磁共振脉冲序列在中枢神经系统中的应用(二)

戴建平，沈慧聪，李少武

首都医科大学附属北京天坛医院，100050

6 扩散加权成像(DWI)

扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)是在常规序列的基础上，施加扩散敏感梯度，以显示水分子的布朗运动。DWI的图像对比度主要取决于水分子的位移运动，而并非水的自身结构成分，它不同于常规自旋回波序列的图像，如质子密度或T1、T2像的信噪比及空间分辨率。它通常是在标准MRI序列上运用EPI技术，再加上对扩散运动敏感的梯度脉冲，获得水分子扩散运动的特征信息。常用序列有自旋回波平面回波序列(SE-EPI T2*WI)、梯度回波平面回波序列(GRE-EPI T2*WI)、Propeller FSE DWI、单次激发反转恢复SE-EPI序列(应用不多)、PRESTO等，最常用的DWI序列是自旋回波平面回波序列SE-EPI T2*WI，主要是在SE-EPI序列基础上施加扩散敏感梯度场，单次激发采集所有回波信号(图30)。

图30 头颅轴位，SE-EPI DWI序列，EPI的准备脉冲为SE序列，显示左颞及基底节区的大面积梗死

脑组织结构成分复杂，组织内水分子的扩散运动不仅受组织细胞本身特征的影响，而且还受细胞内部结构(如细胞膜、核膜、胞质内细胞器等)的影响，因此正常脑组织内水分子的扩散程度与病变组织的细胞密度、细胞膜通透性、细胞外间隙、温度以及扩散介质的黏滞性均具有显著相关性。

图31 头颅轴位，SE-EPI DWI 序列，显示右侧放射冠急性期病灶呈高信号，而由此外囊及左顶枕区为软化灶呈低信号

DWI的临床应用十分广泛，可以鉴别急性、亚急性脑梗死，评价脑梗死的进程(图31)，可以对颅内囊性病变(图32、33)、环状强化病变进行鉴别诊断(图34～37)，对脑肿瘤的诊断与鉴别诊断、治疗疗效评价提供信息，并且有助于脱髓鞘疾病的诊断及外伤、弥漫性轴索损伤的判定等。

另外一种特殊的DWI成像——全身DWI，是使用STIR技术抑制正常组织和脂肪的信号，全身DWI扫描后对图像进行重组，得到类似PET的图像，又称为类PET技术，临床上主要用来进行血液系统肿瘤的评价和恶性肿瘤的全身评价。

图32 、33 头颅轴位，T1WI图像所示桥前池左侧囊性信号病变，在DWI图像上显示为高信号，表示弥散受限，证实为表皮样囊肿而不是蛛网膜囊肿

图34 、35 头颅轴位，示右颞环形强化病变，DWI图像显示为高信号，病理证实为脓肿

图36 、37 头颅冠状位，示右侧小脑半球环形强化病变，DWI图像显示为低信号，病理证实为转移瘤

扩散张量成像(DTI)是在DWI的基础上施加更多非线性方向的梯度场，更精确地描述水分子运动的各向异性特征，主要使用单次激发SE-EPI T2WI，是在SE-EPI序列基础上施加扩散敏感梯度场，单次激发采集所有回波信号(图38、39)。临床应用于脑肿瘤、脑血管病的评价，以及白质纤维束示踪成像技术，描述白质纤维束的走行(图40)。

7 灌注加权成像(PWI)

图38 、39 头颅轴位，FA黑白及伪彩图，反映脑组织各种成分内的水分子运动方向的不同及各向异性的大小

图40 白质束示踪成像，显示浸润性生长的肿瘤对白质纤维束的破坏

利用“首过效应”采用回波平面成像(EPI)技术来观察脑血流动力学的改变，将组织对比剂浓度的变化转变为弛豫时间的改变，运用示踪剂血流动力学理论，从时间－浓度曲线算出灌注参数值，也称为灌注成像(perfusion weighted imaging，PWI)。

PWI是通过测量血流动力学参数来描述血流通过组织血管床的情况，从而评价组织的血流灌注状态。PWI临床应用广泛，可以用于神经系统的卒中、肿瘤、炎症、癫痫、外伤、退行变性病的诊断、鉴别诊断、疗效预测及评估等。

PWI的应用序列可分为外源性和内源性对比剂序列。

内源性对比剂序列无需注入外源性对比剂，主要用于动脉血质子自旋标记(arterial spin labeling，ASL)，流动敏感交互式反转恢复(flowsensitive alternating inversion recovery，FAIR)序列，是以动脉血中水质子作为内源性示踪剂，采用IR序列，得到成像平面标记及未标记的水质子图像，二者相减得到反映组织灌注情况图(图41)。在某种意义上说，血氧水平依赖(blood oxygen level dependent，BOLD)也可以进行血流灌注量的研究。对比由顺磁性物质脱氧血红蛋白引起，对脱氧血红蛋白敏感的序列能反映血容量和血氧的改变，目前多采用EPI序列，一般采用吸入高浓度氧和/或CO2以产生信号对比。BOLD研究表明高氧血症引起的信号改变见于所有的功能血管，而高碳酸血症引起的信号改变则仅见于有血管外皮细胞和平滑肌细胞的血管活性的成熟血管；因此根据对两者反应的差异可判断血管的成熟情况，从而确定肿瘤的存在。并且，可以用来评价肿瘤的生长，判断肿瘤生长过程中出现的缺氧和血流动力学情况，从而推测在肿瘤抗血管治疗的评价方面可能会有一定价值。

