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磁共振波谱
磁共振波谱（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS）是一种用于分析生物体内分子结构和代谢变化的非侵入性技术，属于核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）技术的一种应用。
磁共振波谱通过探测生物体内水和脂肪等物质的核磁共振信号来获取代表不同代谢产物的信号，可以用于检测脑部肿瘤、脑损伤、神经退行性疾病等疾病的变化，以及对心肌代谢、肝脏代谢等疾病的诊断和治疗。
常用的磁共振波谱技术包括质子磁共振波谱（Proton Magnetic Resonance Spectroscopy，1H-MRS）、碳磁共振波谱（Carbon Magnetic Resonance Spectroscopy，13C-MRS）和磷磁共振波谱（Phosphorus Magnetic Resonance Spectroscopy，31P-MRS）等。
磁共振波谱技术的应用范围较广，尤其在神经疾病和代谢疾病的研究方面有很大的应用前景。
但同时，该技术也有其局限性，如分辨率相对较低、数据分析复杂等问题。
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医学功能成像技术第三讲磁共振波谱技术吕维雪本讲座撰写人吕维先生浙江大学教授MRS是一种比MRI更广泛的技术临床的质子MRI只是核磁共振(NMR)非常丰富的物理现象的一种应用这是因为在组织中有许多感兴趣的化合物而不仅仅是水或脂肪的质子水和脂肪的特征固然对于诊断非常有用但它们不能提供足够的信息来肯定地区分正常的和病理的组织能够无损伤地获得特定的代谢物和化学物质以及它们在这些化合物中特定原子位置上的吸收和变化的信息是对于正常的和病理的过程理解和定征十分有用的大量信息不仅是对诊断有用而且对于疾病过程生化细节的解释对于治疗的发展有重大的推动力根据MR的原理可以知道MR提供的信息包括内在T1和T2弛豫的性质自旋密度血液和脑脊髓液(CSF)流弥散灌注局域氧合局域含铁膜通透性以及造影剂在加负荷或刺激或在病理状态下的动态过程新的发展和解释还在继续如脑功能性激活的定位原则上对每一种MRS可见的特定代谢物都能得到大部分这种信息MRS比MRI可以得到的更多的信息中都是由于能获得非质子原子核的信息对其每一种都有一个可见的生物分子谱并且往往代表了代谢的不同方面(如能量的区室化的运动学的)用现有技术可以确定分子结构和形态的细节局域的pH和温度生化的路径以及代谢的运动学这些技术都可以用于评价脑功能的状态和响应获取MRS信息通常要牺牲其它类型的信息之所以会这样是因为不能把一个病人放在磁场里很长的时间来完成各种各样的测量实际上常见的情况是牺牲空间信息(分辨率)来换取化学信息随着设备和测量技术的进步这种代价会有所降低MRS技术的发展是向能够产生每个体素有细致的化学谱图目前这些体素的分辨率受信噪比感兴趣代谢物的浓度以及可用的扫描时间的限制一磁共振波谱的原理MRS 的基本原理和MRI 是一样的都是基于信号频率直接由磁场强度决定场强愈高谐振频率愈高方法上的最大差别在于MRS 信号是在不加梯度磁场时采集的即没有位置编码频率一般MRS 波谱图是一幅强度频率曲线(图1)习惯上信号频率向左是增加从感兴趣体积(VOI)所记录到的信号是不同频率信号分量的总和用傅氏变换可将其转换成一系列频率分量的峰值(图2)人体组织中大部分感兴趣代谢物的毫克分子浓度比组织中水的浓度小10000倍这个比例说明了为什么通常由组织中纯质子信号形成的图像中观察不到所发生的代谢变化因此把代谢物的信号从水和脂肪的信号中分离出来成了MRS 信号处理中的难点在MRS 中很重要的一个概念是化学位移(Chemicalshift)1946年物理学家FelixBlock 和EdwardPurcell 发现某核子的谐振频率w0是直接与该核子所处的磁场强度成比例的同时信号的幅值是与被测核子的数目成比例即00B γω= (1) 式中B 0为磁场的强度; 为一比例常数称为磁旋比(Gyromagneticratio)是每种不同类型原子核的特性1H 13C 31P 等在同样的磁场中有不同的谐振频率但如果对一个分子的一部分质子进行测量时会发现信号的谐振频率与纯质子时的谐振频率有差异这种差异相当于核子受到一个不同的磁场强度B 