磁共振波谱技术(讲+全)
《核磁共振波谱法》PPT课件
采样间隔
扫描次数
选择适当的采样间隔，以确保谱图的准确 性和分辨率。
增加扫描次数可以提高谱图的信噪比，但 也会增加实验时间。因此，需要权衡信噪 比和实验时间，选择适当的扫描次数。
定性分析与定量分析
定性分析
通过比较已知样品和未知样品的NMR谱图，确定未知样品的组成和结构。
定量分析
通过测量样品中不同组分的峰面积或峰高，计算各组分的含量。需要建立标准 曲线或使用内标法进行定量分析。
样品稳定性
确保样品在NMR实验过程中保 持稳定，避免由于化学变化导 致谱图失真。
样品溶剂
选择适当的溶剂，以保证样品 的溶解和稳定性，同时避免对
NMR谱图产生干扰。
实验参数的选择与优化
磁场强度
脉冲宽度
根据实验需求选择适当的磁场强度，以提 高检测灵敏度和分辨率。
选择合适的脉冲宽度，以获得最佳的信号 强度和分辨率。
《核磁共振波谱法》ppt课件
汇报人：可编辑 2024-01-11
目录
• 核磁共振波谱法概述 • 核磁共振波谱法的基本原理 • 核磁共振波谱仪 • 核磁共振波谱法的实验技术 • 核磁共振波谱法的应用实例
01
核磁共振波谱法概述
定义与原理
定义
核磁共振波谱法是一种利用核磁共振现象进行物质结构和动力学研究的分析方法 。
化学位移是由于不同化学环境中的原子核受到不 同程度的磁场扰动，导致其能级分裂的差异。
通过测量化学位移，可以推断出原子核所处的化 学环境，进而确定分子的结构。
耦合与裂分
当两个或多个相邻的原子核相互作用 时，它们之间的能级会发生耦合，导 致谱线裂分。
通过分析裂分的谱线，可以进一步解 析分子内部的相互作用和结构信息。
磁共振波谱技术(讲+全)
继发神经元功能异常、代谢异常、星形细 胞水肿、脑内锰异常沉积、脑水肿、神经 元脱失致脑萎缩
肝性脑病的临床诊断
认知功能改变 脑电图节律减慢 大脑神经生化/神经介质动态平衡失常
血氨水平异常 脑脊液的Glx、氨浓度异常
MRS较成熟的技术
应用于中枢神经系统及前列腺疾病
需要特殊的线圈及软件
31P在肌肉中及中枢神经系统的应用
其他核的波谱技术尚在临床研究阶段
13C、23Na
MRS可以看到什么？
MRS基本概念
不同化学结构中 的氢原子，其进 动频率不同 这种由于所处的 分子结构不同所 致的同一原子核 进动频率出现差 异的现象称之为 化学位移现象
左侧海马硬化
女 15岁，发作抽搐2年
痴呆的研究
男 72岁， 记忆力障碍8年， 阿尔茨海默病
精神疾患的研究
国外研究较多
精神分裂症 情感障碍（抑郁，焦虑 多动症等
形态学多正常，期望MRS提供有用的代谢物 质改变信息
总结
MRS可提供补充的信息 在某些疾病评价上增强诊断信心 更好的理解疾病的病生理状态 可以进行定量半定量的分析
磁共振波谱技术
张文博
MRS
MRS可以检出具有生理及病生理意义的代谢 物
在体、直接、无创
采集原理:与MRI相同，遵循Larmor定律
MRI：信号的变化随时间变化的函数 MRS：信号的振幅随频率分布的函数
原理
Larmor equation
医学功能成像技术 第三讲 磁共振波谱技术
医学功能成像技术第三讲磁共振波谱技术吕维雪本讲座撰写人吕维先生浙江大学教授MRS是一种比MRI更广泛的技术临床的质子MRI只是核磁共振(NMR)非常丰富的物理现象的一种应用这是因为在组织中有许多感兴趣的化合物而不仅仅是水或脂肪的质子水和脂肪的特征固然对于诊断非常有用但它们不能提供足够的信息来肯定地区分正常的和病理的组织能够无损伤地获得特定的代谢物和化学物质以及它们在这些化合物中特定原子位置上的吸收和变化的信息是对于正常的和病理的过程理解和定征十分有用的大量信息不仅是对诊断有用而且对于疾病过程生化细节的解释对于治疗的发展有重大的推动力根据MR的原理可以知道MR提供的信息包括内在T1和T2弛豫的性质自旋密度血液和脑脊髓液(CSF)流弥散灌注局域氧合局域含铁膜通透性以及造影剂在加负荷或刺激或在病理状态下的动态过程新的发展和解释还在继续如脑功能性激活的定位原则上对每一种MRS可见的特定代谢物都能得到大部分这种信息MRS比MRI可以得到的更多的信息中都是由于能获得非质子原子核的信息对其每一种都有一个可见的生物分子谱并且往往代表了代谢的不同方面(如能量的区室化的运动学的)用现有技术可以确定分子结构和形态的细节局域的pH和温度生化的路径以及代谢的运动学这些技术都可以用于评价脑功能的状态和响应获取MRS信息通常要牺牲其它类型的信息之所以会这样是因为不能把一个病人放在磁场里很长的时间来完成各种各样的测量实际上常见的情况是牺牲空间信息(分辨率)来换取化学信息随着设备和测量技术的进步这种代价会有所降低MRS技术的发展是向能够产生每个体素有细致的化学谱图目前这些体素的分辨率受信噪比感兴趣代谢物的浓度以及可用的扫描时间的限制一磁共振波谱的原理MRS 