基礎(chǔ)理論臨床磁共振波譜(MRS)

由于細(xì)胞內(nèi)富含大量的水分子和脂肪酸，因此大量、密集存在著氫質(zhì)子，能夠用來(lái)進(jìn)行成像和功能分析。隨著磁共振技術(shù)的發(fā)展，在體MRS已經(jīng)由氫譜分析進(jìn)一步擴(kuò)展為磷譜、碳譜、氟譜、鉀譜和鈉譜等，并提高譜線的分辨率，因而能夠?qū)罱M織的代謝過(guò)程進(jìn)行在體監(jiān)查。應(yīng)用磁共振波譜能夠在體非侵入性地觀測(cè)生物分子和代謝物的濃度，包括PH值和藥代動(dòng)力學(xué)等。本章只介紹當(dāng)前應(yīng)用于臨床診斷工作中的MRS?；A(chǔ)知識(shí)幾種MRS的旋磁比：1H(γ1H=2.675×10-8rad-1T-1),13C(γ13C=0.252×γ1H),19F(γ19F=0.941×γ1H),31P(γ31P=0.405×γ1H)。1HMRS氫譜

質(zhì)子是人體所有組織中，原子核濃度最高，化學(xué)位移?。?0ppm），要求譜的分辨率足夠高，要求高場(chǎng)強(qiáng)，高磁場(chǎng)均勻性，足夠的渦流補(bǔ)償，以減小信號(hào)畸變。磁共振信號(hào)主要來(lái)源于組織內(nèi)的水分子和脂肪酸。鑒于其他分子濃度低，化學(xué)位移小，而難于檢測(cè)。質(zhì)子磁共振波譜經(jīng)過(guò)抑水之后，能夠探測(cè)感興趣組織內(nèi)的代謝情況。31PMRS磷譜

31P

MRS也能夠相對(duì)容易的進(jìn)行在體觀測(cè)。由于敏感性相對(duì)高，較高的化學(xué)位移(大約200ppm)，可以觀察代謝物、高能量代謝物和中間能量代謝物，且譜線非常容易評(píng)價(jià)和理解。13CMRS碳譜

13C

MRS是最令人感興趣的MRS研究領(lǐng)域，因?yàn)樘荚爻霈F(xiàn)在所有的生化復(fù)合物中，然而磁共振的敏感性低。因?yàn)?/p>

13C旋磁比低，同位素濃度低(1.1%)，所以信噪比低，外源加入選擇性的13C標(biāo)記復(fù)合物(如，13C標(biāo)記的葡萄糖)能夠降低檢查上的限制，由于在

13C和1H核之間強(qiáng)列的無(wú)向量自旋-自旋耦合導(dǎo)致的譜線分裂，導(dǎo)致譜線更為復(fù)雜，而解譜困難。19FMRS氟譜

氟核的旋磁比與質(zhì)核相比較為接近，因此自旋頻率也相近，這減少了技術(shù)挑戰(zhàn)，如兩者的發(fā)射器，接收器和線圈設(shè)計(jì)等均可以非常接近。這都使得19F核能夠作為在體MRS被檢測(cè)元素。然而，其在體內(nèi)的生理濃度極低，低于檢出底線。結(jié)果，19F

MRS只能通過(guò)外源給予，而造成無(wú)背景的譜信號(hào)。其他核團(tuán)(23Na,

9Li,

39K)

23Na是活體組織第二高M(jìn)R信號(hào)，然而自由Na+只能得到在MRS觀察到自由離子所引起的一條線，幾乎不能提供什么信息。到目前為止，沒有應(yīng)用23Na檢查提供有用信息的報(bào)道。另外，強(qiáng)大的23Na共振允許進(jìn)行快速的MR成像。能夠觀察到細(xì)胞內(nèi)/外弛豫時(shí)間的差異，目前臨床上可以根據(jù)這一差異分析鈉-鉀泵的相關(guān)信息。目前幾乎沒有針對(duì)9Li和39K的在體研究報(bào)告。技術(shù)要求2.1靜磁場(chǎng)

與磁共振成像能夠在低于1.5T場(chǎng)強(qiáng)的磁共振上成像不同的是，MRS為了保證高分辨率，要求必須在高場(chǎng)或超高場(chǎng)磁共振上進(jìn)行。信噪比和譜分辨率都隨著場(chǎng)強(qiáng)的增加而提高。許多的在體MRS是在B0=1.5T上進(jìn)行的，而最近則更多的在B0=3T的掃描儀上進(jìn)行的。在有些檢查中心超高場(chǎng)磁共振的場(chǎng)強(qiáng)最高已經(jīng)達(dá)到10.4T。進(jìn)行高質(zhì)量的MRS的前提要求是外部場(chǎng)強(qiáng)盡量均勻，而且要求要遠(yuǎn)高于MRI。場(chǎng)的不均勻?qū)⒋蟠蠼档妥V的分辨率。

譜線的寬度由半高全寬(FWHM):

Δν1/2=1/(πT2*)表征，其中T2*是有效自旋-自旋弛豫時(shí)間。因此，在進(jìn)行MRS前，應(yīng)使局部B0場(chǎng)的均勻性更好，如通過(guò)機(jī)械勻場(chǎng)和手動(dòng)勻場(chǎng)使得水分子的譜線寬度Δν1/2(1H)最窄，這就是所謂的勻場(chǎng)。2.2射頻系統(tǒng)

