腦出血信號改變機制與磁共振影像表現

劉欣瑤，畢京鳳，張英魁

出血性卒中約占全部卒中的20%。雖然其發病率較缺血性卒中低，但其臨床表現更兇險，致死、致殘率也更高。急性腦出血在頭顱CT影像上表現為顯著的高密度，診斷相對容易；同時因為腦出血患者常有明顯躁動，而CT成像速度相對更快，可以在較短時間內完成檢查，故目前CT檢查是腦出血診斷的首選方法。不過，在臨床實際工作中，仍然會有一些癥狀不典型的腦出血患者可能首選MRI檢查；同時，在腦出血治療過程中也會進行MRI檢查進行療效評估[1]。與CT影像相比，腦出血在MRI影像上的信號表現更復雜，這導致很多臨床醫師甚至放射科醫師很難辨析腦出血在MRI影像上的信號表現與演變過程。事實上，如果我們能夠理解腦出血信號改變的機制，就可以更清晰地判斷腦出血的分期與發病過程。

1 腦出血后血紅蛋白的演變過程

血液中的氧氣幾乎全部由血紅蛋白攜帶運輸。血紅蛋白具有非常特殊的分子結構，由血紅素與多肽鏈蛋白組成（圖1）。血紅素中含有的亞鐵離子是氧氣分子的結合點，氧氣分子與其結合后轉化為氧合血紅蛋白（圖2）。血紅蛋白的分子結構直接決定了其內的鐵離子是否可以對鄰近的水分子弛豫時間產生影響。了解血紅蛋白的分子結構及腦出血后血紅蛋白內鐵離子的演變過程是分析MRI影像上出血信號改變的基礎。

圖1 血紅蛋白分子結構示意圖

1.1 氧合血紅蛋白 血紅蛋白中的亞鐵離子與氧氣分子結合后形成氧合血紅蛋白（圖2）。紅細胞內的血紅蛋白分子在氧分壓高的環境，即在肺內微循環水平與氧氣分子結合則轉化為氧合血紅蛋白。氧合血紅蛋白的鐵離子中不存在未配對的電子，因此氧合血紅蛋白不具有順磁性效應。雖然在動脈內流動的血液中含有大量的血紅蛋白，但這些血紅蛋白是氧合血紅蛋白，對血液中的水分子并不能產生順磁性效應。需要特別強調的是，氧合血紅蛋白雖然不具有順磁性效應，但具有一定的抗磁性效應。氧合血紅蛋白這一磁性屬性在MRI檢查過程中也被用于腦功能血氧水平依賴成像中。

圖2 氧氣與血紅蛋白結合示意圖

1.2 脫氧血紅蛋白 未與氧氣分子結合或與氧氣分子結合后又脫離的血紅蛋白分子稱為脫氧血紅蛋白。脫氧血紅蛋白分子中的亞鐵離子含有4個未配對電子，具有較強的順磁性效應。但脫氧血紅蛋白分子的亞鐵離子周圍有完整的蛋白質肽鏈緊密包繞。血紅蛋白分子中的肽鏈結構構成了一個“疏水性口袋”，亞鐵離子處于這個“疏水性口袋”之中。因此，雖然脫氧血紅蛋白中的亞鐵離子具有較強的順磁性效應，但因周圍肽鏈的包繞作用，使得該血紅蛋白的鐵離子無法接近鄰近的水分子，所以脫氧血紅蛋白并不能使鄰近水分子的T1弛豫時間縮短。順磁性物質對于鄰近水分子T1弛豫時間的影響對于兩者間的距離有非常嚴格的依賴：只有當兩者之間的距離＜0.3 nm時才會產生縮短T1的效應。理解這一點也是理解出血信號改變的重要基礎。

1.3 高鐵血紅蛋白 脫氧血紅蛋白如果長時間處于缺氧狀態，其內的亞鐵離子就會進一步發生氧化反應轉化為三價鐵離子，三價鐵離子也稱為高價鐵離子，含有三價鐵離子的血紅蛋白稱為高鐵血紅蛋白或正鐵血紅蛋白。三價鐵離子含有5個不成對電子，具有更強的順磁性效應，并且三價鐵離子的出現還破壞了肽鏈結構的完整性。此時的血紅蛋白外有大量水分子“圍攻”，同時又因高鐵離子的作用導致肽鏈破壞，這使血紅蛋白外的水分子通過被破壞了的肽鏈直接與其內的高鐵離子近距離接觸，故高鐵血紅蛋白縮短T1弛豫時間的效應就顯現出來了。

1.4 含鐵血黃素 含鐵血黃素是鐵離子被吞噬細胞吞噬后形成的一種衍變物。含鐵血黃素具有超順磁性屬性，但其不溶于水，因此它對鄰近水分子不會產生縮短T1弛豫時間效應。這種超順磁性效應可以破壞局部磁場的均勻性，因此在SWI序列上表現為明顯的低信號。

2 腦出血臨床分期與相應MRI影像信號改變

腦出血在不同臨床分期時血紅蛋白和紅細胞的狀態不同，這是影響該期信號改變的基礎。了解腦出血發生后不同時間血紅蛋白的狀態和紅細胞改變是理解出血后MRI影像信號改變的基礎。對于出血信號的復雜表現和臨床分期，需要把握血紅蛋白演變以及紅細胞狀態改變等主要線索，這樣才能達到綱舉目張的效果。