的基本原理和MRI 是一样的都是基于信号频率直接由磁场强度决定场强愈高谐振频率愈高方法上的最大差别在于MRS 信号是在不加梯度磁场时采集的即没有位置编码频率一般MRS 波谱图是一幅强度频率曲线(图1)习惯上信号频率向左是增加从感兴趣体积(VOI)所记录到的信号是不同频率信号分量的总和用傅氏变换可将其转换成一系列频率分量的峰值(图2)人体组织中大部分感兴趣代谢物的毫克分子浓度比组织中水的浓度小10000倍这个比例说明了为什么通常由组织中纯质子信号形成的图像中观察不到所发生的代谢变化因此把代谢物的信号从水和脂肪的信号中分离出来成了MRS 信号处理中的难点在MRS 中很重要的一个概念是化学位移(Chemicalshift)1946年物理学家FelixBlock 和EdwardPurcell 发现某核子的谐振频率w0是直接与该核子所处的磁场强度成比例的同时信号的幅值是与被测核子的数目成比例即00B γω= (1) 式中B 0为磁场的强度; 为一比例常数称为磁旋比(Gyromagneticratio)是每种不同类型原子核的特性1H 13C 31P 等在同样的磁场中有不同的谐振频率但如果对一个分子的一部分质子进行测量时会发现信号的谐振频率与纯质子时的谐振频率有差异这种差异相当于核子受到一个不同的磁场强度B 有效的作用:B 有效=B 0+B 局域 (2)造成B 局域的主要因素是:(1) 围绕核子旋转的电子的磁场;(2) 附近核子的磁场式(1)亦适用于B 局域所以测得的信号频率测为: 测=B 0+B 局域=B 0(1+) (3) 比例常数称为对核子的化学位移通常它是以所加磁场中频率的ppm 来表示因而它与所加磁场无关并在一定程度上与所用的测量仪器无关这就有利于使测量结果标准化MRS 中的另一个重要现象是峰分裂(Peak Splitting)由于峰分裂的过程从MRS 可以得到更多化学信息的细节如果测量的谱有足够的分辨率则可以观察到许多峰分裂成一组组的单个峰信号峰的分裂是由于相邻核子间自旋自旋耦合现象造成图3是峰分裂的一个例子峰分裂的类型与化学结构有关有机化学家可以根据峰分裂的形式判定所测的是什么分子/化合物波谱的模式是独特的犹如指纹一样长期研究的积累已建立起了相当规模的波谱模式数据库并支持对愈来愈复杂的结构的定征研究以及对动物和人体的活体研究二测量的基本方法最初的和最基本的测量方法是把发射器和接收器的射频调谐到一特定的频率测量返回的信号幅值把频率做一小的变化再重复测量从而可以做出一个幅值频率的图即MR波谱更先进和有效的方法是发射一个广谱的RF信号并测量整个量程的返回信号然后用傅氏变换得出各频率分量的幅值MRI和MRS之间的主要区别是MRS是在没有读出梯度磁场下采集的而梯度磁场在MRI中是作为图像的频率编码的由于生化信号(除水和脂肪外)微弱因而受到信噪比的限制所以大部分MRS使用重复测量的数据来取平均由于代谢物的波谱信号微弱所以对MRS的磁场有较高的要求磁铁的设计应使磁场强度的均匀性在0.1ppm以内并有足够大的空间以容纳待测试的物体当被测试物体放入磁场时磁场强度的均匀性将受到影响因此MRS系统必须有某种措施来微调磁场以使对每一所研究的物体都能保持磁场的均匀性这一过程称为Shimming意即引入偏置磁场以改善磁场的均匀性在磁共振扫描仪安装时是靠用小的金属块来改变磁力线的路径以达到要求的均匀性由于磁共振成像(MRI)的信号大磁场不均匀度相对于大的梯度磁场来讲要小得多因此问题不大但对于波谱测量则情况将有所不同因为原则上没有办法区分出位移是由磁场不均匀造成还是由化学位移造成而两者在量级上是接近的所以磁场的不均匀度必须是小于所希望的波谱分辨率对于波谱测量来讲因磁场均匀性受被测物体的影响因此对磁场的微调(Shimming)在对每个被测物体测量前都有进行而且是交互式的它往往占了整个测量过程的大部分时间微调是通过调节流过磁铁中若干微调线圈的电流来实现所以MRS系统与MRI系统在硬件上的一个主要差别是有没有这些微调线圈以及如何有效地进行调节由以上所述可以知道这个磁场微调过程本身是一个高维的数值优化问题掌握微调技术是MRS操作人员最重要的培训内容MRS信号检测时另一个要解决的微调是抑制水的信号在人体组织中水的浓度(100M)比大部分感兴趣代谢物的浓度(10mM)大得多所以如果不采取措施抑制水的信号的话则代谢物的信号将被完全淹没现在已有几种抑制水信号的方法这些方法都是基于水和代谢物之间的性质差别的其