用于質(zhì)子成像的射頻系統(tǒng)只有一個(gè)頻率，ν1H=63.866MHz（1.5T）(發(fā)射和接收)。對(duì)于多核磁共振波譜和射頻系統(tǒng)，必須要更寬的頻率范圍，激發(fā)不同同位素/元素自旋原子核，要求有各自的共振頻率(B1場(chǎng))(在B0為1.5T：ν31P=25.881MHz，ν13PC=16.062MHz)。檢測(cè)敏感性強(qiáng)烈的依賴于探頭(由RF線圈和前置放大器共同組成)。雙核線圈能夠按順序分別獲得氫核和其他非氫核波譜，這對(duì)于感興趣區(qū)的定位非常有意義。通常使用表面線圈，使得線圈距離身體表面盡量近，線圈的模式可以是鞍式，鳥籠式，亥姆霍茲線圈，以利于進(jìn)一步顯示深層結(jié)構(gòu)信息。對(duì)于雙核Χ-(1H)

MRS，第二個(gè)RF通道是不可少的(B2場(chǎng))，雙共振線圈，兩個(gè)RF共振電路，必須由RF過(guò)濾器進(jìn)行去耦。2.3解譜

最近臨床上應(yīng)用MRS的研究越來(lái)越多，然而，尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)流程，有許多方法可以評(píng)估在體MRS，即使是在基于不同的位置和邊界情況，且不知道具體代謝物時(shí)，也已經(jīng)將代謝物信息包含在譜線圖之內(nèi)了。總體來(lái)講，在頻域和時(shí)間域內(nèi)均有可能對(duì)譜進(jìn)行分析，為了評(píng)估MRS所得到的大量譜線，還廣泛采用了模式識(shí)別和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。在頻域內(nèi)進(jìn)行在體評(píng)估MRS是較為古老的方法，優(yōu)點(diǎn)是：在傅里葉變換后即能夠看到代謝物的譜線，對(duì)譜的定量化就是對(duì)譜線下面積的積分，（也就是在特定譜的范圍內(nèi)進(jìn)行信號(hào)的總和）；缺點(diǎn)是存在基線的變形，共振譜線的重疊，信噪比低等。而最終影響積分的結(jié)果，特別是對(duì)于在體磷譜時(shí)更明顯，可以通過(guò)參數(shù)擬合的方法，對(duì)譜線的參數(shù)進(jìn)行判定和定量化。進(jìn)行頻域的評(píng)估時(shí)還可能需要的幾個(gè)步驟：

·通過(guò)插零處理來(lái)增加圖像的分辨率；·經(jīng)過(guò)數(shù)字化濾過(guò)提高信噪比；·相位調(diào)整得到純的回波吸收信號(hào)（0階或1階處理）；·通過(guò)基線校正去除偽影和固定分子貢獻(xiàn)的信號(hào)（絕大多數(shù)為多項(xiàng)式功能）；·通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)擬合：譜峰位置，峰下面積（積分）。相位和基線校正等特別容易導(dǎo)致使用者依賴的系統(tǒng)誤差，這將限制數(shù)據(jù)處理的客觀性和重復(fù)性。擬合功能和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)頻域變換可以同時(shí)顯示，而且結(jié)果直觀，并能夠作為隨后進(jìn)行的交互式評(píng)價(jià)的結(jié)果。然而，對(duì)于參數(shù)的定量，在體波譜數(shù)據(jù)的評(píng)估算法應(yīng)該具有高自動(dòng)化和穩(wěn)定性的特征，并且對(duì)于低信噪比所致的譜線重疊時(shí)，仍然能夠進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。有時(shí)在時(shí)間域內(nèi)，上述頻域內(nèi)的一些缺點(diǎn)可能出現(xiàn)，但是優(yōu)點(diǎn)是不需要預(yù)設(shè)初始參數(shù)，并非必須進(jìn)行交互步驟；另外，也能去除可能造成寬譜背景信號(hào)的弛豫信號(hào)成份。然而，在信噪比較低時(shí)，線性預(yù)測(cè)和奇異值分解具有較高的出錯(cuò)幾率，是其主要的缺點(diǎn)，代謝物的實(shí)際濃度值與頻域中判定的值可能存在較大偏差。對(duì)上述信息的整合，可以實(shí)現(xiàn)更加自動(dòng)化的擬合，特別是對(duì)于短TE磁共振波譜是更加重要。對(duì)波譜圖像資料的自動(dòng)評(píng)估有特殊的要求，這些數(shù)據(jù)通常信噪比低，背景信號(hào)高，自動(dòng)區(qū)分代謝物的譜峰的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度可能困難。比如來(lái)自表淺組織的信號(hào)可能包含更多的皮下脂肪的信息，臨近氣-骨界面的信號(hào)可能受到磁化率偽影的影響，最終造成低信噪比和背景信號(hào)的分布可能存在差異。另外，選擇性的水抑制脈沖可能具有空間分布上的差異，而這也可能給信號(hào)造成不可預(yù)知的影響，然而，因?yàn)楸尘靶盘?hào)具有不可預(yù)知性，利用參數(shù)化模型來(lái)擬合背景信息的功能現(xiàn)在還不能實(shí)現(xiàn)。

圖1前列腺1HMRS通過(guò)模式識(shí)別獲得的腫瘤可能發(fā)生的概率圖，紅色區(qū)域表明典型腫瘤波譜區(qū)的位置，而綠色區(qū)域?yàn)榻】登傲邢俳M織的譜線分布區(qū)

