王祖強(qiáng)，馮凡哲

解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)員旅八隊(duì)，重慶 400038

MRS在最近30年內(nèi)已經(jīng)被廣泛用于人體組織代謝的研究以及相關(guān)器官病理生理的診斷。MRS測出的數(shù)據(jù)可以提供相關(guān)診斷信息。本文中提到的質(zhì)子譜（1H），碳譜（13C）、磷譜（31P）、鈉譜（23Na）等在人體組織的研究方面，可以涵蓋包括心、腦、肝等重要器官；在相關(guān)器官病理生理方面，其相關(guān)數(shù)據(jù)可以提供糖代謝、能量代謝、細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)等情況，從而對臨床診斷提供有價(jià)值的信息。本文對此做一綜述。

1 基本原理

1.1 MR

1946年Bloch和Purcell分別發(fā)現(xiàn)在射頻 （無線電波0.1～100 MHz，106～109μm）的電磁波能與暴露在強(qiáng)磁場中的磁性原子核相互作用，引起磁性原子核在外磁場中發(fā)生磁能級的共振躍遷，從而產(chǎn)生吸收信號，他們把這種原子對射頻輻射的吸收稱為磁共振（magnetic resonance，MR）。

1.2 MRS

1.2.1 化學(xué)位移 1947年P(guān)roctor指出原子核的共振頻率與它的化學(xué)環(huán)境密切相關(guān)，化學(xué)環(huán)境的改變可使某種原子核在Larmor共振頻率的基礎(chǔ)上有稍微的偏移，這種現(xiàn)象稱之為化學(xué)位移。MRS就是利用磁共振現(xiàn)象和化學(xué)位移作用對特定原子核及其化合物進(jìn)行分析，其特征性參數(shù)為磁共振頻率、峰值、半高寬、峰下面積等。

1.2.2 耦合常數(shù) 耦合常數(shù)是化學(xué)位移之外MRS的另一個重要信息，所謂耦合指的是鄰近原子核自旋角動量的相互影響，這種原子核自旋角動量的相互作用會改變原子核自旋在外磁場中進(jìn)動的能級分布狀況，造成能級的裂分，進(jìn)而造成MRS中的信號峰形狀發(fā)生變化，通過解析這些峰形的變化，可以推測出分子結(jié)構(gòu)中各原子之間的連接關(guān)系。

1.2.3 信號強(qiáng)度 信號強(qiáng)度是MRS的第三個重要信息，處于相同化學(xué)環(huán)境的原子核在磁共振譜中會顯示為同一個信號峰，通過解析信號峰的強(qiáng)度可以獲知這些原子核的數(shù)量，從而為分子結(jié)構(gòu)的解析提供重要信息。表征信號峰強(qiáng)度的是信號峰的曲線下面積積分，這一信息對于氫譜尤為重要。

2 碳譜（13C）

2.1 技術(shù)原理

早期的磁共振譜主要集中于氫譜，這是由于能夠產(chǎn)生磁共振信號的1H原子在自然界豐度極高，由其產(chǎn)生的磁共振信號很強(qiáng)，容易檢測。但13C的磁共振信號只有氫的1/6 000，這說明不同原子核在同一磁場中被檢出的靈敏度差別很大。13C的天然豐度只有12C的1.108%。由于被檢靈敏度小，豐度又低，因此檢測13C比檢測1H在技術(shù)上有更多的困難，直到20世紀(jì)70年代中期脈沖傅里葉變換磁共振儀（pulsed Fourier transform MR spectrometer，PFT）的出現(xiàn)，使13C 磁共振的研究得以迅速開展，碳譜才逐漸進(jìn)入了臨床應(yīng)用[1]。用一定寬度的強(qiáng)而短的射頻脈沖輻射樣品，樣品中所有被觀察的核同時被激發(fā)，并產(chǎn)生一響應(yīng)函數(shù)，它經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，仍得到普通的磁共振譜。傅里葉變換儀每發(fā)射脈沖一次即相當(dāng)于連續(xù)波的一次測量，因而測量時間大大縮短。即使這樣，13C信號仍然較弱，噪音較大。目前，提高靈敏度的較可靠的方法稱為質(zhì)子退耦（proton decoupling），利用質(zhì)子退耦技術(shù)可以顯著提高信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）[2]。

