磁共振波譜成像的基本原理

1、磁共振波譜成像的基本原理、序列設(shè)計與臨床應(yīng)用磁共振波譜(MR Spectroscopy， MRS)是醫(yī)學影像學近年來發(fā)展的新的檢查手段，作為一種無創(chuàng)傷性研究活體器官組織代謝、生化變化及化合物定量分析的方法，隨著MRI、MRS裝置不斷改進，軟件開發(fā)及臨床研究的不斷深入，人們通過MRS對各種疾病的生化代謝的認識將不斷提高，為臨床的診斷、鑒別、分期、治療和預后提供更多有重要價值的信息。1H MRS可對神經(jīng)元的丟失、神經(jīng)膠質(zhì)增生進行定量分析，31P磁共振波譜可對心肌梗塞能量代謝變化進行評價。MRS以分子水平了解人體生理上的變化，從而對疾病的早期診斷、預后及鑒別診斷、療效追蹤等方面，做出更明確的結(jié)論。本

2、文從MRS波譜成像的基本原理和序列設(shè)計方面簡要作一介紹。一磁共振波譜的基本原理在理想均勻的磁場中，同一種質(zhì)子(如1H)理論上應(yīng)具有相同的共振頻率。事實上，當頻率測量精度非常高時會發(fā)現(xiàn)，即使同一種核處在相同磁場中，它們的共振頻率也不完全相同，而是在一個有限的頻率范圍內(nèi)。這是由于原子核外的電子對原子核有磁屏蔽作用，它使作用于原子核的磁場強度小于外加磁場的強度，其屏蔽作用大小用屏蔽系數(shù)s來表示，被這種屏蔽作用削弱掉的磁場為sB，與外加磁場方向相反。外加磁場越強sB越大，原子核實際感受到的磁場強度與外加磁場強度之差越大。此外，s還與核的特性和化學環(huán)境有關(guān)。核的化學環(huán)境指核所在的分子結(jié)構(gòu)，同一種核處在不

3、同的分子中，甚至在同一分子的不同位置或不同的原子基團中，它周圍的電子數(shù)和電子的分布將有所不同。因而，受到電子的磁屏蔽作用的程度不同，如圖1所示。考慮到電子的磁屏蔽作用，決定共振頻率的拉莫方程應(yīng)表示為:w=gBeff=gB0(1-s)由上式可知，在相同外加磁場作用下，樣品中有不同化學環(huán)境的同一種核，由于它們受磁屏蔽的程度(s的大小)不同，它們將具有不同的共振頻率。如在MRS中，水、NAA(N-乙酰天門冬氨酸)、Cr(肌酸)、Cho(膽堿)、脂肪的共振峰位置不同，這種現(xiàn)象就稱為化學位移(Chemical Shift)。即因質(zhì)子所處的化學環(huán)境不同，也就是核外電子云密度不同和所受屏蔽作用的不同，而引起

4、相同質(zhì)子在磁共振波譜中吸收信號位置的不同，如圖2所示。實際上，研究某種樣品物質(zhì)的磁共振頻譜時，常選用一種物質(zhì)做參考基準，以它的共振頻率作為頻譜圖橫坐標的原點。并且，將不同種原子基團中的核的共振頻率相對于坐標原點的頻率之差作為該基團的化學位移。顯然，這種用頻率之差表示的化學位移的大小與磁場強度高低有關(guān)。在正常組織中，代謝物在物質(zhì)中以特定的濃度存在，當組織發(fā)生病變時，代謝物濃度會發(fā)生改變。磁共振成像主要是對水和脂肪中的氫質(zhì)子共振峰進行測量和脂肪中的氫質(zhì)子共振峰進行測量，在1.5T場強下水和脂肪共振頻率相差220Hz (化學位移)，但是在這兩個峰之間還有多種濃度較低代謝物所形成的共振峰，如NAA、C

