MRS的原理和临床应用

MRS的原理和临床应用南华大学附二医院神经内科梁江红什么叫核磁共振？•原子核在自旋中会产生磁场，所以这样的原子核可以看成微小的磁铁．如果把这样带有磁性的核放到外磁场中，核自旋对外磁可以有2I+1种取向．氢原子核的I=1/2,因此只有两种取向，+1/2，-1/2，即与外磁场同向和与外磁场反向．前者能量低，后者能量高．什么叫核磁共振？•若质子受到一定频率的电磁波辐射，辐射所提供的能量恰好等于质子两种取向的能量差，质子就吸收电磁辐射的能量，从低能级跃迁至高能级。这种现象即称核磁共振。MRS发展历史•11946年美国斯坦福F.布洛克和哈弗大学E.M.帕塞尔小组均同时记录到液体样品和固体样品的磁共振信号。•220世纪50年代桑德斯和柯克伍德首次成功的利用MRS直接观测生物大分子40MHz的核糖核酸酶的MRS。此后，又连续测到其他蛋白质、核酸、磷脂等相应组分。MRS技术特点•在研究生物大分子时，MRS有以下技术特点：•1不破坏生物高分子的结构（包括空间结构）•2在溶液中测定符合生物体的常态，也可测定固体样品，比较晶态和溶液态构象的异同。•3不仅可以用来研究构象而且可以用来研究构象变化即构象动力学过程。MRS技术特点•4可以提供分子中个别基团的信息，对于比较小的多肽和蛋白质已经可以通过二维的MRS获得三维的结构的信息。•5可用来研究活细胞和活组织。MRS在生物体中研究范围•MRS在生物体中研究范围很广：•1确定生物分子的成分和浓度，特别是可不破坏组织细胞而测得其组分；确定异构体比例；确定分子解离状态；确定金属离子或配基是否处于结合状态；以及测定细胞内外的PH值等。•2热力学的研究：测定酶与底物、配基、抑制剂的结合常数；测定可解离基团的PK值，特别是生物大分子中处于不同微环境的同类残基的同类基团的不同PK值。MRS在生物体中研究范围•3动力学研究•监测反应进程测定各组分随时间的变化等。•4分子运动研究:如生物膜的流动性等。•5分子构象及构象变化研究•6活体研究•7二维MRS研究:20世纪70-80年代人类进入二维到三维MRS研究。二维MRS波谱图MRS的临床意义•磁共振波谱(MRSpectroscopy，MRS)是医学影像学近年来发展的新的检查手段:•1.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，•2.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。•3.1HMRS可对神经元的丢失、神经胶质增生进行定量分析，•431P磁共振波谱可对心肌梗塞能量代谢变化进行评价。•5MRS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.MRS基本原理•磁共振波谱分析原理（MRS）•MRS是一种利用核磁共振现象和化学位移作用，测量脑内有关区域中各种元素和化合物分子的波谱，借此了解局部脑神经元的活动信息。其基本原理与MRI一致，只不过经典MRI和fMRI技术是检测水质子共振信号，而MRS是检测其他化学物质分子的质子或其他原子核(1H、31P、23Na、13C、19F)的共振信号。其中在医学领域应用最多的是1H和31P。MRS基本原理•一、名词解释•1进动：原子核在外加磁场中自旋的同时，还以一定的角度围绕外加磁场方向进行旋转运动，这种运动称为进动（precession)。自旋的進動現象主要出現在核磁共振與磁振造影上。其中的例子包括了穩定態自由旋進(進動)造影。在一个旋转系统里，力F、力矩、动量P、角动量L，这些物理量之间的关系•2弛豫（relaxation）•病人检查时被置于磁场中接受一序列脉冲后，打乱组织内质子运动，脉冲停止后质子的能级和相位恢复到激发前状态，这一过程称为弛豫。纵向弛豫（T1）和横向弛豫（T2）。