MRS的基本概念與臨床應用（一）

婁 晶，王光彬

（1．山東省濟南市中醫(yī)醫(yī)院CT室，山東濟南250012；2．山東省醫(yī)學影像學研究所，山東濟南 250021）

20世紀90年代以來，在傳統(tǒng)MRI技術基礎上發(fā)展起來的fMRI技術已廣泛應用于臨床和基礎醫(yī)學研究。在許多疾病中，代謝改變常常先于病理形態(tài)改變，MRS對這種代謝改變的潛在敏感性很高，能夠提供早期檢測病變的信息，是目前唯一能無創(chuàng)性觀察活體組織代謝及生化變化的技術。

1 MRS的基本概念

1．1 基本原理 MRS是利用磁共振現(xiàn)象和化學位移效應進行特定原子核及其化合物定量分析的方法。原子核的共振頻率不僅取決于外加磁場強度和原子核本身物理性質，即旋磁比，同時還受原子核在化合物中的化學環(huán)境的影響。即使是同一種原子核（如P、H、C核），其所在化合物的化學環(huán)境不同，進動頻率就會不同。這種在相同環(huán)境條件（溫度、pH值、均勻外磁場等）下，由于所處的分子結構不同所致的同一原子核進動頻率出現(xiàn)差異的現(xiàn)象被稱為化學位移現(xiàn)象［1］。由于化學位移的作用，不同化合物可以根據(jù)其在頻譜上共振峰的不同加以區(qū)別，這就是MRS各頻譜譜峰差別產(chǎn)生的基礎。

1．2 譜線 MRS由一系列的譜峰組成，MRS譜線的橫軸代表化學位移，即共振頻率。不同化合物共振頻率之間的絕對差值難以記憶，通常應用“百萬分之幾”（parts per million，ppm）來表示，所能探測到的化合物表現(xiàn)在一個或幾個特定頻率上的峰?？v軸代表化合物的信號強度，其峰高度或峰下面積與該化合物的濃度成正比?；衔镒畲蠓甯咭话胩幍淖V線寬度稱為線寬（line width），亦稱為半高線寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM），決定譜線的頻率分辨力。信號峰值由共振頻率峰高和線寬決定（見圖1）。如果原子核之間存在共價鍵，其自旋磁矩之間的相互作用形成自旋－自旋偶聯(lián)（spin-spin coupling），亦稱為J偶聯(lián)，偶聯(lián)常數(shù)為J，J值越大，耦合越強，波分離越寬。這種化合物的特定化學結構會造成其表現(xiàn)為特定形態(tài)的峰（如乳酸雙峰、β／r-GLx多峰等）［2］。

MRS所采集到的化學物質的濃度根據(jù)不同的后處理軟件處理方法不同，差異也會有不同。頻譜譜線的寬度會受到以下因素的影響［3］：①主磁場的均勻度，均勻度越差，則譜線越寬，MRS檢查時勻場非常重要；②采樣容積內(nèi)部磁化頻率的均勻度，均勻度越高，譜線越窄；③橫向弛豫時間（T2），T2值越大，譜線越窄；T2值越小，譜線越寬。短回波（TE＜50ms）采集到的代謝物多，可看到短T2的代謝物，如肌醇（mI）、谷氨酸胺（Gln）和谷氨酸鹽（Glu）的復合物（Gln＋Glu，Glx），可見脂肪信號；長回波（TE＞50ms）采集到的代謝物少，有利于觀察乳酸峰。此外，譜線的判讀還應考慮到受檢者年齡及采集部位不同的相關性變化。MRS可以對多種原子核進行成像，包括1H、31P、13C、23Na等。其中1H的旋磁比最大，在生物體中的含量也最豐富，產(chǎn)生的MRS信號最強，且與常規(guī)MRI所用的激發(fā)及接收頻率一致，因此，臨床應用1H-MRS技術最為成熟，應用也最方便、最廣泛。

2 1 H-MRS技術在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的臨床應用

2．11H-MRS正常譜線及常見代謝物的信號特點中樞神經(jīng)系統(tǒng)由于運動偽影少、腦組織含脂肪組織少等特點，是MRS的主要應用范圍。1H-MRS目前可測定多種腦代謝產(chǎn)物和神經(jīng)遞質的共振峰，如N-乙酸門冬氨酸（NAA）、肌酸（Cr）／磷酸肌酸（PCr）、膽堿復合物（Cho）、mI、GLx、乳酸（Lac）、移動脂肪（Lip）等，其中正常人腦的1H-MRS有5個較明顯的共振頻譜波峰，NAA、Cr／PCr、Cho、mI、GLx（見圖2）。

