1、MRS在中枢神经系统的基本应用在中枢神经系统的基本应用v张秀莉张秀莉1磁共振波谱成像的磁共振波谱成像的 v1946年，发现磁共振现象v1950年，发现化学位移成像v1953年，商品化的磁共振扫描仪问世v1974年，活体鼠的磁共振波谱图像v1978年，人体磁共振图像出现v1984年，磁共振波谱成像应用于临床1950年，发现化学位移现象2上式表示，处于化合物中的同一种原子核，由于所受磁屏蔽作用的程度不同（即 的大小不同），将具有不同的共振频率，这就是所谓的化学位移现象（Chemical Shift Phenomenon），也是磁共振波谱成像的基础。MRI&MRS比较含量多少反映神经元的功能状况，降
2、低的程度反映了其受损的大小。Cho峰在几乎所有的原发和继发性脑肿瘤中都升高；待测定代谢物的浓度在毫摩尔数量级；31P可用于判定磷代谢产物的浓度，并可根据无机磷波谱的位置，测定pH值；旋磁比（）是原子核的固有特性，仅与原子核的种类有关。带负电荷的电子具有与原子核相似的自旋特性，在原子核周围形成具有屏蔽作用的磁场，这一磁场称为电子云。1H MRS测定的代谢物及其临床含义这种差异是由于原子核处于不同的化合物中，受到原子核周围的电子影响所致。谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺（Gln）化学环境指的是，原子核所在的分子结构。1H MRS测定的代谢物及其临床含义同一种原子核处在不同的分子结构中，甚至同一个分子结构
3、的不同位置或者不同的基团中，其周围的电子数和电子分布都将有所不同，因而受到的磁屏蔽作用也不同。1H MRS测定的代谢物及其临床含义谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺（Gln）原子核是带电粒子，在做自旋运动时，会在其周围产生一个微小的磁场，像小磁针一样，具有南北两极，其矢量大小用自旋磁矩表示。v生物组织中含有1H、13C、19F、23Na、31P等元素，有磁性的元素有百余种。v在现今，研究和使用的最多的是1H。1H是磁化最高的原子核，可以得到较强的信号（即SNR高）；1H占活体组织中原子数的2/3，数量丰富。vMRS应用时，除1H外，还用到其它一些元素，如：31P可用于判定磷代谢产物的浓度，并可根据无机
4、磷波谱的位置，测定pH值；13C可用于帮助诊断酶缺乏性疾病；磁共振成像的原理磁共振成像的原理3MRI&MRS比较比较v在本质上，MRS与MRI相同，其物理原理是相同的；不同的是，数据处理和数据显示方式的差别；vMRI扫描后，一定时域内获得的信号被用于产生一个影像，如矢状、横轴和冠状等；vMRS扫描后，一定时域内获得的信号通过快速傅立叶转换（Fourier Transform）产生一个质子成分按频率分布的波谱图，而此波谱图显示了构成该图像的各组成成分。4vMRI获得的信号是由不同体素内氢核发射的已经在不同的空间方向进行频率和相位编码的信号。vMRS能以质和量的方式获取氢原子核化学环境的信息，揭示
5、某部分的质子组成成分。MRI&MRS比较比较5MRI 的物理基础的物理基础v绝大多数原子核都具有围绕自身轴线做旋转运动的特性，称之为自旋特性。v原子核是带电粒子，在做自旋运动时，会在其周围产生一个微小的磁场，像小磁针一样，具有南北两极，其矢量大小用自旋磁矩表示。6MRI 的物理基础的物理基础v原子核在外加磁场中自旋的同时，还以一定的角度围绕外加磁场方向进行旋转运动，这种运动称为进动（precession)。v进动频率亦称角频率（），取决于外加磁场强度（B）和原子核的旋磁比（）：=B。v上述方程式称为拉莫方程（Larmor Equation），其角频率又称为拉莫频率。v旋磁比（）是原子核的固有特
6、性，仅与原子核的种类有关。7MRI 的物理基础的物理基础v外加射频脉冲（Radio Frequency，RF）频率与原子核拉莫频率相同时，原子核就会吸收射频脉冲的能量，从低能量状态转变到高能量状态，产生磁共振现象。v对于某种给定的原子核，如氢核，激发所需要的射频脉冲的频率与磁场强度成正比，如1.5 Tesla场强下RFMHz，3.0 TeslaMHz。8v对于具有相同原子序数的原子核，即同种元素的同位素，如氢原子核的三种同位素（氕，氘和氚），即使它们是在理想均匀的磁场中，进行精确地测量，其共振频率也不完全相同，而是在一个较窄的频率范围内。v这种差异是由于原子核处于不同的化合物中，受到原子核周围
