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编号:10279816
磁共振波谱与脑功能成像
http://www.100md.com 《放射学实践》 2000年第1期
     作者:朱芳 周义成 王承缘

    单位:朱芳(430030 同济医科大学附属同济医院放射科);周义成(430030 同济医科大学附属同济医院放射科);王承缘(430030 同济医科大学附属同济医院放射科)

    关键词:

    放射学实践000153 随着磁共振波谱技术及功能性磁共振技术的日臻完善和发展,人们对脑,这个人体内最复杂 和最重要的器官的认识,从单纯的影像学研究转而进入了分子水平和超细胞(行为)等各个 不同层次上的深入探索。这些对于从本质上揭示脑的结构、功能及行为机制之间的关系无疑 提供了巨大的研究前景。

    本文对磁共振波谱技术的原理及目前在临床和基础科学领域取得的进展作简单回顾,对其在 脑功能研究中的地位和价值作出评价。

    一、磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy,MRS)是一种利用核磁共振现象和化 学位移作用,进行系列特定原子核及其他合物定量分析的方法。该研究始于1973年,Moon和 Richards对完整红细胞及离体新鲜肌肉标本进行了P31波谱测定。1978年,Gordon得 到了第一个人体P31标本,从此MPS技术进入临床活体研究,并成为目前唯一无创性研 究人体内部器 官、组织代谢、生理生化改变的定量分析方法[1,2]
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    MRS的物理学基础是核磁共振现象。其基本原理与磁共振成像(MRI)一致。化学位移和自 旋耦合现象使含有同一种原子核的不同化合物中的不同分子集团在频率轴的不同位置被分别 表示出来,它们构成了波谱的精细结构。而分析这些波谱的特征、变化和相互关系等,据此 推测人体的病理生理信息,构成了医学波谱分析的主要内容。

    二、目前利用MRS已经对多种原子核进行过测定并都已逐渐在临床上取得了一定进展。其中 应用最多的是H1和P31

    1. H1 MRS在出现强的水和脂肪信号的情况下,利用抑制技术行氢原子的波谱分析,可测 定人脑内某些低浓度的代谢产物。正常脑H1 MRS主要能够观察乙酰-天门冬氨酸(Naa) 、含胆碱化合物(Cho)、肌酸+磷酸肌酸(Cr+PCr)等产物。其中Naa被证实在脑内几乎全 部位于神经元内,因此当出现Naa信号降低时,我们可以将其作为神经元减少和破坏的一种 标志[3,4]。而在星形胶质细胞和少突胶质细胞中Cho和Cr的浓度明显高于其它细 胞,因此它们信号强度的改变可看作是胶质细胞代谢及功能改变结果的反映[5]。 随着研究的不断深入,我们除可以利用H1 MRS数据提高疾病诊断的特异性外,尚可利用病 变代谢产物与正常组织的区别,指导对病变定向活检及选择性切除。
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    2. P31 MRS P31是最早应用于波谱分析的原子核之一。它可以提供脑内能量 代谢情况 的信息。不同磷酸盐原子核之间微小的频率差异可由MRS测出,其中包括高能磷酸化合物如 三磷酸腺苷、磷酸单酯酶、磷酸二酯酶、磷酸肌酸及无机磷酸盐(Pi)。在中性环境中Pi主 要存在于HPO2-4和H2PO-4中,但由于这两种分子形式相互转换转换迅速、 频繁,因此只能测到一个Pi峰。其所测得波峰的共振频率由当时两种物质的比例所决定。并 且因为其平衡是由组织的pH值所决定,因此Pi的波峰可以反映出活体组织的pH值[6,7 ,8]

    3. F19 MRS F19于1983年即被在动物实验中应用于对三氟类精神抑制药物和 三氟类抗抑郁药的磁共振波谱测定[9]。十几年来,随着技术的不断改进,其测量 时间已由过去的10多个小时缩短到数分钟,这使得该项研究有可能被应用于临床对患者脑内 三氟类精神抑制药和抗抑郁药的水平进行测量和评估。这对于能够更好的治疗精神分裂症和 抑郁症病人无疑是非常有意义的[10]
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    4. C13 MRS 尽管早在1940年即可用C13标记前体(C13O2,C13 H4)并应用于微生物活动和代谢研究,但由于它过低的浓度及缺乏合适的分析仪器,有 关研究进展缓慢。直到80年代中期,随着设备改进,C13丰富前体物的提供,C13 开始被应用于脑内研究。同位素标记C13如(1-C13)Glucose分析被应用于 脑内神经元、神经胶质细胞关系的研究[11]。例 如在活体内利用氟醋酸盐抑制胶质细胞代谢,其结果进一步证实了胶质细胞对毒素的特异性 ,说明它不影响醋酸盐的进入。当胶质细胞TCA循环被抑制,胶质细胞参与谷氨酸、谷氨酰 胺循环的能力并未被破坏。这些结果可以从那些标记过的谷氨酰胺只能由神经元葡萄糖代谢 不断衍生而来得以证实。此外,C13 MRS对酶缺乏性疾病的诊断亦有价值。
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    三、目前MRS在脑功能研究方面主要应用在以下几个方面[12]:①脑内氧化反应的 定量分析及神经元死亡的判断。②对神经元破坏范围的描述和评估。③细胞膜的改变。④脑 病的特征性代谢改变。