①NAA：1H-MRS中波峰最高，化學位移大約位于2．02ppm，有時在2．6ppm處可見，在正常人的大腦內(nèi)濃度接近12．0mmol／L。與蛋白質和脂肪合成，維持細胞內(nèi)陽離子濃度，以及鉀、鈉、鈣等陽離子通過細胞和維持神經(jīng)膜的興奮性有關；僅存在于神經(jīng)元內(nèi)，是神經(jīng)元密度和生存的標志；一些研究［4］報告，NAA也存在于少突膠質細胞或肥大細胞中。NAA含量多少反映神經(jīng)元的功能狀況，NAA水平的降低可作為神經(jīng)元丟失或損傷的可靠指標，如腫瘤或壞死的進程、多發(fā)性硬化、艾滋病或顳葉癲癇等。此外，NAA峰值增高少見，僅見于海綿狀腦白質營養(yǎng)不良。

②Cr／PCr：化學位移大約位于3．03ppm和3．96ppm，由Cr、PCr、γ－氨基丁酸（GABA）、賴氨酸和谷胱甘肽共同組成，在腦能量代謝減退的情況下增加，能量代謝增加的情況下降低，是腦細胞能量依賴系統(tǒng)的標志物，在腦灰質的含量高于腦白質。此代謝物峰值一般較穩(wěn)定，常作為其他代謝物信號強度的參照物。隨著腫瘤惡性程度的增加，代謝物的活性增加而Cr峰降低。

③Cho：化學位移大約位于3．2ppm，由磷酸膽堿、甘油磷酸膽堿、磷脂酰膽堿組成，主要是自由膽堿細胞膜翻轉的標志物，在腦白質中含量高于腦灰質。參與細胞膜的構成，是髓鞘形成、細胞代謝、膠質增生和髓鞘脂質崩潰降解的指標，反映了細胞膜的運轉狀態(tài)。升高見于惡性腫瘤、脫髓鞘、炎癥或者其他能導致細胞膜破壞（軸突損傷）的各種病變［5］。

④Glx：化學位移大約位于2．1～2．5ppm，有時見于3．5～3．8ppm，波峰是Gln、Glu和GABA的復合物，Glu和Gln在一系列復雜的能量代謝中保持著動態(tài)的平衡，而在神經(jīng)元和星形膠質細胞中則是獨立的。Glu是一種興奮性氨基酸，是抑制性神經(jīng)遞質GABA的前體，具有興奮毒性作用，并參與腦內(nèi)氨的解毒，在腦組織缺血缺氧和肝性腦病時增高；Gln有滅活和調節(jié)神經(jīng)遞質的作用；GABA參與一系列神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機制，如癲癇、精神分裂癥等［6］。

⑤mI：化學位移大約位于3．56ppm，有時在4．06ppm處可見，是腦內(nèi)神經(jīng)膠質細胞的標志物；參與細胞滲透壓的調節(jié)、細胞內(nèi)第二信使的生成、肝臟和顱腦的解毒等過程。含量的升高與病灶內(nèi)（尤其是慢性病灶內(nèi)）的膠質增生有關。另外，腦內(nèi)還會出現(xiàn)Lac、Lip、丙氨酸（alanine，Ala）等。Lac是能量代謝的低能通路、葡萄糖無氧酵解的產(chǎn)物，以及細胞能量代謝缺乏的指標，Lac峰的出現(xiàn)常提示正常細胞的有氧代謝不能正常進行，周圍組織出現(xiàn)缺血、缺氧甚至占位性病變。

2．2 顱內(nèi)常見臨床疾病的1H-MRS表現(xiàn) MRS主要應用于腦腫瘤、癲癇、脫髓鞘病變、感染性疾病、神經(jīng)退行性病變、神經(jīng)皮膚綜合征和畸形、顱腦損傷、精神異常等疾病的診斷和鑒別診斷。2．2．1 腦腫瘤1H-MRS是研究腦腫瘤物質和能量代謝的有效方法，有助于腦腫瘤的診斷和鑒別診斷，能提供其組織分級、術后復發(fā)和療效評價等信息。腫瘤組織的1H-MRS與正常腦組織有顯著差異［7］：MRS主要表現(xiàn)為NAA、Cr峰下降、Cho、Lac、Lip峰升高（見圖3），其中Cho峰值升高提示膜代謝增加，被認為是顱內(nèi)腫瘤最特異的標記物，與腫瘤的惡性相關；Cr峰隨腫瘤惡性程度的升高有降低趨勢；Lip峰出現(xiàn)于大多數(shù)高級別的腫瘤中，特別是腫瘤壞死區(qū)或鄰近壞死區(qū)；Lac峰多見于多形膠質母細胞瘤中，低級星形細胞瘤中出現(xiàn)此峰則預示腫瘤進一步惡變的可能，兒童腫瘤中則大部分能檢測出Lac。