磁共振现象类比•玩具小鸡啄米--重力场-主磁场，摇晃的手-脉冲激励磁场，回复平衡状态-弛豫MRS基本原理•3电子云：带负电荷的电子具有与原子核相似的自旋特性，在原子核周围形成具有屏蔽作用的磁场，这一磁场称为电子云。电子云的作用使得外加磁场对原子核的作用减弱。•4化学位移：•将人体置入外加主磁场中，核沿主磁场方向做陀螺样进动，原子核所受的磁场主要由主磁场决定。但是，也与核的磁旋比γ、核外电子云及临近质子的电子云有关。电子云的作用会屏蔽主磁场的作用，使的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产生的磁场差异被称为化学位移。主要是屏蔽系数与原子核的特性（或者说种类）以及原子核所在的化学环境有关。MRS基本原理•化学环境指的是，原子核所在的分子结构。同一种原子核处在不同的分子结构中，甚至同一个分子结构的不同位置或者不同的基团中，其周围的电子数和电子分布都将有所不同，因而受到的磁屏蔽作用也不同。处于化合物中的同一种原子核，由于所受磁屏蔽作用的程度不同，将具有不同的共振频率，这就是所谓的化学位移现象，也是磁共振波谱成像的基础。MRS基本原理•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。MRS基本原理•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.•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.MRS基本原理•MRI与MRS的区别：•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基本原理•化学位移的表示方法•化学位移（chemicalshift）用于表示化合物中各组成成分的原子核共振的波峰位置。•实际应用中，此频率数值并非用其绝对值（Hz，赫兹）表示，而是用一个相对值ppm表示。MRS基本原理•5自旋耦合（spin-spincoupling）•在分子中，不仅核外的电子会对质子的共振吸收产生影响，邻近质子之间也会因互相之间的作用影响对方的的核磁共振吸收，引起共振谱线增多。这种相邻原子核之间的相互作用称为自旋偶合。因自旋偶合而引起的谱线增多现象称为自旋裂分。•所谓自旋裂分是当发生核磁共振时，一个质子发出的信号被邻近的另一个质子裂分成了两个，这就是自旋裂分。•任何原子核都具有磁距和自旋的特性并能产生磁共振信号；用于临床最常见的元素有氢(1H)，磷(31P)，碳(13C)，钠(23Na及氟(19F)。其受激发后产生的信号构成了磁共振波谱成像的基础。•应用高分辨的现代核磁共振仪，乙醚的谱图（低分辨），原来的两个峰各分裂成四重峰和三重峰，这种情况叫做峰的裂分现象。吸收峰为什么会发生裂分这是因为相邻两个碳上质子之间的自旋偶合（自旋干扰）引起的。如，一个质子共振峰不受相邻的另一个氢质子的自旋偶合时，表现为一个单峰。若受其（相邻一个质子，＋1／2，－1／2）自旋偶合时，则裂分为一组二重峰，该二重峰强度相等，其总面积正好和未分裂的单峰的面积相等。峰位则对称分布在未分裂的单峰两侧，一个在强度较低的外加磁场区，一个在强度较高的外加磁场区。这是由于受附近质子自旋影响的结果。•因此，自旋耦合的强度与共价键的多少有关，而化学位移则随MR的场强变化。同种原子核在不同化合物中进动频率的不同在MRS上具体表现为频率轴上不同位置而形成不同的峰。•如果对两组峰做积分，则积分曲线所代表的两组•峰的总面积比为1:2。质子的自旋裂分是有规律的，•若一组化学等价的质子，它只有一组数目为n的相邻•碳原子上的等价质子，那么它的吸收峰裂分为•（n+1）个，这就是（n+1）规律。