磁共振功能成像的临床应用完善版.ppt

磁共振功能成像的临床应用,1,1,历史,2,2,1945年由美国斯坦福大学的Bloch和哈佛大学的Purcell教授同时发现了磁共振的物理现象，即处在某一静磁场中的原子核受到相应频率的电磁波作用时，在它们的核能级之间发生共振跃迁现象。 1971年纽约州立大学的 Damadian 教授在Science杂志上发表了题为“核磁共振信号可检测疾病”和“癌组织中氢的T1时间延长”等论文。 1973年 Mansfields 研制出脉冲梯度法选择成像断层。 1974年英国科学家研制成功组织内磁共振光谱仪。 1975年 Ernst 研制出相位编码成像方法。 1976年，得到了第一张人体MR图像（活体手指）。 1977年磁共振成像技术进入体层摄影实验阶段。,fMRI分类,3,3,4,4,扩散加权成像 Diffusion Weighted Imaging（DWI）,基本概念,5,5,弥散（diffusion）： 也称扩散，是描述小分子在组织中微观运动的物理概念，是分子等微观颗粒由高浓度向低浓度弥散的微观移动，即布朗运动，单位为mm2/s。分为三类，即细胞外扩散，细胞内扩散，跨膜扩散。 受限弥散（limited diffusion）： 弥散运动将使溶液系统中的浓度梯度逐渐消失。但是，在生物体中细胞内外或小器官内外却能保持不同的化学环境，这是由细胞膜的屏障作用决定的，也就是说，膜有阻碍分子自由通过的功能，从而使有些分子的跨膜弥散受到限制。受限弥散构成了弥散成像的基础。,6,6,弥散系数（diffusion coefficient，D） 表示分子的弥散程度，是指水分子单位时间内弥散的范围，单位为 mm2/s， D值越大，弥散的速率越大，反之则变小。D值对许多物理和生理因素均十分 敏感，在体内这个复杂的环境中心跳、脉搏、呼吸、血液灌注等自主或不自主运 动都可以引起DWI信号减弱，因而在临床实际应用中常用能够反应整体组织结构特 征的表观扩散系数（ADC）来代替扩散系数D. 表观扩散系数(Apparent Diffusion Coefficient, ADC) 在弥散加权成像上，弥散加权的程度由弥散敏感因子（用b表示）决定，单位为s/mm2。 ADC= Ln(S2-S1)/(b1-b2)，S1、S2是不同为弥散敏感因子（b1、b2）下的信号强度，Ln为自 然对数。ADC值增大，代表水分子弥散增加，而DWI信号降低，反之亦然。,8,8,是无创探测活体组织中水分子扩散的唯一方法 信号来源于组织中的自由水 结合水尽管活动受限，但仍不能产生信号 不同组织对自由水扩散限制程度不同产生DWI对比，是检测组织中自由水限制性扩散的程度 自由水扩散越自由信号丢失多，DWI信号越低 自由水扩散越受限信号丢失少，DWI信号越高,临床应用,9,9,由于脑组织成分均匀，比其他部位发生的运动伪影少，因而DWI首先在脑部应用。弥散成像已用于脑梗塞、脑肿瘤、多发性动脉硬化症以及其他病理变化的研究中。,10,10,1.脑梗塞 脑梗死超急性期（6h），由于急性缺血、缺氧，钠-钾泵功能失调，水分子从细胞外进入细胞内，从而产生细胞毒性水肿，水分子弥散受限，ADC值下降，DWI呈高信号。超急性脑梗死的ADC下降主要与细胞毒性水肿有关，要比反映血管源性水肿的T2WI高信号早得多。血管源性水肿是由于血脑屏障破坏，血浆由血管内漏出进入细胞外间隙引起的。人脑脑梗死显示DWI上异常信号的最早时间11min.,超急性期脑梗死（6h）,11,11,脑梗死超急性期，常规MRI表现正常，而DWI高信号。