第十二节　磁共振波谱成像

前文所述MRI主要显示人体器官或组织结构的影像，如脑部MRI可显示脑组织灰白质对比的影像。另有一种MR成像方法，它并不显示解剖图像，而是以谱线的形式反映生物组织内不同代谢物的进动频率及化学位移，这种成像方式称为磁共振波谱成像（MRS）。

MRS的物理基础是化学位移。在静磁场中不同化学物质的进动频率各不相同，通过测量它们的频率值，就可以区分不同的化学物质。人体内正常组织和病理组织以及不同种类的病理组织，其细胞代谢产生的化学物质并不相同。MRS能显示局部组织的化学物质构成及其相对含量，进而提示病变的性质。因此，MRS是一种在分子水平显示代谢物信息的成像技术。

人体内氢质子含量最高，产生的MR信号最强，故常规MRI均以氢质子为基础。但是，MRS可以对各种MR活性物质进行波谱成像，如氢、磷、钠。故在描述MRS及讨论波谱时，要注明是氢质子波谱（氢谱，1H MRS）还是磷谱（31P MRS），或是含有其他元素物质的谱线。与MRI一样，在各种MRS中，目前氢谱因其MR信号强度（表现为MRS谱线）最好，故临床应用较普遍。在硬件方面，由于每个线圈都有特定的调协频率，故基于不同元素的MRS检查需要匹配不同的线圈。常规MRI基于氢质子成像，1H MRS也是以含氢质子的物质为基础，故MRI和1H MRS检查可共用一个线圈。以下主要讨论氢质子波谱（1H MRS）。

以人体正常脑组织的1H MRS（图1-12-0-1）为例，它的横坐标是频率轴，单位以ppm表示，纵坐标对应各物质的相对信号强度。频率轴上不同位置的峰对应不同的化学物质。每一个峰的峰下面积代表扫描区域内该物质的浓度。1H MRS中各物质的峰形越尖、越锐利，波谱图的质量越高。MRS谱线通过内部自校准，即用一个相对稳定的化学物质做标准，其他化学物质的峰下面积需要与这种物质的峰下面积相比，通过比值反映各物质的相对含量及变化，揭示不同的临床意义。在脑组织MRS谱线中，这个稳定的化学物质是肌酸。临床上复查时，因每次MRS扫描的体积、位置不完全一致，使MRS显示的峰下面积也不一致。所以，通过随访MRS简单地比较同一物质的峰下面积大小没有临床意义。

氢质子的进动频率与主磁场强度成正比，即磁场强度越高，进动频率越快。这对于MRS的谱线排列似乎有一定影响，因为，MRS谱线图的横坐标是频率，而在不同场强下，同一化合物的频率值是不同的。但在实际临床应用中，这个问题已经得到解决。方法是将MRS横坐标的单位通过以下公式进行标准化处理，单位：ppm

图1-12-0-1　正常脑组织的1H MRS谱线

图中横坐标为频率范围，单位ppm；纵坐标为相对的信号强度单位

式中，f代表某种物质在一定场强下的进动频率，fr代表四甲基硅烷在相同场强下的进动频率，δ代表与磁场强度无关的一个频率值，单位是ppm。这样就消除了磁场强度及进动频率不同对于MRS谱线排列（排序）的影响。在不同场强的MRS扫描时，只要是同一种化学物质，其频率值相同。

除了水与脂质成分（如器官脂肪含量分析），MRS更多地用于显示组织中含量微小的化学物质（图1-12-0-2），研究这些化学物质的多少及变化。因此，MRS成像对硬件要求较高，即MR设备的磁场强度要大，磁场均匀性要好。磁场强度越高，MR信号强度越高，不同化学物质之间的进动频率差别越大，体现在MRS图谱上，表现为每一种化学物质的起、止点越接近，峰形越尖锐，区分不同化学物质的能力越强。能够满足MRS检查的最低场强是1.5T，低于这个场强的MRS谱线有可能难以分辨许多化学物质。MR设备的磁场均匀性也很重要。不均匀的主磁场会改变化学物质的进动频率，影响MRS谱线的准确性。影响磁场均匀性的因素很多，例如，局部出血、金属沉积、气体等，均可能影响MRS的准确性，甚至无法获得符合诊断的MRS谱线。

