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Radiology:质子磁共振波谱分析在中枢神经系统疾病中的应用(上)

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发表于 2020-5-24 09:31:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
大量已发表的研究表明,质子(氢1 [1H])磁共振(MR)波谱学已从研究工具演变为临床神经成像模式。1H磁共振波谱应用的疾病越来越多,已经扩展到神经退行性疾病,癫痫和中风。 自1980年MR成像发展初期,它在中枢神经系统(CNS)诊断评估中的应用对病人管理产生了重大影响。随着1.5T全身核磁的出现,利用水的质子(氢1[1H])信号可以对中枢神经系统进行前所未有的细节成像。作为结构MR成像的补充,1H MR波谱学已经成为一种颇具吸引力的方法来评估正常和病变的中枢神经系统的代谢物水平,特别是随着图像控制、局部MR波谱学获取技术的发展。这些早期的定位技术包括点解析波谱学(PRESS)和模拟回声采集模式(STEAM),广泛应用于临床磁共振波谱学分析中。在急性中风、慢性多发性硬化和脑肿瘤中,代谢物水平与健康大脑有很大差异。虽然这项工作在“大脑的十年”(1990-1999)的早期激发了人们对1H磁共振波谱诊断和评估中枢神经系统疾病的兴趣,但许多次优的研究和缺乏一致的指导方针导致了这样一种情况:即20年后,磁共振波谱仍然被一些医疗专业人员和卫生保健组织认为是一种“调查技术”。然而,作出早期、无创诊断或增加对可疑诊断的可信度的能力受到患者和临床医生的高度重视。因此,越来越多的成像中心正在将磁共振波谱技术纳入他们的临床方案中,以便对选定的患者进行脑部检查。为了促进磁共振波谱在临床环境中的广泛应用,这一共识声明鼓励数据采集、分析和结果报告的标准化。在评估成像技术对卫生保健的影响时,建议评估六个标准:(a)技术可行性,(b)诊断准确性,(c)诊断影响,(d)治疗影响,(e)对结果的影响,和(f)社会影响。虽然磁共振波谱肯定满足前两个标准,但只有少数研究表明它对鉴别诊断、患者治疗和结果有广泛的影响,没有一个研究测量了其社会影响(即成本效益分析).大脑1H磁共振谱:代谢物及其生物标志物的潜力磁共振波谱提供了一个非常不同于磁共振成像的基本“读出”,即波谱而不是图像。虽然磁共振图像通常显示为灰度图像,放射科医生通过目视检查信号强度和几何结构来解释这些图像,但磁共振波谱由共振或峰组成,这些共振或峰表示信号强度作为频率的函数(通常表示为百万分之几,一个相对的、磁场独立的频率标度)。在磁共振谱成像中,波谱的获得是从一个选定的大脑区域(即单体素)获得波谱或者从多个大脑区域获得波谱。波谱数据格式在放射学中没有先例,就像放射影像胶片中的MR一样,这可能是MR波谱在临床影像界接受较慢的原因之一。然而,目前可用的分析方法可以帮助在临床环境中自动、可靠地量化磁共振波谱。体内1H MR谱主要关注在1 - 5 ppm的化学变化范围内的碳结合质子,可以描述在足够高的浓度(在每克微摩尔范围内)和在MR谱时间范围内移动的代谢物。其中包括神经代谢物NAA、神经胶质代谢物mIns、含胆碱化合物如环磷胆碱和磷胆碱、神经递质Glu和γ-氨基丁酸、抗氧化剂谷胱甘肽和抗坏血酸以及其他重要代谢物如Cr、磷酸肌酸、Gln和乳酸(Lac)。在特定的临床条件下会产生额外的代谢物,如脓肿中的琥珀酸和醋酸盐,各种异常情况下的脂质,甚至是通过血脑屏障的外源性物质,如注射一些非肠道制剂后的丙二醇和至少在适度饮酒后的乙醇。
