MRI中化学位移的利弊及临床意义
【关键词】 MRI
摘要：研究了MRI中化学位移产生的微观机制、化学位移的利与弊及临床意义。
关键词：化学位移；化学位移伪影；MRS
在不同化学环境中的相同原子核在外磁场作用下表现出稍有不同的共振频率的现象，称为化学位移（chemical shift)。在核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR)中，化学位移是可以测得的宏观量，它已经成为核磁共振谱（magnetic resonance spectroscopy，MRS）分析的主要对象，MRS技术是非损伤性的、快捷的、可作定量分析的技术，是在生物分子水平上、在病理早期进行观测的新技术，但是任何事物都有两面性，有其利也有其弊，化学位移也是一样。在磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）检测中，化学位移又可以形成伪影，称为化学位移伪影，对MR图像产生不良影响。本文研究了化学位移产生的微观机制，并且从化学位移伪影和MRS两个角度分析了化学位移在MRI中的利与弊及其临床意义。
1 化学位移
在原子核进动过程中，它的磁共振频率与外加的磁场磁感应强度成正比。就是说，对同一种原子核，共振频率是一定的。如果保持电磁波发射频率不变，当将磁感应强度调整到同一值B0时，都应发生共振吸收。但在实际上，当把一种化合物放入磁场中时，在信号检测分辨力十分高的情况下，不同种类化学键上的原子会产生不同频率的磁共振信号。例如乙醇（CH3CH2OH）分子中三个原子群CH3、CH2和OH中的氢核共振频率不相同。为什么化合物中不同原子群中同一种原子核共振吸收峰的频率不同呢？产生这种现象的微观机制是因为自旋核不是孤立存在的，而是被核外带磁性的云所包围。也就是说，这些原子核具有不同的电子环境，围绕着原子核旋转的电子不同程度地削弱了施加在自旋或进动着的原子核上的磁场强度。若外加磁场的强弱保持不变，周围电子云较薄的氢原子经受的局部磁场磁感应强度较高，根据Larmor公式，它的共振频率较高，电子云较厚的氢原子的局部磁场磁感应强度较弱，它的共振频率也较低。原子核的电子环境不同，核外电子结构也不同，由此而产生的磁屏蔽的强度也有所不同。当RF电磁波频率固定不变时，若要满足Larmor关系， 就 要使外加磁场稍微强一些或者弱一些，以克服电子云的屏蔽的影响，才能达到共振。在核外电子云影响下所产生的有效磁感应强度可表示为：B=B0（1-δ ）式中B为样品的有效磁感应强度，δ表示电子云对磁场减弱的作用，通常又称为屏蔽常数或化学位移常数。δ可正、可负。当δ>0时，B
根据Larmor公式，由于核外电子云的屏蔽作用对共振频率产生的影响为：ν=γ 2πB=γ 2πB0(1-δ)式中γ为核自旋磁旋比，ν为测试样品自旋核的共振频率。同种自旋核在相同外磁场情况下，测试样品中自旋核的共振频率与标准物质中的自旋核共振频率之差称为化学位移，即：Δν=ν-νs式中νs为标准样品自旋核的共振频率，Δν为化学位移。在磁场为2.3T时，氢原子因电子环境不同所引起的化学位移均为几百赫兹。标准样品根据情况可以选择水（H2O）乙醇、硫酸（H2SO4）等。
由以上分析可见，化学位移常数δ可表示为：δ=B-Bs Bs=ν-νs νs
上式中B和BS分别表示在RF电磁波频率不变时，欲使测试样品、标准物质中同类自旋核发生NMR所需要的外磁场磁感应强度的大小。δ一般很小，约在ppm（百万分之一）数量级。
2 MRS
如前所述，同一种原子核比如1H在乙醇的三个不同原子群CH3、CH2、OH中由于所处的化学环境不同，其磁屏蔽的情况不同，所以Larmor频率不同，或者发生共振的磁感应强度不同，这就是化学位移。以发生共振吸收的强度为纵坐标，发生共振的频率（或发生共振的磁感应强度）为横坐标，绘出的共振吸收强度与发生共振的频率（或发生共振的磁感应强度）变化关系曲线，这条曲线即为MRS。乙醇的MRS就是由三条分开的、共振频率不同、覆盖的面积不同的三个吸收峰组成，三个吸收峰分别代表三个原子群中的1H。MRS上共振峰之间的距离即为化学位移，各谱线所覆盖的面积即测定了各1H核磁共振信号的强度，它正比于原子群中1H核的数量。乙醇的三个共振峰面积之比为3∶2∶1，即相当于三个原子群中的氢原子数目之比。由此可见，MRS的理论基础就是共振核的化学位移特性，即：每一种化合物都有自己特有的特征峰的频率位置；每一个共振峰的面积正比于化合物中自旋核的密度；共振峰的形状反映了化合物的分子结构。
在应用方面，MRS除可作检测空间定位和化合物浓度测定以外，在医学诊断方面MRS技术已得到了广泛应用。
由于MRS的检测灵敏度的限制，临床具体应用时，要考虑到自旋核在人体的核密度及发生NMR的灵敏度。按在人体内含量由多到少排列的自旋核是1 H、31P、 13 C、 19 F、 23 Na。从灵敏度角度看，最高的是 1H，其次为 31 P、 13 C、 19 F、 23 Na。目前在临床开展较多的核种为 1 H和 31P，分别表示为1HMRS、 31PMRS。
