化學位移和MRS課件

1、化學位移和mrs1第五節(jié) 化學位移和mrsu除了質(zhì)子密度、弛豫時間tl、t2外，影響mr信號檢測的因素還有化學位移、血流速度等u化學位移是指在不同化學環(huán)境中的相同原子核在外磁場作用下表現(xiàn)出稍有不同的共振頻率的現(xiàn)象u原因 自旋核不是孤立的，而是被核外帶磁性的電子云所包圍，也就是說，這些原子核具有不同的電子環(huán)境。這使自旋核處于一個磁屏蔽之中，外磁場不能直接作用于自旋核上化學位移和mrs2u這種磁屏蔽作用可用下式表示u同類自旋核處于不同分子之中時，會有不同的導致產(chǎn)生不同的共振頻率u定義同種自旋核在相同的外磁場情況下，測試樣品中的自旋核的共振頻率與標準物質(zhì)中的自旋核共振頻率之差為化學位移，即u為測試樣

2、品自旋核的共振頻率，s為標準樣品自旋核的共振頻率 。至移常數(shù)，典型值為屏蔽常數(shù)或化學位強度減弱的作用，稱為表示電子云對磁場式中有效3601010)1 (bbs化學位移和mrs3化學位移的另一種定義是ss化學位移也可以發(fā)生在同一分子的不同原子群中的同一自旋核上。在乙醇（ch3ch2oh）的三個原子群 oh、ch2、ch3中的氫核各自有不同的共振頻率或發(fā)生共振的磁感應強度。核磁共振譜：以發(fā)生共振吸收的強度為縱坐標，發(fā)生共振的頻率（或發(fā)生共振的磁感應強度）為橫坐標，所繪出的共振吸收強度與發(fā)生共振的頻率（或發(fā)生共振的磁感應強度）的關系曲線化學位移和mrs4化學位移和mrs5磁共振譜磁共振譜(mrs)分

3、析分析u磁共振譜是近十幾年來發(fā)展起來的新的醫(yī)學診斷技術(shù)umrs可以用來觀察在體而非離體細胞代謝變化的非損傷檢測技術(shù)umrs的深入研究將對疾病的早期診斷、鑒別性診斷、病理分期、判斷預后及治療效果起重大作用 化學位移和mrs6u目前較先進的mri裝置附有mrs功能。mrs的理論基礎有：n化合物有自己特有特征峰的頻率位置n共振峰的面積正比于化合物中自旋核的數(shù)量n共振峰的形狀反映化合物的分子結(jié)構(gòu)u原則上人體內(nèi)自旋不為零的核均可進行mrs分析，但由mrs的檢測靈敏度的限制，具體應用時，要考慮自旋核在人體內(nèi)的核密度及發(fā)生磁共振的靈敏度。目前應用臨床開展較多的核種為1h和31p化學位移和mrs7mrs技術(shù)觀

4、測細胞代謝的醫(yī)學基礎 目前mrs分析大部分集中在對細胞的能量代謝的觀測上。細胞的能量代謝需要下面一些生化知識：u生命的維持要以消耗能量為代價，為此要求生命物質(zhì)發(fā)生一種能供應能量的化學反應，參與這類反應的關鍵物質(zhì)是三磷酸腺苷（atp）uatp可產(chǎn)生于糖的有氧氧化 葡萄糖+o2 atpco2十h2ou糖的無氧酵解中產(chǎn)生atp 葡萄糖+adp（二磷酸腺苷） atp十乳酸 化學位移和mrs8 體內(nèi)atp變化時，磷酸肌酸pcr可以起atp數(shù)量上的雙向調(diào)節(jié)作用： pcradp atp cr肌酸1h-mrs一般可以檢出nnaa：乙酸門冬氨酸,cho膽堿類化合物,cr肌酸。naa存在于神經(jīng)元內(nèi)，可以作為神經(jīng)元

5、的內(nèi)標物，naa濃度大小可表示健康神經(jīng)元的多少 31p-mrs一般可以檢出npcr磷酸肌酸、pi無機磷酸鹽、pde磷酸單脂、pde磷酸雙脂、atp三磷酸腺苷 化學位移和mrs9 atppi反映細胞內(nèi)能量的利用情況 pcrpi反映磷脂的合成情況 pdeatp反映維持細胞膜完整性的能力 根據(jù) pi、pcr的化學位移可以算出檢測部位的 ph值（ph值與組織內(nèi)病理過程密切相關）化學位移和mrs10臨床mrs分析舉例 當腦梗塞發(fā)生時，在31p-mrs中 30min后表現(xiàn)為 pi的濃度增加，對于 mri來說只有在 1.5-3.0h后才能在 t2加權(quán)圖像中在梗塞區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為信號增強，但不能清楚表現(xiàn)缺血區(qū)的圖

