時(shí)空編碼核磁共振方法及其應(yīng)用

蔡淑惠，蔡聰波，陳 忠

(廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建省等離子體與磁共振研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005)

自發(fā)現(xiàn)核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)現(xiàn)象以來(lái)的70多年里，NMR在物理、化學(xué)、生物及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已獲得了6次諾貝爾獎(jiǎng)，新技術(shù)新方法不斷涌現(xiàn)，在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、石油勘探等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用.

二維及多維NMR波譜廣泛應(yīng)用于化學(xué)和生物學(xué)分析，而磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷和生命科學(xué)研究.然而，傳統(tǒng)的二維及多維NMR譜的間接維信息采用時(shí)間增量方式獲取，而MRI通常采用梯度面積增量方式進(jìn)行成像以獲取物質(zhì)的空間分布信息，因此它們的采樣時(shí)間都比較長(zhǎng).提高采樣效率、縮短采樣時(shí)間一直是NMR研究的一個(gè)重要方向.

2002年Frydman課題組受回波平面成像(echo planar imaging,EPI)原理的啟發(fā)，提出了時(shí)空編碼(spatiotemporal encoding,SPEN)技術(shù)，該技術(shù)首先應(yīng)用于單掃描獲取二維NMR譜[1-2]，隨后又應(yīng)用于單掃描二維MRI[3].單掃描SPEN技術(shù)使二維譜/像掃描時(shí)間降低到毫秒級(jí)，實(shí)現(xiàn)了超快速采樣.

SPEN技術(shù)一經(jīng)提出，立即引起了廣泛的興趣.本課題組也圍繞其展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)出一系列快速SPEN NMR波譜和成像脈沖序列，并提出相應(yīng)的快速高質(zhì)量重建方法，得到了國(guó)際同行的重視和認(rèn)可.本文將簡(jiǎn)要介紹SPEN原理，對(duì)本課題組十幾年來(lái)在SPEN NMR領(lǐng)域的研究進(jìn)行系統(tǒng)的闡述.

1 SPEN NMR波譜和成像原理

SPEN NMR技術(shù)采用編碼脈沖在梯度場(chǎng)的輔助下不同時(shí)刻作用于不同位置上的核自旋，使得編碼脈沖結(jié)束后核自旋相位隨空間位置變化；采樣期在梯度場(chǎng)的作用下解碼這些相位信息即得到編碼維的譜信息或核自旋空間位置分布信息[4].編碼脈沖通常為線性掃頻(chirp)脈沖[5].chirp脈沖的激發(fā)頻率與時(shí)間成線性關(guān)系，相位是時(shí)間的二次項(xiàng)[2].

1.1 SPEN NMR波譜原理

在NMR波譜測(cè)量中，樣品有一定的長(zhǎng)度，因此沿著樣品長(zhǎng)度方向(假設(shè)為z方向)可以實(shí)施SPEN及解碼.圖1示意了使用兩個(gè)180° chirp脈沖的SPEN序列對(duì)含有兩個(gè)化學(xué)位移(δ1和δ2)的樣品的時(shí)空編解碼原理.首先序列中的第一個(gè)射頻(radio frequency,RF)脈沖將樣品所有z空間位置自旋磁化矢量都翻轉(zhuǎn)到x-y平面，此時(shí)所有位置上的橫向磁化矢量相位是一致的，如圖1(a)所示.第一個(gè)180° chirp脈沖在SPEN梯度GE作用下不同時(shí)刻翻轉(zhuǎn)不同z位置上的自旋[2,6]，在該脈沖結(jié)束后自旋的相位是位置z的二次項(xiàng)函數(shù)(拋物線函數(shù)，如圖1(b)所示；對(duì)于不同化學(xué)位移，拋物線函數(shù)的駐點(diǎn)位置不同).由于采樣期通常使用矩形梯度，只能對(duì)線性相位進(jìn)行解纏繞，所以需要使用第二個(gè)180° chirp脈沖在-GE梯度下將二次項(xiàng)相位轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性相位[2,6].第二個(gè)180°chirp脈沖后得到如圖1(c)所示的橫向磁化矢量相位.不同化學(xué)位移的磁化矢量相位隨位置的線性變化程度不同，即得到SPEN相位φE=Cδ·z，其中C為受實(shí)驗(yàn)條件控制的SPEN常數(shù).在解碼梯度GD下進(jìn)行采樣，對(duì)于不同的化學(xué)位移，φE在不同時(shí)刻被解纏繞，磁化矢量得到重聚，這個(gè)時(shí)刻可以得到該磁化矢量的回波峰，如圖1(c)所示.如果將采樣梯度進(jìn)行反轉(zhuǎn)繼續(xù)采樣，即在-GD下采樣，第一個(gè)GD采樣結(jié)束后纏繞的相位將再一次發(fā)生重聚和散相，在-GD的不同時(shí)刻亦可得到不同化學(xué)位移的回波峰.重復(fù)在GD和-GD下采樣，可以得到一系列不同化學(xué)位移的回波，這些回波組成與EPI中的相位編碼維(無(wú)相位編碼梯度)類似的一個(gè)維度，稱為直接維.由于該維度化學(xué)位移的演化不受梯度作用，隨時(shí)間自由演化，所以沿著直接維進(jìn)行傅里葉變換(FT)可以得到化學(xué)位移信息.這就是超快速SPEN NMR波譜原理.單次掃描后只需對(duì)直接維進(jìn)行FT便得到二維譜.

