用魔角技術實現高解析度磁共振分析的方法

2023-11-10 00:34:47 2

專利名稱：用魔角技術實現高解析度磁共振分析的方法
技術領域：
本公告涉及到對磁共振(MR)的分析，具體而言涉及到生物體(biological objects)的磁共振光譜(MRS)及成像(MRI)。
背景技術：
某些選擇的原子核組展現出磁共振現象，這是由於在這些原子核(被稱為「磁旋(gyromagnetic)」核)中存在核磁場的運動而產生的。將磁旋核放入均衡穩定的強磁場(即所謂的「外部場」，在此稱為「靜態」磁場)中時，它將產生自然頻率為拉莫爾(Larmor)頻率的進動。拉莫爾頻率是每個核類型的特性，它取決於在原子核所處的位置上施加的場強。典型的磁旋核包括1H(質子)、13C、19F與31P。施加頻率為拉莫爾頻率(或附近)的強RF脈衝能夠產生橫向的磁化作用，通過對橫向磁化強度進行監測，可以觀測原子核的進動頻率(precessionfrequency)。在實際工作中，常常用傅立葉變換將測量信號變換為頻譜。
更具體地，如果將大量含有活躍核磁共振(NMR)的樣本置於磁場中，按照波爾茲曼(Boltzmann)統計結果，通過核自旋將這些原子核劃分為不同的核磁能級。這就在總體上導致了各能級和淨核磁效應(netnuclear magnetization)間的失衡，。NMR技術就是將這種淨核磁效應作為研究物體。
在處於平衡狀態時，淨核磁效應是靜態的，其方向與外部磁場的方向平行。可以在與第一個磁場垂直的方向上施加第二個磁場，該磁場以拉莫爾頻率(或接近的頻率)旋轉，則可以使淨核磁效應發生相干運動。在常規場強中，由於拉莫爾頻率的頻率範圍分布在兆赫的級別，這個第二個場被稱為「射頻」或RF場。
特別地，如果向處於靜態磁場中的樣本施加短(毫秒)射頻輻射脈衝時，這個脈衝等效於一定頻率範圍內的輻射。測得的RF脈衝響應的自由感應衰減(FID)為時間的函數。樣本對脈衝的響應取決於樣本在所施加的頻率範圍內(例如500MHz±2500Hz)對RF能量的吸收程度。為了提高信噪比，往往要將脈衝施加很多次，並對結果進行平均。
將RF場周圍的核磁效應的相干運動稱為章動(nutation)。為了方便地處理這種章動，使用了一種以拉莫爾頻率圍繞z-軸旋轉的參考幀。在這個RF場(在固定的「實驗室」內旋轉)內的「旋轉幀」部分中，參考幀的方向與磁效應方向相同，而且是靜態的。因此，RF場的效果是使核磁效應相對於靜態的主場方向以一個角度進行旋轉。按照慣例，使核磁效應旋轉角度為90°或π/2弧度的具有足夠長度的RF場脈衝被稱為「π/2脈衝」如果施加一個頻率在核共振頻率附近的π/2脈衝，它將使旋轉磁效應從沿靜態主磁場方向的初始方向向與靜態主場方向垂直的平面內旋轉。與主磁場方向垂直的淨磁效應成分相對於主磁場以拉莫爾頻率進動。這個進動可以用接收線圈進行檢測，接收線圈的諧振頻率為進動頻率，被放在能夠使勁動磁場在線圈上產生感應電壓的位置。通常，「傳導線圈」的作用是產生樣本的RF場，而「接收線圈」的作用是檢測磁效應，二者為同一個線圈。
在沒有施加RF場的情況下，除了頻率為拉莫爾頻率的進動，仍然會產生具有兩種張馳過程的核磁效應(1)不同核旋轉的進動，使淨核磁效應產生各自的相差，因此，在橫斷面上的磁效應失去相位相干性(被稱為「旋轉-旋轉」張馳)，相關的張馳時間為T2；(2)每個核旋轉返回各自的核磁能級平衡群體中(被稱為「旋轉-柵格」張馳)，相關的張馳時間為T1。旋轉-旋轉張馳是由於存在微小局部磁場而引起的，該磁場是由環繞在特定原子核周圍的電子、磁核與其它磁偶極子產生的。這些磁場使得每個核的諧振頻率略微變化，這將使NMR諧振線變寬。通常，這種加寬是由兩類局部場引起的靜態成分，將引起所謂的不均勻加寬；以及由於分子運動及磁核間的互感而產生的時變的波動局部場。後一種現象產生了所謂的不均勻加寬。
在生物學研究及醫學領域內(包括在試管內(in vitro)研究細胞和組織，以及在試管內對動物和人類進行的測量)，磁共振圖像與磁共振波譜得到廣泛應用。這兩種方法都不具有侵害性和破壞性，並用於多種場合，包括傷口與疾病的檢測及診斷，並用來評估治療的結果。一種特別有用的MRS技術是1H核磁共振(NMR)譜。1H NMR譜被廣泛用於對患病細胞及組織中新陳代謝變化以及治療效果的研究。通過對與幾個關鍵合成易變指標對應的共振線進行觀測，它們的譜強度與腫瘤的顯型、發生、腫瘤尺寸、細胞的增殖、細胞的死亡與壞死有關。
然而，在這些應用中存在一個嚴重問題，即使用常規的MRI及MRS中觀測到的MR共振線相對而言寬度過大。這就降低了MRI及MRS的靈敏度，對於MRS而言，將引起多個譜線的交迭，這將嚴重妨礙對譜的分析。已經知道，在生物材料內，線的寬度主要是由非均勻的加寬引起的。在完整的細胞核組織內，使線產生非均勻加寬的機制可能包括剩餘的化學變化各向異性互感作用，以及在細胞與組織中存在的不同間隔邊界的大量的磁化係數的變化引起的磁場梯度。本領域內的技術人員確信，大量磁化係數的變化是產生加寬的主要機制。可以使用細胞提取物來消除這種加寬，但是這個過程無法用於活體，耗時而且可能引入譜分析的人工效應。
眾所周知，可以通過魔角旋轉(MAS)來消除磁化係數加寬以及其它非均勻加寬的機制，此時，樣本沿著與靜態磁場的方向成54°44』(或cos-1(3-1/2))角度的軸進行旋轉。MAS存在一個問題，相對加寬的寬度而言，如果旋轉速率的值較小，諧振峰將被分解成用旋轉速率分隔的旋轉邊帶(SSB)集合。如果旋轉速率的值小於各向同性的譜寬，由於與不同諧振峰關聯的SSB產生交迭，將會使得對譜的分析相當困難。通過提高旋轉速率來消除感興趣的譜區間內的SSB，可以避免這個問題。事實上，已經證明，快速的MAS(其中，樣本以幾kHz的速度旋轉)使細胞及組織中的MR線明顯變窄(參見Weybright et al.，Gradient High-Resolution，Magic Angle Spining1H Nuclear MagneticResonance Spectroscopy of Intact Cells，Magnetic Resonance inMedicine 1998；39337-345(完整細胞的梯度、高解析度、魔角旋轉1H核磁共振譜，Magnetic Resonance in Medicine 1998；39337-345)；以及Cheng等的「利用高解析度魔角旋轉質子磁共振譜對神經生理學進行定量分析」，Proc.Natl.Acad.Sci.USA 1997；946428-6413)。然而，這樣高的旋轉速率產生的大的離心力將破壞組織器官甚至是部分細胞(參見Weybright等人的文章)。因此，高旋轉速率的MAS並不適合，例如，在繪製生物組織相互間的代謝分布圖或研究活細胞時，而且高旋轉速率的MAS不能用在活體中。
克服快速MAS帶來的問題的一種可能的方式是使用慢速樣本旋轉。在固態NMR中產生了許多方法，用來消除旋轉邊帶，或者將它們從各項同性的譜中分離出來，從而獲得與各項同性的化學變化譜無關的邊帶。一種方法被稱為魔角旋轉(MAT)技術，當旋轉速率低至30Hz時，在固體中獲得了與各項同性的化學變化譜無關的邊帶(Hu等人的Magic Angle Turning and Hopping(魔角旋轉及跳變)，in Encyclopediaof Magnetic Resonance D.M.Grant，and R.K.Harris，Eds.New YorkJohn Wiley Sons1996，2914-2921)。