2.2 臨床應(yīng)用

Gruetter等[3]利用高場強(qiáng)動物磁共振系統(tǒng)（high field animal MR systems）實(shí)現(xiàn)了動物在體碳譜測定，這是首次實(shí)現(xiàn)體內(nèi)碳譜測定。Ross等[4]利用葡萄糖和醋酸鹽注射或口服，對超過100例患者（包括新生兒、青少年和老年人）腦部進(jìn)行了1.5T MRS碳譜測定，并發(fā)現(xiàn)了新的NAA合成障礙等現(xiàn)象，這一成功為碳譜的臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3 磷譜

3.1 技術(shù)原理

磷元素是機(jī)體中重要的營養(yǎng)元素，且31P的含量相對較低，占人體總重的1.0%～1.1%。且MR的敏感度為1H的6%左右。但生物體內(nèi)有許多磷化合物參與細(xì)胞的能量代謝，這其中包括腺苷三磷酸、磷酸肌酸、磷酸二酯和聚異氰酸酯等。31P–MRI的基本原理就是通過測定人體中磷代謝產(chǎn)物從而對疾病診斷提供幫助。31P–MRI是能夠精確測定機(jī)體正常狀態(tài)或病理狀態(tài)下人體中磷代謝產(chǎn)物的濃度下能量代謝含量及其變化的有效方法，可為臨床疾病的診斷提供依據(jù)。

3.2 臨床應(yīng)用

不同情形下，在嬰兒腦細(xì)胞內(nèi)的新陳代謝的31P–MRI波譜研究中。Cady等[5]發(fā)現(xiàn)腺苷三磷酸、磷酸肌酸、磷酸二酯和無機(jī)正磷酸鹽（聚異氰酸酯）的光譜靈敏度峰值的特性曲線總與5-磷酸核糖的峰值一起出現(xiàn)。Cady等[5]發(fā)現(xiàn)大腦正常的嬰兒聚合酶鏈反應(yīng)與聚異氰酸酯的磁共振波譜信號比（PCr/Pi）為1.7左右（與濃度有關(guān)），而生產(chǎn)時嚴(yán)重窒息的嬰兒的PCr/Pi比值在0.2~1.0范圍內(nèi)，且比率會隨著他們的臨床情況的改善而增大。對其中生產(chǎn)時缺氧的兩個嬰兒使用甘露醇劑會使得這個比率增大。嬰兒的異常31P波譜測試可早于腦超聲波檢測，臨床中磷譜可用于對腦畸形兒的早期診斷。另外磷譜還可用于肝功能測量[6]，有利于臨床中的診斷及治療。

4 鈉譜

4.1 技術(shù)原理

23Na-MRI已經(jīng)是被廣泛認(rèn)同的臨床診斷工具，23Na-MRI成像中的SNR比1H-MRI成像中的要低得多，主要因?yàn)樗|(zhì)子和鈉離子在人體內(nèi)的含量不同和低螺旋比。短縱向弛豫時間（T1）依次為25～30 ms，重復(fù)率非常高，這部分彌補(bǔ)了低的SNR，即使將重復(fù)率（TR）調(diào)至較長，以使得鈉離子組織濃度（TSC）定量化且不會修正弛豫時間。鈉離子的橫弛豫時間（T2）非常快，且在大多數(shù)生物組織和凝膠劑中呈雙指數(shù)。部分鈉離子在與蛋白質(zhì)作用時呈非均質(zhì)性。在非常有序的環(huán)境下，例如軟骨或凝膠劑中[7]，60%的信號為短的T2，時間是1～2 ms，剩余 40%的信號為較長 T2，為 20～30 ms。 在大多數(shù)生物組織中，快速弛豫部分所占比例小于60%，但T2仍會造成大信號損耗。將TSC的回波時間（TE）依次量化為0.2～0.4 ms，是為了使T2損耗降低至總信號的5%～10%。為了得到更好的SNR，這需要短的TE，但同時造成難以用梯度調(diào)回至SNR更好的反射序列。解決這個問題的方法之一是使用三維投影成像（3D-Pi）方法[8]。

