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人体正常组织和病理组织的MR信号特点

作者:aooxoo 来源: 日期:2013-1-7 15:04:34
人体正常组织和病理组织的MR信号特点
遵义医学院放射科
了解人体正常组织和病理组织的MR信号特点是MR诊断的基础
1.人体正常组织MR信号特征:
MR的信号强度是多种组织特征参数的可变函数,它所反映的病理生理基础较CT更广泛,具有更大的灵活性,MRI信号强度与组织的弛豫时间、氢质子密度、血液或脑脊液流动、化学位移及磁化率有关,其中弛豫时间,即T1和T2时间,对图像对比起着重要的作用,它是区分正常组织、病理组织及组织特性的主要诊断基础。
1.1 脂肪、骨髓:
组织脂肪的T1短、T2长、Pd高,根据信号强度公式,质子密度大和T1值小,其信号强度大,故不论在T1WI、T2WI和PdWI图像上均呈高信号,与周围长T1组织形成良好对比,尤其在使用短TR检查时,脂肪组织的分界线明显,信号高、呈白色。但随着TR的延长,在T2WI图像上脂肪信号有逐渐衰减降低之势,这是脂肪抑制技术的基础;倘若为质子密度加权像,此时脂肪组织仍为高信号,但周围组织的信号强度增加,使其对比度下降。
骨髓内因含有较多的脂肪成分,在MR扫描图像上亦呈高信号,和脂肪组织信号有相似的特征。因此,MR骨髓成像技术对于骨髓疾病、尤其是对于早期的骨髓转移或骨髓瘤等特别敏感,故临床上有着广泛的用途。
1.2 肌肉、肌腱、韧带:
肌肉组织所含的质子明显少于脂肪和脊髓,它具有较长的T1和较短的T2值,根据强度公式,当T1弛豫增加和T2减少时信号强度较低,所以在T1加权像上,因使用的TR值较短,使质子的磁化恢复不完全,信号强度较低,影像呈灰黑色;随着TR的延长,信号强度增加,在T2加权像上,因具有短T2的弛豫特点,信号强度增加不多,影像呈中等灰黑色,故在T1WI、T2WI和PdWI上均呈中等强度信号(黑灰或灰色)。肌腱和韧带组织含纤维成分较多,其质子密度低于肌肉,其信号强度较肌肉组织略低,该组织也有长T1和短T2,其MR信号为等信号或较低的信号。
1.3 骨骼、钙化:
骨骼和钙化内含大量钙质,水分含量甚少、氢质子很少,根据信号强度公式,在N(H)值趋向于0时,I值主要按N(H)值的变化而改变,而较少受到TR、TE、T1、T2的影响,故其T1值很长、T2值很短、Pd很低,所以无论T1WI、T2WI和PdWI图像上均呈信号缺如的无(低)信号区。特殊情况下,由于钙化颗粒与蛋白结合时,其T1加权像表现为高信号,故在MR扫描图像上不易显示出早期的骨质破坏及较小的钙化灶是其缺点。
颅内钙化在T1加权像偶可表现为高信号。CT扫描可见典型的钙化密度,MRIT1加权像为高信号,T2加权像为等或低信号,梯度回波序列扫描为低信号。实验证明,钙化在T1加权像上的信号强度与钙化颗粒的大小及钙与蛋白结合与否有关。当微小的钙化颗粒结晶具有较大的表面积,并且钙的重量百分比浓度不超过30%时,钙化即可表现出高信号。钙化颗粒表面积对水分子T1弛豫时间的影响类似于大分子蛋白,距钙结晶表面近的水分子进动频率接近于Larmor共振频率时,其T1加权表现为高信号。总之,发现钙化MRI检查不如CT敏感,小的钙化不易发现,大的钙化还需与铁的沉积等现象相鉴别。
1.4 软 骨:
软骨组织分为纤维软骨和透明软骨,纤维软骨其组织内的质子密度明显高于皮质,且组织具有较长的T1和较短T2弛豫特征,该处信号强度比骨髓和钙化略高,但因其具有一定的质子密度,故在T1、T2加权像上信号强度不高,呈中低信号;透明软骨含水75%~80%,且T1和T2较长,Pd高,故在T1WI图像上因T1值较长,呈较低信号;而在T2WI和PdWI图像上因T2值长,信号呈中等灰色信号。