化學(xué)位移成像磁共振波譜成像應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因?yàn)楫a(chǎn)生大量的磁共振波譜圖，這對(duì)臨床診斷提出新挑戰(zhàn)，而一個(gè)可能的替代方法就是利用模式識(shí)別。模式識(shí)別要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，如首先可以通過(guò)一次或少數(shù)幾次試驗(yàn)收集具有代表性的MRS進(jìn)行數(shù)據(jù)，分配到相對(duì)固定的組織中，經(jīng)過(guò)分類后，將未知的譜圖的模式劃分到最初由專家決定的組別中去，以此避免定量化。一旦訓(xùn)練完成，機(jī)器分類即在可單位體積內(nèi)，判定屬于某些組織結(jié)構(gòu)的可能性，如判定屬于腫瘤還是健康組織。相應(yīng)的可能性的圖就能自動(dòng)計(jì)算出來(lái)，而通過(guò)透明化后與傳統(tǒng)磁共振成像的融合，如T2加權(quán)，最終得到化學(xué)位移成像。最新算法的改進(jìn)能夠獲得腫瘤可能發(fā)生的分布圖，對(duì)偽影具有很好的抑制效果，而且在不同患者之間也能得到很好的一致性。3.1定位技術(shù)

為了在特定部位得到MR信號(hào)，必須采用特殊的定位技術(shù)，因此出現(xiàn)了眾多的定位技術(shù)，其中只有很少的幾種被廣泛使用：包括表面線圈法，單體素技術(shù)(如，ISIS，STEAM，雙自旋回波)和化學(xué)位移成像(CSI)(=磁共振波譜成像[SI])。利用表面線圈法定位

該法是最簡(jiǎn)單的定位方法，可以用來(lái)定位骨骼肌，肝臟等?？梢酝ㄟ^(guò)線圈的直徑來(lái)大致估算接收/發(fā)射線圈穿入的深度，根據(jù)這種技術(shù)來(lái)劃分單位容積內(nèi)的組織。該方法的主要缺點(diǎn)是：線圈的敏感性與組織深度有關(guān)（射頻場(chǎng)造成的場(chǎng)的不均），導(dǎo)致近線圈效應(yīng)。使用選擇飽和脈沖或選擇激發(fā)某一層組織能夠改進(jìn)感興趣區(qū)（VOI）的邊界。圖2通過(guò)表面線圈進(jìn)行MRS的定位，表面線圈（SFC，surfaecoil）定位于感興趣區(qū)上，在使用RF線圈對(duì)自旋質(zhì)子進(jìn)行激發(fā)之后，MR信號(hào)（S）就能夠探測(cè)到（1-脈沖序列）；而不施加磁場(chǎng)梯度（G）；線圈敏感性隨著與線圈距離的增加而降低（B1場(chǎng)不均勻性）

單體素定位技術(shù)

該技術(shù)能夠測(cè)定單個(gè)立方或長(zhǎng)方體內(nèi)組織的MRS信號(hào)，對(duì)于1HMRS,可以使用兩種序列進(jìn)行定位(STEAM,PRESS)；ISIS應(yīng)用很少，主要用于定位

31PMRS。STEAM技術(shù)

最為常見的定位單體素

1HMRS的方法。該方法采用一連串3個(gè)層選方向上的90°脈沖，產(chǎn)生一個(gè)刺激回波。該采集技術(shù)能夠進(jìn)行局部勻場(chǎng)（使得VOI內(nèi)靜磁場(chǎng)B0的不均勻性最小），使得譜線的寬度小于0.1ppm(FWHM6Hz，B0=1.5T)。通過(guò)所謂的化學(xué)位移選擇脈沖(CHESS)，并結(jié)合低帶寬來(lái)抑制水的高信號(hào)，該脈沖在應(yīng)用于3個(gè)π/2選層脈沖之前，獲得高度均勻的B0場(chǎng)，補(bǔ)償梯度脈沖引起的渦流，應(yīng)用損毀梯度來(lái)抑制不想要的回波信號(hào)，最終獲得高分辨率，高質(zhì)量的在體

1HMRS。

PRESS技術(shù)

PRESS較STEAM序列得到的MRS具有更高的信噪比，定位的方法是通過(guò)層選擇脈沖鏈π/2-T1-π-T2-π。圖3單體素波譜定位技術(shù)a通過(guò)一系列3個(gè)選層90°脈沖（激勵(lì)回波[STEAM]:90°–TE/2–90°–TM–90°–TE/2-STE)）位于立方體或似立方體內(nèi)的回波信號(hào)能夠讀出（灰色選層梯度，R梯度重聚相，D散相梯度）；水分子的質(zhì)子共振信號(hào)能夠通過(guò)窄帶寬的Gaussian帶寬（CHESS）技術(shù)進(jìn)行抑制；b第二個(gè)Hahn自旋一系列選層的90°和180°回波就是自旋信號(hào)（雙自旋回波[DSE]:90°–TE1/2–180°–TE1/2–SE1–TE2/2–180°–TE2/2–SE2）,可以定位于3個(gè)互相垂直的定位層面

3.2波譜成像（化學(xué)位移成像）

波譜成像中利用梯度場(chǎng)對(duì)MR信號(hào)進(jìn)行空間編碼的原理幾乎與MRI成像完全相同，只是在讀出過(guò)程中，不施加梯度，因此能夠保留波譜信息。3DMRS需要3個(gè)相位編碼梯度。梯度場(chǎng)強(qiáng)度逐步增加，對(duì)于每一個(gè)融合的梯度值均采集到一個(gè)磁共振信號(hào)，這樣相位信息中就包含了空間編碼信息。對(duì)于一系列完整的3D波譜圖，n個(gè)梯度值（相位編碼步），必須進(jìn)行n3次測(cè)量，但是當(dāng)采集的是2D波譜圖時(shí)，采集的數(shù)據(jù)將明顯減少。自旋-自旋耦聯(lián)

