DIAGNÓSTICO DIFERENCIAL
DE TUMORES CEREBRALES "IN VITRO"
POR ESPECTROSCOPÍA DE RESONANCIA MAGNÉTICA DE PROTÓN.
MÉTODO DE LOS COCIENTES ESPECTRALES
J. Mª. Pascual; F. Carceller; S. Cerdán* y J. M. Roda.
Servicio de Neurocirugía. Hospital Universitario La Paz. 28046 Madrid. *Instituto de Investigaciones Biomédicas del C.S.I.C. Madrid.
Neurocirugía, Vol.9 N.1, pp. 4-10; Marzo, 1998
ESTRUCTURA DE LA PÁGINA. ( PAGE STRUCTURE ).
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RESUMEN
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Se han estudiado por espectroscopía de 1H RMN de alta resolución extractos de biopsias de cerebro humano normal (n=5), de astrocitomas de bajo grado (n=7), de astrocitomas de alto grado y glioblastomas (n=16), de meningiomas (n=18), de oligodendrogliomas (n=4) y de meduloblastomas (n=3). Los espectros obtenidos se compararon entre sí utilizando ocho cocientes de intensidad de resonancias específicas: colina/creatina, colina/N-acetilaspártico, creatina/N-acetilaspártico, colina/inositol, glutamina/glutamato, taurina/N-acetilaspártico, alanina/creatina y alanina/N-acetilaspártico. Estos cocientes permitieron realizar un diagnóstico diferencial entre todos los tejidos estudiados con excepción de la comparación entre oligodendrogliomas y astrocitomas. Los tumores cerebrales pudieron diferenciarse del tejido cerebral normal por su menor contenido en N-acetilaspártico. Los meningiomas se caracterizaron por su alto contenido en alanina y los meduloblastomas por sus elevados contenidos en colina y taurina. En el caso de los astrocitomas fue posible discriminar entre los grados de malignidad bajo y alto en base al mayor valor del cociente colina/inositol y menor valor del cociente glutamina/glutamato en los astrocitomas de alto grado. Estos resultados indican que la aplicación de cocientes en la comparación de espectros de biopsias cerebrales constituye una herramienta útil en el diagnóstico diferencial de tumores por espectroscopía de 1H RMN.
PALABRAS CLAVE: Espectroscopía 1H RMN, tumores cerebrales, diagnóstico in vitro.
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Differential diagnosis of brain tumors by proton magnetic resonance spectroscopy "in vitro". The method of spectroscopic ratios
We have studied high resolution 1H NMR spectra of extracts from biopsies of normal brain (n=5), low grade astrocytomas (n=7), high grade astrocytomas and glioblastomas (n=16), meningiomas (n=18), oligodendrogliomas (n=4) and medulloblastomas (n=3). The spectra were compared using eight different intensity ratios of specific resonances: choline/creatine, choline/N-acetyl-aspartic, creatine/N-acetilaspartic, choline/inositol, glutamine/glutamate, turine/N-acetylaspartic, alanine/creatine and alanine/N-acetylaspartic. These ratios allowed a differential diagnosis for each of the tissue samples studied, with the exception of the comparison between oligodendrogliomas and astrocytomas. Brain tumors contained always less N-acetylaspartic than the normal brain. Meningiomas were characterized by their high content in alanine and medulloblastomas by their high content in choline and taurine. High grade astrocytomas and glioblastomas could be distinguished from low grade astrocytomas by their higher choline/inositol ratio and lower glutamine/glutamate ratio. These results indicate that comparisons between intensity ratios in spectra of cerebral biopsies provide a useful tool for the differential diagnosis of brain tumors by high resolution 1H NMR.
KEY WORDS: 1H NMR spectroscopy, brain tumors, in vitro diagnosis.
