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(jì)與臨床應(yīng)用磁共振波譜(MRSpectroscopy,MRS)是醫(yī)學(xué)影像學(xué)近年來(lái)發(fā)展的新的檢查手段，作為一種無(wú)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MR木MRSI置不斷改進(jìn)，軟件開(kāi)發(fā)及臨床研究的不斷深入，人們通過(guò)MRS寸各種疾病的生化代謝的認(rèn)識(shí)將不斷提高，為臨床的診斷、鑒別、分期、治療和預(yù)后提供更多有重要價(jià)值的信息。1HMRS可對(duì)神經(jīng)元的丟失、神經(jīng)膠質(zhì)增生進(jìn)行定量分析，31P磁共振波譜可對(duì)心肌梗塞能量代謝變化進(jìn)行評(píng)價(jià)。MRS分子水平了解人體生理上的變化，從而對(duì)疾病的早期診斷、預(yù)后及鑒別診斷、療效追蹤等方面，做出更明確的結(jié)論。本文從MR皺

2、譜成像的基本原理和序列設(shè)計(jì)方面簡(jiǎn)要作一介紹。一磁共振波譜的基本原理在理想均勻的磁場(chǎng)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(shí)上，當(dāng)頻率測(cè)量精度非常高時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使同一種核處在相同磁場(chǎng)中，它們的共振頻率也不完全相同，而是在一個(gè)有限的頻率范圍內(nèi)。這是由于原子核外的電子對(duì)原子核有磁屏蔽作用，它使作用于原子核的磁場(chǎng)強(qiáng)度小于外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度，其屏蔽作用大小用屏蔽系數(shù)s來(lái)表示，被這種屏蔽作用削弱掉的磁場(chǎng)為sB,與外加磁場(chǎng)方向相反。外加磁場(chǎng)越強(qiáng)sB越大，原子核實(shí)際感受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度之差越大。此外，s還與核的特性和化學(xué)環(huán)境有關(guān)。核的化學(xué)環(huán)境指核所在的分子結(jié)構(gòu)，同一種核處在不同的分子中，

3、甚至在同一分子的不同位置或不同的原子基團(tuán)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(chǎng)作用下，樣品中有不同化學(xué)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,水、NAA(N-乙酰天門(mén)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(xué)位移(ChemicalShift)。即因質(zhì)子所處的化學(xué)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，而引起相同質(zhì)子在磁共振

4、波譜中吸收信號(hào)位置的不同，如圖2所示。實(shí)際上，研究某種樣品物質(zhì)的磁共振頻譜時(shí)，常選用一種物質(zhì)做參考基準(zhǔn)，以它的共振頻率作為頻譜圖橫坐標(biāo)的原點(diǎn)。并且，將不同種原子基團(tuán)中的核的共振頻率相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的頻率之差作為該基團(tuán)的化學(xué)位移。顯然，這種用頻率之差表示的化學(xué)位移的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)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(dāng)組織發(fā)生病變時(shí)，代謝物濃度會(huì)發(fā)生改變。磁共振成像主要是對(duì)水和脂肪中的氫質(zhì)子共振峰進(jìn)行測(cè)量和脂肪中的氫質(zhì)子共振峰進(jìn)行測(cè)量，在1.5T場(chǎng)強(qiáng)下水和脂肪共振頻率相差220Hz(化學(xué)位移)，但是在這兩個(gè)峰之間還有多種濃度較低代謝物所形成的共振峰，如NAACr、Cho等，這些代

5、謝物的濃度與水和脂肪相比非常低。MRST要通過(guò)勻場(chǎng)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線時(shí)常用到的參數(shù)：(1) 共振峰的共振頻率的中心一峰的位置V:化學(xué)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(hào)的質(zhì)子數(shù)目成正比。在研究波譜時(shí)，共振峰下的面積比峰的高度更有價(jià)值，因?yàn)樗皇艽艌?chǎng)均勻度的影響，對(duì)噪音相對(duì)不敏感。(4) 半高寬：半高寬是指吸收峰高度一半時(shí)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觀察到自旋自旋耦合

6、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(gè)氫核和一個(gè)氫核發(fā)生自旋耦合的情況下，由于一個(gè)氫核的磁矩有順磁場(chǎng)和逆磁場(chǎng)兩種可能的取向，因此它對(duì)受耦合作用的氫核可能產(chǎn)生兩個(gè)不同的附加磁場(chǎng)的作用，這引起受耦合的氫核的共振由一個(gè)單峰分裂為二重峰。如此類推，在兩個(gè)氫核和一個(gè)氫核發(fā)生耦合的情況下，共振譜由一個(gè)分裂為三個(gè)。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(duì)應(yīng)共振峰的面積。峰的面積反映一個(gè)原子基團(tuán)中參與磁共振的核的數(shù)量。比較頻譜中各個(gè)峰的面積能確定出不同分子或原子基團(tuán)中產(chǎn)生共振的核的相對(duì)數(shù)量。將各共振峰的相對(duì)面積與參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較可以推算樣品

