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第八章神经系统显像 1 神经系统 特别是大脑 其复杂性和重要性是不言而喻的 脑神经科学是当今生物科学研究领域的前沿 脑血管病变 阿尔茨海默病 帕金森病等为脑常见疾病 由于缺乏对这些病病因及发病机制的认识 至今尚无理想的预防和治疗方法 2 第一节概述 中枢神经系统 脑 脊髓 脑 大脑 小脑 间脑 丘脑和下丘脑 和脑干 大脑分为左右半球 表浅为脑灰质 脑皮质 由神经元组成 皮质下深层为脑白质 由传递信息的神经细胞和纤维组成 连接不同部位的皮质区 胼胝体为连接两侧大脑半球的纤维 大脑灰质 额叶 颞叶 顶叶 枕叶 3 4 5 爱因斯坦的大脑 6 额叶 运动中枢 高级神经活动中枢 颞叶 听力 语言 记忆和学习 顶叶 感觉中枢 枕叶 视觉中枢 7 大脑深部对称的神经核团称为基底节 包括豆状核 壳核及苍白球 与尾核 运动行为的调控 小脑 维持平衡和肌张力的协调中枢 丘脑 感觉传递 下丘脑 内脏神经系统与内分泌系统的调控中心 脑干 中脑 脑桥和延髓组成 是循环和呼吸中枢 向上续于间脑 向下连接脊髓 8 大脑的代谢 非常活跃 需要连续供应氧与葡萄糖 人脑的平均重量为体重的2 但脑耗氧量占人体总耗氧的20 脑组织对血供十分敏感 即使短暂缺氧 就可能造成脑细胞永久损伤 葡萄糖是最主要的能源 通过测定脑局部葡萄糖利用率 可反映神经元的活性 9 血 脑脊液屏障 BBB 功能 防止有害物质进入大脑 结构 三层隔膜 毛细血管内皮细胞 基膜 胶质膜 胶质细胞构成 10 神经组织主要包括神经元和神经胶质细胞 神经元 是高度分化并可传递信息的细胞 神经胶质细胞 遍布于神经元周围 没有传导神经冲动的功能 但构成神经元生长 分化和功能活动的微环境 突触 是神经元之间 神经元与非神经元之间的连接部分 神经元受刺激传至突触前膜 释放神经递质 使突触后结构产生兴奋或抑制作用 11 第二节脑血流灌注显像 核素脑显像的临床应用进展主要取决于显像设备及显像剂的进展 1 照相机脑显像阶段 又称普通脑显像 所用显像剂通过正常BBB 当神经系统病变导致BBB破坏 病变局部出现显像剂浓集 后被CT MR取代 2 SPECT脑显像阶段 20世纪80年代用于临床 主要应用99Tcm HMPAO等显像剂进行脑血流灌注显像 其特点 显像剂可以通过正常BBB 反映脑功能方面的变化 3 PET脑显像阶段 生理生化 功能代谢和 或基因成像阶段 90年代以来 PET走出研究机构进入进入临床应用 与此同时 11C 13N 15O 18F等正电子等核素的应用 直接反映体内的生理生化特性 12 一 原理及显像剂 脑血流灌注显像的原理主要取决于显像剂的特征 理想的脑血流灌注显像剂可以通过正常的BBB 具有脂溶性 电中性 分子量小的特点 在脑内的发布与局部脑血流 rCBF 成正比 经BBB进入脑细胞后 在酶的作用下 发生水解 脱羧 失去电中性或构型转化等 不能反向通过BBB而在脑细胞内稳定滞留 13 一 SPECT显像剂 1 99Tcm ECD 双半胱乙酯 特点 体外稳定性好 体内清除较快 脑 非脑组织比值较高 图像质量好 不足 脑内分布随时间有轻微变化 2 99Tcm HMPAO 六甲基丙胺肟 特点 脑内分布相对稳定 不足 体外稳定性差 必须在标记后30分钟内注入体内 国内使用99Tcm ECD较为普遍 14 3 123I IMP 安菲他明 