1.5 气 体:
根据信号强度公式,当N(H)趋向零时,其强度也趋向于零,故表现为黑色无信号区,这一点在任何脉冲,不管如何改变TR、TE,都不会改变,因此信号强度已与TR、TE、T1或T2无关。在人体组织中没有比气体更黑的组织。气体的T1值很长,T2值很短,Pd很低,故在各种成像图像上肺组织均呈较低信号。
在反转恢复序列中,若采集信号的时间过短,组织处于负磁化区,则长T1组织可呈现类似气体的黑色无信号,且其中无任何结构,但其与周围组织有白色边缘,这是在采集信号时仅根据信号的幅值,而致相位错位所致。
1.6 水 分:
人体正常组织中MR信号80%来自细胞内,20%来自细胞外。组织水对MR信号的形成贡献最大。水的T1值较长,T2值明显延长,故在T1WI图像上呈较低信号,T2WI图像上信号明显增加,呈鲜明的高信号为其特征。鉴于MRI对于组织水含量的轻微增减有明显的敏感性,研究水与MR信号强度的相关性是MRI不可缺少的一个课题。
纯水的T1和T2弛豫时间很长,组织的含水量稍有增加,不论是自由水还是结合水都会使MR信号发生变化,相比之下后者更为明显。单独的水分子很小,它们处于平移、摆动和旋转运动之中,具有较高的自然运动频率,这部分水称为自由水(bulk phase);如果水分子依附于较大分子,如:蛋白质,它的运动频率就会降低,这部分水称为结合水(hydration layer)。T1反映了这些分子运动频率与Larmor共振频率之间的关系,当两者接近时,T1弛豫有效、快速;当两者差别较大时,T1弛豫效果差,且速度缓慢。自由水的运动频率明显高于Larmor共振频率,因此T1弛豫缓慢,T1时间较长;崐较大的分子蛋白质其运动频率明显低于Larmor共振频率,故T1弛豫同样缓慢,T1时间也很长;结合水运动频率介于自由水和大分子之间,接近Larmor频率,因此T1弛豫明显缩短,致使T1加权像上信号增强。
认识自由水与结合水的特点,有助于认识病变的内部结构,有利于诊断的定性。例如:CT检查由于囊性星形细胞瘤的密度与脑脊液密度近似而难以鉴别,而MRI检查由于囊性星形细胞瘤中的液体富含蛋白质,其T1时间短于脑脊液,在T1加权像中,其信号高于脑脊液。又如:MRI较CT更能显示脑软化,脑软化在显微镜下往往有较多由脑实质分隔的小囊组成,这些小囊靠近蛋白质表面的膜状结构,具有较多的结合水,故T1缩短,其图像比CT显示得更清楚,所以MRI所见较CT更接近于病理所见。再如:脑阻塞性脑积水时,脑脊液是自由水,它渗漏进脑白质后变为结合水,在T1加权像中信号明显高于脑脊液,而在T2加权像中又低崐于脑脊液信号。病变内如蛋白含量高,结合水含量也较高,由于缩短了T1时间,使病变如垂体脓肿在T1加权像中信号很强。
1.7 血 流:
快速流动的血液因其“流空效应”,在各种成像上均低(无)信号血管影;而缓慢或不规则的血流,如:湍流、旋流等,血管内信号增加且不均匀(见表)。
1.8 淋巴结:
淋巴结组织的质子密度较高,且具有较长的T1和较短的T2弛豫特点。根据信号强度公式,质子密度高,信号强度也高。但在T1WI时,因其长T1特点,使其信号强度不高,呈中等信号;而在T2WI上,因其T2不长,使信号强度增加也不多,也呈中等信号。
2.病理组织的MR信号分析:
病理过程随病程及治疗情况不同而表现各异,MR技术中其信号强度的特点,严格遵循信号强度公式所规定的参数变量关系,不同的病理及病变组织具有不同的质子密度、液体流速、T1和T2弛豫时间,在实际技术中采用不同的脉冲序列,将表现不同的信号强度,掌握这些变化特征有助于病变的定性诊断。
2.1 水 肿:
无论何种类型水肿,细胞内或组织间隙内的含水量增加,均使T1值和T2值延长,Pd值降低,故在T1WI和PdWI图像上水肿区呈较低信号,而在T2WI图像上则呈明显的高信号,对比鲜明。下面就脑水肿的3种类型,即血管源性水肿、细胞毒素水肿及间质性水肿分述如下。
(1)血管源性水肿:最常见于脑水肿,是由血脑屏障破坏所致,血浆由血管内漏出进入细胞外间隙,这是血管源性水肿的病理生理基础。血管源性水肿主要发生在脑白质中,结构致密的脑灰质通常不易受影响,典型的血管源性水肿呈手指状分布于脑白质之中,常见于肿瘤、出血、炎症、以及脑外伤等脑部疾患中。它是以结合水增多为主,自由水增加为辅,早期只在T2加权像上显示,CT通常无明显异常。血管源性水肿的较早显示,往往提示存在一个较早期或较局限的脑部疾患,这种病变和肿瘤鉴别需采用长TE序列,使TR延长,水肿信号增强,而肿瘤信号基本不增加,必要时进行Gd-DTPA增强扫描。

(2)细胞毒素水肿:是缺血造成,常见于急性脑梗塞。它是由于缺氧使ATP减少,钠-钾泵功能失常,钠与自由水进入细胞,造成细胞肿胀,细胞外间隙减少,使脑白质与脑灰质同时受累。急性脑梗塞有时在T2加权图像上其边缘信号较高,由于细胞毒素水肿出现和存在的时间不长,有时与血管源性水肿同时存在,在MRI上要绝对区分尚有一定困难。

(3)间质性水肿:由于脑室内压力增高,出现脑脊液经室管膜迁移到脑室周围脑白质的病理生理表现。在脑室压力高时,如:急性脑积水或交通性脑积水,T2加权图像上于脑室周围可出现边缘光整的高信号带;在脑室内压力恢复到近乎正常时(如代偿期),上述异常信号又消失,常发生在脑室旁,尤其是在侧脑室旁。由于含较多的结合水,在T2像上呈高信号,在质子密度加权像上,它与脑脊液更有明显的对比。间质性水肿的信号明显高于脑室内脑脊液的信号强度,其原因除崐上述两者含有水的物理状态不一样(脑脊液为自由水,间质性水肿为结合水)外,主要是脑室内脑脊液受搏动性运动影响,造成氢质子的失相位,致脑脊液信号强度减弱。值得一提的是,要注意间质性水肿与白质脑病鉴别,后者多见于老年血管病患者。尽管脑室系统也扩大,但它是脑白质萎缩造成的,脑室内压力不高,有时MRI难以区别,应结合病史进行鉴别。由于组织含水量的轻微改变即可造成MRI信号强度的明显变化,MRI在检出水肿较其他影像学方法敏感,与CT相比,它对水肿类别、程度及范围的显示更接近于病理。
2.2 出 血:
出血在中枢神经系统疾病中常见,按出血部位可分为硬膜下、蛛网膜下腔、脑内及脑室内出血,它们均有一个基础疾病,如:外伤、变性血管病、血管畸形、肿瘤或炎症。MRI在显示出血、判断出血原因以及估计出血时间方面有独特作用,其中以脑内血肿MRI信号演变最具有特征性。较多血液由血管内溢出后,在局部脑组织内形成血肿。随着血肿内血红蛋白的演变以及血肿的液化、吸收,MRI信号也发生一系列变化。因此,探讨血红蛋白及其衍生物的结构对于认识与解释血肿MRI信号甚为重要。
血肿的信号强度随血肿期龄而发生变化,非外伤性出血95%为动脉富含氧血红蛋白,氧合血红蛋白释放出氧气后转化为去氧血红蛋白,血液去氧血红蛋白的含量增高。氧合血红蛋白与去氧血红蛋白中含有的铁均为二价还原铁,还原铁是血红蛋白携带氧气、释放氧气、行使其功能的物质保证。人体内维持血红蛋白铁于二价状态的关键在于红细胞内多种代谢途径,其结果阻止了有功能的亚铁血红蛋白变为无功能的正铁血红蛋白。血液从血管中溢出,血管外红细胞失去了能量来源,细胞内多种代谢途径丧失。同时由于红细胞缺氧,血肿内含氧血红蛋白不可逆地转化为去氧血红蛋白,最终变为正铁血红蛋白,还原铁转化为氧化铁,最后经吞噬后,形成含铁血黄素。故MRI表现为4期,即超急性期、急性期、亚急性期和慢性期。