MAT為二維(2D)NMR技術，研究的這種方法是用來確定諸如固體中的13C及15N之類的稀有旋轉的化學變化張量。有兩種基本的MAT試驗類型。第一種類型(MAT-1)是的魔角跳動(MAH)試驗，這種方法的來源是Bax等撰寫的「利用二維傅立葉變換魔角跳動NMR譜分析各向同性變化及化學變化各向異性的相關性分析，J.Magn.Reson.1983；52147」。第二類(MAT-2)中，包括在固定變化時間周期(例如一個旋轉周期)內使用五個射頻π脈衝的過程。MAT-2技術中包括五個重複的π魔角旋轉(FIREMAT)(參見Hu等人的An Isotropic ChemicalShift Anisotropy Magic Angle Slow-Spinning 2D NMR Experiment(各向同性化學變化-化學變化各向異性魔角慢速-旋轉的2D NMR試驗)，J.Magn.Reson.1993；A 10582-87；以及Alderman等人的A HighResolution High Sensitivity Isotropic and Anisotropic CorrelationExperiment(一種高解析度高靈敏度的各向同性及各向異性相關試驗，)Molecular Physics 1998；95(6)1113-1126)以及2D-相位-交替旋轉邊帶(PASS)技術(Antzukin等人的Two-Dimentsional SidebandSeparation in Magic-Angle-Spinning NMR(魔-角-旋轉NMR中的二-維邊帶分離」)J.Magn.Reson 1995；A1157-19)。所有這些試驗都是2D的各向同性-各向異性化學變化的相關性試驗，能夠產生一個高解析度的各向同性化學變化尺度和一個化學變化各向異性尺度。儘管在固態NMR中應用到MAT(參見Hu等人的「魔角旋轉及跳變」；Gan等人的「利用慢速魔角旋轉對固體進行高解析度化學變化及話旋變化各向異性相關分析」，J.Am.Chem.Soc.1992；1148307-9309；Hu等人的「用來測量粉末狀固體的化學-變化-張量主值的魔-角-旋轉試驗」，J.Magn.Reson.1995A113210-222；Hu等人的「各向同性化學變化-化學變化各向異性魔角慢速-旋轉的2D NMR試驗」；Alderman等人的「一種高解析度高靈敏度的各向同性及各向異性相關試驗」；以及Antzukin等人的「魔-角-旋轉NMR中的二-維邊帶分離」)，但到目前仍未研究這種方法在生物學領域中的潛在應用能力。
與固體相對，尚未研究MAT在生物體中的應用的一個原因是，大家確信，在對原子核進行試驗時，在內部靜態局部磁場中的包含感興趣的原子核的分子的擴散，這將引起隨時間變化的場。這種效應隨著旋轉頻率的下降而變得更差，這將引起對SSB的不利抑制。換句話說，由於布朗運動(它使分子在全部細胞中進行擴散)使慢速MAS無法使磁化係數變化得更寬，因此不希望在生物物質中使用MAT技術。事實上，在對包在玻璃珠內的水進行的標準快速MAS試驗中表明，即使在幾百Hz的旋轉速度下，譜線仍然變寬了(參見Leu等人的「在用旋轉樣本進行NMR試驗時由於擴散引起的幅值調製與張馳」，Chem.Phys.Lett 2000；332344-350)；試驗還表明，當旋轉速度低於1kHz時，在對包在玻璃珠內的水中產生的SSB進行抑制時，被稱為總體邊帶抑制(TOSS)的邊帶抑制方法無效(參見Liu等人的Manipulation of Phase and Amplitude Modulation of Spin magnetizationin Magic Angle Spinning NMR in the Presence of Molecular Diffusion，(在出現分子擴散的魔角旋轉NMR中對旋轉磁效應進行相位及幅值調製的操作方法，)J.Chem.20011145729-5734)。
另一種提高NMR譜的靈敏度及解析度的方法中包括將磁場而不是樣本進行旋轉(的過程)。根據這種方法，保持樣本為靜態的。例如，Bradbury等人在Nuclear Magnetic Resonance in a Rotating MagneticField(旋轉磁場中的核磁共振)，Phys.Letters 1968；26A405-406中宣布的，將一個靜態場與兩個正弦場疊加，令靜態磁場旋轉，相位與垂直於靜態場的平面正交，幅值是靜態成分的 倍。然而，這種方法從未被深入研究過。
因此，需要研究能夠對生物體磁共振進行高解析度的分析的方法。特別地，需要研究這樣的磁共振分析技術，它不會傷害生物體內組織或細胞的器官，而且在物體旋轉速率較低時，不會產生與SSB有關的問題。

發明內容
通過將魔角旋轉技術與測定的脈動射頻序列結合，本文對分析物體磁共振的方法進行了說明。這種結合首次提出了獲取生物體高解析度譜的方法，該方法(a)不會對生物體內的組織或細胞器官造成傷害；(b)充分地消除了譜中與慢速魔角旋轉相關的旋轉邊帶峰。在常規期望方法中，在內部靜態局部磁場中，包含感興趣的原子核的分子發生擴散，這對於慢速旋轉是有問題的，與此不同的是，本發明取得了令人驚訝的發現，在此宣布的方法提供了NMR譜，它的解析度與常規快速MAS方法獲得的譜解析度相當或者更好，而且，在低旋轉頻率下，這個NMR譜與旋轉邊帶峰充分無關。
特別地，根據第一實施例，提出了能夠對生物體進行磁共振分析的方法，包括將生物體置於主磁場及射頻場中，主磁場具有靜態的場方向；將生物體進行旋轉，旋轉頻率低於100Hz，旋轉軸相對於靜態的主磁場方向成大約54°44』角；施加脈動射頻，此脈衝能夠產生包括魔角旋轉脈衝段的序列；收集脈動射頻產生的數據。
根據第二實施例，提出了能夠對生物體進行磁共振分析的方法，包括將生物體置於主磁場及射頻場中，主磁場具有靜態的場方向；將生物體進行旋轉，旋轉頻率低於100Hz，旋轉軸相對於靜態的主磁場方向成大約54°44』角；施加脈動射頻，此脈衝能夠產生一個序列，具有生成與旋轉邊帶峰充分無關的譜的能力；收集脈動射頻產生的數據。
根據第三實施例，提出了能夠對生物體進行磁共振分析的方法，包括將生物體置於主磁場及射頻場中，主磁場具有靜態的場方向；將生物體進行旋轉，旋轉頻率低於100Hz，旋轉軸相對於靜態的主磁場方向成大約54°44』角；調節脈動射頻，使它能夠產生一個射頻輻射脈衝序列，具有生成與旋轉邊帶峰充分無關的譜的能力；生成對生物體內原子核對射頻序列脈衝的響應的磁共振分析結果。
根據第四實施例，提出了能夠對生物體進行磁共振分析的方法，包括將生物體置於主磁場及射頻場中，主磁場具有靜態的場方向；將物體沿魔軸進行放置，魔軸相對於靜態的主磁場方向成大約54°44』角；在三個預定的位置上，在魔角軸周圍將物體重新定向，這三個預定位置彼此之間相差120°；施加脈動射頻，此脈衝能夠產生一個序列，具有生成與各向異性加寬(例如，磁化係數變寬)充分無關的譜的能力；收集脈動射頻產生的數據。
根據第五實施例，提出了能夠對生物體進行磁共振分析的方法，包括提供主磁場，其中包括具有靜態場方向與幅值的第一成分，還包括第二和第三成分，第二和第三成分都是與第一成分的靜態場方向垂直的平面上的正弦場，幅值為第一成分的靜態場的幅值的21/2倍，其中，第二和第三成分產生的磁場在與靜態場方向垂直的平面內旋轉，旋轉頻率小於100Hz，產生的合成場圍繞一個軸旋轉，這個軸相對於第一成分的靜態場方向成大約54°44』角；將生物體置於主磁場及射頻場中；施加脈動射頻，使它能夠產生一個射頻輻射脈衝序列，具有生成與旋轉邊帶峰充分無關的譜的能力；收集脈動射頻產生的數據。
根據第六實施例，提出了能夠對生物體進行磁共振分析的方法，包括將生物體置於主磁場及射頻場中，主磁場具有靜態的場方向；將一塊磁鐵圍繞一個軸進行機械旋轉，這個軸相對於主磁場的靜態場方向成大約54°44』角，旋轉頻率小於100Hz；施加脈動射頻，使它能夠產生一個射頻輻射脈衝序列，具有生成與旋轉邊帶峰充分無關的譜的能力；收集脈動射頻產生的數據。
根據第七實施例，提出了能夠對生物體進行磁共振分析的方法，包括將生物體置於主磁場及射頻場中，主磁場具有靜態的場方向；將生物體進行旋轉，旋轉頻率低於50Hz，旋轉軸相對於靜態的主磁場方向成大約54°44』角；將主磁場繞魔角軸進行旋轉，旋轉頻率低於50Hz，使主磁場與生物體同步旋轉，旋轉方向相反；調節脈動射頻，使它能夠產生一個射頻輻射脈衝序列，具有生成與旋轉邊帶峰充分無關的譜的能力；生成對生物體內原子核對射頻序列脈衝的響應的磁共振分析結果。
根據第八實施例，提出了能夠對生物體進行磁共振分析的方法，包括將生物體置於主磁場、射頻場以及至少一個梯度脈動磁場中，主磁場具有靜態的場方向。將生物體進行旋轉，旋轉頻率低於100Hz，旋轉軸相對於靜態的主磁場方向成大約54°44』角。控制脈動射頻，產生包含魔角旋轉脈衝段的脈衝序列。脈動射頻與脈動磁場都產生脈動，從而產生具有空間選擇性的核磁共振數據。生物體內的原子核對脈動射頻進行響應，並產生對此結果進行的核共振分析。
可以發現，在此宣布的包括使用脈衝序列的方法中，有一個特別有用的不同之處，即包含了2D-相位-切換的旋轉邊帶(2D-PASS)脈衝段。另外一個特別有用的脈衝段是相位-修正的魔角旋轉(PHORMAT)脈衝段。
