磁共振脈沖序列在中樞神經系統中的應用(二)

戴建平，沈慧聰，李少武

首都醫科大學附屬北京天壇醫院，100050

6 擴散加權成像(DWI)

擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)是在常規序列的基礎上，施加擴散敏感梯度，以顯示水分子的布朗運動。DWI的圖像對比度主要取決于水分子的位移運動，而并非水的自身結構成分，它不同于常規自旋回波序列的圖像，如質子密度或T1、T2像的信噪比及空間分辨率。它通常是在標準MRI序列上運用EPI技術，再加上對擴散運動敏感的梯度脈沖，獲得水分子擴散運動的特征信息。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、單次激發反轉恢復SE-EPI序列(應用不多)、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序列基礎上施加擴散敏感梯度場，單次激發采集所有回波信號(圖30)。

圖30 頭顱軸位，SE-EPI DWI序列，EPI的準備脈沖為SE序列，顯示左顳及基底節區的大面積梗死

腦組織結構成分復雜，組織內水分子的擴散運動不僅受組織細胞本身特征的影響，而且還受細胞內部結構(如細胞膜、核膜、胞質內細胞器等)的影響，因此正常腦組織內水分子的擴散程度與病變組織的細胞密度、細胞膜通透性、細胞外間隙、溫度以及擴散介質的黏滯性均具有顯著相關性。

圖31 頭顱軸位，SE-EPI DWI 序列，顯示右側放射冠急性期病灶呈高信號，而由此外囊及左頂枕區為軟化灶呈低信號

DWI的臨床應用十分廣泛，可以鑒別急性、亞急性腦梗死，評價腦梗死的進程(圖31)，可以對顱內囊性病變(圖32、33)、環狀強化病變進行鑒別診斷(圖34～37)，對腦腫瘤的診斷與鑒別診斷、治療療效評價提供信息，并且有助于脫髓鞘疾病的診斷及外傷、彌漫性軸索損傷的判定等。

另外一種特殊的DWI成像——全身DWI，是使用STIR技術抑制正常組織和脂肪的信號，全身DWI掃描后對圖像進行重組，得到類似PET的圖像，又稱為類PET技術，臨床上主要用來進行血液系統腫瘤的評價和惡性腫瘤的全身評價。

圖32 、33 頭顱軸位，T1WI圖像所示橋前池左側囊性信號病變，在DWI圖像上顯示為高信號，表示彌散受限，證實為表皮樣囊腫而不是蛛網膜囊腫

圖34 、35 頭顱軸位，示右顳環形強化病變，DWI圖像顯示為高信號，病理證實為膿腫

圖36 、37 頭顱冠狀位，示右側小腦半球環形強化病變，DWI圖像顯示為低信號，病理證實為轉移瘤

擴散張量成像(DTI)是在DWI的基礎上施加更多非線性方向的梯度場，更精確地描述水分子運動的各向異性特征，主要使用單次激發SE-EPI T2WI，是在SE-EPI序列基礎上施加擴散敏感梯度場，單次激發采集所有回波信號(圖38、39)。臨床應用于腦腫瘤、腦血管病的評價，以及白質纖維束示蹤成像技術，描述白質纖維束的走行(圖40)。

7 灌注加權成像(PWI)

圖38 、39 頭顱軸位，FA黑白及偽彩圖，反映腦組織各種成分內的水分子運動方向的不同及各向異性的大小

圖40 白質束示蹤成像，顯示浸潤性生長的腫瘤對白質纖維束的破壞

利用“首過效應”采用回波平面成像(EPI)技術來觀察腦血流動力學的改變，將組織對比劑濃度的變化轉變為弛豫時間的改變，運用示蹤劑血流動力學理論，從時間－濃度曲線算出灌注參數值，也稱為灌注成像(perfusion weighted imaging，PWI)。

PWI是通過測量血流動力學參數來描述血流通過組織血管床的情況，從而評價組織的血流灌注狀態。PWI臨床應用廣泛，可以用于神經系統的卒中、腫瘤、炎癥、癲癇、外傷、退行變性病的診斷、鑒別診斷、療效預測及評估等。

PWI的應用序列可分為外源性和內源性對比劑序列。

內源性對比劑序列無需注入外源性對比劑，主要用于動脈血質子自旋標記(arterial spin labeling，ASL)，流動敏感交互式反轉恢復(flowsensitive alternating inversion recovery，FAIR)序列，是以動脈血中水質子作為內源性示蹤劑，采用IR序列，得到成像平面標記及未標記的水質子圖像，二者相減得到反映組織灌注情況圖(圖41)。在某種意義上說，血氧水平依賴(blood oxygen level dependent，BOLD)也可以進行血流灌注量的研究。對比由順磁性物質脫氧血紅蛋白引起，對脫氧血紅蛋白敏感的序列能反映血容量和血氧的改變，目前多采用EPI序列，一般采用吸入高濃度氧和/或CO2以產生信號對比。BOLD研究表明高氧血癥引起的信號改變見于所有的功能血管，而高碳酸血癥引起的信號改變則僅見于有血管外皮細胞和平滑肌細胞的血管活性的成熟血管；因此根據對兩者反應的差異可判斷血管的成熟情況，從而確定腫瘤的存在。并且，可以用來評價腫瘤的生長，判斷腫瘤生長過程中出現的缺氧和血流動力學情況，從而推測在腫瘤抗血管治療的評價方面可能會有一定價值。

