磁共振波谱在诊断颅内肿瘤中的应用.ppt

Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,一 基础理论,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,磁共振波谱(Magnetic resonance spectroscopy，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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,磁共振波谱(Magnetic resonance spectroscopy，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(chemical shift)” 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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,化学位移(chemical shift),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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,磁共振波谱(Magnetic resonance spectroscopy，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(free induction decay,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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,MRS的兴趣区(region of intrest,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(region of intrest,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1-8ml,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,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-aminosuccinic acid，NAA) 胆碱(choline，Cho) 肌酸(creatine，Cr) 乳酸(lactic acid，Lac) 脂质(lipid，Lip) 丙氨酸(alanine，Ala) 肌醇(myo-inosito，MI) 谷氨酸复合物(glutamine，Glk),Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,1H-MRS检测颅脑肿瘤的各种代谢物,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,N-乙酰天门冬氨酸 (N-aminosuccinic acid，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(endogenous marker) 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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,N-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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,乳酸(lactic acid，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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,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,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,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(+峰)及3.6-3.8ppm(峰),正常的1H-MRS表现,NAA,Cho,Cr,Cr2,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1.267-1.835,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,三 胶质瘤的1H-MRS的表现,胶质瘤的1H-MRS表现,N-乙酰天门冬氨酸(NAA)显著下降 胆碱(Cho)显著升高 肌酸(Cr)不变或轻度下降 可出现乳酸盐（Lac/Lip）,NAA/Cr下降 NAA/Cho减少 Cho/Cr升高,-肿瘤对神经元的破坏,-肿瘤细胞增殖活跃和有丝分裂增加,-胶质瘤发生坏死,Cho,Cr2,Cr,NNA,Lac,星形细胞瘤,随胶质瘤级别增加，NAA逐渐下降，Cho逐渐升高 Cho/NAA和Cho/Cr比值反映肿瘤级别比较稳定， 在所有的胶质母细胞瘤中均升高 Lac峰可出现于各级别组脑胶质瘤中，其峰值无 显著差异,关于胶质瘤的分级,低级别胶质瘤的1H-MRS表现,NAA,Cho,Cr,Cr2,NAA下降 Cho升高 Cr轻度下降,左颞顶低级别胶质瘤,高级别胶质瘤的1H-MRS表现,Cho,Cr,NAA显著下降至消失 Cho显著升高 Cr下降,右枕部高级别胶质瘤,第一组：级星形细胞瘤,NAA下降 Cho显著升高 Cr轻度下降 出现倒置的Lac双峰,对侧相应部位的MRS表现正常,Cho,NAA,Cho,NAA,Cr,Cr,Lac,第一组：-级星形细胞瘤,NAA显著下降 Cho显著升高 Cr中度下降 出现倒置的Lac双峰,对侧相应部位的MRS表现正常,Cho,NAA,Cho,NAA,Cr,Cr,Lac,第一组：胶质母细胞瘤,NAA显著下降 Cho显著升高 Cr中度下降 1.32ppm处出现倒置的Lac峰,出现MI（肌醇）峰,Cho,NAA,Cho,NAA,Cr,Cr,Lac,Lac,MI,第二组：II级星形细胞瘤,NAA下降 Cho峰升高 Cr变化不明显 未见Lip/Lac峰,对侧相应部位的MRS表现正常,Cho,NAA,Cho,NAA,Cr,Cr,Cr2,Cr2,第二组：III级间变少突胶质细胞瘤,NAA、Cho、Cr峰均下降 可见Lip峰,对侧相应部位的MRS表现正常,NNA,NNA,Cho,Cr,Cr,Cr2,Lip,Cho,第二组：胶质母细胞瘤,NAA、Cho、Cr峰均下降 可见Lip峰,对侧相应部位的MRS表现正常,NAA,Cho,Cr,Cr,Lac,NNA,NNA,Cho,Cho,Cr,Cr,Cr2,Lip,胶质瘤不同部位的MRS比较,图,肿瘤边界外正常组织,瘤心坏死处见巨大Lac峰,肿瘤边界处,肿瘤内部高活性代谢区,胶质瘤不同部位的MRS比较,图,瘤体谱线Cho/NAA = 3.90 Cho/Cr = 7.89,近瘤周水肿谱线 Cho/NAA = 1.95 Cho/Cr = 2.11,远瘤周水肿谱线 Cho/NAA = 1.40 Cho/Cr = 1.92,对侧正常谱线 Cho/NAA = 0.94 Cho/Cr = 1.25,NNA,NNA,Cho,Cho,Cr,Lac,NNA,NNA,Cho,Cho,Cr,Cr,Lac,Lac,肿瘤波谱显示NAA依次下降，Cho逐渐升高,参照区,-级星形细胞瘤MRS波谱,周边区,瘤体区,NNA,Cr,Cr2,NNA,Cr,Cr2,NNA,Cr,Cr2,Cho,Cho,Cho,肿瘤波谱显示NAA、Cr依次明显下降，Cho依次明显升高。 瘤体区出现Lip/Lac峰,参照区,级星形细胞瘤MRS波谱,周边区,瘤体区,NNA,Cr,Cr2,NNA,Cr,Cr2,NNA,Cr,Cr2,Cho,Cho,Cho,Lip/Lac,右颞叶胶质母细胞瘤 (1)对侧正常脑组织区 (2)肿瘤实质中心区 (3)周边区,肿瘤实质区 NAA峰显著降低 Cho峰明显增高,对侧正常组织区 NAA峰最高 Cho和Cr峰较低且较接近,肿瘤周边区 中等NAA峰 Cho峰明显增高,波谱图显示能够判定常规MR 表现正常的肿瘤周围无水肿区有肿瘤细胞浸润,NAA,Cho,Cr,左额叶星形细胞瘤II级 病灶周围脑实质无水肿,Cr2,Lac,NAA显著下降 Cho显著升高 出现Lac峰,评价脑胶质瘤的预后,Magalhaes发现Cho浓度高出正常组织标准差的2倍、NAA浓度低于正常脑组织标准差的1/2时，100%有肿瘤侵犯 Tarnawski发现Lac/NAA值2时，患者1年生存率为20%，而Lac/NAA值1.3即可诊断胶质瘤复发，1.71或/(和)Cho/NAA1.71作为区分复发和坏死的标准,Cho明显增高及合并Lac、NAA、Cr的异常，提示胶质 细胞瘤治疗后复发；治疗后Cho下降或保持稳定者， 则肿瘤生长受到抑制,胶质瘤放疗3个月后,MRS见依旧明显增高Cho峰、下降的Cr峰 表明肿瘤细胞仍存在,对应右侧额叶MRS,Cr,Cr,Cho,Cho,NNA,级星形细胞瘤术后及放疗后1年,MRS见NNA、Cho、Cr峰均消失 无复发迹象,对应右侧额叶MRS,Cr,Cho,NNA,级星形细胞瘤术后2年复发,MRI提示原手术病灶未见明显异常 