活体质子磁共振波谱技术分析

质子磁共振波谱包括单体素 H 波谱和化学位移成像两种主要形式,PRESS和STEAM 两种主要的定域技术厦CHESS等常见的水抑制方法。本文综述其基本原理、应用限度和J 耦奢、化学住移、ppm 等基本概惫。

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2 0年第 2卷第 6期 01 4

活体质子磁共振波谱技术分析武汉大学中南医院放射科吴光耀综述摘要

孙骏谟

田志雄审校

质子磁共振波谱包括单体素波谱和化学位移成像两种主要形式， RES H P S和 S AM两 TE

种主要的定域技术厦 CHE S等常见的水抑制方法。文综述其基本原理、用限度和 J奢、学住 S本应耦化移、 p等基本概惫。 pm 关键词活体质子楮磁共振化学位移磁共振成埠

早在 l2 9 4年 P u就从光谱的超精细结 al构中预制到某些原子具有角运动量和核磁

保持不被破坏的情况下辨认元素的不同化学

状态； 17从 9 3年 M o n和 Ri a d等对离体 o c r h的完整红细胞 P的测定作为渡谱技术在生物学领域应用的开端；近 l最 0年。 MR在 H S人体研究也已成为可能，18 9 8年和 1 8 9 9年B r eb th Va e p e k n等和 B u n ek lac n D rS r n e rh3

矩；14 9 5年斯坦福大学 Blc oh等观察到水中质子核磁共振 ( u la g ei rs| I e n ce uma n t eol l, c ac NM R)吸收现象及哈佛太学 P r el观察 u c l等到蜡中质子的 NMR信号，NM R髓之应运而生 1 5年 P o t r等发现了化学位移和 91 rco J耦合现象， NM R从此为化学家所重视； 1 5年美国 Va in公司生产了第一台 93 r a 3 M Hz核磁共振仪； 1 6 O 9 5年 C oe和 o ly

等利用质子磁共振波谱对人脑梗死进行了初步研究 J目前 M RS不仅能对 P等原。 H、

¨"培柙∞

子核，能对 C、 F、还 ”Na K等许多微量、化台物进行波谱测定，其敏感度与被检测原子核的自旋量子数、自然丰度、对灵敏度、相磁场强度及磁场均匀性等多种因素有关[。 2 1氢原子核因只含有一个质子，其波谱也称质

Tu e k y提出快速傅里叶变换计算法，使脉冲傅里叶变换成为现实，这是 NM R技术史上叉一次革命性的飞跃。对于核磁共振波谱( NM

R S e to c p )的应用却远早于核磁 p cr so y

子磁共振波谱 ( rtnMRS)且氢原子核占 poo 。人体原子数量的 2/3左右，自然丰度及相对灵敏度高，相对灵敏度约是”其 P的 l 6倍，是人体磁共振信号的主要来源，故。 MRs容 HCe d s e I An Ne r1 1 9; 2 5: 3 . 4 n e F tⅡ . n uo .9 7 4 ( 7 77 6

共振成像 ( NMR I gn )从 5代以来 ma ig。 0年 NM Rs成为了一种重要的化学分析工具，早期仅能用作对化合物分子结构分析，在样本参考文献

】J c s n GD c IEptp i、 9 4 3【 p【】 8 . a k o ta l sa 1 9 . 5 p 6: 28 e 2Hu gJ t An u I 1 9; 4 6:8 -9 g w e n Nc m, 9 3 3 ( ) 7 87 4 3 C n el A t INe r o y. 94; 4 8: 4 1】 7 o nl y e . uol a g 19 4 ( ) 1 1-4】 4 Ng TC ta e l doo y 19 1 3 2:6 47 Ra ilg . 9 4;9【 ) 4 5 2 5Ku ne k R啦 a u lg 19 5‘ ) 6 1 z ic y INe r o y,9 8; 1 1: 6 o 6 Hu gJ ta. nNc rI 19: 0 2: 3 _3 g w e 1An u。,9 6 4【 ) 2 62 9 7Cr蟠 J e】A【 0 H ta . I nNe t I1 9 3【 ) l7 I3 1O . 9 6; 9 1: 0 - 1] 8En eGR t l a ilg 1 9; 0 ( ) 8 98 7 d e R doo y. 9 7 2 2 3: 0 .【 a 9C n el o nl yA 1a . a lg, 9 8 5【 ) 6 -6 e 1Ne m o y 19; 1 1: 16 lI da IGa nDG a nRc n I gn 1 9:3 8:l J M g ∞ ma ig.9 5 1( )】9 1】Bri rSN烈 a . J et e】A NR, 9 4 1 ( ) 333 4 l 9;5 2:7 -8 l:W洲 a1 FG e Ai uo, 9 9 4【 )3 93 1 n l l Ne￣【l 9 5 3 6 l1 Gar i PA talM a s l 3 ca e gn Re on magig. 1 9 l i 9 7; 1 5 47￣