Abreviaturas:
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La imagen por Resonancia Magnética Nuclear (RMN) del cuerpo humano está ampliamente difundida como método diagnóstico en los hospitales de los países desarrollados. Su aplicación al estudio del Sistema Nervioso Central (SNC) ha supuesto un gran avance, no sólo en el conocimiento de la naturaleza de las distintas patologías, sino también en el establecimiento de las relaciones de las diversas lesiones con las estructuras vecinas, un hecho muy importante en el caso de la patología tumoral. Es indudable que en este último campo, la imagen por RMN ha aportado información que permite un claro avance en el diagnóstico de los tumores del SNC. Sin embargo, todavía no contamos con suficientes criterios que permitan establecer el diagnóstico diferencial entre las distintas neoplasias o clasificar su grado de malignidad.
La RMN espectroscópica está hoy en día considerada como el método no invasivo que permite estudiar más adecuadamente el metabolismo de los seres vivos (1). Esta metodología puede determinar cualitativa y cuantitativamente una gran variedad de metabolitos en cada tejido, proporcionando una información extensa sobre su metabolismo. En base a este hecho, los espectros de 1H RMN de tumores cerebrales in vivo han servido de gran ayuda para determinar algunas de las características principales de los diversos tipos tumorales (2,3,6,13). Sin embargo, la escasa resolución de los espectros de 1H RMN obtenidos in vivo y las dificultades encontradas en la cuantificación de metabolitos, han limitado las aplicaciones diagnósticas de esta técnica en Neurooncología. Muchas de estas limitaciones se pueden superar si se obtienen extractos de biopsias de los tumores y se realiza un estudio in vitro. Estas condiciones permiten emplear un campo magnético más alto en los análisis, lo que mejora notablemente la sensibilidad y resolución de la técnica, permitiendo determinar cuantitativamente la concentración de los distintos metabolitos que aparecen en los espectros (4,7-9,11,15-17) .
El objetivo de este estudio ha sido investigar, mediante RMN espectroscópica de protón de alta resolución, las características espectrales de una serie de extractos de tumores cerebrales obtenidos durante cirugía intracraneal, con el fin de poder establecer un conjunto de patrones que permitan identificar cada tipo de neoplasia. En este estudio se presenta un nuevo método de diagnóstico diferencial basado en la obtención de ocho cocientes entre diversas intensidades de resonancias en los espectros del cerebro normal y de cinco patologías tumorales; gliomas de bajo y alto grado, meningiomas, oligodendrogliomas y meduloblastomas. La comparación de los espectros aplicando estos cocientes permite determinar, en la mayor parte de los casos el tipo de tumor y su grado de malignidad. Este abordaje podría complementar los estudios de 1H RMN in vivo, permitiendo en el futuro un diagnóstico diferencial y valoración pronóstica, sin necesidad de recurrir a una intervención quirúrgica.
Técnicas quirúrgicas y obtención de las biopsias.
Los especímenes de tumores se obtuvieron mediante una craneotomía. Una vez expuesto el tumor, se tomó biopsia de la parte sólida del mismo, evitando la coagulación previa del tejido. Esta precaución se tomó para impedir la posible influencia del calor y de la isquemia sobre los resultados obtenidos. Las muestras correspondientes al tejido cerebral normal se obtuvieron de pacientes operados de epilepsia y con tumoraciones que obligaron a la realización de lobectomías. Estas muestras se tomaron en todos los casos en zonas convenientemente alejadas de la lesión. El peso de los especímenes extraídos osciló entre 100 y 500 mg. A continuación, estas muestras se congelaron inmediatamente en nitrógeno líquido (-169 °C) y se almacenaron en un congelador a -70 °C hasta su procesamiento. Otra parte de la tumoración, siempre en la zona adyacente a la de la extracción, se utilizó para efectuar el diagnóstico anatomopatológico. El número total de biopsias analizadas fue de cincuenta y tres, correspondientes a seis grupos clasificados según la World Health Organization (10) con la siguiente distribución: cerebro normal (n=5), astrocitomas de grados I y II (n=7), astrocitomas anaplásicos y glioblastomas (n=16), oligodendrogliomas (n=4), meningiomas (n=18) y meduloblastomas (n=3).