可量化代谢物的数量取决于所选择的脉冲序列和参数,以及波谱分辨率和信噪比(SNR),这受到许多因素的影响,包括静态磁场强度,B0场均匀性的质量,和使用的射频线圈。主要单线谐振来源于总MR可见NAA(tNAA)(即NAA + N-乙酰天冬氨酸谷氨酸)、tCr(即Cr +磷酸肌酸)和tCho(即主要磷酸胆碱+甘油磷酸胆碱),可在所有临床磁场强度和几乎所有实际TEs高达280 msec范围内进行量化。在1.5 T和较短的TEs(PRESS为25 - 35msec,STEAM为20msec或更短)下,mIns和Glu和Gln的组合也可以被量化。在磁场强度3.0T及以上时,短TEs(如γ-氨基丁酸和谷胱甘肽)可检测到附加代谢物,而且可以把Glu与Gln分离出来。在短TEs和场强度为7.0或9.4 T时,最多可定量测定18种代谢物。利用磁共振波谱检测到的代谢物的一个子集可以作为生理和病理状态的生物标志物。对于至少一种MR波谱检测的代谢物,NAA,来自细胞、体外大脑和组织学研究的证据明确表明,在成熟的中枢神经系统中,NAA只存在于神经元、轴突和树突中,而不存在于胶质细胞中。结合人类大脑体外标本的1H MR波谱结果和体内数据,这些观察结果有力地证明了NAA是神经元完整性的生物标志物。此外,NAA水平可能反映线粒体(dys)功能。因此,tNAA(主要由NAA组成,N-乙酰天冬氨酸谷氨酸的贡献很小)通常被用作体内活神经元存在或实质损伤评估的阳性或阴性生物标志物。一般认为,升高的mIns是胶质增生的标志,而高tCho可能是细胞增殖、膜周转率增加或炎症的标志。乳糖升高表明厌氧糖酵解,可能被认为是几种异常的非特异性MR波谱生物标志物。
CNS疾病的MRS神经系统疾病在全世界影响多达10亿人,是造成残疾和人类痛苦的主要原因。诊断往往是复杂的,有效治疗的时间窗口可能是有限的。磁共振成像以其良好的软组织对比,通常被选择来检测脑损伤,其形态细节以及对水含量和物理性质变化的敏感性非常好。然而,传统的MR成像不能描述细胞密度、细胞类型或生化成分的变化——所有这些都可以用MR波谱来研究。此外,不同的病理生理损害往往表现为相似的磁共振成像外观。因此,磁共振成像和磁共振波谱是诊断疾病和监测疾病进展和治疗反应的辅助工具。介绍磁共振波谱在疾病中的潜在临床用途,在过去20年中,大量的研究活动已经发生,并在实验室之间取得了一致的结果。分类依据:(a)证明MR波谱比其他常用临床成像方法具有更高的诊断准确性;(b)1H MR谱中存在与疾病相关的特定代谢物;(c)侵入性诊断需求减少的证明。一般来说,“病人准备”的应用涉及到在单个MR谱中检测到的大疾病效应,有些疾病涉及细微的波谱变化,这些变化在个别情况下难以检测,而1H MR波谱未来有望对这些疾病的患者管理做出贡献。
1H MR波谱可用于临床决策的神经系统疾病大脑肿瘤      神经肿瘤学的临床决策是由一个多学科小组完成的,该小组会结合来自许多来源的信息,包括MR成像。尽管在脑肿瘤患者的临床管理中起着核心作用,但仅凭MR成像并不能为许多重要的临床问题提供答案。这些包括将肿瘤与其他局灶性病变(巨脱髓鞘斑块,脑炎)区分开来,获得对非典型环增强局灶性病变(即高级别神经胶质瘤,转移瘤,淋巴瘤和脓肿)的明确诊断,确定异质性胶质瘤的最佳活检部位,监测对治疗的反应,并区分治疗引起的变化和复发性肿瘤。MR波谱学可以提供所有这些关键临床领域的信息,并且越来越多地被用作MR成像的辅助手段。最早关于人类脑肿瘤的报道,以及体外样本和癌细胞的研究,都表明磁共振波谱为脑肿瘤的非侵入性评估提供了巨大的潜力。例如,MR波谱学结合灌注成像对肿瘤与非肿瘤性病变的鉴别提供了72%的敏感性和92%的特异性。同样地,当使用这两种方法识别高级别和低级别胶质瘤时,其敏感性为93%,特异性为60%,与常规MR成像相比,敏感性有了显著提高。大型多中心研究已经确定了单体素磁共振波谱和模式识别算法诊断脑肿瘤组织学和分级的准确性。短TE-MR波谱对主要成人肿瘤类型的所有成对比较的准确率约为90%,但多形性胶质母细胞瘤与转移瘤除外,其准确率为78%,结合短时间和长时间的TE-MR波谱对儿童主要脑肿瘤类型(毛细胞星形细胞瘤、髓母细胞瘤和室管膜瘤)的诊断准确率为98%。最近,磁共振波谱技术有助于识别具有异柠檬酸脱氢酶突变的胶质瘤亚型,这是一个基于2-羟基戊二酸水平的活体分子指纹图谱的例子。tCho升高和tNAA降低通常被认为是脑肿瘤的诊断特征。