在人体组织1H MRS中，含量最高的物质是水，相对于水，其他化学物质的含量极其微小。显示水峰时，其他化学物质的信号基本上不能辨认。为了观察微小含量的代谢物，MRS采用水抑制脉冲消除水峰。目前广泛采用的水抑制技术是CHESS，可以完全消除水峰。有些部位的脂肪含量非常高，MRS扫描时还要进行脂肪抑制，即采用频率选择性IR技术消除脂肪的信号。

图1-12-0-2　MRS显示的代谢物含量微小

图正中高大的尖峰代表局部组织的水含量，其他代谢物的峰值相对地非常小

通过MRS谱线可分析一定体积内化学物质的含量和浓度。所以它是对一定大小的体积内组织进行扫描，称为体素。根据每次扫描的体素数目不同，MRS可分为单体素和多体素（图1-12-0-3）。多体素MRS也称化学位移成像，根据扫描体素的空间位置，可分为二维多体素和三维多体素成像。单体素MRS扫描后可直接得到一个谱线。多体素MRS由于一次扫描得到多个体素的信息，需要对扫描数据后处理，才能显示每个体素的信息。对于结果的精确性而言，单体素MRS得到广泛认同。一个MRS检查如果没有单体素，仅有多体素，往往不是一个完美的MRS检查。多体素MRS的精确性虽不如单体素，但一次扫描可以得到多个体素的信息，故对于显示病变内部、边缘以及周边组织的代谢改变有重要意义，尤其对于确定肿瘤边界、了解周围组织有无受侵及程度。

MRS的扫描序列主要有STEAM和 PRESS两种，这与常规MRI不同。STEAM的脉冲序列模式是在X、Y、Z三个方向各使用一个90°激发脉冲并使其互相交叉，得到一个体素的信息，故只能进行单体素扫描，短TE参数扫描时图谱质量最佳。PRESS的脉冲序列模式是在X、Y、Z三个方向上分别使用90° →180°→180°射频脉冲，它既可以单体素扫描，也可进行多体素扫描，理论上长TE参数扫描时图谱质量更佳，短TE时水抑制效果下降。

图1-12-0-3　MRS扫描定位示意图

MRS的扫描定位方式分为单体素、二维多体素及三维多体素，应根据检查目的合理选择应用

MRS的扫描参数中，TE时间具有重要临床意义。不同TE时间的MRS显示的化学物质种类不同。TE时间长，谱线的噪声大，基线呈明显锯齿状，仅能显示一些长T2代谢物，但是谱线的基线平稳（图1-12-0-4A）；TE时间短，谱线的噪声很小，能同时显示长T2和短T2化学物质，缺点是谱线的基线会有一定的弧度（图1-12-0-4B）。短T2的代谢物对诊断和鉴别诊断有些疾病具有重要作用，例如，肌醇对于胶质瘤，谷氨酰类物质对于肝性脑病。但这些短T2的物质在长TE扫描时可能完全消失。所以，短TE时MRS的基线虽不够平稳，PRESS单体素1H MRS检查时通常采用短TE，如TE时间35ms。

图1-12-0-4　TE时间对波谱的影响

TE时间不仅影响MRS所能显示的代谢物性质，还影响谱线的质量。A.TE时间144ms；B.TE时间35ms

目前1H MRS已实际应用于神经系统疾病的诊断，在评价乳腺、前列腺疾病中的应用尚处于探索阶段。人脑组织内常见的化学物质在MRS谱线的频率值见表1-12-0-1。

表1-12-0-1　脑组织内常见化学物质在MRS上的频率值