核磁共振（NMR）的原理及应用：从化合物结构分析到医学影像

孟想成真

大部分学习核磁共振的小伙伴通常选择从磁化矢量模型入手，原因是磁化矢量模型较为直观。
基于电磁感应效应，我们可以较好地理解磁信号如何诱导从而产生电流信号（自由感应衰减），基于伟大的傅里叶变换，得到波谱信号。波谱信号由相对拉莫尔频率（化学位移）、偶合裂分和积分面积组成，常用于有机化合物分子结构验证。那么为什么波谱信号可以用于化合物结构分析？这应该得从磁共振原理出发，磁共振中的“核”指的是原子核，我们都知道分子是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子组成的。磁共振中所观测的对象就是原子中的原子核，对于自旋量子数I不为零的原子核，为磁性核，可诱导出信号的；自然对于自旋量子数为零的核，我们就观察不到磁共振信号。回到问题本身，我们所检测到的核通常指的是氢（1H）核或者碳核（13C），因为碳、氢元素是组成大部分化合物的基础，并且碰巧也是可以观测到磁共振信号。在一个化合物中，有很多个氢原子核和碳原子核，而不同位置的原子核，尽管它们的元素是一样的，但化学环境不一样，这就造成了它们相对应的拉莫尔进动频率不一样，在波谱图中相对拉莫尔频率信息（化学位移）自然也就不一样，这个拉莫尔频率是波谱图中最重要的信息之一。除此之外，每个磁性核本身存在相会作用，有直接相互作用，我们一般称之为偶极-偶极耦合；有间接相互作用，一般称之标量耦合。由标量耦合造成的谱线裂分是波谱图第二个重要的信息，我们可以基于其相互作用的大小找到每个磁性核的相关性，也就可以确定其相互位置的大小和旁边磁性核数目，就好像基于此我们可以把一个个原子串起来。标量耦合是无方向的，而偶极-偶极耦合是有方向的，对于液体中的分子，方向各异，偶极-偶极耦合总效果是零，我们通常在谱图中看观测不到的，而对于固态核磁，我们通常使样品快速旋转（魔角旋转），抵消其效果就是这个道理。第三个信息是积分面积，与磁性原子核摩尔数或摩尔浓度成正比，这对于分子定量是至关重要的。如果没有内标物，即加入已知绝对重量的分子，我们通常只知道样品目标分子的相对含量，相反，根据公式换算，我们就知道目标分子的绝对含量。补充一句，除积分面积，在活体波谱定量中，各化合物信噪比通常也可以作为定量依据。
除了化学工作者，我相信大部分人对波谱信号还是较为陌生的，而磁共振成像技术更广为人知，毕竟作为医学影像的组成部分，与我们的健康生活息息相关。磁共振成像和磁共振波谱的原理是一样的，信息采集和数据处理应该是不一样的。如果能够理解磁共振波谱，我相信磁共振成像的原理理解起来更加简单。在磁共振成像中我们同样观测的磁性原子核，且仅限于水和脂肪中的氢质子；而磁共振波谱观测的是含C、H、N和P等有机化合物，存在多自旋耦合体系；对于磁共振成像中的水分子的氢质子，为单自旋体系，不存在自旋标量耦合演化，传统的磁化矢量模型已然够用了。磁共振成像属医院中的放射科，常用于疾病诊断和医学研究。脉冲序列则是磁共振成像技术的核心，基于不同目的和要求，脉冲序列是层出不穷，数不胜数。例如，在磁共振波谱中的自由感言衰减信号很少直接用来成像，原因是该信号衰减迅速，技术人员很难对其进行编辑，从而出现了自旋回波序列，我们可以对由于横向弛豫导致的衰减信号进行重聚，使得磁共振信号可以存在更长的时间，并不是转瞬即逝，由此我们就可以对信号进行编辑（也可以说是自旋控制），衍生出非常多的脉冲序列。需要主要的是，不像CT，是单参数成像，组织密度就决定了信号强度；磁共振成像是一种多参数成像技术，信号强度取决于脉冲序列所依赖的哪种权重成像，比如T1弛豫（T1W）、T2弛豫（T2W）还是质子密度权重（PDW）成像，这里权重的意思是指哪种成像因素占比较高的意思。由此可见，磁共振成像影像解析较CT片解析复杂，对实验员专业背景有着较高的要求。
