1H-MRS在腦膠質瘤診斷及臨床中應用的研究

摘要：1H-MRS（氫質子磁共振波譜）是一種無損傷性研究人體正常或病理組織代謝、生化改變及化合物定量分析的方法，其特異性較強，在腦腫瘤，尤其是腦膠質瘤中的應用越來越廣泛。現就1H-MRS的技術原理及其在膠質瘤的診斷、分級、評估預后及療效觀察等方面的應用進行綜述，歸納出1H-MRS在膠質瘤中的應用價值。

關鍵詞：磁共振波譜成像；腦膠質瘤；診斷價值；臨床應用

1H-MRS in Diagnosing and Evaluating Clinical Prognosis in Patient with Cerebral Glioma

WANG Yan-ju1，WANG Zheng-huan1，LIU San-chun2，SHAN Lian-qiang2

(1.Bengbu Medical College，Bengbu 233030，Anhui，China;2.The Second Affiliated Hospital of Bengbu Medical College，Bengbu 233030，Anhui，China)

Abstract：Proton magnetic resonance spectroscopy(1H-MRS)is a non-invasive study of human normal or pathological tissue metabolism， biochemical changes and compounds quantitative analysis method， and its specificity is strong， especially in glioma brain tumors is widely applied .And provide useful image information for evaluating biologic classification of glioma and regulating reasonable treatment principles. Hereby 1H-MRS technology and its application in diagnosis， glioma grading， prognostic and therapeutic and other applications were reviewed ， summarized 1H-MRS in glioma application value.

Key words：Proton magnetic resonance spectroscopy(1H-MRS);Cerebral glioma;Diagnostic value;Clinical application

磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)是隨著磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)發展起來的一種研究活體組織代謝與生化指標的無創性技術。腦膠質瘤是最常見的中樞神經系統腫瘤，手術仍是目前臨床首要治療措施，在保存腦功能的前提下，最大范圍切除腫瘤一直是神經外科的基本原則。在膠質瘤周圍存在一個腫瘤浸潤區域，這一區域術前很難被評估，術中不易被徹底切除，術后容易復發[1]。由于代謝異常通常早于形態結構的變化，MRS可以檢測到CMRI不能顯示的異常，MRS不能替代CMRI，但可以提供很有價值的補充信息[2]。隨著技術的不斷進步和在中樞神經系統的廣泛應用，氫質子磁共振波譜(proton magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)在腦膠質瘤的術前診斷、分級和判斷腫瘤侵襲性方面發揮著重要作用，可以彌補常規CT、MRI的不足。

1技術原理

MRS是一種利用磁共振現象和化學位移作用進行特定原子核及化合物分析的方法，也是目前惟一無創性活體研究機體生理或病理代謝變化的技術。被稱為\"無創活檢\"[3]。同一原子核在不同分子中，由于原子核周圍電子云的結構、分布和運動狀態不同，對原子核產生不同的屏蔽作用，使得原子核所受的磁場強度小于外加磁場，從而導致在同一均勻磁場中不同化合物中的同一原子核都會以略有差別的頻率發生共振，產生不同的磁共振波峰。因此不同化合物可依據其在磁共振波譜上共振峰位置的不同加以區別。共振峰的面積與共振核的數目成正比，反映化合物的濃度，可用于定量分析。

目前可以用在醫學領域波譜研究的原子核有31P、1H、23Na、13C、19F、7Li 等，由于氫原子核占人體總原子核數的2/3左右，且較其它原子在有機物結構中具有高自然豐度和核磁感性，是人體磁共振信號的主要來源，故氫質子最多應用于磁共振波譜研究中。

在1H-MRS檢查中有效勻場是獲得高分辨力波譜的必要條件，其精確度比CMRI的要求更高[4]。定域性勻場是借助多組梯度勻場線圈，調整其電流大小，改變磁場的空間分布，使興趣區磁場盡可能均勻。磁場的均勻性用水峰的最大半高寬(full width at half maximum，FWHM）表示，應小于0.1，FWHM 越小，包括水峰在內的共振峰越窄， 其分辨力越高，中心頻率的準確性也會隨之增加，后二者還共同影響水的抑制效果。若勻場效果差，磁場欠均勻，則波譜的信噪比降低，波峰增寬，甚至中心頻率移位。磁場均勻性的好壞關系到1H-MRS的結果。

