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(jìn)，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(rèn)識將不斷提高，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可對神經(jīng)

2、元的丟失、神經(jīng)膠質(zhì)增生進(jìn)行定量分析，31P磁共振波譜可對心肌梗塞能量代謝變化進(jìn)行評價(jià)。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(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MRS波譜成像的基本原理和序列設(shè)計(jì)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(shí)上，當(dāng)頻率測量精度非常高時(shí)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

3、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原子核有磁屏蔽作用，它使作用于原子核的磁場強(qiáng)度小于外加磁場的強(qiáng)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(qiáng)sB越大，原子核實(shí)際感受到的磁場強(qiáng)度與外加磁場強(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，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

4、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(1s)由上式可知，在相同外加磁場作用下，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(xué)位移(ChemicalShift)。即因質(zhì)子

5、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)子在磁共振波譜中吸收信號位置的不同，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

6、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(jìn)行測量和脂肪中的氫質(zhì)子共振峰進(jìn)行測量，在1.5T場強(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NAA、Cr、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(shí)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(xué)位

7、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(shí)，共振峰下的面積比峰的高度更有價(jià)值，因?yàn)樗皇艽艌鼍鶆蚨鹊挠绊?，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(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引起的共振譜線的裂分，裂分的數(shù)目和幅

8、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(gè)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(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)分裂為面平行的層面的頻譜。其中，每個(gè)層面的頻譜對應(yīng)于一個(gè)由射頻場的等高(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

9、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，因此不存在渦流磁場的影響。2.單體素MRS的序列設(shè)計(jì)a.點(diǎn)分辨自旋回波波譜(PointResolvedEchoSpinSpectroscopy，PRESS)點(diǎn)分辨自旋回波波譜由90度~180度~180度脈沖和三個(gè)正交梯度組成，入圖4所示，采集第二個(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

10、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程不同，為了避免180度脈沖的不標(biāo)準(zhǔn)情況，在PRESS中是在180度RF的周圍施加矯正梯度，以去除因?yàn)?80度不標(biāo)準(zhǔn)而引起的信號丟失。b.受激回波采集方式(STimulatedEchoAcquis

11、itionMode，STEAM)STEAM由三個(gè)90度選層脈沖構(gòu)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(STimulatedEcho，STE)信號。第一個(gè)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(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度脈沖激勵使所有的核質(zhì)子翻轉(zhuǎn)到XY平面內(nèi)，并再次經(jīng)過TE2

12、時(shí)間重聚相位形成回波，其信號的強(qiáng)度是PRESS方法的一半。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20~30ms，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)化學(xué)位移成像(ChemicalShiftImaging，CSI)也稱頻譜成像(SpectroscopyImaging，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。化學(xué)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(jìn)行相位編碼

13、，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(xué)位移的頻率差和場的非均勻性的影響，從而將化學(xué)位移信息與空間位置信息分開。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過傅立葉變換重建產(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)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、7

14、b分別就CSI序列中相位編碼方式以及與掃描時(shí)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(xué)的一個(gè)重要方面是可以對代謝產(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(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)用內(nèi)生水來計(jì)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(jì)算出代謝產(chǎn)物含量的絕對值半定量是直接測

15、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(xué)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(xué)變化。作為一種研究工具M(jìn)RS已經(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極其重要的應(yīng)用。雖然M