圖41 頭顱軸位，動脈血質子自旋標記成像，可見左側額頂的血流灌注量較對側減低

灌注加權成像很重要的一方面是使用對比劑，對比劑的臨床應用原理主要有三種：一是利用血管內效應，例如CEMRA；二是利用血管床通過觀察組織血管床灌注、血供特點，例如灌注成像和動態掃描；三是利用血管外效應觀察血腦屏障破壞，例如普通增強掃描。

外源性對比劑序列可用于動態磁敏感對比成像(dynamic susceptibility-contrast，DSC)，通過靜脈快速團注順磁性對比劑，當對比劑通過毛細血管床時，引起局部磁場不均勻，進而引起鄰近氫質子共振頻率改變，后者導致質子自旋去相位，T2或T2*縮短，在影像上表現為T2或T2*信號強度下降，且信號下降的程度與局部血容積和對比劑濃度呈正比。

圖42 ～44 GRE-EPI T2*WI頭顱軸位圖像，分別為rMTT、rCBV及灌注曲線，顯示右側額頂葉大面積rMTT延長，rCBV減低區，灌注曲線顯示該區域腦組織與正常腦組織在對比劑通過時的不同曲線形態

PWI常用序列有SE-EPI(T2*WI)、GREEPI(T2*WI)(圖42～44)及PRESTO。另外，動態對比增強法(dynamic contrast-enhanced，DCE)T1WI，主要是基于對比劑造成的組織T1縮短效應，多用于估計血管通透性，成像的參數主要有初始上升速率、平均上升速率、最大信號強度和廓清速率等。但是由于成像時間較長，DCE多只能采取較少層面的動態增強，比如垂體的動態掃描。

8 磁敏感加權成像(SWI)

磁敏感加權成像(susceptibility weighted imaging，SWI)一種新的磁共振成像法，不同于以往的質子密度、T1或T2加權成像，這種新的方法使用了一直被忽略的相位圖，同時采用相位圖和幅值圖像，相位圖對應磁敏感性，幅值圖包含組織的對比，對相位圖進行蒙版處理后加權至幅值圖，從而得到強調組織間磁敏感差異的圖像(圖45，46～48)，能在1.0～7.0 T或更高場MR設備上進行。

圖45 SWI MIP 3D頭顱軸位圖像，胼胝體壓部及右枕清楚地顯示豐富紆曲的腫瘤血管

常用序列為3D擾相GRE T2*WI。除靜脈外，SWI組織對比兼有T1、T2、FLAIR圖像的特點，SWI顯示水腫具有FLAIR圖像的特點(長TR，短TE，周圍組織適當抑制)，但腦脊液顯示為高信號(翻轉角小的原因)，臨床上利用SWI對脫氧血紅蛋白敏感的特性，可以對靜脈、出血、非血紅素鐵沉積測定，在神經系統上可以用來腦靜脈解剖成像，診斷彌漫性軸索損傷、血管畸形、腦血管病、腫瘤和退行性變性病等。這項技術存在的缺陷是很難區分小靜脈、小出血灶與血栓，可以通過注射對比劑前后掃描或進行相位分析方法來彌補。

9 磁共振波譜成像(MRS)

磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)是一種利用磁共振現象和化學位移作用，對一系列特定原子核及其化合物進行分析的方法，是目前唯一對人體無損傷性，用以研究活體組織器官代謝和生化變化以及化合物定量分析的方法。MRS利用化學位移原理探測不同物質的頻率差別，以ppm表示。目前可用于醫學領域波譜研究的原子核有31P、1H、23C、19F、7Li等，其中以31P和1H應用最為廣泛。MRS臨床多應用于神經系統腦腫瘤、癲癇、神經精神疾病、缺血缺氧性腦病、代謝病、退行性病等病變的診斷，在體部用于前列腺、肝臟疾病的診斷。

圖46 ～48 頭顱軸位T2WI，T1WI及SWI MIP 3D圖像。在常規圖像中沒有顯示異常，在SWI圖像上可見左側小腦半球多發斑點狀低信號的腦實質損傷改變

MR波譜形成的原理包括化學位移和J耦合兩種物理現象，主要采用兩種脈沖序列成像：STEAM和PRESS。成像的方式有單體素、二維、三維采集。波峰由各主要代謝物產生，包括N-乙酰天門冬胺酸(NAA)和其他N-乙酰物質、肌酸(Cr)和磷酸肌酸(PCr)、膽堿(Cho)、肌醇(mI)、谷氨酰胺(Glx)、谷氨酸(Gln)、葡萄糖、乳酸(Lac)、乙醇和酮體。2010年2月《Nature》雜志文章報道，MRS也可檢測出多巴胺的存在。這些混合物中一些確切生物化學作用是現今研究的重點，其中一些波峰已被證實為某些疾病狀態的標志。

