第五节-化学位移和MRSppt课件

1、.,1,第五节 化学位移和MRS,除了质子密度、弛豫时间Tl、T2外，影响MR信号检测的因素还有化学位移、血流速度等 化学位移是指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 原因 自旋核不是孤立的，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。这使自旋核处于一个磁屏蔽之中，外磁场不能直接作用于自旋核上,.,2,这种磁屏蔽作用可用下式表示 同类自旋核处于不同分子之中时，会有不同的导致产生不同的共振频率 定义同种自旋核在相同的外磁场情况下，测试样品中的自旋核的共振频率与标准物质中的自旋核共振频率之差为化学位移，即 为测试样品自旋核的共振频率，

2、s为标准样品自旋核的共振频率,.,3,化学位移的另一种定义是,化学位移也可以发生在同一分子的不同原子群中的同一自旋核上。 在乙醇（CH3CH2OH）的三个原子群 OH、CH2、CH3中的氢核各自有不同的共振频率或发生共振的磁感应强度。 核磁共振谱：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，所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）的关系曲线,.,4,.,5,磁共振谱(MRS)分析,磁共振谱是近十几年来发展起来的新的医学诊断技术 MRS可以用来观察在体而非离体细胞代谢变化的非损伤检测技术 MRS的深入研究将对疾病的早期诊断、鉴别性诊断、病

3、理分期、判断预后及治疗效果起重大作用,.,6,目前较先进的MRI装置附有MRS功能。MRS的理论基础有： 化合物有自己特有特征峰的频率位置 共振峰的面积正比于化合物中自旋核的数量 共振峰的形状反映化合物的分子结构 原则上人体内自旋不为零的核均可进行MRS分析，但由MRS的检测灵敏度的限制，具体应用时，要考虑自旋核在人体内的核密度及发生磁共振的灵敏度。目前应用临床开展较多的核种为1H和31P,.,7,MRS技术观测细胞代谢的医学基础,目前MRS分析大部分集中在对细胞的能量代谢的观测上。细胞的能量代谢需要下面一些生化知识： 生命的维持要以消耗能量为代价，为此要求生命物质发生一种能供应能量的化学反应

4、，参与这类反应的关键物质是三磷酸腺苷（ATP） ATP可产生于糖的有氧氧化 葡萄糖+O2 ATPCO2十H2O 糖的无氧酵解中产生ATP 葡萄糖+ADP（二磷酸腺苷） ATP十乳酸,.,8,体内ATP变化时，磷酸肌酸PCr可以起ATP数量上的双向调节作用： PCrADP ATP Cr肌酸 1H-MRS一般可以检出 NAA：乙酸门冬氨酸,Cho胆碱类化合物,Cr肌酸。NAA存在于神经元内，可以作为神经元的内标物，NAA浓度大小可表示健康神经元的多少 31P-MRS一般可以检出 PCr磷酸肌酸、Pi无机磷酸盐、PDE磷酸单脂、PDE磷酸双脂、ATP三磷酸腺苷,.,9,ATPPi反映细胞内能量的利用

5、情况 PCrPi反映磷脂的合成情况 PDEATP反映维持细胞膜完整性的能力 根据 Pi、PCr的化学位移可以算出检测部位的 pH值（pH值与组织内病理过程密切相关）,.,10,临床MRS分析举例,当脑梗塞发生时，在31P-MRS中 30min后表现为 Pi的浓度增加，对于 MRI来说只有在 1.5-3.0h后才能在 T2加权图像中在梗塞区域内表现为信号增强，但不能清楚表现缺血区的图像，在31P-MRS分析中给出的 pH值在缺血的 0-1.0h内由 7.11下降为7.04 对于一过性脑缺血，在31P-MRS表现为PCrPi的下降，当脑缺血恢复时， PCrPi也跟着上升，但MRI基本上无法反映上述