目前为止，我们介绍了磁共振波谱和磁共振成像技术，我们大致可以看出，磁共振波谱主要是分析化合物分子结构，往大的说，可以涉及到材料、食品、药学和生物等领域，而磁共振成像貌似更偏向于或者主要应用于医学，用于疾病诊断和健康检查。如果非科班出身，不知道屏幕前的你有没有想过磁共振波谱是否也可以应用到人体，在分子水平上或从分子这个角度上来诊断疾病，与磁共振影像相互验证，告诉医生该病人是否患有癌症，再往细致一点说，就是手术到底值不值得做，切不切？别到时好的器官切了，下半辈子只能日复一日靠药养着，或者本该切到没切，贻误病情，这两者都是我们不想看到的。化合物波谱分析中最常见的谱图是氢谱、碳谱和一些二维谱图，而应用到活体上拍出来的波谱我们一般不说氢谱，而是活体波谱，或者MRS谱。活体波谱的分辨率不如化学分析中的常规氢谱，这主要与医用磁共振成像仪中的外磁场强度有关，从而容易造成谱线信号重叠。众所周知，谷氨酸（Glu）、谷氨酰胺（Gln）、γ-氨基丁酸（GABA）和还原型谷胱甘肽（GSH）等小分子化合物在人体代谢或信息传递过程发挥举足轻重的作用，结合MRS波谱，MRI影像技术可更准确、有效帮助医生进行疾病诊断与分析。需要主要得是，不像高分辨氢谱，医用磁共振仪器外磁场强度一般在1.5T，3.0T和7.0T，这不得不让我们考虑代谢物信号重叠问题，即前面所提及的相对拉莫尔频率差异性太小。这就衍生后来的谱编辑技术、多量子滤波技术等，原理可能不一样，但目的是一样的，即目标分子信号清楚可辨，在谱图上，可与其他信号分离。
到这，宏观磁化矢量模型可能就不够了，因为我们还需要考虑自旋偶合的演化，这就需要我们学习乘积算符和密度矩阵相关内容。如果动脑筋好好想想，应该也是没有任何问题的。磁共振研究对象一直是原子核，而原子核已经属于微观世界范畴了，这就已经决定了我们需要借助量子力学这个工具来处理，才可以让我们真正地理解磁共振技术，从而更好地开发磁共振方法，造福人类（貌似扯大了）。听到量子力学，不必惊慌，幸运的是我们不需要进行大量推导和证明，我们只需知道其运算规则（线性代数），然后将积算符（不同状态）与信号（谱线）联系起来，基于脉冲作用，化学位移和标量耦合演化，使得目标核与重叠信号核状态不一样，从而在代谢物信号重叠严重的谱图上可以分辨出目标物信号。谱编辑中较为常见的是MEGA-PRESS，也称差谱法，主要是自旋回波序列和定位序列的结合体，基于标量耦合，可以很好的区分多自旋耦合体系和单自旋核。不过需要连续采集两张谱图，然后做差，重复性倘若不好，比如被试者运动或者场漂移严重，容易造成伪影，实验结果不及预期。多量子滤波最常见的应该是基于双量子滤波和零量子滤波实验（单重态应该也属于零量子滤波），基于不同量子状态对于梯度场或其他实验条件的影响不一，我们可以在谱图上选择性地滤出我们想要看到地信号，专属性好。唯一不足的是效率大为降低，我们所需要量子态仅占一小部分，大部分信号都损失了。活体波谱谱峰重叠、体内代谢物含量较低和生化反应复杂导致的机理复杂很可能就是导致活体波谱停滞不前的主要原因吧！
以上从个人知识背景下简单介绍了磁共振波谱、磁共振成像和活体波谱和一些解决谱峰重叠的谱编辑技术，纯粹为了磁共振学习者的一种学习交流，个人专业知识有限，不当之处，望批评指正，谢谢大家。