,急性期脑梗死（24h）,12,12,脑梗死急性期（6h3d），T2呈稍高信号，DWI上梗死信号进一步升高，ADC值下降。,亚急性期（10d）,13,13,亚急性期（3d3周），随着血管源性水肿的加重及细胞裂解，细胞外间隙水分增多，弥散速度加快，直到与脑组织相同（10d左右），ADC值逐渐增加，达到并高于正常值，期间在ADC图上梗死灶可以表现为等信号，出现“假性正常化”。,慢性期（3m）,14,14,慢性期（3周3个月），梗死区发生软化，产生快速弥散，ADC值可逐渐接近脑脊液，在DWI上表现为低信号，ADC图上类似脑脊液的高信号。,脑梗塞的演变过程,15,15,早期梗死：ADC起决定作用，DWI为高信号。 亚急性期：血管源性水肿明显，ADC有所升高，但T2对比度对DWI有很大作用。 后期： T2对DWI的贡献无变化，但ADC明显升高，使DWI的信号下降。,16,16,2.颅内环形强化病变的鉴别诊断 脑脓肿和囊变、坏死为主的胶质瘤和脑转移瘤在临床表现及常规MRI上有时缺乏特征性。二者均可表现为T1低信号，T2高信号，增强后囊壁呈均一或不规则的环状强化，并有不同程度的占位效应均周围水肿，有时难以鉴别。,17,17,脑脓肿脓液具有高度粘滞性，含有大量细菌、炎性细胞、细胞碎屑和蛋白复合物，限制了水分子的随机运动，DWI表现为高信号，ADC值降低。而肿瘤的坏死或囊腔内通常包含坏死肿瘤细胞的碎屑、细胞碎片、炎性细胞等，黏液性成分含量较少，富含浆液性液体，其内水分子扩散运动增加，DWI表现为低信号，ADC图为高信号。,18,18,19,19,值得注意的是，文献中有转移瘤及放射性坏死DWI上呈高信号的个案报道，也有由于脓肿形成、成熟及液化，脑脓肿的DWI信号强度及ADC值明显变化的情况。尽管如此，DWI在鉴别脑脓肿和脑肿瘤囊变坏死仍有具有重要的价值。,20,20,3.颅脑囊性病变的鉴别诊断 颅内表皮样囊肿和蛛网膜囊肿均可发生在鞍区、桥小脑角区、松果体区和脑室内，均可呈脑脊液信号，常规MR检查有时区别困难。,21,21,蛛网膜囊肿,表皮样囊肿,22,22,蛛网膜囊肿,表皮样囊肿,23,23,表皮样囊肿囊腔内为含有上皮碎屑、角蛋白、胆固醇结晶及其他脂质成分的豆渣样油腻液体，粘稠度极高，水分子弥散受限。蛛网膜囊肿是脑脊液被包围在蛛网膜所形成的袋状结构，水分子运动相对自由，DWI呈低信号。,4. 在评价弥漫性轴索损伤中的价值 头部受到切线方向暴力时，脑组织绕中轴发生旋转运动，导致脑白质、灰白质交界区和中线结构等部位的撕裂和轴索损伤，主要累及皮髓质交界区，胼胝体压部，深部灰质及脑干。 其特点为：广泛性白质变性，小灶性出血，神经轴索回缩球，小胶质细胞簇出现，常与其他颅脑损伤合并，死亡率高。,DWI和ADC均表现为高信号，提示病变为血管源性水肿，病变可逆。 DWI高信号，ADC低信号，提示病变为细胞毒性水肿，恢复困难。 DWI、ADC表现各异，病变为各种不同时期的出血，预后较差。,弥漫性轴索损伤：细胞毒性水肿，恢复困难,5. 全身DWI成像 将扩散加权成像结合STIR、回波平面成像(echo planar imaging，EPI)等技术，进行全身扩散加权成像，即背景抑制全身扩散加权成像(diffusion weighted whole body imaging with background body signal suppression，DWIBS)，一次检查可完成全身成像，抑制正常背景组织信号，凸现异常病变信号，直观地显示恶性肿瘤原发及全身转移灶，使恶性肿瘤筛查和鉴别诊断以及放、化疗后的随访检查成为可能。