磁共振波谱技术(讲+全)

医学功能成像技术第三讲磁共振波谱技术吕维雪本讲座撰写人吕维先生浙江大学教授MRS是一种比MRI更广泛的技术临床的质子MRI只是核磁共振(NMR)非常丰富的物理现象的一种应用这是因为在组织中有许多感兴趣的化合物而不仅仅是水或脂肪的质子水和脂肪的特征固然对于诊断非常有用但它们不能提供足够的信息来肯定地区分正常的和病理的组织能够无损伤地获得特定的代谢物和化学物质以及它们在这些化合物中特定原子位置上的吸收和变化的信息是对于正常的和病理的过程理解和定征十分有用的大量信息不仅是对诊断有用而且对于疾病过程生化细节的解释对于治疗的发展有重大的推动力根据MR的原理可以知道MR提供的信息包括内在T1和T2弛豫的性质自旋密度血液和脑脊髓液(CSF)流弥散灌注局域氧合局域含铁膜通透性以及造影剂在加负荷或刺激或在病理状态下的动态过程新的发展和解释还在继续如脑功能性激活的定位原则上对每一种MRS可见的特定代谢物都能得到大部分这种信息MRS比MRI可以得到的更多的信息中都是由于能获得非质子原子核的信息对其每一种都有一个可见的生物分子谱并且往往代表了代谢的不同方面(如能量的区室化的运动学的)用现有技术可以确定分子结构和形态的细节局域的pH和温度生化的路径以及代谢的运动学这些技术都可以用于评价脑功能的状态和响应获取MRS信息通常要牺牲其它类型的信息之所以会这样是因为不能把一个病人放在磁场里很长的时间来完成各种各样的测量实际上常见的情况是牺牲空间信息(分辨率)来换取化学信息随着设备和测量技术的进步这种代价会有所降低MRS技术的发展是向能够产生每个体素有细致的化学谱图目前这些体素的分辨率受信噪比感兴趣代谢物的浓度以及可用的扫描时间的限制一磁共振波谱的原理MRS 的基本原理和MRI 是一样的都是基于信号频率直接由磁场强度决定场强愈高谐振频率愈高方法上的最大差别在于MRS 信号是在不加梯度磁场时采集的即没有位置编码频率一般MRS 波谱图是一幅强度频率曲线(图1)习惯上信号频率向左是增加从感兴趣体积(VOI)所记录到的信号是不同频率信号分量的总和用傅氏变换可将其转换成一系列频率分量的峰值(图2)人体组织中大部分感兴趣代谢物的毫克分子浓度比组织中水的浓度小10000倍这个比例说明了为什么通常由组织中纯质子信号形成的图像中观察不到所发生的代谢变化因此把代谢物的信号从水和脂肪的信号中分离出来成了MRS 信号处理中的难点在MRS 中很重要的一个概念是化学位移(Chemicalshift)1946年物理学家FelixBlock 和EdwardPurcell 发现某核子的谐振频率w0是直接与该核子所处的磁场强度成比例的同时信号的幅值是与被测核子的数目成比例即00B γω= (1) 式中B 0为磁场的强度; 为一比例常数称为磁旋比(Gyromagneticratio)是每种不同类型原子核的特性1H 13C 31P 等在同样的磁场中有不同的谐振频率但如果对一个分子的一部分质子进行测量时会发现信号的谐振频率与纯质子时的谐振频率有差异这种差异相当于核子受到一个不同的磁场强度B 有效的作用:B 有效=B 0+B 局域 (2)造成B 局域的主要因素是:(1) 围绕核子旋转的电子的磁场;(2) 附近核子的磁场式(1)亦适用于B 局域所以测得的信号频率测为: 测=B 0+B 局域=B 0(1+) (3) 比例常数称为对核子的化学位移通常它是以所加磁场中频率的ppm 