另外，1H-MRS檢查中有兩個關鍵問題：①定位技術，②水抑制技術。定位方法有很多，包括表面線圈定位法(surface_coil localization)、深部分辨表面線圈定位法(depth_resolved surface_coil spectroscopy localization)、單體素定位法(single voxel localization)、波譜成像定位法(spectroscopic imaging localization) 以及單體素多體素混合定位法( SV_SI)。其中臨床常用的是單體素定位法和多體素定位法，單體素定位法可用點分辨選擇波譜(point_resolved selective spectrosocpy，PRESS)或激勵回波脈沖序列(stimulated_echo acquisition_mode， STEAM)。二者各有優缺點，PRESS 技術對運動不敏感，信噪比高，但是其回波時間長，難以檢出短TE物質；STEAM 技術雖然縮短了回波時間，但其對運動敏感，信噪比較低。臨床最常用的水抑制方法是化學位移選擇飽和法(chemical shift_selecting satruation，CHESS)[5]，即利用代謝物與水的共振頻率不同，在激發代謝物信號之前先用一個脈沖選擇性地飽和水信號。

2各代謝峰的測定及意義

1H-MRS能檢測到的目前常用代謝峰包括N-乙酰基天門冬氨酸(N_acetylaspartate， NAA)峰、肌酸(creatine，Cr)峰、膽堿(choline，Cho)峰、乳酸(lactate， Lac)峰、脂質(lipids， Lip) 峰等。NAA 峰位于2.02 ppm 處，主要存在于神經元及其軸索，被視為神經元的標志物，其含量多少可反映神經元的功能狀況，NAA 含量降低，反映神經元丟失、減少或神經元存在能量代謝障礙，膠質瘤可引起NAA濃度的下降；Cho峰位于3.20 ppm 處，包括磷酸甘油膽堿、磷酸膽堿和膽堿，反映了腦內總的膽堿量，其與細胞膜磷脂分解和合成有關，參與細胞膜的構成，被認為是膜轉歸或細胞密度增加的標志，Cho峰增高提示細胞分裂增殖活躍，以及細胞膜代謝異常增高，在膠質瘤中由于細胞增殖造成細胞膜轉換的增加，其膽堿峰升高；Cr 共振峰見于3.0 和3.194 ppm 處，包括肌酸和磷酸肌酸，二者是腦細胞內的一對能量緩沖系統，肌酸降低時磷酸肌酸增加，磷酸肌酸降低時肌酸增加，但總量一般比較穩定，常用作對照值來衡量其它代謝物的含量，是能量儲存和利用的重要化合物，在組織能量代謝中起作用，Cr 是一個恒量能量代謝的標志物， 在腫瘤浸潤( 除外壞死區) 或退行性疾病時無明顯改變，因此Cr 在1H-MRS 研究中常作為一個內部參考值[6，7]；Lac 是糖酵解的最終產物，它的出現提示組織細胞的有氧呼吸過程不能有效進行，無氧酵解增加，乳酸峰呈明顯的雙尖波，位于1.32ppm 處，Lac在許多惡性原發性腦腫瘤中增高，Lac的出現提示腫瘤代謝旺盛。Ishimaru等[8]研究發現，在膠質母細胞瘤中可見到明確的Lip或Lip/Lac蜂，但在間變性膠質瘤中則不出現；1H-MRS檢測不到正常細胞膜的磷脂成分，波譜中Lip 主要是指游離脂肪，它是細胞膜的降解產物，脂質的出現可反映組織壞死的進展，脂質峰位于0.90 ppm 處，Lip峰信號增加可作為腫瘤分級的輔助征象，其出現與腫瘤壞死后髓鞘升高、胞膜破壞引起脂質升高有關。除這些常見的代謝產物以外，有時還可檢測到肌醇以及數種氨基酸，這些代謝產物的意義尚不十分清楚。