,29,29,扩散张量成像 Diffusion Tensor Imaging（DTI）,原理,30,30,弥散张量成像是弥散成像（DWI）的高阶形成。DTI是以DWI为基础的，不过是扫描了更多扩散敏感梯度方向的DWI。在神经纤维组织，水分子因受髓鞘、轴索排列方式等影响，表现为沿纤维走行方向的扩散比与其垂直方向更容易。且在脑内不同组织的神经纤维上各向异性不同，如胼胝体、椎体束、内囊前肢、半卵圆中心的各向异性依次降低，可以利用水分子弥散的各向异性来追踪纤维的走行。,临床应用,31,31,白质纤维束示踪成像（fiber tractography）,32,32,显示白质纤维和肿瘤的相互关系，利于指导外科手术，这是DTI技术最有临床价值和应用的前景。,33,33,灌注加权成像 Perfusion Weighted Imaging（PWI）,基本概念,34,34,脑血流量(cerebral blood flow, CBF)：指在单位时间内流经一定量组织血管结构的血流量。 脑血容量（cerebral blood volume，CBV）：指存在于一定量组织血管结构内的血容量。CBV=CBF*MTT：CBV降低=低灌注 ，升高=高灌注。 平均通过时间(mean transit time, MTT)：指血液流经血管结构时,包括动脉、毛细血管、静脉窦、静脉，所经过的路径不同，其通过时间也不同，因此用平均通过时间表示，主要反映的是对比剂通过兴趣区脑组织的平均时间。 峰值时间（Transit time to the peak，TTP）：指从对比剂开始出现到对比剂达峰值的时间。 rCBF、rCBV、rMTT、rTTP,原理,35,35,注入顺磁性造影剂如Gd-DTPA，血管腔内的磁敏感性增加，在局部产生梯度场，导致磁场不均匀，进而引起邻近氢质子共振频率改变，使质子自旋失相位，T2值缩短，从而使得T2WI信号强度降低。采用快速成像序列，获得对比剂首次通过受检组织前、通过中和通过后一段时间内的一系列动态图像，从而评价组织的血流灌注情况。,应用,36,36,1.短暂性脑缺血发作（transient ischemic attacks，TIA） 指症状持续时间24h的局灶性脑缺血事件，无任何脑梗死的证据。正常成年人的当CBF降低到1020 ml/（100 gmin）或皮层CBF降低到正常的40 %、白质CBF降低到正常的35%时，就引起脑组织的缺血反应。约50%的TIA患者在发病12h内的PWI上存在异常灌注区，主要为TTP或MTT延长。灌注成像技术能发现早期脑缺血区及其血液动力学改变，能在脑缺血后30min即清楚显示缺血区。,37,37,2.急性缺血性脑梗死（ acute ischemic cerebral infarction） PWI的各个参数均可用于急性缺血性梗死的判断，但其意义有一定的区别。CBV图上的异常低灌注区多代表梗死核心，即最终梗死区；CBF图可提供CBV图不能反映的血流动力学改变；CBF图上的异常低灌注区代表缺血组织；MTT图和TTP图对组织的低灌注最敏感，可最大范围显示低灌注组织。急性脑缺血时，PWI参数图上异常范围大小顺序为：MTTCBFCBV.,发病后20h,发病后20h,CT平扫低密度区面积与各参数图低灌注区一致，1周后复查病灶不变，说明低密度区代表因血流灌注减少所致的难以恢复的缺血脑组织。,发病后2h,发病后2h,CBF下降,CBV正常,说明缺血脑组织仍有自身调节功能,脑损伤轻,有可能恢复。,mismatch模型,缺血半暗带（ischemic penumbra，IP）： 定义为围绕在不可逆性损伤区域之外的电生理活动消失，但尚能维持自身离子平衡的脑组织。