中之一为采用频率选择性脉冲这类方法是利用水和代谢物之间化学偏移的不同最常用的方法是用对化学位移有选择性的射频脉冲它与成像技术中的层面选择脉冲相类似(图4)这种方法用一个有限带宽的射频脉冲去激励有相应谐振频率的那些组织在成像技术中由层面选择脉冲激发的自旋决定了其在梯度磁场中的位置而当没有梯度磁场时所激发的自旋决定于它们的化学位移在频域选择性脉冲(而非空域)中组成RF脉冲的带宽是根据只选有限化学试样来确定的最常用的这种方法是发射一以水的峰为中心的窄带脉冲接着用水的90º激发以消除水的信号当水的磁化开始恢复并尚不能激发时对其它的试样作激发和测量这种方法由于不能得到理想的脉冲波形(如截止频率不够陡)因而仍有残余的水信号在采集了数据以后对数据的处理也有许多要注意的地方MRS的数据处理由四步组成: (1)预处理(2)傅氏变换(3)后处理(4)数据分析预处理包括去除直流分量数据补零以及对傅氏变换后的频谱插值有时还将数据乘一指数函数以改善信噪比等第二步的傅氏变换是众所周知的在后处理中两种经常使用的处理为复数数据的相位校正和对涡流效应的校正相位校正的目的是校正傅氏变换实数部分的频谱使计算幅值谱的时候谱峰不会变宽在做波谱成像时对每个体素都要作相位校正当体素数目大的时候需要开发自动相位校正的方法在MRS检测时邻近的金属器件会感生涡流并造成波谱的相位失真在做波谱成像时这种失真将和磁场不均匀一起使失真更严重现在已提出了几种相位校正的方法最后一步是数据分析数据分析的目的是化学位移的定量谱分析以及计算代谢物的绝对浓度或相对浓度三磁共振波谱的显示方法要适合临床应用就应有能有效显示所测得数据的方法这应该是多维数据可视化的问题波谱是一维信号它反映某一体积(感兴趣体积VOI)中的波谱信息必须要把它和周围的组织联系起来才能更好地做生理病理的解释现在常用的有几种方法一种方法如图5所示把一个体素的位置显示在三个正交截面的MR图像上第二种由于化学位移的信噪比低所以要用较大的体素来提高信噪比化学位移成像的空间分辨率低或图像的体素数不大时有可能用一个体素的阵列在每个体素中都显示出其波谱如图6所示当然这种方法在阵列较大时使用就很不方便并且解释困难第三种方法如图7所示这种方法显示一种(灰度图像)或几种(彩色图像)所测的化合物用该化合物峰下的面积来作图像中体素的参量这样波谱中的任何一个峰(对应某代谢物)都可以做出一幅图像同样因化学位移成像的分辨率不高难以确定相应的解剖结构为此往往把它叠加在高分辨率的解剖图像上如MR图像直接用化学位移成像也是可能的因为采集波谱信息意味着不能再用位置的频率编码了于是既要想得到谱的信息又要得到空间的信息就要利用信息的相位编码与大部分的成像序列一样做相位编码需要进行反复的采集这就使成像时间变长图8为一维和二维相位编码成像的示意图在这个相位编码的体积中每一个体素都有完整的化学波谱理论上这些波谱的分辨率和频率宽度是和非成像波谱测量时的一样因而根据这些信息也可以作出任一波峰的图像不过事实上由于成像时间过长以及代谢物信号强度的限制分辨率达不到一般成像的空间分辨率典型的过程是对每一相位编码步做一次完整的信号采集(决定于TR的长短)对于一维的化学位移成像采集数据组的典型反复是用具有正交饱和带宽的层面选择性激发以选定感兴趣几个中的一个列相位编码就是在这一列上进行的化学位移成像的一个主要优点是能更好地定义测量波谱的区域由于许多完整的局域波谱是同时采集的因此所获得的信号比较大信噪比亦较高在基于单个体素的采集中是从单个体素采集N个不同信号而在化学位移成像(CSI)中是整个区域的信号采集N次每次有不同的相位编码最后对每个相位编码的区域作傅氏变换在定位局域的波谱方面一种很成功的反复是施加一个序列的层面选择RF脉冲使得只在一限定的区域内的自旋得到激发并产生信号这个感兴趣(VOI)区域的位置和大小决定于三个正交层面的相交区(图9)图中这个相交区是方形的不过实际形状是决定于选择脉冲在层面上的形状的实现局域检测的方法有多种其中之一称为 STEAM (STimulated Echo Acquisition Mode)的方法常用于脑的MRS研究中在此方法中三个相互垂直的层面分别用三个90º