對在試管內研究小物體的情況，對於在細胞及完整切除的組織及器官進行的MRS試驗中的原子核而言，若要提高MRI試驗中的NMR靈敏度、提高1H的NMR譜的靈敏度及解析度以及其它NMR靈敏度，這種包括2D-PASS段的方法尤其有用。對在試管內研究較大的生物體的情況，對於在活體生物或人體進行的MRS試驗中的原子核而言，若要提高1H的NMR譜的解析度以及其它NMR靈敏度，這種包括PHORMAT段的方法尤其有用。即使不是充分消除了對組織及細胞的傷害，這種對樣本進行的慢速旋轉也會使損害最小。與快速MAS相比，在此宣布的方法具有一些重要的優點(I)可以使用更大的旋轉機，並因此可以選用更大的樣本，這將提高NMR的靈敏度(當本方法用於具有比質子更小的NMR-靈敏度的原子核時尤其重要)；(II)在慢速旋轉的情況下，生物樣本的器官完整性經受最小的變化，或者不會改變(即避免了高速旋轉引起的譜的人工效應，這種效應是由於旋轉過程中樣本的變形引起的)；及(III)除了各向同性譜外，能夠確定出個體水及代謝線的各向異性模式(使得能夠獲取關於周圍不同化合物的信息)。
附圖簡要說明參考附圖，將對特定的實施例進行更詳細的說明。


圖1為將生物體進行旋轉的透視圖，旋轉在相對於靜態主磁場成魔角的方向上進行；圖2表示根據本公開方法的一個2D-PASS RF脈衝序列的實施例；圖3A與3B表示1H的譜，這是利用常規的NMR技術及固定採樣間隔對完整切下的鼠腦進行分析獲得的結果；圖3C與3D表示1H的譜，這是利用慢速MAS及RF脈衝序列對完整切下的鼠腦進行分析獲得的結果，RF脈衝序列中未包括水抑制段(water suppression segment)以及MAT段；圖4為1H 2D-PASS譜的層次圖，這是利用在此公開的一個實施例的方法對完整切下的鼠腦進行分析獲得的結果；圖5A、5B及5C表示1H 2D-PASS譜，這是利用在此公開的一個實施例的方法對完整切下的鼠腦進行分析獲得的結果；圖5D及5E表示1H譜，這是現有的快速MAS方法對完整切下的鼠腦進行分析獲得的結果；圖6A、6B及6C表示固定採樣的質子譜，這是利用RF脈衝序列對完整切下的鼠腦進行分析獲得的結果，RF脈衝序列中未包括水抑制段；圖7A-7H表示用2D-PASS對不同的完整切下的鼠器官及組織獲取的質子譜；
圖8表示根據本公示方法的另一個脈衝序列的實施例(PHORMAT)；圖9A及9B表示1H 2D-PASS譜，這是利用在此公開的一個實施例的方法對完整切下的鼠肝臟組織進行分析獲得的結果；圖10A、10B及10C表示1H譜，這是利用在此公開的實施例的方法對完整切下的鼠肝臟組織進行分析獲得的結果；圖10D表示1H譜，這是快速MAS方法對完整切下的鼠肝臟組織進行分析獲得的結果；圖11A、11B及11C表示1H譜，這是利用在此公開的實施例的方法對完整切下的鼠肝臟組織進行分析獲得的結果；圖11D表示1H譜，這是快速MAS方法對完整切下的鼠肝臟組織進行分析獲得的結果；圖12表示用於將磁場進行電氣旋轉的RF線圈器官圖；圖13表示用於容納生物體的平臺以及將磁場進行機械旋轉的設備圖；圖14A-E表示將MRI序列與2D-PASS RF序列進行組合的實施例；圖15A及15B表示將MRI序列與PHORMT序列進行組合的實施例；具體實施方式
為了便於理解，在此對下列術語進行更詳細的說明「物體」表示三維物體，例如完整的動物、動物器官、諸如出土的人工製品之類的固體、進行譜分析的樣本(例如組織或細胞切片)、非生物的液體物質(例如有機物)或者固體物質(例如金屬粉末)。
「流體」表示與固體相對的物體，包含實在數量的流體(例如超過重量的60％)。典型的流體實例是完整的人或人體器官，在典型情況下，它們至少包含大約80％重量的水。
「生物體」表示所有包括細胞體的物體，通常為流體。生物體的實例包括細胞系統、切除的組織及完整的器官、活體動物以及病人。
「主磁」或「主磁場」表示現有技術中能夠產生靜態磁場的磁鐵(通常指B0或H0)。主磁場有別於用於感應出原子核的激勵的RF磁場，或有別於磁共振之中用到的的RF磁梯度場。當然，可將MRS及MRI工具用來說明包括使用主磁鐵的方法，主磁鐵能夠產生靜態的均勻主磁場。為人熟知的、典型的這類磁鐵使超導磁鐵。
上述定義的目的僅僅是為讀者提供幫助，而不應認為它比本領域內的普通技術人員所理解的範圍更小，也不應被理解為是對附加的權利要求的範圍的限定。
魔角旋轉的方法是將物體放置在部分依賴於時間的外部磁場之內，而不是象目前使用的方法那樣，將它放在靜態磁場B0中。具體而言，磁場包括一個幅值為 的靜態成分，還包括一個幅值為 在垂直於靜態磁場成分的平面內旋轉的成分。
根據在上面標識的第一、第二及第三實施例，在慢速魔角旋轉中，物體旋轉或轉動的頻率小於約100Hz，最好小於約10Hz，更好是小於約3Hz。作為實例，可能的旋轉頻率範圍在大約1Hz到約100Hz之間，最好是從約1Hz到約5Hz之間。與之相反，在標準的快速魔角旋轉中，使用的頻率至少達到kHz的量級。
根據在上面標識的第四實施例，對象是繞魔軸以120°角進行「跳變」，而不是連續旋轉。完成一次完整的旋轉的時間於連續旋轉(例如，在第一、第二及第三實施例中的那樣)的時間對應，連續旋轉的頻率小於約100Hz，最好小於約10Hz，更好是小於約3Hz。
根據在上面標識的第五實施例，磁鐵及生物體都保持固定，部分磁場隨時間進行電氣補償，使整個磁場圍繞相對於整個磁場的方向成魔角的軸進行旋轉，旋轉的頻率小於約100Hz，最好小於約10Hz，更好是小於約3Hz。例如，可能的旋轉頻率範圍在大約1Hz到約100Hz之間，最好是從約1Hz到約5Hz之間。
根據在上面標識的第六實施例，生物體保持固定，磁鐵圍繞相對於整個磁場的方向成魔角的軸進行旋轉，旋轉的頻率小於約100Hz，最好小於約10Hz，如果小於約3Hz則更好。例如，可能的旋轉頻率範圍在大約1Hz到約100Hz之間，最好是從約1Hz到約5Hz之間。
根據在上面標識的第七實施例，生物體及磁場在相反的方向上旋轉，旋轉的頻率小於約50Hz，最好小於約3Hz，更好是小於約2Hz。例如，可能的旋轉頻率範圍在大約0.5Hz到約50Hz之間，最好是從約0.5Hz到約2Hz之間。
圖1所示為用來旋轉物體的結構的實例，其中主磁場為固定的。將生物體1放置在樣品固定器2中，固定器可以圍繞方向為X的軸3進行旋轉，軸3位於在由MRS或MRI工具中的主磁鐵(未畫出)形成的靜態磁場中。軸3的方位相對於靜態磁場B0的方向成54°44』角。對於MAS而言，能夠使物體或樣本發生旋轉的MRS(例如NMR)及MRI裝置廣為人知(例如，參見美國專利No.4,511,841)。市場上可獲得的具有用於旋轉樣本的轉動臺的NMR工具包括Varian/Chemagnetic公司(Ft.Collins，CO)或Bruke Instrument公司(Billerica，MA)生產的探測器。
對於上述第五實施例，用圖12對磁鐵結構的實例進行說明，該磁鐵結構的作用是，在生物體保持固定的時候，產生電氣旋轉的磁場。一對互補的第一RF線圈21的排列方式是在x-方向上產生交變磁場Bx，由Bx=2/3B0sin(rt)]]>給出。一對互補的第二RF線圈22的排列方式是在y-方向上產生靜態磁場By，由By=B0/3]]>給出。一對互補的第三RF線圈23的排列方式是產生Bz=2/3B0cos(rt)]]>的交變磁場。在每組線圈21、22、23中通過DC與AC電流，產生三個互相正交的磁場成分。將生物體20放置在線圈系統的中心。則給定的總磁場為B0，其結果是總磁場圍繞相對於靜態成分By成54°44』魔角的方向上的軸旋轉。
對於上述第六實施例，用圖13對使磁鐵發生物理旋轉的結構的實例進行說明，而生物體保持固定。用磁腔10形成用來容納生物體(例如人體)12的空間11以及徑向軸13。磁腔10的徑向軸13放置的方向是相對於主磁場B0的方向成54°44』的魔角。磁腔10產生主磁場B0。磁腔10可以圍繞徑向軸13進行旋轉，其方向如圖13中的指向箭頭所示。
在上述的第七實施例中，生物體及主磁場分別在相反的旋轉方向上進行旋轉。例如，可對如圖12或圖13敘述的裝置進行修改，使得生物體也可以旋轉。這樣的旋轉可以使生物體及主磁場的旋轉頻率下降一半(a factor of two)。