有效的作用:B 有效=B 0+B 局域 (2)造成B 局域的主要因素是:(1) 围绕核子旋转的电子的磁场;(2) 附近核子的磁场式(1)亦适用于B 局域所以测得的信号频率测为: 测=B 0+B 局域=B 0(1+) (3) 比例常数称为对核子的化学位移通常它是以所加磁场中频率的ppm 来表示因而它与所加磁场无关并在一定程度上与所用的测量仪器无关这就有利于使测量结果标准化MRS 中的另一个重要现象是峰分裂(Peak Splitting)由于峰分裂的过程从MRS 可以得到更多化学信息的细节如果测量的谱有足够的分辨率则可以观察到许多峰分裂成一组组的单个峰信号峰的分裂是由于相邻核子间自旋自旋耦合现象造成图3是峰分裂的一个例子峰分裂的类型与化学结构有关有机化学家可以根据峰分裂的形式判定所测的是什么分子/化合物波谱的模式是独特的犹如指纹一样长期研究的积累已建立起了相当规模的波谱模式数据库并支持对愈来愈复杂的结构的定征研究以及对动物和人体的活体研究二测量的基本方法最初的和最基本的测量方法是把发射器和接收器的射频调谐到一特定的频率测量返回的信号幅值把频率做一小的变化再重复测量从而可以做出一个幅值频率的图即MR波谱更先进和有效的方法是发射一个广谱的RF信号并测量整个量程的返回信号然后用傅氏变换得出各频率分量的幅值MRI和MRS之间的主要区别是MRS是在没有读出梯度磁场下采集的而梯度磁场在MRI中是作为图像的频率编码的由于生化信号(除水和脂肪外)微弱因而受到信噪比的限制所以大部分MRS使用重复测量的数据来取平均由于代谢物的波谱信号微弱所以对MRS的磁场有较高的要求磁铁的设计应使磁场强度的均匀性在0.1ppm以内并有足够大的空间以容纳待测试的物体当被测试物体放入磁场时磁场强度的均匀性将受到影响因此MRS系统必须有某种措施来微调磁场以使对每一所研究的物体都能保持磁场的均匀性这一过程称为Shimming意即引入偏置磁场以改善磁场的均匀性在磁共振扫描仪安装时是靠用小的金属块来改变磁力线的路径以达到要求的均匀性由于磁共振成像(MRI)的信号大磁场不均匀度相对于大的梯度磁场来讲要小得多因此问题不大但对于波谱测量则情况将有所不同因为原则上没有办法区分出位移是由磁场不均匀造成还是由化学位移造成而两者在量级上是接近的所以磁场的不均匀度必须是小于所希望的波谱分辨率对于波谱测量来讲因磁场均匀性受被测物体的影响因此对磁场的微调(Shimming)在对每个被测物体测量前都有进行而且是交互式的它往往占了整个测量过程的大部分时间微调是通过调节流过磁铁中若干微调线圈的电流来实现所以MRS系统与MRI系统在硬件上的一个主要差别是有没有这些微调线圈以及如何有效地进行调节由以上所述可以知道这个磁场微调过程本身是一个高维的数值优化问题掌握微调技术是MRS操作人员最重要的培训内容MRS信号检测时另一个要解决的微调是抑制水的信号在人体组织中水的浓度(100M)比大部分感兴趣代谢物的浓度(10mM)大得多所以如果不采取措施抑制水的信号的话则代谢物的信号将被完全淹没现在已有几种抑制水信号的方法这些方法都是基于水和代谢物之间的性质差别的其中之一为采用频率选择性脉冲这类方法是利用水和代谢物之间化学偏移的不同最常用的方法是用对化学位移有选择性的射频脉冲它与成像技术中的层面选择脉冲相类似(图4)这种方法用一个有限带宽的射频脉冲去激励有相应谐振频率的那些组织在成像技术中由层面选择脉冲激发的自旋决定了其在梯度磁场中的位置而当没有梯度磁场时所激发的自旋决定于它们的化学位移在频域选择性脉冲(而非空域)中组成RF脉冲的带宽是根据只选有限化学试样来确定的最常用的这种方法是发射一以水的峰为中心的窄带脉冲接着用水的90º激发以消除水的信号当水的磁化开始恢复并尚不能激发时对其它的试样作激发和测量这种方法由于不能得到理想的脉冲波形(如截止频率不够陡)因而仍有残余的水信号在采集了数据以后对数据的处理也有许多要注意的地方MRS的数据处理由四步组成: (1)预处理(2)傅氏变换(3)后处理(4)数据分析预处理包括去除直流分量数据补零以及对傅氏变换后的频谱插值有时还将数据乘一指数函数以改善信噪比等第二步的傅氏变换是众所周知的在后处理中两种经常使用的处理为复数数据的相位校正和对涡流效应的校正相位校正的目的是校正傅氏变换实数部分的频谱使计算幅值谱的时候谱峰不会变宽在做波谱成像时对每个体素都要作相位校正当体素数目大的时候需要开发自动相位校正的方法在MRS检测时邻近的金属器件会感生涡流并造成波谱的相位失真在做波谱成像时这种失真将和磁场不均匀一起使失真更严重现在已提出了几种相位校正的方法最后一步是数据分析数据分析的目的是化学位移的定量谱分析以及计算代谢物的绝对浓度或相对浓度三磁共振波谱的显示方法要适合临床应用就应有能有效显示所测得数据的方法这应该是多维数据可视化的问题波谱是一维信号它反映某一体积(感兴趣体积VOI)中的波谱信息必须要把它和周围的组织联系起来才能更好地做生理病理的解释现在常用的有几种方法一种方法如图5所示把一个体素的位置显示在三个正交截面的MR图像上第二种由于化学位移的信噪比低所以要用较大的体素来提高信噪比化学位移成像的空间分辨率低或图像的体素数不大时有可能用一个体素的阵列在每个体素中都显示出其波谱如图6所示当然这种方法在阵列较大时使用就很不方便并且解释困难第三种方法如图7所示这种方法显示一种(灰度图像)或几种(彩色图像)所测的化合物用该化合物峰下的面积来作图像中体素的参量这样波谱中的任何一个峰(对应某代谢物)都可以做出一幅图像同样因化学位移成像的分辨率不高难以确定相应的解剖结构为此往往把它叠加在高分辨率的解剖图像上如MR图像直接用化学位移成像也是可能的因为采集波谱信息意味着不能再用位置的频率编码了于是既要想得到谱的信息又要得到空间的信息就要利用信息的相位编码与大部分的成像序列一样做相位编码需要进行反复的采集这就使成像时间变长图8为一维和二维相位编码成像的示意图在这个相位编码的体积中每一个体素都有完整的化学波谱理论上这些波谱的分辨率和频率宽度是和非成像波谱测量时的一样因而根据这些信息也可以作出任一波峰的图像不过事实上由于成像时间过长以及代谢物信号强度的限制分辨率达不到一般成像的空间分辨率典型的过程是对每一相位编码步做一次完整的信号采集(决定于TR的长短)对于一维的化学位移成像采集数据组的典型反复是用具有正交饱和带宽的层面选择性激发以选定感兴趣几个中的一个列相位编码就是在这一列上进行的化学位移成像的一个主要优点是能更好地定义测量波谱的区域由于许多完整的局域波谱是同时采集的因此所获得的信号比较大信噪比亦较高在基于单个体素的采集中是从单个体素采集N个不同信号而在化学位移成像(CSI)中是整个区域的信号采集N次每次有不同的相位编码最后对每个相位编码的区域作傅氏变换在定位局域的波谱方面一种很成功的反复是施加一个序列的层面选择RF脉冲使得只在一限定的区域内的自旋得到激发并产生信号这个感兴趣(VOI)区域的位置和大小决定于三个正交层面的相交区(图9)图中这个相交区是方形的不过实际形状是决定于选择脉冲在层面上的形状的实现局域检测的方法有多种其中之一称为 STEAM (STimulated Echo Acquisition Mode)的方法常用于脑的MRS研究中在此方法中三个相互垂直的层面分别用三个90º Sinc形RF脉冲激发(图10)只有在三个激发层面的交集中的自旋受到全部三个RF脉冲激发并产生回波所有其它的回波信号都被梯度脉冲破坏只有VOI中激发的回波被采集第一个90º脉冲把所有的磁化转到xy平面第二个90º脉冲把50%的磁化转回到xz和yz平面其余50%的磁化在第二和第三个RF脉冲之间的TM在xy平面中是失相的并对激发回波信号没有贡献在TM期间xz和yz平面中的磁化将按T弛豫时间衰减TM应短以免造成太大的信号损失第三个90º脉冲把磁化1转回xy平面它经过TE/2间隔给出激发的回波信号CSI的主要缺点是一个体素的信号受外界信号的影响这是由于离散和有限取样的结果这种伪像其实在其它成像技术中也是存在的只是在CSI中每个体素的点扩散函数对相邻体素的影响更大使得空间定位的准确度降低CSI的另一个问题是它受磁场不均匀度和梯度造成的涡流影响大它们使谐振频率谱宽谱的形状发生畸变同时由于数据是在一个较大的区域中采集的自然对磁场的均匀度微调的要求都提高了四应用举例MRS可以无损地对活体获取生物化学信息因而对于确定肿瘤的类型有很大的价值确定肿瘤的性质恶性程度及其在空间的分布对神经外科医师做出诊断决定是否要做切除手术甚至手术的导航都是十分关键的到目前为止取活检样本做组织病理学的定征仍是黄金标准但因活检是创伤性的取样的数目不允许很多而且有些部位做穿刺有相当的危险(出血)这些因素不能不影响到用活检作诊断的准确性加权(272ms)质子磁共振波谱可以观察到六种主要的化学从活体脑肿瘤的T2共振这些共振主要是由以下代谢物产生:(1) 