Sinc形RF脉冲激发(图10)只有在三个激发层面的交集中的自旋受到全部三个RF脉冲激发并产生回波所有其它的回波信号都被梯度脉冲破坏只有VOI中激发的回波被采集第一个90º脉冲把所有的磁化转到xy平面第二个90º脉冲把50%的磁化转回到xz和yz平面其余50%的磁化在第二和第三个RF脉冲之间的TM在xy平面中是失相的并对激发回波信号没有贡献在TM期间xz和yz平面中的磁化将按T弛豫时间衰减TM应短以免造成太大的信号损失第三个90º脉冲把磁化1转回xy平面它经过TE/2间隔给出激发的回波信号CSI的主要缺点是一个体素的信号受外界信号的影响这是由于离散和有限取样的结果这种伪像其实在其它成像技术中也是存在的只是在CSI中每个体素的点扩散函数对相邻体素的影响更大使得空间定位的准确度降低CSI的另一个问题是它受磁场不均匀度和梯度造成的涡流影响大它们使谐振频率谱宽谱的形状发生畸变同时由于数据是在一个较大的区域中采集的自然对磁场的均匀度微调的要求都提高了四应用举例MRS可以无损地对活体获取生物化学信息因而对于确定肿瘤的类型有很大的价值确定肿瘤的性质恶性程度及其在空间的分布对神经外科医师做出诊断决定是否要做切除手术甚至手术的导航都是十分关键的到目前为止取活检样本做组织病理学的定征仍是黄金标准但因活检是创伤性的取样的数目不允许很多而且有些部位做穿刺有相当的危险(出血)这些因素不能不影响到用活检作诊断的准确性加权(272ms)质子磁共振波谱可以观察到六种主要的化学从活体脑肿瘤的T2共振这些共振主要是由以下代谢物产生:(1) 四甲基胺主要是3.2ppm的含氯磷脂质(Cho)它参与膜的合成和退化;(2) 肌肉素和3ppm的磷酸肌酸(Cr)它在能量代谢中起重要作用;(3) N-乙酰基组主要来自2ppm的N-乙酰基天氡氨酸它是神经标记物;(4) 1.4ppm的丙氨酸(Ala)它是某些肿瘤中找到的高浓度氨基酸;(5) 1.3ppm的乳酸盐(LA)它是由于异常酶化过程造成的或厌氧性醇解的指标;(6) 0.9ppm的脂类(Lip)和其它大分子如蛋白质(较少程度)基于各类脑肿瘤在这六种共振的波谱模式会有所不同的考虑所以可以利用对MRS作模式分析和识别就有可能对肿瘤定征图11是一个中年病人的MR图像(左上角)两个位置的MRS波谱(左下)以及整个感兴趣区内(黄框所示)中代谢物NA Cho的分布(右)病变处的波谱模式与低级别星形细胞瘤的模式很相似病人再次发作后做的活检证实了是低级别星形细胞瘤在Cho图像上显示出在MR图像最暗区一侧的区域是肿瘤最活跃的部分五前景不熟悉MRS的人往往把它看成是一种奇怪的技术是离临床应用很远的技术其实并非如此MRS和MRI都基于同一基本原理都可以有自己对临床实践的贡献特别是在对脑的功能性激活的研究方面随着MRI/MRS集成系统的增加它们两者之间的差别将不再那么明显新的系统将使MRS的临床应用有更快的发展多种原子核和化学试样的MRS测量已经显示了能提供脑功能生化机理方面的信息以往只能用放射示踪方法得到的速率和吸收的信息现在可以用NMR的方法得到同时所产生的MRS生化信息是与MRI的解剖学结果紧密联系在一起的这些方法在常规临床应用中的潜能扩展了昂贵的MRI设备的有用性MRS/MRI技术的关系有一点像生物技术和基因工程的关系虽然已经开发了很强大的工具但是要完全实现它还需要对正常的和病理的复杂过程有细致的理解不断地开发和应用这些工具将扩展这种理解并使生理学和医学从经验性向定量发展未完待续。
核磁共振波谱法演示文稿
弛豫过程
处于低能级的核数N
L与处于高能级的核数N
稍多一点
H
设外磁场感应强度B0＝1.4092T，温度300K，
hB0
则 NL ＝eE kT e 2 NH
kT＝1.0000096
核磁共振信号就是靠这些稍微过量的低能态核跃迁而产生。
饱和(saturated)——低能态的核等于高能态的核。 弛豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到低能态。
要工具：有机化学、生物化学、药物化学、物理 学、临床医学以及工业部门。
8.2 基本原理 原子核的自旋
原子核绕某个轴作自旋运动时
产生的量子化的角动量P h I I 1
2
由于原子核是带正电粒子，自旋会产生磁场，
具有磁矩＝ P＝ h I I 1
2 为磁旋比，是原子核的基本特征属性。
只有I 0的磁性核才产生磁矩。
子数ｍ＝＋1/2;
(2)与外磁场相反，能量高，磁量
子数ｍ＝－1/2;
核磁共振：采用横向外加适当能量的射频场B1，仪适当频 率的电磁波照射核时可发生能级间的跃迁。
满足条件：
m
1；；h1
h
2பைடு நூலகம்
B0；；1
2
B0
不同的原子核，由于γ不同，在同一磁场中发生共振时的
频率不同：鉴别元素或同位素；同一种核，磁感应强度改 变，共振频率改变。
匀，共振吸收复杂，研究应用较少；
一核（具有角动量P、磁矩）放于磁感应强度为B0的恒磁场中，
且磁力线沿z轴方向时, 原子核自旋角动量在磁场方向的量子化
分量Pz
m
h
2
,m
I,(I
1), ; ; ; I
m是核自旋角动量在磁场方向的量子数，即磁量子数.