(a)～(c)包含兩個(gè)不同化學(xué)位移的樣品在脈沖序列作用下不同時(shí)刻x-y平面上的磁化矢量分布示意圖；(d)包含兩個(gè)180° chirp脈沖的SPEN脈沖序列.

1.2 SPEN MRI原理

本文用一維水模來(lái)說(shuō)明SPEN MRI原理.水模沿著z方向的包絡(luò)如圖2(a)所示.脈沖序列的第一個(gè)脈沖將水模的所有自旋磁化矢量都翻轉(zhuǎn)到x-y平面，此時(shí)沿著z方向所有的x-y磁化矢量都是同相位的.同SPEN NMR原理，180°chirp脈沖在SPEN梯度GE不同時(shí)刻翻轉(zhuǎn)不同z位置上的自旋.在該脈沖結(jié)束后，得到相位φE沿著z方向成二次項(xiàng)函數(shù)分布的磁化矢量，如圖2(b)所示，此時(shí)φE=a·(z-z0)2，其中a為受實(shí)驗(yàn)條件控制的SPEN常數(shù)，z0為由chirp脈沖決定的位置常數(shù).當(dāng)a足夠大時(shí)，φE只在z0附近變化緩慢，而遠(yuǎn)離z0時(shí)則快速變化.因?yàn)榫€圈檢測(cè)信號(hào)是對(duì)空間所有位置信號(hào)的累積，此時(shí)遠(yuǎn)離z0的信號(hào)由于其相位的快速變化被平均后對(duì)檢測(cè)信號(hào)的貢獻(xiàn)微乎其微，所以檢測(cè)信號(hào)主要來(lái)源于z0附近小范圍的信號(hào)，z0被稱為穩(wěn)定相位點(diǎn)，其附近的有用信號(hào)范圍反映了SPEN的空間分辨率.改變z方向的SPEN梯度作用可以改變SPEN的穩(wěn)定相位點(diǎn).為了從水模的邊緣開(kāi)始進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，首先使用移位梯度(purge)將穩(wěn)定相位點(diǎn)移至成像視野的邊緣處，然后在采樣梯度GD下進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，穩(wěn)定相位點(diǎn)區(qū)域(黃色區(qū)域)將隨著采樣時(shí)間從成像視野的一端移動(dòng)至另一端，如圖2(c)所示.隨著穩(wěn)定相位點(diǎn)的變化，檢測(cè)得到水模內(nèi)不同體素的信號(hào)，從而無(wú)需FT即直接得到水模的包絡(luò)，如圖2(d)中GD上方的虛線包絡(luò)所示.由于穩(wěn)定相位點(diǎn)附近的有用信號(hào)區(qū)域大小直接反映觀測(cè)信號(hào)的空間分辨率，所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)SPEN脈沖序列參數(shù)得到較高分辨率的包絡(luò).因?yàn)樵诰幋a參數(shù)(如編碼脈沖長(zhǎng)度、編碼梯度大小等)已知的情況下，整個(gè)樣品區(qū)間的φE可通過(guò)計(jì)算得出，所以在SPEN空間分辨率較低的情況下，可以通過(guò)超分辨率重建算法得到高空間分辨率的水模包絡(luò)[7].將EPI中的相位編碼維取代為上述的SPEN維而保留讀出梯度維，可以得到二維SPEN MRI序列，該序列得到的信號(hào)只需對(duì)讀出梯度維進(jìn)行FT即可得到二維圖像.SPEN MRI可以得到與EPI類似的分辨率和信噪比，而且抗不均勻磁場(chǎng)和化學(xué)位移偽影的能力增強(qiáng).

(a)～(c)一維水模沿著z方向在脈沖序列作用下不同時(shí)刻x-y平面上磁化矢量分布示意圖，黃色區(qū)域表示采樣期穩(wěn)定相位點(diǎn)附近區(qū)域；(d)包含180° chirp脈沖的SPEN脈沖序列.

2 超快速SPEN NMR波譜方法及其應(yīng)用

SPEN二維NMR波譜和常規(guī)二維NMR波譜采樣方式不同.在常規(guī)二維NMR實(shí)驗(yàn)中，核自旋受激發(fā)后在x-y平面演化，演化時(shí)間通常用t1表示；在混合期，所需要的相干階被轉(zhuǎn)換成可觀測(cè)的信號(hào)；最后在采樣期t2收集可觀測(cè)信號(hào).為了得到一張二維NMR譜，需要重復(fù)N1次采樣，每次t1增加Δt1，每一個(gè)t1值對(duì)應(yīng)一次單獨(dú)的一維NMR采樣，如圖3(a)所示.連續(xù)兩次一維采樣之間還需要一個(gè)等待時(shí)間使自旋系統(tǒng)弛豫恢復(fù)到平衡狀態(tài).因此傳統(tǒng)二維及多維NMR最大的缺點(diǎn)就是實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，這限制了其在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程等對(duì)時(shí)間分辨率要求高的場(chǎng)景中的應(yīng)用.SPEN NMR方法用SPEN代替?zhèn)鹘y(tǒng)的t1時(shí)間編碼，即將樣品按空間分成N1份，每份經(jīng)歷不同的演化時(shí)間來(lái)代替，檢測(cè)期用回波平面譜成像(echo planar spectroscopic imaging,EPSI)方式進(jìn)行采樣，如圖3(b)所示，因此單次掃描即可獲得一張二維譜，大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間.不僅如此，SPEN NMR的采樣方式使其在抗磁場(chǎng)不均勻不穩(wěn)定性影響方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì).本節(jié)將分別介紹均勻磁場(chǎng)下、不均勻磁場(chǎng)下、不穩(wěn)定磁場(chǎng)下SPEN NMR方法，并簡(jiǎn)要介紹其應(yīng)用.

