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DWI and 1H-MRS: Appilication Values in Diagnosis of Intracranial Massive Lesions<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />
伍建林 苗延巍
大连医科大学附属一院放射科，大连，116011
Jianlin Wu, Yanwei Miao
Department of Radiology,The 1st Hospital of Dalian Medical University,Dalian,116011,China
以往对于颅内占位性病变主要依靠CT和MRI的平扫和增强检查，从形态学特征来进行诊断和鉴别。但有些病变在疾病发展的特定阶段的影像形态学表现十分相似，给鉴别诊断带来很大困难。近年来，能够反映水分子的微观运动状况的弥散加权成像（Diffusion-Weighted Imaging, DWI）和可以在活体内无创的检测组织代谢物浓度的氢质子磁共振波谱（Proton Magnetic Resonance Spectroscopy, 1H-MRS）等磁共振新技术的应用越来越广泛，在缺血性脑血管疾病的早期诊断和其他神经系统疾病的定性、定量诊断方面发挥了重要作用[1-2]。本文将着重评价其在颅内占位性病变诊断及鉴别中的作用与价值。
一 、DWI和1H-MRS的基本原理和技术
1. DWI的原理与技术
DWI是利用水分子的弥散运动特性进行成像的，它反映了人体组织的微观几何结构以及细胞内外水分子的转运等变化。公式为: S2= S1×exp(－bD)（S2、 S1为不同b值时的DWI信号; b: 弥散敏感系数，D: 弥散系数）。
影响DWI信号的因素较多，主要有弥散系数（D值）、T2穿透效应（T2 shine-through effect）、和各向异性等。活体内水分子微观运动不仅受弥散的作用，也受心脏搏动、呼吸及肢体移动等生理活动影响，因此Le Bihan[3]提出用表观弥散系数（ADC）来描述活体弥散成像中的真实弥散状况。两者的关系为: ADC = ln(S2/ S1) / (b1-b2)，即ADC值与DWI信号呈负指数关系。此外当受检组织的T2值明显增高时，在DWI上产生明显的T2图像对比，称之为T2穿透效应[4]，可造成弥散受限的假阳性表现，应注意消除T2穿透效应。弥散是一个矢量，不仅具有大小，也具有方向，尤其是在脑白质内，水分子在平行于神经纤维的方向上较垂直其方向上更易弥散[5] ，即具有各向异性。利用各向异性的特点可以对脑白质纤维进行成像，即弥散张力成像（Diffusion Tensor Imaging, DTI）, 此方面的研究也日益增多。各向异性的存在一定程度上影响着脑肿瘤的ADC值和DWI信号。
2. 1H-MRS的基本原理与技术
MRS是利用核磁共振现象及其化学位移和自旋耦合现象，测定人体能量代谢和体内化合物的一种无创检测技术。作为对化合物进行分析的方法，已用于医学领域波谱研究的原子核主要有1H、31P 、23Na、13C、19F、7Li等，但氢质子（1H）具有高自然丰度和核磁敏感性, 故1H-MRS在临床应用的最多[2、6]。
活体1H-MRS对磁场均匀度的要求远高于常规MRI，有效匀场是获得高分辨率波谱的必要条件。同时在脑组织内，水的含量明显高于其它代谢物，相差4、5个数量级，水的信号将掩盖、扭曲其它代谢物的信号，因此，在观察微量的代谢物之前，有效的水抑制是必须的。目前常用的方法是化学位移选择饱和脉冲（chemical shift selective saturation pulse, CHESS），是利用代谢物与水的共振频率不同，在激发代谢物信号之前先用一个脉冲选择地饱和水信号。此外，1H-MRS的感兴趣区（ROI）位置、大小的选择对于谱线质量也是至关重要的，应尽量避开颅骨、脂肪以及含气组织等，以免谱线增宽、变形，一般要包含病变组织、周围水肿以及正常脑组织, 以作对照。
