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1、磁共振波谱成像讲解 1 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 2 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 3 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 4 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 5 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
2、射断层成像技术 PET 磁共振波谱分析 MRS 6 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 7 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 8 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 9 测量脑内神经元活动 脑电图 EEG 脑磁图 MEG 事件相关电位 ERP 10 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
3、成像 外源性灌注成像 PWI 内源性 血氧水平依赖法 BOLD 11 磁共振波谱 MRS 技术及 临床应用 12 MRS技术概述 Magnetic Resonance Spectroscopy 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 13 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 14 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
4、 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 15 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MRS 16 MRS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 17 MRS技术及基本原理 MR
5、S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 18 脑 MRS 19 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 20 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
6、n深部分辨波谱法 DRESS n空间分辨波谱法 SPARS 21 MRS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 900 900 900 l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 22 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 900 1800 1800 n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
7、如 脂质 23 MRS检查方法 单体素氢质子 Single voxel SV MRS 多体素氢质子 proton proton multi voxelmulti voxel spectroscopy imagingspectroscopy imaging P PMVSISI MRS 24 25 SV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 26 MV氢质子MRSI n2D PROBE SI n3D Focal PROBE SI nFull coverage MRSI和UltroPROBE SI 27 MV氢质子脑MRSI
8、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 28 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 29 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 30 如何获得好的MRS
9、 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 31 单体素点分辨波谱法 PRESS 成像参数 TR 1500ms TE 35ms或144ms Voxel size 15 20mm NEX 8 Scan time 3 40 32 参数选择对MRS的影响 SNRCho crNaa crScan timesensitivity 采集次数增加 体素大小 TR延长 TE延长 33 不同TE对波谱的影响 PRESS TE 35ms TE 144ms 34 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
10、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 35 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 36 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
11、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 37 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 38 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
12、 敏感性和分辨率越高 39 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 40 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 41 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
13、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 42 MRS临床应用 脑部 体部 前列腺 肝脏 乳腺等 43 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 44 序列及扫描参数 SV press TR 1500 ms TE 144 35 ms FOV 24 cm Voxel size 20 mm NEX 8 Scan time 3 min 自动预扫描后获得的参 数
14、线宽 Ln 小于10Hz 水抑制大于95 45 1H MRS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 46 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 6 47 Cho NAA Cr mI 48 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
15、 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 49 Cho Cr NAA 50 正常异常 51 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 52 Cho NAA Cr 53 l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 1
16、ppm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 54 Cr Cho NAA 55 l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 56 TE 35TE 144 57 58 l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 新生儿 低级别的胶质瘤 lmI降低 恶性肿瘤 慢性肝病 59 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 60 TE 35ms 61 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
