1、Clinical applications to central nervous system of magnetic resonance spectroscopy in high strength field李勇李勇* 戴建平戴建平首都醫科大學附屬北京天壇醫院神經影像科首都醫科大學附屬北京天壇醫院神經影像科*2000級研究生級研究生1946年，哈佛大學年，哈佛大學Purcell和斯坦福大學和斯坦福大學Bloch各自獨各自獨立地發現了核磁共振現象，為分子結構的研究提供了立地發現了核磁共振現象，為分子結構的研究提供了一種全新的手段，也因此獲得一種全新的手段，也因此獲得1952年諾貝爾物理學獎。年

2、諾貝爾物理學獎。1971年年Damadian發現腫瘤組織的發現腫瘤組織的T1和和T2值比正常組值比正常組織長。織長。1973年年Lauterbur得到了兩個充水試管的核磁共振圖得到了兩個充水試管的核磁共振圖像，并在像，并在1974年得到活鼠的核磁共振圖像。年得到活鼠的核磁共振圖像。1978年年Mallard、Hutchison及及Lauterbur利用利用0.040.085 Tesla的磁共振裝備取得了第一幅人體頭、的磁共振裝備取得了第一幅人體頭、胸和腹部圖像。胸和腹部圖像。磁共振成像的發展磁共振成像的發展生物組織中含有生物組織中含有1H、13C、19F、23Na、31P等元等元素，有磁性的元

3、素有百余種。素，有磁性的元素有百余種。在現今，研究和使用的最多的是在現今，研究和使用的最多的是1H。1H是磁化最高的原子核，可以得到較強的信號（即是磁化最高的原子核，可以得到較強的信號（即SNR高）；高）；1H占活體組織中原子數的占活體組織中原子數的2/3，數量豐富。，數量豐富。MRI時，均指的是時，均指的是1H原子核。原子核。MRS應用時，除應用時，除1H外，還用到其它一些元素，外，還用到其它一些元素，如：如：31P可用于判定磷代謝產物的濃度，并可根據無機可用于判定磷代謝產物的濃度，并可根據無機磷波譜的位置，測定磷波譜的位置，測定pH值；值；13C可用于幫助診斷酶缺乏性疾病；可用于幫助診斷酶

4、缺乏性疾病；磁共振成像的原理磁共振成像的原理MRI & & MRS比較比較在本質上，在本質上，MRS與與MRI相同，其物理原理是相相同，其物理原理是相同的；不同的是，數據處理和數據顯示方式的同的；不同的是，數據處理和數據顯示方式的差別；差別；MRI掃描后，一定時域內獲得的信號被用于產掃描后，一定時域內獲得的信號被用于產生一個影像，如矢狀、橫軸和冠狀等；生一個影像，如矢狀、橫軸和冠狀等；MRS掃描后，一定時域內獲得的信號通過快速掃描后，一定時域內獲得的信號通過快速傅立葉轉換（傅立葉轉換（Fourier Transform）產生一個產生一個質子成分按頻率分布的波譜圖，而此波譜圖顯質

5、子成分按頻率分布的波譜圖，而此波譜圖顯示了構成該圖像的各組成成分。示了構成該圖像的各組成成分。MRI獲得的信號是由不同體素內氫核發射的已經在不同的空間方向進行頻率和相位編碼的信號。MRS能以質和量的方式獲取氫原子核化學環境的信息，揭示某部分的質子組成成分。MRI & & MRS比較比較絕大多數原子核都具有圍繞自身軸線做旋轉運動的特性，稱之為自旋特性。原子核是帶電粒子，在做自旋運動時，會在其周圍產生一個微小的磁場，像小磁針一樣，具有南北兩極，其矢量大小用自旋磁矩表示。MRI 的物理基礎的物理基礎原子核在外加磁場中自旋的同時，還以一定的角度圍繞外加磁場方向進行旋轉運動，這種運動稱為

6、進動（precession)。進動頻率亦稱角頻率（ ），取決于外加磁場強度（B）和原子核的旋磁比（ ）： = B。上述方程式稱為拉莫方程（Larmor Equation），其角頻率又稱為拉莫頻率。旋磁比（）是原子核的固有特性，僅與原子核的種類有關。MRI 的物理基礎的物理基礎外加射頻脈沖（Radio Frequency，RF）頻率與原子核拉莫頻率相同時，原子核就會吸收射頻脈沖的能量，從低能量狀態轉變到高能量狀態，產生磁共振現象。對于某種給定的原子核，如氫核，激發所需要的射頻脈沖的頻率與磁場強度成正比，如1.5 Tesla場強下RF頻率為63.86MHz，3.0 Tesla場強下則為137.72

