磁共振波谱在缺血性脑卒中诊断中的应用

曹源 梁国标

(1空军军医大学西京医院神经外科，陕西 西安 710032; 2沈阳军区总医院神经外科，辽宁 沈阳 110016)

一、磁共振波谱原理

磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy, MRS)通过检测脑组织中一系列代谢物的水平反应脑组织的代谢情况，并可以对代谢物进行定量分析，是一种无创性的检查方法。磁共振波谱检测四种主要代谢物物的水平，N-乙酰天门冬氨酸(N-acetyl-aspartate, NAA)主要分布于神经元的胞体和突触中，被认为是神经元完整性的标志；肌酸(creatine, Cr)位于神经元和胶质细胞中，被认为是脑能量代谢的标志；胆碱(choline, Cho)位于细胞膜，被认为是细胞膜和鞘磷脂的标志；乳酸(lactate, Lac)是无氧糖酵解的标志[1]。在急性脑卒中后，各种代谢物的变化随时间呈特征性表现，在动脉梗阻1 h后NAA浓度水平即出现下降，这种下降可持续到梗阻后一周，而Lac在梗阻发生后数分钟即开始升高，在出现再灌注后下降[2]。并有研究表明脑组织中NAA的减少是对脑能量代谢障碍的直接反应，NAA水平的降低受距发病时间长短、剩余血流量和初始血糖浓度影响，而这些正是决定组织命运的关键性因素，NAA是预测缺血组织命运的独立性因素[3]。

二、磁共振波谱联合弥散加权成像-灌注加权成像不匹配

弥散加权成像(diffusion-weighted imaging, DWI)在临床应用比较广泛，可用于可视化局部缺血性病变的急性缺血性卒中。探测水分子的布朗运动的微小变化，对细胞毒性脑水肿更加敏感，对缺血性卒中的敏感性大于80%[4]。但DWI并非直接测量脑氧代谢率，而是将细胞毒性水肿作为脑氧代谢率降低的结果，间接观察脑的氧代谢。因此它只能显示梗死核心区域，不能单独测量缺血半暗带的范围，必须联合灌注加权成像(perfusion-weighted imaging, PWI)。目前被广泛认可的确定缺血半暗带的标准是DWI-PWI不匹配[5]，认为DWI-PWI不匹配可以帮助判断缺血半暗，并对患者是否可以从溶栓治疗中获益提供标准[6]。表观扩散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)是通过对DWI图像的计算来描述区域水分子ADC的减少。在能量耗尽的组织中，ADC值明显的下降可以解释为缺氧去极化，导致细胞内钠的聚集，细胞外的水进入细胞内，造成细胞毒性水肿。Ma等[7]的研究表明，与DWI-PWI不匹配相比，基于ADC的方法对梗死核心、缺血半暗带的预测更为准确。除了DWI-PWI不匹配之外，许多研究应用不同的模型也获得了阳性的结果。多个研究证明[8]，DWI-FLAIR不匹配的患者在卒中发病后6 h内溶栓可以获益。Payabvash等研究发现SWI-DWI不匹配患者梗死核心更小，有更好的预后。但有研究表明把DWI高信号区作为梗死核心并不确切，有部分DWI高信号区是可恢复的[9]，并且不能很好的反应临床治疗效果[10]。 联合DWI-PWI不匹配和MRS，从形态学和代谢两个不同的角度分析梗死区脑组织的受损程度，相互弥补单一检查的不足，对急性期溶栓患者的选择有着重要的意义。在DWI可能异常的像素中可以观察到NAA浓度水平明显高于确定异常像素区域[11]，而Lac在DWI损伤区域的浓度水平高于DWI-PWI不匹配区域[12]。有学者认为，NAA的留存和Lac的升高是缺血半暗带的判断标准，并且可以出现在卒中早起DWI尚为阴性的患者之中[13]。如果能及早发现并先于影像学变化的代谢改变，无疑会对脑卒中早起治疗提供帮助。Holmes等[14]应用DWI-PWI不匹配联合MRS对中脑动脉栓塞(middle cerebral artery occlusion, MCAO)大鼠模型缺血半暗带区域代谢完整性进行评估，利用缺血半暗带对氧气的敏感性，改变通气氧浓度，获取乳酸变化图，可以较DWI-PWI不匹配更精确地描绘缺血半暗带。尽管对于临床应用需要进一步的试验，但无疑是一种新的探索。