特点 脑细胞摄取率高 其进入脑组织量与局部脑血流线性关系好 肺摄取的123I IMP不断释放入血使脑组织再摄取 出现所谓 再分布 现象 其在体内的代谢特点有利于进行局部脑血流的定量分析并可反映受损脑组织的存活能力 不足 123I系加速器生产 价格昂贵 国内应用较少 4 133Xe 特点 一种脂溶性惰性气体 以弥散方式自由出入BBB 能够进行局脑血流的绝对定量 不足 脑内滞留时间短 普通SPECT难以获得高质量图像 15 二 PET显像剂 1 15O H2O半衰期仅2分钟 需回旋加速器在线生产 可在短期内对同一患者进行反复检查 脑组织摄取量与局部脑血流呈线性关系 是目前公认的进行rCBG定量测定的 金标准 2 13NH3 2O需加速器生产 半衰期10分钟 静脉注射后血浆清除率快 人脑对显像剂摄取迅速 且在脑内滞留时间较长 图像质量明显优于SPECT 为性能 价格比较高的PET用脑血流显像剂 16 二 操作方法 1 受检者准备 使用123I IMP时 需用复方碘溶液封闭甲状腺 一般在检查前 天开始服用 检查后仍需服用 天 99Tcm HMPAO或99Tcm ECD时 注射前 分钟 小时令受检者空腹口服过氯酸钾400mg 以封闭甲状腺 脉络丛和鼻粘膜 减少99TcmO4 的吸收和分泌 使用133Xe时 接通呼吸机 将呼吸面罩戴在口鼻上 适当加压确保密封性 以防止133Xe泄漏 17 三 图像分析 显像剂在脑内的分布反映了脑血流灌注和脑细胞功能状态 脑血流显像用横断面 冠状面和矢状面图像显示 正常脑血流灌注图像 大脑左右两侧半球放射性分布基本对称 皮层各叶 基底神经节 丘脑 脑干及小脑较浓 其中小脑 基底节及枕叶视觉皮层因局部血流量多而更为明显 脑白质因主要是神经纤维以及脑室系统 放射性分布明显稀疏 18 19 异常影像 灰质局部放射性分布缺损 稀疏或浓聚 两侧脑半球显像剂分布不对称 白质区扩大和脑中线偏移 脑结构紊乱 注意 上述异常表现不代表某种疾病 不同疾病只要引起脑血流障碍 可能会有相同征象 需要结合临床分析 至少两个断面 存在一个以上放射性分布异常稀疏或缺损可视为异常 20 第三节脑代谢显像 脑大小十分旺盛 包括能量代谢 由于脑组织不能储存能量 所以需要连续不断地供应氧气和葡萄糖以及与细胞增殖 修复有关的氨基酸代谢等 21 一 糖代谢 18F FDG 氟代脱氧葡萄糖 葡萄糖几乎是脑细胞能量代谢的唯一来源 18F FDG 具有为葡萄糖类似物 具有与葡萄糖相同的转运和己糖激酶磷酸化过程 但转化为18F FDG 6 P后不再参与葡萄糖进一步代谢而滞留于脑细胞内 受检者需禁食4小时以上 静脉注射18F FDG185 370MBq 5 10mCi 后40 60分钟进行脑葡萄糖代谢显像 22 二 氧代谢 15O2 C15O2 常用的是15O2气体 脑耗氧量是反映人脑功能的一个重要指标 受检者吸入15O2后 立刻进行PET动态显像 可得到脑氧代谢率 cerebralmetabolicrateofoxygen CMRO2 用于研究葡萄糖代谢与氧代谢之间的关系 23 三 氨基酸代谢 氨基酸代谢显像主要是反映脑内蛋白质合成代谢水平 肿瘤细胞在糖代谢旺盛的同时 对氨基酸的转运速度加快 以满足细胞增殖的需要 11C MET 甲基 L 蛋氨酸 11C TYR 络氨酸 18F FET 氟代乙基络氨酸 123I IMT 碘代甲基酪氨酸 等为代表性显像剂 目前临床常用的11C MET