磁共振頻譜

傳統核磁共振頻譜(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMRS)雖提供高 頻譜解析度及高訊號之頻譜，但此項檢查為侵入式破壞性檢查，而磁共振頻譜 (Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS)提供非侵入式且可定位之能力，雖然頻譜 解析度與訊號較 NMRS 低，依然在臨床研究上具重要地位，因為 MRS 提供我們 一個非侵入式探取方代謝物組成及含量的方法，得以長期觀測活體代謝物的變化，

藉此評估生理變化、病理進程及治療效果。

化學位移(Chemical shift)是指 spin 受到分子鍵結的電子雲影響，使旋進頻率有 所改變。旋進頻率與spin 所感受到的磁場成正比，而分子鍵結的電子雲，會對 spin 共振頻譜(Multi-Voxel MRS，MV-MRS)，其中 MV-MRS 亦即所謂的 CSI。

在進行MRS 實驗前，勻場(Shimming)的工作是必須且重要的，由於代謝物的 訊號將近水的一萬分之一倍，所以實驗環境對於訊號的影響會更為明顯且劇烈，

而局部磁場不均勻(Local field inhomogeneity)會使得欲觀察 VOI 內的 spin 感受到不 同大小的磁場，進而讓在同一個VOI 內的 spin 各自累積不同的相位而造成 dephase，

使訊號衰減速度比原本的T2 衰減更快，考慮進場不均勻的衰減稱為 T2*衰減(T2*

decay)。為了降低 T2*衰減造成的訊號散失，必須外加一個穩定的磁場，藉以補償

原本不均勻的磁場，使VOI 內的每一個 spin 都感受到相同的磁場大小。而此勻場 效果亦會影響訊號在頻譜上峰形(peak)的半高全寬(Full Width at Half Maximum，

FWHM)，勻場效果越好，peak 的半高全寬就會越窄，T2*衰減速度越慢，半高全 多脈衝序列，本論文採用單點解析頻譜(Point RESolved Spectroscopy，PRESS)。其 中，我們假設MRI 的主磁場之空間分布均勻，射頻脈衝之磁場均勻，梯度磁場具

抑制VOI 以外之訊號則是利用體積外抑制(Outer Volume Suppression，OVS)，抑制 水訊號之方法有化學位移選擇性水抑制(CHEmical Shift Selective water suppression，

CHESS) 以及從 CHESS 改進的多變脈衝能量最佳化遲豫延遲(VAriable pulse Power and Optimized Relaxation delays，VAPOR)。

OVS 是開啟低度磁場激發特定中心頻率及頻寬，亦即激發欲抑制訊號的位置，

接著開啟梯度磁場使其磁向量dephase，進一步使被抑制的地方在激發時無法產生 訊號，一般 OVS 會用六個截面去圍立方體形的 VOI，目前的一般常用之 OVS 所 需要花費的時間大約為50 ms。

CHESS 是利用水在頻譜上所佔有的中心頻率及頻寬，針對特定頻帶以九十度 脈衝激發，接著開啟梯度磁場使其磁向量dephase，使水在被激發時無法產生訊號，

如此一來即可抑制水訊號之產生又可以使其他代謝物仍然能產生訊號，一般 CHESS 為重複上述流程三次來達成有效的抑制水訊號，亦即使用三組脈衝(圖 2-10)，目前常用的 CHESS 之頻寬為 150 Hz，所需時間大約為 35 ms。

圖 2-10 CHESS 波序圖與其原理，a 為 CHESS 波序圖，b.是理想的頻帶選擇，頻 寬150Hz，c.由左至右為激發前、脈衝激發後及以梯度磁場使水訊號 dephase

CHESS 的一般做法為重複三次循環，而每次 CHESS 抑制後的水，由於 T1 回 復使得遲豫性（Relaxivity）會改變，進而使訊號抑制不完全，而由於水與代謝物 的訊號相差一萬倍，抑制稍有不完全很容易造成殘餘水訊號，使代謝物訊號被水 訊號所覆蓋，故VAPOR 將 CHESS 再加入不同能量之脈衝，利用其 T1 回復的特 性增加其抑制效率。

在過去發展VAPOR 的文獻中[5]，從圖 2-10 可以看出在不同的脈衝大小下，

最後均達到非常好的水訊號抑制，故CHESS 與 VAPOR 兩者之抑制效率及均勻度 以VAPOR 較佳，但是所需之時間(影響到最小 TR 長度)較 CHESS 長兩到三倍以上。

在本實驗中加入一百八十度脈衝，將淨磁向量翻轉到與主磁場之反方向，利用其 在T1 recovery 過程中，回復到該方向之向量為零的時間點做激發，而不同於 CHESS，

VAPOR 交叉使用四組九十度脈衝級三組一百八十度脈衝，並且以一百八十度脈衝 為最後一組。

圖 2-11 VAPOR 波序圖，利用不同能量大小之脈衝與與遲豫時間延遲，降低水抑 制對於激發場不均勻性的敏感度，圖中共使用七組脈衝，每一個脈衝之後均有開

啟梯度磁場以dephase 水訊號[5]

