脑肿瘤的磁共振MRS和PWI成像,病理生理和神经化学 成像技术和脉冲序列 临床应用,脑肿瘤的磁共振波谱和灌注成像,能给出病理和代谢信息 对常规MRI进行补充 有助疑难疾病的诊断,脑肿瘤MR波谱和灌注成像病理生理和神经化学,血管壁厚度增加 管腔截面减少 相对脑血容量（rCBV）减少 血管腔 血管壁 周围组织 电子自旋 T2*信号减低 梯度回波能探测其顺磁敏感性,血管直径增加 管壁增厚 数量增多 血容量增加,rCBV与肿瘤级别和血管增生的组织学相关 血管增生程度-是组织病理学特征和预后最关键因素 肿瘤恶性程度和胶质瘤分级的重要组织学标准 血管网 不仅为肿瘤输送氧和营养物质 而且是肿瘤侵犯周围血管的路径 恶性肿瘤常破坏脑毛细血管内皮细胞 血脑屏障通透性升高-对比剂增强 外溢 -血管通透性可测量,脑肿瘤MR波谱和灌注成像病理生理和神经化学,血管内皮生长因子(VEGF)血管渗透性因子(VPF) 与肿瘤新生血管有关 肿瘤生长的重要介质 灌注MRI 能直接探测与组织学相关的CBV和血管渗透性,脑肿瘤MR波谱和灌注成像病理生理和神经化学,6,DSC MRI测量脑血流量困难（需测动脉输入功能） DSC MRI 和动脉自旋标记技术结合 可测量与肿瘤级别相关的CBF 肿瘤灌注平均通过时间(MTT)与脑血流成反比 CBF =CBV/MTT 脑肿瘤中 浓密微血管和迂曲侧枝循环 CBV升高 MTT应延长 一些肿瘤微血管不均匀 尤其肿瘤边缘 CBF增加 MTT也可降低,脑肿瘤MR波谱和灌注成像病理生理和神经化学,1H-MRS检测的神经代谢物的意义 NAA 神经元标志 减少与神经元丧失或死亡有关 Cho 反映脑内总胆碱量 包括磷酸胆碱 甘油磷酸胆碱 磷脂酰胆碱和鞘磷脂 升高提示细胞膜更新紊乱 Cr 包括肌酸 磷酸肌酸 是能量代谢产物 反映细胞内肌酸总储备情况 相对稳定 常用内标准,理论上测各物质绝对浓度最科学但复杂 NAA，Cho与Cr比值相对容易 不随T1/T2变化 不受脑脊液影响,Calella A M, et al. Neural Dev,2007,2:4.,Ehrengruber M U, et al. Gene,2000,258(1-2):63-69.,脑肿瘤MR波谱和灌注成像病理生理和神经化学,ppm 3.9 3.2 3.0 2.4 2.0 1.3,Normal MR Spectrum,Hunters angle,脑肿瘤中Cho 改变 Cho水平 与肿瘤细胞密度 肿瘤级别 有无坏死有关 Cho升高 见于肿瘤 由于细胞膜翻转和增生 细胞膜破坏释放磷酸胆碱和甘油磷酸胆碱及其代谢物合成是Cho升高的生物学基础,脑肿瘤MR波谱和灌注成像病理生理和神经化学,脑肿瘤基本代谢改变,Cho lactate lipids 升高 NAA Cr 降低,脑肿瘤中Cho 改变 Cho降低 高度恶性肿瘤和GBMs的大量坏死 Cho半定量 能显示胶质瘤的增生 与胶质瘤增生活跃组织学标志Ki-67明显相关 Cho值不同 可显示肿瘤内不同组织学分级 出血 钙化 辐射射坏死区等,脑肿瘤MR波谱和灌注成像病理生理和神经化学,脑肿瘤中NAA 确切功能不清 神经元密度和发育标志-神经元特性 也见于不成熟少突胶质细胞 原始星形细胞 轴突 NAA 降低-正常神经元和轴突被肿瘤组织取代 正常脑内乳酸很少检出 乳酸明显升高 有氧反应失去 无氧糖酵解取代 缺氧 代谢紊乱 巨噬细胞聚集（炎症区） 乳酸也可聚集囊肿和坏死灶 乳酸和脂质常见于坏死和囊性肿瘤内-预示高度恶性,脑肿瘤MR波谱和灌注成像病理生理和神经化学,脑肿瘤中Cr和PCr改变 Cr 能量代谢标志 Cr 相对恒定 常用作计算代谢物比值(Cho/Cr和 NAA/Cr）但恶性病变降低 Cr减少 肿瘤消耗能量增加代谢活动 局部和个性化Cr浓度不清 绝对定量增加MRS敏感度和特异度 肌醇（Myo-inositol） 