基于化学位移效应的磁共振波谱成像
虽然常规磁共振成像（MRI）是核磁共振现象在临床中最为普遍的应用，但实际上磁共振波谱成像(Magnetic Resonance Spectroscopy, MRS)是核磁共振现象最早的应用。人们利用磁共振波谱成像来研究样本中某一个分子或分子中某一部分的化学构成。因为磁共振波谱成像对于场强具有很高的要求，早期的医用磁共振扫描仪由于场强较低无法开展医用磁共振波谱成像。但随着全身医用磁共振成像设备性能的不断提高，磁共振波谱成像也开始用于在活体状态下研究组织内代谢物的水平。同时，因为这些代谢物在正常状态下具有一定的组成规律，而在病理状态下这些代谢物的变化也具有一定的规律，因此可以通过磁共振波谱成像来探测病变区代谢物发生的变化，并依据这些变化为诊断和鉴别诊断提供有价值的信息。尽管构成人体的不同代谢物中很多元素都可能成为波谱成像研究的对象，但本文只讨论最常用的中枢神经系统氢质子波谱成像的相关问题。
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磁共振波谱成像概述
与常规磁共振成像一样，在磁共振波谱成像中也遵循磁共振现象的基本规律，如拉莫尔方程所决定的进动频率是磁共振波谱成像的基础。但磁共振波谱成像与常规成像也有很多不同。在常规磁共振成像过程中，通过不同的序列、不同的参数获得的是与成像组织结构相对应的弛豫信号信息，通过这些信号的变化和对比可以发现病变并对病变的病理改变进行分析。在常规磁共振成像中，为了实现信号与组织结构之间的对应关系，需要施加频率编码、相位编码及选层梯度来实现空间标记和定位，而且其每个体素对应的信号强度可以通过序列和参数的调整而改变。与之相对应，磁共振波谱成像过程中在信号读出阶段不施加频率编码或者说读出梯度，波谱成像所得到的信号中的频率差别完全由其内代谢物的化学位移来决定。同时，在波谱成像过程中为了更好地突出每种代谢物的含量要尽量减少参数对于弛豫的影响。由此可见，磁共振波谱成像的基础是不同代谢物中共振氢质子的化学位移不同，从而导致它们具有不同的拉莫尔进动频率，通过对谱线中不同位移点的谱线进行分析可以推断该种代谢物的含量或变化。
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磁共振波谱成像对于设备的要求和挑战
磁共振波谱成像的目的是研究成像组织内代谢物的水平和变化，对于相应成像体素谱线的分析所看到的谱线变化是这个体素中所有代谢物的综合反映。假如在成像过程中研究的体素过大，那么在这个体素中既可能包括正常组织，也可能包括异常组织，这样就会导致正常组织和异常组织代谢物之间的相互平均，其实这就是在常规成像中通常所说的部分容积效应，这种部分容积效应会导致代谢物的谱线面积被平均。举个例子，当对于一个怀疑脑内肿瘤病变的病人进行波谱成像时，显然非常希望能够通过病变内胆碱水平的增高来支持肿瘤病变的诊断，同时肿瘤病变通常也会伴有不同程度神经元的破坏，其结果是神经元的标记物N-乙酰天冬氨酸（NAA）含量的降低，通过胆碱(Choline)和NAA这种相对关系的改变就更有理由支持肿瘤病变诊断。但如果在进行波谱成像时体素过大，那么这个体素中就可能同时含有正常和异常两种组织，结果最后看到的代谢物信息是两者综合的结果。为了尽可能克服这种部分容积效应的影响，通常波谱成像时所选择的体素一般很小，这就对硬件平台提出了一个很高的要求。对于磁共振成像设备的要求集中在以下几个方面：
（1）成像设备的场强：磁共振波谱成像对于成像设备的场强有着很高的要求，通常在1.5T或以上的超导设备上才能开展磁共振波谱成像。之所以对场强有如此高的要求，一则源于信噪比的要求，一则源于化学位移成像的要求。在波谱成像过程中通常体素很小，这就在客观上要求设备能够提供更高的信噪比。另外在波谱成像所研究的组织代谢物，其含量与水相比微乎其微，约相当于水含量的十万分之一。要想把如此低含量的代谢物显示出来，除了对于扫描中使用的扫描参数如成像时间有更高的要求外，足够高的磁场强度也是成像的前提和基础。波谱成像的信噪比与场强成正相关，场强越高固有信噪比越高。更高的固有信噪比是获得良好谱线的前提，因为，如果波谱成像本身的信噪比低，谱线基线就很容易受噪声的干扰变得不稳，这时看到的就可能是杂乱无章的一堆线。另外，因为波谱成像实际上就是化学位移成像，在高场强时不同代谢物之间的频率差别变大，这对于射频脉冲的设计更加有利。稍后会进一步讨论，化学位移的两种不同表达形式其实在波谱成像中要根据具体问题具体分析对待。