,match,PWI=DWI，不存在缺血半暗带，不宜溶栓治疗，否则容易出现出血性脑梗塞。,mismatch,DWI显示左侧枕叶脑梗塞，PWI显示的病变范围与DWI完全不匹配，几乎整个左侧大脑半球都出现灌注不足。DWIPWI,是理想的溶栓对象。,mismatch包括如下几种情况： 1. PWIDWI，即PWI所显示的异常区域明显大于DWI所显示者。提示DWI所显示的异常区域可能代表梗死核心，而PWI所显示者可能包括了梗死核心和缺血半暗带。 2. PWI异常，DWI正常。提示血流已有障碍，但还没有下降到造成组织缺血性损伤的程度，若血流得不到恢复，则最终的DWI缺损区与PWI相等。 3. DWI异常，而PWI正常。提示PWI成像时栓塞等所致脑梗死的病因已自行解除，而不表现PWI灌注缺损。 4. DWIPWI，即DWI显示的异常区域大于PWI所显示者。提示可能为梗死核心产生的兴奋性毒物使周围组织发生继发性梗死所致。,3.在脑肿瘤诊断中的应用 肿瘤细胞增殖活跃，导致细胞内葡萄糖降低和缺氧，诱导血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）生成，形成肿瘤血管。新生成的血管迂曲，结构异常，使得肿瘤的CBV和CBF增加，MTT延长。PWI在脑肿瘤的诊断、分级、鉴别诊断、预后评估方面具有重要作用。,肿瘤术前分级,从总体上看，肿瘤恶性程度越高rCBV值越大，即多形胶母间变性星形细胞瘤低级别胶质瘤，灌注成像能够在活体上快速而几乎无创地量化反映组织的血管生成及分布情况，从而达到对胶质瘤分级的目的。,星形细胞瘤 2级,间变性星形细胞瘤 3级,低级别星形细胞肿瘤多为相对低灌注；高级别星形细胞肿瘤多为高灌注。敏感度超过80%，特异度超过90%.,49,49,磁敏感加权成像 Susceptibility Weighted Imaging（SWI）,原理,50,50,SWI是一种利用不同组织间的磁敏感性差异而成像的技术，对小静脉、微出血和铁沉积更敏感。动脉血含氧血红蛋白含有二价铁原子，没有多余的不成对电子。静脉血含去氧血红蛋白，有4个未成对电子。当去氧血红蛋白的铁被氧化成三价铁，有5个未成对电子变成高铁血红蛋白。动静脉内含氧血红蛋白和去氧血红白磁化率不同造成动静脉T2*差异，选择较长的TE时间就可以区分动静脉。,临床应用,海绵状血管瘤,动静脉畸形,毛细血管扩张症,弥漫性轴索损伤（diffuse axonal injury，DAI）,文献报道1,2，DAI微出血灶检出数SWIDWIT2WIT1WI，SWI可以将动脉、静脉、微出血区分开来，清晰显示细小静脉及微出血。有研究表明，脑出血发病后1h甚至23min后，SWI就可以发现病变，说明SWI对急性期、超急性期出血极为敏感，其敏感性明显超过CT及常规MRI序列。,1 LinfanteI，Llinas RH，CaplanLR，et alMRI features of intracerebral hemorrhage within 2 hours from symptomonsetJStroke，199930(11)：22632267 2 Patel MR，Edelman PP，Warach SDetection of hyper acute primary intraparenchymal hemorrhage by magnetic resouance imaging L JStroke，1996，27(12)：23212324,56,56,血氧水平依赖法脑功能成像技术 Blood Oxygenation Level Dependented（BOLD）,原理,57,57,当脑组织兴奋时，局部血管扩张，流入大量含氧丰富的新鲜血液，其携带的含氧血红蛋白远远超过氧的消耗。