腫瘤診斷與鑒別診斷：腦膜瘤、轉移瘤的1HMRS顯示NAA和Cr信號部分或完全缺失。另外，腦膜瘤的1H-MRS還常見異常Ala信號。轉移瘤可見特征性的成對共振峰，由可流動脂質產(chǎn)生。低度惡性膠質瘤Cr信號峰和正常腦組織大致相同，而其Cho峰值信號成倍增加，腫瘤內(nèi)還可見小的NAA信號，這與膠質瘤浸潤性生長的特點一致，這說明瘤體內(nèi)仍殘留少量神經(jīng)元。約50%的膠質瘤內(nèi)可見Lac信號，高度惡性膠質瘤部分表現(xiàn)為NAA和Cr峰值顯著降低甚至完全缺乏，部分表現(xiàn)與低度惡性膠質瘤表現(xiàn)相似，出現(xiàn)這種差別的原因是膠質母細胞瘤結構的不均一性，即實體和壞死成分比例的差異。壞死區(qū)，Cho峰值下降而Lac峰值提高，Lac水平提高顯示預后不良，對制定放療計劃非常重要。淋巴瘤可能顯示為Cho峰升高并伴Lip峰明顯增高。初級神經(jīng)外胚層腫瘤典型顯示為mI升高，Cho／Cr和Cho／NAA比率明顯增高，有助于兒童后顱窩腫瘤的術前鑒別診斷。

腫瘤分級提示：1H-MRS對腫瘤分級的精確性高于盲目活檢，在區(qū)別良、惡性腫瘤方面，1H-MRS的敏感性、特異性和準確性分別為100%、86%和96%［8］。Cho／Cr、Lac／Cr比率升高，則惡性程度越高；典型的Lip峰見于高度惡性并伴有壞死的腫瘤，但在低度惡性腫瘤中也有可能出現(xiàn)；NAA峰和Cr峰在惡性程度高的腫瘤中峰值降低最明顯；mI／Cr在低度惡性腫瘤中高于高度惡性腫瘤。

評估腫瘤浸潤及進展：1H-MRS能對T2WI或T2－FLAIR上環(huán)繞腫瘤的高信號區(qū)可能代表血管源性水腫、腫瘤的浸潤和治療所致的異常作出精確的評價。連續(xù)的1H-MRS檢查可用于隨診膠質瘤的進展［9］，腫瘤進展以Cho水平的增加＞45%為特征，未進展的腫瘤則Cho水平降低，不變或增高＜35%。

評價治療反應：典型放射性壞死見于放療后約6個月內(nèi)，其特征為Cho峰值降低和Lip、Lac峰值升高或為正常的頻譜形式。而Cho峰和Cho／NAA值的升高則提示腫瘤復發(fā)，比對比增強顯示的異常表現(xiàn)要早1～2個月［10］。未放療區(qū)域由于膠質增生可有Cho和／（或）mI峰值增高，隨診對準確診斷至關重要。

目前來說，由于導致腫瘤假陽性和假陰性因素的存在，使臨床上所獲得的波譜并非總是對某一種狀態(tài)具有特異性。多種功能性方法聯(lián)合應用可提高病變診斷的精確性，MRI增強掃描和1H-MRS用于指導顱內(nèi)腫瘤的手術中以保證最大程度的切除腫瘤，對于顱內(nèi)腫瘤的外科治療有著非常積極的作用。

2．2．2 腦梗死 急性期，首先出現(xiàn)的異常是急性腦梗死后12h內(nèi)Lac峰值的增高，Lac被認為是梗死開始階段最敏感的標記物，Lac／Cr比率與臨床進程和最后的梗死容積有更好的相關性；梗死發(fā)生后30～60min可見NAA峰值下降［11］。

亞急性和慢性期，隨著梗死的進程，Lac峰值每周下降36%，直到晚期開始正?；?；慢性期，重現(xiàn)低水平的Lac峰，出現(xiàn)Lip峰，NAA、Cho和Cr峰值隨時間下降，Glx峰值可升高。

2．2．3 感染性病變 腦膿腫，可見琥珀酸鹽（Succinate）、醋酸鹽（Acetate）峰，與其他囊性病變具有鑒別意義；NAA、Cho、Cr峰明顯降低或缺如，Lac、Lip、Ala峰升高。