圖3 常規(guī)二維NMR波譜(a)和SPEN二維NMR波譜(b)原理圖

2.1 均勻磁場(chǎng)下超快速SPEN NMR波譜方法

Frydman課題組[8]最早提出的SPEN方法是離散SPEN方法，這種方法在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要快速進(jìn)行磁場(chǎng)梯度切換，實(shí)驗(yàn)難度較高，而且離散快速采樣還會(huì)導(dǎo)致間接維出現(xiàn)干擾的“鬼峰”.為了克服此缺點(diǎn)，Pelupessy[5]應(yīng)用絕熱脈沖代替離散的射頻脈沖，避免了編碼期間頻繁的磁場(chǎng)梯度切換，有效消除了間接維的“鬼峰”.在絕熱脈沖應(yīng)用于SPEN單掃描快速采樣后，Shrot等[9]提出在使用正負(fù)梯度場(chǎng)的同時(shí)，使用相同的90° chirp脈沖進(jìn)行激發(fā)，這種方法被定義為連續(xù)調(diào)制SPEN.由于這種方法屬于幅度調(diào)制，不能應(yīng)用于需要通過(guò)相位調(diào)制的相關(guān)譜(correlated spectroscopy,COSY)實(shí)驗(yàn).對(duì)該SPEN單掃描快速采樣序列進(jìn)行改進(jìn)，可以設(shè)計(jì)出連續(xù)相位調(diào)制SPEN單掃描快速采樣序列，調(diào)制方式分為實(shí)時(shí)相位調(diào)制和恒時(shí)相位調(diào)制.相位調(diào)制編碼使超快速獲得COSY成為可能.Tal等[10]提出了一種由90°-180° chirp脈沖組成的實(shí)時(shí)相位調(diào)制編碼脈沖序列，可以在大約100 ms的時(shí)間內(nèi)獲得一張二維COSY譜，然而該方法在實(shí)驗(yàn)中需要仔細(xì)調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難.為了克服上述問(wèn)題，本課題組提出了基于恒時(shí)相位調(diào)制SPEN的梯度選擇相關(guān)譜(gradient-selective COSY, g-COSY)和雙量子濾波梯度選擇相關(guān)譜(double-quantum-filtered gradient-selective COSY, gDQF-COSY)序列來(lái)快速獲得二維COSY譜，新序列的編碼部分由180°-180°chirp脈沖組成[6].此外，本課題組提出了基于SPEN和相干轉(zhuǎn)移技術(shù)的兩個(gè)超快速采樣脈沖序列UFSECSY(ultrafast spin-echo correlated spectroscopy)和UFSETOCSY(ultrafast spin-echo total correlated spectroscopy)，以單掃描獲得二維同核COSY和全相關(guān)譜(total correlation spectroscopy, TOCSY)[11].

SPEN單掃描超快速采樣方法降低了NMR譜的采樣時(shí)間，極大地提高了采樣速度.此方法一經(jīng)提出，就先后應(yīng)用于二維COSY[6,10,12]、J分解譜[10,13]、TOCSY[1,5,10,14]、擴(kuò)散排序譜(diffusion ordered spectroscopy,DOSY)[15]、異核多量子相干譜(heteronuclear multiple quantum coherence,HMQC)[16]、異核單量子相干譜(heteronuclear single quantum coherence,HSQC)[5,14]以及異核多鍵相關(guān)譜(heteronuclear multiple-bond correlation,HMBC)[17]等.在多維譜方面，F(xiàn)rydman課題組[18]在2003年進(jìn)行了單掃描SPEN超快速采樣的原理論證，隨后利用二維SPEN與二維時(shí)間編碼結(jié)合得到生物大分子的三維1H-15N-13CO相關(guān)譜(1H-15N-13CO correlation,HNCO)[19].Giraudeau等[20]提出了三維超快速J-COSY方法(ultrafastJ-COSY, UFJCOSY)同時(shí)獲取J分解譜和COSY，該方法中的一維仍采用傳統(tǒng)采樣方式，采樣時(shí)間在分鐘量級(jí).

雖然SPEN單掃描超快速采樣方法極大地提高了二維和多維譜的采樣速率，但與此同時(shí)，由于超快速SPEN實(shí)驗(yàn)中譜寬和分辨率之間的矛盾關(guān)系，譜圖的靈敏度和分辨率較常規(guī)譜而言受到了限制.為了解決這個(gè)矛盾，Shrot等[21]提出了一種空間/頻譜編碼方法，但其受選擇脈沖不準(zhǔn)以及譜圖靈敏度損失等限制，應(yīng)用范圍有限.Giraudeau等[12]提出了梯度控制折疊(gradient-controlled folding)方法，通過(guò)在混合期前后施加合適的脈沖場(chǎng)梯度，獲得折疊樣譜，在減少譜寬的同時(shí)恢復(fù)所有自旋共振信息.該方法不采用選擇性脈沖，避免了選擇性脈沖相關(guān)問(wèn)題，然而，從折疊譜中重建非折疊譜比較困難，而且脈沖梯度場(chǎng)的參數(shù)設(shè)置需要先驗(yàn)信息.本課題組[23]提出了反轉(zhuǎn)采樣方法：分兩個(gè)階段分別對(duì)譜的不同頻率范圍進(jìn)行檢測(cè)，提高了整體觀測(cè)頻譜譜寬；反轉(zhuǎn)采樣可以在寬譜寬和窄譜寬的系統(tǒng)中使用，并可與梯度控制折疊等技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)更大的譜寬.為了消除時(shí)間編碼譜經(jīng)協(xié)方差方法處理后產(chǎn)生的偽峰，本課題組設(shè)計(jì)了基于模式識(shí)別的偽峰校正算法.對(duì)三維NMR譜，本課題組[23]提出了離散解碼方法，通過(guò)提供合適的采樣速度來(lái)解決不同維度譜寬的平衡問(wèn)題.離散解碼有助于將NMR研究限定在某些選定的化學(xué)位點(diǎn)上以產(chǎn)生一個(gè)子譜，使譜圖更易解析.