在VAOPR 的參數中，最後一組一百八十度脈衝距離激發脈衝的延遲時間(time delay)是影響抑制效率的一個關鍵參數，由於 VAPOR 是利用 T1 反轉回復來提升抑 制效率，所以最後一個time delay 的設定與預估之欲抑制水訊號的 T1 大小有關，

故此參數在使用VAPOR 前必需校正至最佳化。

目前VAPOR 常用之脈衝頻寬為 150 Hz，所需時間大約為 650 ms，由此可以 發現VAPOR 比 CHESS 所需的時間長約 18 倍，更甚耗時，因此在縮短 TR 時會受 到其時間所限制，但是實際上代謝物的訊號都很小，會藉由拉長TR 來達到足夠的 T1 回復，在 4.7T 的主磁場下會大約將 TR 拉長至 2500 ms，所以目前常用的水抑 制因為TR 的拉長而有足夠的空餘時間，還是會採用 VAPOR 來達到最佳的抑制效 果。

PRESS 為針對特定 voxel 之區域激發以收取頻譜的訊號，所以在激發時利用 voxel selection 的方法進行空間選擇，因此不需要額外的空間編碼。PRESS 激發時 採用三個連續之脈衝(九十度-一百八十度-一百八十度)，激發的同時會開啟梯度磁 場做為截面選擇，利用三個互相垂直之截面(圖 2-11)，只有截面間中央交集的 voxel 最後會被聚焦，其餘沒有被聚焦的區域，會因為開啟梯度磁場的關係而 dephase，

因此而不產生訊號。

圖 2-12 PRESS 波序圖，利用脈衝與梯度磁場產生之頻率選擇切面，以三個切面共 同交集選擇欲觀察之voxel[6]

在收訊過程中，經激發特定voxel 後，會在 spin 聚焦時收取訊號，此時將不會 開啟任何梯度磁場，藉以收取化學位移在頻譜的資訊，收取完訊號必須將收取之 FID 作後處理，將 FID 做離散時間傅立葉轉換(Discrete-time Fourier transform)為頻 譜，此時的頻譜由於梯度磁場開關不完美所造成的渦電流(Eddy current)，會使訊號 累積額外的相位讓頻譜扭曲，故須針對此做相位校正(Phase correction)，此外頻譜 亦會受到殘存水訊號的因素，故需要針對此做基線校正(Baseline correction)，將水 訊號造成的增益降低。

在本論文中欲透過頻譜觀察之代謝物包含NAA、Cr、Cho、Lac、Gly(圖 2-13)。

而一般在化學位移的頻譜上，坐標軸會以百萬分之一(ppm)為橫軸，藉以表示化學 位移的相對位置。其坐標軸ppm 的計算方法為

δ (2.6) δ是化學位移，ω 是 spin 本身的旋進頻率， 是 標 準 化 分 子 四 甲 基 矽 烷 (TetraMethylSilane，TMS)的旋進頻率， 是主磁場的共振頻率。TMS 是目前 NMR 通用的共振頻率校正標準樣品，其中校正的核種包含 、 、 ，而 TMS 在 三個核種的頻譜上，均呈現單一的peak，TMS 上的 均不會互相干擾，並且可以 忽略鍵結上電子雲的遮蔽效應，因此TMS 的化學位移會被當作零點，而純水的化 學位移是位於4.7 ppm，本文的代謝物化學位移，均以 TMS 為 0 ppm，並將水設定 在4.7 ppm。

圖 2-13 活體大鼠鼠腦之頻譜[5]

本論文所觀察之五種代謝物分別代表不同的生理意義，NAA 在頻譜上位置為 2.02ppm ， 由 粒 線 體 (Mitochondria) 製 造 並 被 運 輸 至 神 經 元 之 細 胞 質 (Neuronal cytoplasm) 內，為代表神經元密度(Neuronal density)及神經元存活率(Neuronal viability)；Cr 在 MRS 頻譜 3.05ppm 位置的訊號包含肌酐酸以及磷酸肌酐酸 (PhosphoCreatine，PCr)，PCr 轉換成 Cr 時會將磷酸根提供給雙磷酸腺苷(Adenosine DiPhosphate，ADP)轉換為三磷酸腺苷(Adenosine TriPhosphate，ATP)，故被認為是 能量代謝的指標；Cho 在頻譜上位置為 3.22ppm，Cho 的訊號來源主要為 Cho 及磷 酸膽鹼(PhosphoCholine，PCho)，亦即細胞膜之前驅物，故為細胞膜之密度與完整 度的指標；Lac 在頻譜上位置為 1.33 ppm，當細胞進行無氧呼吸時便會產生 Lac，

因此Lac 被認為是有氧或無氧呼吸的指標，而 Lac 有 J-modulation 影響其訊號，為 觀察到Lac 所以在 TE 選擇上會選擇 J-modulation(7 Hz in Lac)產生 echo 之時間點 136 ms；Gly 在頻譜上位置為 3.5ppm，是一種抑制性神經傳導物質(inhibitory neurotransmitter)，在 C6 腫瘤後期會出現，但在腫瘤生長機制所扮演的角色未明。

[5][7][8]