磁共振波谱技术(讲+全)
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《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)
性格改变、行为异常、智能减退、神经错乱 扑翼样震颤、肌张力升高、病理征、共济失调
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
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
第六章核磁共振波谱法
I ( I 1)
当I=0时，P=0，原子核没有自旋现象，只有 I﹥0，原子核才有自旋角动量和自旋现象。
二、核磁共振的产生
(一) 核自旋能级分裂
1. 无外磁场时：自旋核产生的核磁矩的取向是任意的。 2. 外加磁场时：把自旋核放在场强为H0的磁场中，由于 磁矩 与磁场相互作用，核磁矩相对外加磁场有不同 的取向，共有2I+1个,各取向可用磁量子数m表示： m=I, I-1, I-2, ……-I 每种取向代表不同的能量。
H 0 (1 ) 2
高频 低场
低频 高场
屏蔽效应越强，即值越大, 共振信号越在高场出现。 CH3CH2Cl
化学位移：
chemical shift
屏蔽作用使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。
由于屏蔽效应的存在， 不同化学环境的氢核的共振 频率不同，这种现象称为化 学位移。
核自旋驰豫
激发到高能态的核通过非辐射途径将其获得的能量 释放到周围环境中去,使核从高能态回到原来的低能态,这
一过程称为自旋驰豫。
驰豫过程是核磁共振现象发生后得以保持的必要条件
自发辐射的概率近似为零
高能态核
通过非辐射途径回到
低能态核 这种过程叫核自旋驰豫。
将自身的能量传递给周围环境或其它低能级态。
利用核磁共振光谱进行进行结构(包括构型和构 象)测定、定性及定量分析的方法称为核磁共振 波谱法。简称 NMR。
在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的共振 吸收谱，重点介绍1H核共振的原理及应用。
核磁、15N、31P等。
氢核磁共振谱 (氢谱，1H-NMR，质子核磁共振
根据核磁共振原理，某个核的磁共振条件 必需具备下述三点：
当I=0时，P=0，原子核没有自旋现象，只有 I﹥0，原子核才有自旋角动量和自旋现象。
二、核磁共振的产生
(一) 核自旋能级分裂
1. 无外磁场时：自旋核产生的核磁矩的取向是任意的。 2. 外加磁场时：把自旋核放在场强为H0的磁场中，由于 磁矩 与磁场相互作用，核磁矩相对外加磁场有不同 的取向，共有2I+1个,各取向可用磁量子数m表示： m=I, I-1, I-2, ……-I 每种取向代表不同的能量。
H 0 (1 ) 2
高频 低场
低频 高场
屏蔽效应越强，即值越大, 共振信号越在高场出现。 CH3CH2Cl
化学位移：
chemical shift
屏蔽作用使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。
由于屏蔽效应的存在， 不同化学环境的氢核的共振 频率不同，这种现象称为化 学位移。
核自旋驰豫
激发到高能态的核通过非辐射途径将其获得的能量 释放到周围环境中去,使核从高能态回到原来的低能态,这
一过程称为自旋驰豫。
驰豫过程是核磁共振现象发生后得以保持的必要条件
自发辐射的概率近似为零
高能态核
通过非辐射途径回到
低能态核 这种过程叫核自旋驰豫。
将自身的能量传递给周围环境或其它低能级态。
利用核磁共振光谱进行进行结构(包括构型和构 象)测定、定性及定量分析的方法称为核磁共振 波谱法。简称 NMR。
在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的共振 吸收谱，重点介绍1H核共振的原理及应用。
核磁、15N、31P等。
氢核磁共振谱 (氢谱，1H-NMR，质子核磁共振
根据核磁共振原理，某个核的磁共振条件 必需具备下述三点：
头颅磁共振波谱
MRS在脑部疾病中的应用
癫痫 肿瘤 梗塞
癫痫 磁共振波谱能早期发现癫痫灶及其所
致的细胞损害。 采用NAA/Cho＋Cr值为分析指标。
1、敏感性较高
2、颞叶由于受颅底结构及颞骨的影响 ,体素局部的匀场和水抑制程度受到限 制, 很难实现Cr 和Cho 波峰的完全分 离,这时计算它们的合并强度比较合理 可靠。
Cr 峰值位于3.02ppm 处, 另一峰位于 3.94ppm处, 它代表了肌酸(Creatine) 及磷酸肌酸( Phosphocreatine)的总含 量, Cr 是高能磷酸化合物的储备以及 ATP和ADP 的缓冲剂, Cr 的下降常常提 示神经胶质细胞的能量不足, 也表示神 经元的能量供应不足。Cr可以作为细 胞完整性的可靠标志。
6. 病人移动的影响如果在检查过程中病人 的轻微移动,极易造成波谱的不真实性
脑波谱中几种主要的代谢产物有N - 乙 酰天门氡氨酸(NAA) , 胆碱(Cho) ,肌酸 (Cr), 肌醇(MI), 乳酸(Lac),脂质峰(Lip), 丙氨酸(Ala) , 琥珀酸(Suc), 乙酸(Ace), 甘氨酸(Gly), 谷氨酸(Glx)及氨基酸 (AA)
影响因素