7、MHz。MRI 的物理基礎的物理基礎對于具有相同原子序數的原子核，即同種對于具有相同原子序數的原子核，即同種元素的同位素，如氫原子核的三種同位素元素的同位素，如氫原子核的三種同位素（氕，氘和氚），即使它們是在理想均勻（氕，氘和氚），即使它們是在理想均勻的磁場中，進行精確地測量，其共振頻率的磁場中，進行精確地測量，其共振頻率也不完全相同，而是在一個較窄的頻率范也不完全相同，而是在一個較窄的頻率范圍內。圍內。這種差異是由于原子核處于不同的化合物這種差異是由于原子核處于不同的化合物中，受到原子核周圍的電子影響所致。中，受到原子核周圍的電子影響所致。MRS 的物理基礎的物理基礎帶負電荷的電子具有與原子

8、核相似的自旋特性，在原子核周圍形成具有屏蔽作用的磁場，這一磁場稱為電子云。電子云的作用使得外加磁場對原子核的作用減弱。這種磁屏蔽作用的大小用屏蔽系數（）表示，被磁屏蔽作用消弱掉的磁場強度為B。這部分磁場（ B ）與外加磁場方向相反，強度與外加磁場強度（B）成正比。MRS 的物理基礎的物理基礎屏蔽系數與原子核的特性（或者說種類）以及原子核所在的化學環境有關。化學環境指的是，原子核所在的分子結構。同一種原子核處在不同的分子結構中，甚至同一個分子結構的不同位置或者不同的基團中，其周圍的電子數和電子分布都將有所不同，因而受到的磁屏蔽作用也不同。MRS 的物理基礎的物理基礎所以，考慮到電子的磁屏蔽作用，

9、拉莫方程應修正為： = （1- ）B。上式表示，處于化合物中的同一種原子核，由于所受磁屏蔽作用的程度不同（即 的大小不同），將具有不同的共振頻率，這就是所謂的化學位移現象（Chemical Shift Phenomenon），也是磁共振波譜成像的基礎。MRS 的物理基礎的物理基礎化學位移（chemical shift）用于表示化合物中各組成成分的原子核共振的波峰位置。實際應用中，此頻率數值并非用其絕對值（Hz，赫茲）表示，而是用一個相對值ppm表示。化學位移的表示方法化學位移的表示方法=（ f - fr ）/ f106 ppm其中，表示化學位移， f表示被測原子核的共振頻率， fr表示中心拉莫

10、頻率, ppm表示百萬分之一。上式可反映不同化學環境屏蔽系數的差別。 是一個相對值，與外加磁場強度的大小無關，是非磁場依賴性的。化學位移的表示方法化學位移的表示方法對于指定的MRI/MRS一體化掃描機器，其磁場強度是一定的。利用頻率連續的RF脈沖激勵選定區域的組織，處于不同化學環境的同類原子核會以不同的頻率發生共振。在RF脈沖停止激勵后，組織弛豫過程所產生信號的頻率也是連續的。磁共振波譜圖磁共振波譜圖將接收線圈接收到的磁共振信號通過傅立葉轉換，描繪成直角坐標中按頻率分布的按頻率分布的函數曲線函數曲線，就得到磁共振波譜圖。其中，縱坐標表示信號強度信號強度，橫坐標表示共共振頻率振頻率。磁共振波譜圖

11、磁共振波譜圖MRS測定的含1H基團1H MRS可測定的活體組織代謝物分子基團：甲基（CH3-）：位于脂肪酸末端、乳酸、NAA、N-乙酰糖蛋白和膽堿；次甲基（-CH2-）：位于脂肪酸、谷氨酸、-氨基丁酸、肌酸和丙三醇羥基等；乙醇基（H-C-OH）：多位于糖中，如葡萄糖、肌醇；乙烯基或烴：位于飽和脂肪酸。1H MRS測定的代謝物及其臨床含義N-乙酰基天門冬氨酸（NAA）正常腦組織1H MRS中的第一大峰，位于2.02-2.05ppm；與蛋白質和脂肪合成，維持細胞內陽離子濃度以及鉀、鈉、鈣等陽離子通過細胞和維持神經膜的興奮性有關；僅存在于神經元內，而不會出現于膠質細胞，是神經元密度和生存的標志；含量

