MRS的基本概念与临床应用（一）

娄 晶，王光彬

（1．山东省济南市中医医院CT室，山东济南250012；2．山东省医学影像学研究所，山东济南 250021）

20世纪90年代以来，在传统MRI技术基础上发展起来的fMRI技术已广泛应用于临床和基础医学研究。在许多疾病中，代谢改变常常先于病理形态改变，MRS对这种代谢改变的潜在敏感性很高，能够提供早期检测病变的信息，是目前唯一能无创性观察活体组织代谢及生化变化的技术。

1 MRS的基本概念

1．1 基本原理 MRS是利用磁共振现象和化学位移效应进行特定原子核及其化合物定量分析的方法。原子核的共振频率不仅取决于外加磁场强度和原子核本身物理性质，即旋磁比，同时还受原子核在化合物中的化学环境的影响。即使是同一种原子核（如P、H、C核），其所在化合物的化学环境不同，进动频率就会不同。这种在相同环境条件（温度、pH值、均匀外磁场等）下，由于所处的分子结构不同所致的同一原子核进动频率出现差异的现象被称为化学位移现象［1］。由于化学位移的作用，不同化合物可以根据其在频谱上共振峰的不同加以区别，这就是MRS各频谱谱峰差别产生的基础。

1．2 谱线 MRS由一系列的谱峰组成，MRS谱线的横轴代表化学位移，即共振频率。不同化合物共振频率之间的绝对差值难以记忆，通常应用“百万分之几”（parts per million，ppm）来表示，所能探测到的化合物表现在一个或几个特定频率上的峰。纵轴代表化合物的信号强度，其峰高度或峰下面积与该化合物的浓度成正比。化合物最大峰高一半处的谱线宽度称为线宽（line width），亦称为半高线宽（full width at half maximum，FWHM），决定谱线的频率分辨力。信号峰值由共振频率峰高和线宽决定（见图1）。如果原子核之间存在共价键，其自旋磁矩之间的相互作用形成自旋－自旋偶联（spin-spin coupling），亦称为J偶联，偶联常数为J，J值越大，耦合越强，波分离越宽。这种化合物的特定化学结构会造成其表现为特定形态的峰（如乳酸双峰、β／r-GLx多峰等）［2］。

MRS所采集到的化学物质的浓度根据不同的后处理软件处理方法不同，差异也会有不同。频谱谱线的宽度会受到以下因素的影响［3］：①主磁场的均匀度，均匀度越差，则谱线越宽，MRS检查时匀场非常重要；②采样容积内部磁化频率的均匀度，均匀度越高，谱线越窄；③横向弛豫时间（T2），T2值越大，谱线越窄；T2值越小，谱线越宽。短回波（TE＜50ms）采集到的代谢物多，可看到短T2的代谢物，如肌醇（mI）、谷氨酸胺（Gln）和谷氨酸盐（Glu）的复合物（Gln＋Glu，Glx），可见脂肪信号；长回波（TE＞50ms）采集到的代谢物少，有利于观察乳酸峰。此外，谱线的判读还应考虑到受检者年龄及采集部位不同的相关性变化。MRS可以对多种原子核进行成像，包括1H、31P、13C、23Na等。其中1H的旋磁比最大，在生物体中的含量也最丰富，产生的MRS信号最强，且与常规MRI所用的激发及接收频率一致，因此，临床应用1H-MRS技术最为成熟，应用也最方便、最广泛。

2 1 H-MRS技术在中枢神经系统的临床应用

2．11H-MRS正常谱线及常见代谢物的信号特点中枢神经系统由于运动伪影少、脑组织含脂肪组织少等特点，是MRS的主要应用范围。1H-MRS目前可测定多种脑代谢产物和神经递质的共振峰，如N-乙酸门冬氨酸（NAA）、肌酸（Cr）／磷酸肌酸（PCr）、胆碱复合物（Cho）、mI、GLx、乳酸（Lac）、移动脂肪（Lip）等，其中正常人脑的1H-MRS有5个较明显的共振频谱波峰，NAA、Cr／PCr、Cho、mI、GLx（见图2）。

