磁共振成像中的化学位移现象——化学位移伪影

磁共振成像过程中的两大信号来源是水和脂肪中的氢质子。因为水和脂肪中氢质子周围的电子云密度不同导致二者间存在着3.5ppm的化学位移，这个化学位移在磁共振成像中会导致化学位移伪影的产生。这种化学位移伪影可以有两种不同的表现形式：发生在水脂交界面的I类化学位移伪影和发生在同一体素内的II类化学位移伪影。

化学位移伪影的分类

在人体组织结构中，当一个器官被脂肪组织所包绕就等同于构造了一个水和脂肪交界面。这时因为水和脂肪的化学位移效应会导致两类化学位移伪影，即I类化学位移伪影和II类化学位移伪影。I类化学位移伪影指的是当水和脂肪信号处于同相位或接近同相位时，两种信号并列存在，此时观察到的现象是在常规成像序列如自旋回波或梯度回波序列中，沿着频率编码方向上的水和脂肪信号之间的相对移位。通常把这种发生在水脂交界面、因为化学位移现象所导致的伪影称为I类化学位移伪影。这里先强调一下，在基于EPI信号读取的序列中，I类化学位移伪影出现在相位编码方向上。II类化学位移伪影通常指的是在梯度回波序列的某些特定回波时刻，即通常所说的反相位时间时，处于同一体素内的水和脂肪信号刚好相减。这会带来两种改变：其一，在水和脂肪交界面的那些体素因为信号相减而表现为低信号，这就是通常所说的勾边征；其二，对于那些含有一定脂质的组织细胞如肝细胞，在反相位时刻其信号强度就可能会较同相位有一定衰减。II类化学位移伪影也称为相位消除效应，在临床上可以为诊断和鉴别诊断提供很重要的信息。从这个角度来看，II类化学位移伪影更应该理解为化学位移效应，因为此时这种化学位移现象不仅没有干扰诊断，反而成为诊断和鉴别诊断的重要依据。

I类化学位移伪影及表现形式

1．I类化学位移伪影的基本概念：I类化学位移伪影是发生在水脂交界面处水和脂肪之间信号的相对移位。因为通常采用水的共振频率作为中心频率来进行空间定位，所以I类化学位移伪影有时也可以理解为脂肪位移伪影，也就是脂肪中氢质子的空间位置信息被错误地记录了。在讨论I类化学位移伪影时，其实所讨论的问题就是相对于水而言脂肪中的氢质子信号被错误移位多少的问题。如前所述，因为水分子和脂肪分子中氢质子周围的电子屏蔽不同，导致脂肪中氢质子被屏蔽的程度稍大于水分子中的氢质子，其结果是脂肪中的氢质子感受到的“叠加”磁场磁场强度略低于水分子中的氢质子，二者差别约为3.5ppm。在1.5T成像设备上对应的频率差异是220Hz，而在3.0T磁共振上对应的频率差异是440Hz。这个化学位移所导致的频率差异表现为在一般的成像序列中频率编码方向上脂肪中的氢质子的位置被错误记录。因为脂肪中氢质子的共振频率较水分子中氢质子共振频率低，所以当以水分子的频率作为定位参考点时，脂肪中氢质子的信号就会朝着频率低的方向移动，也就是向读出梯度场强低的方向移动。脂肪中氢质子的这种化学位移如果超出了半个体素的范围就可能会导致两个异常信号区：当被移动的脂肪中的氢质子信号与临近区域水中氢质子信号“相遇时 ”它们就叠加产生“高信号”带，而在被移动的脂肪中的氢质子信号与临近水分子中氢质子信号相互分离侧，就会形成一个信号“缺失”区而表现为低信号带。所以I类化学位移伪影有一个特点：当以某一个器官作为参照物时大家就会发现在这个参照物一侧有一条高信号带，而在这高信号带的对侧会有一个低信号带。

图片说明：水脂I类化学位移伪影及表现。在冠状位腹部图像上，肝、脾脏及肾脏下缘均可见一高亮信号带，而肾脏上缘可见一低信号带；在轴位腹部图像上，双侧肾脏右侧缘可见一高亮信号带，而左侧缘可见低信号带。因为是以水的频率作为空间定位的参照，所以根据化学位移伪影的表现可以推测出梯度场的方向：在冠状位腹部成像时梯度场强的方向是从下到上；而在轴位腹部成像时梯度场强的方向是从右到左。这里还展示了基于EPI信号采集方式的DWI序列其化学位移伪影出现在相位编码方向。