MRS见Cho峰增高 提示复发,对应右侧额叶MRS,Cr,Cho,NNA,Cho,NNA,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,四 脑膜瘤的1H-MRS的表现,脑膜瘤的1H-MRS表现,脑膜瘤无神经元，故理论上无NAA峰 胆碱(Cho)升高 出现特征性丙氨酸(Ala)峰 可出现谷氨酸(Glx)峰 强化区域外没有病理性波谱 Lip峰出现提示恶性脑膜瘤可能,-有时可见较低的峰，原因是肿瘤侵犯正常脑组织或部分容积效应所致,-各型脑膜瘤中没有显著性差异,Cho,Cr2,Cr,Ala,NNA,-对肿瘤细胞具有化学抵抗作用,-并非所有脑膜瘤均会出现,-非侵袭性肿瘤的特征,左额顶脑膜瘤,NAA消失 Cho升高 出现丙氨酸Ala峰,瘤周的MRS表现,Cho,Cho,NAA,Cr,Cr,Ala,左枕叶脑膜瘤,NAA下降至消失 Cho明显升高 Cr明显下降 出现丙氨酸Ala峰,瘤周的MRS表现,Cho,Cho,NAA,Cr,Cr,Ala,NAA,右颞叶脑膜瘤,Cho,Cr,Cr2,NNA,周边区接近正常,实质区 NAA峰消失 Cho峰明显增高 可见特征性的丙氨酸Ala峰,Cho,Ala,Cr2,NNA,右额顶部镰旁纤维细胞型脑膜瘤,实质区 NAA峰消失 Cho峰增高 可见丙氨酸Ala、 乳酸Lac、脂质Lip、 谷氨酸GLX、峰,Cho,GLx,GLx,Ala,Lip,Lac,GLx,Lac,水肿区 亦可见GLx、Lac峰,恶性脑膜瘤MRS表现,Cho,GLx,GLx,Ala,水肿区 可见谷氨酸GLx峰 可见丙氨酸Ala峰,Cho,Lip,GLx,GLx,坏死区 脂质Lip为第一高峰,Cho,NNA,Cr,对侧正常区,未见NAA峰显示 Cho峰升高 谷氨酸GLx峰呈梯状 谷氨酸Glx峰较显著 可见丙氨酸Ala峰 可见乳酸Lac/脂质Lip峰,Cho,GLx,GLx,Ala,Lip,瘤体区,脑膜瘤术后复发的MRS表现,肿瘤复发时，由于进行性生长肿瘤的边缘巨噬细胞吞噬不移动的脑脂质和坏死肿瘤细胞分解代谢，脂质Lip明显增加 肿瘤复发常继发正常血管网的破坏，乳酸Lac含量增加 Cho/Cr比值在残留和复发的肿瘤中明显高于术后反应性损伤区,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,五 转移瘤的1H-MRS的表现,转移瘤的1H-MRS表现,转移瘤特点：NAA消失，Cho明显增高，Cr下降，Cho/Cr比值升高，可出现乳酸Lac峰和脂质Lip峰 转移瘤和胶质瘤瘤体强化部分各代谢物比值相似 瘤周Cho/Cr比值是鉴别胶质瘤和转移瘤的重要手段；转移瘤强化之外区域没有病理性波谱 两种肿瘤瘤周区病理上是不一样的：胶质瘤周围有肿瘤细胞的散在浸润，转移瘤瘤周无肿瘤细胞存在,胶质瘤与脑转移瘤瘤周特点的鉴别,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,P0.05,P0.05,转移瘤不同部位的MRS比较,图,对侧正常区,肿瘤周围区 与正常波谱相似,肿瘤强化区 NAA降低 Cho升高,Cho,Cr,Cho,Cr,Cho,Cr,NNA,NNA,NNA,ROI选择 肿瘤强化区 肿瘤周围区 对侧正常区,右额叶脑转移瘤,Cho明显升高 NAA明显降低 Cr明显下降,对侧正常MRS,Cho,NAA,Cr,Lip,Cho,ROI选择 在增强部分及对 侧正常脑实质部 分选取感兴趣区,Cr,NAA,左顶叶脑转移瘤,Cho峰略降低 NAA及Cr峰显示不清 出现明显的脂质Lip峰,对侧正常MRS,Cho,NAA,Cr,Lip,Cho,ROI选择 在增强部分及对 侧正常脑实质部 分选取感兴趣区,左枕叶转移瘤,NAA峰显著降低 Cr峰显著降低 Cho峰明显增高 可见脂质Lip峰,周边水肿区MRS与正常MRS无显著区别,Cho,NAA,Cr,Lip,Cho,ROI选择 在肿瘤实质区 和周边水肿区,Cr2,NAA,Cr,Cr2,转移瘤MRS的乳酸Lac和脂质Lip峰,主要表现为向下的乳酸Lac双峰 降低非常明显的Cr峰和NAA峰,可见见高尖的脂质Lip峰 NAA,Cr,Cho峰均减低,Lac,Lip,Department of Neurosurgery Peking University Peoples Hospital,六 淋巴瘤的1H-MRS的表现,淋巴瘤的1H-MRS表现,中枢神经系统淋巴瘤特点：NAA几乎完全丧失，Cr降低，Cho和乳酸Lac升高明显，脂质Lip峰出现，肌醇MI表现正常 明显升高的脂质Lip峰是原发性中枢神经系统淋巴瘤特征表现 与胶质瘤类似，在 增强区域以外仍可 测得病理波谱,Cr2,Cho,Cr,NAA,Lip,右额叶淋巴瘤,Cho,NAA,Cr,Lip,NAA及Cr明显消失 Cho明显升高 出现特征的脂质Lip峰,双侧额叶B细胞型淋巴瘤,ROI选择 1、2选