2.2 不均勻磁場(chǎng)下超快速SPEN高分辨NMR波譜方法

要獲取高分辨率的NMR譜需要有高度均勻的磁場(chǎng)，但由于磁場(chǎng)本身均勻度較差或者樣品本身磁化率不均勻等原因，在許多情況下無(wú)法得到高度均勻的磁場(chǎng).SPEN采樣方法在不均勻磁場(chǎng)中也展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值.Frydman課題組[24]利用SPEN NMR的特點(diǎn)，結(jié)合外加磁場(chǎng)梯度和頻率選擇性脈沖獲得了不均勻磁場(chǎng)下高分辨NMR譜.這種方法最大的缺點(diǎn)是需要提前繪制不均勻磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)的不均勻性復(fù)雜時(shí)難以找到補(bǔ)償方法.

SPEN譜的間接維信息經(jīng)過(guò)編碼后可直接由磁場(chǎng)梯度讀出，因而編碼方向的一階磁場(chǎng)不均勻只是移動(dòng)回波位置，并不引起譜線增寬.在此基礎(chǔ)上，間接維做自旋回波演化，再經(jīng)過(guò)譜圖變換，可在不均勻磁場(chǎng)下獲得高分辨的COSY，但這種方法對(duì)磁場(chǎng)不均勻的抵抗能力僅停留在編碼方向的一階磁場(chǎng)不均勻，且間接維自旋回波演化引入了更多的橫向弛豫衰減，降低了靈敏度.本課題組[25]提出了非對(duì)稱編解碼方法，避免了自旋回波演化，提高了序列的靈敏度；同時(shí)，借助3軸同時(shí)施行編解碼的方式，將超快速方法對(duì)磁場(chǎng)的抵抗能力拓展為3個(gè)正交方向的一階磁場(chǎng)不均勻.本課題組[11]提出的UFSECSY和UFSETOCSY方法也能在線性不均勻磁場(chǎng)下單掃描獲得高分辨自旋回波相關(guān)譜(spin-echo correlated spectroscopy,SECSY)和自旋回波TOCSY(spin-echo TOCSY,SETOCSY).該方法在采樣期前將不同空間位置上不均勻磁場(chǎng)的影響通過(guò)自旋回波的方式消除，而在采樣期將線性不均勻磁場(chǎng)導(dǎo)致的回波位置線性傾斜通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理進(jìn)行校正.因?yàn)樵摲椒ǖ拈g接維為化學(xué)位移差信息，且關(guān)于零頻中心對(duì)稱，所以通過(guò)只采樣間接維譜寬的一半可降低SPEN的譜寬要求，同時(shí)可以提高譜間接維的分辨率，得到半自旋回波相關(guān)譜(half-SECSY)和半自旋回波全相關(guān)譜(half-SETOCSY)的譜圖，這些譜圖通過(guò)數(shù)據(jù)重建可以轉(zhuǎn)換為常規(guī)的COSY和TOCSY圖.圖4給出了不均勻磁場(chǎng)下采用該方法獲得的γ-氨基丁酸和谷氨酰胺混合物的COSY，采樣時(shí)間120 ms.作為對(duì)比，圖4也給出了均勻磁場(chǎng)下和同一個(gè)不均勻磁場(chǎng)下該混合物的常規(guī)COSY，每個(gè)譜的采樣時(shí)間是27 min.可以看出，SPEN方法不僅極大地縮短了采樣時(shí)間，而且可以消除磁場(chǎng)不均勻的影響，得到高分辨譜圖.

(a)均勻磁場(chǎng)下常規(guī)COSY譜；(b)不均勻磁場(chǎng)下常規(guī)COSY譜；(c)不均勻磁場(chǎng)下SPEN half-SECSY重建的COSY譜.

如何實(shí)現(xiàn)任意不均勻磁場(chǎng)下超快速SPEN高分辨譜是需要解決的一個(gè)問(wèn)題.Pelupessy及其合作者[26]提出了通過(guò)追蹤J偶合連接的自旋進(jìn)動(dòng)頻率差并進(jìn)行SPEN，在未知不均勻磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)高分辨二維譜的獲取，然而該譜圖的直接維為化學(xué)位移差信息，無(wú)法直接得到化學(xué)位移信息，且孤立自旋不能被檢測(cè)到.借鑒Pelupessy等獲得高分辨譜的思路，本課題組[27]提出了超快速獲得不均勻磁場(chǎng)下高分辨HSQC、HMBC和異核J分解譜的方法，不過(guò)只有異核J分解譜方法適用于任意不均勻磁場(chǎng)，HSQC和HMBC方法仍只適用于一維線性不均勻磁場(chǎng).本課題組[28]還提出了一種基于反k空間的校正方法，該方法不需要改變?cè)械拿}沖序列設(shè)計(jì)，只需要在新的數(shù)據(jù)空間即反k空間進(jìn)行相位和幅度校正，就可以改善譜圖的分辨率、信噪比及線型.反k空間校正方法適用于大部分超快速SPEN方法，不需要預(yù)先獲得場(chǎng)圖就能消除不均勻磁場(chǎng)對(duì)超快速譜的影響.