Preparación de extractos de metabolitos de biopsias de cerebro normal y de tumores cerebrales.
Las biopsias congeladas se cubrieron con N2 líquido y se redujeron a polvo en un mortero. Aproximadamente 100-500 mg del polvo obtenido se resuspendieron en 3 ml ácido perclórico 6M utilizando un homogeneizador Polytron (Kinemática AG, Suiza). La suspensión resultante se centrifugó a 10.000 g durante 10 minutos, descartando el precipitado constituido por proteínas, lípidos y otros compuestos de elevado peso molecular y conservando el sobrenadante que contiene los metabolitos de interés. El precipitado se extrajo de nuevo con 3 ml de ácido perclórico 6M, centrifugando a 10.000 g durante 10 minutos y combinando los sobrenadantes de las dos extracciones. El extracto ácido resultante se neutralizó con KOH hasta pH 7.0, centrifugando la suspensión resultante (10.000 g, 10 min.) para descartar el precipitado de KClO(4) . El sobrenadante neutralizado se redujo a sequedad mediante liofilización y se mantuvo a -20 °C hasta su utilización. Justo antes de su análisis por 1H RMN, el residuo se resuspendió en 1.0 ml de agua deuterada (D2O, 99.9% D) conteniendo 1 mM TSP (2,2' - 3,3' - tetradeutero-trimetil-silil- propionato sódico).
Los espectros de 1H RMN (360.13 MHz, pH 7.2, 22 °C) de los extractos se obtuvieron en un espectrómetro Bruker AM-360 equipado con una sonda comercial selectiva para 1H utilizando tubos de 5 mm (0.5 ml de muestra). Las condiciones de adquisición fueron: pulsos de 90°, 10 s de tiempo total de ciclo y 16384 puntos adquiridos en el dominio del tiempo durante un período de adquisición de 1.90 s. Se redujo la intensidad de la señal residual del agua ligera empleando un pulso de presaturación de 2s centrado en la resonancia del agua. Los desplazamientos químicos se determinaron utilizando TSP como referencia interna. La asignación de las resonancias se realizó de acuerdo con los valores descritos en la literatura y se confirmó, en caso de duda, mediante la adición de patrones específicos (5) . Las intensidades de las resonancias en los diversos espectros se determinaron manualmente sobre espectros representados en escala expandida y después de una corrección uniforme de la línea base. En cada espectro se determinaron los siguientes cocientes de intensidad:
Los resultados se expresan como media ± error estándar para cada relación analizada. Las comparaciones de significación estadística entre grupos se realizaron utilizando el test de Student para grupos de tamaño diferente eliminando de cada grupo los resultados localizados fuera del intervalo comprendido entre la media y los límites superior e inferior al 95% de confianza (12) . Las diferencias entre grupos se consideraron significativas para valores de p<0.05.
El agua deuterada (D2O, 99.9% D) se compró a Appollo Scientific (Stockport, Inglaterra) y el TSP se obtuvo de S.D.S (Peypin, Francia). El resto de los reactivos fue de la más alta calidad disponible comercialmente.
La Figura 1 muestra espectros representativos de 1H RMN de extractos de biopsias obtenidas de cerebro humano normal y de diversos tumores cerebrales. Los espectros de 1H RMN se caracterizan por presentar una serie de picos denominados resonancias. Cada resonancia corresponde a un protón específico de un determinado metabolito y se caracteriza por su posición en el espectro y por su altura. Estas dos variables se conocen como desplazamiento químico e intensidad, respectivamente. El desplazamiento químico se expresa en partes por millón (ppm) y depende del entorno químico del protón analizado. La intensidad de cada resonancia refleja la concentración en la muestra del metabolito que la origina. Por tanto el análisis de los espectros de 1H RMN de biopsias del cerebro normal y de tumores cerebrales proporciona el perfil de metabolitos y la concentración relativa de los mismos en la biopsia.

