【基础理论】MR波谱分析

MR波谱（MR spectroscopy，MRS）是目前能够进行活体组织内化学物质无创性检测的唯一方法。MRI提供的是正常和病理组织的形态信息，而MRS则可提供组织的代谢信息。大家都知道，在很多疾病的发生和发展过程中，代谢改变往往早于形态学改变，因此MRS所能提供的代谢信息无疑有助于疾病的早期诊断。但是目前在临床应用方面还处于研究和摸索阶段。

MRS的原理

MRS的原理比较复杂，这里仅作简单介绍。

1. 化学位移现象

在MRI原理中我们知道，磁性原子核在外磁场中的进动频率取决于两个方面：（1）磁性原子核的磁旋比；（2）磁性原子核所感受的外磁场强度。对于一个确定的磁性原子核，其磁旋比是不变的。而磁性原子核所感受的外磁场强度除了受外加静磁场影响外，还受原子核周围的电子云和周围其他原子电子云的影响，这些电子云将会对磁场起屏蔽作用，使磁性原子核所感受的磁场强度略低于外加静磁场的强度，因而其进动频率也略有降低。同一种磁性原子核如果处于不同的分子中，由于分子化学结构的不同，电子云对磁性原子核的磁屏蔽作用的大小也存在差别，因而将表现出其进动频率的差别。这种由于所处的分子结构不同造成同一磁性原子核进动频率差异的现象被称为化学位移现象。

2. MRS的简要原理

下面以1H为例简述MRS的原理。通过对某组织的目标区域施加经过特殊设计的射频脉冲，这种射频脉冲往往带宽较宽，其频率范围必须含盖所要检测代谢产物中质子的进动频率。然后采集该区域发出的MR信号（可以是FID信号或回波信号），该MR信号来源于多种代谢产物中质子，由于化学位移效应，不同的代谢产物中质子进动频率有轻微差别，通过傅里叶转换可得到不同物质谱的信息，通常采用谱线来表示。谱线包括一系列相对比较窄的波峰。其横坐标表示不同物质中质子的进动频率，通常用PPM表示（以标准物的质子进动频率为基准，其他代谢物中质子进动频率与标准物中质子进动频率的差别，以百万分几（PPM）来表示）。某一窄波的波峰下面积与目标区域内某特定代谢产物的含量成正比关系。

3. MRS的特点

尽管MRS与MRI基于相同的基本原理，但两者间存在很多不同之处。与MRI相比，MRS具有以下特点：（1）得到的是代谢产物的信息，而非解剖图像；（2）通常用数值或谱线来表示；（3）对磁场均匀度有着更高的要求；（4）主磁场强度增高有助于提高MRS质量，不仅信噪比提高，各种代谢产物的进动频率差异增大，可更好区分各种代谢产物；（5）信号较弱，常需要多次平均才能获得足够的信噪比，因此检查时间相对更长；（6）得到的代谢产物含量也是相对的，因此通常通过两种或两种以上代谢产物含量比来反映组织的代谢变化；（7）通过特定技术，可以对不同磁性原子核相关的代谢产物进行MRS分析，目前研究较多的是1H、31P、12C、23Na及19F的MRS等；（8）需要选择一种比较稳定的化学物质作为某种磁性原子核相关代谢产物的进动频率参照的标准物，如1H MRS常选用三甲基硅烷（Trimethylsilane）作为标准物，31P MRS可采用磷酸肌酸作为标准物。

MRS的常用技术

MRS可以采用的定位和信号产生方式很多，目前临床研究较多的1H MRS常采用激励回波采集模式（stimulated echo acquisition mode，STEAM）和点解析波谱（point-resolved spectroscopy，PRESS）技术。

STEAM技术采用三个90°脉冲，通过三个不同方向的层面选择梯度场，这三个90°脉冲分别施加在三个相互垂直的层面上，三个平面相交得的是一个点状容积的信号。STEAM的优点在于简单直接，可采用的TE相对较短；缺点在于信噪比较低。

PRESS技术采用一个90°脉冲和两个180°复相脉冲，层面选择梯度场的施加与STEAM相同。得到的是自旋回波信号。其优点在于信噪比较高；缺点在于最短TE相对较长，但目前新型1.5 T扫描机上PRESS技术的最短TE可达40ms以下。

表1 MRS脉冲序列差别

目前临床型MRI仪上不仅可以进行单体素的MRS采集，也可进行二维多体素MRS和三维MRS采集，并可将MRS的信号变化标记到MRI图像上，直观显示代谢情况，称为MRS成像（MRS imaging，MRSI）。

MRS的临床应用简介

MRS可以反映组织代谢状况，为临床诊断和鉴别诊断提供有价值的信息。其临床应用主要有以下几个方面：

  • （1）脑肿瘤的诊断和鉴别诊断；
  • （2）代谢性疾病的脑改变；
  • （3）脑肿瘤治疗后复发与肉芽组织的鉴别；
  • （4）脑缺血疾病的诊断和鉴别诊断；
  • （5）前列腺癌的诊断和鉴别诊断等；
  • （6）弥漫性肝病；
  • （7）肾脏功能分析和肾移植排斥反应等。

在各种磁性原子核的MRS中，1H MRS由于无需增加特殊硬件目前在临床上应用相对较多。这里简单介绍其在脑的应用。

脑1H MRS分析的主要代谢产物有：

    1. NAA（N-乙酰门冬氨酸），主要存在于神经元及其轴突，可作为神经元的内标物，其含量可反映神经元的功能状态，其化学位移在2.02PPM。NAA含量降低表示神经元受损；
    1. 肌酸（creatine，Cr），为能量代谢产物，在脑组织中其浓度比较稳定，可作为脑组织1H MRS的内参物，常用其他代谢产物与Cr的比值反映其他代谢产物的变化。Cr的化学位移在3.03PPM
    1. 胆碱（Choline，Cho），主要存在于细胞膜，其含量变化反映细胞膜代谢变化，在细胞膜降解或合成旺盛时其含量增加。在脑肿瘤时，常有Cho升高和NAA降低，因此Cho/NAA升高，尤以恶性肿瘤更为明显。多发硬化等脱髓鞘病变如果Cho升高，往往提示病变活动。Cho化学位移在3.22PPM。
    1. 乳酸（Lac），为糖酵解的终产物，一般情况下1H MRS无明显的Lac峰，但在脑缺血或恶性肿瘤时，糖无氧酵解过程加强，Lac含量增高。Lac的化学位移在1.32PPM，有时与脂质（Lipid）重叠，可采用改变TE的方法加以区别，在TE＝144ms的1H MRS上，Lac波峰向下，在TE＝288ms的1H MRS上，Lac波峰向上。
    1. 脂质（Lipids，Lip），由于脂质TE很短，因此一般1H MRS检测不到，如果出现明显的Lip的波峰，往往是感兴趣区接近于脂肪组织而受后者污染所致。在TE很短的1H MRS可以检测Lip。Lip可以在高级胶质瘤、淋巴瘤及转移瘤中升高，肿瘤坏死区也可出现Lip。

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