分子間多量子相干(intermolecular multiple-quantum coherence, iMQC)源于分子間的偶極相互作用，被廣泛應(yīng)用于在不均勻磁場(chǎng)下獲取高分辨譜[29].然而，iMQC方法只能在間接維獲取高分辨信息，因而要在不均勻磁場(chǎng)下獲取高分辨一維譜，需要進(jìn)行二維譜實(shí)驗(yàn)，為了獲取高分辨二維譜，需要進(jìn)行三維譜實(shí)驗(yàn)，以此類推，這導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間成數(shù)量級(jí)增長(zhǎng).將SPEN技術(shù)與iMQC技術(shù)結(jié)合可以快速獲得不均勻磁場(chǎng)下高分辨譜.本課題組提出了一種基于恒時(shí)相位調(diào)制SPEN的超快速分子間零量子相干(intermolecular zero-quantum coherence, iZQC)方法，該方法能夠單次掃描獲得二維iZQC譜.由于iZQC信號(hào)固有的對(duì)不均勻磁場(chǎng)不敏感，在演化期使用恒時(shí)相位調(diào)制，可以直接獲得不受非均勻線寬增寬影響的一維去偶質(zhì)子譜.通過(guò)在編碼期編碼iZQC信號(hào)，檢測(cè)期施加J偶合檢測(cè)模塊，建立了iZQC相干轉(zhuǎn)移結(jié)合SPEN的不均勻磁場(chǎng)下超快速高分辨二維J分解譜方法[30].與Pelupessy等[26]提出的方法相比，本課題組的方法能直接保留化學(xué)位移和J偶合裂分信息，且可檢測(cè)孤立自旋.然而，該方法獲得不均勻磁場(chǎng)下高分辨譜需要2次掃描.為此，本課題組進(jìn)一步提出了一種不均勻磁場(chǎng)中單掃描高分辨J分解譜方法(single-scan high-resolutionJ-resolved spectroscopy,SSHRJRES)[31].相對(duì)于需要2次掃描的iZQCJ分解譜方法[30]，SSHRJRES方法的采樣效率得到了提升，同時(shí)，該方法將分子間雙量子相干(intermolecular double-quantum coherence, iDQC)信號(hào)作為測(cè)量信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度更強(qiáng).由于iZQC信號(hào)靈敏度低，為改善SPEN iMQC高分辨譜的信噪比，本課題組[32]還設(shè)計(jì)了基于分子間單量子相干(intermolecular single-quantum coherence, iSQC)的SPEN脈沖序列，用于快速獲得高分辨一維NMR譜和二維COSY.以上方法均基于同核iMQC，溶劑和溶質(zhì)之間的化學(xué)位移差會(huì)影響溶劑自旋的選擇性激發(fā)，從而限制克服不均勻磁場(chǎng)獲得高分辨譜的能力[29].為此，本課題組[33]提出了一種基于異核iZQC和SPEN技術(shù)的方法，既避免了同核iMQC方法激發(fā)溶劑時(shí)對(duì)溶質(zhì)自旋的干擾，又可以省去溶劑峰信號(hào)壓制模塊，可以在未知磁場(chǎng)空間分布情況下超快速獲取同核二維J分解譜.

在三維譜方面，本課題組[34]提出了利用iMQC和SPEN在未知空間分布的磁場(chǎng)下獲取高分辨三維譜的方法，其中二維為高分辨異核相關(guān)信息，另外一維為J偶合信息.本課題組在高分辨同核二維J分解譜[30]和三維J分解相關(guān)譜[20]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了iZQC序列來(lái)快速得到高分辨同核三維JCOSY和JTOCSY，前者能同時(shí)得到高分辨COSY和J分解譜，后者能同時(shí)得到高分辨TOCSY和J分解譜[35].

2.3 不穩(wěn)定磁場(chǎng)下超快速SPEN高分辨NMR波譜方法

NMR實(shí)驗(yàn)通常要求靜磁場(chǎng)強(qiáng)度的短時(shí)穩(wěn)定性達(dá)到1×10-9量級(jí)，并且長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)磁場(chǎng)漂移.只有在這種磁場(chǎng)環(huán)境下，化學(xué)位移和J偶合信息才能得以區(qū)分，從而獲取分子結(jié)構(gòu)信息.然而，在阻抗和阻抗-超導(dǎo)混合磁體下，難以實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定的磁場(chǎng)，因而難以獲得傳統(tǒng)的高分辨NMR譜.Shapira等[36]利用SPEN在美國(guó)強(qiáng)磁場(chǎng)中心25 T Keck阻抗磁體內(nèi)獲取了一維和二維譜圖，Pelupessy等[26]基于J偶合自旋相干轉(zhuǎn)移的SPEN脈沖序列可在不均勻度1×10-3T/cm和漂移慢于2 Hz的磁場(chǎng)下獲取高分辨NMR譜，然而這些方法對(duì)于短時(shí)不穩(wěn)定磁場(chǎng)卻無(wú)能為力.本課題組提出了將iZQC信號(hào)進(jìn)行SPEN，同時(shí)使用J偶合檢測(cè)模塊進(jìn)行空間解碼的超快速方法，在不均勻不穩(wěn)定磁場(chǎng)下獲得了高分辨一維NMR譜[37].該方法不僅適用于長(zhǎng)時(shí)漂移場(chǎng)也適用于短時(shí)漂移場(chǎng).