    1. 癫痫 癫痫是MRS目前研究最活跃的领域。第一篇H1 MRS对于颞叶癫痫(TLE)病灶进 行同侧定位的文章发表于1993年。

    TLE是临床较常见类型。其常见病因是颞叶内侧硬化症(mesial temporal sclerosis,MTS )。MTS的病理特征表现为神经元丢失、萎缩,近中颞叶区域神经胶质增生。海马萎缩与这 些海马区域病理学改变有关,放射影像上的萎缩征象与组织学上严重的细胞丢失有密切联系 。因此,我们可以预测,如果敏感性足够,H1 MRS上能够提出Naa信号减轻是细胞丢失的 证据。

    研究表明[13-16],癫痫侧脑皮层Naa/(Cr+Cho)比值下降在88%病人中可以观察 到,其中40%病人于双侧均可有此改变,病侧Naa下降约22%,而Cr和Cho则分别上升15%和25% ,同样的变化,可以在对侧颞叶观察到,只是程度较轻。结果表明,在TLE患者Naa降低改变 的同时,MRI图像上不一定有相应颞叶萎缩的改变,亦即Naa降低并非仅见于萎缩情况。由此 我们可以认为,Naa信号测定对于海马区细胞丢失情况与MRI相较,无论是定性还是定量,都 有更高的敏感性。
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    目前影像技术尚无法对颞叶以外癫痫灶进行全面评价,尤其是前叶癫痫灶。PET和MRI仅能在 病变区域出现明显的大体结构改变时方能做出诊断。而前叶因为抑制技术的限制,只有一小 部分可以进行波谱测定。但检查发现,前叶癫痫患者病灶区域内,Naa信号及Naa/Cr比例均 降低,但Cho和Cr信号无改变。说明神经元丢失对于任何癫痫均是一种常见表现。

    2. 脑卒中 随着MRS的信号采集时间由数分钟缩短到数秒钟,MRS将在临床上常规用于急性 卒中病人的诊断、监测。MRS可以直接测量卒中的重要的生物化学指标,其结果与解剖影像 学的病理结构及MRI对病变区水生物物理学状况的测量相结合,可以理解卒中的特殊生物学 信息。随着各种无创方法的出现及它们可在同一台机器上完成的优势,我们可以对各个阶段 卒中采取不同的方法进行评价,对单个病人卒中治疗及预后的预测将指日可待。

    卒中时生物化学改变一般可由P31和H1 MRS测出。P31波谱中磷酸肌酸和ATP 有较强的频率信 号,后者是能量代谢的重要物质。通过上述分子和其它分子信号,细胞内pH值及游离镁浓度 可被计算出来。开始的研究显示在急性期,所有分子信号均降低,但是代谢产物比率正常。 这与局部坏死组织被间质液所取代的病理组织学改变相一致。卒中发生后,Naa信号将进一 步减少。由于Naa主要存在于神经元细胞内,因此有理由认为在此期间神经元破坏仍在持续 发生。而在卒中发生时,有时亦能观察到含胆碱化合物频率波峰升高,这可能与髓磷脂的破 坏有关。
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    H1 MRS观察到的卒中时信号改变另一较明显处是乳酸的升高,该变化从卒中的急性期至发 病后数月都持续存在。急性期乳酸升高的程度与临床研究结果相吻合,而乳酸升高的持续存 在产生机理可能较复杂,不能以一元论解释之。目前认为急性期乳酸升高是由无氧糖酵解的 缘故,而持续数周乃至数月的乳酸升高则是组织损伤反应的特征性代谢改变的反映,其中巨 噬细胞浸润已经被证实,而其它机理尚有待进一步探讨和揭示[17,18]

    3. 其它 除癫痫和卒中外,MRS尚被在临床上广泛用于多种疾病分析研究,如肿瘤、出血、 创伤、白质病变、感染性疾病、AIDS、新生儿脑病、代谢及系统性疾病、精神神经性疾病等 19]。神经波谱分析的出现和发展改变了我们看待脑内疾病的视角,提供了一种新的 思维方式和探索手段。

    当然,这项技术尚存在操作费时长,空间定位方法待改进,数据后处理复杂及谱线变化的意 义有等进一步深入探讨,图像分辨率有待进一步提高等系列问题。我们相信,这种新兴的磁 共振检查项目与传统磁共振影像相结合,将显示巨大的发展潜力。这种代谢与解剖影像的结 合可以为疾病的诊断、治疗和预后评价提供更好的敏感性和特异性。
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    参考文献

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    1999-05-07 收稿, http://www.100md.com