在此公開的方法中，所用的RF脈衝序列可以是能夠在低速MAS方法中產生於旋轉邊帶充分無關的高解析度譜的序列的任意排列或序列。在掃描過程中，RF脈衝序列可以在每個旋轉周期內重複(即物體發生一次360°旋轉)。這些RF脈衝序列中典型特點是它們是各向同性-各向異性化學變化相關脈衝序列。RF脈衝序列的實例包括MAT序列。這些射頻脈衝序列最好能與物體的旋轉同步世家。可以使用具有不同作用的RF脈衝序列的組合。
在公開的方法中，可能用到的一個MAT技術的實例中包括，令生物體連續旋轉，在恆定的變化時間周期(例如一次旋轉周期)內施加五個πRF脈衝。一個π脈衝可以使磁化方向旋轉180°。
一個五RFπ脈衝技術的示例是五個重複的π魔角旋轉(FIREMAT)，例如在下列文章中介紹的Hu等人的An IsotropicChemical Shift-Chemical Shift Anisotropy Magic Angle Slow-Spinning2D NMR Experiment(各向同性化學變化-化學變化各向異性魔角慢速-旋轉的2D NMR試驗)，J.Magn.Reson.1993；A 10582-87；以及Alderman等人的A High Resolution High Sensitivity Isotropic andAnisotropic Correlation Correlation Experiment(一種高解析度高靈敏度的各向同性及各向異性相關試驗)，Molecular Physics 1998；95(6)1113-1126。另一個五RFπ脈衝技術的示例是2D-相位-交替旋轉邊帶(PASS)技術，例如在下列文章中介紹的Antzukin等人的Two-Dimensional Sideband Separation in Magic-Angle-Spinning NMR(魔-角-旋轉NMR中的二-維邊帶分離)，J.Magn.Reson 1995；A1157-19。在圖2中畫出一種2D-PASS段的變化。所有這些試驗都是2D各向同性-各向異性化學變化的相關性試驗，能夠產生一個高解析度的各向同性化學變化尺度和一個化學變化各向異性尺度。
另一個尤為有用的MAT技術的實例被稱為相位修正魔角旋轉(PHOMAT)，例如在下列文章中介紹的Hu等人的Magic-Angle-TurningExperiment fro Measuring Chemical-Shift-Tensor Principal Values inPowered Solids(用來測量粉末狀固體的化學-變化-張量主值的魔-角-旋轉試驗)，J.Magn.Reson.1995A113210-222；以及Hu等人的MagicAngle Turning and Hopping(魔角旋轉及跳變)，Encyclopedia ofMagnetic Resonance D.M.Grant，and R.K.Harris，Eds.New YorkJohnWiley Sons1996，2914-2921。與2D-PASS類似，PHORMAT中令物體連續旋轉，為了獲得各向同性的輪流變化，將RF脈衝放在旋轉周期的三分之一處。根據PHORMAT技術，儘管用樣本的旋轉對化學變化進行調製，將反射脈衝與脈衝序列組合，組合的方式是使磁效應重新進行精確聚焦。具體而言，所用到的兩個脈衝序列來自於混合-幅值-相位調製與三-反射序列的組合。這些序列具有將相位調製轉換為幅值調製的作用，通過將180°反射脈衝放在三相位-累積周期之前或之後，產生等價的正或負變化時間。
無論是PASS或者PHORMAT，在任何旋轉速度上，各向同性的峰都可以與SSB分開，即使在旋轉速度低達約1Hz時，線寬也可以足夠窄。
在PASS中，磁效應經常出現在橫斷面上，在一個旋轉周期後觀測到第一個信號。由於在此周期內磁效應的衰減，信號的幅度可能變小，這個周期取決於旋轉-旋轉張馳時間T2。因此，當旋轉速率接近或低於(T2)-1時將發生信號的衰減。
在PHORMAT中，磁化效應被存儲在沿主場方向的徑向上，最大的持續時間為旋轉周期的2/3倍。因此，為了避免信號的衰減，與旋轉-柵格張馳速率(T1)-1相比，旋轉頻率必須較大。相對於PASS而言，PHORMAT中可以使用更低的MAS頻率，這是因為在生物體中，(T1)-1的幅度通常比(T2)-1的小一個數量級。例如，對於旋轉頻率高於10Hz，尤其是至少達到約20Hz時，PASS特別有效；而PHORMAT對於旋轉頻率低於約10Hz(例如從約1Hz到約5Hz)的情況特別有效。PHORMAT與PASS之間的另一個區別是，對PASS分析進行測量的時間只要幾分鐘，而測量PHORMAT分析的時間能夠達到一個小時或更久。PHORMAT與PASS之間的另一個區別是，與PASS相比，在PHORMAT試驗中，NMR靈敏度下降了至少固有因子4。
在本詳細方法中的另一個RF脈衝序列為水抑制段，它可以抑制生物體內的水分引起的殘餘SSB。可以將水抑制脈衝序列用於對代謝譜進行分析。如果不採用水抑制，這些代謝譜將被水分的殘餘SSB引起的人工線汙染。當然，當希望研究生物體的水分峰值或信號時，不能使用水抑制方法。一個水抑制段的實例是DANT脈衝序列，例如在下列文章中介紹的Morris等人的「傅立葉變換核磁共振的有選擇性的激勵」，J.Magn.Reson.，1978；29466-462。另一種可能的水抑制序列是已知的，將成型的脈衝段與脈動場梯度段進行合成，這種方法在下文中進行了說明Chen等人的「使用高解析度魔角旋轉NMR譜將類脂肪瘤、脂肪瘤與普通脂肪進行區分的生化分析」，J.Am.Chem Soc.2001；1239200-9201。
根據在此公開的方法的一個實例，在圖2中表示的RF脈衝序列中包括DANTE脈衝序列段，後面接著2D-PASS序列段。在這個實例中，用π/2脈衝代替了交叉極化成分，這在Antzukin等人的「魔-角-旋轉NMR中的二-維邊帶分離」中進行了介紹，使得磁效應在於B0垂直的平面內旋轉。在2D-PASS頻譜中，通常邊帶被SSB的階次n隔開。n＝0時為中心帶內的頻譜，是與SSB無關的頻譜，其它的譜表示隨著階次增加的SSB譜。將旋轉頻率增至n倍，將邊帶譜進行移動，並且將它們疊加在一起，則獲得了各向同性的頻譜。如同在Antzukin等人的「魔-角-旋轉NMR中的二-維邊帶分離」中說明的，可以在2D-PASS中引入一個旋轉周期的固有加權T2。為了補償脈衝的不足以及RF場的不均衡，可以施加一個相位循環序列。優選的相位循環由96步構成，這個循環與最初在FIREMAT試驗中所研究的結果完全相同(參見Alderman等人的A High Resolution High Sensitivity Isotropicand Anisotropic Correlation Experiment(一種高解析度高靈敏度的各向同性及各向異性相關試驗)已經發現，在本發明中可以使用較少的相位步數，而不會帶來主頻譜的失真。可以用Antzukin等人在「魔-角-旋轉NMR中的二-維邊帶分離」中給出的稱作PASS-16序列來確定六個脈衝之間的時間tm1-tm6。使用了延遲時間tm1-tm6的十六個不同組合(下文中被稱為變化增量)，這使得在不發生頻譜混迭的情況下即可將中心帶與15個邊帶譜分開。典型情況下，π脈衝的寬度在幾十微秒到以毫秒之間變化，具體的值取決於放入旋轉器中的組織的類型和數量。在圖2中，時間點」T」表示旋轉周期的終點，時間點」0」表示旋轉周期的起點，」acq」表示獲取的NMR信號。計時從π脈衝的中間開始。在開始得到尺度的階段獲得了兩個外部數據點，作用是解決與探測器結束及接收機復原有關的截止時間效應，這未包括在在傅立葉變換中。使用了僅用到16點的傅立葉變換，這些點沿著變化的尺度分布。
據在此公開的方法的另一個實例，在圖8中表示的RF脈衝序列中包括修正的PHORMAT序列。用三個互相分離120°的精確標誌在旋轉器上均勻地打上記號，使得用(I)、(II)、(III)進行標註的90°脈衝與旋轉周期的1/3同步。用光學檢測器產生與這些標誌關聯的電晶體-電晶體邏輯(TTL)脈衝，作為RF脈衝序列的觸發脈衝。標誌(marker)的存在表明，僅在短時間周期內(即在一個旋轉周期內)，旋轉速度就必須達到穩定。旋轉器相對於外部場的位置可能與每次變化增量的起點相差0°、120°或240。在分析各向異性的物體的情況下，這種旋轉定位方法可能會造成譜的失真，並損失靈敏度。通過在旋轉器上增加一個獨立的外部標誌，並使用第二個光學發生器來產生與這個標誌關聯的TTL脈衝來觸發PHORMAT序列(的開始)，可以克服這個問題。