①NAA：1H-MRS中波峰最高，化学位移大约位于2．02ppm，有时在2．6ppm处可见，在正常人的大脑内浓度接近12．0mmol／L。与蛋白质和脂肪合成，维持细胞内阳离子浓度，以及钾、钠、钙等阳离子通过细胞和维持神经膜的兴奋性有关；仅存在于神经元内，是神经元密度和生存的标志；一些研究［4］报告，NAA也存在于少突胶质细胞或肥大细胞中。NAA含量多少反映神经元的功能状况，NAA水平的降低可作为神经元丢失或损伤的可靠指标，如肿瘤或坏死的进程、多发性硬化、艾滋病或颞叶癫痫等。此外，NAA峰值增高少见，仅见于海绵状脑白质营养不良。

②Cr／PCr：化学位移大约位于3．03ppm和3．96ppm，由Cr、PCr、γ－氨基丁酸（GABA）、赖氨酸和谷胱甘肽共同组成，在脑能量代谢减退的情况下增加，能量代谢增加的情况下降低，是脑细胞能量依赖系统的标志物，在脑灰质的含量高于脑白质。此代谢物峰值一般较稳定，常作为其他代谢物信号强度的参照物。随着肿瘤恶性程度的增加，代谢物的活性增加而Cr峰降低。

③Cho：化学位移大约位于3．2ppm，由磷酸胆碱、甘油磷酸胆碱、磷脂酰胆碱组成，主要是自由胆碱细胞膜翻转的标志物，在脑白质中含量高于脑灰质。参与细胞膜的构成，是髓鞘形成、细胞代谢、胶质增生和髓鞘脂质崩溃降解的指标，反映了细胞膜的运转状态。升高见于恶性肿瘤、脱髓鞘、炎症或者其他能导致细胞膜破坏（轴突损伤）的各种病变［5］。

④Glx：化学位移大约位于2．1～2．5ppm，有时见于3．5～3．8ppm，波峰是Gln、Glu和GABA的复合物，Glu和Gln在一系列复杂的能量代谢中保持着动态的平衡，而在神经元和星形胶质细胞中则是独立的。Glu是一种兴奋性氨基酸，是抑制性神经递质GABA的前体，具有兴奋毒性作用，并参与脑内氨的解毒，在脑组织缺血缺氧和肝性脑病时增高；Gln有灭活和调节神经递质的作用；GABA参与一系列神经系统疾病的发病机制，如癫痫、精神分裂症等［6］。

⑤mI：化学位移大约位于3．56ppm，有时在4．06ppm处可见，是脑内神经胶质细胞的标志物；参与细胞渗透压的调节、细胞内第二信使的生成、肝脏和颅脑的解毒等过程。含量的升高与病灶内（尤其是慢性病灶内）的胶质增生有关。另外，脑内还会出现Lac、Lip、丙氨酸（alanine，Ala）等。Lac是能量代谢的低能通路、葡萄糖无氧酵解的产物，以及细胞能量代谢缺乏的指标，Lac峰的出现常提示正常细胞的有氧代谢不能正常进行，周围组织出现缺血、缺氧甚至占位性病变。

2．2 颅内常见临床疾病的1H-MRS表现 MRS主要应用于脑肿瘤、癫痫、脱髓鞘病变、感染性疾病、神经退行性病变、神经皮肤综合征和畸形、颅脑损伤、精神异常等疾病的诊断和鉴别诊断。2．2．1 脑肿瘤1H-MRS是研究脑肿瘤物质和能量代谢的有效方法，有助于脑肿瘤的诊断和鉴别诊断，能提供其组织分级、术后复发和疗效评价等信息。肿瘤组织的1H-MRS与正常脑组织有显著差异［7］：MRS主要表现为NAA、Cr峰下降、Cho、Lac、Lip峰升高（见图3），其中Cho峰值升高提示膜代谢增加，被认为是颅内肿瘤最特异的标记物，与肿瘤的恶性相关；Cr峰随肿瘤恶性程度的升高有降低趋势；Lip峰出现于大多数高级别的肿瘤中，特别是肿瘤坏死区或邻近坏死区；Lac峰多见于多形胶质母细胞瘤中，低级星形细胞瘤中出现此峰则预示肿瘤进一步恶变的可能，儿童肿瘤中则大部分能检测出Lac。

