总论 多模态脑功能成像技术及其临床应用

颅脑疾病的多模态磁共振成像技术包括结构成像和功能成像。常规颅脑磁共振结构成像包括平扫的T₁加权成像（T₁ weighted imaging，T₁WI）、T₂加权成像（T₂ weighted imaging，T₂WI）、液体衰减翻转恢复（fluid attenuated inversion recovery，FLAIR）序列和增强的T₁WI序列。颅脑磁共振功能成像常用的成像技术主要包括扩散加权成像、磁共振波谱成像、灌注加权成像、磁敏感加权成像。

一、扩散加权成像

扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）的物理基础是水分子在媒介中的布朗运动。不同组织的微环境不同，水分子的扩散能力也不同。DWI可将这种扩散能力的差异转化为图像灰度信号或参数值。如果在体素内水分子能自由移动（扩散），则此处会失相位，信号降低；反之如果水分子的扩散受限制，则很少失相位，信号增高。颅脑DWI扫描生成三组图像：DWI（b = 0）、DWI（b = 1 000s/mm2）、表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）图，以此判断水分子是否扩散受限（图0-1-1）。当DWI（b = 1 000s/mm2）呈高信号，ADC图呈低信号，提示水分子扩散受限；如果DWI（b = 1 000s/mm2）呈高信号，ADC图也呈高信号，则提示穿透效应和水分子自由扩散，无扩散受限；如果DWI（b = 1 000s/mm2）呈低信号，ADC图也呈低信号，则提示暗化效应。

目前，DWI技术最多用于超急性脑梗死。DWI不是检测脑缺血本身的血流动力学改变，而是对其继发改变—脑水肿进行成像，DWI较常规T₂WI或CT的敏感性高很多。据报道，DWI最早可在脑缺血后2.7分钟发现病灶，几乎与脑组织发生细胞水肿的时间同步，已成为脑缺血、脑梗死超早期诊断的常规序列。除血管性病变外，DWI亦广泛应用于脑肿瘤与其他非肿瘤性病变。DWI能评估肿瘤细胞、瘤周水肿、肿瘤缺氧区域、白质纤维束完整性及术后损伤，对脑肿瘤的诊断及疗效评价有重要价值。DWI可用于检查非肿瘤性病变，如脱髓鞘、感染、中毒、代谢性疾病等。DWI还可用于创伤性脑损伤患者高压氧治疗后疗效评价及预后评估。

二、磁共振波谱成像

磁共振波谱成像（magnetic resonance spectroscopy，MRS）依赖化学位移和自旋-自旋耦合识别、表征和量化某些代谢物的效果，能无创反映活体组织代谢并进行定量分析。MRS可分为单体素和多体素技术（图0-2-1）。MRS常检测的代谢物有以下几种。①胆碱（choline，Cho），是细胞膜的成分，包含磷酸胆碱、磷酸甘油胆碱、磷脂酰胆碱的细胞膜磷脂代谢产物，是反映细胞增殖活性和细胞膜转运功能的标志物，与乙酰胆碱的前体细胞密切相关，其信号在肿瘤中被放大，可提示肿瘤细胞中膜合成增加。波峰位于3.22ppm（parts per million；10-6）。②N-乙酰天门冬氨酸（N-acetylaspartate，NAA），是一种神经元标志物，主要来源于神经元线粒体，与神经膜兴奋性有关，NAA异常主要反映神经元损伤和线粒体功能障碍。波峰位于2.02ppm。③肌酸（creatine，Cr），是一种能量代谢物，在二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）转化为三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）时参与能量的回收过程。在正常和疾病状态下均为一种稳定的代谢物。波峰位于3.02ppm和3.94ppm，一般作为其他代谢物的参考基线。④乳酸（lactate，Lac），见于低氧糖酵解，是有氧呼吸被抑制时糖酵解过程中的产物，是氧化应激的标志物。波峰位于1.33pm，呈双峰，在多体素时该波峰倒置。⑤脂质（lipids，Lip），是细胞膜的基本构架，当细胞受到缺氧、低温或炎症损伤时，会导致Lip升高，反映坏死。波峰位于0.8～1.3ppm。⑥谷氨酸（glutamate，Glu）和谷氨酰胺（Glutamine，Gln），Glu与神经元生长发育、修复、神经传递相关，属于兴奋性神经递质；Gln与多种神经精神症状相关，属于抑制性神经递质，二者波峰位于2.1～2.55ppm。⑦肌醇（myo-inositol，mI），是一种神经胶质细胞标记物，波峰位于3.56ppm和4.06ppm。MRS波峰位置决定代谢物种类；波峰下面积代表代谢物的相对含量。

脑肿瘤为恶性时Cho升高，是由于肿瘤生长过程中细胞膜合成增加；NAA减少，是由于神经元的丢失或减少。因此，Cho/NAA比值升高提示恶性肿瘤。Lac反映低氧代谢，而Lip反映坏死，两者都是高级别恶性肿瘤的典型特征。mI反映胶质细胞谱系，而其他代谢物可能在特定的肿瘤亚型中被检测到（如脑膜瘤中的丙氨酸、髓母细胞瘤中的牛磺酸）或化脓性脑脓肿中的发酵副产物（如琥珀酸盐和醋酸盐）。MRS在非肿瘤性病变中的应用亦具有重要价值，可以用于评价颞叶内侧癫痫，线粒体脑肌病常规MRI表现正常脑区可以出现Lac峰，具有一定的特异性。

