及其意义

    在活体组织内有大量的代谢产物，但我们目前能探测到的仅限于那些高浓度的代谢物，大概有10~20种，在脑波谱中几种主要的代谢产物有N -乙酰天门氡氨酸（NAA），胆碱（Cho）,肌酸(Cr)，肌醇(MI)，乳酸(Lac)，脂质峰(Lip)，丙氨酸（Ala），琥珀酸 (Suc)，乙酸(Ace)，甘氨酸(Gly)，谷氨酸(Glx)及氨基酸(AA)[1,5]。

    1.  Cho（Choline）

    Cho总化合物（tCho），单一峰常出现在3.21PPM处，它由许多成分组成的，包括胆碱、磷酸胆碱及磷酸甘油胆碱）。tCho是细胞膜磷脂代谢的重要产物，它能代谢产生乙酰胆碱和卵磷脂，因此它目前被普遍认为是细胞膜的合成和细胞分裂的标志物,成为人脑中很常用的肿瘤标志物[1,6,7]。

    2 .  N -乙酰天门氡氨酸（N-acetyl aspartate ，NAA）

    NAA在正常人脑MRS中是最高峰，通常位于2.02ppm处。一般认为NAA是神经元及轴突的标志物。NAA的含量多少反映出了神经元的数量和功能状态，但NAA的水平具有敏感性却没有疾病特异性。

    3 .  tCr （Creatine /phosphocreatine）肌酸

    tCr峰值位于3.02ppm处，另一峰位于3.94ppm处，它代表了肌酸（Creatine）及磷酸肌酸（Phosphocreatine）的总含量，tCr是高能磷酸化合物的储备以及ATP和ADP的缓冲剂，tCr的下降常常提示神经胶质细胞的能量不足，也表示神经元的能量供应不足。tCr可以作为细胞完整性的可靠标志[1]。

    4 .  乳酸（Lactate,Lac）

    乳酸峰出现在1.33ppm处，乳酸在短TE时为正立双峰，在长TE时为倒置双峰，在长TE时观测最为清晰。乳酸峰在正常人脑波谱中一般测不到，在氧供的下降、糖酵解的加速、线粒体功能紊乱、炎症、发酵等许多状态下会引起乳酸峰的升高，

    5 .  脂质峰（Lipids,Lip）

    Lip出现在1.3和0.9ppm处,在短TE时更易于观测。Lip的出现是细胞膜结构的破坏导致的脂肪游离。大部分学者认为Lip的出现与组织的恶性程度有关并与肿瘤的预后有相关性。

    6 .  肌醇（Myo-inositol，MI）

    肌醇峰位于3.56ppm处，由于T2驰豫时间较短，因此在短TE时易于测到。MI是神经胶质细胞标志物。

    7 .  丙氨酸（Alanine，Ala）

    Ala共振峰位于1.47ppm处，它的变化与乳酸相似，根据TE的长短显示为正立或倒置的双峰，有时与乳酸峰很难鉴别，Ala在正常人脑一般探测不到。目前一般认为Ala峰主要在脑膜瘤和脑脓肿内出现。

    8 .  Glx（Glutamate/Glutamine，Glu/Gln,，谷氨酸/谷氨酸盐）

    谷氨酸和谷氨酸盐这两种代谢产物相邻很近，通常由谷氨酸复合物（Glx）表示。其波峰位于2.1~2.5ppm处。在1.5TMRI下短TE的使用可以获得Glx，但定量较难。谷氨酸是一种兴奋性神经递质，参与脑内氨的解毒。也常常被认为是脑膜瘤的标志[8]。

    9 .  Succinate(Suc，琥珀酸盐)。

    Suc的共振峰位于2.4ppm处。Suc是厌氧菌感染的标志物。 Suc常常和Ace、Lac、Ala、Lip、AA一起在化脓性脑脓肿中出现，并可能在脑囊虫病中出现[1,9]。

    10 .  Ace（Acetate，乙酸盐）

    乙酸在1.9ppm处出现共振峰，正好出现在NAA的上方领域，要鉴别出Ace峰，化学位移值必须要精确。Ace在正常人脑中不出现，它常常是作为脑脓肿的特殊标志物[1,9]。

    11 . AA（Amino Acids，氨基酸）

    正常脑组织是探测不到AA峰的，2D CSI 1H-MRS能在化脓性脑脓肿病灶区内0.9ppm处探测到一宽大的共振波段，它们是由3种氨基酸（缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸）组成，一般很难分解。它的谱形与Lac和Ala一样也是随TE而改变并当TE为136ms时呈倒置波型[9,10]。

    三 、 脑部常见疾病的2D CSI 1H-MRS的表现

    1. 脑肿瘤

    ⑴  分类

    胶质瘤为脑内最常见的肿瘤，与正常脑组织相比，典型的MRS表现为Cho、 Cho/Cr的明显升高，NAA、NAA/Cr、NAA/Cho及Cr的明显下降，短TE时MI升高明显；其中高级胶质瘤可出现坏死，坏死区内可表现为以上各值的下降并出现高耸的Lip峰和Lac峰。大脑胶质瘤病是胶质瘤的特殊类型，为少见的脑内肿瘤。肿瘤细胞呈弥漫性生长，侵犯两叶以上的脑组织，患病部位可有NAA/Cr的降低，Cho/Cr和Cho/NAA的升高，Cho/NAA可随恶性程度的升高而升高，在MRI表现正常的区域也可能有类似的表现，说明该区域内有肿瘤细胞浸润。少突胶质瘤可出现明显抬高的Glx峰，Glx峰被认为可以是其特征峰[2,11]。