在给定的任务刺激后，血流量增加，即氧合血红蛋白增加，而脑的局部耗氧量增加不明显，即脱氧血红蛋白含量相对降低。脱氧血红蛋白具有比氧合血红蛋白T2*短的特性，另一方面， 脱氧血红蛋白较强的顺磁性破坏了局部主磁场的均匀性，使得局部脑组织的T2*缩短，这两种效应的共同的结果就是，降低局部磁共振信号强度。由于激活区脱氧血红蛋白相对含量的降低，作用份额减小，使得脑局部的信号强度增加，即获得激活区的功能图像。,临床应用,位于运动皮层的肿瘤由于向周围生长以及水肿等因素，周围正常组织有一定程度的变形移位，造成中央沟及中央前、后沟等手术标志不易分清，手术难度增大，术前对肿瘤及附近功能区皮层进行功能活动MRI检查，能清晰显示肿瘤及附近功能区皮层，对于指导手术及减少术后致残率非常重要。 此外，对吸毒患者采用微创神经外科治疗毁损成瘾中枢、精神分裂症患者、癫痫患者、针灸治疗等方面亦有重要作用。,60,60,磁共振波谱分析 Magnetic Resonance Spectroscopy（MRS）,原理,61,61,磁共振波谱（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS）分析技术是利用MR成像分析体内生化物质结构及含量的一种完全无创的成像方法。其基本原理乃基于化学位移现象。在均匀磁场中，同种元素的同一原子由于其化学结构的差异，拉莫频率也不相同，这种频率差异称为化学位移。MRS实际上就是某种原子的化学位移分布图。其横轴表示化学位移，通常以百分万率（parts per million，ppm）为单位表示，以消除其与磁场强度的依赖性。纵轴表示各种具有不同化学位移的原子的相对含量。临床应用的主要是H质子核的共振谱。,常见代谢产物的1H MRS共振峰,62,62,1NAA（N-acetylaspartate）： 氮-乙酰天门冬氨酸峰。主峰位于2.0ppm处。是神经元的标志。是脑MRS谱峰中最高者，神经元减少，功能受损，肿瘤侵犯时会下降甚至消失。高级别胶质瘤NAA下降；但低级别胶质瘤NAA可正常。 2Cr/Pcr（creatine and phosphocreatine）： 肌酸-磷酸肌酸峰。共振峰位于3.0ppm及3.94ppm，主峰在3.0ppm。包括肌酸、磷酸肌酸及少量-氨基丁酸、赖氨酸及谷胱甘肽。因其含量在各种病理状态下较稳定，故常用作参考值比较其他代谢产物的变化。,63,63,3Cho（choline containing compounds）： 胆碱复合物。包括磷酸胆碱、甘油磷酸胆碱及磷脂酰胆碱等，共振峰位于3.2ppm处，代表细胞增殖活性，被认为是颅内肿瘤最特异的标记物。Cho水平升高和Cho/Cr比率升高强烈提示肿瘤。 4MI（myoinositol）： 肌醇峰。共振峰位于3.56ppm及4.06ppm，其主要作用为调节渗透压、营养细胞、抗氧化作用及生成表面活性物质等。为星形细胞中神经胶质的标记物，髓鞘溶解时升高，肿瘤时多下降。,5Lac（lactate）： 乳酸峰。共振峰位于1.3ppm，来源于葡萄糖的无氧代谢产物乳酸。一般认为，Lac峰升高与恶性或侵袭性很高的肿瘤有关，亦有可能与含坏死组织有关，治疗后出现Lac峰可能与治疗后脑水肿、血脑屏障破坏有关。 6GLX（Gln+Glu）： 谷氨酰胺（glutamine）及谷氨酸（glutamic）复合物峰。