用交叉極化成分取代90°脈衝(I)，使磁效應在垂直於B0的平面內旋轉。在最後一個脈衝(III)之前馬上使用DANTE脈衝序列段，則可以抑制水信號。在開始DANTE序列之前，將載波頻率調整至水峰值的中心，然後在DANTE段的最後將這個頻率調回原始值，將DANTE脈衝序列以這種方式插入。在第三個讀出脈衝(III)之前，前兩個90°脈衝(I)、(II)被延遲了τ，τ為施加的DANTE段的時間。這個延遲的作用是將三個讀數脈衝((I)、(II)及(III))用1/3旋轉周期進行精確地分隔。
在圖8中，用黑色表示90°脈衝，用灰色表示180°脈衝。起始的用」a」標註的90°脈衝的相位循環為(-y，+y)，而其餘的脈衝(p1，p2，b1，b2及b3)的相位循環與Hu等人在「用來測量粉末狀固體的化學-變化-張量主值的魔-角-旋轉試驗，J.Magn.Reson.1995A113210-222」中說明的相同。參數Δ表示反射時間的一半。在三個相位累積周期之前(+)或之後(-)使用180°脈衝，可以明顯地改善2D譜的基平面，並產生與旋轉邊帶無關的各向同性譜，可以無需剪切就直接發送到變化軸上。時間變量t1及t2分別對應於變化尺度與獲取尺度。最下面的軌跡為MAS探測器的光學傳感器產生的TTI信號。
還可以使用另一種水抑制的方法，其中用到了脈動場梯度，這種方法可以明顯地縮短τ的值(參見Chen等人的Biochemical AnalysisUsing High-Resolution Magic Angle Spinning NMR SpectroscopyDistinguishes Lipoma-Like Well-differentiated Liposarcoma from NormalFat(使用高解析度魔角旋轉NMR譜將類脂肪瘤、脂肪瘤與普通脂肪進行區分的生化分析)，J.Am.Chem Soc.2001；1239200-9201)，從而用PHORMAT序列可以獲得更高的旋轉速率。
上面的發明內容中提到的第四實施例中，使用了本領域內的技術人員一般都知道的魔角跳變(MAH)技術。具體而言，對象在三個彼此具有120°關聯的預定位置之間圍繞魔角軸快速地重新定向(即「跳變」)。一種實現重新定向的方法是令生物體圍繞成魔角的軸跳躍或旋轉三次(例如，0-120度、120-240度及240-0度，或0-120度、120-240度及240-360度)。可將RF頻率形成脈動，以產生具有高解析度的譜，這個譜與大量磁化係數及殘餘的化學變化互感引起的線加寬充分無關。例如，在下列文獻中對MAH技術及附加的RF脈衝序列進行了說明Bax等人的Correlation of Isotropic Shifts and Chemical ShiftAnisotropies by Two-Dimensiaonal Fourier-Transform Magic-AngleHopping NMR Spectroscopy(利用二維傅立葉變換魔角跳動NMR譜分析各向同性變化及化學變化各向異性的相關性分析)，J.Magn.Reson.1983；52147；Hu等人的Improving the Magic Angle Hopping Experiment(改進魔角跳變試驗，Solid State NMR，2，235-243(1993)，以及Hu等人的Magic Angle Turning and Hopping(魔角旋轉及跳變)，inEncyclopedia of Magnetic Resonance D.M.Grant，and R.K.Harris，Eds.New YorkJohn Wiley Sons1996，2914-2921。上述的水抑制RF脈衝序列也可以與MAH技術結合起來使用。
上面的發明內容中提到的第五實施例中使用了旋轉磁場，這個磁場是一個靜態場於兩個正交的正弦場的疊加，兩個正弦場位於與靜態場垂直的平面內，相位正交，幅值為靜態成分的21/2因子。具體而言，使用三個RF線圈結構在三個互相垂直的方向上產生磁場。在一個線圈中施加固定的電流，在另兩個線圈中施加正交的正弦AC電流，則在電氣上可產生旋轉的磁場。產生的磁場成分在垂直於靜態場成分方向上的平面內旋轉，幅值為靜態場成分幅值的21/2倍。產生的總磁場的旋轉頻率為從約1到約100Hz，最好為從約1到約10Hz，靜態場方向與總旋轉磁場的方向之間成的角度約為54°44』。換句話說，產生的磁場相對於固定的對象進行旋轉。此外，使正弦場的幅值大於固定或靜態場的21/2倍，產生了在希望的魔角上旋轉的磁場。
上面在發明內容中提到的第八實施例與MRI(包括局部MRS)方法有關，可以通過使用在此宣布的慢速魔角旋轉技術使性能得到增強。在這個實例中，生物體也受到脈動磁場的作用，脈動磁場能夠在主磁場中的X、Y及Z方向上產生梯度。這種方法提供了獲取生物體特定區域或空間內核磁共振數據的能力，而不是在整個物體上進行。
在一個將MAT與MRI組合應用的實例中，包括向圍繞魔軸旋轉的生物體上施加MAT序列的過程，通過產生與物體同步旋轉的磁場梯度，並在容積(Volume)選擇的RF及梯度脈衝之前布置MAT序列(例如點分析表面頻譜(PRESS))，獲得NMR譜(參見Bryant等人的Spatial Location Techniques for Human MRS，Biomedical MagneticResonance Imaging and Spectroscopy(Yong，ed.Wiley，New York，pp.785-791(2000))。在美國專利No.4,301,410中，對產生與物體同步旋轉的磁場梯度的系統及過程進行了說明。用圖14A-14E及15對將MRI序列與慢速MAT序列進行組合的具體實例進行了說明。圖14A-14E表示與PASS序列結合的脈衝序列圖形的不同實例。圖15A與15B表示包含PHORMAT序列的脈衝序列。
圖14A表示一個與PASS序列結合的脈衝序列的2D圖形。當存在梯度Gz時，π/2脈衝為所施加的sinc選擇脈衝。梯度Gx、Gy及Gz與樣本的旋轉同步旋轉，使得樣本的結構內的梯度為靜態的。類似於電氣形成旋轉的B0場的方法，可以通過將ac電流流過線圈在電氣上獲取旋轉的梯度，因此無需梯度線圈自身進行旋轉。Gz為沿旋轉軸分布的片選梯度。Gx為沿旋轉x軸分布的讀出梯度。Gy為沿旋轉y軸分布的相位解碼梯度。為了進行水抑制，可以使用CHESS序列(Hasse等人的1H NMR Chemical Shift Seletive(CHESS)Imaging(1H NMR化學變化選擇性(CHESS)圖形)，Phys.Med.Biol.1985；30341-344；Dreher等人的Changes in Apparent Diffusion Coefficients of Metabolitesin Rat Brain After Middle Cerebral Artery Occlusion Measured by ProtonMagnetic Resonance Spectroscopy(用質子磁共振譜測得中心腦動脈梗塞後，鼠腦內分子的顯式擴散係數的變化)，Magn.Reson.Med.2001；45383-389)代替DANTE段。
圖14B表示使用PASS序列的脈衝序列的2D化學變化圖像。與圖14A所示的2D-MRI-PASS序列的唯一區別在於，用同方向上的相位解碼梯度取代了讀出梯度Gx。
圖14C表示一個與PASS序列結合的脈衝序列的3D圖形實例。如同上面用圖14A介紹的，梯度Gx、Gy及Gz與樣本的旋轉同步旋轉，使得樣本的結構內的梯度為靜態的。Gz為沿旋轉軸分布的片選梯度，Gy為沿旋轉y軸分布的相位解碼梯度，Gx為沿旋轉x軸分布的讀出梯度。為了進行水抑制，可以使用CHESS序列代替DANTE段。
圖14D表示使用PASS序列的脈衝序列的2D化學變化圖像。與圖14C所示的2D-MRI-PASS序列的唯一區別在於，用同方向上的相位解碼梯度取代了讀出梯度Gx。
圖14E表示使用PASS進行容積選擇的局部磁共振頻譜MRS。如同上面用圖14A介紹的，梯度Gx、Gy及Gz與樣本的旋轉同步旋轉。在DANTE序列之後，施加剪裁激勵序列(Ernst等人，一維與二維核磁共振原理，牛津大學出版社，New York，1997，p.557)，使得除了出現一個斜坡外，RF頻譜基本為白色。同時施加x-梯度。結果是，除了與x-軸垂直的一片外，所有容積元素(volume element)都是飽和的。然後，在存在y-梯度的情況下，重複剪裁激勵。結果是，只有在垂直與y-軸的一個管路是不飽和的。最後，在存在z-梯度的情況下，施加選擇的sinc90°脈衝，因此激發出一個容積(Volume)。為了進行水抑制，可以使用CHESS序列代替DANTE段。