3D-Pi序列總不需要選擇脈沖，也不需要切片選擇梯度沖調(diào)焦距或相位編碼梯度脈搏。因此，可在激發(fā)脈沖生成有效，即僅僅在被發(fā)送與接受間的脈沖持續(xù)時間和翻轉(zhuǎn)時間限制的TE后，立即開始采集信號。為了減少完整的3D-Pi圖像中在數(shù)據(jù)讀出期間使用恒定投影梯度所產(chǎn)生的大量干擾，投影可以使用隨時間變化的梯度被旋轉(zhuǎn)為螺旋形，這種方法已被成功運(yùn)用于人體定量鈉離子組織濃度。細(xì)胞內(nèi)鈉離子濃度增加和細(xì)胞間隙增大都不是癌細(xì)胞的獨(dú)有特征。在被浸泡的器官和一些動物模型細(xì)胞內(nèi)外的鈉離子可以與位移試劑分離并僅僅存在于細(xì)胞外，但因?yàn)樗泻线m的位移試劑都是有毒的，因此不能用于人體內(nèi)研究。Ouwerkerk等[8]建議使用三倍量子過濾（The Triple Quantum Filtered，TQF）的23Na 核磁共振方法作為替代的方法以隔離細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的鈉離子。TQF可以對細(xì)胞外信號起到一定的抑制作用，腫瘤細(xì)胞內(nèi)鈉離子的特殊變化增強(qiáng)，但是這種過濾器測試SNR的價(jià)格非常昂貴，且會花費(fèi)更長的掃描時間以及降低分辨度，T2對TQF信號的依賴性也使定量化更加復(fù)雜。在沒有找到一種可靠的專門定量細(xì)胞內(nèi)鈉離子的方法之前，我們依然可以使用23Na–MRI，但需結(jié)合一張相關(guān)病灶1H–MRI的綜合草圖[9]，可對相關(guān)診斷提供依據(jù)。

4.2 臨床應(yīng)用

23Na-MRI在癌癥診斷中已經(jīng)得到比較廣泛的應(yīng)用。增殖的細(xì)胞中鈉離子含量異常高，這是因?yàn)镹a+/H+運(yùn)輸動力[10]和pH值被改變導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈉離子濃度增加10～15 mmol/L。在細(xì)胞膜上的Na+泵可以確保鈉離子濃度恒定保持在約為140 mmol/L。因此，通過新生血管和增加腫瘤細(xì)胞間隙也會導(dǎo)致腫瘤內(nèi)TSC增加。使用Na23-MRI定量技術(shù)，Ouwerkerk等[7]發(fā)現(xiàn)相對于健側(cè)腦組織，惡性腦腫瘤中的鈉離子組織濃度增加50%，同樣在惡性胸部腫瘤中，也發(fā)現(xiàn)相似的情況。Ouwerkerk等[7提]出上述內(nèi)容可通過增強(qiáng)顯影劑-核磁共振成像（CE-MRI）。23Na-MRI對于增大的細(xì)胞外體積和細(xì)胞內(nèi)變化有著獨(dú)特的靈敏性，其可以為保證高分辨率CE-MRI掃描提供有用信息。

近年來，隨著MRS技術(shù)的迅速發(fā)展，新型MRS已從實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)入臨床應(yīng)用階段，雖然敏感度仍然較低，但相信在未來MRS將在一些疾病的病理生理變化、早期診斷、預(yù)后和療效的判斷中具有越來越重要的意義。

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