2.1 超急性期（發病24 h內） 對于動脈來源的出血而言，出血超急性期的血紅蛋白屬于氧合血紅蛋白，氧合血紅蛋白不具有順磁性效應，因此對于T1WI、T2WI序列上的信號顯示均未產生影響；該分期出血的信號改變來源于血腫本身的性質，此時血液尚未開始凝固，因此表現為液體信號改變，T1WI影像結果可能表現為低信號，T2WI表現為高信號（圖3）。因為大多數急性腦出血患者會首選CT檢查，且一旦明確出血后不會再進一步進行MRI檢查，故MRI影像較難顯示出超急性期出血期信號改變[2]。另外，外傷導致的硬膜下血腫多是靜脈撕裂引起的，因此早期發現的血腫中就以脫氧血紅蛋白為主。

圖3 腦出血超急性期MRI影像表現

2.2 急性期（發病2 d內） 該臨床分期內，血腫內的紅細胞因為持續處于乏氧狀態，氧合血紅蛋白脫氧轉化為脫氧血紅蛋白。脫氧血紅蛋白的肽鏈是完整的，緊緊包圍著血紅蛋白中的亞鐵離子使其無法近距離接觸鄰近的水分子，故不能產生縮短T1弛豫時間效應，在T1WI影像上不能表現出高信號改變（圖4）。由于此時紅細胞膜仍是完整的，紅細胞內和紅細胞外因脫氧血紅蛋白的分布不同而產生局部磁場微環境差異，這種磁場不均勻導致水分子T2弛豫時間縮短。因為血腫區域脫氧血紅蛋白總體聚集且水平較高，因此血腫區表現為較明顯的短T2弛豫時間屬性[2]。這種短T2弛豫時間屬性導致T2WI影像上呈低信號改變[3]。

圖4 腦出血急性期MRI影像表現

2.3 亞急性早期（發病3～7 d） 隨著缺氧持續時間的延長，亞鐵血紅蛋白中的亞鐵離子發生氧化而轉化為高鐵血紅蛋白，同時肽鏈原本形成的“疏水性口袋”破壞，周邊的水分子與三價鐵離子近距離接觸。這種近距離接觸使得三價鐵離子能夠明顯縮短鄰近水分子的T1弛豫時間，因此在T1WI影像上表現為血腫區域高信號改變（圖5）。需要強調的是，一旦T1WI影像在血腫區域出現高信號，則提示血腫內出現了高鐵血紅蛋白。這是出血進入亞急性期的一個分水嶺標志[4]。在亞急性早期，紅細胞形態仍然完整，因此此時高鐵血紅蛋白等順磁性物質的分布仍然不均勻，這導致血腫區域磁場不均勻，并且順磁性物質相對聚集而呈現出較高的“水平”，故此時仍表現出較強的縮短T2效應。

圖5 腦出血亞急性早期MRI影像表現

2.4 亞急性晚期（發病8 d至1個月） 該分期最主要的一個標志性變化是持續的缺氧導致血腫內紅細胞壞死。伴隨著紅細胞的凋亡，紅細胞膜完整性亦不復存在，紅細胞內的血紅蛋白釋放到血腫中，同時血腫區水分含量增多，這些變化導致具有順磁性效應的高鐵血紅蛋白在血腫中分布更均勻，同時由于病變區明顯的水腫改變也導致順磁性血紅蛋白水平降低。順磁性物質對T2弛豫時間的影響對血紅蛋白水平具有較高的依賴性，因此，隨著血腫內高鐵血紅蛋白水平的降低及其在血腫內分布更加均勻，使得亞急性晚期血腫內高鐵血紅蛋白對于T2弛豫時間的影響變得不明顯，而保留明顯的縮短T1弛豫時間的效應，腦出血亞急性晚期在MRI上信號的特征性改變是T1WI呈明顯的高信號，而T2WI呈現混雜或片狀高信號（圖6～圖7）。從亞急性早期到亞急性晚期，MRI上一個重要的標志性改變就是病變在T2WI上是否出現高信號，出現高信號改變則提示伴隨有紅細胞完整性的破壞[5]。

圖6 腦出血亞急性早期逐漸過渡到晚期的MRI影像表現

圖7 腦出血亞急性晚期MRI影像表現

2.5 慢性期（發病1個月以上） 慢性期的標志性改變是血腫區域吸收囊變，血紅蛋白等順磁性物質也被吞噬形成含鐵血黃素，這種含鐵血黃素可以長久存在。含鐵血黃素雖然具有超順磁性效應，但因其不溶于水，因此不具備縮短T1弛豫時間的效應；含鐵血黃素具有較強的縮短T2弛豫時間效應[6]，特別是SWI序列檢測陳舊性出血病灶的敏感度較高（圖8）。

圖8 腦出血慢性期MRI影像表現

隨著血腫內血紅蛋白及紅細胞狀態的改變，腦出血病變在MRI上具有不同的影像學表現。不同狀態的血紅蛋白，如氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、高鐵血紅蛋白及含鐵血黃素均具有不同的磁化率屬性，其內鐵離子的狀態也有所不同。高鐵血紅蛋白中的三價鐵離子能夠破壞包繞在血紅素周圍的蛋白肽鏈結構，從而導致鄰近水分子可以與三價鐵離子相互作用，這是引起T1弛豫時間縮短的重要原因。血腫區域T1弛豫時間縮短是導致血腫在T1WI影像上表現為高信號的基礎，同時這種T1WI影像上的高信號改變也是腦出血進入亞急性早期的分水嶺。紅細胞形態的改變也是血腫信號改變的原因之一。血腫進入亞急性晚期的一個重要標志是紅細胞的完整性破壞，高鐵血紅蛋白在血腫內分布更均勻，同時因為水腫導致局部水含量增多，此時高鐵血紅蛋白的縮短T2弛豫時間的效應不明顯，而在T2WI序列上因為水分增多則以高信號改變為主。本文通過腦出血后不同時期MRI檢查的不同影像學表現，分析了腦出血信號演變的原因，對臨床工作中腦出血MRI影像診斷及分期均有一定的指導意義。