7、的电子影响所致。MRS 的物理基础的物理基础9v带负电荷的电子具有与原子核相似的自旋特性，在原子核周围形成具有屏蔽作用的磁场，这一磁场称为电子云。v电子云的作用使得外加磁场对原子核的作用减弱。这种磁屏蔽作用的大小用屏蔽系数（）表示，被磁屏蔽作用消弱掉的磁场强度为B。v这部分磁场（B）与外加磁场方向相反，强度与外加磁场强度（B）成正比。MRS 的物理基础的物理基础10v屏蔽系数与原子核的特性（或者说种类）以及原子核所在的化学环境有关。v化学环境指的是，原子核所在的分子结构。同一种原子核处在不同的分子结构中，甚至同一个分子结构的不同位置或者不同的基团中，其周围的电子数和电子分布都将有所不同，因而受
8、到的磁屏蔽作用也不同。MRS 的物理基础的物理基础11v所以，考虑到电子的磁屏蔽作用，拉莫方程应修正为：=（1-）B。v上式表示，处于化合物中的同一种原子核，由于所受磁屏蔽作用的程度不同（即 的大小不同），将具有不同的共振频率，这就是所谓的化学位移现象（Chemical Shift Phenomenon），也是磁共振波谱成像的基础。MRS 的物理基础的物理基础12v化学位移（chemical shift）用于表示化合物中各组成成分的原子核共振的波峰位置。v实际应用中，此频率数值并非用其绝对值（Hz，赫兹）表示，而是用一个相对值ppm表示。化学位移的表示方法化学位移的表示方法13v=（f-fr）
9、/f106 ppmv其中，表示化学位移，f表示被测原子核的共振频率，fr表示中心拉莫频率,ppm表示百万分之一。v上式可反映不同化学环境屏蔽系数的差别。是一个相对值，与外加磁场强度的大小无关，是非磁场依赖性的。化学位移的表示方法化学位移的表示方法14v对于指定的MRI/MRS一体化扫描机器，其磁场强度是一定的。v利用频率连续的RF脉冲激励选定区域的组织，处于不同化学环境的同类原子核会以不同的频率发生共振。v在RF脉冲停止激励后，组织弛豫过程所产生信号的频率也是连续的。磁共振波谱图磁共振波谱图15v将接收线圈接收到的磁共振信号通过傅立叶转换，描绘成直角坐标中按频率分布的按频率分布的函数曲线函数曲
10、线，就得到磁共振波谱图。v其中，纵坐标表示信号强度信号强度，横坐标表示共共振频率振频率。磁共振波谱图磁共振波谱图16MRS扫描要点v确定MRS扫描的感兴趣区感兴趣区（Region of Interest，ROI）；v水和脂肪质子峰的抑制待测定代谢物的浓度在毫摩尔数量级；水的质子浓度约为110摩尔，为前者浓度的104-105倍；同样，脂肪的质子也需要进行抑制；化学位移选择法（Chemical Shift Selective，CHESS）17MRS扫描要点v避开干扰组织，如颅骨、脂肪、硬膜、脑脊液等；v被检查者的配合；v被检查部位的大小脊髓病变一般不适于做MRS检查（位于延髓者可以考虑）；脑部病变
11、太小者，所测数值不准确；18Chemical shift Lip/6.0 ppm MI：Ala：1.3-1.44 ppmGlu/Gln：2.1-2.5 ppm19MRS测定的含1H基团v1H MRS可测定的活体组织代谢物分子基团：甲基（CH3-）：位于脂肪酸末端、乳酸、NAA、N-乙酰糖蛋白和胆碱；次甲基（-CH2-）：位于脂肪酸、谷氨酸、-氨基丁酸、肌酸和丙三醇羟基等；乙醇基（H-C-OH）：多位于糖中，如葡萄糖、肌醇；乙烯基或烃：位于饱和脂肪酸。201H MRS测定的代谢物及其临床含义vN-乙酰基天门冬氨酸（NAA）正常脑组织1H MRSppm；与蛋白质和脂肪合成，维持细胞内阳离子浓度以及
12、钾、钠、钙等阳离子通过细胞，维持神经膜的兴奋性有关；仅存在于神经元内，而不会出现于胶质细胞，是神经元密度和生存的标志；含量多少反映神经元的功能状况，降低的程度反映了其受损的大小。2122胶质瘤III级2324脑膜瘤251H MRS测定的代谢物及其临床含义v肌酸（Cr）正常脑组织1H MRSppmppm 处可见其附加峰（PCr）；此峰由肌酸、磷酸肌酸、-氨基丁酸、赖氨酸和谷胱甘肽共同组成；此代谢物是脑细胞能量依赖系统的标志；能量代谢的提示物，在低代谢状态下增加，而在高代谢状态下减低；峰值一般较稳定，常作为其它代谢物信号强度的参照物。261H MRS测定的代谢物及其临床含义v胆碱（Cho）位于3.