7 5 8

Ro c et t INe rlg 19;5 4: 9 -0 c h t AIeⅡ . u oo y,9 5 4 ( ) 7 78 2 a Ku ne k e 1Ne rlg、 9 9 5 ( ):9 9 x ic y R ta . uoo y 19;3 4 6卑6 8“ L e IAn uo, o 0 4 ( ) 1孓2 0 M tⅡ . n Ne rl2 o; 7 2: 9 0 Ce d sF e 1Ne r lg, 9 7 4 ( ) 1 2 1 3 l i e ta. u o y 19;9 6:5 5 3 o“ L e _ i t i 2 9 4【 ) 8 58 M ta _ l￣ a,0 0; 1 7:2 _3 Ep e s J

Gai G e a. uoo,9 64 ()9蜘 7 da D t I n Nerlg 19;64:7 7 yCr s H ta .￣ p i 1盯 8 3: 3 -4 o sI e IEpl s e a.9 3 ( )3 g3 5 L D e】M a nReo M e 1 9; 7 1: 2 u ta. g sr t d.9 7 3 ( ) J 3 Ac t t I J h e E eⅡ . NR, 9 8 1 ( ) 1 n A 19;9 1:_ 8 Vema h n P e】An r te ta . n N㈣ I】 9;2 2:9 19, 9 7 4 ( ) 1 9 M ie P e . aoo y 2 0; 4 7: 4孓 I7 l rS t Ne r lg, 0 0 5 ( )】6 4 0 l S a lyJ e【Ep1p l. 9 8 3 ( ) 2 72 3 tne A ta[ sa 1 9; 9 3: 6 7 e P * f er fOAC ta nNe rl1 9: 0 6:0 - 1 u e IAn uo, 9 6 4 ( 9 89 1 J P lo er f OA ta _ uoo y、 9 6;7 6 I6- 5 c 1Ne r lg 1 9 4 ( ) 71 7 5 L Kt ne k R t 1Ne r lg, 9 8 5 ( ) 6 76 9 t ic y e . u oo y 1 9; 1 2: 2- 2 z a(稿 2 0 -02 修回 2 O]1 )收 0 01- 5 0 B 1.3

】 o y e】S iu e 2 0; ( ):7 7 4 S me aY ta ez r,0 0 9 4 2牝 9

j 7

质子磁共振波谱包括单体素 H 波谱和化学位移成像两种主要形式,PRESS和STEAM 两种主要的定域技术厦CHESS等常见的水抑制方法。本文综述其基本原理、应用限度和J 耦奢、化学住移、ppm 等基本概惫。

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易成功。本文着重综述 H RS的有关基本 M原理、用限度和相关基本概念。应一

生较强的屏蔽效应 ( ) B>O。根据 L r

r amo方程，水分子和脂肪分子的共振频率存在的差异，化学位移。用化学位移来研究分子结即应构即波谱分析。化学位移相等的核称为等价 核，有相同的电子云环境、蔽效应和共振 具屏峰的位置；之，学位移不等的核称为非等 反化价核，子云环境、蔽效应和共振峰的位置均电屏

、

基本原理

原子由原子核和核外电子组成。原子核

除具有电荷和质量外，许多原子核还具有自旋角运动量。根据经典电磁学理论：旋转电

荷可视为环路上的运动电荷，具有自旋的运动电荷则应有磁矩，生一个小磁场，视为产可一

不同[化学位移用 p m( at e lo ) 3 _。 p p r rmiin p l表示，是检测物与参照物共振频率相比较得

个小磁棒。当人体进入外加主磁场时，

其沿主磁场方向作陀螺样进动；在施加 9。 0 RF rdo fe u n e p le后，要由于分 P(a i rq e c us )主

到的化学位移相对值[p p m=( V一V#/ ) V女×】 。这样，同的化合物在谱线上对应一不个或几个特征性化学位移。共振峰下的面积用线积分方法求得，面积的大小与共振原子核的密度呈正比，映了化合物的浓度。反 二、查方法检在‘ M RS中有效匀场是获得高分辨率 H