四甲基胺主要是3.2ppm的含氯磷脂质(Cho)它参与膜的合成和退化;(2) 肌肉素和3ppm的磷酸肌酸(Cr)它在能量代谢中起重要作用;(3) N-乙酰基组主要来自2ppm的N-乙酰基天氡氨酸它是神经标记物;(4) 1.4ppm的丙氨酸(Ala)它是某些肿瘤中找到的高浓度氨基酸;(5) 1.3ppm的乳酸盐(LA)它是由于异常酶化过程造成的或厌氧性醇解的指标;(6) 0.9ppm的脂类(Lip)和其它大分子如蛋白质(较少程度)基于各类脑肿瘤在这六种共振的波谱模式会有所不同的考虑所以可以利用对MRS作模式分析和识别就有可能对肿瘤定征图11是一个中年病人的MR图像(左上角)两个位置的MRS波谱(左下)以及整个感兴趣区内(黄框所示)中代谢物NA Cho的分布(右)病变处的波谱模式与低级别星形细胞瘤的模式很相似病人再次发作后做的活检证实了是低级别星形细胞瘤在Cho图像上显示出在MR图像最暗区一侧的区域是肿瘤最活跃的部分五前景不熟悉MRS的人往往把它看成是一种奇怪的技术是离临床应用很远的技术其实并非如此MRS和MRI都基于同一基本原理都可以有自己对临床实践的贡献特别是在对脑的功能性激活的研究方面随着MRI/MRS集成系统的增加它们两者之间的差别将不再那么明显新的系统将使MRS的临床应用有更快的发展多种原子核和化学试样的MRS测量已经显示了能提供脑功能生化机理方面的信息以往只能用放射示踪方法得到的速率和吸收的信息现在可以用NMR的方法得到同时所产生的MRS生化信息是与MRI的解剖学结果紧密联系在一起的这些方法在常规临床应用中的潜能扩展了昂贵的MRI设备的有用性MRS/MRI技术的关系有一点像生物技术和基因工程的关系虽然已经开发了很强大的工具但是要完全实现它还需要对正常的和病理的复杂过程有细致的理解不断地开发和应用这些工具将扩展这种理解并使生理学和医学从经验性向定量发展未完待续。
核磁共振波谱法目的与要求
核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）
是一种用于研究物质的分子结构和化学性质的分析技术。
它利用物质中原子核的磁共振现象来获取关于分子中原子核的信息。
该技术广泛应用于有机化学、药物化学、生物化学等领域。
核磁共振波谱法的目的是通过测定样品的核磁共振谱图，获得关于样品中原子核种类、相对数量、结构以及它们之间的化学环境等信息。
核磁共振波谱法的要求包括：
1. 样品纯度：被测样品的纯度对核磁共振波谱的分析结果有很大影响。
样品应尽量纯净，确保不会受到其他杂质的干扰。
2. 溶剂选择：通过溶解样品以提高其溶解度，并且在选择溶剂时要考虑溶剂的磁性，以避免对谱图的解释造成误导。
3. 参数设置：通过调整核磁共振实验中的参数，如脉冲序列、扫描时间等，可以优化信号强度和分辨率，从而得到更准确的谱图。
4. 仪器校准：核磁共振仪器的校准对于获得准确的波位和能量单位是非常重要的。
仪器应定期进行校准，以确保结果的精确性和可靠性。
5. 数据分析：对获得的核磁共振波谱进行仔细的数据处理和分析，包括峰识别、积分、峰面积比较等，以获得关于样品结构和化学环境的详细信息。
总之，核磁共振波谱法的目的是通过测定并分析核磁共振谱图，
获取样品中原子核的相关信息，并且在样品制备、参数设置、仪器校准和数据分析等方面要求细致和准确。
c磁共振波谱磁共振波谱（NMR Spectroscopy）是化学、生物化学、医学和其他领域中一个强大的分析工具。
它是基于原子核在强磁场中的核磁共振现象来进行研究的。
一、NMR的基本原理1.核磁共振现象当原子核被置于一个强磁场中时，其自旋磁矩会与磁场相互作用，导致能级的分裂。
当外加射频场的频率与原子核的拉莫尔频率相匹配时，原子核会吸收能量并发生能级跃迁，这就是核磁共振现象。
2.弛豫过程当射频脉冲关闭后，原子核会经历一个弛豫过程，释放出之前吸收的能量，回到低能态。
这个弛豫过程可以分为纵向弛豫（T1弛豫）和横向弛豫（T2弛豫），分别对应于自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫。
二、NMR波谱的获取1.样品准备为了获得高质量的NMR波谱，需要对样品进行适当的准备。
这包括选择合适的溶剂、调整样品的浓度和pH值等。
2.数据采集在NMR实验中，射频脉冲被用来激发原子核，然后检测其弛豫过程中释放的信号。
这个信号被转换为频率域，得到NMR波谱。