6、变化 对于急性脑梗塞一般表现为PCr下降，Pi升高，其后表现出ATP的下降，梗塞期pH值呈酸性,.,11,脑梗塞在1H-MRS中表现为 NAA下降，乳酸增加。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大小，由NAA浓度变化的趋势预测脑梗塞可恢复的程度，由NAA的下降可判定神经元受损发生在缺血后的6.0h MRS技术是快捷的,可作定量分析，是在分子水平上在病理发展早期进行观测的新技术,.,12,第六节 编码与成像,如前所述，为了采集到NMR信号，必须要在质子的共振频率范围沿与主磁场垂直的方向施加一个900的射频脉冲，结果横向磁化矢量以质子的Larmor频率在横向平面

7、内运动，这样在位于横向平面内的接收线圈中就感应产生了电压或信号 不管此信号来自病人哪一部分组织，它的共振频率都等于质子的Larrnor频率。例如，在1.0T的磁场中为42.57MHZ，在0.5T磁场中则为21.28MHz,.,13,空间定位的主要内容,定位一个切面 当切面选定后，再将信号沿影像的两个轴向定位 利用梯度磁场实现,.,14,梯度(磁)场,梯度(磁)场是位于磁体腔内的几组线圈通过电流而产生的，附加到主磁场上，这种梯度场的强度可以增加主磁场强度或减弱主磁场强度 由于梯度场强度是线性改变的，因此总磁场强度(质子共振频率)会沿梯度场的轴向呈线性改变，这种共振频率的变化根据梯度场的数值可以预

8、测 在梯度磁场较高端的核，它受到的总磁场强度要大，而位于梯度场较低端的核，它受到的总磁场强度就要小些，因此前者的共振频率高，后者的共振频率低,.,15,根据质子共振频率的大小，可以把各个质子沿梯度场的轴准确加以定位。下表列出了主磁场为1T，梯度场为1Gaussm条件下，质子共振频率沿线性梯度场的变化值,.,16,在磁体腔中装有3组梯度场线圈，根据它们的轴向来命名。Z梯度场可以沿磁体的Z（长）轴改变磁场强度，Y梯度场可以沿磁体的Y（垂直）轴改变磁场强度，X梯度场可以沿磁体的X（水平）轴改变磁场强度 每个梯度场的中点的值为零，梯度场增加的方向为正方向，减少的方向为负方向。3个梯度场的中点和磁体腔的

9、中心重合，称为磁体中心，该中心点的磁场强度为磁体主磁场强度。 梯度场在脉冲序列中有许多重要作用，梯度场可以使核磁矩的相位发散或重聚,.,17,梯度场在编码中有3个主要任务 在所选择扫描平面中定位一个层面即选层 将信号沿解剖学的长轴进行空间定位(编码)，即频率编码 将信号沿解剖学的短轴进行空间定位，即相位编码,.,18,选层,当接通梯度线圈后，磁场强度和位于它轴线上的核的进动频率都呈线性变化，因此，梯度场轴上某一特定点上的核有特定的进动频率，位于该点层面内的核也就都有此特定的进动频率。所以通过发射与此层中自旋的特定进动频率相同的射频脉冲频带，就可将所选定的这一层激发。由于RF频率和此层中核的进动

10、频率相符，因此这层中的核就产生共振信号，而位于其他层中的核则不发生共振,.,19,.,20,Z梯度场可以改变沿磁体Z轴的场强和进动频率，因此它可选择轴向层面，X梯度场能改变沿磁体X轴的场强和进动频率，它可选择矢状层面，Y梯度场可以改变沿磁体Y轴的场强和进动频率，它可选择冠状层面,.,21,层是有一定厚度的，激发脉冲要把这层“带”内的所有核都激发。选层用的梯度场的斜率决定了这层边缘两点之间的进动频率差，当采用某梯度场的斜率后，用来激发这一层的射频脉冲必须包括一定范围的频率，以和这层边缘两点之间的进动频率差相匹配，这个频率范围称之谓“带宽”（bandwidth），当在这点施加射频脉冲时，就专门称之

