磁共振波谱成像对脑胶质瘤和潜在性脑损伤诊断和监测的临床研究

摘要

第一部分2D-COSY和CSI波谱成像技术对脑胶质瘤诊断价值的实验研究
　　背景：脑胶质瘤是中枢神经系统最常见的肿瘤，约占颅内肿瘤的42％，该疾病缺乏特异性临床表现，且80%的恶性胶质瘤呈弥漫性分布并除却活检外很难明确诊断。早期正确诊断对制定合理的科学治疗方案至关重要。目前发现胶质瘤中异柠檬酸脱氢酶（iso citrate dehydrogenase，IDH）在86%的WHOII-III级胶质瘤和由低级别胶质瘤复发产生的胶质母细胞瘤中存在突变，IDH突变可导致体内α-羟戊二酸（2-hydroxyglutarate，2-HG）的聚集，后者现被认为是检测胶质瘤的生化标志，近年来，二维化学位移相关谱（2D-COSY）逐渐被推荐为诊断胶质瘤的新方法，同传统1D波谱不同，2D-COSY可探测多达35种代谢产物，本文探讨2D-COSY及CSI波谱成像对脑胶质瘤中α-羟戊二酸的检出及临床应用价值。
　　资料与方法：收集美国哈佛大学附属医学院布莱根妇女医院（Brigham and Women’s hospital，BWH）2014年1月至2015年1月经临床病理证实为胶质瘤患者29例，其中有异柠檬酸脱氢酶I型或II型（IDH1 or IDH2）变异的脑胶质瘤患者24例，另5例脑胶质瘤患者无IDH突变（IDH wild-type），该29例脑胶质瘤患者中WHOII级患者13例，WHOII-III级患者5例，WHOIII级患者10例，由低级别胶质瘤复发产生的胶质母细胞瘤1例，平均年龄为42.42±11.75岁，所有受试者均通过研究机构委员会（Institutional research board，IRB）的认可。29例患者均接受2D-COSY及CSI波谱检查，评价波谱对α-羟戊二酸检出的可行性及准确性。2D-COSY： TR=1200 ms，起始TE=30ms,后续64增量并每次为0.8 ms，间接谱线带宽（F1）=1250Hz，直接谱线带宽（F2）=2000Hz，平均激励次数=8。体素大小为30×30×30mm，全程2D-COSY扫描12分钟；2D-CSI：semi-LASER CSI spiral序列是临床常用的序列，TE=97ms，TR=1700ms，平均激励次数=3；矩阵为16x16，分辨率为10mm2，层厚=15mm。使用商业软件FelixNMR后处理2D-COSY数据，使用MR自带软件包处理2D-CSI波谱图像，测定2HG/Cr比值并绘制成彩图显示。
　　结果：2HG为小分子生物代谢产物并在正常人中含量微乎其微，但 IDH突变脑胶质瘤患者细胞内2HG含量可成指数增长，可高达5-35umol/g，该浓度可被MRS测得。2HG在1H-MRS波谱化学位移最高峰约为2.4-2.6ppm处，极易被NAA及Glx峰所掩盖。但由于2HG分子结构的不对称性，使其分子内两个不同电子云包绕下的H质子在2D-COSY二维波谱的化学位移为 F1及 F2的交叉点1.90～4.02ppm或4.02～1.90ppm处，同NAA及GLx等生物代谢产物极易辨别。所有受试者2D-COSY检查结果经Felix软件处理后，其中24例发现有IDH突变的脑胶质瘤患者在F1及F2分别为1.90~4.02ppm的交叉点处检测到2HG信号的为12位，在 F1及 F2分别为4.02~1.90ppm的交叉点处检测到2HG信号的有13位，其中两处交叉点同时检测到2HG信号的为4位，两处均没有信号显示者2位。由于2D-COSY为二维谱对称显像，可认为只要在一处显示2HG信号者即可认为结果呈阳性，阳性率为91.67%，所有2D-CSI经处理后显示有2HG/Cr阳性结果的有13位，阳性率为54.16%。综合2D-COSY及CSI检测结果，两者均没检测到2HG的患者仅一例，两者联合使用阳性率为95.8%。另5例无IDH突变患者2D-COSY及CSI结果均为阴性，特异性为100%。
