磁共振成像中的两类化学位移效应及伪影
[关键词] 屏蔽效应；化学位移；第一类/第二类化学位移；化学位移伪影；一型化学位移伪影；二型化学位移伪影。
--------屏蔽效应--------
磁共振成像是利用生物体内的氢质子，但氢质子存在于各种各样的组织分子中，因此生物体内的有着不同种类的氢质子（比如水分子中的氢质子和脂肪中的氢质子）。当把氢质子置于磁场中时，氢质子将会绕着磁场按照可以被计算的频率发生进动，当不考虑氢质子的种类时，所有的氢质子（裸核）的进动频率可以用图1公式1表示，当考虑氢质子的种类时，氢质子的进动频率将会受到氢质子周围环境的影响，这个影响主要是分子内氢质子核以外的电子云屏蔽：电子云在静磁场的作用下将会产生一个与静磁场方向相反，大小正比于静磁场的感应磁场，在这里被称为屏蔽场，此时氢质子的进动频率将会变为公式2，其中σ是为屏蔽系数，氢质子处在的分子(或基团)不同，屏蔽系数就不同。
--------化学位移--------
在磁共振发展的早期，其应用主要局限于物理学领域，用于测定原子核的磁矩等物理常数，之后被用于化学领域用于测定组织的化学结构，1950年间W.G.Proctor等人利用磁共振在研究硝酸铵的14N时发现有两条谱线，一条谱线是铵氮产生的，一条是硝酸根中的氮产生的，说明同一种核所处的化学环境不同所产生的谱线不同，这个谱线是由核在磁场中进动频率得来的，因此谱线不同表示进动频率就不同，这种由于同一种核因周围环境（结构）不同而造成的进动频率不同，被称为化学位移。从下图硝酸铵的化学结构可以看出氮核处在不同的基团中。
同一种核因所处的环境不同造成进动频率有差异，这个差异用化学位移来表示，从图1公式2可知，化学位移的大小与静磁场、屏蔽系数有关，也就是说同一分子内处于不同环境的同一种核在不同大小的静磁场下有不同的频率差异，比如三氯丙烷（CH3CCl2CH2Cl）有两种化学环境的氢质子，一个是甲基(-CH3)和亚甲基（-CH2）中的氢质子，如果此时将三氯丙烷置于分别置于60MHZ（大约1.4T）和100MHZ（大约2.35T）场强下，因屏蔽系数没有发生改变，频率差异只与场强有关，此时在60MHZ下-CH3的谱线位置在134hz处和-CH2的谱线位置在240hz处；在100MHZ下的谱线位置在400hz处和-CH2的谱线位置在223hz处，可以看出随着场强的不同，处于同一屏蔽下的核进动频率就不同，见下图图3
如果采用频率来表示化学位移，那么会因场强不同而变得繁琐，不够定性，为了解决这个问题，采用化学位移常数δ来表示化学位移，单位是ppm，其计算过程为图4公式，其中标准物通常取TMS［四甲基硅烷，Si(CH3)4）］通常人为规定TMS的化学位移常数δ为0，作为坐标原点（0点）。从公式4中可以看出，此时的化学位移就不与磁场有关，比如三氯丙烷中的-CH3在60MHZ和100MHZ下的化学位移δ皆是2.23ppm。
--------第一类化学位移效应--------
磁共振成像是对所有不同分子中的氢质子进行成像，所以化学位移存在在不同分子之间（或者同一分子内不同基团之间），直接表现就是各分子间的进动频率差异，这种差异就是第一类化学位移效应，分子间的频率差异可以用图5公式计算，以水脂为例，可以求得两者之间的频率差异（不同场强下差异不同，且与场强成正比），第一类化学位移效应在磁共振中有着非常重要的应用场景，比如利用频率法抑制脂肪信号时，再比如在进行频率校准的时候也要用到这方面的知识。
--------第二类化学位移效应--------
在射频脉冲之前，因质子间的进动频率不同，导致质子磁矩在横向平面内的相位不相干，总横向磁矩为零，脉冲作用后所有的横向磁化矢量相位相干，停止射频脉冲，横向磁化矢量由相位相干到相位不相干开始演变，以水脂为例，在某时间，两者的相位相差180°（π），以此类推就可以得出相位相干（2π）和相位相差π的时间，见图6公式1/2，在不同的时间点采集信号就可以将组织区分开来，这种利用相位效应被称之为第二类化学位移效应，这种化学位移效应常被用于DIXON水脂分离技术。
--------化学位移效应应用--------
关于化学位移应用，目前最为常见的有三种
磁共振波普成像
脂肪抑制或水抑制
定量（如脂肪定量等）
--------化学位移伪影--------
化学位移效应在磁共振成像中有着举足轻重的地位，有着明显的应用优势，但是在成像中也会产生伪影-化学位移伪影。化学位移伪影不同于其它伪影，其它伪影是仪器设备制造或参数误差造成的，而化学位移伪影是磁共振基本原理形成的，只能通过调节参数减轻。化学位移伪影也分为两种类型，一型化学位移伪影和二型化学位移伪影。
--------一型化学位移伪影--------
一型化学位移伪影又被称之为化学位移错配伪影，从前文可知，水和脂的进动频率有差异，且脂肪的进动频率比水慢，这里我们假设有一组织是有水和脂组成，在其一个方向上施加一个梯度（假设是频率编码梯度），射频脉冲是以水频率为中心的，因脂肪的进动频率低于水的进动频率，也就是说在高频的脂肪通过傅里叶转换后会被误以为是低频的水（高频的脂肪被移动到低频的水的位置），类似卷积。这个移动是可以被计算的，比如在1.5T上水脂频率差是215HZ，脂肪就向低频移动215HZ，还可以计算出移动多少像素，由图7公式计算。一类化学位移伪影常常在图像上表现为一条暗线和一条亮线，如图8，低频方向的脂肪向低频移动，造成低频方向水和脂的信号相减，表现为低信号；高频方向的脂肪向低频移动，造成高频方向水和脂的信号相加，表现为高信号。
--------二型化学位移伪影--------
二型化学位移伪影又被称之为化学位移消除伪影（或黑边伪影），仅存在反相位中，因进动频率的差异，水脂在某一时刻处于反相位（相位相差180°），此时的信号就是水信号减去脂肪信号，得到反相位的信号图，见图9，在反相位图上出现黑白伪影。二型化学位移伪影在对于评估病灶内是否含有脂肪时非常有用，其对脂肪的敏感性比频率法脂肪抑制更高
其实化学伪影伪影皆可出现在频率编码、相位编码及选择梯度方向上，因相位编码梯度是强梯度高带宽，且选择梯度有180°重建脉冲，因此化学伪影伪影一般出现在频率编码方向上，在EPI序列中因相位编码是弱梯度低带宽，因此在EPI序列中化学伪影伪影一般出现在相位编码梯度方向。化学伪影伪影在成像中既有利也有弊，比如二型化学伪影对于成像是有利的，而一型化学位移伪影是我们不想要的，此时要减轻化学伪影，可以通过图7的公式去减轻，如增加带宽、减小矩阵、增加体素大小，还可以利用脂肪抑制技术（用的比较多）。