MRI和MRS

顾名思义，MR成像（MRI） 主要涉及解剖图像的产生。MRI扫描通常包含数千个体素，其信号反映它们所含组织的体积磁性（例如，T1，T2，易感性，流动）。MRI记录的感兴趣的信号 主要来自水和脂肪中的质子。

相比之下，MR光谱（MRS） 的目标 是分析化学成分在非常少量的大得多的体素中的组织。通过排除来自水和脂肪的压倒性信号，MRS可以检测以毫摩尔（mM）浓度存在的小代谢物。这些代谢物可以区分，因为它们基于其局部化学环境以略微不同的频率共振。两种分子种类之间的频率分离程度的特征在于它们的  化学位移（δ），在其光谱下方的水平轴上显示的数量较少。每个峰下的相对面积大致与该特定化学环境中的核数成比例。

如何在MR扫描仪上获得光谱而不是图像？

在传统的MRI中，体素之间的频率差异用于空间编码。这通常通过在信号演变期间应用频率编码梯度并在数据采集期间使用读出梯度展开该效果来实现。

然而，在MR  光谱学中，频率变化不能用于空间编码，因为必须使用该信息来识别分子种类之间的化学位移。因此， 空间梯度不是在MRS研究信号读出期间发挥。

由于频率空间编码不能用于MRS，因此已经开发了几种巧妙的替代方法来克服这种限制。这些包括双相或三相相位编码，线圈设计/定位和选择性激励，所有这些都将在后面的问答中讨论。

一旦通过这些MRS空间编码方法之一识别并隔离了体素，就执行其信号的傅里叶变换（FT）。傅立叶变换对包含在时域信号中的频率信息进行解码，从而显示一个或多个频谱峰值。在左边的例子中，上部体素仅包含单个化学上不同的物种（A），而下部体素包含两个（B＆C）。每个峰下的相对面积大致与每个分子中NMR活性核的数量成比例，而峰的分离代表它们的化学位移差异。

化学位移是什么意思？  

化学位移是指存在于不同分子环境中的两个相同的核的共振频率的微小差异。产生这种频率差是因为特定核的共振频率不是由外部施加的磁场（B o）的强度决定的，而是由核在原子水平上经历的 局部 场（B loc）决定的。

因此，所有原子核不会以完全相同的频率共振。每个核的确切频率取决于它所在的特定分子以及它在该分子上的特定位置。对于1 H核，化学位移相对较小（1.5T时小于几百Hz），但仍可检测到。化学位移可以提供关于成像组织的分子组成的重要信息，并形成MR光谱（MRS）的基础。

化学位移是由原子/分子水平的反磁化敏感效应引起的。易感性是物质对外部磁场的响应，可能由几种不同的机制产生（在先前的Q＆A中描述）。考虑这种现象的最简单方法是想象在核周围循环的电子产生一个与B o相反的“诱导”磁场（B ind）。因此，电子云充当“屏蔽”以保护核免受B o的全部力。的遮蔽系数通常给出的符号σ，其中  乙IND  =  σB o。因此核所经历的局部有效场是B loc，其中

B loc = B o  - B ind  = B o （1 - σ）

较早的文献有时也将  σ称为“化学位移”。这个术语造成了一些混乱，因为B ind和B loc不是直接测量的。在实践中，化学家测量研究样品和外部参考标准之间的NMR频率差异。2001年，国际物理学家和化学家联盟（IUPAC）建议放弃使用  σ来支持  δ-尺度，  化学位移（δ）  定义为

δ =（f samp  - f ref ）/ f ref

其中f samp是所研究的核物种的NMR频率，f ref是参考化合物的NMR频率。

频率差（f samp -f ref）通常在几百到几千Hz的量级，而参考频率（f ref）以MHz为单位测量。因此化学位移（δ）是一个很小的数字，以百万分率（ppm）为单位表示。后缀ppm可与x10 -6互换，正如符号％可与x0.01或x10 -2互换。