1. 匀场 2. 抑水 3. 体素位置和大小
脂肪、脑脊液、骨组织、大血管及颅内含 气的窦道影响很大, 因此体素设置应该尽量 避免这些组织 外部加用饱和带也可以抑制感兴趣区以外 组织的污染
4均匀性造成很大的影 响, 从而造成假象谱线。
肿瘤 1、胶质瘤 2、转移瘤 3、淋巴瘤
共同点：为NAA下降、Cho 上升、 Cho/ Cr 升高, 可出现Lip 、Lac峰。
不同点：
1、胶质瘤NAA随恶性程度的升高而减低。
2、由于缺乏Cr激酶, 转移瘤中Cr较高级别胶 质瘤减低更明显甚至是消失的，Cho/Cr之 间存在显著差异。
磁共振波谱ppt课件
3
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
24
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。
40
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。
28
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
24
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。
40
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。
28
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。
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(NMR spectrum)：以 核磁共振信号强度对照射频率(或磁 场强度)作图所得图谱。
❖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
15
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
15
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。
核磁共振波谱技术及其在医学中的应用
核磁共振波谱技术及其在医学中的应用引言核磁共振（NMR）波谱技术是一种分析化学和生物化学的强大工具。
它通过测量由核磁共振引起的频率变化，可以得到各种物质的化学结构和分子动态信息，从而在药物研究、物种鉴定、蛋白质结构以及医学上的诊断和治疗等方面中发挥了至关重要的作用。
本文将介绍核磁共振波谱技术的基本原理及其在医学中的应用。
一、核磁共振波谱技术的基本原理核磁共振是原子核自旋与外加磁场相互作用的一种现象。
当被置于磁场中的原子核纵向自旋方向与外加磁场方向相同时，其能量处于低位状态；当纵向自旋与外加磁场方向相反时，其能量处于高位状态。
在恒定磁场B0的作用下，放置射频脉冲能够短暂扰动核磁场，导致核自旋状态发生变化。
之后，系统将恢复到基态，自旋向下的原子核重新回到原来的磁状态，向上反转的原子核则绕着磁场旋转，这种叫做进动。
反转的进动同步发生，并在物理上抵销，因此，只有向下的自旋在均匀的磁场中保持稳定。
如果应用射频脉冲的频率与核自然进动频率相等，则能够在系统中激发共振，使得部分核进动倾斜。
激动所需的能量和核进动的频率是一一对应的，因此，这样扰动核自旋时会产生共振，即物质因内在原因而产生的吸收峰。
二、核磁共振波谱技术在医学中的应用1.疾病诊断核磁共振波谱技术广泛应用于疾病的诊断，其主要是结合多维数据分析，可以用来评估神经和心理方面的疾病、代谢性疾病和其他疾病。
例如利用核磁共振波谱法对人类肿瘤中代谢物进行高通量筛查，存在重要的磁共振波谱指纹以识别癌症。
此外还可用来非侵入性地检测癫痫、阿尔茨海默症以及帕金森综合症等多种疾病的变化。
2.药物研发核磁共振波谱在药物研发方面有广泛的应用，具体包括药物分子动态研究、药物发现、化学反应动力学及结构验证等。
例如，通过核磁共振波谱技术可以非破坏性地检测制药过程中的中间体、原料药和最终产品的纯度，获得其结构和化学易位机理信息，并在药物生产中对质量进行监测。
3.医学治疗核磁共振波谱技术在医学治疗领域也有很多应用，例如，利用核磁共振波谱法可对糖尿病、肥胖症、恶心、疼痛和精神障碍等疾病进行治疗及药物监测。
核磁共振波谱学习课件(共88张PPT)可修改文字
大，屏蔽弱，共振需要 的磁场强度小，在低场出现， 图左侧。
= [(样 - TMS)/ TMS ] ×106
二、影响化学位移的因素
1．电负性--去屏蔽效应
与质子相连元素的电负性越 强，吸电子作用越强，价电子偏 离质子，屏蔽作用减弱，信号峰 在低场出现。
电负性对化学位移的影响
H 3 C B H 3 r C 2 C B H C 3 r (C 2 H ) 2 B H C r 3 (C 2 H ) 3 B H
备的超导线圈；在低温4K，处于超导状 态；磁场强度>100 T
开始时，大电流一次性励磁后，闭合 线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变； 温度升高，“失超”；重新励磁。 超导核磁共振波谱仪：
200～400MHz；600～800MHz。