肿瘤诊断与鉴别诊断：脑膜瘤、转移瘤的1HMRS显示NAA和Cr信号部分或完全缺失。另外，脑膜瘤的1H-MRS还常见异常Ala信号。转移瘤可见特征性的成对共振峰，由可流动脂质产生。低度恶性胶质瘤Cr信号峰和正常脑组织大致相同，而其Cho峰值信号成倍增加，肿瘤内还可见小的NAA信号，这与胶质瘤浸润性生长的特点一致，这说明瘤体内仍残留少量神经元。约50%的胶质瘤内可见Lac信号，高度恶性胶质瘤部分表现为NAA和Cr峰值显著降低甚至完全缺乏，部分表现与低度恶性胶质瘤表现相似，出现这种差别的原因是胶质母细胞瘤结构的不均一性，即实体和坏死成分比例的差异。坏死区，Cho峰值下降而Lac峰值提高，Lac水平提高显示预后不良，对制定放疗计划非常重要。淋巴瘤可能显示为Cho峰升高并伴Lip峰明显增高。初级神经外胚层肿瘤典型显示为mI升高，Cho／Cr和Cho／NAA比率明显增高，有助于儿童后颅窝肿瘤的术前鉴别诊断。

肿瘤分级提示：1H-MRS对肿瘤分级的精确性高于盲目活检，在区别良、恶性肿瘤方面，1H-MRS的敏感性、特异性和准确性分别为100%、86%和96%［8］。Cho／Cr、Lac／Cr比率升高，则恶性程度越高；典型的Lip峰见于高度恶性并伴有坏死的肿瘤，但在低度恶性肿瘤中也有可能出现；NAA峰和Cr峰在恶性程度高的肿瘤中峰值降低最明显；mI／Cr在低度恶性肿瘤中高于高度恶性肿瘤。

评估肿瘤浸润及进展：1H-MRS能对T2WI或T2－FLAIR上环绕肿瘤的高信号区可能代表血管源性水肿、肿瘤的浸润和治疗所致的异常作出精确的评价。连续的1H-MRS检查可用于随诊胶质瘤的进展［9］，肿瘤进展以Cho水平的增加＞45%为特征，未进展的肿瘤则Cho水平降低，不变或增高＜35%。

评价治疗反应：典型放射性坏死见于放疗后约6个月内，其特征为Cho峰值降低和Lip、Lac峰值升高或为正常的频谱形式。而Cho峰和Cho／NAA值的升高则提示肿瘤复发，比对比增强显示的异常表现要早1～2个月［10］。未放疗区域由于胶质增生可有Cho和／（或）mI峰值增高，随诊对准确诊断至关重要。

目前来说，由于导致肿瘤假阳性和假阴性因素的存在，使临床上所获得的波谱并非总是对某一种状态具有特异性。多种功能性方法联合应用可提高病变诊断的精确性，MRI增强扫描和1H-MRS用于指导颅内肿瘤的手术中以保证最大程度的切除肿瘤，对于颅内肿瘤的外科治疗有着非常积极的作用。

2．2．2 脑梗死 急性期，首先出现的异常是急性脑梗死后12h内Lac峰值的增高，Lac被认为是梗死开始阶段最敏感的标记物，Lac／Cr比率与临床进程和最后的梗死容积有更好的相关性；梗死发生后30～60min可见NAA峰值下降［11］。

亚急性和慢性期，随着梗死的进程，Lac峰值每周下降36%，直到晚期开始正常化；慢性期，重现低水平的Lac峰，出现Lip峰，NAA、Cho和Cr峰值随时间下降，Glx峰值可升高。

2．2．3 感染性病变 脑脓肿，可见琥珀酸盐（Succinate）、醋酸盐（Acetate）峰，与其他囊性病变具有鉴别意义；NAA、Cho、Cr峰明显降低或缺如，Lac、Lip、Ala峰升高。