（2）成像设备的磁场均匀度：波谱成像的基础是不同代谢物中氢质子具有不同的化学位移，这种化学位移导致了不同代谢物中氢质子的共振频率不同。当我们对波谱成像所获得的信号进行傅里叶变换时表现为处于不同位移点的不同代谢物及其相对应的谱线下面积。但是因为这些代谢物本身的浓度很低而且化学位移也很小，所以只有当具有特别优异的磁场均匀度时才能获得良好的谱线质量。在磁共振波谱成像预扫描时，系统首先会测量成像区域的磁场均匀度，这个指标在头部波谱成像用NAA的线宽来表示，稍后会解释线宽等重要概念。这里顺便提一点：对于波谱成像而言，不仅设备本身的磁场均匀度至关重要，而且成像区域的磁场均匀度也至关重要。这点在下面会重点讨论。
03
磁共振波谱成像过程中几个重要的基本概念
在学习磁共振波谱成像过程中，清晰了解和掌握有关基本概念非常必要，这不仅是成功地进行波谱扫描的前提和基础，同时也能更加深入地理解波谱成像中的一些挑战。在临床工作中经常会听到一些不切实际的波谱成像需求，之所以如此很多时候是源于对波谱成像的了解不够深入，这些不切实际的想法有时会导致不切实际的课题设计。
代谢物与化学位移：组织中不同的代谢物中氢质子周围的电子云密度不同导致不同的化学位移，这是波谱成像的基础。以中枢神经系统为例，通常观察的是几种具有代表意义的代谢物，如N-乙酰天门冬氨酸（NAA）,胆碱（Choline）,肌酸（Creatine）和乳酸及脂类（lactate, lipid）等，这些代谢物之所以成为关注的重点，一方面是这些代谢物较其他代谢物相比具有更高的浓度，因此能够在临床磁共振成像设备波谱成像中被显示出来，这个是前提也是基础。另一方面，这些代谢物在病理状态下也会有一定规律的变化，通过这些变化可以帮助推断可能发生的某种代谢改变并从而推测可能存在的组织学变化。在波谱成像过程中，代谢物的浓度可以因为病变导致的代谢改变而发生改变，但其化学位移的大小不会改变，这就是说，在经过傅里叶变换后每种代谢物的位置不变，了解这点对于波谱分析至关重要。根据我们讨论的问题和应用场景不同波谱成像中不同代谢物之间的化学位移可以采用不同的表达形式。如在讨论不同场强设备对于波谱成像的影响时，采用有量化单位的赫兹数来理解更容易。场强越高，不同代谢物之间共振频率的频率差就越大，这对于射频激励和射频脉冲波形的设计人员而言就更加容易。而在波谱分析时我们采用无量纲的ppm就更加容易，因为不同代谢物之间的化学位移的ppm是一个固定值，所以在进行波谱分析中采用ppm作为化学位移的表示法时每种代谢物的位置就是固定的。在谈及波谱成像每种代谢物的化学位移位置ppm时需要指出一点：作为这些人体内不同代谢物的化学位移的参考点，实际选择的参照物是人体内并不存在的一种化合物：四甲基硅烷（tetramythylsilane,TMS）。但因为这种化合物具有毒性且无法在人体内获得均匀分布，所以在波谱成像扫描过程中并不能以它作为中心频率的参考点。有些厂商的说明中强调以水作为中心频率，而有些厂商的说明中则强调以NAA作为中心频率。作为用户需要了解无论以什么作为参考频率，从ppm的角度来看都是一个平行位移的问题，此时不改变的是各种代谢物和TMS之间的化学位移ppm关系。举个例子，如果以水作为参考点，那就是说我们把4.7ppm这点作为坐标的原点，此时以NAA为例，它的化学位移点是：（NAA与水之间的化学位移赫兹数/该设备下拉莫尔频率）*106+4.7。以1.5T为例，NAA与水之间化学位移为-172Hz，而1.5T的拉莫尔频率为63.8MHz,经计算NAA的化学位移ppm点是（-172/63.8MHz）*106+4.7ppm=2.0ppm，以此类推。如果以NAA作为参考点，则利用代谢物与NAA之间的化学位移赫兹数经过上面的计算再加上2.0ppm即可。其实这些运算是成像系统进行傅里叶变换时要做的事，作为使用者只要牢记每种代谢物的位置点即可。
图片说明：波谱成像在胶质瘤恶性度判断中的价值。这是一个胶质瘤病例用波谱和3D ASL分析其中恶性度更高的高活性靶区。在ASL的灌注图像上可以发现有两个高灌注区，提示局部恶性程度更高，而ASL显示的两个靶区在MRS上显示出一个（采用Choline/NAA）,对应于ASL的另一个高灌注区波谱谱线显示胆碱峰升高，但相应NAA降低不明显。文献报道在反映胶质瘤高恶性度的活性靶区方面波谱成像不如灌注成像敏感。