1 HMRS主要用于检测与脂肪代谢、氨基酸代谢以及神经递质有关的化合物。如肌酸（Cr，3.94ppm)、胆碱（Cho，3.2ppm)、肌醇（ml，3.56ppm)、γ氨基丁酸（GABA）、谷氨酸和谷氨酰胺（Glu+Gln)、乳酸（Lac，1.32ppm)和N乙酰门冬氨酸（NAA，2.02ppm)等。临床1HMRS不需增加磁共振硬件设备，且MRI和MRS一次检查中完成，不需重新定位和更换线圈。
临床1HMRS中，脑梗塞表现为NAA下降，Lac增加。NAA下降表明神经元受损，而且可根据NAA的浓度定量表示神经元受损的程度。由NAA浓度的变化趋势可以预测脑梗塞可恢复的程度。由NAA的下降可以判定神经元受损发生在缺血后6.0h。
31PMRS广泛用于研究组织能量代谢和生化改变。许多含磷化合物参与细胞能量代谢与生物膜有关的磷代谢，活体31PMRS可检测磷酸单脂（PME，6.8ppm）、磷酸二脂（PDE，2.9ppm）、磷酸肌酸（PCr，0ppm）、无机磷（Pi，4.8ppm）和三磷酸腺苷中的αATP（7.6ppm）、 βATP（-16.3ppm）、 γATP（2.6ppm)磷原子。
目前脑的31PMRS均可检测上述7种化合物。主要用于研究脑组织的能量代谢、脑磷脂代谢和pH值的变化。当脑梗塞发生时在31PMRS中30min 后表现为Pi的浓度增加，pH值在缺血的0～1.0h内由7.11下降为7.04。一过性脑缺血表现为PCr/Pi的下降，当脑缺血恢复时，PCr/Pi也跟着上升。急性脑梗塞表现为PCr下降，Pi升高。其后表现出ATP的下降，梗塞期pH值呈酸性。
综上所述，以化学位移为理论基础的MRS是目前医学诊断领域中唯一可以用来观察载体而不是离体细胞代谢变化的非损伤检测技术。这一技术的更深入的研究将对疾病的早期诊断、鉴别性诊断、病理分期、判断预后及效果方面提供更有利的依据。
3化学位移伪影
在正常的磁共振信号检测时，化学位移是MRI图像中的伪影之一，应该引起足够的重视并采用相应的补偿技术加以消除。
在对人体进行MRI检查时，虽然人体内脂肪与水中均含氢核即1H，但是由于水中的1H与氧相连，脂肪中的1H与碳相连，也就是说1H在脂肪与水中的化学环境的差异使其产生化学位移。在脂肪中1H的共振频率小于水中1H的共振频率。通常MRI中以水或脂肪中的1H核作为基准的共振频率，由于化学位移的不可避免，结果造成脂肪和水分子中的1H与标准样品共振频率的差异。众所周知，在二维成像方法中除沿Y方向进行相位编码外，在X方向上体素的空间位置编码是按共振频率进行的，化学位移使体素在断层图像上错位，称之为化学位移伪影。
一般来说，主磁场越强，化学位移越大。在低场强时，这种差异并不显著，例如，0.5T时，两者相差73.5Hz。而在高场强时则显著，例如，在1T的MRI中，水和脂肪的1H化学位移在3ppm左右，其结果造成体素的错位达2mm。在1.5T的MRI中，接收带宽为±16KHz，频率编码次数为256时，则视野（field of view，FOV）频率编码方向上每一像素的宽度为125Hz ，由于脂肪中1H与水中的1H相差220Hz，使同一体素内彼此相邻的脂肪和水在影像上信号位置彼此分离发生1.76个像素距离的位移。
在MR图像上，化学位移伪影的宽度取决于脂肪与水中1H共振频率的差值和像素在频率编码方向上的宽度。脂肪与水中1H共振频率的差值越大，化学位移越显著。像素在频率编码方向上的宽度越宽，化学位移伪影越显著。化学位移伪影仅发生在频率编码方向上，主要表现是在脂肪与水的界面上出现黑色与白色相间的带状影像。在肾的断层时，由于肾外面包有一层脂肪，在图像上会出现宽度为毫米数量级的黑白相间的条形化学位移伪影。
对化学位移伪影应采取的补偿措施是：一是增加接收带宽，缩小FOV，用以减轻化学位移伪影。因为减小FOV会减小像素在频率编码方向上的宽度。二是采用预饱和技术，即预先使用特殊的RF脉冲，使FOV内脂肪或水中的1H被预饱和，故不再产生信号，因此不再产生化学位移伪影。比如脂肪预饱和是先对FOV施加脂肪频率的90°预饱和脉冲，使FOV内脂肪成分的纵向磁化翻转90°，当它在脉冲序列开始后再次受到激励时，将发生饱和，当达到完全饱和时，则不再产生信号，因此，在所得图像中脂肪的信号被消除，从而也就有效地抑制了化学位移伪影。
研究表明，深刻地认识化学位移的产生机制，充分地利用以化学位移为理论基础的MRS，有效地抑制正常MRI检测中的化学位移伪影，具有重要的临床意义。
1 霍纪文，王秀章，主编.医学成像技术.沈阳：辽宁科技出版社，1994，203～204.
2张泽宝，主编.医学影像物.第一版.北京：人民卫生出版社，2000，127～130.
3 朱翠玲，等主编.医学影像学-工程与临床.第一版.济南：山东技术出版社，2000, 298.