2.4 SPEN NMR波譜方法應(yīng)用

SPEN NMR已經(jīng)在很多實(shí)驗(yàn)時(shí)間要求嚴(yán)格的研究中得以運(yùn)用，例如蛋白質(zhì)折疊[38]、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程[39-41]、生物組織成分定域譜分析[42]、實(shí)時(shí)液相色譜分離產(chǎn)物鑒定[43]等.本課題組還將結(jié)合了iMQC的SPEN技術(shù)應(yīng)用于存在場(chǎng)不均勻性的魚類及其副產(chǎn)品[44]以及酸奶、番茄醬等黏稠液體食品的成分檢測(cè)[45]，這樣檢測(cè)時(shí)不會(huì)對(duì)樣品造成侵害性損害，也無(wú)需進(jìn)行均勻磁場(chǎng)和樣品預(yù)處理，節(jié)約時(shí)間.

3 超快速SPEN MRI方法及其應(yīng)用

2005年，F(xiàn)rydman課題組[3]提出SPEN MRI方法.SPEN MRI是在EPI的基礎(chǔ)上提出的一種超快速成像方法.SPEN MRI和EPI均采用快速切換的梯度場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)采樣，因此二者的采樣時(shí)間相當(dāng).與EPI不同的是，SPEN MRI采用chirp脈沖進(jìn)行激勵(lì)，從而產(chǎn)生一個(gè)特殊的二次相位調(diào)制.該二次相位調(diào)制使得SPEN MRI具備了一系列新的特性，例如對(duì)不均勻磁場(chǎng)和化學(xué)位移偽影良好的抵抗性、靈活小視野(reduced field-of-view, rFOV)成像采樣等.根據(jù)穩(wěn)定相位近似定理，直接對(duì)SPEN MRI信號(hào)求模即可獲得MRI圖像.然而，由此得到的SPEN MRI圖像的空間分辨率低于相同情況下得到的EPI圖像，因此需要進(jìn)行超分辨率(super-resolved, SR)重建.本節(jié)將介紹SPEN MRI方法，包括SPEN圖像的SR重建、rFOV成像、不均勻磁場(chǎng)下高分辨成像、非笛卡爾采樣、三維SPEN MRI，并介紹相關(guān)典型應(yīng)用.

3.1 SPEN MRI圖像重建方法

為了提高SPEN MRI的空間分辨率，2010年Frydman課題組[7]提出了SR重建的概念.SR重建利用SPEN相鄰采樣點(diǎn)之間的冗余信息，不增加采樣點(diǎn)數(shù)即可得到與傳統(tǒng)FT方法相比擬的空間分辨率.早期SR重建采用共軛梯度法(conjugate gradient, CG)[7]，通過(guò)求解一個(gè)線性方程組來(lái)獲得SR圖像.該方法雖然能夠有效提高SPEN MRI圖像的空間分辨率，但由于系數(shù)矩陣條件數(shù)不穩(wěn)定，重建圖像易受噪聲或偽影的影響.本課題組針對(duì)SPEN采樣信號(hào)的特點(diǎn)提出了部分FT(partial FT,PFT)重建算法[46]和去卷積算法(deconvolution algorithm)[47]，這兩種算法無(wú)需求解線性方程組，不受條件數(shù)的影響，具有良好的魯棒性，而且這兩種算法無(wú)需迭代即可重建出SR圖像，大大提高了重建速度.然而，當(dāng)沿著SPEN維的采樣率不滿足奈奎斯特采樣定理時(shí)，上述方法都會(huì)在重建圖像中引入混疊偽影.為此，本課題組進(jìn)一步提出了一種結(jié)合隨機(jī)采樣、奇異值分解(singular value decomposition,SVD)和壓縮感知(compressed sensing, CS)的方法來(lái)減輕這種混疊偽影，提高圖像質(zhì)量[48].通過(guò)對(duì)SPEN MRI在欠采樣情況下的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(point spread function)的分析，本課題組發(fā)現(xiàn)，SPEN MRI在SR重建之后產(chǎn)生的每個(gè)混疊偽影都有一個(gè)與二次相位有關(guān)的額外相位.利用這個(gè)額外的相位，可以在不損失空間分辨率的情況下移除混疊偽影.此外，通過(guò)預(yù)先提取邊緣偽影的信息制作加權(quán)矩陣，結(jié)合CS重建可以有效去除邊緣偽影.本課題組將這種重建算法命名為SEED(super-resolved enhancing and edge deghosting)[49]，該算法可以恢復(fù)出理論上最優(yōu)的空間分辨率.圖5給出了采用不同MRI序列和重建方法獲得的活體鼠腦的軸向面和矢狀面實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以多掃描梯度回波序列結(jié)果(Multi-scan)為參考.從圖中可以看到，EPI圖像受不均勻磁場(chǎng)影響發(fā)生明顯畸變(如箭頭所指)，而SPEN MRI可以有效減輕不均勻磁場(chǎng)引起的畸變.從放大區(qū)域可以看到，SEED算法重建結(jié)果的分辨率優(yōu)于EPI和基于CS混合(Hybrid)重建方法[48]獲得的結(jié)果.