13、2 ppm附近；由磷酸胆碱、磷酸甘油胆碱、磷脂酰胆碱组成，反映脑内的总胆碱量；细胞膜磷脂代谢的成分之一，参与细胞膜的合成和蜕变，从而反映细胞膜的更新；Cho峰是评价脑肿瘤的重要共振峰之一，肿瘤快速的细胞分裂导致细胞膜转换和细胞增殖加快，从而使Cho峰增高；Cho峰在几乎所有的原发和继发性脑肿瘤中都升高；恶性程度高的肿瘤中，Cho/Cr比值显著增高。2728胶质瘤胶质瘤II级级29血管畸形301H MRS测定的代谢物及其临床含义v乳酸（Lac）ppm，由两个共振峰组成TE=144，乳酸双峰向下；TE=288，乳酸双峰向上；正常情况下，细胞代谢以有氧代谢为主，检测不到Lac峰，或只检测到微量；此峰
14、出现说明细胞内有氧呼吸被抑制，糖酵解过程加强；脑肿瘤中，Lac出现提示恶性程度较高，常见于多形胶质母细胞瘤中；Lac也可以积聚于无代谢的囊肿和坏死区内；31（infarction）32Brain abscess.MRS spectrum showing prominent resonances in the 0.9 to 1.5 ppm range,and peaks at 2 and 2.4 ppm.acetate(1.9 ppm),succinate(2.4 ppm),alanine(1.5 ppm),lipids(0.9-1.3ppm)33v脂质（Lip）位于1.3、0.9、1.5和6.
15、0 ppm处，分布代表甲基、亚甲基、等位基和不饱和脂肪酸的乙烯基；共振频率与Lac相似，可以遮蔽Lac峰；此峰多见于坏死脑肿瘤中，其出现提示坏死的存在；1H MRS测定的代谢物及其临床含义34v右侧大脑前动脉分布区（胼胝体膝部）梗死35v肌醇（MI）位于3.56 ppm，可以用STEAM技术显示；此代谢物被认为是激素敏感性神经受体的代谢物，可能是葡萄糖醛酸的前体；MI含量的升高与病灶内（尤其是慢性病灶内）的胶质增生有关；有研究认为，在低高级星形细胞瘤中，此峰随着肿瘤恶性程度的增加而增高；1H MRS测定的代谢物及其临床含义36v丙氨酸（Ala）位于1.3-1.44 ppm，常被Lac和Lip峰
16、所遮盖，其功能尚不肯定；v谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺（Gln）位于2.1-2.5 ppm；Glu是一种兴奋性神经递质，在线粒体代谢中具有重要功能；Gln参与神经递质的灭活和调节活动；1H MRS测定的代谢物及其临床含义37Chemical shift Lip/6.0 ppm MI：Ala：1.3-1.44 ppmGlu/Gln：2.1-2.5 ppm38胶质瘤表现为NAA峰下降、Cho峰升高，Cr峰稍有变化。Cho峰的升高与肿瘤的恶性相关；Cr峰随肿瘤恶性程度的升高有降低趋势；Lip峰出现于大多数高级别的肿瘤中，特别是肿瘤坏死区或邻近坏死区；Lac峰多见于多形胶质母细胞瘤中，低级星形细胞瘤中出现此峰则预示肿瘤进一步恶变的可能；39颅内常见病变的代谢物特征疾病 NAA Cr Cho Lac Lip 肿瘤 -脓肿 梗死 -MS -癫痫 -4041
