1MRI 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、在病理发展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电子云所包围也就是说，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，BB0同类自旋核处于不同的分子或原子群中时，会有不同的 δ，这就是它们会有不同的共振频率的原因根据 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：2ν=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 1HMRS 上共振峰之间的距离即为化学位移，计算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、 31PMRS1 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3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6.0h31PMRS 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、判断预后及治疗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4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参考文献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.医学影像物理学.第一版.北京：人民卫生出版社，2000，127～130.3 朱翠玲，等主编.现代医学影像学-工程与临床.第一版.济南：山东科学技术出版社，2000, 298.。