脑炎：病灶区NAA、Cr含量降低，Cho含量增高，伴随mI增加可提示感染，mI和mI／Cr比率的升高是脑炎中常见的表现，有学者［12］认为NAA／Cho比值更能反映病毒性脑炎时神经细胞的受损程度，比值越低，脑损伤越重。

脑内结核瘤：脑内结核瘤1H-MRS表现为仅有Lip峰出现，并伴有无意义的分散频谱，有助于诊断MRI上不易与其他肿瘤鉴别的结核球。

2．2．4 脱髓鞘性病变1H-MRS可以鉴别反复发作型和继发进展型的多发性硬化。随访病变的进程，检测治疗反应，NAA／Cr、NAA／Cho比率的降低，在白质正常的继发进展型患者中更为明显。

急性和慢性斑块的鉴别：急性斑块，Cho峰、Cho／Cr比值升高，Lip峰升高可持续6个月，NAA峰下降，NAA／Cr比值、Cr峰明显下降，mI、Lac含量常升高，经过一段时间恢复，部分患者NAA峰几乎正常。慢性斑块，Cho峰、Cho／Cr比值有正常化趋势，Lac、Lip信号消失，NAA峰和NAA／Cr比值下降是慢性斑块的特征。

2．2．5 癫痫 临床倾向于将NAA／Cho＋Cr的比值作为定侧或判定异常的标志［13］。正常人NAA／Cho＋Cr值的下限为0．72，两侧差值＞9%或双侧较正常对照组明显降低均为异常，NAA／Cho＋Cr的定侧敏感性为75%～88%，准确率为83%～97%，特异性达100%；NAA峰值降低，NAA的减少说明癫痫灶内神经元的缺失、受损或功能活动异常；Lac及Lip峰可出现；Cr和Cho峰值升高反映胶质细胞的增生。此外，1H-MRS还可用于测定与癫痫活动有关的神经递质，GABA、Gln和Glu。

2．2．6 神经退行性疾病 NAA降低可以敏感、精确的反映Alzherimer病中神经元脱失的情况，通常，患者NAA峰值明显下降，mI水平升高，与痴呆的程度及持续时间密切相关，灰质的NAA／mI比率可以鉴别Alzherimer病与正常脑组织。

2．2．7 缺氧缺血性脑病 特征性的表现为在1．3ppm处出现双峰状的Lac，常根据Lac／Cr比值的不同将缺氧缺血性脑病进行轻、中、重分级（Lac／Cr比率＜0．5为轻度，0．5～1．5为中度，＞1．5为重度）［14］。NAA、Cr峰值降低，GLx峰值明显升高，mI波峰升高，Cho无显著的波形变化。

2．2．8 其他 除了上述临床应用外，MRS在脑代谢性疾病、系统性疾病的脑部异常、神经皮肤综合征和畸形、颅脑外伤的预后评价等多个领域都具有重要价值，如非酮性高甘氨酸血症患儿的1H-MRS可见多余Ala信号。

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图1 磁共振波谱的谱线 标准的谱线基线平稳，其中波峰所在的横坐标为化学位移，0ppm是设定的参照物；波峰所在的纵坐标为波峰高度，图中灰色区域称为峰下面积，此2个参数与化合物的浓度成正比；谱线峰高一半时的宽度称为线宽；化合物的化学结构中具有共价键，形成J偶联，表现为双峰或多峰，不同物质其偶联常数（为频率差）恒定，有助于化合物的识别 图2 正常脑白质的1 H－MRS谱线（TE 30ms）谱线显示的代谢物主要是NAA、Cr、Cho、mI、Glx。1 H-MRS谱线判读首先用肉眼观察谱线质量，拟和是否准确，有无伪影出现等，通常由谱线的右侧向左侧依次观察各代谢物在特定频率上的1个或几个峰。短TE时间的谱线上显示的代谢物峰明显多于长TE采集的谱线，可以采集到NAA（2．0ppm）、Glx（2．1～2．5ppm）、Cr（3．0ppm和3．9ppm）、Cho（3．2ppm）、mI（3．6ppm） 图3 男，78岁，颞叶胶质母细胞瘤，在肿瘤增强部位的周围，1 H-MRS谱线（TE 144ms）显示：Cho值明显升高，NAA值明显下降

（待续）