MET在脑肿瘤组织学分级及评价预后方面优于FDG 24 四 胆碱与嘧啶代谢 11C 胆碱 11C CH 11C Cho 特异性转运体进入细胞代谢途径 胆碱 胞嘧啶二磷酸胆碱 磷脂酰胆碱 终末产物 整合到细胞膜上 细胞对于胆碱的摄取速度反映了细胞膜的合成速度 因而可作为肿瘤细胞增殖 细胞分裂的指标 是直接或间接反映肿瘤细胞增殖 细胞分裂的示踪剂 较代谢显像更特异 25 第四节脑受体显像 受体是一种存在于活体组织内的能与神经递质或相应配体特异结合的蛋白质 放射性核素标记的神经递质或配体进入人体后能选择性与受体结合 通过PET或SPECT显像显示受体的特定结合位点及其分布 密度和功能 并能定量反映其代谢参数 26 一 多巴胺递质 多巴胺转运蛋白 多巴胺受体显像 多巴胺递质 18F Dopa 多巴胺转运蛋白 99Tcm TRODATA1 11C CIT 多巴胺D2受体 11C Racloprid 显像 帕金森病 Parkinsondisease 又称震颤麻痹 是常见的神经系统变性疾病 病理特征 黑质 多巴胺神经元 黑质 纹状体通路变性 PET可以利用18F Dopa反映多巴胺的合成 11C CIT反映多巴胺在突触间隙的代谢 而11C Raclopride则反映多巴胺D2受体的数目和结合能力 总之 利用PET或SPECT可在不同层面显示帕金森病的特性 27 二 氨基丁酸 苯二氮卓受体 氨基丁酸 苯二氮 受体 11C Flumaazenil 123I Imazenil 这类受体属于脑内抑制性神经递质受体 抑制过程是脑功能活动的一个重要方面 而兴奋和抑制过程的失调是癫痫的生化基础 此类受体显像主要用于原发癫痫和一些神经精神疾病 28 三 生长抑素受体显像 生长抑素受体显像 111In Octreotide 18F Octreotide 99Tcm Octreotide 显像 对于细胞膜上有生长抑素受体的肿瘤 如垂体瘤 神经内分泌瘤 淋巴瘤等进行显像可定位诊断或观察疗效 29 四 乙酰胆碱显像 乙酰胆碱受体 11C Nicotine 显像 主要进行阿尔茨海默病 帕金森病及癫痫病的研究 5 羟色胺受体 76Br 2 Ketanserin 显像用于精神神经疾病的研究 而阿片受体 11C DPN 显像用于镇痛 成瘾方面的研究 30 第五节其他显像 一 脑脊液显像脑脊液 CSF 主要由侧脑室和第三 第四脑室的脉络丛产生 CSF自侧脑室经室间孔流入第三脑室 向下流入中脑导水管及第四脑室 经第四脑室正中孔流入蛛网膜下腔 再经蛛网膜颗粒吸收回入静脉窦血液 CSF包围并支持整个脑及脊髓 有保护脑和脊髓的功能 31 脑脊液显像包括脑池 脑室和蛛网膜下腔显像 脑池显像最常用 腰穿并注入短期不被吸收的物质 最常用为99Tcm DTPA 脑脊液循环正常时 经蛛网膜下腔注射后 脑池显像 脑室不显像 临床用于 交通性脑积水是由于CSF形成过多或循环障碍所致 而脑室和蛛网膜下腔之间的通路并无梗阻 典型的表现为 脑室显影伴脑室放射性潴留 32 2020 1 3 33 二 核素脑血管显像 将小体积 放射性浓度高的显像剂 如99Tcm DTPA 自静脉快速注入 同步启动显像设备进行连续记录 显示显像剂在脑血管内充盈 灌注 清除的全过程 随时间陆续可见颈内动脉 大脑前动脉和中动脉 颅底Willis环等 正常情况下 由于存在BBB 显像剂不能进入脑实质 反之 一旦脑实质见到显像剂 意味着 受损 在病变部位出现浓集 可用于脑死亡诊断 