3 1H-MRS在腦膠質瘤中的作用

3.1 1H-MRS與腦膠質瘤的診斷膠質瘤是最常見的腦內原發性腫瘤[9，10]。膠質瘤起自星形細胞，由異常增殖的星形細胞形成，其生物學特性主要表現為\"蟹足樣\"浸潤性生長。膠質瘤具有很強侵襲能力，可沿著新生的微血管和髓鞘浸潤生長[11]。這對于圍手術期精確定位腫瘤邊界造成困難，腫瘤浸潤區域細胞密度增加，正常神經元受累使其完整性破壞或功能缺陷，因而膠質瘤MRS的典型表現為 NAA顯著降低Cr中度或明顯降低Cho顯著升高有時會出現Lac峰和Lip峰[12]。龔才桂等[13]研究顯示腦膠質瘤的NAA/Cho、NAA/Cr比值與病理級別呈負相關，而與Cho/Cr比值存在正相關。WHO目前根據病理將膠質瘤分為I～Ⅳ級，但膠質瘤可以是異質性的，同一腫瘤中可以同時具有2個或以上級別的病理特點， Graves等[14]證實1H-MRS顯示膠質瘤代謝物并非均一，具體表現為：①在腫瘤中心比腫瘤周圍NAA降低更明顯且下降更多；②在生長較快的星形細胞瘤Cho信號增加明顯，在腫瘤邊緣Cho增加比中心高，實體部分比囊性部分高，高級別腫瘤比低級別腫瘤Cho高。隨著MRI技術的不斷革新和發展，磁共振波譜成像（mgnetic resonance spectroscopy， MRS）技術的出現及應用于臨床，可以反映腫瘤內的出血、代謝物變化等，為術前星形細胞瘤的正確分級診斷提供有用的信息[15，16]。

3.2 1H-MRS與膠質瘤的分級膠質瘤中最常見的是彌漫性星形細胞腫瘤，組織學上可分為星形細胞瘤(WHO 分級II 級) 、間變型星形細胞瘤(III 級) 以及多形性膠質母細胞瘤(IV 級) ，它們的臨床過程及治療方案存在很大差別。低級別星形細胞瘤術后一般不需要輔助性治療，預后多較好。高級別星形細胞瘤生長快、惡性度高，綜合治療的總體效果不佳，術后需要輔助性治療如化療、放療。不同類型或級別的腫瘤有不同的生長方式及代謝水平，常規MRI不能提供可靠的星形細胞瘤生理生化方面的信息，比如腫瘤內代謝物、腫瘤內出血、壞死及腫瘤的新生血管等，而這些信息在判定星形細胞瘤的級別卻是很重要。眾所周知，組織病理學的結果是分級診斷的金標準，但其本身也有一定的局限性，如定位活檢時未取得腫瘤內的組織或取得的腫瘤病理組織太少，這樣得到的病理就可能無法正確判斷星形細胞瘤的惡性程度[17]。而1H-MRS能無創性測量組織代謝和生化改變，因此很多學者進行了1H-MRS與腫瘤級別的相關性研究。由于不同代謝物之間化學位移差異細微，可以通過測定腦組織及腫瘤內某些代謝物的濃度及比值變化實現對病變的代謝成像和定性診斷。Speck 等[18]證實星形細胞腫瘤的Cho/Cr 值與腫瘤的惡性程度具有正相關性。Bendszus等[19]在大腦膠質瘤病的1H-MRS研究中也得出類似的結論。在MRS定量分析中代謝物比值更為客觀，膠質瘤惡性程度越高，Cho/NAA比值越大[20]，同樣Astrakas與Shimizu 等研究發現膠質瘤的Ki-67 標記指數(labeling index，LI) 與Cho 水平具有明顯的正相關性，Ki-67 是一種標志腫瘤細胞增殖程度的核蛋白，Ki-67LI 越高，表明腫瘤惡性程度越高，同樣提示Cho 水平對膠質瘤分級有重要意義。Bendszus 等研究發現在高級別星形細胞瘤中檢測到脂質信號，脂質信號的高低可作為預測腫瘤惡性程度的一個指標。膠質瘤內常可檢測到乳酸信號，乳酸水平的升高有兩方面原因：①腫瘤細胞自身代謝增加或缺氧造成無氧代謝的增加；②轉運系統受損造成乳酸的堆積。雖然乳酸多出現在高級別膠質瘤中，但也有學者在低級別星形細胞瘤中發現過Lac峰，因此認為乳酸水平的高低不是劃分腫瘤惡性程度的可靠指標。

