Артефакт химического сдвига

Артефакт химического сдвига или пространственное смещение — это разновидность артефактов МРТ. Это частая находка на некоторых МРТ-последовательностях, используемая в магнитно-резонансной спектроскопии (MRS). Данный артефакт возникает в направлении частотного кодирования и обусловлен пространственным смещением молекул жира и воды.

Химический сдвиг обусловлен различиями между резонансными частотами жира и воды. Он возникает в направлении частотного кодирования, где происходит смещение отображаемых анатомических структур из-за того, что жир резонирует на несколько более низкой частоте, чем вода. По сути, это связано с эффектом экранирования ядра от внешнего статического магнитного поля (B_o) электронным облаком в большей или меньшей степени. Атомы кислорода в молекулах воды притягивают электронные облака и уменьшают электронные облака вокруг атомов водорода, тогда как в атомах водорода жира выраженного подобного эффекта не наблюдается. Чем меньше электронное облако, тем сильнее воздействие статического магнитного поля и тем выше частота прецессии. Таким образом, частота прецессии атомов водорода в воде выше по сравнению с водородом в жире. 

Ларморова частота, определяющая частоту, на которой резонирует конкретное ядро, формируется непосредственно на уровне ядра, и поэтому различные ткани имеют несколько отличающиеся ларморовы частоты в зависимости от их химического состава. 

Артефакт химического сдвига может возникать в направлении выбора среза по причине, аналогичной артефакту частотного кодирования. Поскольку положение среза зависит от частоты спинов, «изображение жира» смещено относительно «изображения воды». Толщина среза превышает величину смещения изображений воды и жира, что затрудняет выявление этого эффекта при рутинной визуализации.

Величина химического сдвига часто выражается в условных единицах, известных как миллионные доли (ppm) напряженности основного магнитного поля. Ее значение не зависит от напряженности основного поля и составляет 3.5 ppm для жира и воды; однако частота прецессии пропорциональна напряженности основного магнитного поля B_o. Например, при 1.5 T разница в частоте прецессии составляет 224 Hz. То есть жир прецессирует на 224 Hz медленнее, чем вода. При 1.0 T эта разница составляет 147 Hz. При меньшей напряженности поля (0.5 T или менее) она обычно незначительна.

В МР-спектроскопии сдвиг ларморовой частоты позволяет разделять различные химические пики. Фактическую величину химического сдвига в виде абсолютного значения измерить трудно, поэтому её представляют относительно эталона и выражают в миллионных долях (ppm).

Подтипы

При МРТ как в последовательностях спинового эха (SE), так и в последовательностях градиентного эха (GE) может наблюдаться пространственное смещение вследствие химического сдвига (артефакт химического сдвига 1-го типа). Смещение происходит в направлении частотного кодирования и проявляется в виде яркой полосы с одной стороны и тёмной полосы с другой стороны границы раздела между жировой тканью и мягкими тканями.

Помимо пространственного смещения, на GE-последовательностях может проявляться другой тип артефакта, вызванного химическим сдвигом, известный как артефакт черной границы или артефакт «тушевого контура» (артефакт химического сдвига 2-го типа). Этот артефакт приводит к появлению черной линии во всех направлениях на границах раздела жир-вода. В вокселях с примерно равным содержанием жира и воды спины жира и воды при определенных значениях времени эхо (TE) находятся в противофазе (180^o) из-за их химического сдвига или разницы частот, что приводит к взаимному гашению сигнала.

Эти эффекты могут использоваться для подтверждения, например, наличия внутриклеточного жира в очаге.

Способы устранения

• химический сдвиг увеличивается с ростом напряженности магнитного поля

• химический сдвиг увеличивается при снижении силы (крутизны) градиента

• артефакт химического сдвига зависит от полосы пропускания (bandwidth): чем уже полоса пропускания, тем более выражен химический сдвиг; увеличение полосы пропускания уменьшает проявление артефакта

• визуализация с жироподавлением может применяться для устранения пространственного смещения вследствие химического сдвига и артефакта черной границы

• использование последовательности спин-эхо вместо градиентного эха позволяет устранить артефакт черной границы, но не пространственное смещение из-за химического сдвига