　　结论：2D-COSY及CSI联合使用可提高2HG检出的灵敏度，从而推测是否为IDH突变脑胶质瘤患者，有望今后取代部分脑胶质瘤患者活检及基因测序，减轻病人痛苦与负担，值得推广。
　　第二部分1H-MRS对IDH突变胶质瘤患者疗效检测的实验研究
　　背景：非侵袭性及定量分析是磁共振波谱最大的优势之一，使它成为理想的监测脑部肿瘤治疗的工具，而使用LCModel软件后处理得到的数值将更为准确。有最新研究表明IDH突变脑胶质瘤患者较IDH无突变脑胶质瘤患者预后更好，五年生存率更高，且大量研究显示治疗后胆碱的降低预示着病情的减轻，而胆碱的增多则预示着疾病的进展。其他的代谢物的变化也可以提供预后的价值，例如N-乙酰天门冬氨酸，是神经系统的重要标记物。本文将探讨1H-MRS采用对IDH突变脑胶质瘤放化疗后疗效的有无监测作用。
　　资料与方法：选取美国哈佛大学附属医学院布莱根妇女医院（Brigham and Women’s hospital，BWH）2014年1月至2015年1月经病理诊断为异柠檬酸脱氢酶I型或II型（IDH1 or IDH2）突变脑胶质瘤的10例患者，所有受试者均通过研究机构委员会（Institutional research board，IRB）的认可。该10例患者在放疗前及放化疗后三个月后用西门子3T Skyra进行扫描，选用32通道头部线圈。此外，3例正常受试者也接受了扫描以检测该方法的在纵向研究中的可重复性。在本研究中，我们使用传统1H-MRS点分辨波谱分析法（PRESS）扫描并于三个月后行同等扫描。扫描参数为TR=2000ms，TE=30ms，体素大小为30x30x30mm，平均激励次数=128；首先根据平扫确定感兴趣区，保留第一次放疗前每一位患者的MRS基线扫描图像及体素放置位置，并用于三个月后的第二次MRS扫描。手动匀场在两次不同的检查中也应该匹配。1H-MRS由LCModel(Provencher)后处理并且同时获取了不同代谢物如N-乙酰天门冬氨酸、肌酐//胆碱、谷氨酸复合物、肌醇及乳酸的浓度和比率。
　　结果：LCModel软件使用内生水作为内标定量和使用从离体模型中所测代谢物浓度作为外标两种方法进行绝对定量。本研究组采用内生水为内标作为定量标准，并从LCModel软件中自带标准模型中检测获得代谢物谱线和基线，能最大限度地获取各种代谢物浓度，并能清晰地通过与基线组的相互校正模拟之后识别谱线中各种代谢物的峰值。对比本组10例病人放化疗前后的代谢产物同肌酸（Cr）的比值，发现有部分重要代谢产物有着明显改变。其中胆碱（Cho）及乳酸（Lac）同肌酸的比值明显下降（p<0.05），说明疗效是有效的，NAA及Glx（谷氨酸类衍生物）稍有上升但不显著，可能由于纳入标准严格，研究时间偏短造成病例数偏少所致。
　　结论：本研究结果表明1H-MRS是可以为脑胶质瘤提供有用信息用于诊断和预后，可以作为一项监测脑胶质瘤病情发生发展的有效工具。未来的研究工作将进一步扩大样本量的研究并探测更多的生物代谢产物如α-羟戊二酸，在IDH突变的脑胶质瘤中具有特异性，可以提供更多的病理生理学的信息。
　　第三部分健康军人及健康普通人群的MRS初步对照研究
　　背景：目前大量国内外研究评价了军人的创伤性脑损伤、创伤后应激紊乱综合征和其他的神经系统的紊乱带来的危害。所有的研究均使用了正常的市民作为对照组，并且发现了他们与军人患者的检测结果有显著的不同。然而，选取正常市民为对照组和有军队背景病人会引发数据的偏倚，因为二者存在一些固有的不同。就我们所知，目前还没有一个系统军人的研究使用相同背景的队列，都默认为队列之间的背景是相同的，这样增加了结果假阳性率的可能。在此1H-MRS研究中，将使用MR波谱成像对健康军人及健康市民进行扫描，对比两者之间有无脑内代谢物质差别，探讨有无选择相同背景对照组的必要性。
