脑出血信号改变机制与磁共振影像表现

刘欣瑶，毕京凤，张英魁

出血性卒中约占全部卒中的20%。虽然其发病率较缺血性卒中低，但其临床表现更凶险，致死、致残率也更高。急性脑出血在头颅CT影像上表现为显著的高密度，诊断相对容易；同时因为脑出血患者常有明显躁动，而CT成像速度相对更快，可以在较短时间内完成检查，故目前CT检查是脑出血诊断的首选方法。不过，在临床实际工作中，仍然会有一些症状不典型的脑出血患者可能首选MRI检查；同时，在脑出血治疗过程中也会进行MRI检查进行疗效评估[1]。与CT影像相比，脑出血在MRI影像上的信号表现更复杂，这导致很多临床医师甚至放射科医师很难辨析脑出血在MRI影像上的信号表现与演变过程。事实上，如果我们能够理解脑出血信号改变的机制，就可以更清晰地判断脑出血的分期与发病过程。

1 脑出血后血红蛋白的演变过程

血液中的氧气几乎全部由血红蛋白携带运输。血红蛋白具有非常特殊的分子结构，由血红素与多肽链蛋白组成（图1）。血红素中含有的亚铁离子是氧气分子的结合点，氧气分子与其结合后转化为氧合血红蛋白（图2）。血红蛋白的分子结构直接决定了其内的铁离子是否可以对邻近的水分子弛豫时间产生影响。了解血红蛋白的分子结构及脑出血后血红蛋白内铁离子的演变过程是分析MRI影像上出血信号改变的基础。

图1 血红蛋白分子结构示意图

1.1 氧合血红蛋白 血红蛋白中的亚铁离子与氧气分子结合后形成氧合血红蛋白（图2）。红细胞内的血红蛋白分子在氧分压高的环境，即在肺内微循环水平与氧气分子结合则转化为氧合血红蛋白。氧合血红蛋白的铁离子中不存在未配对的电子，因此氧合血红蛋白不具有顺磁性效应。虽然在动脉内流动的血液中含有大量的血红蛋白，但这些血红蛋白是氧合血红蛋白，对血液中的水分子并不能产生顺磁性效应。需要特别强调的是，氧合血红蛋白虽然不具有顺磁性效应，但具有一定的抗磁性效应。氧合血红蛋白这一磁性属性在MRI检查过程中也被用于脑功能血氧水平依赖成像中。

图2 氧气与血红蛋白结合示意图

1.2 脱氧血红蛋白 未与氧气分子结合或与氧气分子结合后又脱离的血红蛋白分子称为脱氧血红蛋白。脱氧血红蛋白分子中的亚铁离子含有4个未配对电子，具有较强的顺磁性效应。但脱氧血红蛋白分子的亚铁离子周围有完整的蛋白质肽链紧密包绕。血红蛋白分子中的肽链结构构成了一个“疏水性口袋”，亚铁离子处于这个“疏水性口袋”之中。因此，虽然脱氧血红蛋白中的亚铁离子具有较强的顺磁性效应，但因周围肽链的包绕作用，使得该血红蛋白的铁离子无法接近邻近的水分子，所以脱氧血红蛋白并不能使邻近水分子的T1弛豫时间缩短。顺磁性物质对于邻近水分子T1弛豫时间的影响对于两者间的距离有非常严格的依赖：只有当两者之间的距离＜0.3 nm时才会产生缩短T1的效应。理解这一点也是理解出血信号改变的重要基础。

1.3 高铁血红蛋白 脱氧血红蛋白如果长时间处于缺氧状态，其内的亚铁离子就会进一步发生氧化反应转化为三价铁离子，三价铁离子也称为高价铁离子，含有三价铁离子的血红蛋白称为高铁血红蛋白或正铁血红蛋白。三价铁离子含有5个不成对电子，具有更强的顺磁性效应，并且三价铁离子的出现还破坏了肽链结构的完整性。此时的血红蛋白外有大量水分子“围攻”，同时又因高铁离子的作用导致肽链破坏，这使血红蛋白外的水分子通过被破坏了的肽链直接与其内的高铁离子近距离接触，故高铁血红蛋白缩短T1弛豫时间的效应就显现出来了。

1.4 含铁血黄素 含铁血黄素是铁离子被吞噬细胞吞噬后形成的一种衍变物。含铁血黄素具有超顺磁性属性，但其不溶于水，因此它对邻近水分子不会产生缩短T1弛豫时间效应。这种超顺磁性效应可以破坏局部磁场的均匀性，因此在SWI序列上表现为明显的低信号。

2 脑出血临床分期与相应MRI影像信号改变

脑出血在不同临床分期时血红蛋白和红细胞的状态不同，这是影响该期信号改变的基础。了解脑出血发生后不同时间血红蛋白的状态和红细胞改变是理解出血后MRI影像信号改变的基础。对于出血信号的复杂表现和临床分期，需要把握血红蛋白演变以及红细胞状态改变等主要线索，这样才能达到纲举目张的效果。

2.1 超急性期（发病24 h内） 对于动脉来源的出血而言，出血超急性期的血红蛋白属于氧合血红蛋白，氧合血红蛋白不具有顺磁性效应，因此对于T1WI、T2WI序列上的信号显示均未产生影响；该分期出血的信号改变来源于血肿本身的性质，此时血液尚未开始凝固，因此表现为液体信号改变，T1WI影像结果可能表现为低信号，T2WI表现为高信号（图3）。因为大多数急性脑出血患者会首选CT检查，且一旦明确出血后不会再进一步进行MRI检查，故MRI影像较难显示出超急性期出血期信号改变[2]。另外，外伤导致的硬膜下血肿多是静脉撕裂引起的，因此早期发现的血肿中就以脱氧血红蛋白为主。

