31P磁共振频谱成像研究及应用的进展
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| 时间：2009-02-09 16:31:46 来源： 作者： |
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Research on 31P magnetic resonance spectroscopic imaging
and its applicationsCHEN Yaowen1, SHEN Zhiwei2, HUANG Jingxi3, WANG Hui2,
LIN Yuejuan1, WU Renhua2
(1. Central Laboratory of Shantou University, Shantou 515063; China;
2. Department of Radiology, the Second Affiliated Hospital of Shantou University,
Shantou 515041； China;
3. Guangdong Provincial Key Lab for Digital Image Processing, Shantou University,
Shantou 515063, China)
Abstract: Phosphorus is an important element in energy metabolism，and many compounds in the body contain phosphorus31. Magnetic resonance spectroscopic imaging (MRSI) is formed through an organic combination of the space information provided by magnetic resonance imaging (MRI) and the spectroscopic information by MRS，it is a noninvasive means of compound quantitative analysis，studying the metabolism of the living body and biochemical changes，and displaying the metabolism between normal and tumorous tissues and reflect pathological change in molecular level, and could provide the spectrum in multiple voxels and the metabolites map for observing the metabolite states， it is one of the major testing tools biomedical research in the 21st century. The recent researches of phosphorus31 magnetic resonance spectroscopic imaging and its applications were reviewed in this paper.
Key words: magnetic resonance spectroscopy； phosphorus31； chemical shift imaging
引言
磷谱主要反映人体组织细胞的能量代谢改变，磷化物的浓度与能量代谢密切相关，测定磷代谢产物的相对浓度和分布可确定细胞的能量状态。磁共振频谱(magnetic resonance spectroscopy，MRS)是一种利用核磁共振现象和化学位移作用，进行系列特定原子核及其他合物定量分析的方法［1］。早在1973年，Moon和Richards对完整红细胞及离体新鲜肌肉标本进行了31P频谱测定。1978年，Gordon得到了第一个人体31P标本，从此MRS技术进入临床活体研究，并成为目前无创性研究人体内部器官、组织代谢、生理生化改变的定量分析方法［2］。磁共振频谱成像（magnetic resonance spectroscopic imaging，MRSI）技术是在MRI技术的基础上发展起来的，比MRI的功能更强，能探测到样品中分子内部自旋核（例如1H，31P，13C，19F）的物理化学环境，能在分子水平反映生物体内或人体内病变的信息，提高对诸如老年性痴呆、癲痫、脑瘤等疾病的早期诊断和疗效监控能力，MRSI技术将成为21世纪生物医学研究进入分子水平的重要检测工具之一，能将组织结构的观察与代谢功能的研究结合起来，是一种非常有潜力的活体生化分析方法［3］。
1 化学位移成像
1947年波罗科特(Proctor)指出原子核的共振频率与他的化学环境密切相关，化学环境的改变可使某种原子核在Larmor共振频率的基础上有轻微的偏移，这种现象称之为化学位移，MRS就是利用磁共振现象和化学位移作用，对特定原子核及其化合物进行分析，其特征性参数为磁共振频率、峰值、半高宽、峰下面积等［4］。
化学位移成像1982年由布朗（T.R. Brown）等人提出。多体素MRS采集时，频谱信号来自多个相邻的感兴趣区，与MRI中的成像体素非常类似，将每个感兴趣区的频谱信号强度转换为灰阶进行显示，得到代表生物化学特性的灰度图像。因此，多体素的MRS方法又被称为化学位移成像（Chemical shift imaging，CSI）或磁共振频谱成像（MRSI）［5］。由此可见，MRSI具有双重含义：当它将获得的多体素信号以谱的形式加以表达时，它是一种阵列谱采集技术；当它将获得的多体素中某种代谢物信号强度以灰阶形式进行显示时，又是一种成像方法。由于MRSI中谱和图像的显示可以互相转换，常不进行区分，MRSI是常规MRS的延伸，它的数据显示有频谱和成像两种形式。
由于MRSI在一次扫描中可获得多幅谱，而每幅谱图均由许多谱峰组成，故一次MRSI采集就有多种图像表现形式，如［6］可以分别重建反映组织中总的磷化合物或单一磷代谢物分布的图像，也可重建NAA或PCr的图像等。除产生特定化学基团的分布像以外，用MRSI所获数据还可导出其他有关参数的计算像，如利用Pi和pH的关系计算出活体的pH分布像、利用PC和Pi的信号强度计算出PCr／Pi像等。
2 MRSI原理和技术
MRSI是指采用特殊的化学位移或化学位移产生的区域内所取得的MR信号转为可视图像的方法［7～9］。该信号是在B0主磁场中通过变换梯度磁场获取空间信息 (空间编码)，再通过数据处理而成。空间编码采用与常规MRI中一样的相位编码梯度法来完成，MRSI与扫描同样空间的MRI相比，两者在k空间编码方面是相似的，但是，MRSI原始数据在MRI的基础上增加了一个时间维，因此，MRSI在成像速度上比相应的MRI都要慢很多，而且，大多数MRSI实验都是在先行MRI的基础上进行的，对成像速度的要求就更高。磁共振频谱成像数据通常非常大，需要采集大量的数据，花费很长的采集时间，大部分快速频谱成像技术是在保持适当信噪比（signal noise ratio，SNR）条件下，尽可能缩短总的采集时间。
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