化学位移（δ）是对每种类型的核（1 H，31 P等）和化学构型（-C H 3，-O H，-P O 4等）特定的无量纲常数。化学位移值表很容易获得（现已嵌入计算机/智能手机应用程序中），使化学家能够在MRS实验中快速识别检测到的细胞核。

ppm的使用允许描述化学位移，而与场强无关。考虑两个化学位移不同1.0 ppm的原子核。在1.5T（其中拉莫尔参考频率约为64MHz），这两个核因此在绝对频率上相差64MHz×1ppm = 64Hz。在3.0T（其中拉莫尔频率为128MHz），两者将相差128MHz×1ppm = 128Hz。

如何在δ尺度上测量质子化学位移？ 

在1 H光谱中测量化学位移的参考是四甲基硅烷，Si（CH 3）4。 四甲基硅烷（TMS）  是一种方便的标准，因为中心硅原子具有低电负性，化合物是对称的，并且质子的屏蔽大于几乎所有其他有机分子。因此，含有1 H的生物分子的NMR信号从TMS向低场移动。关于常用的三角洲（δ）规模，TMS被赋予0.0ppm的值，并且大多数其他有机分子将具有0-12之间的化学位移。例如，水在生理温度下具有约4.7ppm的化学位移。大多数脂肪族质子的化学位移小于水但高于TMS。具有附近羰基的芳族化合物和分子通常具有大于水的化学位移。

δ-尺度的方向

从1950年代的连续波（CW）核磁共振时代开始，左侧较大数字和右侧较小数字的“向后”化学位移（δ）标度是遗留下来的。在这些早期实验中，磁场从较低值逐渐增加到较高值。

较少屏蔽的原子核（具有今天较高的正  δ  值）是首先被检测到并放置在光谱的左侧。随着场的增加，更多的屏蔽核（具有更低的  δ  值）进入共振并被放置在右侧。在较低外部场水平检测到的（左）核被认为是来自被屏蔽的（右）核的“低场”，被称为“高场”。

你如何预测氢与分子的化学位移？  

化学位移是由分子中1 H核的微分电子屏蔽引起的。较少屏蔽的核具有较大的化学位移（较高的δ值  ）。可以通过观察附近分子基团的电负性来估计屏蔽程度，特别是接近氧（O）原子，双键和芳环。

为什么一些光谱峰值高于其他峰值？为什么有些宽而有些是狭窄的？

沿NMR谱的峰的位置是恒定的并且取决于其  化学位移（δ）。如先前的Q＆A中所述，化学位移由被成像的核的局部分子环境决定。在给定光谱位置的峰

的大小和形状是可变的并且取决于五个主要因素：（1）产生特定线的核的浓度; （ 2）代谢物的T1和T2弛豫时间，也受MRS序列的TR和TE的影响; （3）整个样品的磁不均匀性，由匀场控制; （4）隐藏/重叠峰的存在; （5）该线是单线还是多线。

活性核浓度

在所有其他因素相同的情况下，两条谱线的相对大小反映了产生每个峰的核浓度。例如，1M 分子四甲基硅烷（Si（CH 3）4）样品每分子具有12个光谱相同的  1 H原子理论上会产生三倍于1M样品甲烷（CH 4）的谱线，其中每个 甲烷仅有4个H原子分子。因此峰值高度不反映代谢物本身的摩尔浓度，而是反映这些代谢物中活性核的浓度。

T1和T2松弛的影响

排除大分子，大多数单独的1 H代谢物的T1和T2值在几百到超过1000毫秒的范围内，类似于在整个器官中测量的弛豫时间。与MR成像一样，MR光谱序列包含操作员可选参数（TR和TE），它们与T1和T2一起作用以影响谱线的大小和形状。