共振峰位于2.22.4ppm（+峰）及3.63.8ppm（峰），谷氨酸是一种兴奋性氨基酸，可与氨生成谷氨酰胺而参与脑内氨的解毒作用，同时还是抑制性神经递质-氨基丁酸合成的前体，具有兴奋性作用，在脑组织缺血缺氧状态及肝性脑病时增高。升高多见于脑膜瘤，有助于鉴别颅内脑外和表浅部位的脑内肿瘤。,7Ala（alanine）： 丙氨酸峰。位于1.47ppm，此峰不常出现，脑膜瘤出现的几率为其它肿瘤的4倍。 8Lip（lipid）： 脂质峰。正常脑组织脂质峰可出现于0.8、1.2、1.5及6.0ppm等处，是由甲基、亚甲基、等位基和不饱和脂肪酸的乙烯基组成。若发现异常增高的Lip峰则一般预示着病变的恶性度很高，代表组织坏死后的代谢产物的聚集、游历的脂肪酸、乳酸的产生以及氨基酸的残留等，恶性肿瘤及肿瘤放疗后出现较多。,临床应用,Cho增加，NAA降低,胶质瘤,胶质瘤NAA峰值降低，Cho增高，NAA/Cho、NAA/Cr比值降低，Cho/Cr比值增高。 出现坏死时可见Lac峰，高度恶性胶质瘤中可见脂质峰，这是由于瘤细胞坏死所致。 Cho峰明显增高，这是胶质瘤波谱较为特征的表现。 Cho含量的增加是与临床情况的恶化相平行的。,胶质瘤,肿瘤区域NAA波峰明显下降或不能测出。NAA下降幅度的不同，一方面是由于体素的设定不同及周围组织的容积效应，另一方面肿瘤区域尚有存活的神经元。 由于肿瘤组织的高细胞构成，瘤细胞的破坏及合成较快，细胞膜转换加速，Cho峰明显增高，这是胶质瘤波谱较为特征的表现。Cho含量的增加是与临床情况的恶化相平行的。 由于肿瘤细胞的无氧酵解及不同程度缺血，局部乳酸信号增高，而且乳酸可促进未分化细胞增殖，其信号增强提示肿瘤增长较快，似可提示预后不良。但乳酸峰的存在不能反映肿瘤的良、恶性。 在高度恶性胶质瘤中可见脂质峰，这是由于瘤细胞坏死所致。,2019/3/15,胶质瘤分级,文献报道，以瘤体强化区的代谢物 NAA/Cho0.55为阈值，瘤周水肿区的代谢物 NAA/Cho1.18 为阈值来鉴别高低级别胶质瘤具有很高的灵敏度和特异性,磁共振波谱分析在颅脑胶质瘤分级中的应用研究 文章编号 ：1006-6586(2012)01-0019-07 中图分类号 ： R814.4 文献标识码 ：A,脑转移瘤,脑转移瘤1H MRS表现为无NAA峰值或降低，Cho增高，NAA/Cho、NAA/Cr比值降低或消失，Cho/Cr比值增高。出现坏死时可见Lac峰。脑转移瘤出现Lip峰的几率较高度恶性胶质瘤及淋巴瘤高，有时甚至仅表现为一向上的孤立高峰，有人称之为死亡峰，有一定的特征性。与胶质瘤比较，转移瘤出现mI峰的几率较高。,2019/3/15,脑转移瘤,NAA峰明显下降，且有巨大的LAC峰。,鉴别胶质瘤和转移瘤,转移瘤与高级别胶质瘤在肿瘤实质区的波谱有较多重叠。但通常高级别胶质瘤的瘤周区域NAA/Cho、NAA/Cr明显低于转移瘤者，而Cho/Cr则相反。原因：这是由于两者不同的生长方式所决定的，胶质瘤呈浸润性生长，而转移瘤则呈膨胀性生长。,2019/3/15,鉴别胶质瘤和转移瘤,Smith等*认为脑转移瘤和胶质瘤的区别在于脑转移瘤有清楚边界，瘤体邻近的组织在波谱上无明显异常，胶质瘤在强化区域以外可以显示异常的波谱。,* Smith JK, Castillo M, Kwock L. MR spectroscopy of brain tumors J .Magn Reson Imaging Clin North Am ,2003,11 (3) :415-42,鉴别胶质瘤和放射性坏死,2019/3/15,肿瘤复发区别于放射性坏