正如前面所提到的，在體MRS的特點(diǎn)之一是譜線的信噪比低，譜的空間分辨率有限。其中的原因是，局部磁敏感不同和多重代謝物的重疊及譜線變寬和自旋-自旋導(dǎo)致的譜線的分裂。自旋-自旋耦聯(lián)(J耦聯(lián))導(dǎo)致寬譜線，大范圍，弱耦聯(lián)和多個(gè)分裂峰(窄范圍，強(qiáng)耦聯(lián))。圖4乙醇的質(zhì)子波譜(CH3–CH2–OH)a3個(gè)1H共振峰分別表示羥基，亞甲基和甲基；在共振譜線下面積的比例為1:2:3因此與3種原子基團(tuán)的比例對(duì)應(yīng)；b如譜線分辨率改善，能夠觀察到共振峰的分裂（自旋-自旋耦聯(lián)）；亞甲基基團(tuán)能夠分為四部分，信號(hào)強(qiáng)度的比例為1:3:3:1，甲基基團(tuán)分為三部分時(shí)，比例為1:2:1圖13.5兩個(gè)自旋子系統(tǒng)AX(IA=1/2,IX=1)的自旋-自旋耦聯(lián)，當(dāng)無(wú)自旋-自旋耦聯(lián)，僅能在共振頻率γA和γX處夠觀察到單一共振線，A和X峰；如果兩個(gè)核出現(xiàn)耦聯(lián)，A峰將分裂為三重峰，而X峰則分裂為雙峰；分裂模式由鄰近原子核的自旋狀態(tài)個(gè)數(shù)決定，鄰近線之間的距離JAX是等間距的，且間距相同

為了方便理解譜線，先介紹一些有關(guān)自旋-自旋耦聯(lián)方面的基礎(chǔ)知識(shí)。我們經(jīng)常能夠看到許多MRS的譜峰不是化學(xué)位移所致，在主峰旁邊出現(xiàn)分裂的小峰，而這些分裂的線就是所謂的自旋-自旋耦聯(lián)。該名詞代表分子內(nèi)核-核之間的弱相互作用(通過(guò)化學(xué)鍵之間的電子引起)。我們可以假想，一個(gè)分子由兩個(gè)原子核構(gòu)成，A和X，通過(guò)電子鍵捆綁到一起。(如，H-F)。原子核X的磁矩μ∧導(dǎo)致一個(gè)弱磁場(chǎng)，將干擾電子的躍遷。由于電子軌道的變化，在原子核A附近產(chǎn)生附加的磁場(chǎng)，相應(yīng)的磁矩μX就是其強(qiáng)度；而共振頻率依賴于原子核X的磁共振自旋量子數(shù)mX

。對(duì)于一個(gè)給定值IX，我們能夠發(fā)現(xiàn)原子核A共振峰分裂為2IX+1條線，相應(yīng)的自旋狀態(tài)也存在2IX+1種。鄰近線之間的間隙幾乎相等并且譜峰相同；所謂的耦合參數(shù)JAX(Hz)。由于自旋-自旋相互作用僅由磁矩μA和μX決定，耦合常數(shù)的幅度值JAX是固定的，與靜磁場(chǎng)無(wú)關(guān)，與化學(xué)位移的場(chǎng)強(qiáng)依賴特性完全不同。該問(wèn)題也可以放到更為復(fù)雜的自旋系統(tǒng)中去。如，考慮1/2原子核A自旋與三個(gè)等量的1/2原子核X

(AX3

自旋系統(tǒng))，總共就有8種可能的自旋方向。如果，存在兩種自旋狀態(tài)，并分別表示為↑和↓，那么這些狀態(tài)包括

↑↑↑，↑↑↓，↑↓↑，↓↓↑和↓↓↓。由于自旋狀態(tài)↑↑↓，↑↓↑，↓↑↑和↑↓↓，↓↑↓，↓↓↑能量相等，我們能夠觀察到A的共振峰的分為4個(gè)子集，相應(yīng)的分布密度為1:3:3:1(如下圖)。圖4-原子自旋系統(tǒng)AX3（IA=IX=1/2）共振分裂峰分布圖，A原子核被鄰近的3個(gè)同種原子核包圍，可能出現(xiàn)8種不同的共振可能，以箭頭表示X原子核的兩種自旋方向↑

和↓，自旋組合包括↑↑↓，↑↓↑，↓↑↑，↑↓↓，↓↑↓，↓↓↑能量相等，因此，4重峰分布為1:3:3:1

注意：如果原子核A與幾個(gè)磁不等價(jià)的原子核耦聯(lián)(如，與A-M-X自旋系統(tǒng)耦聯(lián)，常數(shù)為JAM和JAX)，共振峰分裂為多重峰，也能成功得到分裂模式，如上述的法則一樣，僅應(yīng)用于弱耦聯(lián)系統(tǒng)。由于存在化學(xué)位移，導(dǎo)致共振的頻率不同，進(jìn)而導(dǎo)致耦合常數(shù)J變小。如果上述情況不能滿足，如高階譜，那么就不能利用上述原理來(lái)解釋，正因如此，對(duì)高階譜的分析十分困難，因此發(fā)展出了特殊的雙回波技術(shù)來(lái)進(jìn)行自旋-自旋解耦。雙回波技術(shù)