TR控制T1加权。当  TR  比代谢物的T1短得多时，该代谢物的纵向磁化在激发之间不能完全恢复，并且其峰高将减小。

与MR成像一样，T2确定光谱信号的衰减速率。由于发生了更多的T2衰变，因此在长TE处获得的MRS序列将具有更小的峰值。对于固定的TE，具有较短T2的代谢物将比具有较长T2的代谢物衰减得更快并且具有更小的峰。

T2强烈影响光谱峰的宽度。的  线宽度  的峰是由它限定  半高全宽（FWHM）  在其最大高度的50％测得的峰值的宽度- 。通常认为光谱峰具有  洛伦兹线形状，并且在该条件下在均匀场中，F WHM（以Hz为单位）与（1 /πT2）成比例。具有长T2的代谢物将具有窄峰，而具有较短T2的代谢物将具有较宽的峰。

在现实生活中，总是存在磁场不均匀性，因此光谱信号以T2 *的速率衰减（其总是短于T2）。这些不均匀（T2 *）效应拓宽了所有谱线。这就是为什么在进行任何光谱测量之前磁场匀场是必不可少的。

隐藏/重叠峰值

两种不同代谢物的光谱线可以叠加或重叠，产生看起来比预期更宽或更高的单峰。常见的例子包括乳酸（δ = 1.33）和脂质（δ = 1.3）或NAA（δ = 2.01）和NAAG（δ = 2.04）的重叠。

单线态与多重峰值

确定峰的外观的最后一个因素是，是否它们被分为两个或更多子峰，也称为多重。 光谱峰的分裂是由驻留在同一分子上的两个核自旋的电子介导的相互作用引起的。这种现象被称为  J耦合，其机制  在下一个问答中得到更全面的描述。回归点指出，如果通过J耦合相互作用将峰分成多个峰，则子峰  的整体复合体将比没有耦合的原始峰更小且更宽。

为什么有些光谱会分裂成较小的峰值而有些光谱却没有？

将光谱峰分裂为双峰，三重峰或更高阶多重峰是由驻留在同一分子上的两个核自旋的电子介导的相互作用产生的。这种现象称为J耦合，其机制  在高级讨论中有更完整的描述  。简言之，一个原子核的自旋使其价电子极化，这种极化通过键转移，影响远端原子核的自旋。

对于通过J-耦合分离的谱线，必须满足至少两个要求：1）核必须彼此相对靠近，通常小于3-4个键，2）核必须是化学上可区分的。后一个标准意味着例如，甲烷（CH 4）的 四个1 H核将产生单个（未分裂）谱线，因为它们 在化学和磁学上是相同的。

如果您参加过大学级的有机化学课程，您可能会使用  J -coupling来确定简单化合物的结构，如下图所示的氯乙烷。（虽然像我的大多数学生一样，你可能只是模糊地记得做过这个！）

氯乙烷（CH 3 -CH 2 -Cl）具有在两个不同的分子环境1 H-核：甲基（-C ħ 3）  和  甲烷二（ -C ħ 2 - ），与主谐振δ分别≈1.2和3.6 ppm的。如高分辨率实验室核磁共振谱中所示，由于J-偶联，两条主要谱线被分开（分别为三重态和四重态）。

多峰中子峰之间的间距由  偶合常数（J）确定，对于氯乙烷，其具有约7Hz的值。Ĵ 与场强无关，因此以Hz而不是ppm报告。对于有机分子中的1 H-1 H偶联，  J  通常位于0 -20 Hz范围内。给定的1 H  谱线将被分裂的次数可以通过n + 1规则预测，该规则  表明多重态的数量比连接到紧邻的碳原子的氢的数量多一个（n）。对于氯代甲烷，  -C H 3  氢与相邻碳（-C H 2 - ）上的n = 2 个氢相互作用，因此被分裂成三重态（

2 + 1 = 3）。相反地，甲烷二（-C ħ 2 - ）氢相互作用以n = 3的甲基（-C ħ 3） 氢的被分成一个四重峰（3 + 1 = 4）。多重子峰的相对高度通常遵循的二项式系数帕斯卡三角（1：2：1，1：3：3：1），而吨每个群集下他相对面积（3 和  2）反映数  1 H-核在每个化学组中。