    脑膜瘤为起源于神经上皮组织以外的肿瘤，因此理论上波谱表现病灶区内NAA很低甚至消失，但侵袭性脑膜瘤由于可侵犯正常的神经元，其病灶区内可出现降低的NAA峰。位于1.47ppm处的Ala峰是脑膜瘤的特征峰，可有明显抬高，Ala/Cr较星形细胞瘤明显抬高被认为是两者的主要鉴别点，由于Ala峰是Glx的最终产物，因此脑膜瘤中也可出现Glx的抬高；与星形细胞瘤的另一鉴别点是脑膜瘤中的MI与正常脑组织相似或降低而星形细胞瘤则较正常脑组织明显升高；此外脑膜瘤的Cho值可以达到很高类似于高级星形细胞瘤甚至更高并出现Cr的明显减低和消失[12,13]。

    单发的转移瘤有时与高级别胶质瘤较难鉴别，转移瘤同样为起源于神经上皮组织以外的肿瘤，因此NAA降低明显甚至消失，出现细胞坏死较为多见，病灶内常常出现Lip峰，无Lip峰则转移瘤的可能性较小。由于缺乏Cr激酶，转移瘤中Cr较高级别胶质瘤是减低明显甚至是消失的。高级别胶质瘤的瘤周水肿区有肿瘤细胞浸润，因此其在瘤周区域的Cho水平及Cho/Cr水平较转移瘤明显升高，NAA/Cho较转移瘤明显减低[2,11,13]。

    淋巴瘤为中枢神经较少见肿瘤，与胶质瘤较难鉴别，其Cho值可以高于正常脑组织3倍并伴随有明显高耸的Lip峰（被认为是其标志），其Cho/Cr也较各级别胶质瘤升高[2]。

    血管外皮细胞瘤在常规MRI上难与脑膜瘤进行鉴别，但2D CSI 1H-MRS 可在血管外皮细胞瘤3.56ppm处探测到宽阔的MI峰，MI的含量在两者之间存在明显差异（血管外皮细胞瘤为13.41+/-0.87u mol/L,脑膜瘤为1.21+/-0.27 u mol/L）[13]。

    ⑵  分级

    MRS可以无创的分析肿瘤的级别。对于实体的高级别胶质瘤，有学者报道Cho、NAA的水平较单独Cho的水平更能鉴别肿瘤的级别。NAA/Cho的下降、Cho/Cr的上升与肿瘤的级别呈正相关。有学者认为在病灶区内Cho /NAA的值随肿瘤级别的升高而升高，并认为Cho /NAA的最高区域可作为评价整个肿瘤级别的部位，并指导立体向活检确定活检的部位。在肿瘤周围区域的Cho/Cr随肿瘤级别的升高而升高，NAA/Cr随肿瘤级别的升高而降低。此外MI在低级别胶质瘤的含量较高级别胶质瘤更高。高级别的胶质瘤可出现坏死区，其内可探测到升高的Lac和Lip峰[2,11]。

    2. 放射性损伤

    肿瘤的放射性反应与复发有时在常规MRI上很难鉴别，而CSI可以有效的鉴别。当病灶Chob/Crn(Chob代表病灶的Cho值，Crn代表正常脑组织的Cr值)>1.3或动态观察Cho/Cr的比值>1并持续升高，NAA/Cho明显下降时复发的可能性较大，而当Chob/Crn<1.3或Cho、Cr、 NAA较正常脑组织下降时则放射性坏死的可能性大[9,10]。

    3. 脑脓肿

    2D CSI MRS能在化脓性脑脓肿中探测到Suc、Ace、Ala、AA 等特殊波峰及Lac、Lip峰，其中位于0.9ppm处的AA峰是化脓性脑脓肿最为敏感及最可靠的标志物[1,10]。 

    4. 多发性硬化

    在急性期NAA下降，强化区内Cho、Lip升高，与细胞膜髓磷脂的崩解有关，同时可探测到乳酸峰并可在发病后40天内持续升高，慢性期NAA稍低或恢复但可见MI的升高；在MRI显示正常的灰质亦可有Cho、Lip升高，而显示正常的白质亦可有NAA的下降，这可能与神经功能损害有关[14]。

    5. 癫痫

    2D CSI MRS磁共振波谱能早期发现癫痫灶以及其所致的细胞损害并同时与健侧脑组织对比。 颞叶癫疴病灶的NAA峰值降低，而Cho与Cr升高，NAA／(Cho+Cr)比值小于0．05(正常在0．72以上)，这些峰值改变多提示病灶内的神经元数目减少，而胶质纤维增生所致，此外可出现Lac峰及特征性的Glu峰[1,8]。

    6. 脑缺血

    发生脑梗死时Lac可在发病24h内升高并可持续于慢性期，NAA在发病几天后出现下降，同时亦可有Lip的出现。在大脑缺血缺氧时NAA的下降及Lac的出现与疾病的预后有关，新生儿脑部缺氧时若出现Lac、Lip峰则预后较差[1]。

    7. 脑结核

    脑结核球是由干酪性物质形成的，因此86%的患者在病灶区内可出现单一抬高的Lip峰，在病灶周围也可出现Lip峰，可与转移瘤和高级胶质瘤鉴别。结核球可形成冷脓肿，其内亦可显示Lip峰但不出现AA，这点可与化脓性脑脓肿相鉴别[1,10]。

    四 、 前景

    尽管仍然存在着许多限制，但随着2D CSI 1H-MRS的技术逐步成熟，后处理及分析软件的功能的逐步强大，2D CSI 1H-MRS对于疾病诊断的准确性及特异性已经逐步提高，它将成为良好的临床诊断的辅助工具，并将在未来的影像诊断中发挥越来越大的价值。

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