圖15A表示使用旋轉梯度的局部PHORMAT序列。序列(a)是包含觸發(b)的基本PHORMAT序列，當存在梯度(c)時，位於(I、II及III)為值的脈衝是sinc選擇的脈衝(類似於激發的反射提取(STEAM)序列，參見J Frahm等人、J.Magn.Res.72,502(1987))。黑色脈衝是非選擇的90°脈衝，灰色脈衝為非選擇的180°脈衝。用『*』標註的梯度為幹擾梯度，用於在黑色脈衝之後破壞掉餘留在橫斷面內的全部磁效應。(c)脈動梯度與物體同步旋轉。如同上面用圖14A介紹的，與物體同步旋轉的參考結構內的梯度Gx、Gy及Gz是靜態的。為了進行水抑制，可以使用CHESS序列代替DANTE段。
圖15B表示使用靜態梯度的局部PHORMAT序列。序列(a)是包含觸發(b)的基本PHORMAT序列，當存在梯度(c)時，位於(I、II及III)為值的脈衝是sinc選擇的脈衝。黑色脈衝是非選擇的90°脈衝，灰色脈衝為非選擇的180°脈衝。如果旋轉軸(MA)沿著(d)中示意的魔角，由於三個sinc脈衝圍繞在樣本旋轉的環面上以120°分布，只需要用到靜態的z-梯度。用』*』標註的梯度為幹擾梯度，用於在黑色脈衝之後破壞掉餘留在橫斷面內的全部磁效應。為了進行水抑制，可以使用CHESS序列代替DANTE段。
可以用本領域內技術人員已知的MR裝置中的RF線圈，來產生在此公開的方法中的脈衝序列中用到的RF輻射。可用本領域內技術人員已知的技術產生RF脈衝序列。例如，許多先進的NMR及NMI頻譜分析儀中都有脈衝程序器和放大器，具有生成這種序列的能力。
根據公開的方法產生頻譜分析結果，所需的數據可以用產生RF輻射的同一個線圈進行收集，也可以用分開的接收線圈收集。可以用本領域內技術人員已知的技術將收集到的數據用圖形表示，例如在多數先進的NMR與MRI頻譜分析儀中可用的軟體程序。
下面用介紹一些具體的實例，目的是為了進行示例，而不應被理解為示對權利要求書範圍做出的限制。
實例1樣本準備從四隻老鼠身上切下新鮮組織，它們是129/SvJ鼠與C57BI/6J雜交產生的基因突變鼠。所用的鼠身上攜帶有遺傳的血色病，這是一個單獨的基因突變，使得若在鼠的口糧中提供過多的鐵，則會在組織內沉積過多的鐵。如果提供給這些老鼠的口糧中含有正常的鐵含量，則組織分析結果為正常的。將45天大、重量為20克的雄性和雌性鼠從頸部切下，迅速分離組織，並迅速進行分析(腦及肝臟)，或者在分析前將組織在2℃溫度下保存二到四小時(腎臟、心臟及臀積)。將組織放入外徑為7.5-mm、內徑為5-mm的筆式旋轉機中，這種旋轉即可從市場上獲得，由Chemagnetic Inc.生產，將組織放入旋轉機中心的兩個特氟綸塞之間。全部試驗在25℃下進行。
結果在Chemagnetic 300MHz無限頻譜分析儀上進行1H NMR試驗，質子拉莫爾頻率為299.982MHz。使用7.5-mm筆型旋轉機系統帶的標準交叉極化(CP)/MAS探測器，還在驅動通道中使用了氣流限制。在這種方式下，可以將旋轉速率在43到125Hz之間調節到±2Hz的精度。
圖3A及3B表示Bloch衰減1D頻譜，這是在不進行水抑制的情況下，按照常規NMR技術將切下的新鮮鼠腦作為靜態樣本獲得的。試驗是在組織被切下後15分鐘之內進行的。在施加具有10度錐角的激勵RF脈衝後獲得了譜。脈衝的終止時刻與開始獲取數據的時刻之間的延遲為20μs。圖3A表示靜態的譜，圖4B表示放大了32倍(factor)後的相同的譜。僅能區分出一條水線以及某些可見的代謝峰。譜的解析度很差。
圖3C表示切下的屬腦組織的1D頻譜，此頻譜是在43Hz的MAS獲得的，RF脈衝序列中未包含水抑制段及MAT段。圖3D表示相應的32倍(32-fold)放大。中心頻帶的線寬(FWHM)大約為13Hz，遠遠小於固定頻譜(105Hz)。然而，從代謝中得到的邊帶族彼此重疊在一起，並與水共振(圖3D)得到的SSB重疊在一起，使得無法排列出頻譜。
圖4表示1H 2D-PASS譜的迭加圖形，是與圖3中相同的腦組織在樣本旋轉速率為43Hz時獲得的。在這種情況下，採用了水抑制。這是通過在水頻譜的中心頻帶內施加DANTE脈衝序列獲得的。在這種方式下，由中心頻帶及SSB產生的信號都是飽和的。參數n表示第n個邊帶，當n＝0時對應中心頻帶。頻譜是在腦被切除後24分鐘時獲得的。使用了十六個變化增量，每個都具有96個相位增量，因此共獲取1,536個值。循環延遲的時間為2s，使試驗時間達到約52分鐘。1H π/2脈衝寬度為9微秒。DANTE序列包含4000個脈衝，彼此間隔為100μ微秒，其中每個脈衝為1微秒。在圖4中，ω2表示獲取尺度，ω1表示變化尺度，ωr表示角旋轉頻率。
圖5A表示(水抑制的)質子頻譜，是通過將2D-PASS數據投影到正常獲取尺度(ω2)內獲得的。這個譜反映了在43Hz下進行的標準1D試驗的結果。由於不同代謝物產生的SSB族的交迭，即使採取了水抑制，這種1D譜很難被解釋。圖5B及5C分別表示n＝0時的中心頻帶的譜以及各向同性的投影。儘管在2D-PASS試驗中使用了(一個旋轉周期的)相對較短的加權時間T2(此時，23.3毫秒)，仍獲得了較好的譜解析度，這表明，通過使用2D-PASS試驗，可以有效地移動在腦中觀測到的線加寬。在各向同性投影譜中(圖5C)不同的線的強度相對較大，與中心頻帶內的譜(圖5B)稍微有所不同，這是由於不同線在各向異性模式下的差異引起的。同樣地，各向同性譜的譜解析度在某種程度上小於中心頻帶。這是由於旋轉速率輕微的波動引起的，這對中心頻帶譜幾乎不造成什麼影響，但是邊帶譜中的線變寬，而且隨著邊帶階磁的增加變大。圖5D表示腦頻譜，是從在旋轉速率為4.3kHz時進行的1D快速MAS試驗中獲得的。得到的結果是，儘管使用了更大的旋轉速率，但頻譜解析度實際上比從2D-PASS獲得的中心頻帶譜低。這部分是因為在後面的試驗中使用了內在的23.3-毫秒的T2加權。用圖5E表示了這種情況，其中表示了使用23毫秒T2加權後的同一個譜，這個譜使通過施加π脈衝序列獲得的。即使在這種情況下，線的寬度也要比2D-PASS的中心頻帶譜寬大約8Hz，這就引起了在2.0及3.0ppm處的兩個最窄的共振線存在明顯的相對強度下沉，這兩個點分別來自N-acetylaspartate及肌酸。這種額外的加寬可能是由4.3kHz感應出的、沿旋轉軸向加強的B0的非均勻性引起的，這不能通過旋轉達到平衡。快速旋轉會將樣本推向旋轉機壁，並在中心形成空洞，這將增強在樣本和空洞的邊界處的大量磁化係數的梯度。
圖6A、6B及6C示意了快速樣本旋轉的影響。在這個圖中，顯示了旋轉之前的靜態水線(圖6A)，以43Hz旋轉後的水線(圖6B)以及以4.3kHz旋轉後的水線(圖6C)。結果表明，慢速旋轉幾乎不會對線形造成影響。我們發現，如果在快速旋轉後對旋轉機進行重新填充，則產生類似於圖6A的頻譜，這證明樣本的變形是導致這種加寬的原因。因此，為了避免快速旋轉試驗的這種影響，有必要將樣本放入球形樣本容器中進行加厚包裝。通過使用本方法中介紹的慢速樣本旋轉，可以避免這個問題。
圖7A及7B表示老鼠心臟的譜，分別為使用了2D-PASS以及根據在此公開的方法中提出的80Hz水抑制(7A)的結果，以及使用了1D-MAS及4.4kHz水抑制(7B)的結果。圖7C及7D表示老鼠肝臟的譜，分別為使用了2D-PASS以及根據在此公開的方法中提出的100Hz水抑制(7C)的結果，以及使用了1D-MAS及3.3kHz水抑制(7D)的結果。圖7E及7F表示老鼠臀肌的譜，分別為使用了2D-PASS以及根據在此公開的方法中提出的125Hz水抑制(7E)的結果，以及使用了1D-MAS及4.2kHz水抑制(7F)的結果。圖7G及7H表示老鼠腎臟的譜，分別為使用了2D-PASS以及根據在此公開的方法中提出的100Hz水抑制(7G)的結果，以及使用了1D-MAS及5.7kHz水抑制(7H)的結果。從圖7A-7F中可以明確地理解，對於心臟、肝臟和臀肌而言，慢速MAS與快速MAS方法得到的譜具有類似的解析度與強度。而在腎臟中(圖7G與7H)，快速旋轉獲得的線在某種程度上要比慢速旋轉得到的線寬，這可能又是由於旋轉造成的額外的磁化係數梯度引起的。
