磁共振成像中的化学位移现象——基本概念

在磁共振成像过程中化学位移现象是一个特别重要的概念。其实，磁共振最早就是用来进行物质分子结构的化学分析，其所利用的原理就是化学位移现象。直到上个世纪70年代，在雷蒙德·达马迪安和保罗·劳特布尔的推动下，磁共振才开始用于医学成像。在磁共振成像的日常工作中，很多时候都在有意无意中和化学位移现象有着这样或那样的联系。要么利用化学位移现象形成某种对比或者实现某些技术，要么在努力克服化学位移现象带来的化学位移相关伪影。了解化学位移现象的基本概念和基本应用是学习磁共振成像原理中一个非常重要的内容。

化学位移的基本概念

理解化学位移的基本概念首先需要理解为什么叫化学位移？从字面上来看，化学位移可以粗略地理解为由于化学原因导致的位置移动。根据这样的思路来深入地分析与解读一下化学位移现象。

1. 化学位移导致共振频率的差异：当以氢质子作为核磁共振成像的探测对象时，由于每种物质分子中氢质子周围的电子云密度不同，而电子云具有抗磁场的作用，因此，不同物质分子中的氢质子在相同的外加磁场中因为电子云密度不同而感受到的“叠加”磁场强度略有不同。前面在谈及拉莫尔方程时讨论过：因为不同物质分子中氢质子所感受的磁场强度不同其共振频率也会有所不同，这种因为分子的化学结构不同所导致的共振频率差异就是我们所说的化学位移。这可以理解为化学位移的微观概念。

2. 化学位移所导致的共振频率差异也可以表现为空间上的位移：在磁共振成像过程中需要利用梯度场进行空间定位，而梯度场实现空间定位的基本原理之一是不同的频率编码（读出）梯度场叠加到相同的主磁场后，相应点的“叠加”磁场强度的不同，从而导致对应的拉莫尔频率不同。当然，也可以通过相位编码梯度场的作用改变信号的相位。无论是频率编码梯度还是相位编码梯度，最后所导致的频率差异或相位差异都和层面内不同体素存在着线性空间对应关系。当对采集到的信号进行空间解码时，正是根据这种线性关系把不同频率或不同相位的信号成分匹配到空间上不同的位置。因为化学位移导致不同物质分子中氢质子共振频率不同，在进行信号空间解码过程中，这种位于同一体素内不同物质中的氢质子会被错误地解析到空间上不同的点，这就导致了空间上的位移。譬如，位于同一体素的水和脂肪就会因此被解析到不同的空间点上。随后会进一步讨论到，在磁共振成像过程中通常是以水中的氢质子的共振频率作为中心频率来进行空间定位的，因此，水和脂肪的I类化学位移表现为脂肪信号的板块式向低频方向移动，这种移动可以理解为因为水和脂肪化学位移现象所导致的“宏观上”的位移。

化学位移效应的双重性

磁共振成像过程中有很多既对立又统一的现象，磁共振成像中的化学位移现象充分体现出这种二重性。在一般的磁共振成像序列中，化学位移现象如水和脂肪的化学位移既可能是产生干扰诊断的化学位移伪影，但同时也可能提供帮助诊断的特殊信息。一个简单的原则是：当这种化学位移所带来的影响是干扰诊断因此应该被竭力避免的时候，就称之为化学位移伪影；而当这种化学位移现象成为帮助诊断和鉴别诊断的信息时，就应该称之为化学位移效应，尽管在传统的原理书也把它称之为伪影。化学位移现象在磁共振成像过程中有很多重要的应用，其中包括随后讨论的同反相位成像，还包括所进行的波谱成像。另一方面，成像过程中也会利用水和脂肪的这种频率差异来进行频率选择法脂肪抑制或选频激发等。

化学位移的定量描述单位ppm和Hz

在磁共振成像过程中用来描述化学位移大小的有ppm和Hz两种不同的单位。ppm代表的是一个无量纲的比例单位即百万分之一，而Hz则是根据拉莫尔方程和相应的ppm计算出来的Hz数。如，水和脂肪中氢质子的化学位移差异用ppm表示是3.5ppm，用ppm这个单位的好处是这个值不随场强的变化而变化。但有时我们也需要知道，在不同场强下这个化学位移实际对应的Hz数，这对于设计射频脉冲的频率宽度很重要，同时也是赖以计算同反相位时间的基础。根据拉莫尔方程很容易计算出在不同的磁场强度中对应的不同Hz数，如在1.5T磁共振设备上水和脂肪的化学位移Hz数为1.5*42.6*3.5=220Hz，同理，在3.0T上水和脂肪中氢质子共振频率差异为440Hz。了解这些是计算同反相位时间的前提。如前所述，用ppm代表化学位移的好处是这个值不随场强变化而变化，因此在波谱成像时会用这个单位来代表不同代谢物的位置，这样无论在什么样的场强设备这个相对位置是恒定的，这显然更有利于大家记忆和判定不同种类的代谢物。当然，在实际成像过程中随着场强的提高不同代谢物之间的化学位移实际Hz数也在变化，因此在高场强设备时不同代谢物之间的频率差异变大，这更方便成像时设计射频激励脉冲。这也是为什么高场强设备更有利于进行波谱成像。

图片说明：电子云及其影响示意图。电子云实际上是指在一个原子核周围电子运动的密度，这是一个概率分布描述。因为在磁场中电子会产生与外加磁场方向相反的磁矩，因此电子云实际上具有磁屏蔽的效应。一个原子核周围的电子越多或者说分子结构越复杂，其周围的电子云密度就越大，从而在电子云的磁屏蔽效应影响下相应原子核感受到的综合磁场强度就会弱一些。不同分子中氢原子核周围电子云密度不同，因此感受到的叠加磁场强度也不同，这种“叠加磁场强度”的不同导致不同分子中氢原子的核共振频率不同，这就是化学位移。