子快速随机运动引起磁场的涨落而使磁化的质子弛豫，成感应电流，生 NM R信号。形产信号强度以指数形式自由感应衰减，代表叠加到一起的正旋振荡。若将振幅随时间变化

的函数经傅里叶变换成振幅随频率分布的函数，核磁共振波谱。即

波谱的必要条件，其精确度比 M R[求更要

在外加主磁场岛里，质子具有自身进氢动的 Lamo频率 f r r=y 2r (为旋磁/ 7×

高。域性匀场是借助多组梯度匀场线圈，定调整其电流大小，变磁场的空间分布，兴趣改使区磁场尽可能均匀。磁场的均匀性用水峰的最大半高宽表示 (ulwit th l ma i f l d h a af x

比 )由于氢核周围有电子云包绕，子的实。质际进动频率与[

r r频率并不完全一致， . mo a 存在微小的差别。这不仅与主磁场强度岛、

mu F HM )应小于 0 i p。F HM越 m, W, .p m W小，括水峰在内的共振峰越窄，谱的分辨包其

原子核自身的物理性质 7有关，还受原子核所在化学环境的影响。原子核外包围的电子

率越高，中心频率的准确性也会随之增加，后二者还共同影响水的抑制效果。若匀场效果差，场欠均匀，谱发生变性、磁则噪声重叠、共振峰增宽、至发生位移。场均匀性好坏是甚磁H MRS结果变异的最大来源之一。 另外，在正常脑组织之中一C共振峰 的浓度接近 1 mmo/ g而水中氢质子浓度 2 lk,

(包括相邻原子核的电子和自身的环流电子 )的运行轨道有一定的方向，产生小的局部磁场 B,可以是顺磁性的，也可以是抗磁性 的。当表现为抗磁性时，其核所在位置的有效磁场稍减小，振频率稍降低，该核被屏共称蔽，生屏蔽效应。 B=8 0B f: (—8发其 B, ef 1 )×,核实际共振频率 V:T/× (—8 该 h 1 ) ( ef有效磁场，8屏蔽常数、体现特定 B f指核的化学环境 )如水分子中氧原子带负电。荷，吸引电子的趋势，下较少的电子在氢有剩核周围，产生局部的抗磁性非常弱 ( O, B≈ )屏蔽效应非常小。相反在脂肪分子中一CHz碳原子几乎没有从氢原子周围吸引电子，剩下大量的电子在氧原子周围，磁性较强，抗产8

却达到了 10 l, 0 mo/二者相差 4 5个数量 、级。当增益将信号放大时，幅度有限，观其在察放大微量化合物信号前，必需先进行有效的水抑制。抑制是资料采集的关键环节水常用的水抑制方法有化学位移选择饱和脉冲 (h mia hf slcie strt n p ke c e c ls i eet auai u￣, t v o c s,是利用化合物和水的共振频率不 HE S)同，在激发化合物信号之前先用一个脉冲选

质子磁共振波谱包括单体素 H 波谱和化学位移成像两种主要形式,PRESS和STEAM 两种主要的定域技术厦CHESS等常见的水抑制方法。本文综述其基本原理、应用限度和J 耦奢、化学住移、ppm 等基本概惫。

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择性

地饱和水信号；及二项式脉冲序列 f jo n l us e u n e 5、反转恢复序 bn mia l sq e c )1 p e]列水抑制等。再者， H MRS定域脉冲序列常用的有

短 化台物， Gl mI L p等的信号显示如 x、、 i

更充分，J耦合减少；P S . RE S优于长回渡

时间 T 1 5 2 0 )获得长的化合物 E( 3 - 7 ms,如 NAA、 r Ch C、 o等，能使谱图简化，线稳基定，信噪比 ( NR)比 S E M高，易于定 S T A量】但 P。 REs s易受弛豫的影响，赖于依选择的回波时间。由于 10RF的重聚焦， 8 P 检查时间相对延长，易受 J耦合影响。化合 .物时问还决定渡峰的宽度[W HM= 1 F/( 2]长 Xr ), r化台物波峰尖峭，短化台