這些結果表明，相比於快速MAS的譜解析度，用本文公開的慢速旋轉方法產生的譜具有類似的解析度，在某些情況下甚至更好。
實例2樣本準備下面介紹的試驗是對切下的老鼠肝臟組織進行的，肝臟組織得自Fisher 344雄鼠。選擇肝臟的原因是，發現在靜態樣本中獲得的質子線太寬，以至於很難甚至無法分辨出不同的代謝物。在將肝臟從動物體內切除之前，用CO2令老鼠窒息而亡。在將樣本放入NMR旋轉機之前，將大約200mg肝臟切成小片(尺寸約為2mm)，隨機選取一部分放入旋轉機中，從而或多或少地提供各向同性的樣本。
使用了兩種不同的樣本準備方法。在第一種情況下，在切除後立即將切下的肝臟放入NMR旋轉機中。因此，從這種樣本獲得的結果可被視為期望得到的體內試驗結果。在第二種情況下，用與Bollard等人在High-Resolution1H and1H-13C Magic Angle Spinning NMRSpectroscopy of Rat Liver(對鼠肝臟進行高解析度1H及1H-13C魔角旋轉NMR頻譜分析)，Magn.Reson.Med.2000；44201-207中介紹的方法準備切下的肝臟，即用鹽水灌注肝臟，以除去殘留的血液，然後用液氮將肝臟速凍，並保存在-80℃的溫度下，直至需要。同樣地，在對冷凍樣本進行試驗前，需要將樣本放在旋轉機中保存約19小時。已經發現，這種處理會造成樣本的降級，雖然造成不同的線強度的劇烈變化，但這會使譜解析度顯著提高。因此，與第一種方法在不同試驗中獲得的譜解析度相比，這種樣本提供了更靈敏的方法。將肝臟切片放入OD為7.5-mm、ID為5-mm的Chemagnetic筆式旋轉機中的兩個特氟綸塞之間。將部件緩慢地推進旋轉機中，以避免在旋轉機中的樣本區域內產生大的氣泡。全部試驗在室溫25℃下進行。
結果在Chemagnetic 300MHz無限頻譜分析儀上進行1H NMR試驗，質子拉莫爾頻率為299.982MHz。使用7.5-mm筆型旋轉機系統帶的標準交叉極化(CP)/MAS探測器。為了能夠以低頻率旋轉，在旋轉機上安裝平面驅動油嘴(即不帶凹槽的，通常用來驅動旋轉機)，並在驅動通道中使用了氣流限制。在自動控制模式下，用商用ChemagneticsMAS速度控制器調節旋轉速度。在去掉驅動通路中的氣流限制並用平面驅動油嘴取代標準油嘴後，旋轉速率可以高達5kHz。
向老鼠肝臟施加如圖8所示的更改的PHORMAT序列。反射時間(Δ)及循環延遲時間分別為50μs及1s。自由感應在獲取尺度內(t2)衰減，包含300個複數點，並被變換為譜寬為8kHz的頻譜。用100個t1步收集2D數據，每步增量為700μs，100步對應於70ms的最大變化時間以及1.282kHz的變化譜寬。用(+)及(-)PHORMAT脈衝序列獲取2D數據組，脈衝序列在每個t1值共用到64次掃描，使總的測量時間達到大約3.0小時。按照Hu等人在Magic-Angle-Turning Experiments forMeasuring Chemical-Shift-Tensor Principal Values in Powered Solids(用來測量粉末狀固體的化學-變化-張量主值的魔-角-旋轉試驗，J.Magn.Reson.1995A113210-222中介紹的過程，使用在Chemagnetics無限頻譜分析儀上開發的宏處理程序構造超複雜(Hyper-complex)的2D數據組。脈衝寬度為9.5μs。DANTE序列由2000個RF脈衝構成，彼此間隔100μs，每個脈衝的脈衝寬度為0.8μs，這就形成了15,200度的累計滾角(flip angle)，以及約為202ms的τ值。
圖9A及9B表示新鮮肝臟樣本的1H PHORMAT譜，是在旋轉速率為1Hz時獲得的。圖9A表示2D圖像與在各向同性F1(t1)及各向異性F2(t2)尺度上各自的投影。為了減小沿各向同性尺度上的投影中的噪聲，在2D圖形中，只用到了包含譜信息的那部分，即在圖9A中所示的帶內的信息。在這種方式下，與使用全面積產生投影的情況相比，信噪比可以改善3-4倍。平行於F2軸進行切片，可以分別確定出每個各向同性峰的各向異性線形，如圖9B中畫出的9條。
從圖9A及9B中可知，用PHORMAT能夠獲得收縮的實線。例如，位於圖9B中0.9ppm處的甲基峰的各向異性線的寬度約為150Hz，而各向同性線的寬度為約15Hz，這表明獲得了約為10的線收縮因子。
圖10A、10B、10C及10D表示用不同方法獲得的新鮮肝臟樣本的譜。圖10A表示(圖9A中)PHORMAT 2D譜的各向異性(F2)投影，這與靜態樣本中獲得的譜相同。圖10B表示圖9A中給出的PHORMAT2D譜的各向同性(F1)投影。圖10C表示由2D-PASS獲得的中心頻帶的譜，旋轉速率為40Hz，2D-PASS序列中包括一個DANTE序列。獲得了十六個變化步驟，每個都累積了32次，循環時間為1.4s。圖10D表示用相當標準的快速MAS獲得的譜，旋轉速度為4kHz，使用DANTE進行水抑制，可以通過將PASS序列與五個間隔周期為25ms的180°脈衝平均排列獲得DANTE。進行三十二次掃描，循環延遲時間為1.4s。
結果表明，利用PHORMAT、PASS與快速MAS可以顯著提高解析度。然而，以40Hz旋轉頻率進行的2D-PASS(圖10C)得到了最好的解析度，甚至優於快速MAS(圖10D)，其中，額外的B非均勻性加寬是由旋轉自身引起的。相對於用PASS觀測到的線寬而言，估計MAS及PHORMAT試驗中的線寬分別會增加2及5Hz。造成這種PHORMAT中的解析度下降的原因可能是由於試驗的缺陷，例如旋轉機標誌的誤差、樣本切片中殘餘的各向異性、短期旋轉的不穩定以及主磁場的漂移(在相對較長的測試時間內(3小時)不會採取鎖定磁場的措施)。此外，增加的寬度可能是由於在變化及存儲在磁場期間產生的分子擴散引起的。
圖11A、11B、11C及11D表示經處理後的及長時間的肝臟樣本的1H譜，是在1Hz PHORMAT(圖11A、11B)，40Hz 2D-PASS(圖11C)及4kHz MAS(圖11D)的情況下獲得的。除了將變化增量加倍為200以適應長時間樣本中增加的線變窄的效應外，用與圖9A及9B相同的試驗參數獲得PHORMAT的結果。除了將每個變化增量的累積次數增加為64外，用與圖10C相同的試驗參數獲得2D-PASS的結果。除了將掃描次數增加為96外，用與圖10D相同的試驗參數獲得MAS的結果。
在這個樣本中，全部試驗得到的頻譜的解析度都比新鮮的、未處理的樣本高得多。在圖11B中，能夠區分處超過23個峰值，在圖中突出畫出其中四個。這些峰對應於(1)膽鹼甲基，(2)磷酸膽鹼甲基，(34)葡萄糖三甲胺-N-氧化物甲基。圖11A及11B分別表示PHORMAT試驗在各向異性(F2)及各向同性(F1)中的投影，從圖中可知，用PHORMAT也使長時間樣本中的實線變窄。例如，峰1-4的各向異性線的平均寬度約為55Hz，而這些峰的各向同性線的寬度約為4Hz。因此，與新鮮樣本中的因子10相比，在這個樣本中，收縮因子約為14。在用2D-PASS(2Hz)及快速MAS(3Hz)中都觀測到各向同性的寬度。同樣地，與對新鮮樣本的觀測結果一致，2D-PASS(圖4C)提供了最高的解析度。
從上述分析中可知，可以通過PHORMAT獲得對實譜解析度的改善。不能期望上面介紹的結果都是好的，可以預見，在磁化係數梯度中，在低旋轉速度的情況下，分子的擴散將引起線嚴重變寬。
參考多個優選實施例，對本發明的原則進行了示意及敘述，本領域內的普通技術人員應該理解，再不背離這些原則的情況下，可以在結構和細節上對本發明進行修改。
權利要求
1.一種對生物體進行磁共振分析的方法，包括將生物體置於主磁場及射頻場中，主磁場具有靜態的場方向；將生物體進行旋轉，旋轉頻率低於約100Hz，旋轉軸相對於靜態的主磁場方向成大約54°44』角；施加脈動射頻，以提供包括魔角旋轉脈衝段的脈衝序列；和收集由脈動射頻產生的數據。
2.根據權利要求1所述的方法，其中脈衝序列進一步包括水抑制脈衝段。
3.根據權利要求2所述的方法，其中水抑制脈衝段進一步包括DANTE段。
4.根據權利要求1所述的方法，其中魔角旋轉脈衝段包括初始的π/2脈衝。