腦炎：病灶區(qū)NAA、Cr含量降低，Cho含量增高，伴隨mI增加可提示感染，mI和mI／Cr比率的升高是腦炎中常見的表現(xiàn)，有學者［12］認為NAA／Cho比值更能反映病毒性腦炎時神經(jīng)細胞的受損程度，比值越低，腦損傷越重。

腦內(nèi)結核瘤：腦內(nèi)結核瘤1H-MRS表現(xiàn)為僅有Lip峰出現(xiàn)，并伴有無意義的分散頻譜，有助于診斷MRI上不易與其他腫瘤鑒別的結核球。

2．2．4 脫髓鞘性病變1H-MRS可以鑒別反復發(fā)作型和繼發(fā)進展型的多發(fā)性硬化。隨訪病變的進程，檢測治療反應，NAA／Cr、NAA／Cho比率的降低，在白質正常的繼發(fā)進展型患者中更為明顯。

急性和慢性斑塊的鑒別：急性斑塊，Cho峰、Cho／Cr比值升高，Lip峰升高可持續(xù)6個月，NAA峰下降，NAA／Cr比值、Cr峰明顯下降，mI、Lac含量常升高，經(jīng)過一段時間恢復，部分患者NAA峰幾乎正常。慢性斑塊，Cho峰、Cho／Cr比值有正?；厔?，Lac、Lip信號消失，NAA峰和NAA／Cr比值下降是慢性斑塊的特征。

2．2．5 癲癇 臨床傾向于將NAA／Cho＋Cr的比值作為定側或判定異常的標志［13］。正常人NAA／Cho＋Cr值的下限為0．72，兩側差值＞9%或雙側較正常對照組明顯降低均為異常，NAA／Cho＋Cr的定側敏感性為75%～88%，準確率為83%～97%，特異性達100%；NAA峰值降低，NAA的減少說明癲癇灶內(nèi)神經(jīng)元的缺失、受損或功能活動異常；Lac及Lip峰可出現(xiàn)；Cr和Cho峰值升高反映膠質細胞的增生。此外，1H-MRS還可用于測定與癲癇活動有關的神經(jīng)遞質，GABA、Gln和Glu。

2．2．6 神經(jīng)退行性疾病 NAA降低可以敏感、精確的反映Alzherimer病中神經(jīng)元脫失的情況，通常，患者NAA峰值明顯下降，mI水平升高，與癡呆的程度及持續(xù)時間密切相關，灰質的NAA／mI比率可以鑒別Alzherimer病與正常腦組織。

2．2．7 缺氧缺血性腦病 特征性的表現(xiàn)為在1．3ppm處出現(xiàn)雙峰狀的Lac，常根據(jù)Lac／Cr比值的不同將缺氧缺血性腦病進行輕、中、重分級（Lac／Cr比率＜0．5為輕度，0．5～1．5為中度，＞1．5為重度）［14］。NAA、Cr峰值降低，GLx峰值明顯升高，mI波峰升高，Cho無顯著的波形變化。

2．2．8 其他 除了上述臨床應用外，MRS在腦代謝性疾病、系統(tǒng)性疾病的腦部異常、神經(jīng)皮膚綜合征和畸形、顱腦外傷的預后評價等多個領域都具有重要價值，如非酮性高甘氨酸血癥患兒的1H-MRS可見多余Ala信號。

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圖1 磁共振波譜的譜線 標準的譜線基線平穩(wěn)，其中波峰所在的橫坐標為化學位移，0ppm是設定的參照物；波峰所在的縱坐標為波峰高度，圖中灰色區(qū)域稱為峰下面積，此2個參數(shù)與化合物的濃度成正比；譜線峰高一半時的寬度稱為線寬；化合物的化學結構中具有共價鍵，形成J偶聯(lián)，表現(xiàn)為雙峰或多峰，不同物質其偶聯(lián)常數(shù)（為頻率差）恒定，有助于化合物的識別 圖2 正常腦白質的1 H－MRS譜線（TE 30ms）譜線顯示的代謝物主要是NAA、Cr、Cho、mI、Glx。1 H-MRS譜線判讀首先用肉眼觀察譜線質量，擬和是否準確，有無偽影出現(xiàn)等，通常由譜線的右側向左側依次觀察各代謝物在特定頻率上的1個或幾個峰。短TE時間的譜線上顯示的代謝物峰明顯多于長TE采集的譜線，可以采集到NAA（2．0ppm）、Glx（2．1～2．5ppm）、Cr（3．0ppm和3．9ppm）、Cho（3．2ppm）、mI（3．6ppm） 圖3 男，78歲，顳葉膠質母細胞瘤，在腫瘤增強部位的周圍，1 H-MRS譜線（TE 144ms）顯示：Cho值明顯升高，NAA值明顯下降

（待續(xù)）