定点分辨选择波谱与激励回渡脉冲序列两种形式。定点分辨选择渡谱 ( one eov d p itdrsles lcies e to c p,P S )由 9。 P ee t p crso y RE S v 0RF

和两个 1 0RF组成，采集第二回波的信 8。 P号，定域脉冲前需先给予 Ga sin水信号 在 us a抑制脉冲。 9。 P后紧跟 1 0RF 0 RF 8 P组成自 旋回波，提高采样信号由于自旋回波时间

物波峰较宽，场不均匀会使缩短，峰磁谱增宽。波谱的信噪比[ NR= K X7 0 S B×

衰减比脑部兴趣区化台物的 r2豫时间 r弛相对要短，了信号再次采集，加一个垂直为再梯度的 1 0 RF 8。 P,获得体素容积自旋质子

F,2/ B ) J磁场强度及带宽 ( e T) ( W 与 Be)和累加次数的平方根成正比，信号累加而增强，声平均而分散。噪三、.台 J耦J耦台是核外电子间的问接传递作用， . 使磁矩之间产生能量耦台，即自旋自旋耦

w I信号。第一个 9 P后，在 0RF z轴开放， 产生 x—Y平面的横向磁化；第一个 10 8。RF P后 Y轴开放，生 X—z平面的磁化。产 因此，只有 x—Y平面与 X—Z平面相交处的质子才能失相位，得容积定域】激励回获。

台现象。其大小取决于自旋的靠近程度。如 A、 B两个不等价核：核磁矩有两种可能方其位(, B±)则 A= (一瓠 )±B ( B核对 1 B为 A核产生的非常微小的局部磁场 )结果，有两个不同值，具有两种不同的实际进动频

波脉冲序列

(t ltd eh c ust n si ae c o aq iio mu i

mo e S d,TEAM )3个 9。 P用于 3个垂直， 0RF的定位梯度。第一个产生横向磁化矢量，第二个脉冲使横向磁化转向纵向磁化；第三个9。 P产生两类磁化矢量，第一类是在 0 RF

率，样该核被劈裂成双重峰。同理，核问这多相互作用还可使共振峰劈裂呈三峰、四峰等。J耦合使共振峰劈裂，峰增宽，响其一谱影分辨率。在实际中可采用去耦技术，消除 J .

TE/ 2期间有关相位信息的横向磁化矢量， 第二类由 voI外第二、三脉冲间弛豫 产生的纵向磁化矢量，它被第三个脉冲后的梯度回波散相】由于多回波被分割，际上。实有 4%~ 5%的信号在采集中丢失，线变 0 0谱复杂，基线模糊，叠峰增加，宜应用于定重不量} 在人脑中 H RS能检测的化合物的 M弛豫时间较接近 ( 10 0 15 ( s,约 0~ 0h )而 n TR常大于或等于 15 0, 0 ms TR对信号的影响相对较小，线的改变不明显；反 TE改谱相

耦台，简化谱图，高分辨率。提 四、学位移成像化化学位移成像 (h mia hf i gn, c e cl it ma ig s C I称磁共振波谱分解成像 ( S )又 MRS )是 I, MRS与 M RI术相结合，利用谱的分解技技术，据重建，到二维、维的化学位移图数得三像，映代谢物的空间分布反。C包台有 SI

单体素渡谱的全部技术，不象单体素渡谱仅对选定的有限兴趣区多次累加，而是对整个

变对弛豫的影响较大，信号变化比较明显。在实际工作中 S AM优于短回渡时间 TE的序列 TE(0 3 ms . 1 - 0 )提供了最小 TE,对

体层依据不同相位编码进行多次采集，

经傅里叶变换得到过各个体素的波谱信息。C I S349

质子磁共振波谱包括单体素 H 波谱和化学位移成像两种主要形式,PRESS和STEAM 两种主要的定域技术厦CHESS等常见的水抑制方法。本文综述其基本原理、应用限度和J 耦奢、化学住移、ppm 等基本概惫。

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化学位移反相位成像的原理和应用天津医科大学总医院放射科孙浩然综述摘要