在脑MRS中，1 H核产生三个最大的峰 - N-乙酰天冬氨酸（NAA），胆碱（Cho）和肌酸（Cr） - 没有最近邻质子，不经历J-偶联，并表现为单身。然而，当存在时，δ  = 1.32 附近 的乳酸的主峰确实分裂成易于观察的双峰 。这引起了错误的观念，即乳酸是在光谱中分裂的唯一峰。这不是正确的，因为许多代谢物（包括NAA）具有通过J-偶联分裂的较小或次级峰（尽管由于它们的 低浓度或与其他共振重叠，这些可能难以看到）。

如果频率编码不能用于确定空间位置，您如何定位MRS信号？ 

在MRS中，不能使用空间频率编码，因为必须保留频率差异以识别分子种类之间的化学位移。有几种本地化策略可供选择：1）单体素方法; 2）多体素方法; 3）表面线圈方法。

单体素谱（SVS）

单体素技术使用顺序施加的RF脉冲，其与三个正交平面中的梯度耦合。这些平面的交叉定义了立方体形状的体素作为MR信号的源。

三个主要SVS方法是常用的，由RF脉冲的性质和时序区分和类型的信号的生成：

点分辨光谱（PRESS）  是1 H光谱学最常用的方法 。它采用3 RF脉冲（90º-180° - 180º），并产生一个自旋回波信号。

受激回波采集模式（STEAM）  使用三个90º脉冲并产生受激回波。由于与PRESS相比其信噪比较低，因此在过去的十年中，对于≤3.0T的磁场，STEAM逐渐失去了对1H光谱的青睐。

图像选择的体内光谱（ISIS）。与组织无关，ISIS主要用于³P光谱学。 从8个单独的RF脉冲周期产生自由感应衰减信号，然后以特定顺序加上和减去以定义感兴趣的体积。

（多体素）化学位移成像（CSI）

化学位移成像（CSI）是一组MRS技术的传统名称，也称为更现代的术语 MR光谱成像（MRSI）。可以在1D（一列体素），2D（体素平面）或3D（体素块）中同时获得光谱。

CSI相位编码可以与任何类型的激励和信号生成方法组合。在最简单的情况下，可以用非选择性RF脉冲激励整个体积，在每个相位编码步骤之后对FID信号进行采样。更常见的是，使用类似于PRESS，STEAM或ISIS的空间选择性RF脉冲和梯度来执行激励。多个梯度步骤的使用意味着与SVS技术相比，CSI方法（尤其是3D中的方法）是时间密集的。为了加速数据采集，可以使用各种方法（包括并行成像，减少k空间采样和多频带激发）。减少成像时间的相对简单的方法是在每个TR期间获得两个或更多个回波间隔。这种技术被称为  涡轮光谱成像（TSI），其明显类似于涡轮自旋回波（TSE）成像。

表面线圈定位

对于多核（即，非1 H） 光谱学，通常将调整到目标核的小  表面线圈直接放置在期望的解剖结构（心脏，肝脏，肌肉）上。这种线圈具有锥形的接收区域，其延伸到组织中的距离大约等于它们的直径。如果在没有空间梯度的情况下施加非选择性RF脉冲，则得到的信号来自线圈的整个敏感体积（即，单个巨大的半球形体素）。如果切片选择性RF激励或相位编码梯度被使用，那么更多的特异性定位至磁盘，单个或多个的体素可以得到。

下表提供了主要MRS定位方法的概述及其优点和缺点。有关PRESS，STEAM，ISIS和CSI的更多详细信息可以在与每种技术相关的专用问答中找到。

你如何在单体素和多体素技术之间做出选择？  

在开出MR光谱检查时，其中一个基本决定是从单个体素还是从多个体素中获取数据。

单体素光谱（SVS）技术是最简单的获取和解释，因此是最广泛使用的。它们在相对较短的扫描时间内提供高信噪比。因为成像区域紧凑，所以可以获得优异的匀场，得到适合于定量分析的高质量光谱。

