MRI中化學(xué)位移的利弊及臨床意義

1、MRI中化學(xué)位移的利弊及臨床意義【關(guān)鍵詞】 MRI摘要：研究了MRI中化學(xué)位移產(chǎn)生的微觀機制、化學(xué)位移的利與弊及臨床意義。關(guān)鍵詞：化學(xué)位移；化學(xué)位移偽影；MRS 在不同化學(xué)環(huán)境中的相同原子核在外磁場作用下表現(xiàn)出稍有不同的共振頻率的現(xiàn)象，稱為化學(xué)位移（chemical shift)。在核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR)中，化學(xué)位移是可以測得的宏觀量，它已經(jīng)成為核磁共振譜（magnetic resonance spectroscopy，MRS）分析的主要對象，MRS技術(shù)是非損傷性的、快捷的、可作定量分析的技術(shù)，是在生物分子水平上、在病理發(fā)展早期進行觀測的新技術(shù)

2、，但是任何事物都有兩面性，有其利也有其弊，化學(xué)位移也是一樣。在磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）檢測中，化學(xué)位移又可以形成偽影，稱為化學(xué)位移偽影，對MR圖像產(chǎn)生不良影響。本文研究了化學(xué)位移產(chǎn)生的微觀機制，并且從化學(xué)位移偽影和MRS兩個角度分析了化學(xué)位移在MRI中的利與弊及其臨床意義。1 化學(xué)位移在原子核進動過程中，它的磁共振頻率與外加的磁場磁感應(yīng)強度成正比。就是說，對同一種原子核，共振頻率是一定的。如果保持電磁波發(fā)射頻率不變，當(dāng)將磁感應(yīng)強度調(diào)整到同一值B0時，都應(yīng)發(fā)生共振吸收。但在實際上，當(dāng)把一種化合物放入磁場中時，在信號檢測分辨力十分高的情況下，不同種

3、類化學(xué)鍵上的原子會產(chǎn)生不同頻率的磁共振信號。例如乙醇（CH3CH2OH）分子中三個原子群CH3、CH2和OH中的氫核共振頻率不相同。為什么化合物中不同原子群中同一種原子核共振吸收峰的頻率不同呢？產(chǎn)生這種現(xiàn)象的微觀機制是因為自旋核不是孤立存在的，而是被核外帶磁性的電子云所包圍。也就是說，這些原子核具有不同的電子環(huán)境，圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)的電子不同程度地削弱了施加在自旋或進動著的原子核上的磁場強度。若外加磁場的強弱保持不變，周圍電子云較薄的氫原子經(jīng)受的局部磁場磁感應(yīng)強度較高，根據(jù)Larmor公式，它的共振頻率較高，電子云較厚的氫原子的局部磁場磁感應(yīng)強度較弱，它的共振頻率也較低。原子核的電子環(huán)境不同，核

4、外電子結(jié)構(gòu)也不同，由此而產(chǎn)生的磁屏蔽的強度也有所不同。當(dāng)RF電磁波頻率固定不變時，若要滿足Larmor關(guān)系， 就 要使外加磁場稍微強一些或者弱一些，以克服電子云的屏蔽的影響，才能達到共振。在核外電子云影響下所產(chǎn)生的有效磁感應(yīng)強度可表示為：B=B0（1- ）式中B為樣品的有效磁感應(yīng)強度，表示電子云對磁場減弱的作用，通常又稱為屏蔽常數(shù)或化學(xué)位移常數(shù)。可正、可負。當(dāng)>0時，BB0。同類自旋核處于不同的分子或原子群中時，會有不同的，這就是它們會有不同的共振頻率的原因。根據(jù)Larmor公式，由于核外電子云的屏蔽作用對共振頻率產(chǎn)生的影響為：= 2B= 2B0(1-)式中為核自旋磁旋比，為測試

5、樣品自旋核的共振頻率。同種自旋核在相同外磁場情況下，測試樣品中自旋核的共振頻率與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的自旋核共振頻率之差稱為化學(xué)位移，即：=-s式中s為標(biāo)準(zhǔn)樣品自旋核的共振頻率，為化學(xué)位移。在磁場為2.3T時，氫原子因電子環(huán)境不同所引起的化學(xué)位移均為幾百赫茲。標(biāo)準(zhǔn)樣品根據(jù)情況可以選擇水（H2O）乙醇、硫酸（H2SO4）等。由以上分析可見，化學(xué)位移常數(shù)可表示為：=B-Bs Bs=-s s上式中B和BS分別表示在RF電磁波頻率不變時，欲使測試樣品、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中同類自旋核發(fā)生NMR所需要的外磁場磁感應(yīng)強度的大小。一般很小，約在ppm（百萬分之一）數(shù)量級。2 MRS如前所述，同一種原子核比如1H在乙醇的三個不同原

