磁共振波谱成像基本概念与参数解读（一）

虽然在前序的推文以及我个人2021年出版的《实用磁共振成像原理与技术解读》中都系统介绍过波谱成像的相关内容，但在实际工作中发现很多用户对于磁共振波谱成像的概念理解以及实战扫描中的质控因素都存在着这样或那样的问题。基于此，笔者将以GE磁共振设备为例从实战扫描的角度介绍一下波谱成像中的几个重要概念和质控因素。

波谱扫描的基本概念：这里要强调的基本概念是指波谱临床实际应用中几个相关基本概念，对于这些概念的理解和把握是合理开展波谱临床应用的基础。

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单体素、2D多体素、3D多体素波谱成像的基本概念：在波谱临床应用过程中经常会听到单体素、多体素、3D多体素等概念，这里作为具体使用者必须弄清楚这些基本概念，同时还需要了解这些不同的波谱成像各自合理的应用范围。虽然每个医院或者研究机构的使用习惯不同，但实际上清楚理解这些不同波谱成像的差别还是具有很重要的指导意义的。

1）单体素波谱成像：体素是数字化断层成像过程中非常重要的一个概念。使用者首先需要建立起清晰的像素、体素等基本概念。成像层面被成像采集时所采用的矩阵划分为很多小的单元，从层面角度看每个小单元就是一个像素，Picture Element,简写为Pixel，像素代表的是成像小单元面积的大小；但是当我们考虑到数字化断层成像的层面厚度时，这时我们就赋予每个小单元Pixel体积大小的概念，这就是我们说的体素，Volume Element即 Voxel，体素代表的是每个成像小单元的体积大小。虽然体素也是个三维立体概念，但切不要认为当体素大到一定程度就等于3D成像了。无论对于常规的磁共振成像还是波谱成像，我们所看到的信号或者谱线都是这个体素内所有组织成分的综合反映。显而易见，体素越大这种组织间的部分容积效应就越明显。因为波谱成像时所反映的组织内这些代谢物的含量与水相比都极低，这就导致波谱成像的信噪比相对更低，这也在客观上制约了单体素波谱成像时体素不能太小。单体素波谱成像为了保证谱线的质量能够满足诊断和分析的需求，通常体素大小会在2*2*2cm³。在某些特殊部位如海马区域扫描，为了减少单体素波谱成像时的部分容积效应，有些操作者追求更小的体素，但须知当体素的边长缩小时，从体素角度而言体积的减少就更明显，这会导致单体素波谱信噪比过低，谱线难以满足诊断和分析要求。

2）2D多体素波谱成像：相比于单体素波谱成像而言，2D多体素波谱成像是进行了一个层面的波谱成像，这个具体的成像层面被划分为很多一个一个的小单元即体素。因为在2D多体素波谱成像我们可以实现一次成像进行多区域对比，而这种对比的成像基础是化学位移效应，因此2D多体素和3D多体素又被称为2D或3D化学位移成像(Chemical Shift Imaging, CSI)。这里还是需要强调一下：虽然可以通过改变体素的厚度（相当于常规成像的层面厚度）来覆盖更大的范围，但这显然会导致明显的部分容积效应，因此不要企图通过增加体素厚度来实现更大范围的覆盖。

单体素波谱扫描参数界面

图片说明：在波谱成像参数界面单体素波谱的标志是：频率编码、相位编码和CSI层面都是“1”，这就说明是单体素波谱成像。虽然波谱成像界面可以看到Frequency这个标识，但在波谱成像时空间位置的标定是通过相位编码实现的，波谱成像不施加频率编码梯度。体素的大小可以在Length这里确认，这里可以看到体素大小是20*20*20（mm³）。

多体素波谱扫描参数界面

图片说明：在波谱成像扫描参数界面多体素波谱的标志是：频率（Frequency）、相位（Phase）编码数均大于1如“18*18”而CSI Slices是“1”，这就说明是2D多体素波谱成像。体素厚度（Voxel Thickness）决定了2D多体素波谱成像的层面厚度。

单体素与2D多体素定位示意图

图片说明：单体素波谱成像只有一个体素，而多体素波谱成像可以包括多个体素。无论是单体素波谱成像还是多体素波谱成像在定位过程中在矢状位或冠状位上所显示的虚线是波谱体素的中心，也是轴位上进行定位的图像的层面中心。不要在矢状位或冠状位上直接改变波谱成像的体素厚度，这样会导致波谱成像体素中心和定位像层面中心错位。在较老版本平台的后处理过程中可能会导致波谱没有融合的定位像。虽然新平台下后处理这个限制不严格，但可能导致定位像与波谱并非同一层面。