5、r、Cho等，這些代謝物的濃度與水和脂肪相比非常低。MRS需要通過勻場抑制水和脂肪的共振峰，才能使這些微弱的共振峰群得以顯示。下面是研究MRS譜線時常用到的參數(shù):(1)共振峰的共振頻率的中心峰的位置V: 化學位移決定磁共振波譜中共振峰的位置。(2)共振峰的分裂。(3)共振峰下的面積和共振峰的高度: 在磁共振波譜中，吸收峰占有的面積與產(chǎn)生信號的質(zhì)子數(shù)目成正比。在研究波譜時，共振峰下的面積比峰的高度更有價值，因為它不受磁場均勻度的影響，對噪音相對不敏感。(4)半高寬: 半高寬是指吸收峰高度一半時吸收峰的寬度，它代表了波譜的分辨率。原子核自旋磁矩之間的相互作用稱為自旋自旋耦合。高分辨率磁共振頻譜可以

6、觀察到自旋自旋耦合引起的共振譜線的裂分，裂分的數(shù)目和幅度是相互耦合的核的自旋和核的數(shù)目的指征。在一個氫核和一個氫核發(fā)生自旋耦合的情況下，由于一個氫核的磁矩有順磁場和逆磁場兩種可能的取向，因此它對受耦合作用的氫核可能產(chǎn)生兩個不同的附加磁場的作用，這引起受耦合的氫核的共振由一個單峰分裂為二重峰。如此類推，在兩個氫核和一個氫核發(fā)生耦合的情況下，共振譜由一個分裂為三個。磁共振波譜儀不僅可以描繪頻譜，還可以描繪頻譜的積分曲線，積分曲線對應(yīng)共振峰的面積。峰的面積反映一個原子基團中參與磁共振的核的數(shù)量。比較頻譜中各個峰的面積能確定出不同分子或原子基團中產(chǎn)生共振的核的相對數(shù)量。將各共振峰的相對面積與參考標準進

7、行比較可以推算樣品分子或化學基團中共振核的絕對數(shù)目。眾所周知，磁共振研究的核首先必須具有磁矩。這就排除了有偶數(shù)質(zhì)子和偶數(shù)中子的核如16O和12C等。另外，有兩個自旋狀態(tài)的核最便于研究，滿足這個條件的核有1H、31P、19F和13C。其中，19F和13C在人體中含量很小，大多數(shù)研究必須在接納用19F或13C增濃的物質(zhì)條件下進行，1H在人體內(nèi)的含量最高，但人體組織極強的水信號往往導致頻譜中水共振頻率兩側(cè)其他生化物質(zhì)的微弱信號被淹沒。由于這種原因，31P頻譜研究得到最早應(yīng)用，并在活體頻譜研究中占居首要地位。MRI盡量去除化學位移的作用，并突出反映組織間T1、T2的差異，而MRS恰恰要利用化學位移的作

8、用來確定代謝物的種類和含量。MRS的敏感性較低，因為代謝物的濃度較低，產(chǎn)生的信號幾乎是正常MR成像中水信號的萬分之一，需要重復多次采集才能得到信號，所以需要更多的掃描時間，限制了MRS測定代謝物濃度變化的時間分辨率。由于活體中組織水濃度比代謝物的質(zhì)子濃度大幾個量級，所產(chǎn)生的信號也大很多，并且由于MRI的接收機增益動態(tài)范圍有限，必須抑制水峰，才有可能觀察到微弱的代謝信號，常用CHESS (CHEmical Shift Selective suppression)方法抑制水峰，大部分CHESS技術(shù)是使用一種窄帶頻率選擇性90?RF脈沖激發(fā)水峰，之后可激發(fā)測量代謝物的質(zhì)子MR譜，也可以躲開水的頻率，