•裂分峰的相对峰面积，基本上满足二项展开式的各项•系数比，即双峰(1:1)，三重峰(1:2:1)，四重峰•(1:3:3:1)，五重峰(1:4:6:4:1)等。在核磁共振谱中•常以s(singlet)表示单峰；d(doublet)表示双峰，•t(triplet)表示三重峰；q(quartet)表示四重峰；•m(multiplet)表示多重峰。•常用耦合常数作为自旋耦合的量度，用符•号J表示，单位是赫兹(Hz)。J的大小表示了耦合作用•的强弱。Jab表示质子a被质子b裂分的耦合常数，它•可以通过吸收峰的位置差别来体现，这在图谱上就是•裂分峰之间的距离。MRS基本原理•MRS检查方法•MRS检查前，一般先做MRI，根据图像提供的病变部位，对感兴趣区（ROI)进行MRS检查。现最常用下列几种技术来获取代谢变化信号：1、表面线圈法：将表面线圈置于被检测部位的体表，这主要用于周围肌肉、皮肤和肝脏的检查；2、深部分辨表面线圈法：应用选择性脉冲激发距体表一定距离的单一层面，主要用于心脏的检查；3、选择性激发技术：利用梯度脉冲激发感兴趣区的中心点，可用于脑组织的检查。MRS基本原理•MRS临床应用医学领域波谱分析以31PMRS及1HMRS应用研究较多。•31P-MRS：•31P在活体能量代谢中有重要作用，同时组织31P的峰值曲线数目不多，但化学位移值大，易于判断其峰值结果。生物组织31PMRS可测出7条不同的共振峰：磷酸单脂(PME)、磷酸二脂(PDE)、磷酸肌酸（PCr）、无机磷（topicphaphate，Pi）和三磷酸腺昔（adenodnetriPbephate，ATP）中的γβα、、磷原子。MRS基本原理•这7条共振峰在不同组织、不同代谢状态时的峰值是不同的，与正常标准对照，可判断每一个化合物的含量。另外，Pi的化学位移受细胞内pH值的影响，根据它的化学位移相对于PCr的改变可测定细胞内的PH值。但磷在人体内自然丰度及灵敏度较低，而氢是人体最丰富的原子核，自然丰度和灵敏度均高，最易被检测到，检测设备要求相对简单，故近年来1HMRS研究较多。•31P通常以PCr为标定物。MRS基本原理•1H-MRS：•氢原子核因只含有一个质子，其波谱也称质子磁共振波谱。且氢原子核占人体原子核数量的2/3左右，自然丰度及相对灵敏度高，其相对灵敏度是31P的16倍，是人体磁共振信号的主要来源，故质子磁共振波谱容易成功MRS基本原理•1HMRS的检查方法•单体素1HMRS检查是一种自动检测MRS技术，应用较早。可在3~5分钟内直接得到波谱分析图。常用的脉冲序列为激励回波法（STEAM）和点分辨法（PRESS）•多体素1HMRS检查该法采用CSI成像，空间定位由选择性RF及三维梯度在每次扫描中递增而定，是多维相位编码技术，可同时编码多个体素。该技术的一大优点是一次可采集多个感兴趣区的信号，便于比较正常组织和病变组织，并对容积内任一像素进行波谱重建。MRS基本原理•3D1HMRS检查即全脑容积波谱成像。采用螺旋波谱成像法可得到较大范围的波谱成像，并得到全脑代谢物分布图。具体为同时进行连续多个层面的二维波谱成像，得到多个频率图像。扫描结果经计算机后处理分析后可得到波谱图。MRS基本原理•磁共振波谱图•对于指定的MRI/MRS一体化扫描机器，其磁场强度是一定的。•利用频率连续的RF脉冲激励选定区域的组织，处于不同化学环境的同类原子核会以不同的频率发生共振。•在RF脉冲停止激励后，组织弛豫过程所产生信号的频率也是连续的。磁共振波谱图•将接收线圈接收到的磁共振信号通过傅立叶转换，描绘成直角坐标中按频率分布的函数曲线，就得到磁共振波谱图。•其中，纵坐标表示信号强度，横坐标表示共振频率磁共振波谱图•Representativespectrumofthehumanbraininvivo.Eachpeakislabeledwiththemoleculeanditsstructur