6、像，在31p-mrs分析中給出的 ph值在缺血的 0-1.0h內(nèi)由 7.11下降為7.04 對于一過性腦缺血，在31p-mrs表現(xiàn)為pcrpi的下降，當腦缺血恢復時， pcrpi也跟著上升，但mri基本上無法反映上述變化 對于急性腦梗塞一般表現(xiàn)為pcr下降，pi升高，其后表現(xiàn)出atp的下降，梗塞期ph值呈酸性 化學位移和mrs11 腦梗塞在1h-mrs中表現(xiàn)為 naa下降，乳酸增加。naa下降表明神經(jīng)元受損，而且可根據(jù)naa的濃度定量表示神經(jīng)元受損的程度大小，由naa濃度變化的趨勢預測腦梗塞可恢復的程度，由naa的下降可判定神經(jīng)元受損發(fā)生在缺血后的6.0h mrs技術(shù)是快捷的,可作定量分析，是

7、在分子水平上在病理發(fā)展早期進行觀測的新技術(shù) 化學位移和mrs12第六節(jié) 編碼與成像 如前所述，為了采集到nmr信號，必須要在質(zhì)子的共振頻率范圍沿與主磁場垂直的方向施加一個900的射頻脈沖，結(jié)果橫向磁化矢量以質(zhì)子的larmor頻率在橫向平面內(nèi)運動，這樣在位于橫向平面內(nèi)的接收線圈中就感應產(chǎn)生了電壓或信號 不管此信號來自病人哪一部分組織，它的共振頻率都等于質(zhì)子的larrnor頻率。例如，在1.0t的磁場中為42.57mhz，在0.5t磁場中則為21.28mhz化學位移和mrs13空間定位的主要內(nèi)容 定位一個切面 當切面選定后，再將信號沿影像的兩個軸向定位 利用梯度磁場實現(xiàn)化學位移和mrs14梯度(磁

8、)場 梯度(磁)場是位于磁體腔內(nèi)的幾組線圈通過電流而產(chǎn)生的，附加到主磁場上，這種梯度場的強度可以增加主磁場強度或減弱主磁場強度 由于梯度場強度是線性改變的，因此總磁場強度(質(zhì)子共振頻率)會沿梯度場的軸向呈線性改變，這種共振頻率的變化根據(jù)梯度場的數(shù)值可以預測 在梯度磁場較高端的核，它受到的總磁場強度要大，而位于梯度場較低端的核，它受到的總磁場強度就要小些，因此前者的共振頻率高，后者的共振頻率低化學位移和mrs15 根據(jù)質(zhì)子共振頻率的大小，可以把各個質(zhì)子沿梯度場的軸準確加以定位。下表列出了主磁場為1t，梯度場為1gaussm條件下，質(zhì)子共振頻率沿線性梯度場的變化值 化學位移和mrs16 在磁體腔中

9、裝有3組梯度場線圈，根據(jù)它們的軸向來命名。z梯度場可以沿磁體的z（長）軸改變磁場強度，y梯度場可以沿磁體的y（垂直）軸改變磁場強度，x梯度場可以沿磁體的x（水平）軸改變磁場強度 每個梯度場的中點的值為零，梯度場增加的方向為正方向，減少的方向為負方向。3個梯度場的中點和磁體腔的中心重合，稱為磁體中心，該中心點的磁場強度為磁體主磁場強度。 梯度場在脈沖序列中有許多重要作用，梯度場可以使核磁矩的相位發(fā)散或重聚 化學位移和mrs17 梯度場在編碼中有3個主要任務n在所選擇掃描平面中定位一個層面即選層n將信號沿解剖學的長軸進行空間定位(編碼)，即頻率編碼n將信號沿解剖學的短軸進行空間定位，即相位編碼 化

10、學位移和mrs18選層 當接通梯度線圈后，磁場強度和位于它軸線上的核的進動頻率都呈線性變化，因此，梯度場軸上某一特定點上的核有特定的進動頻率，位于該點層面內(nèi)的核也就都有此特定的進動頻率。所以通過發(fā)射與此層中自旋的特定進動頻率相同的射頻脈沖頻帶，就可將所選定的這一層激發(fā)。由于rf頻率和此層中核的進動頻率相符，因此這層中的核就產(chǎn)生共振信號，而位于其他層中的核則不發(fā)生共振化學位移和mrs19化學位移和mrs20 z梯度場可以改變沿磁體z軸的場強和進動頻率，因此它可選擇軸向?qū)用?，x梯度場能改變沿磁體x軸的場強和進動頻率，它可選擇矢狀層面，y梯度場可以改變沿磁體y軸的場強和進動頻率，它可選擇冠狀層面化學

11、位移和mrs21 層是有一定厚度的，激發(fā)脈沖要把這層“帶”內(nèi)的所有核都激發(fā)。選層用的梯度場的斜率決定了這層邊緣兩點之間的進動頻率差，當采用某梯度場的斜率后，用來激發(fā)這一層的射頻脈沖必須包括一定范圍的頻率，以和這層邊緣兩點之間的進動頻率差相匹配，這個頻率范圍稱之謂“帶寬”（bandwidth），當在這點施加射頻脈沖時，就專門稱之謂發(fā)射帶寬（transmit-bandwidth） 如果要使選的層薄些，就要施加窄的發(fā)射帶寬或作斜率大的選層梯度場。反之、如要使選的層厚些，就要采用較寬的發(fā)射帶寬或斜率小的選層梯度場 化學位移和mrs22 實際操作時，根據(jù)所要求的選層厚度，成像設備會自動設置合適的梯度場斜