2．I类化学位移伪影的空间位移：这里想和大家进一步讨论一下有关化学位移伪影与梯度场强方向之间的关系问题。这个问题在一些原理书上被描述的比较复杂。不过当回到人体的具体应用场景时，大家可能会发现问题本身没有那么复杂。在人体内水和脂肪的交界面无外乎两种情况：一种情况是“油包水”，而另一种情况就是“水包油”。在腹部几乎很多实质脏器如肾脏、脾脏以及盆腔各个脏器的周围都是脂肪组织，这种情况下就构成了“油包水”的关系，而在其他一些本身富含脂肪的结构如椎体、各种长骨骨髓，它们和临近含水组织或腔隙就构成了“水包油”的关系。为了简化分析，建议坚持两个基本原则：“动中有静”和“被相对移动”。所谓“动中有静”就是要牢记在利用频率编码进行空间定位时系统默认是以水的共振频率作为参照中心频率的，所以在化学位移伪影中被错误编码的是脂肪中的氢质子。这里“水分子中的氢质子”是“静”的，而“脂肪中的氢质子”是“动”的。由于脂肪中的氢质子所感受的磁屏蔽作用更强，所以其内氢质子共振频率较水分子中氢质子共振频率低，这样就形成了水和脂肪交界区水分子中的氢质子和脂肪中的氢质子的“被相对移动”，这种“被相对移动”就是脂肪中的氢质子向频率低的一侧“被移动”了。这里之所以加了一个“被”字，是因为这种“移动”是一种空间编码上的错误解读。掌握这些原则对于理解和解读化学位移伪影就会更加容易：

1）在“油包水”的关系时：由于脂肪中的氢质子都是朝着更低频率方向一侧“被移动”，相对于所观察的脏器而言，在梯度场强更高的一侧被移动的脂肪中的氢质子信号会与相应含水脏器中水分子中的氢质子信号相遇这样就叠加产生了“高信号”；而在脏器梯度场强更低的那侧，则是脂肪分子中的氢质子信号被移动走形成了一个信号缺失所导致的低信号区。基于这样的观察有些书上会强调当“油包水”时：在梯度场强高的一侧出现高信号带而在梯度场强低的一侧出现低信号带。此处必须强调的是这里的梯度场强的高低是相对于所观察的脏器而言的，不是脂肪中的氢质子被移动的方向发生了变化。

2）在“水包油”的关系时：这是相对于富含脂肪成分如椎体、长骨骨髓“油”这个脏器而言，它们和临近水的交界面同样存在着这种脂肪中的氢质子被移动到更低频率的方向。因为这时是“水包油”，对于“油”这个结构而言，在其梯度场强低的一侧“被移动”的脂肪中的氢质子信号会与临近水中氢质子信号相互叠加而产生高信号带，而在其梯度场强相对高的一侧，这部分被移动出的脂肪中的氢质子信号被淹没在脂肪自身的信号之中，并在其后留出一个信号被移走后形成低的信号带。

这里所以讨论这些，是为了帮助大家更好地识别因为化学位移所导致的这种“异常”信号改变，因为这种信号改变不是成像组织自身特性的客观反映，而是因为化学位移现象所导致的信号的不应有的起伏，故称之为化学位移伪影。在临床实际工作中“油包水”或是“水包油”在生理或病理状态下都可能存在。一个含水为主的实性脏器内发生的病变中富含脂肪或有脂肪变性，这时就可能产生化学位移伪影；而在以脂肪为主的器官结构如长骨骨髓内发生了一个以含水为主的病变如软组织肿瘤或其他软组织病变，这时就形成了“油包水”的情景，同样会在水、脂交界面形成化学位移伪影。作为一名磁共振诊断医生要会识别是不是化学位移伪影，而不能把化学位移伪影导致的高信号带误读为出血，也不要把化学位移伪影导致的低信号带误读为钙化等。

图片说明：水脂I类化学位移伪影及影响因素。这里用实验说明一下I类水脂化学位移和信号接收带宽及像素大小的关系。设备场强是1.5T。在1.5T上水和脂肪中水分子化学位移是220Hz，图1当像素信号接收带宽是243Hz时化学位移伪影不明显，在高信号脂肪周围仍可见一圈低信号容器壁。不过这里我们仍隐约可见前方容器壁较后方容器壁略薄，理论上当水脂化学位移频率/像素频率大于0.5个像素时就可能导致脂肪信号移动。图2、图3像素带宽相同，但采用不同频率编码分辨率，图3的频率方向像素大小是图2的两倍。尽管从位移像素来看都是220/121=1.8个像素，但位移的距离明显不同。图3显示后半部脂肪周围低信号容器壁更厚，而其容器壁最前缘因为脂肪信号化学位移已显示不清。图2前缘仍可见变窄的低信号容器壁。

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