9、使激發(fā)頻譜中不包含水的頻率成分，只激發(fā)代謝物的質(zhì)子進行譜測量。另外一種有效的抑制水的方法為WET(Water suppression Enhanced through T1 effects)，該方法利用180度脈沖反轉(zhuǎn)VOI內(nèi)水磁化強度，當水磁化強度穿越零點時，用90度脈沖激發(fā)VOI內(nèi)樣品，進行質(zhì)子MRS測量，這時水將不貢獻信號。另外勻場技術(shù)(Shimming)在MRS技術(shù)中也占有很重要的位置，波譜的信噪比和分辨率部分決定于譜線線寬，譜線線寬受原子核自然線寬及磁場均勻度的影響，內(nèi)磁場的均勻度越高，線寬越小，基線越平滑。1H譜用水峰的半高寬來檢測磁場的均勻性，由于磷的代謝產(chǎn)物化學位移范圍較寬，故

10、對勻場的要求不如氫譜高。首先在病人進入磁場之前對較大范圍進行勻場，但確定VOI后再進一步對VOI勻場。方法是通過逐步調(diào)整X、Y、Z三個軸方向上的梯度線圈內(nèi)電流使產(chǎn)生的自由感應(yīng)衰減(Free Induced Decay，F(xiàn)ID)達到最慢來實現(xiàn)。二MRS的定位技術(shù)和脈沖序列設(shè)計在實際臨床工作中，我們需要獲得的是一個組織器官特定部位的正?；蚴钱惓＝M織的波譜信息。這一特定的部位可以是一個層面、層面中的條塊、或是一個立方體。根據(jù)選擇這一區(qū)域的方式不同，磁共振波譜的采集方式可以分為三種: 第一種是利用表面線圈的射頻場非均勻的獲得局域波譜，這種技術(shù)簡單，但它局限于采集靠近體表的解剖區(qū)域的波譜，也不能靈活的控

11、制區(qū)域形狀和大小; 第二種方法是通過MR圖像確定感興趣區(qū)，然后利用磁場梯度和射頻脈沖結(jié)合進行選擇激勵; 第三種是化學位移成像，也是一種需要利用磁場梯度的定位技術(shù)。1. 射頻梯度定域頻譜技術(shù)(FID方法)表面線圈的射頻場在與表面線圈平面垂直的方向存在梯度。這可以利用來建立信號的等效相位編碼，將表面線圈設(shè)置到所要研究的組織區(qū)域附近，用非選擇性射頻脈沖進行激勵，所采集的FID信號將包含整個表面線圈的靈敏區(qū)域的信號。靈敏區(qū)域的尺寸決定于線圈的半徑。由于表面線圈的射頻場存在梯度的原因，自旋磁矩的翻轉(zhuǎn)角便同它們沿梯度方向的位置有關(guān)。這使沿射頻場梯度方向不同位置的自旋的MR信號具有不同的相位。改變射頻脈沖的

12、長度反復進行射頻激勵和信號采集，每次采集的信號是與不同的位置對應(yīng)的不同相位的信號的總和。這些信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以得到信號相位和信號位置唯一對應(yīng)關(guān)系的一組數(shù)據(jù)。這組數(shù)據(jù)經(jīng)兩維傅立葉變換便產(chǎn)生一組與表面線圈平面平行的層面的頻譜。其中，每個層面的頻譜對應(yīng)于一個由射頻場的等高(強度)面劃定邊界的解剖區(qū)域。這個方法不是僅獲取一個層面區(qū)域的頻譜，而是從包括一組層面的整個體積范圍獲取一組頻譜。這個方法不用梯度磁場，因此不存在渦流磁場的影響。2. 單體素MRS的序列設(shè)計a. 點分辨自旋回波波譜(Point-Resolved Echo Spin Spectroscopy，PRESS)點分辨自旋回波波譜由90度1