磁共振波谱ppt课件
核磁共振发现 诺贝尔物理学奖 磁共振谱分析(MRS) 头部MRI投入临床 全身MRI研制成功 诺贝尔物理学奖
1946年 1952年 1946～1972年 1978年 1980年 2003年
4
1952年诺贝尔物理学奖
2003年诺贝尔物理学奖
பைடு நூலகம்
布洛赫 USA 斯坦福大学
珀塞尔 USA 坎伯利基哈佛大学
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射频发射系统是用来向样品传送激发自旋核所 必须的射频场，它包括射频振荡器、放大器和发 射线圈。样品管垂直地放置在磁场中心，发射线 圈的轴线与磁场方向垂直。高分辨核磁共振仪对 射频源的稳定性和均匀性同样也有很高的要求， 一般是由称为“主钟”的石英晶体振荡器来产生 谱仪所需要的各种频率，各种频率都是以“主钟” 频率为基准。频率的稳定性和磁场稳定性是互相 关联的，因此核磁共振仪器都包括场一频稳定系 统，它是通过一个反馈系统将一个参考信号(通常 用2H的共振信号)保持在共振位置上来实现联锁的。
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磁共振信号的频率主要取决于两个方面:一 个是旋磁比，这是原子核的固有属性；另 一个是共振原子核所处位置的磁场强度,影 响磁场强度的因素有外加磁场的磁场强度 和该原子核周围的电子和邻近原子核周围 电子的作用，这些电子与外磁场相互作用， 改变原子核周围的局部磁场强度，这种现 象称为化学位移。
41
因此，某一样本中每一种化学组分的不同原子 核都将以略有差异的频率发生共振，从而产生不 同的磁共振信号。化学位移所产生的磁共振频率 差异非常小，所以磁共振波谱分析仪要求外磁场 必须很强且十分均匀，外磁场在均匀性上有一点 微小改变，都将使化学位移引起的微小信号无法 辨认。
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1．电源柜 电源包括带屏蔽的电源变压器、 产生主磁体磁场的大功率稳压稳流直流电 源，射频脉冲电源、供给辅助磁场的电源 和供给计算机、图像处理系统、存储器、 多幅照相机的电源等。
核磁共振波谱法讲义PPT教案
固定磁场B0，改变射频的频率产生核磁共振，称为扫频法。 固定射频的频率，改变磁场B0产生核磁共振，称为扫场法。（
常用）
扫描速度不能太快，通常全扫描时间为200-300s。若扫描太 快，共振来不及弛豫，信号将严重失真（畸变）。
灵敏度低、所需样品量大（数10mg，或0.1-0.5 mol/L）。 对一些难以得到的样品，无法进行NMR分析。
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1）磁体：产生一个恒定的、均匀的磁场。磁场强度增加， 灵敏度增加。 永久磁铁：提供0.7046T（30MHz）或1.4092T（60MHz）
的场强。特点是稳定，耗电少，不需 冷却，但对室温的变化 敏感，因此必须将其置于恒温槽内，恒温槽不能断电否则要 将温度升到规定指标要2~3天！
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三、样品处理方法：
1、对样品的要求
样品要纯；样品量不能太小，通常为1-3mg（低灵敏度 NMR仪需10-30mg）；固体样品要用合适溶剂溶解；加入内 标，如TMS（四甲基硅烷）
2、对溶剂的要求 不含质子、沸点低、不与样品缔合、溶解度好，如CCl4,
CS2, CHCl3。为防干扰，多采用D代试剂，如CHCl3-d1, (CH3)2CO-d6, H2O-d2(水溶性试剂）
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（二）脉冲傅立叶变换核磁共振仪
（Pulsed Fourier Transform NMR ，PFT—NMR） 采用恒定的磁场，用一定频率的射频强脉冲辐照试样，激
发全部欲观测的核，得到全部共振信号。对此信号作傅立 叶变换处理后，转换为常用的扫场波谱。 灵敏度提高（100倍）；试样量：1 mg甚至更低 测量速度快，时间大大降低。
现代仪器分析 第六章 核磁共振波谱法PPT课件
❖核磁共振波谱法：利用核磁共振波 谱进行结构（包括构型、构象）测定 、定性及定量的方法。
第一节 概 述
核：磁性质的原子核 磁：外加磁场 共振：吸收射频辐射产生核自旋能
级跃迁，产生NMR信号
研究的对象是处于强磁场中原子核对射频辐射的吸收
③
H0=0
E＝
h
2
H
0
m＝+1/2
I (I 1) I (I 1)
I＝1/2核的能级分裂
ω0 = 2πν0 = γH0 ν0 = γH0/ (2π)
h 0
E
h 2
H0
0
2
H0
第 三 节 核磁共振波谱仪
（一）主要组成及部件的功能
共振吸收法是利用原子核在磁场中，能级跃迁时核磁矩方 向改变而产生感应电流，来测定核磁共振信号。
结论：质量数和电荷数两者或其一为奇数时，才有非零的核自 旋量子数。
I = 0 时，P = 0，原子核无自旋现象 I≥ ½ 时，原子核有自旋现象
Ｉ＝1/2的原子核
11H ,
163C,
199F ,
175N ,
P 31
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原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁 矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物 的主要组成元素。
2、物理化学研究方面 可以研究氢键、分子内旋转及测定反应速率常数等。
第一节 概 述
3、在定量方面 可以测定某些药物的含量及纯度检查。
4、医疗与药理研究 由于核磁共振具有能深入物体内部，而不破坏样品的特点，因 而可进行活体研究，在生物化学药品方面也有广泛应用。如酶 活性、生物膜的分子结构、癌组织与正常组织鉴别、药物与受 体间的作用机制等。近年来，核磁共振成像仪，已用于人体疾 病的诊断。