图41 头颅轴位，动脉血质子自旋标记成像，可见左侧额顶的血流灌注量较对侧减低

灌注加权成像很重要的一方面是使用对比剂，对比剂的临床应用原理主要有三种：一是利用血管内效应，例如CEMRA；二是利用血管床通过观察组织血管床灌注、血供特点，例如灌注成像和动态扫描；三是利用血管外效应观察血脑屏障破坏，例如普通增强扫描。

外源性对比剂序列可用于动态磁敏感对比成像(dynamic susceptibility-contrast，DSC)，通过静脉快速团注顺磁性对比剂，当对比剂通过毛细血管床时，引起局部磁场不均匀，进而引起邻近氢质子共振频率改变，后者导致质子自旋去相位，T2或T2*缩短，在影像上表现为T2或T2*信号强度下降，且信号下降的程度与局部血容积和对比剂浓度呈正比。

图42 ～44 GRE-EPI T2*WI头颅轴位图像，分别为rMTT、rCBV及灌注曲线，显示右侧额顶叶大面积rMTT延长，rCBV减低区，灌注曲线显示该区域脑组织与正常脑组织在对比剂通过时的不同曲线形态

PWI常用序列有SE-EPI(T2*WI)、GREEPI(T2*WI)(图42～44)及PRESTO。另外，动态对比增强法(dynamic contrast-enhanced，DCE)T1WI，主要是基于对比剂造成的组织T1缩短效应，多用于估计血管通透性，成像的参数主要有初始上升速率、平均上升速率、最大信号强度和廓清速率等。但是由于成像时间较长，DCE多只能采取较少层面的动态增强，比如垂体的动态扫描。

8 磁敏感加权成像(SWI)

磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging，SWI)一种新的磁共振成像法，不同于以往的质子密度、T1或T2加权成像，这种新的方法使用了一直被忽略的相位图，同时采用相位图和幅值图像，相位图对应磁敏感性，幅值图包含组织的对比，对相位图进行蒙版处理后加权至幅值图，从而得到强调组织间磁敏感差异的图像(图45，46～48)，能在1.0～7.0 T或更高场MR设备上进行。

图45 SWI MIP 3D头颅轴位图像，胼胝体压部及右枕清楚地显示丰富纡曲的肿瘤血管

常用序列为3D扰相GRE T2*WI。除静脉外，SWI组织对比兼有T1、T2、FLAIR图像的特点，SWI显示水肿具有FLAIR图像的特点(长TR，短TE，周围组织适当抑制)，但脑脊液显示为高信号(翻转角小的原因)，临床上利用SWI对脱氧血红蛋白敏感的特性，可以对静脉、出血、非血红素铁沉积测定，在神经系统上可以用来脑静脉解剖成像，诊断弥漫性轴索损伤、血管畸形、脑血管病、肿瘤和退行性变性病等。这项技术存在的缺陷是很难区分小静脉、小出血灶与血栓，可以通过注射对比剂前后扫描或进行相位分析方法来弥补。

9 磁共振波谱成像(MRS)

磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy，MRS)是一种利用磁共振现象和化学位移作用，对一系列特定原子核及其化合物进行分析的方法，是目前唯一对人体无损伤性，用以研究活体组织器官代谢和生化变化以及化合物定量分析的方法。MRS利用化学位移原理探测不同物质的频率差别，以ppm表示。目前可用于医学领域波谱研究的原子核有31P、1H、23C、19F、7Li等，其中以31P和1H应用最为广泛。MRS临床多应用于神经系统脑肿瘤、癫痫、神经精神疾病、缺血缺氧性脑病、代谢病、退行性病等病变的诊断，在体部用于前列腺、肝脏疾病的诊断。

图46 ～48 头颅轴位T2WI，T1WI及SWI MIP 3D图像。在常规图像中没有显示异常，在SWI图像上可见左侧小脑半球多发斑点状低信号的脑实质损伤改变

MR波谱形成的原理包括化学位移和J耦合两种物理现象，主要采用两种脉冲序列成像：STEAM和PRESS。成像的方式有单体素、二维、三维采集。波峰由各主要代谢物产生，包括N-乙酰天门冬胺酸(NAA)和其他N-乙酰物质、肌酸(Cr)和磷酸肌酸(PCr)、胆碱(Cho)、肌醇(mI)、谷氨酰胺(Glx)、谷氨酸(Gln)、葡萄糖、乳酸(Lac)、乙醇和酮体。2010年2月《Nature》杂志文章报道，MRS也可检测出多巴胺的存在。这些混合物中一些确切生物化学作用是现今研究的重点，其中一些波峰已被证实为某些疾病状态的标志。