13、80度 180度脈沖和三個正交梯度組成，入圖4所示，采集第二個回波，并且只采集回波的后半部分。第一個RF脈沖配合層面選擇梯度，激發(fā)了選定層面內(nèi)的所有核磁子; 第二個RF脈沖配合在一個垂直于選定層面選擇梯度共同作用，結(jié)果只有位于這兩個垂直平面相交部分的一列核磁子激發(fā)并由于180度脈沖的作用而重新聚集； 第三個RF脈沖，并配合一個與前兩個層面都相垂直的層面選擇梯度，最后只有3個垂直平面相交叉的體素能夠被激發(fā)并得到回波。與快速自旋回波的形成過程不同，為了避免180度脈沖的不標準情況，在PRESS中是在180度RF的周圍施加矯正梯度，以去除因為180度不標準而引起的信號丟失。b. 受激回波采集方式(S

14、Timulated-Echo Acquisition Mode，STEAM)STEAM由三個90度選層脈沖構(gòu)成，如圖5所示，各個脈沖都是在正交梯度存在情況下相繼加到樣品上，于是在三個層面相交處一個體元內(nèi)(VOI)產(chǎn)生受激回波(STimulated-Echo，STE)信號。第一個90度激勵脈沖配合層面選擇梯度，激發(fā)選定層面內(nèi)的所有核質(zhì)子； 第二個90度RF脈沖的作用下，位于XY平面的磁化矢量被翻轉(zhuǎn)并位于XZ平面內(nèi); 第三個選擇性90度脈沖激勵使所有的核質(zhì)子翻轉(zhuǎn)到XY平面內(nèi)，并再次經(jīng)過TE/2時間重聚相位形成回波，其信號的強度是PRESS方法的一半。其選擇性很強，可以達到單數(shù)據(jù)采集，因其TE時間短

15、，通常為2030ms，適用于觀察短T2的代謝產(chǎn)物。3. 化學位移成像的序列設(shè)計化學位移成像(Chemical Shift Imaging，CSI)也稱頻譜成像(Spectros-copy Imaging，SI)，是著眼于特定化學位移采集頻譜的技術(shù)，反映代謝物在層面內(nèi)分布的圖像?；瘜W位移成像是多體素成像技術(shù)，它利用磁場梯度只對信號進行相位編碼，在沒有任何梯度場的條件下采集信號，如圖6所示。檢測到的頻率偏移只反映不同化學位移的頻率差和場的非均勻性的影響，從而將化學位移信息與空間位置信息分開。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過傅立葉變換重建產(chǎn)生一個三維數(shù)據(jù)組，由兩維空間信息加上化學位移信息組成。MRSI方法的特點有:

16、在同一個時間段內(nèi)可以獲得多個數(shù)據(jù)，其效率大大增加。數(shù)據(jù)以圖像和波譜的形式在一幅圖中表現(xiàn)出來，而且感興趣區(qū)不用在掃描前就確定。在CSI方法中，相位編碼可以采用三種方式，如圖7。圖7a、7b分別就CSI序列中相位編碼方式以及與掃描時間、SNR之間的關(guān)系示意。三磁共振波譜的臨床應(yīng)用臨床波譜學的一個重要方面是可以對代謝產(chǎn)物進行定量分析。利用波譜峰的高度和峰的寬度計算峰下面積，代謝物的峰下面積與所測的代謝產(chǎn)物的含量成正比。主要有三種定量方法: 絕對定量、半定量和相對定量。絕對定量的方法為: 將已知含量的化合物作為外標準，內(nèi)標準用內(nèi)生水來計算代謝物的濃度，用其峰下面積來校正代謝產(chǎn)物的峰下面積，計算出代謝產(chǎn)物含量的絕對值; 半定量是直接測峰下面積; 相對定量是代謝物峰下面積的比值?；铙w定域腦組織的MRS檢查可顯示腦組織代謝和生物化學改變。其中1HMRS能檢測脂肪、氨基酸、酮體和乳酸等生物重要代謝物質(zhì)，31PMRS用于能量代謝的檢查，并可測定組織的pH值。此外，13CMRS可檢測葡萄糖無氧酵解過程，而23Na和39K的MRS則可觀察鉀、鈉離子動力學變化。作為一種研究工具MRS已經(jīng)成熟，正進入臨床應(yīng)用階段，敏感度較低為其主要缺點。MRS在海馬硬化的診