核磁共振波谱 ppt课件
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1. 化学位移表示方法： 位移的标准 没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。 相对标准：四甲基硅烷 Si(CH3)4 （TMS）
（内标）, 位移常数 TMS=0
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3. 核磁共振仪 ： A. 连续波核磁共振仪
(1)固定外磁场强度 H0 不变，改变电磁波频率ν ，称 为扫频。
(2)固定电磁波频率ν 不变，改变磁场强度 H0 ，称为 扫场。
两种方式的共振仪得到的谱图相同，实验室多 数采用后一种，如60 MHz，100 MHz，400 MHz就是 指电磁波频率。
试样浓度：5-10%；需要纯样品15-30 mg； 傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1 mg ； 标样浓度（四甲基硅烷, TMS） ： 1%； 溶剂：1H谱 四氯化碳，二硫化碳；氘代溶剂：氯
仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物；
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二、１H-NMR的化学位移
由于化学环境不同，即各种氢核 周围的电子云 密度不同（结构中不同位置），引起分子中的H核 磁共振信号位置的变化称为化学位移，用 表示。
实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场 作用下，运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场， 起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：
H=（1- ）H0 ：屏蔽常数。 越大，屏蔽效应越大。
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0 = [ / (2 ) ]（1- ）H0
由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需 要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢 核），来抵消屏蔽影响。
核磁共振波谱PPT课件
H C C H
H
δ =5.28
δ =3.57
H
H
δ =3.99
..
C H OCH3
C H
H C C H
O C CH3
H
δ =5.50
乙烯醚
p-π 共轭
乙烯酮 π -π 共轭
四、氢键效应
H H C C H H O H O C C H H
正丁烯-2-醇 δ 1% 1 纯液体 5
H 小, δ 大, H0 低
NMR信号
无
有 有 有
11B 5 1H 1 35Cl
原子核 12C 16O 32S 6 8 16
13C 6 17 19F 9 15N 7 31P 15 33S 16 79Br 81Br 17O 35 35 8 2H 1 14N 7
3/2 5/2… 1,2,3
具有自旋角动量(p)的核在自旋时会产生核磁矩(μ) :
五、各种环境中质子的化学位移
酚-OH
醇-OH 硫醇-SH 氨-NH2 羧酸-OH
HO Ar
C OH
C SH
O C OH
C NH2
H
醛
杂环 芳香 烯
O
C H
H N
N
H
H
C CH2
C H
醇、醚
炔
O CH
H2 O C
C CH
O CH3
δ/ppm
12
11
S CH3
10
9
N CH3
8
7
6
5
4
O
3
C CH3
2
射频辐射→原子核(强磁场下能级分裂) →吸收→能级跃迁→NMR
测定有机化合物的结构，1H NMR─氢原子的位置、环境以 及官能团和C骨架上的H原子相对数目） 与UV-Vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究 的对象是处于强磁场中的原子核自旋能级对射频辐射的吸收。 2. 发展历史 1924年：Pauli 预言了NMR的基本理论，即：有些核同时具 有自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂；
(完整版)脑磁共振波谱成像技术及应用
MRS如何生成
射频脉冲
原子核激励
驰豫ห้องสมุดไป่ตู้
信号呈指数衰减（自由感应衰减）
傅立叶变换
以振幅与频率的函数曲
线显示，即磁共振波谱图
•纵轴代表信号强度
•峰高和峰值下面积反 映某种化合物的存在 和化合物的量，与共 振原子核的数目成正 比。
横轴代表化学位移（频率差别），单位百万分子一（ppm）
MRS扫描前的若干问题
长TE：检测代谢物种类少，基线稳定，常用于 肿瘤性病变。因为TE=144ms 时易于显示胆 碱和乳酸峰，此时乳酸峰反转于基线下。
兴趣区对MRS的影响
兴趣区大小直接影响波谱曲线的准确性，过小信号相对较低； 过大容易受周围组织的干扰，产生部分容积效应。依据病灶 大小决定，SV而言，对弥散病变，体素通常为 2cm×2cm×2cm，局灶性病变，体素可减小
2、点分辨波谱法 (the Point Resolved Spectroscopy PRESS)
优点：信噪比高，是激励回波法的2倍 ，可以选择长、 短TE（ 144ms or 35ms ），对T2弛豫敏感，对运 动不太敏感
缺点：选择长TE，不易检出短T2物质，如脂质
对于在体的临床评价，PRESS具有高的 信噪比且时效性好，最常用（3.0T）。
可以同时获取病变侧和未被病变累及的区域，评价 病灶的范围大 。