（2）试样中加入几滴D2O，摇荡片刻，试样中的–OH或 –NH2基中的1H被重氢D交换。 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。 (2)与外磁场相反，能量高，磁量子数 m ＝－1/2。 谱图解析与结构确定步骤 （1）偶合常数（ J 值）相等 通常两组相互偶合的峰都是相应“内侧”峰偏高，而“外侧”峰偏低，在偶合信号的强峰上画一对相应的斜线，形成屋顶形状。 两种进动取向不同的氢核之间的能级差： 恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，经过傅里叶变换获得一般核磁共振谱图。 没有直接与吸电子基团（或元素）相连，在高场出现。 磁各向异性是指质子在分子中所处的空间位置不同，屏蔽作用不同的现象。 为什么1H比6H的化学位移大？ （2）试样中加入几滴D2O，摇荡片刻，试样中的–OH或 –NH2基中的1H被重氢D交换。 超导磁体：铌钛或铌锡合金等超导材料制备的超导线圈； 方向相同，核所感受到的实际磁场 B有效 大于外磁场。 傅里叶变换核磁共振波谱仪需要纯试样品 1 mg 。
= [(样 - TMS)/ TMS ] ×106
二、影响化学位移的因素
1．电负性--去屏蔽效应
与质子相连元素的电负性越 强，吸电子作用越强，价电子偏 离质子，屏蔽作用减弱，信号峰 在低场出现。
电负性对化学位移的影响
H 3 C B H 3 r C 2 C B H C 3 r (C 2 H ) 2 B H C r 3 (C 2 H ) 3 B H
备的超导线圈；在低温4K，处于超导状 态；磁场强度>100 T
开始时，大电流一次性励磁后，闭合 线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变； 温度升高，“失超”；重新励磁。 超导核磁共振波谱仪：
200～400MHz；600～800MHz。
（2）试样中加入几滴D2O，摇荡片刻，试样中的–OH或 –NH2基中的1H被重氢D交换。 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。 (2)与外磁场相反，能量高，磁量子数 m ＝－1/2。 谱图解析与结构确定步骤 （1）偶合常数（ J 值）相等 通常两组相互偶合的峰都是相应“内侧”峰偏高，而“外侧”峰偏低，在偶合信号的强峰上画一对相应的斜线，形成屋顶形状。 两种进动取向不同的氢核之间的能级差： 恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，经过傅里叶变换获得一般核磁共振谱图。 没有直接与吸电子基团（或元素）相连，在高场出现。 磁各向异性是指质子在分子中所处的空间位置不同，屏蔽作用不同的现象。 为什么1H比6H的化学位移大？ （2）试样中加入几滴D2O，摇荡片刻，试样中的–OH或 –NH2基中的1H被重氢D交换。 超导磁体：铌钛或铌锡合金等超导材料制备的超导线圈； 方向相同，核所感受到的实际磁场 B有效 大于外磁场。 傅里叶变换核磁共振波谱仪需要纯试样品 1 mg 。
第八章 核磁共振波谱_PPT课件
概述
核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段 ，由 于其可深入物质内部而不破坏样品 ，并具有迅速、 准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用 ，已经从物理学渗透到化学、生物、地质、医疗以 及材料等学科 ，在科研和生产中发挥了巨大作用 。
核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫 (F.Block)和哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发 现的，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。50多 年来，核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科 。
生物膜和脂质的多形性研究
化学位移各向异性的研究
脂质双分子层的脂质分子动态结构
金属离子同位素的应用
生物膜蛋白质——脂质的互相作用
动力学核磁研究
压力作用下血红蛋白质结构的变化
质子密度成像
生物体中水的研究
T1T2成像
生命组织研究中的应用
化学位移成像
生物化学中的应用
其它核的成像
在表面活性剂方面的研究
magnetic resonance spectroscopy for determining the threedimensional structure of biological macromolecules in solution".
他将获得2002年诺贝尔化学奖另一半的奖金。
If one knows all the measurements of a house one can draw a three-dimensional picture of that house. In the same way, by measuring a vast number of short distances in a protein, it is possible to create a three-dimensional picture of that protein.