1H-MRS的空间定位是通过运用固定的和/或脉冲的梯度场来获得。临床常用的序列包括: 点分辨选择波谱（pointed resolved selective spectroscopy, PRESS）和激励回波脉冲序列（stimulated echo acquisition mode, STEAM）。一般PRESS适用于长TE（135~270ms）的化合物，如NAA, Cr, Cho等，使谱线简化，信噪比较高，易于定量; STEAM较适合用于短TE（10~30ms）的化合物，如Glx, mI, Lip等，并减少J-耦合，但对运动更敏感,信噪比低，对匀场及抑水要求严格。这两种序列各有优缺点，在临床应用中要根据所感兴趣的代谢物择优使用。
化学位移成像（chemical shift imaging, CSI）是MRS与MRI技术相结合，利用谱的分解技术，数据重建，得到二维和/或三维的化学位移图像（2D-CSI，3D-CSI），反映代谢物的空间分布[7]。1H-MRS可以是单体素的（single voxel, SV），也可采用多体素（multivoxel），体素的大小为1~8cm3。多体素1H-MRS由于含盖的组织信息多，信噪比较高，目前已广泛应用于临床中。
二、DWI和1H-MRS在颅内占位病变的应用价值
1. 脑肿瘤与非肿瘤病变的鉴别
脑内肿瘤与非肿瘤病变的鉴别一直以来是神经科和影像科医生所困惑的难题之一，最常见的莫过于胶质瘤与具有占位效应的脑梗塞及炎性病变的鉴别，其常规MRI表现有时有相似的征象，鉴别诊断较困难，此时DWI和1H-MRS可提供更有价值的信息。笔者的一组病例研究结果表明，炎性肉芽肿病灶部分的ADC值高于高级别的胶质瘤 （P＜0.05）; 而急性或亚急性脑梗塞的ADC值明显低于胶质瘤及炎性肉芽肿 （P＜0.05），但低级别的胶质瘤与炎性肉芽肿的ADC值相似，无统计学意义（P＞0.05），详见表1。
一般来说，急性期脑梗塞以细胞毒性水肿为主要改变，此时细胞内细胞器肿胀，明显限制了水分子的运动，因此ADC值明显减低，DWI呈高信号；亚急性脑梗塞虽有细胞膜破坏、细胞间质水肿增加等病理改变，但ADC值仍低于正常脑组织。高级别胶质瘤的肿瘤细胞排列密集，细胞间隙较小，限制水分子的弥散运动，但其程度不如细胞毒性水肿。 炎性肉芽肿虽有炎性细胞浸润，但与高级别胶质瘤的肿瘤细胞呈几何级生长相比，水分子的弥散相对活跃，因此ADC值较高。
笔者同时进行的1H-MRS比较研究结果见表2。高级别和低级别胶质瘤的Cho/NAA、Cho/Cr比值均比脑梗塞及炎性肉芽肿明显增高（P＜0.05）。原因是脑梗塞灶内正常神经元由于缺血、缺氧而功能障碍或死亡，细胞膜转运减慢或丧失，能量代谢下降，因此导致NAA，Cho 和Cr降低，同时由于乏氧造成糖酵解的增加，使Lac明显增高，有时可能较长时间存在，具有鉴别诊断价值。本研究5例炎性病变的Cho/NAA与高级别胶质瘤有显著差别（P＜0.05），可能有助于肿瘤与炎症的鉴别。但也有学者研究认为，炎性病变由于免疫系统细胞增殖和胶质增生可引起Cho升高，而神经元的损害又使NAA降低，因此与肿瘤的1H-MRS表现类似[8] ，尚有待于进一步研究。
2. 常见实质性占位病变的鉴别诊断
一般认为，DWI在常见的脑内胶质瘤、转移瘤以及脑膜瘤的鉴别诊断上价值比较有限。但亦有文献报道，淋巴瘤、髓母细胞瘤以及原始外胚层肿瘤（PNET）的肿瘤细胞由于排列密集，细胞间隙很小，细胞核浆比例大，因此ADC值减低，DWI表现为明显高信号，具有相对特征性[9-11]。
1H MRS在脑肿瘤的鉴别诊断上具有很大的潜力，如脑膜瘤典型表现为Cho升高，NAA缺乏，Cr下降或消失，并可出现相对特征性的波峰——丙氨酸峰（Ala）; 还有学者研究发现，脑膜瘤的Ala/Cr比值可以较星型细胞瘤高出3~4倍，对鉴别诊断也有价值[12]。Ishimaru[13]等对高级别胶质瘤和转移瘤行单体素MRS检查发现，瘤体内存在Cr峰提示为高级别胶质瘤，而转移瘤的MRS波谱多无Cr峰；对瘤周水肿的研究发现[14]，高级别胶质瘤的瘤周水肿区由于有肿瘤细胞浸润，其Cho/Cr比值明显高于瘤周水肿区无肿瘤细胞浸润的转移瘤，其比值分别为2.28±1.24和0.76±0.23（P(0.05），说明通过瘤周水肿区的MRS检测也能够提供鉴别脑内、脑外肿瘤的有价值的信息。
3. 脑胶质瘤的分级诊断价值