11、谓发射带宽（transmit-bandwidth） 如果要使选的层薄些，就要施加窄的发射带宽或作斜率大的选层梯度场。反之、如要使选的层厚些，就要采用较宽的发射带宽或斜率小的选层梯度场,.,22,实际操作时，根据所要求的选层厚度，成像设备会自动设置合适的梯度场斜率和发射带宽。这一层会被射频脉冲激发，射频的中心频率和层中心的核的进动频率相等。带宽和梯度场斜率决定了中心两侧被激发产生共振核的范围,.,23,频率编码,当选好一个层面后，从这个层面得到的信号必须沿影像的两个轴定位，通常沿解剖学长轴定位称为频率编码。当接通频率编码梯度时，信号的共振频率沿梯度场的轴向发生线性变化。梯度场产生了一个轴向信号的

12、共振频率或化学位移差。操作人员可以选择频率编码的方向，使频率沿解剖学上的长轴向编码 冠状影像扫描时，解剖学上的长轴和磁体的轴一致，因此由Z梯度场实施频率编码,.,24,在采集轴向（横断面）影像时，解剖学的长轴通常和磁体的水平轴一致，因此由X 梯度场实施频率编码。可是在扫描头部影像时，解剖学的长轴一般和磁体的前后向轴一致，这样梯度场就实施频率编码 频率编码梯度的斜率决定扫描时沿频率编码轴所能复盖的解剖学体积的大小，称为成像野（field of view，FOV）,.,25,相位编码,影像的信号还要沿其余的轴进行编码，这就是相位编码。当相位编码梯度接通时，核的进动频率沿此梯度轴发生改变。当核的进动

13、速度发生改变时，磁矩沿进动路线累加的相位也发生了改变由于梯度场的存在而加快了进动速度的核，沿着进动路线向前进动得更远些，而由于梯度场的存在减低了进动速度的核，则沿着进动路线落后得更多些。如果把磁矩的进动比作时钟的指针，磁矩在钟面上的位置和它某时刻的相位有关,.,26,当把相位编码梯度断开时，所有的核都以拉莫尔频率进动，处在同一相位，比如说在点钟的位置，而当相位编码梯度接通时，核的进动频率和相位都按它们在此梯度场的位置而发生改变。受到较高磁场作用的核，相位增大，即沿着顺时针向前进动得更远些，如到了点钟的位置，而受到较低磁场作用的核的相位减低，比如说滞后在9点钟的位置。在磁体中心的核受到作用的磁场

14、强度没有变化，因而它的相位保持不变。这就意味着此梯度场轴的不同位置，产生了核之间的相位差或化学位移差,.,27,当切断此梯度场时，所有核只受到主磁场的作用，它们的进动频率又回到Larrnor频率，可是核之间依然保持着相位差。虽然这些核以相同的频率沿进动路线进动，但它们的相位或在钟面上的位置是不同的。核之间的相位差被用来确定沿相位编码梯度轴上的位置。 相位编码梯度的斜率决定沿此梯度的两点之间相位差的大小，斜率大（陡）的相位编码梯度造成两点之间的相位差较大,.,28,.,29,小结选层,层面的位置、层面的方向(矢状面、横断面、冠状面)、层面的厚度可由操作人员进行选择 最常用的方法是在信号采集过程中

15、通过某方向的RF脉冲激励来达到选择层面的目的以窄带射频脉冲激励作为层面选择的条件 受检体各个层面的位置可以通过改变RF脉冲的频率来标定,.,30,设静磁场为沿Z轴方向分布，人体长轴与静磁场方向平行。欲选择的层面为横断面时，梯度磁场应取Z方向分布;当欲选择的层面为矢状断层时，层面选择梯度磁场应取x分布；当选择的层面为冠状断层时，层面选择梯度磁场应取Gy分布,.,31,小结相位编码,相位编码就是利用梯度磁场造成各个像素的体积元的质子进动相位不同，以相位差标定各像素体积元的空间位置 当引起共振的射频脉冲终止后，由于受激励的层面磁场的不均匀性和相邻磁核产生的小磁矩的影响，以相同频率共振的磁矩可能会有不同的进动方向，即相位差 利用某方向施加的梯度场对体素磁化强度的这种相位特点进行编码，实现各体积元的位置识别-相位编码,.,32,小结频率编码,频率编码是利用X方向的梯度磁场沿X方向对组织体素进行位置标