3.3評估預后、觀察療效及指導立體定向活檢膠質瘤的預后差別很大，與腫瘤自身及相關治療都有很大關系。例如低級別膠質瘤雖然在常規CT 或MRI 上表現一致，但有些腫瘤可以長期穩定不變，另一些則可迅速增大，破壞鄰近重要結構。Wu 等[21]曾報道了1例低級別膠質瘤患者，常規MR 成像及灌注MR 成像均符合星形細胞瘤表現，惟有MRS 表現為Cho/Cr 值明顯升高，兩年后腫瘤進展為膠質母細胞瘤。因此，他建議當膠質瘤的波譜與灌注成像表現不相符時，術后應嚴密隨訪。膠質瘤，尤其是惡性膠質瘤患者在缺乏有效治療手段下存活期非常短，常規放療和/或化療必須經過長時間觀察后才能確定其是否有效， 1H-MRS具有早期評價療效的優越性。Wald 等[22]及Norfray 等[23]發現膠質瘤經過有效治療后其Cho 峰下降或呈現壞死型波譜，而當腫瘤進展時Cho 峰升高。Preul 等[24]則發現膠質瘤經過他莫西芬治療后其Lip 峰和Lac 峰明顯下降，提示經過治療后腫瘤的代謝水平降低。此外，磁共振波譜成像( magnetic resonance spectrosocpy imaging，MRSI) 能充分反映膠質瘤的不均一性，已應用于指導立體定向活檢[25]。

4問題與展望

雖然1H-MRS在臨床中的應用越來越多，但存在檢查時間長、空間分辨力低以及易受皮下脂肪及顱骨干擾，以及如何將顱腦以及腫瘤病灶網格化分割得最精細，同時又能準確測定波譜的體素，如何將MRS測定的多體素內多種代謝物化學移位信息三維圖形化，能否實現MRSI與組織病理學的相關性定量研究相一致等缺點。

隨著各種硬、軟件的更新， MRS有望精確勾畫膠質瘤代謝學邊界。可綜合腫瘤組織中Cho、NAA、Cr等代謝物峰值及Cho/NAA、Cho/Cr峰值比等數值，建立多變量數學模型，獲得腦膠質瘤代謝邊界的MRS臨界值標準。目前神經導航外科技術日益普及，有效地利用MRS信息、將MRSI與神經導航以及術中MRI實時成像技術結合應用于腦膠質瘤的術前診斷、術中導航與術后放療靶區勾畫和疾病進展評估，將會成為今后研究的主要方向。

參考文獻：

[1]Pirzkall， A.， et al.， Tumor regrowth between surgery and initiation of adjuvant therapy in patients with newly diagnosed glioblastoma[J].Neuro Oncol， 2009，11(6):842-852.

[2]高陽， 牛廣明，韓曉東.顱內星形細胞瘤的磁共振波譜分析[J].內蒙古醫學院學報，2007，29(2):84-87.

[3]Heiss， W.D.， P. Raab and H. Lanfermann， Multimodality assessment of brain tumors and tumor recurrence[J].J Nucl Med， 2011，52(10): 1585-1600.

[4]劉紅軍，張云亭.氫質子磁共振波譜分析在腦膠質瘤中的應用[J].國外醫學(臨床放射學分冊)，2004，27(4):201-205，255.