波谱中的每一个峰都对应于样品中的一种原子核，其化学位移和峰的形状提供了关于样品结构和动力学信息。
三、NMR波谱的解析1.化学位移化学位移是NMR波谱中最重要的参数之一，它反映了原子核所处化学环境的不同。
通过比较不同原子核的化学位移，可以确定样品的分子结构和化学键的性质。
2.耦合常数耦合常数是描述相邻原子核之间相互作用的参数。
通过解析耦合常数，可以进一步了解分子的构象和立体化学信息。
3.峰形和峰宽峰形和峰宽提供了关于分子动力学和弛豫过程的信息。
例如，峰的裂分模式可以揭示分子内不同基团之间的相互作用。
四、NMR的应用1.有机化学在有机化学中，NMR是一种强大的结构解析工具。
通过解析NMR 波谱，可以确定有机化合物的分子结构、构象和立体化学信息。
2.生物化学NMR在生物化学中被广泛应用于研究生物大分子的结构和动力学。
例如，蛋白质NMR可以用来解析蛋白质的三维结构和功能域。
3.医学在医学领域，NMR技术被应用于磁共振成像（MRI），用于无创地检测人体内部的结构和病变。
核磁共振波谱解析的主要参数核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）波谱是一种高分辨无损的分析技术，广泛应用于化学、生物化学、药学、材料科学等领域。
核磁共振波谱解析的主要参数包括信号强度、化学位移、偶合常数、弛豫时间以及分辨率等。
下面将对这些参数进行详细介绍。
1. 信号强度（Signal Intensity）：信号强度反映了溶液中特定核的相对丰度或浓度。
在NMR波谱中，信号强度通常用积分面积或峰高度表示。
2. 化学位移（Chemical Shift）：化学位移是核磁共振波峰在频率轴上的位置。
它是相对于参考物质（通常是四氢呋喃或二甲基硫醚）定义的，并且与共振核周围的电子环境有关。
化学位移通常以δ值表示，以部分百万分之一（ppm）为单位。
3. 偶合常数（Coupling Constant）：偶合常数是描述磁共振核之间相互作用的参数。
它反映了不同核自旋之间的耦合程度。
在NMR波谱中，可以通过峰间的分裂模式来确定偶合常数。
4. 弛豫时间（Relaxation Time）：弛豫时间是核磁共振过程中，自旋系统从高能态向低能态返回的速度。
主要有纵向弛豫时间（T1）和横向弛豫时间（T2）两个参数。
T1反映了自旋系统恢复到热平衡所需的时间，而T2则是自旋之间能量转移和相干性的衰减时间。
5. 分辨率（Resolution）：分辨率是指NMR波谱中两个峰之间的最小频率差。
它取决于核磁共振仪的仪器分辨率和样品的纯度。
较高的分辨率意味着可以分辨更多的峰并提供更多的结构信息。
除了以上主要参数外，还有一些其他与NMR波谱解析相关的参数：6. 强度归一化（Normalization）：强度归一化用于将不同波峰的信号强度标准化，以便比较不同实验的结果。
7. 脉冲宽度（Pulse Width）：脉冲宽度是指核磁共振仪在激发和检测过程中所施加的射频脉冲的宽度。
脉冲宽度的选择将影响到信号的强度和分辨率。
核磁共振波谱解析的主要参数1. 化学位移（Chemical Shift）化学位移是核磁共振谱上信号相对于参比物的位置。
它是由核磁共振体系中不同核的环境所决定的。
化学位移的测量可以提供化学组成、分子结构等信息。
在核磁共振谱图上，化学位移以ppm（parts per million）为单位来表示。
常用参比物有TMS（二甲基硅烷），其化学位移定为0 ppm。
2. 积分强度（Integral Intensity）积分强度是指核磁共振谱上信号的峰面积，它与信号分子的数量成正比。
通过测量积分强度可以计算出各个组分在样品中的相对含量。
积分强度是定量分析的重要参数。
3. 耦合常数（Coupling Constants）耦合常数是指核磁共振谱上两个磁共振峰的距离，即两个信号的分裂程度。
耦合常数的测量可以提供关于分子之间相互作用的信息，包括分子的平面结构、键长等。
耦合常数的大小和形态可以帮助研究分子的化学性质。
4. 旋转速率（Spin-Spin Relaxation Time）旋转速率(T2)是指核磁共振谱上信号的半高宽（FWHM），它反映了样品中分子之间的自旋-自旋耦合强度。
旋转速率的测量可以为表征样品的物理性质（如分子流动速度、粘滞效应等）提供重要的信息。
5. 解析峰形（Line Shape）解析峰形是指核磁共振谱上信号的峰形状，通常为高斯型或洛伦兹型。