如颈内动脉 大脑前动脉 和中动脉 颅底Willis环始终不显影即可诊断脑死亡 34 第六节神经系统显像的临床应用 一 脑血管病1 TIA短暂性脑缺血发作 起病突然 症状一般在24小时内缓解 是颈动脉或椎基底动脉短暂性血供不足引起 脑组织结构无明显异常改变 神经系统检查及CT和MR检查多无异常 而SPECT脑血流 PET脑血流和脑代谢显像可以发现受累及的供血区出现血流和代谢障碍的征象 35 CT检查阴性 SPECTrCBF见左侧血流灌注减低 36 37 SPECTrCBF示左侧局部脑血流灌注与对侧比较无明显区别 乙酰唑胺药物负荷试验见左侧局部脑血流灌注与对侧比较明显减低 38 2 脑梗死目前临床关心的是脑梗死的超急性期 6小时 诊断 在此期间溶栓治疗效果好 虽然普通CT和常规MR难以诊断 但CT灌注成像和MR灌注成像 弥散成像具有很高的准确性 理论上核素脑血流灌注显像可以早期发现脑梗死 但需要进行显像剂的准备 检查时间长 不适应临床急症患者 主要集中于 脑梗死的研究领域 39 核素血流显像在脑梗死区表现为低灌注区 由于局部代谢产物的淤积对因素引起脑血管扩张 导致梗死区周围出现过度灌注现象 这种过度灌注对于挽救梗死灶中可能存活的组织起到一定作用 40 41 二 癫痫 目前癫痫患者主要依靠药物控制 约20 的病人不能有效控制发作 其中50 的患者适宜手术治疗 但手术治疗确定致痫灶是至关重要的 癫痫患者的电生理检查仍是致痫灶定位的金标准 包括头皮脑电图 EEG 24小时动态EEG 以及侵袭性的深电极EEG和皮层脑电图 EcoG 影像学检查 包括CT MRI f MRI SPECT PET MEG等无创性方法在癫痫灶定位中具有十分重要的作用 但只有在影像结果与电生理一致时才具有可靠性 对于那些仅有脑功能和代谢改变而无形态学改变的病灶 CT和MRI往往不能见到异常 42 PET SPECT在反映脑功能和代谢改变与癫痫关系方面具有明显的优势 常用的方法为脑血流或18F FDG代谢显像 癫痫灶在发作期 脑组织的生理和生化出现明显的变化 脑血流和脑代谢率增加 对氧和葡萄糖的需求亦增加 癫痫发作期间rCBF降低 局部葡萄糖利用率降低 发作间期 呈低血流和低代谢 是因为神经元的缺失和皮质萎缩 发作期病灶呈高代谢 血流灌注明显增加 其原因是发作期对能量需求增加 发作期和发作间期对于颞叶与颞叶外癫痫定位准确率分别为90 和80 43 发作期间歇期CT阴性 44 三 脑肿瘤 胶质瘤 脑膜瘤 垂体腺瘤 脑转移瘤吧 淋巴瘤 目前CT和MR是诊断脑肿瘤最重要的检查手段 MR空间分辨率高 软组织对比好 灰 白质显示明显 MR和CT静脉造影强化技术非常重要 肿瘤或其它脑病变一旦强化表示BBB遭破坏 肿瘤的间接征象 占位效应 水肿 出血和坏死 脑肿瘤的级别与FDG摄取程度正相关 因此 FDG PET可作为CT和MR的补充 提供有关肿瘤级别方面的信息 手术后CT或MR强化检查不容易鉴别瘢痕与肿瘤复发 而FDG相对容易 如与CT或MR图像融合 结果更加精确 45 一 胶质瘤 胶质瘤占脑瘤的50 1988年 NIH确定FDG PET适应症 胶质瘤的分级 复发 1 胶质瘤的分级 神经胶质及其他神经上皮细胞肿瘤FDG代谢与肿瘤分级相关 灰质和白质对FDG的摄取可以作为参照 将肿瘤FDG摄取与对侧白质或皮质比较 进行半定量分析 低级别肿瘤等于或低于白质 高级别肿瘤接近或超过灰质 T WM 肿瘤 白质 和T