低级别胶质瘤升高,脑肿瘤MR波谱和灌注成像病理生理和神经化学,脑肿瘤磁共振波谱,NAA 降低-肿瘤代替或破坏神经元 Cr 相对恒定, 但恶性病变降低 Cho 肿瘤升高 Lipids 见于肿瘤坏死-预示高度恶性 Lactate 见于血供丰富的恶性程度很高的肿瘤 Myo-inositol 低级别胶质瘤升高,History: 68 y/o man 严重头疼,TE 30 ms,Dx: Grade 2 astrocytoma,Dx: Grade 2 fibrillary astrocytoma,3 years later,TE 144 ms,History: 39 y/o woman 间断性视力缺失数周,475,Dx: Highly anaplastic astrocytoma,4,TE 30 ms,随肿瘤级别磁共振波谱的变化,随恶性程度增加: NAA 降低 Cr 降低 Cho 升高 Lactate 升高 Lipids 可能升高,History: 34 y/o man with headache and mental status changes,502,2,Dx: GBM,3,1,3,2,3,2,1,成像技术和脉冲序列,脑肿瘤DSC MRI参数测量 示踪剂稀释法和首过药代动力学模型法 DSC MRI 信号被测量 由于对比剂引起T2 or T2* 效应的磁敏感性,动态磁敏感对比增强灌注MRI(DSC MRI),血脑屏障破坏区 漏出和T1效应 CBV被高估 测量相对rCBV 参考对侧正常脑白质 无单位 rCBV用于局部CBV或相对动脉输入功能CBV cCBV（corrected CBV）用于脑血容量漏出效应校正,序列 自旋回波-梯度回波 对比剂通过微血管使T2和T2* 变化 自旋和梯度回波能测量CBV 对比剂标准剂量(0.1 mmol/kg） 正常脑白质传递信号失去约25% SE T2WI 不敏感 需要2-4倍对比剂量才产生信号变化 梯度回波探测局部磁敏感性顺磁性变化更敏感 血管和周围组织局部磁敏感性改变 血管内外质子自旋降低T2*,成像技术和脉冲序列,动态磁敏感对比增强灌注MRI(DSC MRI),序列 自旋回波-梯度回波 自旋回波 伪影磁敏感性较小 毛细血管对比磁敏感性增加 梯度回波 毛细血管和较大血管灌注均敏感 减少层厚可降低伪影的磁敏感性 梯度回波用0.1 mmol gadolinium/kg的磁敏感度和自旋回波用0.2 mmol/kg相似,成像技术和脉冲序列,动态磁敏感对比增强灌注MRI(DSC MRI),序列 单体素-多体素 单体素 采样小 一般病变 2D定位 对低波谱分辨率组织 化学位移伪影 体素内出血 化学位移成像污染更好 多体素 MRSI 或化学位移成像(CSI) 2D 或3D 采样大 分辨率高 代谢物覆盖兴趣区大 可评价局部和全脑 MRSI+MRI 比较正常和病理组织体素 获得具体代谢物分布,成像技术和脉冲序列,质子MRS和MRSI,成像技术和脉冲序列,质子MRS和MRSI,序列 单体素-多体素 3D MRSI -提供脑肿瘤全面波谱评价 K空间采样和化学位移编码结合 -减少3D 成像时间 加容积饱和带 -减少头皮和脂肪污染,序列 短回波-长回波时间 短回波（20-40ms ） MI Glx lipids -重要肿瘤特征和监测疗效 高信/噪比 基线不平 假“NAA” 2.05-2.5 ppm Glx复合物 中等回波（135-144ms） 颅内肿瘤多用 -1.3/1.4ppm 脂肪中分出乳酸和丙氨酸 双波J-耦合/倒置 -基线平 少扭曲 -无“假NAA” 2.0-2.05仅NAA 2.05-2.5ppm无Glx复合物 -脂质出现比短波更有意义 -易重复 准确 尤其肿瘤特性主峰 Cho和NAA 长回波（270-288ms） 因代谢物T2衰减 NAA Cho和Cr信号低 信/噪比低,成像技术和脉冲序列,质子MRS和MRSI,31,左顶叶复发性高级别胶质瘤 