6、子群CH3、CH2、OH中由于所處的化學(xué)環(huán)境不同，其磁屏蔽的情況不同，所以Larmor頻率不同，或者發(fā)生共振的磁感應(yīng)強度不同，這就是化學(xué)位移。以發(fā)生共振吸收的強度為縱坐標(biāo)，發(fā)生共振的頻率（或發(fā)生共振的磁感應(yīng)強度）為橫坐標(biāo)，繪出的共振吸收強度與發(fā)生共振的頻率（或發(fā)生共振的磁感應(yīng)強度）變化關(guān)系曲線，這條曲線即為MRS。乙醇的MRS就是由三條分開的、共振頻率不同、覆蓋的面積不同的三個吸收峰組成，三個吸收峰分別代表三個原子群中的1H。MRS上共振峰之間的距離即為化學(xué)位移，計算各譜線所覆蓋的面積即測定了各1H核磁共振信號的強度，它正比于原子群中1H核的數(shù)量。乙醇的三個共振峰面積之比為321，即相當(dāng)于三個

7、原子群中的氫原子數(shù)目之比。由此可見，MRS的理論基礎(chǔ)就是共振核的化學(xué)位移特性，即：每一種化合物都有自己特有的特征峰的頻率位置；每一個共振峰的面積正比于化合物中自旋核的密度；共振峰的形狀反映了化合物的分子結(jié)構(gòu)。在應(yīng)用方面，MRS除可作檢測空間定位和化合物濃度測定以外，在醫(yī)學(xué)診斷方面MRS技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用。由于MRS的檢測靈敏度的限制，臨床具體應(yīng)用時，要考慮到自旋核在人體的核密度及發(fā)生NMR的靈敏度。按在人體內(nèi)含量由多到少排列的自旋核是1 H、31P、 13 C、 19 F、 23 Na。從靈敏度角度看，最高的是 1H，其次為 31 P、 13 C、 19 F、 23 Na。目前在臨床開展較多

8、的核種為 1 H和 31P，分別表示為1HMRS、 31PMRS。1 HMRS主要用于檢測與脂肪代謝、氨基酸代謝以及神經(jīng)遞質(zhì)有關(guān)的化合物。如肌酸（Cr，3.94ppm)、膽堿（Cho，3.2ppm)、肌醇（ml，3.56ppm)、氨基丁酸（GABA）、谷氨酸和谷氨酰胺（Glu+Gln)、乳酸（Lac，1.32ppm)和N乙酰門冬氨酸（NAA，2.02ppm)等。臨床1HMRS不需增加磁共振硬件設(shè)備，且MRI和MRS一次檢查中完成，不需重新定位和更換線圈。臨床1HMRS中，腦梗塞表現(xiàn)為NAA下降，Lac增加。NAA下降表明神經(jīng)元受損，而且可根據(jù)NAA的濃度定量表示神經(jīng)元受損的程度。由NAA濃度的

9、變化趨勢可以預(yù)測腦梗塞可恢復(fù)的程度。由NAA的下降可以判定神經(jīng)元受損發(fā)生在缺血后6.0h。31PMRS廣泛用于研究組織能量代謝和生化改變。許多含磷化合物參與細胞能量代謝與生物膜有關(guān)的磷代謝，活體31PMRS可檢測磷酸單脂（PME，6.8ppm）、磷酸二脂（PDE，2.9ppm）、磷酸肌酸（PCr，0ppm）、無機磷（Pi，4.8ppm）和三磷酸腺苷中的ATP（7.6ppm）、 ATP（-16.3ppm）、 ATP（2.6ppm)磷原子。目前腦的31PMRS均可檢測上述7種化合物。主要用于研究腦組織的能量代謝、腦磷脂代謝和pH值的變化。當(dāng)腦梗塞發(fā)生時在31PMRS中30min 后表現(xiàn)為Pi的濃度