Fig. 1.- Espectros de 1H RMN (360.13 MHz, 22 °C, pH 7.2) de extractos de tejido cerebral normal y de diversos tipos de tumores. Lac: lactato H3, Ala: alanina H3, NAA: N-acetil-aspártico H6, Glu: glutámico H4,H4', Gln: glutamina H4,H4', Cr: creatina y fosfocreatina (CH3:3.02 ppm, CH2: 3.95 ppm), Cho: grupos (CH3)3N+- de colina, fosforilcolina, glicerolfosforilcolina y betainas, Tau: taurina H3,H3', Gly: glicina H2, Ino: myo-inositol H2. Los desplazamientos químicos se expresan en ppm con respecto a la señal del TSP a 0 ppm.
El espectro del cerebro normal de la Figura 1, muestra como resonancias más características las de los protones H3 del lactato (Lac), H3 de la alanina (Ala), H6 de N-acetil-aspartico (NAA), los H4 de glutamato y glutamina (Glu y Gln), los grupos CH3 y CH2 de creatina y fosfocreatina (Cr), los grupos trimetilamonio de colina y derivados (Cho), los protones H2 y H3 de Taurina (Tau) y el H2 del myo-inositol (Ino). Se puede encontrar una asignación más detallada de las resonancias observadas en espectros de 1H RMN de cerebro normal y de tumores cerebrales en las referencias 5 y 11. Los demás espectros de la Figura 1, corresponden a ejemplos representativos de cada tipo tumoral. Los tipos tumorales que hemos analizado en este estudio se han clasificado en cinco grupos: astrocitomas de bajo grado, astrocitomas anaplásicos y glioblastomas, meningiomas, oligodendrogliomas y meduloblastomas. Una comparación entre los espectros de 1H RMN de la Figura 1 indica que existen diferencias apreciables entre:
El cerebro normal se caracteriza por la elevada intensidad de su señal de NAA, que es más baja en todos los tipos tumorales y particularmente ausente en el meningioma. El NAA es un metabolito de origen exclusivamente neuronal y su disminución en los tumores estudiados reflejaría un descenso en su contenido en neuronas (11,13,16,17) , una infiltración de tejido cerebral sano en el tumor (4) o a una combinación de estas circunstancias.
El meningioma puede diferenciarse claramente del resto de los tumores por su alto contenido en alanina. En el grupo de tumores de origen astrocitario las señales de glutamina e inositol permiten diferenciar entre astrocitomas de grado I-II y el grupo constituido por los astrocitomas grados III-IV y glioblastoma multiforme. Los astrocitomas de bajo grado presentan una intensidad de las señales de glutamina e inositol superior a la observada en los astrocitomas de alto grado. Por otro lado, el meduloblastoma destaca por la contribución dominante de las señales de colina y taurina. Con los datos de que disponemos en la actualidad, los oligodendrogliomas no presentan un patrón espectral característicamente diferente del de otros tumores de origen astrocitario.
Un aspecto que merece especial consideración es la variabilidad interindividual en los espectros de cada tipo de tumor. Una manera de evaluar esta variabilidad es comparar los espectros de 1H RMN de tumores con idéntico diagnóstico anatomopatológico pero, obtenidos de diferentes pacientes. La comparación entre espectros derivados de diferentes tipos tumorales, se ve facilitada con la utilización de cocientes entre resonancias características de cada espectro. Este procedimiento es más conveniente que la comparación directa de las intensidades de las resonancias, porque es independiente de la cantidad de tejido extraído en cada caso. En este estudio, hemos caracterizado los diversos espectros del cerebro normal y de cada tipo tumoral utilizando ocho cocientes diferentes: Cho/Cr, Cho/NAA, Cho/Ino, Cr/NAA, Gln/Glu, Tau/NAA, Ala/NAA y Ala/Cr, respectivamente. Las resonancias que forman parte de estos cocientes se escogieron por su fácil identificación en los espectros de 1H RMN de extractos, pudiendo utilizarse en algunos casos las mismas resonancias y cocientes en los espectros de 1H RMN in vivo. La Figura 2 recoge los resultados obtenidos al comparar estos cocientes en el cerebro normal y en los diversos tipos de tumores.