此外,1.3 ppm的突出信号通常来自与坏死或缺氧相关的细胞质液滴中的脂质,通常与更高的级别和较差的存活率相关。相反,脓肿和结核瘤等非肿瘤性病变通常表现出氨基酸和脂质升高。在脑肿瘤中观察到的其他代谢产物包括在原始神经外胚层肿瘤中的牛磺酸,在脑膜瘤中的丙氨酸以及在高级儿科肿瘤中的甘氨酸。如果需要进行活检以进行诊断,则tCho / tNAA比值可以帮助区分具有最高细胞密度的实体瘤和水肿。在肿瘤周围区域中检测到tCho / tNAA的比值升高进一步反映了肿瘤的侵袭性,因此可用于区分高级别神经胶质瘤与在肿瘤周围区域中表现出接近正常波谱的脑转移瘤。作为诊断性病情检查一部分(包括传统的gadolinium核磁共振成像和弥散加权和灌注磁共振成像),波谱学也被证明在低级别和高级别肿瘤的诊断中起着决定性的作用,在转移瘤和高级别肿瘤的诊断中也起着决定性的作用。MR波谱学可用于在不进行手术的情况下,例如在弥漫性脑干神经胶质瘤和脊髓髓内肿瘤中,对肿瘤患者确定预后并指导治疗计划。tCho/tNAA峰值比至少为2.1,提示儿童弥漫性桥脑胶质瘤预后不良。预后MR波谱标记对于治疗分层很重要,可以帮助识别从一开始就某些肿瘤类型需要加强治疗的患者。其中包括在异柠檬酸脱氢酶-1突变的神经胶质瘤中检测2-羟基戊二酸,在儿科星形细胞瘤中增殖的柠檬酸以及高MR波谱-在高危儿科脑肿瘤中可见的鞘脂和低谷氨酰胺的饱和脂质。tCho/tNAA比值在长TE磁共振成像中超过2.1,已被用于识别多形性胶质母细胞瘤中更具侵袭性表型的区域,以改进伽玛刀放射治疗。在神经外科治疗计划中,MR波谱在区分肿瘤区域与良性病变方面发挥作用,并与其他MR成像方法一起,在建立它们与关键的正常大脑结构的关系方面发挥作用,尤其是在胶质瘤中。浸润性胶质瘤的范围远远超出T2所定义的肿瘤主体。一项研究报告称,磁共振波谱所定义的异常区域平均比T2高强度成像所描绘的异常区域大24%,并且肿瘤细胞的组织学和免疫组织化学表现证实了tCho/tNAA比值升高的准确性。另一项研究显示未经治疗的多形性胶质母细胞瘤患者对侧半球的mIns和Gln水平升高,这一发现提示早期肿瘤浸润。此外,所有级别的胶质瘤有时可能具有瘤内异质性,尽管其影像学特征具有明显的同质性。通常会发现具有恶性影像学特征的低级少突胶质细胞瘤,具有良性影像学特征的非增强性高等级神经胶质瘤以及低度恶性胶质瘤的恶性灶部位。在低度胶质瘤中,发现浸润性肿瘤细胞(靠近或远离肿块)非常重要,因为这些可能是肿瘤复发的原发部位。肿瘤浸润的描述是(a)术前决策、(b)术中MR成像引导下的切除、(c)术后随访和附加治疗(术后放疗和/或化疗)的重要组成部分。MR波谱显示了与组织学类型和分级的空间相关性,反映了手术前脑肿瘤的异质性:tCho/tNAA比值大于2,Lac/tNAA比值大于0.25,长TE (144 msec)的MR波谱学成像中存在的脂质是高分级肿瘤的特征,这使得在MR成像中相邻的脑实质得以划分。另外,57%的疑似病例中tCho/tCr率较高,且Lac存在,近期术中3.0 T的1H MR谱图有助于区分肿瘤与非肿瘤异常,对手术成功率和患者预后有积极影响。

波谱可以帮助避免不正确的肿瘤进展诊断,如果在常规MR成像后处理引起的变化不明确的情况下,这可能导致不适当的手术,其他治疗和患者痛苦。例如,tCho/tNAA比值能可靠区分复发性胶质瘤与放疗后损伤。同样,MR谱(tCho/water)单独或联合常规MR成像,可进一步有助于评估对抗癌治疗的反应。MR波谱(tCho / tCr和tCho / tNAA)和动态磁化率对比MR成像单独显示诊断准确度分别为84.6%和86%;当将合并数据用于肿瘤再生和治疗后损伤时,准确度提高到93.3%。MR波谱(tNAA / tCho比和tCho浓度)结合动态磁化率对比MR成像具有100%的阳性和阴性预测值以区别治疗后的变化,这比传统MR成像(阳性预测值50%)和氟18脱氧葡萄糖正电子发射断层显像(PET)(阳性预测值,67%;阴性预测值,60%)更准确。



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