　　资料与方法：选取9例健康的美国军人受试者，（包括现役和退伍军人，平均年龄32.1±9.7岁，3例女性，6例男性，均有国外服役史）以及9例年龄、性别及文化程度均匹配的健康美国普通市民（平均年龄32.7±11.6岁），所有受试者均通过研究机构委员会（Institutional research board，IRB）的认可。这些健康的军人和市民受试者均没有神经心理方面的病史以及药物成瘾史。所有的受试者都接受了神经心理方面的评估，包括Rivermead脑震荡后症状问卷、创伤后应激障碍（PTSD）测评清单-平民版、贝克忧郁量表II、自动神经心理学评估指标-版本-4-创伤性脑损伤版本、韦氏记忆量表- III、雷伊听觉言语学习测验、记忆心理测验- A＆B、韦氏成人智力量表III以及处理速度指数等一系列心理评估，所有评估结果均显示为正常。MRS扫描使用西门子MAGNETOM3.0T Skyra磁共振扫描仪进行扫描，选取32通道的头部线圈。单体素的 MRS通过使用传统的点分辨波谱成像（PRESS）在四个不同的脑区获取信号：后扣带回（PCG，体素大小为20x20x20mm）、脑后部白质（PWM，体素大小为20x20x20mm）、前扣带回（ACG，体素大小为20x20x20mm），左颞叶区（海马区，体素大小为20x15x15mm）。扫描参数为TE=30 ms，TR=2 s，带宽=1.2 kHz，1024个数据采集点，水抑制，平均激励次数为128，扫描前使用相同参数扫描的序列进行扫描，但是取消水抑制，平均激励次数改为16。每个体素扫描时间为5.13分钟，PRESS扫描数据使用 LC-Model软件进行后处理，所有代谢物浓度均使用同肌酸（Cr+PCr）比值的方式呈现。
　　结果：在所有的LC模型的可测量的代谢物中，谷氨酸和NAA浓度在健康军人组和普通市民组的不同脑区中皆显示出明显的不同。相对于普通市民组，在健康军人组中四个不同部位的体素中观察到了更低的Glu/Cr+PCr比值，并且在后扣带回区（p<0.05）和脑后部白质区（p<0.001）更具有显著性差异。此外，也观察到在健康军人组中四个不同部位的体素中 NAA+NAAG/Cr+PCr比值减少，且在在 PCG（p<0.05）和PWM（p<0.001）区域中具有显著性差异。Cr+PCr并未发现具有显著性差异。所有的健康市民和军人受试者都没有脑震荡后综合征，创伤后应激障碍和抑郁症状。两个受试组也没有发现神经心理学的测试表现有显著不同。在四个不同脑区的体素中，谷氨酸和NAA表现出类似的趋势，二者在军队组中都有所降低，其中以脑后部白质区最为显著。
　　结论：相比健康的市民租，健康的军人组具有更低的谷氨酸和NAA浓度。这提示这两个组之间存在着差异，从而推论以往假设二者没有差异是错误的。在今后的研究中，军人的相关研究应该选用有相应军人背景的人群为对照组，下一步也将扩大样本量的研究以及延伸至其他特殊人群领域，例如运动员。

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封面

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前言

中文摘要

英文摘要

缩略词

第一部分2D-COSY和CSI波谱成像对脑胶质瘤诊断价值的实验研究

材料与方法

影像后处理

结果

附图

讨论

参考文献

第二部分 1H-MRS 对IDH突变胶质瘤患者疗效检测的实验研究

材料与方法

图像后处理

结果

附图/表

讨论

参考文献

第三部分 健康军人及健康市民的MRS初步对照研究

一般资料

检查方法

数据后处理

结果

附图

讨论

参考文献

综述一： 临床磁共振波谱应用指南

综述二： 创伤性脑损伤功能显像研究进展

附录 博士研究生期间发表论文