三、磁共振波谱联合CT灌注成像

CT灌注成像(computer tomography perfusion, CTP)是通过观察组织灌注来判断组织缺血情况，被应用于卒中的急性期再灌注治疗前，判断缺血半暗带的范围。与MRS联合应用，帮助确定波谱体素应用的区域，可对在灌注治疗后的疗效及患者预后进行评估。首先是对缺血半暗带的判断，有研究[15]将延迟时间(delay time, DT)>2 s作为判断急性缺血半暗带的标准，梗死核心为DT>2 s且脑血流量(cerebral blood flow, CBF)<40%。Andrew Bivard等[16]的研究中将相对延迟时间(relative delay time, rDT)>3 s作为急性灌注损伤的标准， CBF<30%作为急性梗死核心的标准，缺血半暗带的区域则为rDT>3 s的区域减去CBF<30%的区域。虽然标准在不同的研究中略有差异，但是都说明了CTP在脑卒中急性期对缺血半暗带区域的诊断价值，都可以为MRS分析不同缺血区域的给出了很好的定位。其次是联合PWI对再灌注区域定位，结合MRS可以对再灌注治疗的效果进行评价。将24 h PWI平均通过时间(mean transit time, MTT)受损区域较急性期CTP平均通过时间区域受损区灌注受损减少>80%的区域作为再灌注区域[17-18]，在梗阻周围再灌注组织中NAA和谷氨酸的含量与3个月改良 Rankin 评分(modified Rankin scale, mRS)相关[15]。CTP也可以单独结合MRS对卒中患者梗死及预后进行评价，在包含110例患者的前瞻性研究中[16]，在卒中发生4.5 h内行CTP检查，结果表明在CTP上急性期核心的容量与谷氨酸盐和甘油磷酸胆碱的浓度相关，24 h总胆碱和乳酸浓度较低的区域NIHSS评分较高，在多元回归分析中，梗死核心的大小及其周围谷氨酸浓度与3个月mRS评分相关。因此在CT平扫明确没有出血的情况下，行CTP联合对临床的指导及预后的判断有相当重要的意义。

四、磁共振波谱联合血氧水平依赖磁共振成像

血氧水平依赖磁共振成像(blood oxygen level-dependent MRI, BOLD MRI)通过反应脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白的比例变化，反应脑的血流动力学和氧的供给，间接反应脑的代谢情况。BOLD又可以分为正负两种效应，当脑的运动区受到刺激时，相应的脑区氧供增加，脱氧血红蛋白含量减少，相应的T2信号增高，此为BOLD的正效应；当脑缺血时，脱氧血红蛋白增加，T2信号下降，此为BLOLD的负效应。BOLD的正负效应可分别用在脑卒中不同阶段对脑功能的评估上，在脑卒中急性期，应用BOLD负效应可对缺血半暗带的范围进行评估，使用基于BOLD的横向可逆性弛豫率(R2')检测猴子可逆性大脑中动脉闭塞模型的缺血半暗带，R2'图像显示梗死核心区域为低信号，而缺血半暗带和良性低灌注区为高信号，且随着时间的延长3种类型的组织的信号都变低，但缺血半暗带和良性低灌注区的信号持续高于梗死核心区。缺血半暗带和良性血流区域在R2'图上的值升高，而梗死核心失去了升高脑氧摄取分数(oxygen extraction fraction, OEF)的代偿能力，在R2'图上显示为持续的低信号[19]。BOLD的正性效应可在卒中恢复期判断患者运动区恢复情况，Pineiro等[20]利用动手指刺激脑运动中枢，对比脑梗死后患者与正常人运动区信号强度，证明皮质下脑梗死患者运动中枢的信号强度明显低于正常人。但BOLD的恢复并不能代表神经元的恢复，Taylor等[21]应用高时间分辨率多通道MRS联合BOLD在急性全脑缺血多小鼠模型中研究发现，脑代谢多恢复较血流动力学的恢复有一定的延迟性。BOLD联合MRS可以更加准确的对缺血区域脑组织的神经元活动进行分析，Craciunas等[22]通过患者抓握动作使运动区、运动前区等脑组织灌注在BOLD上发生的改变判断梗死区，帮助定位MRS兴趣区，表明运动区NAA的浓度与患者肢体恢复情况明显相关，早期运动可以增加梗死区域NAA的水平，对于临床判断患者肢体的恢复有着重要的研究价值。

五、磁共振波谱联合弥散张量成像

传统磁共振不能在早期显示梗阻后的继发损伤，弥散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)通过测量水分子的扩散描绘脑组织的结构可以发现未被传统磁共振发现的改变。弥散张量通过平均弥散率和各向异性分数这两个参数表达。平均弥散率(mean diffusivity, MD)是对组织某一体素或区域的弥散状况进行全面的评价，是在所有方向上分子平均运动幅度的参数，因此此参数不依赖方向；各向异性分数(fractional anisotropy, FA)可以量化测量异向性程度，其特点在于将水的随机运动选择性的限制在单一方向上[23]。有研究证明，大脑中动脉梗阻侧丘脑平均弥散率显著升高，反映了对水分子限制性降低，说明了丘脑成分的缺失[24]。

磁共振波谱分析是一种非侵入性的影像学检查方法观察脑的代谢情况。有证据表明神经元和轴索的丢失和破坏可以通过测量NAA的含量发现，NAA是神经元和轴索完整性、生存能力、活力和功能的标志物。波谱分析可以通过NAA的改变来判断神经元和轴索的密度和功能，而DTI会受到小胶质细胞活动的潜在影响而难以判读。应用DTI联合MRS观察卒中后丘脑的继发改变，可以揭示DTI上影像学异常的病理基础[24]。

综上所述，MRS是一种非侵入的、直接的观察组织代谢的检查方式，在缺血性卒中的诊断中判断脑组织损伤情况有着重要的价值[25-26]。相比于其他影像学的直观性，MRS需要对各种代谢产物水平所表达的意义进行综合分析和判断。联合多种影像学手段，从不同的角度分析脑卒中后脑组织的损伤情况，对于指导治疗策略的选择，判断疾病的预后有着重要意义，是对治疗“时间窗”的补充。在今后的临床和科研工作中，可以进一步挖掘其应用的价值，更好地在物质代谢水平认识疾病。

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