(1)超急性期:出血时间不超过24小时。由于氧合血红蛋白内电子成对,不具顺磁性,故在T1加权像上为等信号或稍低信号,T2加权像上为稍高信号,说明新鲜出血为抗磁性,它不引起T2弛豫时间缩短。
(2)急性期:一般为1 ̄3天,该期红细胞内为去氧血红蛋白,它有4个不成对电子,具有顺磁性,但它的蛋白构形使水分子与顺磁性中心的距离超过3埃,因此,并不显示出顺磁效应,T1加权像仍成稍低信号。但由于它具有顺磁性,使红细胞内的磁化高于红细胞外,当水分子在红细胞膜内外弥散时,经历局部微小梯度,使T2弛豫时间缩短,T2加权呈低信号。
(3)亚急性期:4天至2周内,出血后3 ̄7天为亚急性早期,7 ̄14天为亚急性晚期。在亚急性早期,去氧血红蛋白被氧化成正铁血红蛋白,它具有5个不成对电子,有很强的顺磁性。脑血肿内正铁血红蛋白首先出现在血肿的周围,并逐渐向血肿内发展。亚急性早期由于正铁血红蛋白形成,T1加权像呈高信号,T2加权像因顺磁性物质的磁敏感效应而呈低信号。直到亚急性早期,血肿内的红细胞仍然是完整的。血肿信号在T1加权像上由低变高,说明血肿由急性转变为亚急性。亚急性晚期红细胞开始溶解,在T1或T2加权像上均呈高信号。红细胞溶解使红细胞对正铁血红蛋白的分隔作用消失,水含量增加是T2加权像信号增高的主要原因。
(4)慢性期:为2周以上,含铁血黄素和铁蛋白形成并进一步氧化为氧化铁,同时由于巨噬细胞的吞噬作用使含铁血黄素沉着于血肿周边部,其使T2弛豫时间缩短,因此在血肿的周边部出现低信号的影像环带,其余仍为高强度信号表现。所以血肿中心T1加权为等信号,T2加权为高信号。血肿周边T1加权像为稍低信号,T2加权像为低信号。各期血肿的MR信号变化规律见表。
2.3 变 性:
不同组织的变性机制不同,所以MRI表现不一。如:脑组织变性中一种+为多发性硬化征者,系脑组织过早脱髓鞘脂,其变性部分水分增加,故MR图像上呈长T1和长T2信号特征,即T1WI图像上呈稍低信号,T2WI图像上呈明显的高信号;如变性组织内脱水,例如:椎间盘变性,富含蛋白质和水分的弹性椎间盘组织水分减少,且纤维结缔组织增多,组织内的质子密度减少,在T2WI图像上其信号强度不升高反而降低。
2.4 坏 死:
坏死组织的MRI信号强度随组织类型不同,坏死的内容物不同而异。坏死病变早期由于含水量增加,呈长T1和长T2信号改变,在T1加权像上呈低信号,T2加权像上为高信号;修复期水肿消退,肉芽组织增生,肉芽组织内包含大量的新生血管和纤维结缔组织,其质子密度较正常组织高,且有稍长T1和稍长T2的信号特征,故表现在T1加权像上为低信号,T2加权像上为高信号;晚期纤维化治愈后,由于质子密度降低,呈长T1和短T2信号特征,即在T1WI和T2WI图像上均呈低信号。
2.5 囊 变:
囊内容物一种为纯水,另一种为含蛋白的结合水。含液囊肿MR图像上呈边缘光滑的长T1和长T2信号特征,故在T1加权像上为低信号,T2加权像上为高信号;囊肿内含丰富的蛋白质或脂类物质时,其内水分子受大分子蛋白的吸引作用进入水化层时,质子的进动频率明显减低,较外层频率慢,当此结合水分子的进动频率达到或接近Larmor频率时,其T1弛豫时间达不到单纯水的长度,则呈短T1和长T2,在T1加权像上表现为中等信号,在T2加权像上为高信号特征,故MR图像上有助于分辨囊腔内容物的性质。