多体素化学位移成像（CSI）  技术提供了超过SVS的两个潜在优势：1）更大的总覆盖面积（因为整个多体素板的尺寸更大），以及2）更高的空间分辨率（因为单个体素更小） ）。广泛的覆盖区域对于像上面显示的脑肿瘤这样的大的异质性病变是重要的，其中SVS技术仅从一小部分质量提供数据。

当评估SVS不切实际的前列腺等小器官时，多体素CSI研究中较小尺寸的单个体素可能是关键的。当研究小的或不规则形状的解剖结构时，即使在像大脑这样的较大器官中，较小的体素也是有利的。通过从光谱区域排除不需要的结构（例如其他核，CSF或头皮脂肪），可以减少部分体积效应。

多体素CSI的缺点包括：1）更长的设置和成像时间; 2）难以在整个区域获得均匀的垫片; 3）降低单个体素的信噪比和光谱质量; 4）来自相邻体素的光谱污染。

PRESS是如何工作的，为什么它是最受欢迎的MRS方法？ 

点分辨光谱（PRESS）是在1.5T和3.0T下用于1 H光谱的主要方法 。核心序列包括三个切片选择性RF脉冲（90° - 180° - 180º）与三个正交梯度（同时施加 X， ÿ  和z）。时间 TE处的PRESS信号是仅从经历了所有3个RF脉冲的质子得到的自旋回波。这些质子位于长方体形状的体素中，三个成像平面重叠。

PRESS序列相对容易编程和实现。它不限于单体素光谱（SVS），而是可以与化学位移成像（CSI）中的相位编码梯度一起使用，从而允许细分为多个较小的体素。

PRESS的主要缺点是其可达到的最小TE的限制  。实际上， 通常使用30-35毫秒的TE ，并且难以获得低于25毫秒的值。相对较高的最小TE直接来自脉冲序列结构 -  多个RF脉冲并等待自旋回波需要时间！

实际意义是使用PRESS难以解决T2短的代谢物。因此，PRESS根本不能用于31 P光谱学（所有相关代谢物都具有非常短的T2）。并且由于T2值随着场强的增加而降低，因此即使对于7T及以上的1 H光谱，PRESS也不太有用  。

PRESS的最后一个小限制是组织加热的可能性。多个  18 0 º脉冲存款相当大的能量，并且在一些情况比吸收率（SAR）限制可能被超过。在这些情况下，较不常用的模拟回波采集模式（STEAM）方法可以提供比PRESS 更低的能量沉积（以及更短的TE）并且是优选的。

MR光谱法的STEAM方法如何工作以及何时使用？ 

模拟回波采集模式（STEAM）  是一种光谱技术，使用三个切片选择性90º脉冲同时施加三个正交梯度（x， y 和z）。STEAM信号 是受激回波（STE），仅来自经历了所有3个RF脉冲的质子。这些质子位于长方体形状的体素中，三个平面重叠。

STE出现的时间取决于三个RF脉冲的间隔。如果前两个脉冲被时间TE / 2分开  ，则STE的峰值将在第三个RF脉冲之后精确地出现在TE / 2处。第二和第三脉冲TM之间的间隔称为混合时间，通常保持在最小值。在此期间，磁化沿z轴“存储” 并且不经历T2衰减。因此，序列的回波时间（TE）定义为TE / 2 + TE / 2，并且不包括TM。

与PRESS相比，STEAM具有多项优势。首先，序列TE可以做得非常短（在实践中低至约7毫秒），允许检测短的T2代谢物。其次，独特使用90º（而不是180º）脉冲可以实现更清晰的切片轮廓（ →更好的体素  边缘清晰度），更高的带宽（ →更少的化学位移位移伪影）和更低的组织能量沉积（→更小的SAR）。