解析峰形的位置和形状可以提供信号的分辨率和灵敏性。
不同的峰形对信号参数的解析有不同的影响。
6. 离域效应（Chemical Exchange）核磁共振谱解析还可以通过观察离域效应来获取关于分子间和分子内动力学过程的信息。
离域效应是指分子或官能团中的动态过程对核磁共振信号的影响。
可以通过观察峰形的形变、峰的强度、位置和化学位移的变化来分析离域效应。
总之，核磁共振波谱解析的主要参数包括化学位移、积分强度、耦合常数、旋转速率、解析峰形和离域效应。
这些参数的测量和解析可以提供分子结构、组成、动力学等信息，对于化学、生物、材料等领域的研究具有重要的意义。
磁共振波谱（MR spectroscopy，MRS）磁共振波谱（MR spectroscopy，MRS）是目前唯一能无创伤地探测活体组织化学特性的方法。
在许多疾病中，代谢改变先于病理形态改变，而MRS对这种代谢改变的潜在敏感性很高，故能提供信息以早期检测病变。
磁共振波谱mRS）研究人体细胞代谢的病理生理改变，而常规MRI则是研究人体器官组织大体形态的病理生理改变，但二者的物理学基础都是核共振现象。
一、MRS的原理磁共振信号的共振频率由两个因素决定①旋磁比r，即原子的内在特性②核所处位置的磁场强度。
核所受的磁场主要由外在主磁场（B。
）来诀定，但是核所受的磁场强度也与核外电子云及邻近原子的原子云有关。
电子云的作用会屏蔽主磁场的作用，使着核所受的磁场强度小于外加主磁场。
这种由于电子云的作用所产生的磁场差别被称为化学位移。
因此，对于给定的外磁场，不同核所处的化学环境不一样，从而产生共振频率的微小差别，导致磁共振谱峰的差别，从而识别不同代谢产物及其浓度。
MRS可检测许多重要化合物的浓度，根据这些代谢物含量的多少可以分析组织代谢的改变，1H-MRS可测定12种脑代谢产物和神经递质的共振峰，N-乙酸门冬氨酸(NAA)、肌酸（Cr）磷酸肌酸（PCr）胆碱（cho）肌醇（MI）谷氨酸胺Gln）谷氨酸盐（Glu)乳酸（Lac）等。
生物中，许多生物分子都有31P，这些化合物参与细胞的能量代谢和与生物膜有关的磷脂代谢，31P－MRS被广泛用在对脑组织能量代谢及酸碱平衡的分析上，可以检测磷酸肌酸(PCr人无机磷酸盐(PI）α- ATP、β-ATP、γ—ATP的含量和细胞内的PH值。
二、MRS的临床应用1．正常人的脑MRSMR波谱变化可反映神经元生长分化，脑能量代谢和髓鞘分化瓦解过程改变。
NAA是哺乳动物神经系统中普遍存在的化合物，几乎所有的NAA均存在于神经对内，目前将NAA作为反映神经元功能的内标物。
正常人有很高的NAA／Cr）值，NAA下降提示神经元的缺失和破坏。
磁共振波谱(MR Spectroscopy，MRS) 是医学影像学近年来发展的新的检查手段，作为一种无创伤性研究活体器官组织代谢、生化变化及化合物定量分析的方法，随着MRI、MRS装置不断改进，软件开发及临床研究的不断深入，人们通过MRS对各种疾病的生化代谢的认识将不断提高，为临床的诊断、鉴别、分期、治疗和预后提供更多有重要价值的信息。
1H MRS可对神经元的丢失、神经胶质增生进行定量分析，31P磁共振波谱可对心肌梗塞能量代谢变化进行评价。
MRS以分子水平了解人体生理上的变化，从而对疾病的早期诊断、预后及鉴别诊断、疗效追踪等方面，做出更明确的结论。
本文从MRS波谱成像的基本原理和序列设计方面简要作一介绍。
在理想均匀的磁场中，同一种质子(如1H)理论上应具有相同的共振频率。
事实上，当频率测量精度非常高时会发现，即使同一种核处在相同磁场中，它们的共振频率也不完全相同，而是在一个有限的频率范围内。
这是由于原子核外的电子对原子核有磁屏蔽作用，它使作用于原子核的磁场强度小于外加磁场的强度，其屏蔽作用大小用屏蔽系数s来表示，被这种屏蔽作用削弱掉的磁场为sB，与外加磁场方向相反。
外加磁场越强sB越大，原子核实际感受到的磁场强度与外加磁场强度之差越大。
此外，s还与核的特性和化学环境有关。
核的化学环境指核所在的分子结构，同一种核处在不同的分子中，甚至在同一分子的不同位置或不同的原子基团中，它周围的电子数和电子的分布将有所不同。
因而，受到电子的磁屏蔽作用的程度不同，如图1所示。
考虑到电子的磁屏蔽作用，决定共振频率的拉莫方程应表示为:w=gBeff=gB0(1-s)由上式可知，在相同外加磁场作用下，样品中有不同化学环境的同一种核，由于它们受磁屏蔽的程度(s的大小)不同，它们将具有不同的共振频率。
