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第三节  MRI化学位移成像技术

化学位移成像（chemical shift imaging）也称同相位（in phase）/反相位（out of phase）成像。目前在临床上，化学位移成像技术得到越来越广泛的应用。

一、化学位移成像技术的原理

化学位移成像技术基于脂肪和水分子中质子的化学位移效应。由于分子结构的不同，脂肪中的质子周围受电子云的屏蔽作用比水分子中的质子明显，因此在同一场强下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，其差别约为3.5PPM，即147HZ / T。也就是说在某种场强下，这两种质子的进动频率差别是恒定的。

由于我们检测到的MR信号实际上是组织的宏观横向磁化矢量，而宏观横向磁化矢量是质子的横向磁化分矢量的合成。由于质子的进动，其横向磁化分矢量实际上是在以Z轴为圆心，在XY平面作圆周运动，犹如时钟的指针。在某一场强下，水分子中和脂肪中的质子的进动频率差别是恒定的，也犹如时钟的分针和时针的运动频率差别。我们就是时钟为例介绍化学位移成像技术的原理。

在射频脉冲激发后，由于脉冲的聚相位效应，水分子中和脂肪中质子处于同一相位，相当于时针和分针在12点钟时完全重叠。射频脉冲关闭后，这两种质子将以自己的频率进动，由于水分子的质子进动频率略高于脂肪中的质子，两者的相位将逐渐开始离散，到某个时刻，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，相当于时钟到了6点钟时针和分针相差180，这两种质子的横向磁化分矢量将相互抵消。如果组织中同时含有这两种质子，那么此时采集到MR信号相当于这两种组织信号相减的差值，我们把这种图像称为反相位（out of phase或opposed phase）图像。过了这一时刻后，水分子的质子又将逐渐赶上脂肪中的质子，两种之间的相位差又开始逐渐缩小，又经过相同的时间段，水分子中质子的进动将超过脂肪中质子一整圈，这两种质子的相位又完全重叠，相当于时钟到了24点时针和分针又一次重叠，这时两种质子横向磁化分矢量相互叠加，此时采集到的MR信号为这两种组织叠加的信息，我们把这种图像称为同相位（in phase）图像。过了同相位时刻，两种质子的相位有开始逐渐离散，直至出现相位相差180（反相位）；反相位后又开始逐渐聚相位，直至又出现相位完全重聚（同相位）。因此实际上射频脉冲激发后，反相位、同相位是周期性出现的。

图48  化学位移成像技术示意图  我们以时钟的方式来演示，以分针（长细箭）表示进动较快的水分子中质子，以时针（短空箭）表示进动较慢的脂肪中质子。射频脉冲激发时刻（t0），由于射频脉冲的聚相位作用，两种质子的相位一致（图a），相当于12点整；射频脉冲关闭后，由于水分子中质子进动较快，其相位将超前于脂肪中质子，到一定时刻（t/），其相位将超过后者半圈，即相差180（图b），相当于6点整，这时由于相位相差180，这两种质子的横向磁化矢量相互抵消，如果此时采集回波得到的将是反相位图像；过了此时刻后，水分子中质子的相位将超前脂肪中质子更多，经过与（t/ －t0）相同的时间段后，其相位将比脂肪中质子超前一整圈（360），实际上又重叠在一起（图c），相当于24点整，两种质子的横向磁化矢量相互叠加，此时如果采集回波得到的将是同相位图像。

二、化学位移成像技术的实现

目前临床上化学位移成像技术多采用扰相GRE T1WI序列，利用该序列可很容易获得反相位和同相位图像。

扰相GRE T1WI序列需要选择不同的TE可得到反相位或同相位图像，关键在于如何选择合适的TE。不同场强的扫描机获得反相位的TE不同，获得同相位的TE也不同。同相位TE＝1000 ms ÷〔147HZ/T×场强（T）〕，反相位TE＝同相位TE÷2。1.5 T扫描机同相位TE＝1000ms ÷〔147HZ/T×1.5 T〕≈ 4.5ms，反相位TE≈ 2.2 ms。表3所列为不同场强MRI仪同相位、反相位应该选择的TE值。

表3  不同场强MRI仪化学位移成像的TE值

场强  回波时间（ms）    

反相位 同相位 反相位 同相位 反相位 同相位    

3.0 T 1.1 2.3 3.4 4.5 5.7 6.8    

2.0 T 1.7 3.4 5.1 6.8 8.5 10.2    

1.5 T 2.3 4.5 6.8 9.1 11.3 13.6    

1.0 T 3.4 6.8 10.2 13.6 17.0 20.4    

0.5 T 6.8 13.6 20.4 27.2 34.0 40.8    

0.35 T 9.7 19.4 29.2 38.9 48.6 58.3    

0.2 T 17 34 51 68 85 102

上表所列的反相位、同相位的TE值是根据公式计算的理论值，临床应用中实际上只要所选TE值与表中所列TE值接近，即可获得较好的成像效果。如在1.5 T扫描机中TE选择在1.8 ~ 2.7ms，都可获得较理想的反相位图像。
在实际应用中，化学位移成像最好能同时采集反相位和同相位图像，以便比较。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（dual echo）技术可在同一次扫描中同时获得反相位和同相位图像，所获图像更具可比性。

三、化学位移成像技术的临床应用

目前化学位移成像技术在临床上得以较为广泛的应用，同相位图像即普通的T1WI，在介绍化学位移成像的临床应用之前首先来了解一下反相位图像的特点。

（一）反相位图像的特点

与扰相GRE普通T1WI（同相位图像）相比，反相位图像具有以下主要特点。

1. 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  假设某组织的信号的30%来自脂质，70%来自水分子。如果利用频率选择饱和法进行脂肪抑制，即便所有来自脂质的信号完全被抑制，那么还保留70%来自水分子的信号，即信号衰减幅度为30%。而在反相位图像上，则不仅30%的脂质信号消失，同时70%来自水分子的信号中，也有30%被脂肪质子抵消，组织仅保留原来40％信号，信号衰减幅度达60%。

2. 纯脂肪组织的信号没有明显衰减  在几乎接近于纯脂肪的组织如皮下脂肪、肠系膜、网膜等，其信号来源主要是脂肪，所含的水分子极少，在反相位图像上，两种质子能够相互抵消的横向磁化矢量很少，因此组织的信号没有明显衰减。

3. 勾边效应  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。因为一般脏器的信号主要来自与水分子，而其周围的脂肪组织的信号主要来自脂肪，所以在反相位图像上，脏器和周围脂肪织的信号都下降不明显，但在两者交界线上的各体素中同时夹杂有脏器（水分子）和脂肪，因此在反相位图像上信号明显降低，从而出现勾边效应。

（二）化学位移成像技术的临床应用

目前临床上化学位移成像技术多用在腹部脏器中，主要用途有：

（1）肾上腺病变的鉴别诊断。因为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，利用化学位移成像技术判断肾上腺结节是否为腺瘤的敏感性约为70％~80％，特异性高达90％~95％。

（2）脂肪肝的诊断与鉴别诊断。对于脂肪肝的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）其他。利用化学位移成像技术还有助于肾脏或肝脏血管平滑肌脂肪瘤的诊断和鉴别诊断。