来表示因而它与所加磁场无关并在一定程度上与所用的测量仪器无关这就有利于使测量结果标准化MRS 中的另一个重要现象是峰分裂(Peak Splitting)由于峰分裂的过程从MRS 可以得到更多化学信息的细节如果测量的谱有足够的分辨率则可以观察到许多峰分裂成一组组的单个峰信号峰的分裂是由于相邻核子间自旋自旋耦合现象造成图3是峰分裂的一个例子峰分裂的类型与化学结构有关有机化学家可以根据峰分裂的形式判定所测的是什么分子/化合物波谱的模式是独特的犹如指纹一样长期研究的积累已建立起了相当规模的波谱模式数据库并支持对愈来愈复杂的结构的定征研究以及对动物和人体的活体研究二测量的基本方法最初的和最基本的测量方法是把发射器和接收器的射频调谐到一特定的频率测量返回的信号幅值把频率做一小的变化再重复测量从而可以做出一个幅值频率的图即MR波谱更先进和有效的方法是发射一个广谱的RF信号并测量整个量程的返回信号然后用傅氏变换得出各频率分量的幅值MRI和MRS之间的主要区别是MRS是在没有读出梯度磁场下采集的而梯度磁场在MRI中是作为图像的频率编码的由于生化信号(除水和脂肪外)微弱因而受到信噪比的限制所以大部分MRS使用重复测量的数据来取平均由于代谢物的波谱信号微弱所以对MRS的磁场有较高的要求磁铁的设计应使磁场强度的均匀性在0.1ppm以内并有足够大的空间以容纳待测试的物体当被测试物体放入磁场时磁场强度的均匀性将受到影响因此MRS系统必须有某种措施来微调磁场以使对每一所研究的物体都能保持磁场的均匀性这一过程称为Shimming意即引入偏置磁场以改善磁场的均匀性在磁共振扫描仪安装时是靠用小的金属块来改变磁力线的路径以达到要求的均匀性由于磁共振成像(MRI)的信号大磁场不均匀度相对于大的梯度磁场来讲要小得多因此问题不大但对于波谱测量则情况将有所不同因为原则上没有办法区分出位移是由磁场不均匀造成还是由化学位移造成而两者在量级上是接近的所以磁场的不均匀度必须是小于所希望的波谱分辨率对于波谱测量来讲因磁场均匀性受被测物体的影响因此对磁场的微调(Shimming)在对每个被测物体测量前都有进行而且是交互式的它往往占了整个测量过程的大部分时间微调是通过调节流过磁铁中若干微调线圈的电流来实现所以MRS系统与MRI系统在硬件上的一个主要差别是有没有这些微调线圈以及如何有效地进行调节由以上所述可以知道这个磁场微调过程本身是一个高维的数值优化问题掌握微调技术是MRS操作人员最重要的培训内容MRS信号检测时另一个要解决的微调是抑制水的信号在人体组织中水的浓度(100M)比大部分感兴趣代谢物的浓度(10mM)大得多所以如果不采取措施抑制水的信号的话则代谢物的信号将被完全淹没现在已有几种抑制水信号的方法这些方法都是基于水和代谢物之间的性质差别的其中之一为采用频率选择性脉冲这类方法是利用水和代谢物之间化学偏移的不同最常用的方法是用对化学位移有选择性的射频脉冲它与成像技术中的层面选择脉冲相类似(图4)这种方法用一个有限带宽的射频脉冲去激励有相应谐振频率的那些组织在成像技术中由层面选择脉冲激发的自旋决定了其在梯度磁场中的位置而当没有梯度磁场时所激发的自旋决定于它们的化学位移在频域选择性脉冲(而非空域)中组成RF脉冲的带宽是根据只选有限化学试样来确定的最常用的这种方法是发射一以水的峰为中心的窄带脉冲接着用水的90º激发以消除水的信号当水的磁化开始恢复并尚不能激发时对其它的试样作激发和测量这种方法由于不能得到理想的脉冲波形(如截止频率不够陡)因而仍有残余的水信号在采集了数据以后对数据的处理也有许多要注意的地方MRS的数据处理由四步组成: (1)预处理(2)傅氏变换(3)后处理(4)数据分析预处理包括去除直流分量数据补零以及对傅氏变换后的频谱插值有时还将数据乘一指数函数以改善信噪比等第二步的傅氏变换是众所周知的在后处理中两种经常使用的处理为复数数据的相位校正和对涡流效应的校正相位校正的目的是校正傅氏变换实数部分的频谱使计算幅值谱的时候谱峰不会变宽在做波谱成像时对每个体素都要作相位校正当体素数目大的时候需要开发自动相位校正的方法在MRS检测时邻近的金属器件会感生涡流并造成波谱的相位失真在做波谱成像时这种失真将和磁场不均匀一起使失真更严重现在已提出了几种相位校正的方法最后一步是数据分析数据分析的目的是化学位移的定量谱分析以及计算代谢物的绝对浓度或相对浓度三磁共振波谱的显示方法要适合临床应用就应有能有效显示所测得数据的方法这应该是多维数据可视化的问题波谱是一维信号它反映某一体积(感兴趣体积VOI)中的波谱信息必须要把它和周围的组织联系起来才能更好地做生理病理的解释现在常用的有几种方法一种方法如图5所示把一个体素的位置显示在三个正交截面的MR图像上第二种由于化学位移的信噪比低所以要用较大的体素来提高信噪比化学位移成像的空间分辨率低或图像的体素数不大时有可能用一个体素的阵列在每个体素中都显示出其波谱如图6所示当然这种方法在阵列较大时使用就很不方便并且解释困难第三种方法如图7所示这种方法显示一种(灰度图像)或几种(彩色图像)所测的化合物用该化合物峰下的面积来作图像中体素的参量这样波谱中的任何一个峰(对应某代谢物)都可以做出一幅图像同样因化学位移成像的分辨率不高难以确定相应的解剖结构为此往往把它叠加在高分辨率的解剖图像上如MR图像直接用化学位移成像也是可能的因为采集波谱信息意味着不能再用位置的频率编码了于是既要想得到谱的信息又要得到空间的信息就要利用信息的相位编码与大部分的成像序列一样做相位编码需要进行反复的采集这就使成像时间变长图8为一维和二维相位编码成像的示意图在这个相位编码的体积中每一个体素都有完整的化学波谱理论上这些波谱的分辨率和频率宽度是和非成像波谱测量时的一样因而根据这些信息也可以作出任一波峰的图像不过事实上由于成像时间过长以及代谢物信号强度的限制分辨率达不到一般成像的空间分辨率典型的过程是对每一相位编码步做一次完整的信号采集(决定于TR的长短)对于一维的化学位移成像采集数据组的典型反复是用具有正交饱和带宽的层面选择性激发以选定感兴趣几个中的一个列相位编码就是在这一列上进行的化学位移成像的一个主要优点是能更好地定义测量波谱的区域由于许多完整的局域波谱是同时采集的因此所获得的信号比较大信噪比亦较高在基于单个体素的采集中是从单个体素采集N个不同信号而在化学位移成像(CSI)中是整个区域的信号采集N次每次有不同的相位编码最后对每个相位编码的区域作傅氏变换在定位局域的波谱方面一种很成功的反复是施加一个序列的层面选择RF脉冲使得只在一限定的区域内的自旋得到激发并产生信号这个感兴趣(VOI)区域的位置和大小决定于三个正交层面的相交区(图9)图中这个相交区是方形的不过实际形状是决定于选择脉冲在层面上的形状的实现局域检测的方法有多种其中之一称为 STEAM (STimulated Echo Acquisition Mode)的方法常用于脑的MRS研究中在此方法中三个相互垂直的层面分别用三个90º