Fig. 2.- Cocientes entre las intensidades de resonancias específicas de espectros de 1H RMN de extractos de cerebro humano normal y de diversos tipos de tumores. Las abreviaturas utilizadas son las mismas que en la Figura 1. Los resultados se muestran como media±error estándar. La significación estadística se detalla en la Tabla 1.
Cada tipo tumoral presenta un patrón característico de valores de los diversos cocientes, que permite diferenciarle del resto. La Tabla 1 muestra la significación estadística obtenida al comparar entre sí los ocho cocientes en los distintos tejidos estudiados.
TABLA 1
Cocientes espectrales más útiles en el diagnóstico diferencial de tumores cerebrales mediante Espectroscopía de Resonancia Magnética de 1H .
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Cerebro Normal |
Astrocitoma bajo grado |
Astrocitoma alto grado |
Meningioma |
Oligodendro- glioma |
Meduloblastoma |
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Cerebro Normal |
Cr/NAA*** Cho/NAA*** Tau/NAA*** Cho/Cr** Gln/Glu** Ala/NAA** |
Cr/NAA*** Ala/Cr*** Cho/NAA*** Cho/Ino*** Tau/NAA** |
a) Ala/Cr*** Cho/Cr** |
Cr/NAA* |
Tau/NAA** Ala/NAA* Cho/NAA* Cho/Cr* Cho/Cr* |
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Astrocitoma bajo grado |
Cho/Ino*** Gln/Glu** |
a) Ala/Cr*** Gln/Glu** Cho/Cr* |
Cho/Cr** Tau/NAA** Cho/Ino* Cho/NAA* Gln/Glu* |
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Astrocitoma alto grado |
a) Ala/Cr*** Cho/Cr** |
Tau/NAA*** Cho/Cr*** Cho/NAA** Ala/NAA** |
||||
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Meningioma |
a) Ala/Cr** Cho/Cr* |
a) Ala/Cr** |
||||
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Oligodendro- glioma |
Cho/Cr* Tau/NAA* |
Los resultados obtenidos permiten establecer unas diferencias claras entre el tejido cerebral normal y los tumores estudiados, así como entre los diversos tipos de tumores (Figura 2, Tabla 1). En la mayor parte de los casos, las diferencias entre los grupos no afectan a un solo cociente, sino que involucran a varios. Así, el cerebro normal presenta seis cocientes significativamente diferentes con los astrocitomas de bajo grado, cinco con los de alto grado, cuatro con los meduloblastomas, dos con los meningiomas y uno con los oligodendrogliomas. Similarmente, los meduloblastomas presentan cinco cocientes diferentes con los astrocitomas de bajo grado, cuatro con los de alto grado y dos con los oligodendrogliomas. Este último grupo constituye, hasta ahora, el menos definido, posiblemente por el reducido número de biopsias analizadas. Tomados en su conjunto los resultados obtenidos sugieren que las diferencias entre los grupos no afectan exclusivamente a un metabolito determinado o a un cociente específico, sino que parecen modificar el patrón espectral completo, produciendo patrones de cocientes espectrales diferentes y característicos para el cerebro normal y para cada tipo de tumor.