10、增加，pH值在缺血的01.0h內(nèi)由7.11下降為7.04。一過性腦缺血表現(xiàn)為PCr/Pi的下降，當(dāng)腦缺血恢復(fù)時，PCr/Pi也跟著上升。急性腦梗塞表現(xiàn)為PCr下降，Pi升高。其后表現(xiàn)出ATP的下降，梗塞期pH值呈酸性。綜上所述，以化學(xué)位移為理論基礎(chǔ)的MRS是目前醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域中唯一可以用來觀察載體而不是離體細胞代謝變化的非損傷檢測技術(shù)。這一技術(shù)的更深入的研究將對疾病的早期診斷、鑒別性診斷、病理分期、判斷預(yù)后及治療效果方面提供更有利的依據(jù)。3化學(xué)位移偽影在正常的磁共振信號檢測時，化學(xué)位移是MRI圖像中的偽影之一，應(yīng)該引起足夠的重視并采用相應(yīng)的補償技術(shù)加以消除。在對人體進行MRI檢查時，雖然人體內(nèi)脂

11、肪與水中均含氫核即1H，但是由于水中的1H與氧相連，脂肪中的1H與碳相連，也就是說1H在脂肪與水中的化學(xué)環(huán)境的差異使其產(chǎn)生化學(xué)位移。在脂肪中1H的共振頻率小于水中1H的共振頻率。通常MRI中以水或脂肪中的1H核作為基準(zhǔn)的共振頻率，由于化學(xué)位移的不可避免，結(jié)果造成脂肪和水分子中的1H與標(biāo)準(zhǔn)樣品共振頻率的差異。眾所周知，在二維成像方法中除沿Y方向進行相位編碼外，在X方向上體素的空間位置編碼是按共振頻率進行的，化學(xué)位移使體素在斷層圖像上錯位，稱之為化學(xué)位移偽影。一般來說，主磁場越強，化學(xué)位移越大。在低場強時，這種差異并不顯著，例如，0.5T時，兩者相差73.5Hz。而在高場強時則顯著，例如，在1T的

12、MRI中，水和脂肪的1H化學(xué)位移在3ppm左右，其結(jié)果造成體素的錯位達2mm。在1.5T的MRI中，接收帶寬為±16KHz，頻率編碼次數(shù)為256時，則視野（field of view，F(xiàn)OV）頻率編碼方向上每一像素的寬度為125Hz ，由于脂肪中1H與水中的1H相差220Hz，使同一體素內(nèi)彼此相鄰的脂肪和水在影像上信號位置彼此分離發(fā)生1.76個像素距離的位移。在MR圖像上，化學(xué)位移偽影的寬度取決于脂肪與水中1H共振頻率的差值和像素在頻率編碼方向上的寬度。脂肪與水中1H共振頻率的差值越大，化學(xué)位移越顯著。像素在頻率編碼方向上的寬度越寬，化學(xué)位移偽影越顯著?；瘜W(xué)位移偽影僅發(fā)生在頻率編碼方

13、向上，主要表現(xiàn)是在脂肪與水的界面上出現(xiàn)黑色與白色相間的帶狀影像。在腎的斷層時，由于腎外面包有一層脂肪，在圖像上會出現(xiàn)寬度為毫米數(shù)量級的黑白相間的條形化學(xué)位移偽影。對化學(xué)位移偽影應(yīng)采取的補償措施是：一是增加接收帶寬，縮小FOV，用以減輕化學(xué)位移偽影。因為減小FOV會減小像素在頻率編碼方向上的寬度。二是采用預(yù)飽和技術(shù)，即預(yù)先使用特殊的RF脈沖，使FOV內(nèi)脂肪或水中的1H被預(yù)飽和，故不再產(chǎn)生信號，因此不再產(chǎn)生化學(xué)位移偽影。比如脂肪預(yù)飽和是先對FOV施加脂肪頻率的90°預(yù)飽和脈沖，使FOV內(nèi)脂肪成分的縱向磁化翻轉(zhuǎn)90°，當(dāng)它在脈沖序列開始后再次受到激勵時，將發(fā)生飽和，當(dāng)達到完全飽和時，則不再產(chǎn)生信號，因此，在所得圖像中脂肪的信號被消除，從而也就有效地抑制了化學(xué)位移偽影。研究表明，深刻地認識化學(xué)位移的產(chǎn)生機