雙回波技術(shù)廣泛應(yīng)用于高分辨率NMR，能夠改進(jìn)S/N和譜分辨率。通過(guò)該技術(shù)不僅能夠激發(fā)感興趣原子核(如13C,

19F或31P)的共振峰，而且能夠激發(fā)尚未知曉的質(zhì)子產(chǎn)生共振峰。目前存在兩種異核X-(1H)雙共振技術(shù)：自旋解耦（寬帶1H解耦）和動(dòng)態(tài)核自旋極化，兩者均能夠大幅提高譜線的質(zhì)量，該改善效果在

13CMRS極為顯著，因?yàn)樘寂c質(zhì)子直接耦合，如脂肪酸中的(-CH2-)基團(tuán)，與

13C耦合更為強(qiáng)烈。質(zhì)子自旋系統(tǒng)受激發(fā)后能夠與感興趣的原子核(如13C)去耦聯(lián)，如果第二個(gè)RF場(chǎng)B2足夠高，則會(huì)出現(xiàn)湮滅，總的信號(hào)將會(huì)匯集為一個(gè)單一窄峰。在體

31PMRS，PME和PDE譜可以通過(guò)

1H去耦的方式解譜。如果因?yàn)楫惡伺紭O子-偶極子相互作用造成核自旋弛豫，以一定質(zhì)子共振頻率，選擇性激發(fā)導(dǎo)致感興趣的原子核(13C，19F，31P)的信號(hào)增強(qiáng)。在雙回波實(shí)驗(yàn)中，液體內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的變化的偶極耦聯(lián)原子核是NOEs；在與自旋去耦相反的實(shí)驗(yàn)中，選擇性的飽和自旋躍遷的質(zhì)子自旋系統(tǒng)，能夠在判定感興趣核團(tuán)之前就進(jìn)行，最終信號(hào)的增強(qiáng)依賴于兩個(gè)受激發(fā)自旋系統(tǒng)之間延遲的時(shí)間。(注：如果使用短TR，在自旋去耦試驗(yàn)中NOE也能夠觀測(cè)到，NOE也能用來(lái)改進(jìn)13C和

19FMRS的S/N)。

在體MRS的局限性由于MRS的敏感性較低使其存在物理限制。另外還有關(guān)于代謝物，測(cè)量時(shí)間，空間和時(shí)間分辨率的限制等。磁共振的敏感性限制是由于量子的能量極低，要較可見光和γ光譜等小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，MR探測(cè)的光子的能量較用于PET成像的湮滅光子能量低1012倍。通過(guò)延長(zhǎng)時(shí)間可能改善信噪比，然而在臨床工作當(dāng)中，增長(zhǎng)檢查時(shí)間很可能是不可行的，必須盡量降低時(shí)間。

圖5

31P–(1H)雙共振亞甲基二磷酸的31PMRS，化學(xué)式CH2[P(O)(OH)2]2，在1.5T掃描儀上采集，無(wú)（a）和有（b）1H解耦聯(lián)；31P-1H自旋-自旋相互作用的耦聯(lián)常數(shù)為JPH=20.1Hz，由于在使用WALTZ8脈沖鏈對(duì)磷自旋子進(jìn)行探測(cè)時(shí)質(zhì)子被激發(fā)，使得三重峰（a）的分裂無(wú)法觀察到；能夠觀察到另外的放大后信號(hào)[31P–(1H)–NOE]

細(xì)胞代謝探測(cè)的敏感性

MR的敏感性由旋磁比(ν)、同位素的自然豐度，組織內(nèi)的濃度共同決定。組織內(nèi)的水的濃度為40–50mol/kg，而PCr的濃度低于40mmol/kg。PCr的共振信號(hào)小于質(zhì)子的信號(hào)，不僅是因?yàn)樾疟刃?，也是因?yàn)榱缀说臐舛鹊?，后者較氫核低個(gè)數(shù)量級(jí)。為了能夠使在體

31PMRS得到和氫譜相同信噪比，VOI必須盡可能的增加。12C是含量最為豐富的元素之一，但是自旋質(zhì)子為0，不貢獻(xiàn)磁共振信號(hào)。與1H相比，12C的微量同位素13C的信號(hào)強(qiáng)度要低4個(gè)數(shù)量級(jí)。除了上述的事實(shí)外，分子的運(yùn)動(dòng)也很重要，其大小用運(yùn)動(dòng)相關(guān)時(shí)間τC來(lái)描述，感興趣的核團(tuán)受到約束。分子的運(yùn)動(dòng)受到細(xì)胞膜和固體結(jié)構(gòu)（骨）的限制，這意味著τC長(zhǎng)，導(dǎo)致自旋-自旋弛豫時(shí)間T2*延長(zhǎng)，造成譜峰增寬，而最終導(dǎo)致單個(gè)峰不能夠分辨出來(lái)。最終的結(jié)果是組織內(nèi)的高濃度的分子因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)受限也不能檢出。

圖6

13C-MRSa在體13C-MRS對(duì)健康志愿者的腓腸肌進(jìn)行檢查，所有原子核信號(hào)均來(lái)源于組織中自由脂肪酸的碳，共振峰分裂為多組（由于脂肪酸中