波谱扫描脉冲序列STEAM：激励回波序列(STEAM)的优点是TE短，受J耦合影响少，对短T2化合物显示较好，常用于短T2成分的化学物质如谷氨酰胺、肌醇的分析。缺点是信噪比低，对运动敏感，对磁场均匀度等要求严格。

图49 MRS PRESS序列，单体素H质子波谱图像，左额顶白质区病变显示Cho/Cr显著升高，NAA降低，提示肿瘤性病变，病理为星形细胞瘤

点解析波谱(PRESS)是在两个180°脉冲后跟一个90°脉冲，适于长TE化合物，如Cho、Cr、NAA等化学物质的波谱分析。优点是信噪比高，对运动不敏感，对磁场要求相对低，广泛应用于临床的单体素(图49)、二维波谱、三维波谱成像。缺点是易受J耦合影响。

MRS侧重于在体素基础上的生化信息，它定位于MRI的体素，提供了正常脑或病变脑组织额外的描述特征，可以免除脑活检，是一种功能性检查。MRS既可以识别无解剖学变化的异常，如肿瘤的浸润、弥漫性轴索损伤、肝性脑病、痴呆、溺死前改变、颞叶癫痫以及代谢异常，也可以识别一些有解剖学变化的异常，如肿瘤或放射性坏死、弓形体病或淋巴瘤、转移瘤或浸润性胶质瘤。表2介绍了目前应用在一些常见病变中的脑内化合物的变化情况。

表2 常见病变MRS检查中各种化合物变化

10 脑功能成像(fMRI)

fMRI的基础是利用神经元兴奋活动与血流动力学间存在的密切关系，快速显示兴奋的神经元与非兴奋神经元间的信号差异。BOLD效应是基于局部大脑氧代谢率(cerebral metabolic rate of oxygen，CMRO2)与局部脑血流量(regional cerebral blood flow，rCBF)增加值间的差异，而且fMRI获取的信号值的增加量与rCBF的增加值呈直线正相关。脱氧血红蛋白为顺磁性物质，产生局部梯度磁场使质子快速去相位，具有缩短T2的作用，使相应区域T2信号强度增强。经过后处理可将这种代表神经元兴奋活动的信号提取出来，显示出明确可靠的信号变化，从而获得激活脑区的功能成像图(图50～52)。利用内源性血红蛋白作为对比剂，通过血氧饱和度的对比变化而成像的方法称为血氧水平依赖功能磁共振成像(BOLD-fMRI)。

图50 ～52 fMRI二维及三维脑功能区激活图像、与白质纤维束示踪融合重建图像

功能成像还有一项技术是SEEP(signal enhancement by extravascular water protons)，它主要包括脊髓和脑的功能成像，并且能够在低场强机型上应用。与BOLD的机制不同，SEEP主要看细胞的水肿和血管外水含量的增加，而BOLD主要是看血管内血红蛋白的变化。在低场强(0.2 T)机器上应用SEEP技术采集脑功能成像信号，也能够清楚地看到双手运动与感觉的功能区。SEEP与BOLD比较，SEEP更有优势，它可以更好地进行神经元活动空间定位，有更高的信噪比(contrast to noise ratio，CNR)，对磁场的不均匀性敏感性更低，可用来研究脊髓损伤患者的功能区的变化，这一点对于针刺研究来说很有意义。目前国内外的针刺研究多偏重于脑部，但实际上，痛觉或其他感觉首先是横向联系，从外周到脊髓，再纵向上传至脑，再下达至脊髓，再至外周。从针刺的整个磁共振研究来讲，很少有人提及经络，因为我们看不到经络，所以多数人称之为“神经针刺”(Neuroacupuncture)，而神经针刺必然是先从外周传至脊髓，再向上传至脑，所以SEEP脊髓的针刺功能成像研究对神经针刺的全程走形来说非常重要。

11 其他成像

磁共振领域各种新的成像技术还在不断研究探索中，如pH值成像、温度成像、弹性成像、纳米级成像等。

12 小结

本文提到的序列已经有60多种，如果放射科用所有序列对每个患者都做一遍肯定是不现实的，所以，什么病用什么序列，选择最优化、合理的序列为患者服务必须提上日程。自1985年开始使用磁共振以来，已经发展了很多扫描序列，如何在检查过程中更好的选择脉冲，就必须弄清每个脉冲序列的特点和优势，从而得到更高的性价比。表3列举了常见临床目的所需选用的序列，当然这只是很少一部分，而上述我们已经提到的，如脂肪抑制、水成像等根据临床目的选用不同的成像方法已经为大家所熟知。

尽管磁共振的成像机制依旧是根据氢质子多少及构成、流空效应、磁性及顺磁性物质、含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、正铁血红蛋白及含铁血红蛋白含量等来进行成像，其成像能力随场强的增加有了一定的发展，然而更多的是通过射频场、接收线圈以及梯度系统的不断改进，磁共振才得到了长足的发展。