匀场比较困难，由于多个区域同时获得相同的磁场 均匀性。对临近颅骨、鼻窦或后颅窝的病灶，由于 磁敏感伪影常常一次匀场不能成功
采集时间比较长 。
多体素—MV
PRESS TE=144ms
不同TE对波谱的影响（PRESS）
短TE：检测代谢物种类多，如脂质、谷氨酰胺 和肌醇只有在短TE才能检出 ，便于测量短T2 的物质。缺点是基线不够稳定。
脑磁共振波谱成像技术及应用课件
图像重建原理
信号采集
通过预设的扫描序列，对选定区 域进行多角度、多层面扫描，获
取大量的原始数据。
数据处理
对原始数据进行预处理、滤波、傅 里叶变换等操作，提取出有用的信 息。
图像重建
根据处理后的数据，利用图像重建 算法，脑磁共振波谱成像技术的应用领 域
神经科学研究
神经元代谢物研究
药物研发与疗效评估
药物作用机制研究
通过观察药物对大脑代谢的影响，有助于深入了解药物的疗效和 作用机制，加速新药的研发进程。
药物疗效评估
在临床试验阶段，利用磁共振波谱成像技术评估药物的疗效，有助 于筛选有效药物和优化治疗方案。
个体化用药指导
根据患者的代谢特征和药物反应，指导个体化的用药方案，提高药 物的疗效和安全性。
定义
脑磁共振波谱成像技术是一种非侵入性的检查方法，通过测量人体组织内化学 物质的核磁共振信号，以反映组织代谢和生化变化。
原理
利用不同化学物质在磁共振磁场中的共振频率和弛豫时间的不同，通过射频脉 冲激发和检测组织内的氢质子信号，从而获得组织内的代谢物浓度和分布信息 。
技术发展历程
1970年代
磁共振成像技术诞生，开始应 用于医学领域。
预扫描
进行预扫描以确定最佳的实验 参数。
定位扫描
确定感兴趣的脑区并进行定位 。
数据采集
采集脑组织的代谢物信号。
数据处理
对采集到的数据进行预处理、 分析和解读。
安全防护与注意事项
磁场安全
确保受试者体内无金属 异物，避免产生磁悬浮
等危险。
噪声防护
实验过程中应采取措施 降低噪声，保护受试者
的听力。
辐射防护
1980年代
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精选课件
4
MRS应用
MRS较成熟的技术
应用于中枢神经系统及前列腺疾病
需要特殊的线圈及软件
31P在肌肉中及中枢神经系统的应用
其他核的波谱技术尚在临床研究阶段
13C、23Na
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5
MRS可以看到什么？
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6
MRS基本概念
不同化学结构中 的氢原子，其进 动频率不同
这种由于所处的 分子结构不同所 致的同一原子核 进动频率出现差 异的现象称之为 化学位移现象
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9
3T脑白质的MRS谱线
移动脂肪0.9-1.3ppm 乳酸（Lac）
1.33ppm N-乙酰天门冬氨酸
（NAA）2.02ppm 谷氨酸类化合物复
合峰（Glx）2.12.4,3.78ppm 总肌酸（Cr）3.03 总胆碱（Cho）3.02 肌醇（mI）3.56
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10
谱线的判读
17
活体影像选择波谱(image select in-vivo spectroscopy，ISIS)
反转脉冲适用于射频脉冲不均匀的表面线圈， 且磁化矢量全部反应的Z轴上，T2弛豫丢失很 少，有利于短T2的核，常用于31P-MRS
缺点是费时，对运动伪影敏感
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18
激励回波采集模式（stimulate echo acquisition mode，STEAM）
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33
VOI的有效设置
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34
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35
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36
灰质
白质
Hunter，s angle
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37
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38
32
64
96
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128
39
常规采集参数
SV：
PRESS序列 TR1500ms TE35ms VOI 2*2*2cm NAV：128 采集时间短
23
1.5T PRESS vs STEAM
TR1500ms，TE35ms
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24
1.5T PRESS vs STEAM
TR1500ms，TE35ms
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25
3.0T PRESS vs STEAM
TR1500ms，TE35ms
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26
TR时间不同的谱线
3000ms
PRESS
磁共振波谱技术
张文博
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1
MRS
MRS可以检出具有生理及病生理意义的代谢 物
在体、直接、无创
采集原理:与MRI相同，遵循Larmor定律