脑肿瘤的分化程度（尤其是胶质瘤）与设计肿瘤的治疗方案以及判定预后均息息相关。研究表明，胶质瘤的细胞密度与ADC值具有良好的相关性，能够指导肿瘤的分级。笔者研究发现，高级别胶质瘤的瘤体实质ADC值明显低于低级别胶质瘤（表1），主要是由于胶质瘤恶性程度越高，细胞数目越多，细胞间隙越小，而且细胞异型性增高，核浆比加大，导致水分子弥散更加受限。此外，DWI对鉴别良、恶性脑膜瘤也有一定的价值，一般出现低ADC值时倾向为恶性或非典型性脑膜瘤，原因是其细胞外间隙较小，含水较少，同时肿瘤细胞的核、浆比例较大，核小体突出等。
1H-MRS能够无创地评估脑肿瘤的级别已逐渐为众多研究者所共识。脑胶质瘤可能通过不同代谢物水平进行分级，如NAA、Cho、Lip等，其中以NAA/Cho，Cho/NAA，Cho/ Cr比值反映肿瘤的级别较为稳定。一般情况下，Cho的浓度越高，表明肿瘤的恶性程度就越高；乳酸峰（Lac）的出现反映了肿瘤的缺氧状态，多发生在高级别星形细胞瘤的坏死区，可提示多形性胶质细胞瘤的倾向，但有时也可在囊变和术后缺损区出现，因此难以成为证明是恶性肿瘤的最可靠征象; Lip峰的异常增高往往预示病变的恶性程度很高（“死亡峰”); 此外，Castillo等研究认为，肌醇（mI）水平与胶质瘤的级别具有相关性，低级别胶质瘤的mI/Cr比值（0.82±0.25）明显高于间变性胶质瘤（0.33±0.16）和胶质母细胞瘤（0.15±0.12)[2]。
4. 脑内环形增强病变的鉴别
在常规 T1WI增强图像上出现的脑内环形增强病变可见于许多疾病，有些很难鉴别，尤以高级别胶质瘤、转移瘤及脑脓肿最具挑战性。Brigtte等报道DWI对于此类病变的鉴别具有重要的价值[15]，一般脑脓肿内的脓液是一种含有很多炎性细胞、细菌、坏死物以及蛋白分泌物的黏稠液体，可明显限制其内水分子的弥散速度，故ADC值明显下降，DWI为高信号; 而脑胶质瘤囊变及坏死区通常仅含有少许坏死细胞碎屑、炎性细胞及清亮的浆液成分，故其ADC值较高，DWI呈低信号。囊性脑转移瘤的DWI信号表现与脑胶质瘤相似。
研究发现，脑脓肿波谱中可出现乙酸盐、丁二酸盐和一些氨基酸（颉氨酸、亮氨酸、丙氨酸）[16]。氨基酸是脓液内中性粒细胞释放酶蛋白的分解产物，可作为脑脓肿的标志物。
5. 脑内囊性无增强病变的鉴别
在常规T1WI增强图像上出现的脑内囊性无增强病变主要有胆脂瘤、蛛网膜囊肿及颅咽管瘤等，有时鉴别困难，对此DWI显示很大的优势。由于胆脂瘤内液体粘稠，肿瘤细胞呈特殊的空间排列，限制了水分子的弥散，同时又存在明显的T2穿透效应，因此DWI表现为明显高信号，有学者称为“灯泡征”；而蛛网膜囊肿内是纯液体成分,水分子运动完全不受限，DWI表现为脑脊液样的低信号; 颅咽管瘤多呈低信号或等、低混杂信号。
有时低级别的囊性星形细胞瘤很似其他良性囊性病变，但其 MRS波谱有明显的Cho升高、NAA 和Cr降低，与其它囊性肿物所有代谢物均降低（Lac除外）不同。
6. 脑肿瘤治疗后的评价
判断脑肿瘤放疗后是否存在肿瘤残留或复发是评价肿瘤治疗效果及判断预后的重要指标。放射治疗常使照射野内的组织细胞坏死，数目减少，细胞间隙加大，细胞内细胞器碎裂、溶解等，导致水分子弥散不受限，ADC值升高; 而肿瘤残留或复发时肿瘤细胞增多细胞间隙变小等，限制了水分子的运动，ADC值往往增高，DWI低信号。1H-MRS对于鉴别放射性坏死和肿瘤复发也具有明显优势，研究表明[17]，肿瘤复发的病人Cho/NAA，Cho/Cr比值增高，并出现Lac峰；而放射性坏死则显示NAA 、Cr 和Cho均大幅度降低或消失，Lac峰升高，同时在0-2.0ppm之间出现宽而厚的细胞坏死峰，是坏死组织产生的，由自由脂肪酸、乳酸和氨基酸组成。脑瘤手术后的残腔1H-MRS表现为NAA 、Cr 和Cho均降低或消失，而肿瘤残存或复发时，其Cho峰明显增高。
总之，DWI和1H-MRS对于具有占位征象的脑病变，尤其是肿瘤类病变的诊断与鉴别诊断均具有一定的临床应用价值，前者观察的是细胞内外水分子的微观运动，后者从分析组织、细胞代谢物浓度方面着手来评价病变，各有所长。与1H MRS相比，DWI具有耗时少、扫描覆盖广、测量值相对更准确的优势，而1H- MRS扫描时间长，易受骨骼、气体或脂肪等干扰，并且测量的可重复性相对较差。作为新兴的MRI技术，相信随着硬件和软件技术的进一步发展和临床经验的不断积累，它们在神经系统疾病的研究和诊断上具有广阔的应用前景。目前应用时，要视疾病的具体情况，发挥其各自的长处，并密切结合常规MRI表现。
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