• 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-spin coupling） • 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。
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
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
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
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（chemical shift） 用于表示化合物中各组成成分 的原子核共振的波峰位置。
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γ β α 、、磷原子。
• (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
• 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
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
• 1 1946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。
包括了穩定態自由旋進(進動)造
影。
• 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
• 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。
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。
• 1H MRS的检查方法
• 单体素1H MRS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1H MRS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
• 3D 1H MRS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。
• 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。
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1H MRS 研究较多。
• 2 20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。
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
•
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
• 3.1H MRS可对神经元的丢失、神经胶质增 生进行定量分析，
• 4 31P磁共振波谱可对心肌梗塞能量代谢变 化进行评价。
• 5 MRS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。
•
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(1Байду номын сангаас1)，三重峰(1:2:1)，四重峰
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。