如在MRS中，水、NAA(N-乙酰天门冬氨酸)、Cr(肌酸)、Cho(胆碱)、脂肪的共振峰位置不同，这种现象就称为化学位移(Chemical Shift)。
即因质子所处的化学环境不同，也就是核外电子云密度不同和所受屏蔽作用的不同，而引起相同质子在磁共振波谱中吸收信号位置的不同，如图2所示。
实际上，研究某种样品物质的磁共振频谱时，常选用一种物质做参考基准，以它的共振频率作为频谱图横坐标的原点。
并且，将不同种原子基团中的核的共振频率相对于坐标原点的频率之差作为该基团的化学位移。
显然，这种用频率之差表示的化学位移的大小与磁场强度高低有关。
在正常组织中，代谢物在物质中以特定的浓度存在，当组织发生病变时，代谢物浓度会发生改变。
磁共振成像主要是对水和脂肪中的氢质子共振峰进行测量和脂肪中的氢质子共振峰进行测量，在1.5T场强下水和脂肪共振频率相差220Hz (化学位移)，但是在这两个峰之间还有多种浓度较低代谢物所形成的共振峰，如NAA、Cr、Cho等，这些代谢物的浓度与水和脂肪相比非常低。
MRS需要通过匀场抑制水和脂肪的共振峰，才能使这些微弱的共振峰群得以显示。
下面是研究MRS谱线时常用到的参数:(1)共振峰的共振频率的中心—峰的位置V: 化学位移决定磁共振波谱中共振峰的位置。
(2)共振峰的分裂。
(3)共振峰下的面积和共振峰的高度: 在磁共振波谱中，吸收峰占有的面积与产生信号的质子数目成正比。
在研究波谱时，共振峰下的面积比峰的高度更有价值，因为它不受磁场均匀度的影响，对噪音相对不敏感。
(4)半高宽: 半高宽是指吸收峰高度一半时吸收峰的宽度，它代表了波谱的分辨率。
原子核自旋磁矩之间的相互作用称为自旋自旋耦合。
高分辨率磁共振频谱可以观察到自旋自旋耦合引起的共振谱线的裂分，裂分的数目和幅度是相互耦合的核的自旋和核的数目的指征。
在一个氢核和一个氢核发生自旋耦合的情况下，由于一个氢核的磁矩有顺磁场和逆磁场两种可能的取向，因此它对受耦合作用的氢核可能产生两个不同的附加磁场的作用，这引起受耦合的氢核的共振由一个单峰分裂为二重峰。
如此类推，在两个氢核和一个氢核发生耦合的情况下，共振谱由一个分裂为三个。
磁共振波谱仪不仅可以描绘频谱，还可以描绘频谱的积分曲线，积分曲线对应共振峰的面积。
峰的面积反映一个原子基团中参与磁共振的核的数量。
比较频谱中各个峰的面积能确定出不同分子或原子基团中产生共振的核的相对数量。
将各共振峰的相对面积与参考标准进行比较可以推算样品分子或化学基团中共振核的绝对数目。
众所周知，磁共振研究的核首先必须具有磁矩。
这就排除了有偶数质子和偶数中子的核如16O和12C等。
另外，有两个自旋状态的核最便于研究，满足这个条件的核有1H、31P、19F和13C。
其中，19F和13C在人体中含量很小，大多数研究必须在接纳用19F或13C增浓的物质条件下进行，1H在人体内的含量最高，但人体组织极强的水信号往往导致频谱中水共振频率两侧其他生化物质的微弱信号被淹没。
由于这种原因，31P频谱研究得到最早应用，并在活体频谱研究中占居首要地位。
MRI尽量去除化学位移的作用，并突出反映组织间T1、T2的差异，而MRS恰恰要利用化学位移的作用来确定代谢物的种类和含量。
MRS的敏感性较低，因为代谢物的浓度较低，产生的信号几乎是正常MR成像中水信号的万分之一，需要重复多次采集才能得到信号，所以需要更多的扫描时间，限制了MRS测定代谢物浓度变化的时间分辨率。
由于活体中组织水浓度比代谢物的质子浓度大几个量级，所产生的信号也大很多，并且由于MRI的接收机增益动态范围有限，必须抑制水峰，才有可能观察到微弱的代谢信号，常用CHESS (CHEmical Shift Selective suppression)方法抑制水峰，大部分CHESS技术是使用一种窄带频率选择性90?RF脉冲激发水峰，之后可激发测量代谢物的质子MR谱，也可以躲开水的频率，使激发频谱中不包含水的频率成分，只激发代谢物的质子进行谱测量。
另外一种有效的抑制水的方法为WET(Water suppression Enhanced through T1 effects)，该方法利用180度脉冲反转VOI内水磁化强度，当水磁化强度穿越零点时，用90度脉冲激发VOI内样品，进行质子MRS测量，这时水将不贡献信号。