2.6 梗 塞:
梗塞后由于血供中断,组织表现为缺血缺氧、继发水肿、变性、坏死和囊变等病理变化,晚期以纤维化、钙化而修复。(1)急性期:由于水肿使T1和T2均延长,所以MR图像上在T1加权像上呈低信号,在T2像上呈高信号;(2)亚急性期:在T1加权像上表现为高信号,多为不规则脑回状,可能是由于缺血使小动脉壁破坏,梗塞后如血管再通或侧支循环建立,产生出血性变化,导致T1加权像出像高信号。后期纤维组织增生修复,水肿消退,则呈长T1和短T2信号改变,即在T1WI和T2WI图像上均呈低信号。
2.7 肿 瘤:
MR图像上信号特征与肿瘤的组织结构类型相关,例如:含脂类肿瘤,像脂肪瘤、胆脂瘤、畸胎瘤等呈短T1和长T2高信号特征;钙化和骨化性肿瘤呈长T1和短T2的低信号肿块;含顺磁性物质的肿瘤,如:黑色素瘤则呈短T1和短T2的信号特征;而一般性肿瘤多数呈长T1和长T2的信号特征。富血管性肿瘤肿块内及附近可见扭曲扩张的流空血管影。
2.8 铁沉积:
在中高场强MR仪行T2加权扫描时,于苍白球、红核、黑质、壳核、尾状核和丘脑部位可见明显的低信号,这是由于高铁物质在上述部位沉积所致。
脑部铁沉着(非亚铁血红蛋白)始于儿童,约在15 ̄20岁达到成人水平。在6个月龄的婴儿苍白球中已有铁存在,黑质铁沉着见于9 ̄12个月时,红核在1岁半 ̄2岁,小脑齿状核要到3 ̄7岁才显示铁的存在。上述部位的铁沉着量与年龄增长有一定相关性,仅沉积速度不一样,如:苍白球的含铁量在开始时就高,以后缓慢增加;而纹状体(如:壳核)的含铁量开始时不高,以后才较苍白球有明显的增加,直到70岁之后接近苍白球内所含的铁量。大脑与小脑半球的脑灰、白质含铁量最低,其中相对较高的是颞叶皮层下弓状纤维,其次为额叶脑白质、枕叶脑白质。在内囊后肢后端以及视放射中几乎不存在铁,铁在脑部选择性的沉积其机理至今未明。
铁由小肠吸收之后,以亚铁血红蛋白形式(血红蛋白、肌球蛋白)与蛋白质结合,主要以铁蛋白形式沉着在脑细胞内,其中以少突神经胶质细胞与星形细胞含量最高。铁作为一个重要的辅因子,在氧化磷酸化、多巴胺合成和更新以及羟基自由根基形成之中起积极作用。血液中含有的转铁球蛋白不容易通过血脑屏障。在铁沉积较多的上述解剖部位中,毛细血管内皮细胞中的转铁球蛋白受体并不比铁沉积较少或没有铁沉积的其他脑部多。但是一些脑变性病、脱髓鞘病以及血管病变也确实在某些部位铁沉积过多,而且在MRI上有表现,这些疾病包括帕金森氏病(铁沉积于壳核、苍白球)、阿耳茨海默氏病(铁沉积于大脑皮层)、多发性硬化(铁沉积于斑块周围)、放疗后脑部(铁沉积于血管内皮细胞)、慢性出血性脑梗塞(铁沉积于出血部位)、脑内血肿(铁沉积于血肿四周),因此,MRI较其它影像学方法易于检出与诊断上述疾病。
脑部铁沉积过多是由高浓度铁蛋白存在,缩短了T2时间,而不影响T1时间,这是因为细胞内的铁具有高磁化率,因此脑部铁沉积过多造成细胞内高磁化率、细胞外低磁化率,局部磁场不均匀,使T2时间明显缩短,在T2加权像上呈低信号。尽管有一些正常脑细胞中也存在铁,但由于其浓度不够,不足以在MRI、特别是低场强的MR仪上引起明显的低信号。
2.9 碘 油:
碘油曾经作为椎管造影检查脊椎管病变的普通X线检查的造影剂,碘油在椎管内吸收非常缓慢,每年约吸收1ml。现在行MR扫描者仍有可能遇到残留碘油的病人。T1加权像碘油为高信号,脑脊液为低信号;质子密度像碘油与脑脊液信号强度相似;T2加权像碘油为低信号而脑脊液为高信号。