尽管具有这些优点，但基于使用受激回波（而不是自旋回波）的事实，STEAM具有主要的信噪比损失。在相同的  TR和TE处，STEAM的最大信号仅为PRESS的一半。仅仅因为这个原因，STEAM在过去十年中不断受到欢迎，尤其是3.0T及以下的1 H光谱。除了估计1 H肝脏MRS中的肝脏脂肪分数外，我们不再在临床实践中使用它。

ISIS技术如何工作？为什么它优于PRESS而不是磷光谱？ 

图像选择体内光谱（ISIS）是在20世纪80年代开发的，当使用发射/接收表面线圈时，可能仍然是31 P的最佳单体素光谱（SVS）。记录的信号是自由感应衰减（FID）。与PRESS和STEAM类似，ISIS使用切片交叉策略进行体素定位。但是，所需的频谱不是从单次采集中获得的，而是必须使用来自8个独立RF脉冲周期的数据来计算。以特定顺序添加和减去这些FID以定义感兴趣的体积。ISIS序列的简化版本如下所示：

该序列包括三个切片选择性180°反转脉冲和三个正交方向的梯度。计算最终ISIS频谱所需的8次单独采集来自2 3 = 8个反转脉冲排列（开/关/关，开/关/开，关/开/开等）。在每个周期中FID使用非选择性（“硬”）90°-pulse激发线圈之下的整个体积。得到的

为了更好地理解其工作原理在实践中，下图显示了如何一个2周期ISIS序列中一维可用于本地化单个平面数据板。

在31 P光谱中感兴趣的代谢物具有相对较短的T2值，因此ISIS允许捕获比PRESS或STEAM更多的这种信号。在ISIS定位过程期间，除了在FID的短读出时段之外，磁化沿着纵轴（±z）保留。

ISIS的主要限制是减法误差造成的。这些主要是由于信号污染，当成像组织块的各个部分对RF脉冲的响应略有不同时。在8周期采集期间的运动伪像也有贡献。

如何进行化学位移成像？

化学位移成像（CSI），也称为 MR光谱成像（MRSI），是指一系列多体素技术，其全部或部分利用相位编码进行空间定位。可以在1D（一列体素），2D（体素平面）或3D（体素块）模式中获得多体素光谱。

CSI 相位编码可以与任何类型的激励和信号生成方法组合。在第一示例中（左下）示出了具有FID采样的3D CSI序列。这里，线圈的整个敏感体积首先由非选择性RF脉冲激发，在每个相位编码步骤之后进行数据采样。第二个示例（右下图）示出了基于PRESS的2D CSI序列，其具有自旋回波的采样。这里，光谱同时从体素的2D平板获得，其厚度由切片选择梯度（G z）确定，并且其面内尺寸由视场和相位编码步骤的数量确定。

在先前的问答中已经更完整地描述了多体素CSI方法的相对优点和缺点。简而言之，与单体素方法相比，CSI提供更大的总覆盖区域和更高的空间分辨率。宽覆盖区域的潜力允许评估大的异质损伤，而较小尺寸的单个体素对于小的或不规则形状的损伤是有利的。

多体素CSI的主要缺点包括：1）更长的设置和成像时间; 2）难以在整个区域获得均匀的垫片; 3）降低单个体素的信噪比和光谱质量; 4）来自相邻体素的光谱污染。

在所有这些限制中，成像时间约束可能是最关键的。为了完成空间定位的成像周期，必须以嵌套方式逐步完成整组相位编码梯度。因此，使用2.0秒的TR，[8x8x8] 3D-CSI研究将需要2x8x8x8 = 1024秒，或大约17分钟来执行 - 大多数患者在MR检查期间保持静止的容忍限度或超出容许限度的值。高级讨论中提供了各种减少扫描时间的策略，以及有关CSI技术的其他信息。

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