体素位置 rCBV增加 第1-2行肿瘤波谱 明显胆碱升高 长回波信/噪比低 乳酸峰倒置 肌醇 Glx 脂质峰短TE 易鉴别 高Glx（ 2.05-2.5 ppm ）假NAA峰 长回波不明显 第3行正常对侧大脑 长回波基线信号降低 第4行脑脊液缺乏波谱,rCBV,rCBV,32,常用中等回波 135 or 144 ms 时间允许 再短回波30 ms 3D MRSI序列更好 回波时间靠个人经验 与正常对照比较 时间有限时 推荐仅短回波 -短TE代谢物信息对肿瘤特性重要,成像技术和脉冲序列,质子MRS和MRSI,33,序列 增强前-后波谱 争议 对比剂对波谱数据影响 尤其波峰面积定量 注对比剂后波谱理由 -对代谢物比和峰面积影响小 -在波宽和波峰比上可减少患者间的差异 -不仅获得肿瘤T2信号异常区波谱 -而且确定强化 坏死及肿瘤侵犯或水肿区代谢变化,成像技术和脉冲序列,质子MRS和MRSI,TR/TE1000/54 FOV210210 mm 层厚3-8 mm 矩阵128128 体素1.81.8 mm 层间隔0-30% 翻转角30 带宽1470 Hz/pixel 10层 60层/秒 TR 1000ms+FLA30 T1效应最小 对比剂注射前采集10层-基线 对比剂(0.1mmol/kg) 流率3-5 mL/s 盐水(总量20 mL),脑肿瘤MRI参数,DSC MRI,3D或2D TR/TE 1500/144ms 混合多体素CSI PRESS 双回波 包异常和正常脑组织 VOI在脑内相位编码FOV中心 外放饱和带 第二个3D或2D TR/TE 1500/30ms（时间允许）,脑肿瘤MRI参数,Proton MRSI,脑肿瘤MRI参数,37,波谱表现无特异 环状强化波谱重叠 如胶质瘤 转移瘤 炎症 脱髓鞘病变 AIDS相关病变 MRI MRSI 灌注MRI联合 提高准确度 可信度 敏感度 病变部位和对侧正常脑组织代谢物比较 Cho/Cho(n) 和Cho/Cr(n)比值 不是传统Cho/Cr or Cho/NAA MRSI 和 DSC MRI数据不仅肿瘤而且肿瘤周围 鉴别 原发胶质瘤水肿 转移瘤单纯血管源水肿 非肿瘤侵犯 一些共振峰 帮助细菌性脓肿诊断 亮氨酸 异亮氨酸 缬氨酸 丙氨酸 醋酸盐 琥珀酸盐 甘氨酸 除CBV外其它灌注参数 帮助提高特异性 MTT升高-缺血 血管通透性升高-非典型脑膜瘤,MRI MRS 灌注成像结合,Summary of DSC MRI and MRSI Findings for Common Ring Enhancing Brain Lesions,磁共振波谱和灌注,39,磁共振波谱 肿瘤组织学 恶性程度 界定肿瘤 vs. 强化边缘 指导活检 疗效随访,脑肿瘤,磁共振灌注 DSI (动态磁敏感成像) 主要参数 CBV (脑血容量) 恶性程度 指导活检 监测疗效,History: 27 y/o male with a single seizure,708,Dx: Low-grade fibrillary astrocytoma, 2,TE 30 ms,TE 144 ms,History: 55 y/o male with nausea, vomiting & increasing somnolence,684,Dx: GBM,2,胶质瘤级别评价,灌注MR和MRS在脑肿瘤的临床应用,高级别胶质瘤术后需放化疗 低级别无需 组织学肿瘤分级金标准有限度 活检样本限度 细胞学限切下肿瘤 残余肿瘤不能 胶质瘤组织病理学分类 有争议 在讨论修订,rCBV在胶质瘤分级有用 LGGs and HGGs rCBV 比较 LGGs 1.11-2.14 HGGs 3.64-7.323 30例胶质瘤分级rCBV 胶质母细胞瘤 7.32 间变性星形细胞瘤 5.84 低级别胶质瘤 1.