7、分子或化學(xué)基團(tuán)中共振核的絕對(duì)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(gè)自旋狀態(tài)的核最便于研究，滿足這個(gè)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(jìn)行，1H在人體內(nèi)的含量最高，但人體組織極強(qiáng)的水信號(hào)往往導(dǎo)致頻譜中水共振頻率兩側(cè)其他生化物質(zhì)的微弱信號(hào)被淹沒(méi)。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(xué)位移的作用，并突出反映組織間T1、T2的差異，而MRS合恰要利用化學(xué)位移的作用來(lái)確定代謝物的種

8、類和含量。MRS勺敏感性較低，因?yàn)榇x物的濃度較低，產(chǎn)生的信號(hào)幾乎是正常MR像中水信號(hào)的萬(wàn)分之一，需要重復(fù)多次采集才能得到信號(hào)，所以需要更多的掃描時(shí)間，限制了MRSIU定代謝物濃度變化的時(shí)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(gè)量級(jí)，所產(chǎn)生的信號(hào)也大很多，并且由于MRI的接收機(jī)增益動(dòng)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(hào)，常用CHESSCHEmicalShiftSelectivesuppression)方法抑制水峰，大部分CHES菽術(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(cè)量代謝物的質(zhì)子MRf,也可以躲開(kāi)水的頻率，使激發(fā)頻譜中不包含水的頻率成分

9、，只激發(fā)代謝物的質(zhì)子進(jìn)行譜測(cè)量。另外一種有效的抑制水的方法為WET(WatersuppressionEnhancedthroughT1effects),該方法利用180度脈沖反轉(zhuǎn)VOI內(nèi)水磁化強(qiáng)度，當(dāng)水磁化強(qiáng)度穿越零點(diǎn)時(shí)，用90度脈沖激發(fā)VOI內(nèi)樣品，進(jìn)行質(zhì)子MR$B量，這時(shí)水將不貢獻(xiàn)信號(hào)。另外勻場(chǎng)技術(shù)(Shimming)在MRSBt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(chǎng)均勻度的影響，內(nèi)磁場(chǎng)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(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的均勻性，由于磷的代謝產(chǎn)物化學(xué)位移范圍較寬，故對(duì)勻場(chǎng)的要求不如氫譜高。首先在病人進(jìn)入

10、磁場(chǎng)之前對(duì)較大范圍進(jìn)行勻場(chǎng)，但確定VOI后再進(jìn)一步對(duì)VOI勻場(chǎng)。方法是通過(guò)逐步調(diào)整X、Y、Z三個(gè)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(FreeInducedDecay,FID)達(dá)到最慢來(lái)實(shí)現(xiàn)。二MRS的定位技術(shù)和脈沖序列設(shè)計(jì)在實(shí)際臨床工作中，我們需要獲得的是一個(gè)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(gè)層面、層面中的條塊、或是一個(gè)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(chǎng)非均勻的獲得局域波譜，這種技術(shù)簡(jiǎn)單，但它局限于采集靠近體表的解剖區(qū)域的波譜，也不能靈活的控制區(qū)域形狀和大?。坏诙N方法是通過(guò)MR像確定

11、感興趣區(qū)，然后利用磁場(chǎng)梯度和射頻脈沖結(jié)合進(jìn)行選擇激勵(lì)；第三種是化學(xué)位移成像，也是一種需要利用磁場(chǎng)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(chǎng)在與表面線圈平面垂直的方向存在梯度。這可以利用來(lái)建立信號(hào)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(jìn)行激勵(lì)，所采集的FID信號(hào)將包含整個(gè)表面線圈的靈敏區(qū)域的信號(hào)。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(chǎng)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(chǎng)梯度方向不同位置的自旋的MR言號(hào)具有不同的相位。改變射頻脈沖的長(zhǎng)度反復(fù)進(jìn)行射頻激勵(lì)和信號(hào)采集，每次采集的信號(hào)是與