3）3D多体素波谱成像：与2D多体素波谱成像相比，3D多体素波谱成像不仅包含多个体素而且还包含多个层面。在临床实际使用过程中因为扫描时间的限制3D多体素波谱成像的应用没有2D多体素那么广泛。如果采用3D多体素波谱成像可以实现多个层面的连续分析。注意因为波谱成像和常规成像的方法不同，3D多体素波谱成像中成像时间相对较长。

3D多体素波谱成像参数界面

图片说明：3D多体素波谱成像在参数界面上的一个重要标志是：CSI Slices、Frequency、Phase均大于“1”，这就说明是多层、多体素即3D波谱成像（3D CSI）。

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不同成像模式的选择问题：既然波谱成像具有单体素、2D多体素、3D多体素几种不同的成像模式，那么我们在临床实际工作中该如何选择？这是很多用户经常问及的问题，也是一个没有标准答案的问题。我们在实际临床应用中具体选择哪种波谱成像既要建立在所要解决的临床问题之上，同时也需要使用者能够较为清晰的理解和掌握每种波谱成像方式的优点或不足。单体素波谱成像的体素相对较大，可以进行短TE成像，因此更有利于短T2物质成像。在弥漫性脑病如线粒体脑肌病或其他代谢性脑病可以进行单体素波谱成像。对于胶质瘤类病变有时进行单体素扫描对于显示肌醇这类物质更明显，这对于胶质瘤分级具有一定的帮助。相比于单体素波谱成像，2D多体素波谱成像可以实现一次成像多点对比分析，笔者更推荐作为脑内局灶病变特别是肿瘤类病变的波谱成像方式。以肿瘤类病变为例，进行2D多体素波谱成像时可以包括：病变、病变周围水肿区、病变周围正常组织，这样对于病变的诊断、鉴别诊断都有一定的指导意义。胶质瘤通常没有明确的边界，因此在其所谓周边水肿区内可能也有肿瘤细胞浸润，明确这一点就可以和转移瘤等脑外肿瘤进行鉴别。与单体素、2D多体素波谱成像相比，3D多体素波谱成像使用的相对较少，当然，它的好处是可以实现多层面、多区域对比分析。具体采用哪种方式的波谱成像建议使用者一定结合临床实际问题，对于初步使用波谱成像技术的用户而言可以在实际工作中多尝试、多对比。对于波谱成像技术本身的学习和对于波谱成像技术的临床应用都需要一个较长的自我学习和熟悉过程。

图片说明：单体素短TE（TE=35ms）波谱成像时可以明确显示肌醇峰和乳酸峰，这些对于分析肿瘤的生物学行为具有一定的指导意义。

图片说明：多体素波谱成像可以实现一次成像多区域对比分析。这里展示的是肿瘤病变的多体素波谱成像，在分析时显示：肿瘤实体区域呈比较典型的波谱表现，胆碱峰明显高于NAA峰，从胆碱峰到NAA峰呈“飞机降落”表现；而在肿瘤周边看似水肿区体素的谱线也呈这种类似改变，这提示水肿区有肿瘤细胞浸润。

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不同TE时间选择：关于TE时间选择也是波谱成像中大家比较困惑的一个问题，这里需要了解一个基本点是：波谱成像从对比度上属于T2对比加权，TE时间的长短对于波谱基线、代谢物显示的多少都有一定影响。有些代谢物含量很低或者T2弛豫时间很短，在长TE上会被衰减掉而无法显示。显而易见，短TE能够显示的代谢物内容更多，但这也会导致基线不平滑。长TE时波谱基线平稳，但很多微量代谢物无法显示。波谱成像中的TE时间的设定不是人为任意可调整的，这里面考虑到乳酸双峰J耦合的影响，TE时间被固定了几个特定的值。短TE在GE设备上设为35ms,而长TE时间可以是144或144的倍数。这个144ms就是根据乳酸双峰的J耦合计算出来的。乳酸双峰的信号取向受余弦函数调制，公式比较复杂，感兴趣可以阅读前面的推文或者我书中相关内容。但有一点希望大家记住：TE144时这个余弦函数是cosπ,这个值是“-1”，而当TE是288时相应的余弦函数是cos2π，这个值是“+1”。这样我们看到的乳酸双峰的信号就是相互颠倒的。

图片说明：不同TE时间乳酸双峰信号取向。注意当TE时间是35ms时，相应的余弦函数是cos(π/4),此时对应的函数值是0.707，信号取向为正。另外注意，相对于长TE时间而言，短TE35ms时显示代谢物多单基线不平稳。