12、率和發(fā)射帶寬。這一層會被射頻脈沖激發(fā)，射頻的中心頻率和層中心的核的進動頻率相等。帶寬和梯度場斜率決定了中心兩側(cè)被激發(fā)產(chǎn)生共振核的范圍化學位移和mrs23頻率編碼 當選好一個層面后，從這個層面得到的信號必須沿影像的兩個軸定位，通常沿解剖學長軸定位稱為頻率編碼。當接通頻率編碼梯度時，信號的共振頻率沿梯度場的軸向發(fā)生線性變化。梯度場產(chǎn)生了一個軸向信號的共振頻率或化學位移差。操作人員可以選擇頻率編碼的方向，使頻率沿解剖學上的長軸向編碼 冠狀影像掃描時，解剖學上的長軸和磁體的軸一致，因此由z梯度場實施頻率編碼化學位移和mrs24 在采集軸向（橫斷面）影像時，解剖學的長軸通常和磁體的水平軸一致，因此由x梯

13、度場實施頻率編碼。可是在掃描頭部影像時，解剖學的長軸一般和磁體的前后向軸一致，這樣梯度場就實施頻率編碼 頻率編碼梯度的斜率決定掃描時沿頻率編碼軸所能復蓋的解剖學體積的大小，稱為成像野（field of view，fov）化學位移和mrs25相位編碼 影像的信號還要沿其余的軸進行編碼，這就是相位編碼。當相位編碼梯度接通時，核的進動頻率沿此梯度軸發(fā)生改變。當核的進動速度發(fā)生改變時，磁矩沿進動路線累加的相位也發(fā)生了改變由于梯度場的存在而加快了進動速度的核，沿著進動路線向前進動得更遠些，而由于梯度場的存在減低了進動速度的核，則沿著進動路線落后得更多些。如果把磁矩的進動比作時鐘的指針，磁矩在鐘面上的位置

14、和它某時刻的相位有關化學位移和mrs26 當把相位編碼梯度斷開時，所有的核都以拉莫爾頻率進動，處在同一相位，比如說在點鐘的位置，而當相位編碼梯度接通時，核的進動頻率和相位都按它們在此梯度場的位置而發(fā)生改變。受到較高磁場作用的核，相位增大，即沿著順時針向前進動得更遠些，如到了點鐘的位置，而受到較低磁場作用的核的相位減低，比如說滯后在9點鐘的位置。在磁體中心的核受到作用的磁場強度沒有變化，因而它的相位保持不變。這就意味著此梯度場軸的不同位置，產(chǎn)生了核之間的相位差或化學位移差 化學位移和mrs27 當切斷此梯度場時，所有核只受到主磁場的作用，它們的進動頻率又回到larrnor頻率，可是核之間依然保持

15、著相位差。雖然這些核以相同的頻率沿進動路線進動，但它們的相位或在鐘面上的位置是不同的。核之間的相位差被用來確定沿相位編碼梯度軸上的位置。 相位編碼梯度的斜率決定沿此梯度的兩點之間相位差的大小，斜率大（陡）的相位編碼梯度造成兩點之間的相位差較大化學位移和mrs28化學位移和mrs29小結(jié)選層 層面的位置、層面的方向(矢狀面、橫斷面、冠狀面)、層面的厚度可由操作人員進行選擇 最常用的方法是在信號采集過程中通過某方向的rf脈沖激勵來達到選擇層面的目的以窄帶射頻脈沖激勵作為層面選擇的條件 受檢體各個層面的位置可以通過改變rf脈沖的頻率來標定化學位移和mrs30 設靜磁場為沿z軸方向分布，人體長軸與靜磁

16、場方向平行。欲選擇的層面為橫斷面時，梯度磁場應取z方向分布;當欲選擇的層面為矢狀斷層時，層面選擇梯度磁場應取x分布；當選擇的層面為冠狀斷層時，層面選擇梯度磁場應取gy分布 化學位移和mrs31小結(jié)相位編碼 相位編碼就是利用梯度磁場造成各個像素的體積元的質(zhì)子進動相位不同，以相位差標定各像素體積元的空間位置 當引起共振的射頻脈沖終止后，由于受激勵的層面磁場的不均勻性和相鄰磁核產(chǎn)生的小磁矩的影響，以相同頻率共振的磁矩可能會有不同的進動方向，即相位差 利用某方向施加的梯度場對體素磁化強度的這種相位特點進行編碼，實現(xiàn)各體積元的位置識別-相位編碼化學位移和mrs32小結(jié)頻率編碼 頻率編碼是利用x方向的梯度磁場沿x方向?qū)M