Sinc形RF脉冲激发(图10)只有在三个激发层面的交集中的自旋受到全部三个RF脉冲激发并产生回波所有其它的回波信号都被梯度脉冲破坏只有VOI中激发的回波被采集第一个90º脉冲把所有的磁化转到xy平面第二个90º脉冲把50%的磁化转回到xz和yz平面其余50%的磁化在第二和第三个RF脉冲之间的TM在xy平面中是失相的并对激发回波信号没有贡献在TM期间xz和yz平面中的磁化将按T弛豫时间衰减TM应短以免造成太大的信号损失第三个90º脉冲把磁化1转回xy平面它经过TE/2间隔给出激发的回波信号CSI的主要缺点是一个体素的信号受外界信号的影响这是由于离散和有限取样的结果这种伪像其实在其它成像技术中也是存在的只是在CSI中每个体素的点扩散函数对相邻体素的影响更大使得空间定位的准确度降低CSI的另一个问题是它受磁场不均匀度和梯度造成的涡流影响大它们使谐振频率谱宽谱的形状发生畸变同时由于数据是在一个较大的区域中采集的自然对磁场的均匀度微调的要求都提高了四应用举例MRS可以无损地对活体获取生物化学信息因而对于确定肿瘤的类型有很大的价值确定肿瘤的性质恶性程度及其在空间的分布对神经外科医师做出诊断决定是否要做切除手术甚至手术的导航都是十分关键的到目前为止取活检样本做组织病理学的定征仍是黄金标准但因活检是创伤性的取样的数目不允许很多而且有些部位做穿刺有相当的危险(出血)这些因素不能不影响到用活检作诊断的准确性加权(272ms)质子磁共振波谱可以观察到六种主要的化学从活体脑肿瘤的T2共振这些共振主要是由以下代谢物产生:(1) 四甲基胺主要是3.2ppm的含氯磷脂质(Cho)它参与膜的合成和退化;(2) 肌肉素和3ppm的磷酸肌酸(Cr)它在能量代谢中起重要作用;(3) N-乙酰基组主要来自2ppm的N-乙酰基天氡氨酸它是神经标记物;(4) 1.4ppm的丙氨酸(Ala)它是某些肿瘤中找到的高浓度氨基酸;(5) 1.3ppm的乳酸盐(LA)它是由于异常酶化过程造成的或厌氧性醇解的指标;(6) 0.9ppm的脂类(Lip)和其它大分子如蛋白质(较少程度)基于各类脑肿瘤在这六种共振的波谱模式会有所不同的考虑所以可以利用对MRS作模式分析和识别就有可能对肿瘤定征图11是一个中年病人的MR图像(左上角)两个位置的MRS波谱(左下)以及整个感兴趣区内(黄框所示)中代谢物NA Cho的分布(右)病变处的波谱模式与低级别星形细胞瘤的模式很相似病人再次发作后做的活检证实了是低级别星形细胞瘤在Cho图像上显示出在MR图像最暗区一侧的区域是肿瘤最活跃的部分五前景不熟悉MRS的人往往把它看成是一种奇怪的技术是离临床应用很远的技术其实并非如此MRS和MRI都基于同一基本原理都可以有自己对临床实践的贡献特别是在对脑的功能性激活的研究方面随着MRI/MRS集成系统的增加它们两者之间的差别将不再那么明显新的系统将使MRS的临床应用有更快的发展多种原子核和化学试样的MRS测量已经显示了能提供脑功能生化机理方面的信息以往只能用放射示踪方法得到的速率和吸收的信息现在可以用NMR的方法得到同时所产生的MRS生化信息是与MRI的解剖学结果紧密联系在一起的这些方法在常规临床应用中的潜能扩展了昂贵的MRI设备的有用性MRS/MRI技术的关系有一点像生物技术和基因工程的关系虽然已经开发了很强大的工具但是要完全实现它还需要对正常的和病理的复杂过程有细致的理解不断地开发和应用这些工具将扩展这种理解并使生理学和医学从经验性向定量发展未完待续。