GM 肿瘤 灰质 比值 T WM 1 5或T GM 0 6预示高级别 此值的灵敏性为94 特异性为77 46 2 胶质瘤的预后 FDG PET除了提供肿瘤级别信息 FDG代谢程度还可以预测胶质瘤预后情况 高代谢肿瘤患者生存期短 平均生存期5个月 低代谢平均生存期19个月 如果低级别肿瘤发展成为高代谢 提示预后不良 上述说明 FDG的代谢活性与生物侵袭行为相关 47 3 胶质瘤的疗效评价 MRI与FDG PET融合对于判断复发十分重要 残余肿瘤与手术后变化在MRI上不易鉴别 但在FDG上诊断不困难 手术后MRI强化表现为手术野周边强化 但FDG代谢并不一定高 增强所见可疑部位必须与FDG部位一致 如果没有融合技术 很难准确诊断 48 49 4 其它PET显像剂与胶质瘤 FDG低代谢时灵敏性 特异性差 如低级别肿瘤 梗塞 感染 良性肿物等均表现为FDG摄取 显像剂11C MET 蛋氨酸 与FDG相比 主要是正常脑组织摄取少 本底低 11C MET在低级别肿瘤比正常组织摄取高1 2 3 5倍 而且肿瘤边界较清晰 较少受炎症影响 50 二 其它脑肿瘤 1 脑膜瘤2 垂体腺瘤3 脑转移瘤4 淋巴瘤 51 四 痴呆 概念 是指各种原因造成的人的智能慢性进行性减退 其本质实际上是一个临床综合征 常见原因阿尔茨海默病 AD 血管性痴呆和其它伴痴呆脑病 MRI和CT 脑大小形态 密度信息及信号变化 最常见的形态学改变就是脑萎缩 52 早老性痴呆 SPECT进行脑血流显像简便易行 AD患者的双侧颞顶叶对称性血流灌注减低 可伴有或不伴有轻度额叶灌注下降 利用高分辨SPECT可以发现海马血流灌注降低明显 这对于AD诊断更为灵敏 PET检查在发现早期AD较SPECT灵敏 AD病人的全脑糖代谢和血流减低 在颞顶叶的联络皮质降低最明显 通常是双侧对称性的 颞顶叶的糖代谢降低程度与痴呆的程度相关 其它类型痴呆也可引起相同表现 53 五 帕金森病 帕金森病 AD 中枢神经系统缓慢进展的变性疾病 其病理改变主要涉及中脑黑质多巴胺能神经元变性 临床表现 肌强直 肢体震颤和运动减少 病因和发病机制不明 脑灌注显像 基底节和皮层摄取下降 两侧多不对称 提示PD或者存在血供障碍 病情进展 可表现为全脑血流减少 葡萄糖代谢显像所见征象与血流灌注近似 54 PD是黑质 纹状体多巴胺能神经元及通路变性疾病 因此目前 主要利用PET研究多巴胺合成 转运和受体水平 18F DopaPET是黑质纹状体突触前神经递质功能显像的一种方法 其机制 基底节对18F Dopa的摄取多少可以定量地反映突触前多巴胺羧酶的活性 该酶可将18F Dopa转化为18F DA 它的活性与PD临床病情严重程度以及黑质多巴胺神经元数目密切关系 如黑质细胞数目减少50 纹状体区的18F Dopa的摄取也下降了50 临床应用 确诊早期患者 病情严重程度 鉴别原发与继发PD 了解多巴制剂的疗效 55 PD研究较多的是多巴胺能神经递质系统显像 包括DA递质 DAT和DA受体显像 研究多巴胺的合成 转运和受体分布 18F 多巴PET显像 PD患者呈放射性减低区 PD患者纹状体DAT功能降低 PD主要是D2受体的损害 a 18F 多巴PET显像 b SPECT99mTc TRADOT 1多巴胺转运蛋白显像 c PET11C raclopride脑多巴胺D2受体显像 a b c 56 多巴胺转运蛋白 DAT 功能显像 原理 DAT位于中枢多巴胺能神经元突触前膜