12、不同的位置對(duì)應(yīng)的不同相位的信號(hào)的總和。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理可以得到信號(hào)相位和信號(hào)位置唯一對(duì)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(gè)層面的頻譜對(duì)應(yīng)于一個(gè)由射頻場(chǎng)的等高(強(qiáng)度)面劃定邊界的解剖區(qū)域。這個(gè)方法不是僅獲取一個(gè)層面區(qū)域的頻譜，而是從包括一組層面的整個(gè)體積范圍獲取一組頻譜。這個(gè)方法不用梯度磁場(chǎng)，因此不存在渦流磁場(chǎng)的影響。2 .單體素MRS勺序列設(shè)計(jì)a.點(diǎn)分辨自旋回波波譜(Point-ResolvedEchoSpinSpectroscopy,PRESS)點(diǎn)分辨自旋回波波譜由90度180度180度脈沖和三個(gè)正交本剃麥組成，入圖4所示，采集第

13、二個(gè)回波，并且只采集回波的后半部分。第一個(gè)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(gè)RF脈沖配合在一個(gè)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(gè)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(gè)RF脈沖，并配合一個(gè)與前兩個(gè)層面都相垂直的層面選擇梯度，最后只有3個(gè)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(guò)程不同，為了避免180度脈沖的不標(biāo)準(zhǔn)情況，在PRES沖是在180度RF的周圍施加矯正梯度，以去除因?yàn)?80度不標(biāo)準(zhǔn)而引起的信號(hào)丟失。b.受激回波采集方式(STimulated-EchoAcquisitionMode,STE

14、AM)STEAM由三個(gè)90度選層脈沖本成，如圖5所示，各個(gè)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(gè)層面相交處一個(gè)體元內(nèi)(VOI)產(chǎn)生受激回波(STimulated-Echo,STE)信號(hào)。第一個(gè)90度激勵(lì)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(gè)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(gè)選擇性90度脈沖激勵(lì)使所有的核質(zhì)子翻轉(zhuǎn)到XY平面內(nèi)，并再次經(jīng)過(guò)TE/2時(shí)間重聚相位形成回波，其信號(hào)的強(qiáng)度是PRES政法的一半。其選擇性很強(qiáng)，可以達(dá)到單數(shù)據(jù)采集，因其TE時(shí)間短，通常為2030ms,適用于觀察短T2的代謝產(chǎn)物。3.化學(xué)位移成像的序列設(shè)計(jì)

15、化學(xué)位移成像(ChemicalShiftImaging,CSI)也稱頻譜成像(Spectros-copyImaging,SI),是著眼于特定化學(xué)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(xué)位移成像是多體素成像技術(shù)，它利用磁場(chǎng)梯度只對(duì)信號(hào)進(jìn)行相位編碼，在沒(méi)有任何梯度場(chǎng)的條件下采集信號(hào)，如圖6所示。檢測(cè)到的頻率偏移只反映不同化學(xué)位移的頻率差和場(chǎng)的非均勻性的影響，從而將化學(xué)位移信息與空間位置信息分開(kāi)。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傅立葉變換重建產(chǎn)生一個(gè)三維數(shù)據(jù)組，由兩維空間信息加上化學(xué)位移信息組成。MRSI方法的特點(diǎn)有：在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)可以獲得多個(gè)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)

16、出來(lái)，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(shí)間、SNR間的關(guān)系示意。三磁共振波譜的臨床應(yīng)用臨床波譜學(xué)的一個(gè)重要方面是可以對(duì)代謝產(chǎn)物進(jìn)行定量分析。利用波譜峰的高度和峰的寬度計(jì)算峰下面積，代謝物的峰下面積與所測(cè)的代謝產(chǎn)物的含量成正比。主要有三種定量方法：絕對(duì)定量、半定量和相對(duì)定量。絕對(duì)定量的方法為：將已知含量的化合物作為外標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)用內(nèi)生水來(lái)計(jì)算代謝物的濃度，用其峰下面積來(lái)校正代謝產(chǎn)物的峰下面積，計(jì)算出代謝產(chǎn)物含量的絕對(duì)值；半定量是直接測(cè)峰下面積；相對(duì)定量是代謝物峰下面積的比值。活體定域腦組織的MRS僉查可顯示腦組織代謝和生物化學(xué)改變。其中1HMR能檢測(cè)脂肪、氨基酸、酮體和乳酸等生物重要代謝物質(zhì)，31PMRSI于能量代謝的檢查，并可測(cè)定組織的pH值。此外，13CMRS可檢測(cè)葡萄糖無(wú)氧酵解過(guò)程，而23Na和39K的MR雙IJ可觀察鉀、鈉離子動(dòng)力學(xué)變化。作為一種研究工具M(jìn)R田經(jīng)成熟，正進(jìn)入臨床應(yīng)用階段，敏感度較低為其主要缺點(diǎn)。MRS在海馬硬化的診斷中有