白人驹 吴恩惠审枝

化学拉移反相位成像是一种可显示肿块或组炽内同时舍有脂肪和水成分之特性的技术。它

通过显示病变的上述特征，高了鍪别诊断的准确性。反相住成像技术较其它脂肪抑制技术简单、快提速、感性和准确性高，腹部和盆腔病变的 MRI壹中有很高的应用价值。敏在检 关键词磁共振成像化学拄移成像反相位成像脂肪抑制技术

化学位移反相位成像是一种可显示肿块和组织同时含有脂肪和水成分之特性的技术。它最常用于显示肾上腺腺瘤的特征，还

相位 (位差 0相 9;几毫秒后，者相位相反二

(位差 10 )相 8。这样选用台适的回波时间就可在这两种质子自旋位于同相位和反相位时

可以鉴别腹部和盆腔内其它同时含有水和脂肪成分的病变。本文目的是复习这一技术的

采集信号“。】体素的 M RI号强度是体素内脂肪和信

基本原理并介绍其在腹部和盆腔 MRI检查中的应用价值。一

水质子信号的矢量和：相位成像，肪和水同脂质子产生的信号强度相加；在反相位上信号强度相互干扰造成信号明显下降】但只有。体素内含有的脂肪和水成分为相当比例时才

、

化学位移反相位成像的基本原理

人体组织中自由水 ( 2的质子和脂肪 H o)( 一)质子对 MRI像最重要。一C的成 MRI 成像时，自由水质子与脂肪质子的局部磁场效应不同，所以脂肪和水质子共振频率不同。激发后，二者问相位的相互关系随时间变化：激发后即刻，肪质子和水质子位于同脂

会在反相位上产生明显信号下降，主要含有水或脂肪的体素信号下降不明显。如，膜例腹后和皮下脂肪的脂肪含量为 8% - 8%,脂 2 5

肪质子信号大于 8%,质子信号比脂肪信 0水号低很多，此信号下降并不明显。相反，因体

信号强，噪比较高

,同时获得多体素波谱信可和代谢物分布圈。但 C I要优质梯度和好 S需的匀场效果，要先进的后处理软件等； SI需 C 的信号也容易被脂肪污染；磁场不均匀及梯

完善与发展，很多人深信‘ MRS与 MRI结 H相合，波谱成像将比解剖成像具有更太的潜力。参考文麓】 Brh u nH ta .Ma nReo e 1 g s nMe 1 8; 2:2 f3 d.9 9 9( ) 1 61 1

度场引起的涡流影响谱的质量，线增宽，谱线形畸变，谱峰的位置移动甚至重叠【 C I I。 S的空间分辨率也不如 MRI尚只适合于太的，形态结构的病理生理和生化等方面的分析， CS具有临床应用的可行性和优越性“ I。总之， H MRS的原理与 M RI基本相

2 KetrRT ta doo y.9 9; 3 1:5 -6 lh e lRa ilg】 9 2】( )】 61 6 3 d o ta . g eo ma ig. 19 Gie n P e 1Ma n R s n I gn 9 2￣ 1 ( ) 0 79 39 8 - 88

4 Du c nJ ip i. 96I 7 3:9 o n a S Ept sa 1 9 3 ( ) 5&6 5 e 5 HaadK ta . doo y. 9 2 8 ( ) 7 17 9 r t e【Ra ilg J 9;3 5:0 -0 6 o ab ta G z lo R e】M a nReo ma ig.19;】 ( ) g s nI gn 99 79:9 99 4 3 -4

同，在成像过程、据处理和表现形式上仍但数有许多区别，随着 0 MR H S硬、软件的不断30 5

7 o tr ca . Bi o d En 18￣0 6: 6 -6 P re DA e 1J, me g.9 8】 ( ) 5 25 8 n 8 a taR tI . B rh e lNM R Bime 1 9; 2 4: O 1 i o d.9 9 l ( )2孓2 6 9 Ma t RC e lNc tg 1 9; 3儿 )2 5 .0 8 ri n ta .r o y. 9 9 5 (: 0 22 5 uo 1 L 0』u订 e【An 、r l2 0;7 4: 2 0 ta. n N 0、O 0 4 ( ) 1 u 0 l Sa i j a . a uReo l tr& JM g a s￣M e . 9 7 3 ( ) 3 13 1 d 1 9; 8 3:

1.2 1 efr 2 J fcyHI a . f l y 1 9 18 1: 7 .8 )e 1R i n、 9 3;8 ( ) 2 72 2 og(穑 2 10—9收∞ .10 )

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