3.2 rFOV SPEN MRI方法

SPEN MRI中chirp脈沖的邊帶選擇特性賦予了其rFOV成像的能力[46,50].Frydman課題組[51]提出了一種rFOV成像方法，采用多維激發(fā)脈沖實(shí)現(xiàn)感興趣區(qū)域(region of interest, ROI)的選擇成像.本課題組提出沿SPEN方向進(jìn)行rFOV成像，提高了圖像的分辨率和抑制不均勻磁場(chǎng)的能力[46].然而，當(dāng)成像視野變小時(shí)，所用的編碼和解碼梯度變大，這將導(dǎo)致高噪聲和低信噪比.此外，該方法一次激發(fā)只能對(duì)單一的ROI進(jìn)行rFOV成像.因而，本課題組進(jìn)一步提出了一種靈活的rFOV成像方法[52]，與上述固定的rFOV成像方法相比，該方法不僅可以獲得更好的成像效果，而且單次激發(fā)即能獲取視野內(nèi)多個(gè)分立ROI的rFOV圖像，可應(yīng)用于一些磁化非均勻性較強(qiáng)的組織和器官的成像，亦可應(yīng)用于分立器官和肢體的成像，提高成像效率.將該方法的90° chirp脈沖換為幅值調(diào)制的chirp脈沖，可選擇激發(fā)ROI內(nèi)的核自旋，從而獲得重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的rFOV圖像，不僅繼承原方法的優(yōu)點(diǎn)，而且可以減小特異吸收率(specific absorption rate, SAR)[53].

3.3 不均勻磁場(chǎng)下SPEN MRI方法

最近，Zhang等[58]提出了利用交叉SPEN(cross-term SPEN,xSPEN)的單掃描超快速方法，該方法可以單次掃描獲取抗拒不均勻磁場(chǎng)影響的無(wú)扭曲和偽影的圖像.xSPEN技術(shù)不同于以往為了獲取某一個(gè)維度的圖像，通過(guò)在該維度使用梯度讀出k空間或者位置空間信息，而是在編碼期通過(guò)添加一個(gè)輔助維與成像維組成xSPEN，在采樣期僅僅在輔助維的作用下獲取成像維的信息.

3.4 非笛卡爾采樣SPEN MRI方法

常規(guī)的SPEN MRI都在笛卡爾采樣下進(jìn)行.由于欠采樣和快速梯度切換，SPEN MRI圖像容易受到混疊偽影的影響[48].與笛卡爾采樣相比，非笛卡爾采樣能夠有效抵抗混疊偽影，而且采樣效率高，對(duì)硬件要求低[59].Frydman課題組[54]證實(shí)了SPEN MRI非笛卡爾采樣的可行性.他們采用一個(gè)90°硬脈沖結(jié)合兩個(gè)180° chirp脈沖對(duì)自旋信號(hào)進(jìn)行編碼，在采樣階段采用等密度螺旋采樣對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼.然而，由于沒(méi)有進(jìn)行SR重建，其圖像空間分辨率很低.Layton等[60]證實(shí)了增加ROI的采樣密度可以提高圖像的空間分辨率.STEREO(steering resonance over the object)[61]采用多維SPEN策略，在激勵(lì)階段激發(fā)一個(gè)螺旋的區(qū)域，在采樣階段采用相同的螺旋軌跡對(duì)信號(hào)進(jìn)行重聚.由于每一個(gè)采樣信號(hào)都是全重聚的，因此該方法對(duì)不均勻磁場(chǎng)具有非常好的抵抗性.Wang等[62]證實(shí)非線性相位編碼結(jié)合非笛卡爾采樣可以增強(qiáng)圖像的質(zhì)量.本課題組提出了非笛卡爾變密度采樣策略，其解碼梯度通過(guò)最優(yōu)化算法自動(dòng)生成[63].通過(guò)調(diào)整采樣軌跡，使采樣點(diǎn)集中在ROI中，由此獲得具有更高空間分辨率和信噪比的圖像.相應(yīng)地，本課題組建立了有效的SR重建算法，提高了非笛卡爾采樣下SPEN MRI的圖像質(zhì)量.

3.5 三維SPEN MRI方法

單掃描SPEN MRI既具有EPI良好的時(shí)間分辨率，又可以有效抑制由于磁場(chǎng)不均勻及化學(xué)位移偽影造成的圖像畸變.然而，SPEN方法使用的chirp脈沖SAR較大，進(jìn)行單層掃描沒(méi)有太大影響，但是對(duì)多層成像，過(guò)大的SAR將限制其臨床應(yīng)用[55,64].為了減少SAR，F(xiàn)rydman課題組[55]提出了一種多層SPEN MRI方法.該方法通過(guò)一個(gè)90°硬脈沖結(jié)合一個(gè)180° chirp脈沖實(shí)現(xiàn)全局激發(fā)、整體SPEN，然后將編碼信息存儲(chǔ)，最后分層解碼采樣.因?yàn)檎麄€(gè)序列僅使用一個(gè)180° chirp脈沖，有效降低了SAR.然而這種掃描方式帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題，即由于縱向弛豫效應(yīng)導(dǎo)致的SPEN信號(hào)衰減.信號(hào)的衰減隨著成像層數(shù)的增加越來(lái)越嚴(yán)重，這限制了該方法的掃描層數(shù).為了同時(shí)解決傳統(tǒng)SPEN多次掃描帶來(lái)的高SAR問(wèn)題，以及上述多層MRI方法的信號(hào)衰減問(wèn)題，本課題組提出了分段SPEN(segmented SPEN, SeSPEN)多層MRI方法[65].該方法通過(guò)分段激發(fā)、分段編碼的方式，有效降低了SAR，緩解了由縱向弛豫效應(yīng)造成的信號(hào)衰減.SeSPEN MRI可以通過(guò)成像系統(tǒng)的“array”功能排列每一段的頻率偏置，從而選擇不同段的位置以及設(shè)置不同段的激發(fā)順序.與此同時(shí)，還可以根據(jù)實(shí)際情況，靈活設(shè)置每一段的厚度以及段內(nèi)的成像層數(shù).在此基礎(chǔ)上，本課題組提出了多回波同時(shí)重聚SeSPEN(multi-echo SeSPEN,ME-SeSPEN)多層MRI方法[66].ME-SeSPEN方法利用兩個(gè)90°層選射頻脈沖激勵(lì)多個(gè)不同層的信號(hào)，該信號(hào)由不同的散相梯度調(diào)制，在同一讀出梯度的不同時(shí)刻重聚.當(dāng)采集相同層數(shù)時(shí)，ME-SeSPEN比SeSPEN需要進(jìn)行梯度切換的次數(shù)少，因此掃描時(shí)間縮短；此外還將螺旋采樣引入SeSPEN MRI，并針對(duì)該采樣方法建立了去卷積SR重建算法.螺旋采樣在采樣階段使用連續(xù)振蕩的梯度，與笛卡爾采樣方法相比，梯度切換的難度降低，圖像信噪比更高，渦流效應(yīng)對(duì)圖像的影響減弱.