图3 脑出血超急性期MRI影像表现

2.2 急性期（发病2 d内） 该临床分期内，血肿内的红细胞因为持续处于乏氧状态，氧合血红蛋白脱氧转化为脱氧血红蛋白。脱氧血红蛋白的肽链是完整的，紧紧包围着血红蛋白中的亚铁离子使其无法近距离接触邻近的水分子，故不能产生缩短T1弛豫时间效应，在T1WI影像上不能表现出高信号改变（图4）。由于此时红细胞膜仍是完整的，红细胞内和红细胞外因脱氧血红蛋白的分布不同而产生局部磁场微环境差异，这种磁场不均匀导致水分子T2弛豫时间缩短。因为血肿区域脱氧血红蛋白总体聚集且水平较高，因此血肿区表现为较明显的短T2弛豫时间属性[2]。这种短T2弛豫时间属性导致T2WI影像上呈低信号改变[3]。

图4 脑出血急性期MRI影像表现

2.3 亚急性早期（发病3～7 d） 随着缺氧持续时间的延长，亚铁血红蛋白中的亚铁离子发生氧化而转化为高铁血红蛋白，同时肽链原本形成的“疏水性口袋”破坏，周边的水分子与三价铁离子近距离接触。这种近距离接触使得三价铁离子能够明显缩短邻近水分子的T1弛豫时间，因此在T1WI影像上表现为血肿区域高信号改变（图5）。需要强调的是，一旦T1WI影像在血肿区域出现高信号，则提示血肿内出现了高铁血红蛋白。这是出血进入亚急性期的一个分水岭标志[4]。在亚急性早期，红细胞形态仍然完整，因此此时高铁血红蛋白等顺磁性物质的分布仍然不均匀，这导致血肿区域磁场不均匀，并且顺磁性物质相对聚集而呈现出较高的“水平”，故此时仍表现出较强的缩短T2效应。

图5 脑出血亚急性早期MRI影像表现

2.4 亚急性晚期（发病8 d至1个月） 该分期最主要的一个标志性变化是持续的缺氧导致血肿内红细胞坏死。伴随着红细胞的凋亡，红细胞膜完整性亦不复存在，红细胞内的血红蛋白释放到血肿中，同时血肿区水分含量增多，这些变化导致具有顺磁性效应的高铁血红蛋白在血肿中分布更均匀，同时由于病变区明显的水肿改变也导致顺磁性血红蛋白水平降低。顺磁性物质对T2弛豫时间的影响对血红蛋白水平具有较高的依赖性，因此，随着血肿内高铁血红蛋白水平的降低及其在血肿内分布更加均匀，使得亚急性晚期血肿内高铁血红蛋白对于T2弛豫时间的影响变得不明显，而保留明显的缩短T1弛豫时间的效应，脑出血亚急性晚期在MRI上信号的特征性改变是T1WI呈明显的高信号，而T2WI呈现混杂或片状高信号（图6～图7）。从亚急性早期到亚急性晚期，MRI上一个重要的标志性改变就是病变在T2WI上是否出现高信号，出现高信号改变则提示伴随有红细胞完整性的破坏[5]。

图6 脑出血亚急性早期逐渐过渡到晚期的MRI影像表现

图7 脑出血亚急性晚期MRI影像表现

2.5 慢性期（发病1个月以上） 慢性期的标志性改变是血肿区域吸收囊变，血红蛋白等顺磁性物质也被吞噬形成含铁血黄素，这种含铁血黄素可以长久存在。含铁血黄素虽然具有超顺磁性效应，但因其不溶于水，因此不具备缩短T1弛豫时间的效应；含铁血黄素具有较强的缩短T2弛豫时间效应[6]，特别是SWI序列检测陈旧性出血病灶的敏感度较高（图8）。

图8 脑出血慢性期MRI影像表现

随着血肿内血红蛋白及红细胞状态的改变，脑出血病变在MRI上具有不同的影像学表现。不同状态的血红蛋白，如氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、高铁血红蛋白及含铁血黄素均具有不同的磁化率属性，其内铁离子的状态也有所不同。高铁血红蛋白中的三价铁离子能够破坏包绕在血红素周围的蛋白肽链结构，从而导致邻近水分子可以与三价铁离子相互作用，这是引起T1弛豫时间缩短的重要原因。血肿区域T1弛豫时间缩短是导致血肿在T1WI影像上表现为高信号的基础，同时这种T1WI影像上的高信号改变也是脑出血进入亚急性早期的分水岭。红细胞形态的改变也是血肿信号改变的原因之一。血肿进入亚急性晚期的一个重要标志是红细胞的完整性破坏，高铁血红蛋白在血肿内分布更均匀，同时因为水肿导致局部水含量增多，此时高铁血红蛋白的缩短T2弛豫时间的效应不明显，而在T2WI序列上因为水分增多则以高信号改变为主。本文通过脑出血后不同时期MRI检查的不同影像学表现，分析了脑出血信号演变的原因，对临床工作中脑出血MRI影像诊断及分期均有一定的指导意义。