Algunos autores han sugerido que el cociente Gln/Glu sirve como elemento diferenciador entre los tumores astrocitarios y el tejido cerebral normal (11,15) . En este tipo de tumores no había sido posible establecer un diagnóstico diferencial entre los grados I-II y los III-IV y glioblastomas. En el presente estudio mostramos que los cocientes Cho/Ino y Gln/Glu permiten diferenciar entre ambos grupos, con una elevada significación estadística. Por otra parte el aumento del cociente Cho/NAA que hemos detectado en los tumores de origen astrocitario con respecto al tejido cerebral normal está de acuerdo con el incremento en compuestos de colina observado por algunos autores en las mismas neoplasias (4,7-9) . No obstante, de acuerdo con los resultados de Usenius y cols. (16,17) no se ha podido confirmar una correlación positiva entre este cociente y el grado histológico de malignidad, aunque algunos estudios habían sugerido que a mayor incremento de elementos de colina mayor malignidad del proceso (4,8) . Así mismo, tampoco se ha podido corroborar que un incremento del cociente Cho/Cr pueda discriminar significativamente entre los astrocitomas grado IV y el resto de los astrocitomas (7) . Finalmente, algunos autores han descrito un incremento de glicina en tumores de origen astrocitario (4,8,9) que sólo ha resultado ocasional en nuestro estudio.
Por otro lado, el aumento del cociente alanina/creatina, descrito en los meningiomas (7,13) , es detectado claramente en el presente trabajo, y sirve para diferenciar, junto con la ausencia de inositol y de NAA, esta tumoración del resto de los tejidos estudiados. Además de este cociente, hemos podido comprobar que el correspondiente a Cho/Cr también puede ser utilizado como elemento diferenciador adicional de esta tumoración.
El meduloblastoma puede ser distinguido claramente de los astrocitomas en base a cinco cocientes (Tabla 1). Previamente, se había propuesto el incremento de taurina como único elemento diferenciador de esta lesión (9) , un resultado que no hemos podido confirmar, quizás por el reducido número de biopsias disponible de este tipo de tumor.
El método de comparación de cocientes que hemos presentado tiene algunas ventajas sobre los métodos de análisis cuantitativo y análisis computarizado de redes neuronales utilizados previamente en el diagnóstico de tumores por 1H RMN (11,14) . En particular, el método de comparación de cocientes no requiere la cuantificación directa del contenido en metabolitos, es independiente del tamaño de la biopsia extraída y no necesita ni sofisticados análisis matemáticos ni personal altamente especializado en la interpretación de espectroscopía de 1H RMN. Sería en principio posible además, aumentar la capacidad discriminatoria del método a un número superior de tipos de tumores, aumentando el número de cocientes de resonancias utilizados en cada comparación. Esta serie de circunstancias apoyan la incorporación de este método al entorno hospitalario. Sin embargo, la instrumentación necesaria para obtener los espectros de alta resolución requiere campos magnéticos más altos que los normalmente disponibles en clínica, lo que involucraría una colaboración más estrecha con centros de investigación apropiados o la adquisición de nuevo equipamiento.
Finalmente, conviene mencionar aquí que los resultados de este estudio están sometidos a limitaciones estadísticas producidas por diversos tipos de variabilidad experimental, que incluyen:
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Sin embargo, los resultados mostrados en la Figura 2 y Tabla 1 indican que a pesar de estas limitaciones, es posible obtener por espectroscopía de 1H RMN in vitro, un diagnóstico diferencial de elevada fiabilidad. No obstante, el presente trabajo representa aún una fase preliminar. La validación del procedimiento diagnóstico propuesto requerirá en el futuro del análisis de series más amplias de tumores y de la comparación de nuestros resultados con los obtenidos mediante otros métodos diagnósticos. Estos aspectos forman parte de las propuestas de investigación de nuestro laboratorio en la actualidad.
Agradecimientos.
Este trabajo ha sido realizado con ayudas a la investigación del Fondo de Investigaciones Sanitarias de la Seguridad Social (FISss 1177/96), de la D.G.I.C.Y.T. (PB95-011) y de la Comunidad de Madrid (07/105/96).
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