3.6 SPEN MRI方法應(yīng)用

超快速M(fèi)RI方法在一些需要高時(shí)間分辨率的應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用，例如功能MRI、自由呼吸成像和擴(kuò)散張量成像.SPEN MRI由于其超快速和良好的抗磁場(chǎng)不均勻性能，自提出以來(lái)，已經(jīng)在許多方面得到應(yīng)用，例如小鼠胎盤發(fā)育研究[67]、人體乳腺[68]以及妊娠小鼠發(fā)育[69]的擴(kuò)散成像、橫向弛豫時(shí)間T2定量成像[70]、水脂分離和譜成像[71-75]、化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移(chemical exchange saturation transfer, CEST)成像[76-77]、功能MRI[78-79]等.本課題組在水脂分離成像和CEST成像[77]方面開(kāi)展了相關(guān)應(yīng)用研究.

MRI通常檢測(cè)的是氫質(zhì)子所產(chǎn)生的信號(hào)，而許多分子內(nèi)都含有氫質(zhì)子，如水和脂肪.大部分情況下，人們感興趣的是來(lái)自水中氫質(zhì)子所產(chǎn)生的信號(hào)，但是由于脂肪的縱向弛豫時(shí)間較短，它在許多成像結(jié)果中顯示為高信號(hào).強(qiáng)脂肪信號(hào)的存在會(huì)影響醫(yī)生對(duì)水信號(hào)的判斷，從而影響臨床診斷，因而有必要對(duì)水、脂信號(hào)進(jìn)行分離.已有的水脂分離技術(shù)大多是基于多掃描成像序列，采樣時(shí)間比較長(zhǎng)，不利于臨床應(yīng)用.本課題組將SPEN MRI應(yīng)用于水脂分離成像，并提出一種結(jié)合了化學(xué)位移先驗(yàn)信息的水脂分離SR重建方法來(lái)得到高質(zhì)量的水脂分離圖像[74].本課題組還針對(duì)基于SPEN MRI的單回波水脂分離技術(shù)提出一種新的求解算法，有效提高圖像的清晰度、信噪比及對(duì)比度噪聲比，并使水脂分離的結(jié)果更加可靠[75].

CEST能夠用于定量表征代謝物質(zhì)子和水質(zhì)子之間的化學(xué)交換，已經(jīng)成功應(yīng)用于許多MRI中，如體內(nèi)成像、標(biāo)記細(xì)胞成像和代謝物水平測(cè)定.然而，CEST MRI需要采集多個(gè)不同飽和頻率點(diǎn)下的飽和圖像以繪制出Z譜，從而計(jì)算出CEST對(duì)比圖像，因此CEST成像采樣時(shí)間長(zhǎng)，限制了其活體應(yīng)用.本課題組探索了基于單掃描SPEN MRI的快速CEST成像，并成功應(yīng)用于腫瘤鼠腦NOE成像[76].本課題組還將SeSPEN MRI應(yīng)用于CEST成像，實(shí)現(xiàn)了單掃描多層CEST成像，極大縮短了采樣時(shí)間[77].

4 總結(jié)與展望

NMR波譜和成像技術(shù)在化學(xué)、材料、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值.提高采樣效率、縮短采樣時(shí)間一直是NMR發(fā)展的重要挑戰(zhàn).SPEN技術(shù)不僅可用于快速獲取NMR譜信息，也可用于快速獲取MRI信息，甚至譜成像信息.近年來(lái)SPEN技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，為NMR更廣泛的應(yīng)用提供了更多更強(qiáng)的技術(shù)保障.SPEN技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)越性，也有其局限性.對(duì)SPEN NMR而言，其超快速采樣是以犧牲信噪比為代價(jià)的，因此必須在加速采樣與信噪比之間進(jìn)行權(quán)衡.對(duì)于低濃度樣品，SPEN NMR需要借助超極化等技術(shù)增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度[17,80]；對(duì)SPEN MRI而言，其抗不均勻磁場(chǎng)和化學(xué)位移偽影能力與信噪比是矛盾的，因此SPEN MRI的應(yīng)用需要在不均勻磁場(chǎng)和化學(xué)位移偽影抵抗性與圖像質(zhì)量之間做一個(gè)較好的權(quán)衡.對(duì)于腹部等具有較低信噪比的成像區(qū)域，SPEN MRI的應(yīng)用仍然面臨極大的挑戰(zhàn).隨著超極化、并行成像等信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)和深度學(xué)習(xí)等譜圖和圖像后處理技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，相信SPEN低信噪比問(wèn)題將有望得到克服，SPEN技術(shù)必將在其優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域發(fā)揮作用.