13C與質(zhì)子的自旋-自旋耦聯(lián)）和信號(hào)存在疊加使得對(duì)譜峰的分辨和定量困難；b

13C–(1H)雙共振，質(zhì)子解耦13CMRS,同一志愿者，采用WALTZ-4脈沖序列激發(fā)質(zhì)子，實(shí)現(xiàn)去耦聯(lián)和對(duì)13CMRS譜峰信息的簡(jiǎn)化，脂肪酸內(nèi)的所有

13C共振峰均能夠進(jìn)行分辨

圖7

31P–(1H)雙共振

31PMRS，健康志愿者腓腸肌的在體檢查（B0=1.5T），（a）和（b）分別為不存在和存在1H解耦聯(lián)，在探測(cè)磷原子自旋的自由衰減過(guò)程中使用的質(zhì)子激發(fā)脈沖導(dǎo)致PDE（磷酸二脂）譜線寬度減小，和所有共振信號(hào)增高,其中PME指磷酸一脂(phosphomonosters)；（c）對(duì)1H-解耦31PMRS譜線的Lorentzian線擬合，在PDE譜線范圍內(nèi)，甘油磷酰膽堿（GPC）和甘油磷酰乙醇胺（GPE）的信號(hào)能夠分離出來(lái)

代謝物的絕對(duì)濃度

在體MRS的一個(gè)重大課題是對(duì)MRS能夠檢測(cè)到的物質(zhì)的絕對(duì)濃度定量。代謝物波譜的峰下面積可以代表濃度，但是這只有當(dāng)翻轉(zhuǎn)角（與B1強(qiáng)度成正比）在整個(gè)線圈所包括的容積內(nèi)都保持恒定時(shí)，才成立。這時(shí)參考樣本定位和進(jìn)一步的縱向弛豫均完成（TR>5T1）。事實(shí)上，B1場(chǎng)局部的差異固有的，而后者用于計(jì)算參考樣本的位置，定位在線圈內(nèi)部而非感興趣區(qū)的外部時(shí)就可能導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生。換句話，通過(guò)參考樣本和代謝物的旋磁比，不能直接計(jì)算組織內(nèi)的代謝物的濃度。線圈B1場(chǎng)分布的理論計(jì)算可以使用Biot-Savart法則（磁場(chǎng)強(qiáng)度和線圈導(dǎo)線內(nèi)的電流之間相互作用）。然而，B1場(chǎng)在組織或身體內(nèi)的分布是非常難測(cè)準(zhǔn)的，附加效應(yīng)(如介電效應(yīng))對(duì)磁場(chǎng)分布的改變尚未知曉。不僅是B1場(chǎng)空間上的不均勻性，而且長(zhǎng)的T1

時(shí)間(如PCr的T1約6s)也阻礙著通過(guò)31PMRS對(duì)組織內(nèi)的磷代謝濃度進(jìn)行精確測(cè)定。在體MRS檢查，TR

=30s將導(dǎo)致檢查時(shí)間大大延長(zhǎng)，不能為病人所接受。然而，另一方面，校正由于部分飽和效應(yīng)，系統(tǒng)錯(cuò)誤和不確定性等原因?qū)π盘?hào)強(qiáng)度的影響。通過(guò)選層激發(fā)(如，STEAM或2DCSI)進(jìn)行定位，會(huì)引入更多問(wèn)題，尤其是當(dāng)使用強(qiáng)化學(xué)位移的核(如，13C，19F)時(shí)。依賴化學(xué)位移，激發(fā)的VOI對(duì)于不同的代謝物發(fā)生空間位置的變遷，使得定量化變得更加復(fù)雜并易出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。對(duì)于1HMRS后者不再是主要問(wèn)題，較為穩(wěn)定的定量測(cè)量的方法正在不斷發(fā)展，對(duì)于腦內(nèi)1HMRS，可重復(fù)性已經(jīng)得到證實(shí)。臨床MRS

目前，在體1HMRS是應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，主要是腦，前列腺和乳腺。1HMRS在腦內(nèi)能夠取得高度均勻的局部磁場(chǎng)，這是因?yàn)榻M織內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻，感興趣區(qū)能夠定位到磁場(chǎng)中心，另外，只需抑制水的信號(hào)，正常情況下無(wú)運(yùn)動(dòng)的脂質(zhì)。圖中示意局部1HMRS，分別利用短和長(zhǎng)TR，NAA的共振峰在2.02和2.70ppm，肌酸和磷酸肌酸((P)Cr在3.03和3.93ppm，Cho峰3.22ppm和mI在3.56ppm，Glx定位在2.1–2.5ppm和3.6–3.9ppm。Cho，Cr，NAA，lactate(Lac)，lipids(Lip)自由共振的甲基集團(tuán)在1.5T，T1弛豫時(shí)間是1s，而T2弛豫時(shí)間大于200ms，而其他代謝物的TE短。因此，Cho，Cr，NAA，Lac和Lip的共振峰能夠在長(zhǎng)TE(TE