[5]Ricci， P.E.， et al.， Effect of voxel position on single-voxel MR spectroscopy findings[J].AJNR Am J Neuroradiol， 2000，21(2):367-374.

[6]Astrakas， L.， et al.， Combining magnetic resonance spectroscopy and molecular genomics offers better accuracy in brain tumor typing and prediction of survival than either methodology alone[J].Int J Oncol， 2011，38(4):1113-1127.

[7]Niitsu， T.A positive correlation between serum levels of mature brain-derived neurotrophicfactor and negative symptoms in schizophrenia[J].Psychiatry Res，2013.

[8]Ishimaru， H.Differentiation between high-grade glioma and metastatic brain tumor using single-voxel proton MR spectroscopy[J].Eur Radiol， 2001，11(9):1784-1791.

[9]馬紅.1H-MRS及DTI在顱內腫瘤診斷及手術中應用的初步研究[J].中國醫學計算機成像雜志，2010，16(2):101-106.

[10]婁曉宇.MRI和1H-MRS在腦膠質瘤診斷中的價值[J].中國當代醫藥，2012，19(14):95-96，98.

[11]Chiang， I.C.， et al.， Distinction between pyogenic brain abscess and necrotic brain tumour using 3-tesla MR spectroscopy， diffusion and perfusion imaging[J].Br J Radiol，2009，82(982): 813-820.

[12]程艷華.磁共振H1-MRS和DTI聯合應用診斷膠質瘤的價值[J].吉林大學學報（醫學版），2011，37(3):552-556.

[13]龔才桂.1H-MRS對低級別和高級別腦膠質瘤鑒別診斷的作用及病理級別相關性的研究[J].臨床放射學雜志，2006，25(6):502-506.

[14]Graves， E.E.Serial proton MR spectroscopic imaging of recurrent m alignant gliomas after gamma knife radiosurgery[J].AJNR Am J Neuroradiol， 2001，22(4):613-624.

[15]Saraswathy， S.， et al.， Evaluation of MR markers that predict survival in patients with newly diagnosed GBM prior to adjuvant therapy[J].J Neurooncol， 2009，91(1):69-81.

[16]Hoff， B.A.Assessment of multiexponential diffusion features as MRI cancer therapy responsemetrics[J].Magn Reson Med， 2010，64(5):1499-1509.

[17]Cha， S.Intracranial mass lesions: dynamic contrast-enhanced susceptibility-weighted echo-planar perfusion MR imaging[J].Radiology， 2002，223(1):11-29.

[18]Speck， O.， T. Thiel and J. Hennig， Grading and therapy monitoring of astrocytomas with 1H-spectroscopy: preliminarystudy[J].Anticancer Res，1996，16(3B):1581-1585.

[19]Bendszus， M.， et al.， MR spectroscopy in gliomatosis cerebri[J].AJNR， 2000，21(2):375-380.

[20]白玉貞， 韓曉東，牛廣明.1H - MRS及DWI對腦星形細胞瘤放療療效評估的研究[J].內蒙古醫學院學報，2012，34(1):1-5.

[21]Wu， W.C.， et al.， Discrepant MR spectroscopic and perfusion imaging results in a case of m alignanttransformation of cerebral glioma[J].AJNR， 2002，23(10):1775-1778.

[22]Wald， L.L.Serial proton magnetic resonance spectroscopy imaging of glioblastoma multiformeafter brachytherapy[J]. J Neurosurg， 1997，87(4):525-534.

[23]Norfray， J.F.Clinical impact of MR spectroscopy when MR imaging is indeterminate for pediatric brain tumors[J].AJR， 1999，173(1): 119-125.

[24]Preul， M.C.Using proton magnetic resonance spectroscopic imaging to predict in vivo the response of recurrent m alignant gliomas to tamoxifen chemotherapy[J].Neurosurgery， 2000，46(2):306-318.

[25]Martin， A.J.Preliminary assessment of turbo spectroscopic imaging for targeting in brain biopsy[J].AJNR， 2001，22(5):959-968.

編輯/申磊