三、灌注加权成像

灌注加权成像（perfusion weighted imaging，PWI）反映血流通过组织血管网的情况，通过测量血流动力学参数，无创评价组织的血流灌注状态。PWI技术可分为动态磁敏感对比（dynamic susceptibility contrast，DSC）成像、动态对比增强磁共振成像（dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI）和动脉自旋标记法（arterial spin labeling，ASL）。DSC成像是基于外源性示踪剂钆对比剂的动态磁敏感效应，临床脑肿瘤PWI常用此技术；血流动力学参数图包括脑血容量（cerebral blood volume，CBV）、脑血流量（cerebral blood flow，CBF）、平均通过时间（mean transit time，MTT）和达峰时间（time to peak，TTP）（图0-3-1）。与DSC成像不同，DCE-MRI可对灌注参数进行绝对定量，并对肿瘤血管系统进行多参数表征，表征微血管的血流动力学参数包括容积转运常数（Ktrans）、血管外细胞外间隙体积分数（Ve）和血浆容积（Vp）等。ASL不使用钆对比剂，以动脉血中的水分子为内源性示踪剂，来获取活体组织微循环的灌注信息。ASL通过射频脉冲激发血液中的水分子，进行选择性“标记”，使“水分子”成为内源性对比剂，经过一定的时间后，被“标记”的血液进入脑组织，此时采集脑内的“标记血液”就能得到标记像，后处理获得目标组织的CBF。ASL能够评价脑组织血流灌注水平，具有无创性、重复性等优点。

PWI可用于脑肿瘤的诊断与鉴别诊断、胶质瘤的分子分型、疗效评价及预后预测等。不同脑肿瘤的血管增殖状态不同，如脑胶质瘤的血管增殖旺盛，而原发性中枢神经系统淋巴瘤多缺乏新生血管，表现为乏血供，因此，两类肿瘤间的CBV和CBF存在显著性差异。IDH野生型胶质母细胞瘤的血管增殖状态显著高于IDH突变型星形细胞瘤，同时肿瘤血管壁血脑屏障破坏显著，血管壁通透性增高，表现为IDH野生型胶质母细胞瘤的CBV、CBF和Ktrans均增高。胶质瘤术后复发的血流灌注水平显著高于放射性坏死，因此，PWI可以用于两者的鉴别诊断。胶质瘤浸润性水肿区的CBV增加，该特征可用于更好地靶向活检或指导临床扩大切除。

PWI不仅在脑肿瘤的诊疗中有重要价值，在非肿瘤性病变中同样很重要，如脑血管病变。PWI可以准确地评估脑梗死的血流灌注状态，为临床治疗提供重要的影像学信息。

四、磁敏感加权成像

磁敏感加权成像（susceptibility weighted imaging，SWI）利用不同组织间磁化率的差异产生图像对比。SWI采用高分辨率、三维梯度回波、三维完全流动补偿的序列进行扫描，可获得幅度图和相位图两组原始图像，经过一系列复杂的图像后处理将幅度图与相位图融合。SWI由四组图像组成，包括磁矩图、滤波相位图、SWI图和最小强度投影（minimum intensity projection，MinIP）图（图0-4-1），其中MinIP图是SWI对颅内静脉实现可视化成像的主要图像。SWI利用脱氧血红蛋白磁敏感效应，能够在不使用对比剂的情况下对颅内静脉进行高敏感成像，具有很高的对比度和分辨率。SWI衍生的定量磁化率成像（quantitative susceptibility mapping，QSM）还能定量分析静脉血氧饱和度，其应用范围较SWI更为广泛。在SWI序列上脑组织内沉积的铁、含有去氧血红蛋白的静脉血呈明显低信号。

SWI是描述脑肿瘤血管结构和微出血的有效工具，可利用肿瘤内磁敏感信号（intratumoral susceptibility signal，ITSS）作为量化评估指标，反映肿瘤微出血、钙化和小静脉等顺磁性物质，评估大脑中的铁沉积，实现可视化的磁敏感成像。

SWI技术主要用于颅脑创伤、血管畸形、脑血管疾病、脑肿瘤等中枢神经系统疾病。如可用于胶质母细胞瘤与原发性中枢神经系统淋巴瘤的鉴别诊断，胶质母细胞瘤血管增殖旺盛，新生肿瘤血管容易出血，SWI多表现为点、片状低信号，而原发性中枢神经系统淋巴瘤较少出血，根据ITSS评分能够对肿瘤内部细微线状或点状低信号进行分级。SWI还可用于预测胶质瘤分子分型，如IDH突变状态及MGMT启动子甲基化状态。SWI对颅内静脉具有成像对比度高的优势，有利于为神经外科医师提供患者详细的大脑静脉解剖信息。将SWI与功能MRI结合可以为临床医师及患者提供更为完善的术前方案及术中指导。此外，借助SWI观察静脉的侧支循环体系，也有利于辨别可能引起神经功能障碍的闭塞小静脉。SWI在判断肿瘤预后和疗效方面亦具有一定价值。弥漫性轴索损伤在CT和常规MRI上常缺乏特异性，而SWI具有高度特异性，表现为白质纤维束区多发低信号微出血灶。脑梗死患者可以利用SWI评价梗死区静脉代偿情况。

（邢振　陈晓丹　曹代荣）