MRI：信号的变化随时间变化的函数 MRS：信号的振幅随频率分布的函数
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2
原理
Larmor equation
旋磁比
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3
不同原子核共振的频率不同
谱线的要求：
•
信噪比好（SNR）
•
均匀性好
•
一致性好
SNR通常在频率域定义为最大代
谢物的峰高度除以无信号区噪声
的振幅的均方根
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11
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12
波谱的基本概念
峰下面积与代谢物浓度 呈正比
线宽与化合物的T2*弛 豫时间和磁场的均匀度 有关，它决定谱线的频 率分辨率
原子核存在共价键，会 形成自旋-自旋偶联， 则表现为特定形态的峰
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7
水中的氢质子在1.5T 场强条件下的进动 频率是63.9MHz
长链脂肪酸中的氢 质子在同场强条件 下的进动频率为 63.9MHz-224Hz
绝对频率差实际意 义较小
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8
以“百万分之” （parts per million，ppm） 来表示化合物之
间的频率差别是
恒定的。（无场 强依赖）
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15
MRS的空间定位
准确采集感兴趣区容积（volume of interest， VOI）体素内的信号，而不被VOI以外的信 号污染，是MRS成功的关键
单体素 多体素
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16
MRS选用的序列
活体影像选择波谱 ISIS
激励回波采集模式 STEAM
点分辨波谱PRESS
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13
MRS vs MRI
基于组织中水的T2弛豫 时间，及脂肪的信号
信号来源于全脑，解剖 信息来自质子及分布及 其在及其在不同组织中 的相对弛豫率的不同
T2WI，T1WI，FLAIR
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14
MRS vs MRI
基于代谢物的T2弛 豫时间
信号来源于脑的特 定区域
PRESS，STEAM， CSI
优点是一次激发就可采集，不需要相位再循环； 水抑制充分；体素边缘的锐利度好；空间定位 准确
缺点是有近50%的信号丢失，造成信噪比较低
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19
点分辨波谱（point resolved spectroscopy， PRESS）
主要是运用了重聚相位的1800脉冲，减少了信 号的丢失
选择长回波时间时（TE>50ms）会导致短T2代 谢物的丢失，且信噪比下降
酸峰
- 很少有脂肪信号 - 信号强度弱 - 丢失所有短T2的代谢
物
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29
MRS的技术选择
开始运用MRS技术前，应充分评价磁共振系 统的MRS技术所能提供的质量，根据所需观 察的代谢物来确定所用的序列及所有参数。
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30
MRS的定量计算
绝对定量与相对定量 相对定量：以各种代谢物峰的高度或峰下
CSI：
PRESS序列 TR1500ms TE35ms VOI 10mm* Matrix 16*16 采集时间长
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20
MRS的技术考虑
不同的场强 不同的序列（PRESS或STEAM） 不同的参数（TE）
所得的谱线均会有差别，代谢物比值也有所 不同
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21
3.0T vs 1.5T
Press：TR1500ms，TE35ms
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22
3.0T vs 1.5T
Press：TR1精5选0课0件ms，TE35ms
面积的比值进行定量分析 绝对定量：以内源性的水或独立的外源性
的标准浓度的物质作参照进行计算
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31
机体对代谢物浓度的影响因素
年龄 脑内不同部位 体温 肝、肾参与Cr合成，肝病时Cr下降 糖尿病、肾病、渗透压异常、移植肾、输
液均匀影响MRS的结果
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32
影响比值的因素
序列：明显影响 TE时间：明显影响 TR时间：有些影响 体素位置：明显影响 体素大小：有些影响 磁场均匀性：有些影响
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1500ms
27
TE时间不同的谱线
144ms
35ms
PRESSE<50ms） +可看到短T2代谢物，如
mI,Glx +信号强度最高 +有已形成的正常值可参
考
+可见脂肪信号 - 基线易不稳
长回波（TE>50ms） +基线平稳 +TE=144有利于观察乳