=135ms或270ms)時(shí)觀察到。使用長(zhǎng)TE有幾個(gè)附加的優(yōu)點(diǎn)：·短T2弛豫時(shí)間分布的組份，由于已經(jīng)充分弛豫而得到較好的抑制；·水抑制更加有效；·共振譜線之間的交疊更不明顯；·基線的扭曲顯著的受到抑制；NAA在腦內(nèi)廣泛而大量的存在，主要用于標(biāo)志神經(jīng)元，因此有理由假設(shè)腦內(nèi)1HMRSNAA信號(hào)源自神經(jīng)元和軸突，雖然有研究提出少突膠質(zhì)細(xì)胞的前體細(xì)胞也存在NAA。到目前為止，NAA的功能還在深入研究中，最近的研究發(fā)現(xiàn)NAA及NAAG（谷氨酸化的NAA）在神經(jīng)元-神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞信息交流中起重要作用。另外，NAA可作為重要的蛋白和神經(jīng)遞質(zhì)，而NAAG可能是NAA在神經(jīng)元內(nèi)的儲(chǔ)存形式。NAA的缺少可能表明神經(jīng)疾病，即神經(jīng)元或神經(jīng)軸突的損傷，如，腦梗塞，水腫，腫瘤，多發(fā)硬化或顳葉癲癇等。因此，NAA即是所謂的神經(jīng)元標(biāo)識(shí)物。在所有的

1HMRS代謝物中，NAA是最具臨床價(jià)值的，因?yàn)镹AA提供了有關(guān)神經(jīng)元完整性方面的信息。例如，NAA的信號(hào)預(yù)測(cè)創(chuàng)傷預(yù)后，炎癥和缺氧缺血后神經(jīng)系統(tǒng)的損傷（包括新生兒和嬰兒）。(P)Cr回波有一致的化學(xué)位移并且在1HMRS中表現(xiàn)為兩個(gè)峰，位置分別為3.03和3.93ppm。為了進(jìn)行定量，只計(jì)算較為重要的3.03ppm的峰，因?yàn)槠渌恢玫姆迮c水峰接近，可能受其影響。ATP是最為重要的化學(xué)能量來(lái)源，而PCr是能量最重要的儲(chǔ)存形式，能夠迅速將能量轉(zhuǎn)移給ATP。反過(guò)來(lái)ATP也能夠在肌酸激酶的催化下將能量轉(zhuǎn)移給Cr進(jìn)行儲(chǔ)存能量，PCr是腦內(nèi)和肌肉內(nèi)高能磷酸鍵的儲(chǔ)存形式，并且在ATP和ADP之間的平衡起到緩沖劑的作用，因?yàn)樵谶@些部位經(jīng)常需要能量的大量轉(zhuǎn)換。(P)Cr經(jīng)常用作內(nèi)參。然而，腦缺血和腦腫瘤可能顯著改變(P)Cr峰下積分的面積。另外，肌酸的濃度依賴于肝臟和腎的合成能力及對(duì)腦和肌肉的血運(yùn)情況。正常情況下，絕大多數(shù)的膽堿都是與細(xì)胞膜結(jié)合的形式存在(磷酸卵磷酯)，由于其主要結(jié)合于細(xì)胞膜上而限制其共振，因此T2弛豫時(shí)間短，不能在體測(cè)量。包含Cho的復(fù)合物包括：水溶的膽堿復(fù)合物磷酸膽堿(PC)，甘油磷酰膽堿（GPC），自由膽堿，CDP膽堿，乙酰膽堿，縮醛磷脂類膽堿等。然而，在對(duì)病人和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的研究中發(fā)現(xiàn)，主要的信號(hào)仍然是來(lái)自PC和GPC，不可能通過(guò)1HMRS來(lái)分別觀察之，但是可以通過(guò)31PMRS來(lái)檢測(cè)。

糖醇，肌醇(mI)是星形細(xì)胞的標(biāo)記物，具有維持細(xì)胞滲透壓的功能。mI是復(fù)雜代謝過(guò)程的中心環(huán)節(jié)，因此了解mI的濃度改變極為困難；另外，mI共振中存在一磷酸肌醇，鯊肌醇，甘氨酸等共同的貢獻(xiàn)，所以對(duì)mI的解釋變得更加困難。谷氨酸甲基(β-和γ-甲基基團(tuán))的共振峰能夠在2.1–2.5ppm位置探查到，而利用短TE在3.6–3.8ppm處檢測(cè)到α-甲基基團(tuán)，這些代謝物常常在肝性腦病和癡呆病人中表現(xiàn)出異常。在病理?xiàng)l件下，自由脂肪酸（lip）能夠在0.9–1.3ppm范圍內(nèi)觀察到，而乳酸(Lac)峰在1.3ppm。通常情況下，膜的脂質(zhì)作為生物膜的一部分，也是由于其分子結(jié)構(gòu)，限制了運(yùn)動(dòng)能力，造成T2弛豫時(shí)間明顯變短，而不能利用在體磁共振觀察到。然而，壞死，炎癥和腫物侵襲等組織內(nèi)的脂質(zhì)是可以觀察到的。乳酸作為無(wú)氧糖酵解的終產(chǎn)物能夠在病理?xiàng)l件下通過(guò)在體MRS（TE=135ms）觀察到，如探測(cè)到乳酸則表明供氧不足，或呼吸鏈出現(xiàn)異常。乳酸共振峰的特點(diǎn)是由特征性的β-甲基，在J約7Hz時(shí)出現(xiàn)分裂，TE=135ms時(shí)是倒置的雙峰。在腦水腫和腦腫瘤中，除了脂質(zhì)和乳酸外，甘氨酸，纈氨酸，亮氨酸，異亮氨酸，及乳酸和琥珀酸的共振都能夠檢測(cè)到。