5.根據權利要求1所述的方法，其中魔角旋轉脈衝段包括2D-PASS序列。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述魔角旋轉脈衝段包括相位修正的魔角旋轉脈衝段。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，所述生物體以在約1Hz到約100Hz之間的旋轉頻率進行旋轉。
8.根據權利要求6所述的方法，其中，所述相位修正的魔角旋轉脈衝段中至少包括第一90°脈衝、第二90°脈衝及第三90°脈衝，脈衝序列進一步包括在第三水90°脈衝之前立即執行的水抑制脈衝段。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所述生物體以在約1Hz到約50Hz之間的旋轉頻率進行旋轉。
10.一種對生物體進行磁共振分析的方法，包括令生物體受到主磁場及脈動射頻場的作用，主磁場具有靜態的場方向；將生物體進行旋轉，旋轉頻率低於100Hz，旋轉軸相對於靜態的主磁場方向成大約54°44』角；控制脈動射頻，以提供一個包括魔角旋轉脈衝段的序列；和生成對生物體內原子核對射頻序列脈衝的響應的磁共振分析結果。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述射頻脈衝序列包括2D-PASS序列。
12.根據權利要求10所述的方法，其中，所述射頻脈衝序列包括相位修正的魔角旋轉脈衝段。
13.根據權利要求6所述的方法，其中，所述生物體以低於約10Hz的旋轉頻率進行旋轉。
14.根據權利要求12所述的方法，其中，所述生物體以低於約10Hz的旋轉頻率進行旋轉。
15.一種對生物體進行磁共振分析的方法，包括將生物體置於主磁場及射頻場中，主磁場具有靜態的場方向；將生物體進行旋轉，旋轉頻率低於約100Hz，旋轉軸相對於靜態的主磁場方向成大約54°44』角；施加脈動射頻，以提供脈動序列，能夠產生具有與旋轉邊帶峰充分無關的譜；和收集由所述脈動射頻產生的數據。
16.根據權利要求6所述的方法，其中，所述生物體以低於約3Hz的旋轉頻率進行旋轉。
17.根據權利要求1所述的方法，其中，在所述生物體旋轉的過程中，所述主磁場保持固定。
18.根據權利要求10所述的方法，其中在生物體旋轉的過程中，主磁場保持固定。
19.根據權利要求2所述的方法，其中所述魔角旋轉脈衝段包括2D-PASS序列。
20.根據權利要求2所述的方法，其中，所述魔角旋轉脈衝段包括相位修正的魔角旋轉脈衝段。
21.根據權利要求12所述的方法，其中，所述生物體以低於約3Hz的旋轉頻率進行旋轉。
22.根據權利要求12所述的方法，其中，所述相位修正的魔角旋轉脈衝段中至少包括第一90°脈衝、第二90°脈衝及第三90°脈衝，所述脈衝序列進一步包括在第三水90°脈衝之前立即執行的水抑制脈衝段。
23.根據權利要求22所述的方法，其中，所述水抑制脈衝段進一步由DANTE序列構成。
24.根據權利要求10所述的方法，其中，所述脈衝序列進一步包括水抑制脈衝段。
25.根據權利要求22所述的方法，其中，所述水抑制脈衝段進一步包括DANTE序列。
26.一種對生物體進行磁共振分析的方法，包括將生物體置於主磁場及射頻場中，主磁場具有靜態的場方向；將生物體進行旋轉，旋轉頻率為大約20到100Hz，旋轉軸相對於靜態的主磁場方向成大約54°44』角；施加脈動射頻，使它能夠提供包括2D-相位-切換旋轉邊帶脈衝段的脈衝序列；和收集由所述脈動射頻產生的數據。
27.一種對生物體進行磁共振分析的方法，包括將生物體置於主磁場及射頻場中，主磁場具有靜態的場方向；將物體沿魔軸進行放置，所述魔軸相對於靜態的主磁場方向成大約54°44』角；在三個預定的位置上，圍繞在魔角軸將生物體重新定向，這三個預定位置彼此之間用120°關聯；施加脈動射頻，以提供脈衝序列，該脈衝序列能夠產生具有與各向異性加寬充分無關的譜；和收集由所述脈動射頻產生的數據。
28.一種對生物體進行磁共振分析的方法，包括提供主磁場，其包括具有靜態場方向與幅值的第一成分，還包括第二和第三成分，第二和第三成分每一個都是與第一成分的靜態場方向垂直的平面上的正弦場，幅值為第一成分的靜態場的幅值的21/2倍，其中，第二和第三成分產生的磁場在與靜態場方向垂直的平面內旋轉，旋轉頻率小於約100Hz，產生的合成場圍繞一個軸旋轉，這個軸相對於第一成分的靜態場方向成大約54°44』角；將生物體置於主磁場及射頻場中；施加脈動射頻，以提供一個脈衝序列，其能夠生成與旋轉邊帶峰充分無關的譜；和收集由脈動射頻產生的數據。
29.一種對生物體進行磁共振分析的方法，包括將生物體置於主磁場及射頻場中，主磁場具有靜態的場方向；將一塊磁鐵圍繞一個軸進行機械旋轉，這個軸相對於主磁場的靜態場方向成大約54°44』角，旋轉頻率小於約100Hz；施加脈動射頻，以提供脈衝序列，其能夠產生一個與旋轉邊帶峰充分無關的譜；和收集由脈動射頻產生的數據。
30.一種對生物體進行磁共振分析的方法，包括將生物體置於主磁場及射頻場中，主磁場具有靜態的場方向；將生物體進行旋轉，旋轉頻率低於約50Hz，旋轉軸相對於靜態的主磁場方向成大約54°44』角；將主磁場繞魔角軸進行旋轉，旋轉頻率低於約50Hz，使主磁場與生物體同步旋轉，旋轉方向相反；施加脈動射頻，以提供一個脈衝序列，其能夠生成與旋轉邊帶峰充分無關的譜；和收集由脈動射頻產生的數據。
31.一種對生物體進行磁共振分析的方法，包括令生物體受到主磁場、脈動射頻場以及至少一個脈動磁場梯度的作用，主磁場具有靜態的場方向；將生物體進行旋轉，旋轉頻率低於約100Hz，旋轉軸相對於靜態的主磁場方向成大約54°44』角；控制脈動射頻，提供一個包括魔角旋轉脈衝段的序列；施加脈動射頻及脈動磁場梯度，以產生具有空間選擇性的核磁共振數據；和生成對生物體內原子核對射頻序列脈衝的響應的磁共振分析結果。
32.根據權利要求31所述的方法，其中，所述生物體以在約1Hz到約50Hz之間的旋轉頻率進行旋轉，所述脈衝序列包括相位修正的魔角旋轉脈衝段。
33.根據權利要求32所述的方法，其中，所述生物體以低於約10Hz的旋轉頻率進行旋轉。
34.根據權利要求31所述的方法，其中，所述生物體以至少約20Hz的旋轉頻率進行旋轉，所述脈衝序列包括2D-相位-切換旋轉邊帶脈衝段。
35.根據權利要求27所述的方法，其中，所述磁共振分析包括磁共振成像，且所述射頻脈衝序列包括魔角旋轉脈衝段，所述方法進一步包括將生物體放在至少一個脈動磁場梯度中；施加脈動射頻及脈動磁場梯度，以產生具有空間選擇性的核磁共振數據；和生成對生物體內原子核對射頻序列脈衝的響應的磁共振分析結果。
36.根據權利要求28所述的方法，其中，所述磁共振分析包括磁共振成像，且所述射頻脈衝序列包括魔角旋轉脈衝段，所述方法進一步包括將生物體放在至少一個脈動磁場梯度中；施加脈動射頻及脈動磁場梯度，以產生具有空間選擇性的核磁共振數據；和生成對生物體內原子核對射頻序列脈衝的響應的磁共振分析結果。
37.根據權利要求29所述的方法，其中，所述磁共振分析包括磁共振成像，且所述射頻脈衝序列包括魔角旋轉脈衝段，所述方法進一步包括將生物體放在至少一個脈動磁場梯度中；施加脈動射頻及脈動磁場梯度，以產生具有空間選擇性的核磁共振數據；和生成對生物體內原子核對射頻序列脈衝的響應的磁共振分析結果。
38.根據權利要求30所述的方法，其中，所述磁共振分析包括磁共振成像，且所述射頻脈衝序列包括魔角旋轉脈衝段，所述方法進一步包括將生物體放在至少一個脈動磁場梯度中；施加脈動射頻及脈動磁場梯度，以產生具有空間選擇性的核磁共振數據；和生成對生物體內原子核對射頻序列脈衝的響應的磁共振分析結果。
全文摘要
本發明公開了一種對生物體進行磁共振分析的方法，該方法包括將生物體置於主磁場(具有靜態的場方向)及射頻場中；將生物體進行旋轉，旋轉頻率低於約100Hz，旋轉軸相對於靜態的主磁場方向成大約54°44』角；施加脈動射頻，以提供包括魔角旋轉脈衝段的脈衝序列；和收集由脈動射頻產生的數據。所述物體可以在魔角軸附近重定位，所述魔角軸在相互成120度的三個預定位置之間。所述主磁場可以進行機械或電旋轉。還公開了用於對物體進行磁共振成像的方法。
文檔編號G01R33/20GK1524187SQ02806267
公開日2004年8月25日 申請日期2002年3月7日 優先權日2001年3月9日
發明者羅伯特·A·溫德, 胡建志, 羅伯特 A 溫德 申請人:巴特爾紀念研究院