磁共振波谱分析

在既定的外磁场B0中，不同化学物质的同一种原子核由于所处的化学环境不同，会存在共振频率上的微小差异（即化学位移）；利用这种差异可以测定人体某一区域各种化学物质的含量，或不同区域某种化学物质的分布情况。这种无创性检测活体组织生物化学、代谢功能的方法，称为磁共振波谱分析（magnetic resonance spectroscopy, MRS）。MRS能够对多种原子核的信号进行检测，从而得到不同类型的频谱，如1H、31P、13C、19F频谱等。由于1H在人体内含量丰富，易于检测，1H-MRS（即质子磁共振波谱）也成为目前技术最成熟、临床应用最广泛的波谱分析方法。

MRS是以活体内在的生化物质作为研究对象的分子影像学手段，是目前唯一能无创地了解活体内生化与代谢信息的方法。1H-MRS在中枢神经系统的临床应用较为广泛，主要集中在以下几个方面。第一，脑肿瘤的鉴别诊断，国内外已有不少的研究证实1H-MRS在鉴别颅内肿瘤与非肿瘤性病变、明确肿瘤类型与恶性程度、区分肿瘤复发与放射性坏死方面具有重要的参考价值；多体素波谱分析和磁共振波谱成像（MRSI）还能明确肿瘤的浸润范围，对划定合理的手术范围，引导立体定向活检具有重要作用。第二，脑变性疾病的辅助诊断，如脑退行性变引起的帕金森综合征和阿尔采默病，代谢障碍引起的线粒体脑病、肝性脑病、Canavan病，白质变性引起的多发性硬化，海马硬化引起的颞叶癫等。这些疾病多数缺乏特异性的形态学改变，结合MRS信息，比如N-乙酰天门冬氨酸（NAA）的降低，胆碱（Choline）的升高等，有助于明确诊断。第三，精神心理疾病如精神分裂症、情感障碍、强迫症等的辅助诊断；这类疾病缺乏大体形态学的改变，是传统影像诊断学的“盲区”，然而已有不少1H-MRS的研究揭示这类患者与正常人相比存在差异，如NAA在多个脑区的普遍下降，以及谷氨酸盐/谷氨酰胺（Glx）的异常改变等。1H-MRS提供的信息不仅有助于辅助诊断，而且对于了解病理机制、生化改变具有重要的参考价值。此外，MRS在感染性疾病如HIV，脑缺血、梗死疾病等方面也能提供有益的信息。除中枢神经系统外，MRS在前列腺、肝脏、乳腺、肌肉等疾病的研究方面也是非常有益的手段。

图2-13　ASL灌注成像的原理及步骤示意图

（本图片由吕粟博士提供）

图2-14 正常志愿者全脑ASL灌注图

（本图片由吕粟博士提供）

进入21世纪以来， 3T磁共振仪逐渐取代1.5T和低场磁共振仪成为主流的波谱研究设备。与1.5T和低场磁共振仪相比，3T磁共振仪在MRS应用方面具有明显的优势。第一，由于磁场强度的倍增，理论上可获得2倍于1.5T的信噪比（SNR）。尽管在实际应用中由于其他因素的影响而不能完全达到理论的提升，但这种SNR的改善具有重要意义：一方面有利于检出活体内自然含量相对较低的物质，如Glx、GABA等；另一方面，可以提高MRS的时间和空间分辨率。时间分辨率的改善有助于缩短检查时间，而空间分辨率的改善则有助于缩小成像体素，这对于磁共振波谱成像或代谢成像（metabolic mapping）是非常有利的。第二，以频率表示的化学位移与场强成正比，在高磁场强度下，由于化学位移分散（chemical shift dispersion）效应，可获得比1.5T更高的频谱分辨率，比如水与脂肪间的化学位移约为3.5ppm，在1.5T上相隔225Hz，而在3T上达到约450Hz。这样有助于避免不同共振信号（如NAA/Glx/GABA）之间的叠加，更有利于物质的准确定量。当然，3T波谱分析也存在缺点，主要是随着磁场强度的增加，保持磁场均匀性也变得更为困难，同时磁敏感效应增强从而易于出现磁敏感伪影。因此需要通过扫描序列的优化和技术改进才能充分享有高场带来的好处（图2-15~图2-17）。

图2-15　正常人顶叶白质的单体素波谱曲线图

A为3T，B为1.5T，可见3T MRS的信噪比1.5T更好，分辨率更高，代谢物之间的重叠更少（白箭头示胆碱与肌酸之间的重叠更少，黑箭头示Glx与NAA区别开来）

图2-16　右顶叶胶质母细胞瘤

1H-MRS（PROBE-P序列，TR/TE=1500/35ms）示胆碱（Cho）显著增高而肌酸（Cr）和NAA显著降低，可见高耸的乳酸（Lac）和脂质（Lip）峰

图2-17　正常志愿者右侧基底节-丘脑区域的多体素1H-MRS

左上图为定位像，体素为1cm3；右上图为NAA和Creatine的代谢图；下图为各体素对应的各个波谱图。尽管体素较小，但所得波谱的基线稳定，信噪比较好