圖10在體1HMRSa26歲健康自愿者頭T2軸位（SE2,800/90）標(biāo)記處為

1HMRS定位的組織區(qū)域(VOI=2×2×2cm3)；b在組織a中，水抑制后的1HMRS，水中質(zhì)子的殘余共振(化學(xué)位移δ

=4.70ppm)未能在圖中顯示；應(yīng)用1HMRS能夠顯示的基團(tuán)已經(jīng)在圖中給出：自由脂肪酸的共振（δ=0–2.4ppm）在腦內(nèi)不能觀察到。與正常的組織結(jié)構(gòu)比較，腫瘤譜線表現(xiàn)為膽堿峰（δ

=3.22ppm）的增高和NAA(δ

=2.01ppm)峰的降低。δ=1.33處，乳酸的β-甲基-質(zhì)子雙峰能夠發(fā)現(xiàn)（頭線圈，STEAM序列，VOI=3×3×3cm3，TR=1,500ms,echotimeTE=45ms,間隔TM=30ms,采集次數(shù)AC=256,B0=1.5T）；c

1HMRS采用較長(zhǎng)的TETE=270ms,Cho,[P]Cr,和NAA共振峰凸顯，其他共振峰因?yàn)檩^短的T2弛豫時(shí)間而被抑制；d

腓腸肌

1HMRS（健康自愿者），組織中水分子的質(zhì)子和脂肪酸中CH2和CH3質(zhì)子的共振峰31PMRS

MRS在人體的檢查不僅用于檢查質(zhì)子(1H)，也能夠檢查

31P。這主要是因?yàn)閷?duì)P有相對(duì)高的敏感性，另一方面是

31PMRS能夠被確切無(wú)誤的解讀。31PMRS能夠在體研究細(xì)胞能量代謝情況，磷脂的代謝和中間步驟等。31PMRS通常表現(xiàn)α-，β-，γ-5'NTP

(PCr)(不在肝臟波譜中出現(xiàn))和無(wú)機(jī)磷酸鹽(Pi)。PME和PDE的高共振信號(hào)是由幾種成份構(gòu)成的，其分布是通過(guò)在高場(chǎng)強(qiáng)情況下對(duì)組織提取物的檢測(cè)得到的，這些試驗(yàn)中，磷酸乙醇胺（PE）和磷酸膽堿（PC）作為細(xì)胞膜磷脂代謝的前體物質(zhì)，分別為sn-3-磷脂酰乙醇胺和sn-3-磷酸卵磷酯，與PME作為信號(hào)分子的腫瘤波譜完全相同，這些磷脂的降解產(chǎn)物-甘油磷酰乙醇胺(GPE)和甘油磷酰膽堿（GPC）出現(xiàn)在共振譜中。總體來(lái)講，NDP,AMP,IMP,(NAD+,NADH,NADP+,NADPH),和(G-6-P)不能通過(guò)在體31PMRS（1.5T）進(jìn)行區(qū)分。NTP共振中包含有ATP的信號(hào)，ATP是最重要細(xì)胞化學(xué)能量的載體，是磷酸激酶的底物，作為高能磷酸鍵的暫時(shí)儲(chǔ)備形式。在氧供應(yīng)充足時(shí)，ATP通過(guò)細(xì)胞內(nèi)的有氧糖酵解（胞漿）和氧化磷酸化（線粒體）產(chǎn)生，ATP的濃度保持恒定，如果能量需求增加，ATP很快合成，通過(guò)肌酸激酶催化：簡(jiǎn)化為：

圖11肌肉（a）和腫瘤（b）31PMRS信號(hào)組成成份，對(duì)于有些代謝物，分子結(jié)構(gòu)式在圖像下面，圖中表示了所有

31PMRS能夠探測(cè)到的磷酸代謝物，峰下面積代表對(duì)應(yīng)代謝物的濃度（理想條件下，TR≥5·T1，B1場(chǎng)在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中是均勻的）最終的結(jié)果：，

增加的水解產(chǎn)物ATP，促發(fā)糖酵解途徑；而如果氧供應(yīng)不充足時(shí)，ATP通過(guò)無(wú)氧糖酵解合成，最終產(chǎn)物為乳酸(Lac)。組織中的乳酸酸中毒就能夠通過(guò)無(wú)創(chuàng)的31PMRS檢測(cè)出來(lái)，因?yàn)闊o(wú)機(jī)磷酸的共振頻率是pH值依賴的。另一方面，乳酸可以通過(guò)1HMRS直接檢測(cè)到，Pi的相對(duì)化學(xué)位移相對(duì)于PCr后者的共振峰的位置非pH值依賴，以此能夠判定細(xì)胞內(nèi)的pH；H3PO4在水中分解出H2PO4-，pKa約等于2

；而后者在pKa約等于7

時(shí)能夠進(jìn)一步分解為HPO42-。pKa是相對(duì)于pH值（測(cè)量氫離子濃度）根據(jù)Henderson-Hasselbalch方程:

圖12細(xì)胞能量代謝示意圖ATP（三磷酸腺苷）是能量的主要攜帶者，在糖酵解和氧化磷酸化的過(guò)程中合成，催化這些過(guò)程的酶位于細(xì)胞漿和線粒體內(nèi)，ATP用于生物合成，信號(hào)傳導(dǎo)，主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，肌肉收縮等，也包括細(xì)胞運(yùn)動(dòng)；磷酸膽堿組為高能磷酸鍵的儲(chǔ)存形式

為了能夠應(yīng)用于31PMRS，該關(guān)系式可以修正，因?yàn)橘|(zhì)子在分解過(guò)程中交換非?？欤挥蠵i的MR共振峰能夠采集到，Pi化學(xué)位移共振相對(duì)PCr(δobs)共振，反映了在分解平衡時(shí)的