另外匀场技术(Shimming)在MRS技术中也占有很重要的位置，波谱的信噪比和分辨率部分决定于谱线线宽，谱线线宽受原子核自然线宽及磁场均匀度的影响，内磁场的均匀度越高，线宽越小，基线越平滑。
1H谱用水峰的半高宽来检测磁场的均匀性，由于磷的代谢产物化学位移范围较宽，故对匀场的要求不如氢谱高。
首先在病人进入磁场之前对较大范围进行匀场，但确定VOI后再进一步对VOI匀场。
方法是通过逐步调整X、Y、Z 三个轴方向上的梯度线圈内电流使产生的自由感应衰减(Free Induced Decay，FID)达到最慢来实现。
在实际临床工作中，我们需要获得的是一个组织器官特定部位的正常或是异常组织的波谱信息。
这一特定的部位可以是一个层面、层面中的条块、或是一个立方体。
根据选择这一区域的方式不同，磁共振波谱的采集方式可以分为三种: 第一种是利用表面线圈的射频场非均匀的获得局域波谱，这种技术简单，但它局限于采集靠近体表的解剖区域的波谱，也不能灵活的控制区域形状和大小; 第二种方法是通过MR图像确定感兴趣区，然后利用磁场梯度和射频脉冲结合进行选择激励; 第三种是化学位移成像，也是一种需要利用磁场梯度的定位技术。
1. 射频梯度定域频谱技术(FID方法)表面线圈的射频场在与表面线圈平面垂直的方向存在梯度。
这可以利用来建立信号的等效相位编码，将表面线圈设置到所要研究的组织区域附近，用非选择性射频脉冲进行激励，所采集的FID信号将包含整个表面线圈的灵敏区域的信号。
灵敏区域的尺寸决定于线圈的半径。
由于表面线圈的射频场存在梯度的原因，自旋磁矩的翻转角便同它们沿梯度方向的位置有关。
这使沿射频场梯度方向不同位置的自旋的MR信号具有不同的相位。
改变射频脉冲的长度反复进行射频激励和信号采集，每次采集的信号是与不同的位置对应的不同相位的信号的总和。
这些信号经过数据处理可以得到信号相位和信号位置唯一对应关系的一组数据。
这组数据经两维傅立叶变换便产生一组与表面线圈平面平行的层面的频谱。
其中，每个层面的频谱对应于一个由射频场的等高(强度)面划定边界的解剖区域。
这个方法不是仅获取一个层面区域的频谱，而是从包括一组层面的整个体积范围获取一组频谱。
这个方法不用梯度磁场，因此不存在涡流磁场的影响。
2. 单体素MRS的序列设计a. 点分辨自旋回波波谱(Point-Resolved Echo Spin Spectroscopy，PRESS)点分辨自旋回波波谱由90度~180度~ 180度脉冲和三个正交梯度组成，入图4所示，采集第二个回波，并且只采集回波的后半部分。
第一个RF 脉冲配合层面选择梯度，激发了选定层面内的所有核磁子; 第二个RF脉冲配合在一个垂直于选定层面选择梯度共同作用，结果只有位于这两个垂直平面相交部分的一列核磁子激发并由于180度脉冲的作用而重新聚集；第三个RF脉冲，并配合一个与前两个层面都相垂直的层面选择梯度，最后只有3个垂直平面相交叉的体素能够被激发并得到回波。
与快速自旋回波的形成过程不同，为了避免180度脉冲的不标准情况，在PRESS中是在180度RF的周围施加矫正梯度，以去除因为180度不标准而引起的信号丢失。
b. 受激回波采集方式(STimulated-Echo Acquisition Mode，STEAM) STEAM由三个90度选层脉冲构成，如图5所示，各个脉冲都是在正交梯度存在情况下相继加到样品上，于是在三个层面相交处一个体元内(VOI)产生受激回波(STimulated-Echo，STE)信号。
第一个90度激励脉冲配合层面选择梯度，激发选定层面内的所有核质子；第二个90度RF脉冲的作用下，位于XY平面的磁化矢量被翻转并位于XZ平面内; 第三个选择性90度脉冲激励使所有的核质子翻转到XY平面内，并再次经过TE/2时间重聚相位形成回波，其信号的强度是PRESS方法的一半。
其选择性很强，可以达到单数据采集，因其TE时间短，通常为20~30ms，适用于观察短T2的代谢产物。
3. 化学位移成像的序列设计化学位移成像(Chemical Shift Imaging，CSI)也称频谱成像(Spectros-copy Imaging，SI)，是着眼于特定化学位移采集频谱的技术，反映代谢物在层面内分布的图像。
化学位移成像是多体素成像技术，它利用磁场梯度只对信号进行相位编码，在没有任何梯度场的条件下采集信号，如图6所示。
检测到的频率偏移只反映不同化学位移的频率差和场的非均匀性的影响，从而将化学位移信息与空间位置信息分开。