波譜掃描脈沖序列STEAM：激勵回波序列(STEAM)的優點是TE短，受J耦合影響少，對短T2化合物顯示較好，常用于短T2成分的化學物質如谷氨酰胺、肌醇的分析。缺點是信噪比低，對運動敏感，對磁場均勻度等要求嚴格。

圖49 MRS PRESS序列，單體素H質子波譜圖像，左額頂白質區病變顯示Cho/Cr顯著升高，NAA降低，提示腫瘤性病變，病理為星形細胞瘤

點解析波譜(PRESS)是在兩個180°脈沖后跟一個90°脈沖，適于長TE化合物，如Cho、Cr、NAA等化學物質的波譜分析。優點是信噪比高，對運動不敏感，對磁場要求相對低，廣泛應用于臨床的單體素(圖49)、二維波譜、三維波譜成像。缺點是易受J耦合影響。

MRS側重于在體素基礎上的生化信息，它定位于MRI的體素，提供了正常腦或病變腦組織額外的描述特征，可以免除腦活檢，是一種功能性檢查。MRS既可以識別無解剖學變化的異常，如腫瘤的浸潤、彌漫性軸索損傷、肝性腦病、癡呆、溺死前改變、顳葉癲癇以及代謝異常，也可以識別一些有解剖學變化的異常，如腫瘤或放射性壞死、弓形體病或淋巴瘤、轉移瘤或浸潤性膠質瘤。表2介紹了目前應用在一些常見病變中的腦內化合物的變化情況。

表2 常見病變MRS檢查中各種化合物變化

10 腦功能成像(fMRI)

fMRI的基礎是利用神經元興奮活動與血流動力學間存在的密切關系，快速顯示興奮的神經元與非興奮神經元間的信號差異。BOLD效應是基于局部大腦氧代謝率(cerebral metabolic rate of oxygen，CMRO2)與局部腦血流量(regional cerebral blood flow，rCBF)增加值間的差異，而且fMRI獲取的信號值的增加量與rCBF的增加值呈直線正相關。脫氧血紅蛋白為順磁性物質，產生局部梯度磁場使質子快速去相位，具有縮短T2的作用，使相應區域T2信號強度增強。經過后處理可將這種代表神經元興奮活動的信號提取出來，顯示出明確可靠的信號變化，從而獲得激活腦區的功能成像圖(圖50～52)。利用內源性血紅蛋白作為對比劑，通過血氧飽和度的對比變化而成像的方法稱為血氧水平依賴功能磁共振成像(BOLD-fMRI)。

圖50 ～52 fMRI二維及三維腦功能區激活圖像、與白質纖維束示蹤融合重建圖像

功能成像還有一項技術是SEEP(signal enhancement by extravascular water protons)，它主要包括脊髓和腦的功能成像，并且能夠在低場強機型上應用。與BOLD的機制不同，SEEP主要看細胞的水腫和血管外水含量的增加，而BOLD主要是看血管內血紅蛋白的變化。在低場強(0.2 T)機器上應用SEEP技術采集腦功能成像信號，也能夠清楚地看到雙手運動與感覺的功能區。SEEP與BOLD比較，SEEP更有優勢，它可以更好地進行神經元活動空間定位，有更高的信噪比(contrast to noise ratio，CNR)，對磁場的不均勻性敏感性更低，可用來研究脊髓損傷患者的功能區的變化，這一點對于針刺研究來說很有意義。目前國內外的針刺研究多偏重于腦部，但實際上，痛覺或其他感覺首先是橫向聯系，從外周到脊髓，再縱向上傳至腦，再下達至脊髓，再至外周。從針刺的整個磁共振研究來講，很少有人提及經絡，因為我們看不到經絡，所以多數人稱之為“神經針刺”(Neuroacupuncture)，而神經針刺必然是先從外周傳至脊髓，再向上傳至腦，所以SEEP脊髓的針刺功能成像研究對神經針刺的全程走形來說非常重要。

11 其他成像

磁共振領域各種新的成像技術還在不斷研究探索中，如pH值成像、溫度成像、彈性成像、納米級成像等。

12 小結

本文提到的序列已經有60多種，如果放射科用所有序列對每個患者都做一遍肯定是不現實的，所以，什么病用什么序列，選擇最優化、合理的序列為患者服務必須提上日程。自1985年開始使用磁共振以來，已經發展了很多掃描序列，如何在檢查過程中更好的選擇脈沖，就必須弄清每個脈沖序列的特點和優勢，從而得到更高的性價比。表3列舉了常見臨床目的所需選用的序列，當然這只是很少一部分，而上述我們已經提到的，如脂肪抑制、水成像等根據臨床目的選用不同的成像方法已經為大家所熟知。

盡管磁共振的成像機制依舊是根據氫質子多少及構成、流空效應、磁性及順磁性物質、含氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、正鐵血紅蛋白及含鐵血紅蛋白含量等來進行成像，其成像能力隨場強的增加有了一定的發展，然而更多的是通過射頻場、接收線圈以及梯度系統的不斷改進，磁共振才得到了長足的發展。