12、多少反映神經元的功能狀況，降低的程度反映了其受損的大小。1H MRS測定的代謝物及其臨床含義肌酸（Cr）正常腦組織1H MRS中的第二大峰，位于3.03ppm附近，有時在3.94ppm 處可見其附加峰（PCr）；此峰由肌酸、磷酸肌酸、-氨基丁酸、賴氨酸和谷胱甘肽共同組成；此代謝物是腦細胞能量依賴系統的標志；能量代謝的提示物，在低代謝狀態下增加，而在高代謝狀態下減低；峰值一般較穩定，常作為其它代謝物信號強度的參照物。1H MRS測定的代謝物及其臨床含義膽堿（Cho）位于3. 2 ppm附近；由磷酸膽堿、磷酸甘油膽堿、磷脂酰膽堿組成，反映腦內的總膽堿量；細胞膜磷脂代謝的成分之一，參與細胞膜的合成和

13、蛻變，從而反映細胞膜的更新；Cho峰是評價腦腫瘤的重要共振峰之一，腫瘤快速的細胞分裂導致細胞膜轉換和細胞增殖加快，從而使Cho峰增高；Cho峰在幾乎所有的原發和繼發性腦腫瘤中都升高；惡性程度高的腫瘤中，Cho/Cr比值顯示增高。1H MRS測定的代謝物及其臨床含義乳酸（Lac）位于1.32ppm，由兩個共振峰組成，稱為雙重線；正常情況下，細胞代謝以有氧代謝為主，檢測不到Lac峰，或只檢測到微量；此峰出現說明細胞內有氧呼吸被抑制，糖酵解過程加強；腦腫瘤中，Lac出現提示惡性程度較高，常見于多形膠質母細胞瘤中；Lac也可以積聚于無代謝的囊腫和壞死區內；脂質（Lip）位于1.3、0.9、1.5和6.

14、0 ppm處，分布代表甲基、亞甲基、等位基和不飽和脂肪酸的乙烯基；共振頻率與Lac相似，可以遮蔽Lac峰；此峰多見于壞死腦腫瘤中，其出現提示壞死的存在；1H MRS測定的代謝物及其臨床含義肌醇（mI）位于3.56 ppm，可以用STEAM技術顯示；此代謝物被認為是激素敏感性神經受體的代謝物，可能是葡萄糖醛酸的前體；mI含量的升高與病灶內（尤其是慢性病灶內）的膠質增生有關；有研究認為，在低高級星形細胞瘤中，此峰隨著腫瘤惡性程度的增加而增高；1H MRS測定的代謝物及其臨床含義丙氨酸（Ala）位于1.3-1.44 ppm，常被Lac和Lip峰所遮蓋，其功能尚不肯定；谷氨酸（Glu）和谷氨酰胺（Gl

15、n）位于2.1-2.5 ppm；Glu是一種興奮性神經遞質，在線粒體代謝中具有重要功能；Gln參與神經遞質的滅活和調節活動；1H MRS測定的代謝物及其臨床含義腦腫瘤膠質瘤表現為NAA峰下降、Cho峰升高，Cr峰稍有變化。Cho峰的升高與腫瘤的惡性相關；Cr峰隨腫瘤惡性程度的升高有降低趨勢；Lip峰出現于大多數高級別的腫瘤中，特別是腫瘤壞死區或鄰近壞死區；Lac峰多見于多形膠質母細胞瘤中，低級星形細胞瘤中出現此峰則預示腫瘤進一步惡變的可能；顱內常見臨床疾病的1H MRS表現腦梗死31P波譜可見PCr和ATP下降，Pi升高， PCr/ Pi下降出現于ATP之前；1H波譜可見NAA下降，Lac增加

16、，Cho和Cr下降；顱內常見臨床疾病的1H MRS表現感染性病變NAA、Cho、Cr明顯下降；Lac、Lip增加，有時見aa增加；顱內常見臨床疾病的1H MRS表現顱內常見臨床疾病的1H MRS表現脫髓鞘性病變急性強化病灶Cho含量升高，NAA含量相對正常；mI含量常升高；慢性非強化病灶NAA，Cho含量均下降，程度不一；mI含量升高，尤其是在慢性繼發型MS；顱內常見臨床疾病的1H MRS表現腦代謝性疾病非酮性高甘氨酸血癥，腦MRS可見多余甘氨酸信號;線粒體疾病，MRS表現為信號減低和異常乳酸信號(氧化磷酸化障礙而致乳酸堆積);氏病人可見特異性信號升高。顱內常見臨床疾病的1H MRS表現癲癇濃度與額葉、顳葉癲癇發作頻率呈負相關；隨著發作頻率的增加,呈逐漸下降的趨勢,研究表明癲癇發作越頻繁神經元喪失或功能缺失越嚴重。肌酸()和膽堿()峰值升高；與(+)的比值降低提示海馬硬化；1 還可用于測定與癲癇活動有關的神經遞質: 氨基丁酸()、谷氨酸()和谷胺酰鹽()。顱內常見病變的代謝物特征疾病 NAA Cr Cho Lac Lip aa腫瘤 - - -膿腫 梗死 - - -