(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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运动伪影
大部分不易观察，导致线宽增加，频率分辨力 下降
代谢物在谱线上呈分裂峰，多见于患者头在两 个不同位置上来回运动
在波谱采集定位后患者头部移动，导致采集的 体素并非设定的体素
化学位移伪影—通常只影响单体素采集
化学位移偏离，发生在谱线后处理是拟合算法 不正确时，标记错误
激发的化学位移伪影，出现在应用选层脉冲或 读出梯度时
TR1500ms，TE35ms
TR时间不同的谱线
3000ms
1500ms
PRESS
TE时间不同的谱线
144ms
35ms
PRESS
回波时间的影响
短回波（TE<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 酸峰 - 很少有脂肪信号 - 信号强度弱 - 丢失所有短T2的代谢 物
胶 质 瘤 病
CSAE5
男 55岁 AIDS， 低热2周，嘴角左偏
CSAE6
MRS提示神经元损伤，出现明显的无氧酵解，无明显胶质 增生Cho升高提示肿瘤性病变不除外，建议增强MRI
CSAE7
男 48岁， 左肾癌术后1年，左侧肢体无力1周
CASE8
女 39岁， 星形细胞瘤术后
CASE9
判读较
脑内肿瘤
胶质瘤的诊断和分级 肿瘤边界的评价 鉴别原发和转移 鉴别肿瘤和某些感染性病变 胶质瘤放疗后坏死与复发的鉴别
CASE1
胶质瘤
少 突 胶 质 细 胞 瘤 级
Ⅱ
CASE2
胶质瘤
Ⅰ— Ⅱ级星形细胞瘤
CASE3
肥 胖 型 间 变 型 星 形 细 胞 瘤
Ⅲ —Ⅳ 级
CASE4
NAA/Cr: 1.41±0.09 Cho/Cr: 0.87±0.07 mI/Cr: 0.60±0.24
后扣带回灰质
左侧脑室后脚旁白质
NAA/Cr: 1.61±0.14 Cho/Cr: 0.96± 0.12 mI/Cr: 0.62±0.06
NAA/Cr: 1.40±0.10 Cho/Cr: 0.68±0.06 mI/Cr: 0.56±0.07
Press：TR1500ms，TE35ms
3.0T vs 1.5T
Press：TR1500ms，TE35ms
1.5T PRESS vs STEAM
TR1500ms，TE35ms
1.5T PRESS vs STEAM
TR1500ms，TE35ms
3.0T PRESS vs STEAM
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
激励回波采集模式（stimulate echo acquisition mode，STEAM）
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
点分辨波谱（point resolved spectroscopy， PRESS）
渗透压的动态平衡改变
CASE17
男 69岁， 肝硬化，血氨水平79μmol/L
小儿缺血缺氧性脑病
7月，喂养后无反应
其他（真菌）
活检：培养出 毛霉菌丝
梗死
假瘤性脱髓鞘
ADEM
男 40岁， 头晕1月，四肢无力2周
SLE
癫痫
主要用于颞叶的定侧，文献多采用 TE=135ms/144ms的序列，计算NAA/Cr、 NAA/（Cho+Cr）的比值 有报道：MRS可显示87%的海马的NAA浓度 和NAA/（Cho+Cr）比值异常，其中27%的 病例MRI海马结构无异常 仍有无法判断的病例，需结合EEG/PET等
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
旋磁比
不同原子核共振的频率不同
MRS应用
活体影像选择波谱 ISIS 激励回波采集模式 STEAM 点分辨波谱PRESS
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
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
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
性格改变、行为异常、智能减退、神经错乱 扑翼样震颤、肌张力升高、病理征、共济失调
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
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
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
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
SV vs CSI
单体素波谱
化学位移成像
容易实现 成像时间相对短 相对容易克服磁场不均 匀的影响 谱线的基线稳定 谱线的定性分析好
覆盖范围大，一次采集 获得较多信息 成像时间长
容易受到磁场不均匀的 影响 谱线质量常受影响
单体素波谱
多体素波谱
代谢物分布图
MRS的伪影
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
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
MRS选用的序列
脑脓肿与脑囊性肿瘤的鉴别
CASE10
脑膜瘤：Cho升高，NAA及Cr几乎消失，提示脑外肿瘤
CASE11
男 69岁， 癫痫发作半月，有失语，右手抽搐，右侧肢体无力。肺部发现一肿块 外院发现颅内多发占位半月，增强多呈环形强化
代谢性脑病
线粒体脑肌病
MELAS发病机制
多由于mtDNA的A3243G点突变，线粒体的结 构及功能异常，导致细胞呼吸链受损，ATP形 成障碍，组织代谢能量不足，出现的无氧酵解， 产生乳酸，易出现在需氧量较多的组织。
左侧海马硬化
女 15岁，发作抽搐2年
ห้องสมุดไป่ตู้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
VOI的有效设置
灰质
白质
Hunter，s angle
32
64
96
128
常规采集参数
SV：
CSI：
PRESS序列 TR1500ms TE35ms VOI 2*2*2cm NAV：128 采集时间短
PRESS序列 TR1500ms TE35ms VOI 10mm* Matrix 16*16 采集时间长
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
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