磁共振化学位移成像技术原理及应用

　　化学位移成像(chemical shift imaging)技术原理及应用。化学位移成像又称同相位(in phase)/反相位(out of phase)成像。

　　原理：在场强一定时，因分子结构的不同，质子受周围电子云的屏蔽影响也不同，脂肪中质子所感受的磁场强度略低于水分子中的质子，其进动频率也略低于后者。我们检测到的MR信号是质子的横向磁化分矢量合成的宏观横向磁化矢量。横向磁化矢量实际上是在以Z轴为圆心，在XY平面作圆周运动，犹如时钟的指针。水分子中和脂肪中的质子的进动频率的差别有如时钟的分针和时针的运动频率差别。在RF冲激发后，水分子中和脂肪中质子处于同一相位，RF冲关闭后两种质子将以自己的频率进动，水分子的质子进动频率略高于脂肪中的质子，到一定时刻后，水分子中的质子的相位将超过脂肪中的质子半圈，即两种质子的相位相差180°，这时两种质子的横向磁化分矢量将相互抵消，采集到MR信号相当于这两种组织信号相减的差值，我们将这种图像称为反相位(out of phase或opposed phase)图像。又过相同的时间段后，水分子的质子又将逐渐赶上脂肪中的质子，水分子中质子的相位将超过脂肪中质子一整圈，这时两种质子的相位又完全重叠，这时两种质子横向磁化分矢量相互叠加，采集到的MR信号为这两种组织叠加的信息，我们将这种图像称为同相位(in phase)图像。实际上射频脉冲激发后，反相位、同相位是周期性出现的。

　　特点:

　　1、与同相位图像相比，反相位图像水脂混合组织信号明显衰减，其衰减程度一般超过频率选择饱和法脂肪抑制技术。反相位图像上纯脂肪组织的信号没有明显衰减。

　　2、反相位图像上，周围富有脂肪组织的脏器边缘会出现一条黑线，把脏器的轮廓勾画出来。

　　3、可用于病灶中是否存在脂肪组织的鉴别诊断。如肾上腺腺瘤中常含有脂质，在反相位图像上信号强度常有明显降低。

　　4、正、反相位图像信息后处理可以生成脂肪抑制图像。

　　化学位移成像目前应用越加广泛。我们已经知道，人体MRI的信号主要来源于两种成分：水和脂肪。水分子中的氢质子的化学键为O-H键，而脂肪分子中氢质子的化学键为C-H键。由于这两种结构中氢质子周围电子云分布的不同，造成水分子中氢质子所感受到的磁场强度稍高些，最终导致水分子中氢质子的进动频率要比脂肪分子中氢质子稍快些，其差别为3.5ppm，相当于150Hz/T，这种进动频率差异随着场强的增大而加大。1.5T，水分子比脂肪分子中的氢质子进动频率快225Hz。目前临床上化学位移成像技术多采用2D扰相GRE

　　T1WI序列，选择不同的TE得到正反相位图像。

　　同相位TE=1000ms÷[150Hz/T×场强]

　　反相位TE=同相位TE÷2

　　1.5T， 同相位TE=1000÷(150×1.5)=4.4ms

　　反相位TE=2.2ms

　　(理解为：2.2ms的时间水分子中的氢质子走一圈，而脂肪分子中的氢质子走半圈-----反相位。再过2.2ms，即4.4ms时，水走两圈，脂肪走一圈-----同相位)。

　　在实际应用中，所选TE越接近效果越好。化学位移成像最好能在同一序列中采集同反相位图像，以便对比。同相位图像实际上就是普通的扰相GRE T1WI,反相位图像与同相位图像相比，可初步判断组织或病灶内是否含脂及其大概比例。目前在1.5T以上的新型MRI仪上利用扰相GRE T1WI序列，选用双回波技术可在同一次扫描中同时获得同反相位图像，所获图像更具可比性。

　　化学位移成像也可利用其他序列如Balance-SSFP序列等。

　　1、反相位图像特点：①水脂混合组织信号明显衰减。②纯脂肪组织信号没有明显衰减。如皮下脂肪、肠系膜、网膜等。③勾边效应。周围富有脂肪组织的脏器边缘会出现一条黑线，把脏器的轮廓勾画出来。因为一般脏器的信号主要来自水分子，而其周围脂肪组织的信号主要来自脂肪，所以在反相位图像上，脏器和周围脂肪组织的信号下降都不明显，但在两者交界面上的各像素中同时夹有脏器(水分子)和脂肪，因此反相位图像上信号明显降低，从而出现勾边效应。

　　2、化学位移成像技术的临床应用。①肾上腺病变的鉴别诊断。因为肾上腺腺瘤中常含有脂质，反相位明显降低，其敏感性70~80%，特异性90~95%。②脂肪肝的诊断与鉴别诊断，敏感性超过常规MRI和CT。③判断肝脏局灶病灶内是否存在脂肪变性。因为肝脏局灶病变中发生脂肪变性者多为肝细胞腺瘤或高分化肝细胞癌。④有助于肾脏或肝脏血管平滑肌脂肪瘤等其他含脂病变的诊断和鉴别诊断。

　　需要注意的是：化学位移成像技术本身并不能区分脂质位于细胞内还是细胞外。所以反相位信号衰减并不能说明细胞内含有脂质。

　　Dixon技术。利用同相位和反相位像，还可产生单独的“水”或“脂肪”信号的图像。

　　W：水的信号强度

　　F：脂肪的信号强度

　　I同：同相位信号强度

　　I反：反相位信号强度

　　那么：

　　I同=W F

　　I反=W-F

　　这样，两式分别相加和相减，得出：

　　W=(I同 I反)/2

　　F=(I同-I反)/2

　　就可以进行单独的水或脂肪的成像，也叫水脂分离成像，叫Dixon技术。不但可以用于扰相GRE

　　T1WI序列，也可以采用SE或FSE序列。采用了SE或FSE序列后，Dixon技术方能在低场强条件下较容易的实现脂肪抑制。

　　SE类序列使用180度聚焦脉冲来采集回波信号，180度聚焦脉冲将使脉冲施加前存在水质子和脂肪质子的相位差发生逆转，在脉冲施加后的回波产生时刻(TE)这种相位差将完全消失，因此采用常规的SE或FSE序列回波采集技术，无论TE如何选择，得到的都是同相位图像，并不能获得反相位图像。

　　180度聚焦脉冲能够消除水质子与脂肪质子相位差的前提条件是180度聚焦脉冲前后的读出梯度场的作用面积在回波达到高峰时刻必须相互抵消。如果保持读出梯度场的位置不变，而把SE序列的180度聚焦脉冲前移f/2ms，则在比原来的TE提早fms处产生一个自旋回波，这个自旋回波只经历了180度脉冲前的读出梯度场，而没有经历180度脉冲后的读出梯度场，这样180度聚焦脉冲不能去除水质子与脂肪质子的相位差别，因此这个回波将是反相位回波;而到达原来的TE时刻，180度脉冲后的读出梯度场发挥作用，抵消了180度脉冲前的读出梯度场面积，因而又将产生一个同相位回波，利用这两个回波可重建出反相位和同相位图像。根据前面所述的Dixon公式，通过这两幅图像相加再除以2，将得到水的图像，两幅图像相减再除以2，将得到脂肪的图像。在低场机，SE或FSE都可利用Dixon方法很容易进行获得水脂分离图像，应用较多的是骨关节系统。