在实际工作中发现很多用户对于磁共振波谱成像的概念理解以及实战扫描中的质控因素都存在着这样或那样的问题。基于此，笔者将以GE磁共振设备为例从实战扫描的角度介绍一下波谱成像中的几个重要概念和质控因素。
波谱扫描的基本概念：这里要强调的基本概念是指波谱临床实际应用中几个相关基本概念，对于这些概念的理解和把握是合理开展波谱临床应用的基础。
01
单体素、2D多体素、3D多体素波谱成像的基本概念：在波谱临床应用过程中经常会听到单体素、多体素、3D多体素等概念，这里作为具体使用者必须弄清楚这些基本概念，同时还需要了解这些不同的波谱成像各自合理的应用范围。虽然每个医院或者研究机构的使用习惯不同，但实际上清楚理解这些不同波谱成像的差别还是具有很重要的指导意义的。
1）单体素波谱成像：体素是数字化断层成像过程中非常重要的一个概念。使用者首先需要建立起清晰的像素、体素等基本概念。成像层面被成像采集时所采用的矩阵划分为很多小的单元，从层面角度看每个小单元就是一个像素，Picture Element,简写为Pixel，像素代表的是成像小单元面积的大小；但是当我们考虑到数字化断层成像的层面厚度时，这时我们就赋予每个小单元Pixel体积大小的概念，这就是我们说的体素，Volume Element即 Voxel，体素代表的是每个成像小单元的体积大小。虽然体素也是个三维立体概念，但切不要认为当体素大到一定程度就等于3D成像了。无论对于常规的磁共振成像还是波谱成像，我们所看到的信号或者谱线都是这个体素内所有组织成分的综合反映。显而易见，体素越大这种组织间的部分容积效应就越明显。因为波谱成像时所反映的组织内这些代谢物的含量与水相比都极低，这就导致波谱成像的信噪比相对更低，这也在客观上制约了单体素波谱成像时体素不能太小。单体素波谱成像为了保证谱线的质量能够满足诊断和分析的需求，通常体素大小会在2*2*2cm3。在某些特殊部位如海马区域扫描，为了减少单体素波谱成像时的部分容积效应，有些操作者追求更小的体素，但须知当体素的边长缩小时，从体素角度而言体积的减少就更明显，这会导致单体素波谱信噪比过低，谱线难以满足诊断和分析要求。
2）2D多体素波谱成像：相比于单体素波谱成像而言，2D多体素波谱成像是进行了一个层面的波谱成像，这个具体的成像层面被划分为很多一个一个的小单元即体素。因为在2D多体素波谱成像我们可以实现一次成像进行多区域对比，而这种对比的成像基础是化学位移效应，因此2D多体素和3D多体素又被称为2D或3D化学位移成像(Chemical Shift Imaging, CSI)。这里还是需要强调一下：虽然可以通过改变体素的厚度（相当于常规成像的层面厚度）来覆盖更大的范围，但这显然会导致明显的部分容积效应，因此不要企图通过增加体素厚度来实现更大范围的覆盖。
单体素波谱扫描参数界面
图片说明：在波谱成像参数界面单体素波谱的标志是：频率编码、相位编码和CSI层面都是“1”，这就说明是单体素波谱成像。虽然波谱成像界面可以看到Frequency这个标识，但在波谱成像时空间位置的标定是通过相位编码实现的，波谱成像不施加频率编码梯度。体素的大小可以在Length这里确认，这里可以看到体素大小是20*20*20（mm3）。
多体素波谱扫描参数界面
图片说明：在波谱成像扫描参数界面多体素波谱的标志是：频率（Frequency）、相位（Phase）编码数均大于1如“18*18”而CSI Slices是“1”，这就说明是2D多体素波谱成像。体素厚度（Voxel Thickness）决定了2D多体素波谱成像的层面厚度。
单体素与2D多体素定位示意图
图片说明：单体素波谱成像只有一个体素，而多体素波谱成像可以包括多个体素。无论是单体素波谱成像还是多体素波谱成像在定位过程中在矢状位或冠状位上所显示的虚线是波谱体素的中心，也是轴位上进行定位的图像的层面中心。不要在矢状位或冠状位上直接改变波谱成像的体素厚度，这样会导致波谱成像体素中心和定位像层面中心错位。在较老版本平台的后处理过程中可能会导致波谱没有融合的定位像。虽然新平台下后处理这个限制不严格，但可能导致定位像与波谱并非同一层面。
3）3D多体素波谱成像：与2D多体素波谱成像相比，3D多体素波谱成像不仅包含多个体素而且还包含多个层面。在临床实际使用过程中因为扫描时间的限制3D多体素波谱成像的应用没有2D多体素那么广泛。如果采用3D多体素波谱成像可以实现多个层面的连续分析。注意因为波谱成像和常规成像的方法不同，3D多体素波谱成像中成像时间相对较长。
3D多体素波谱成像参数界面
图片说明：3D多体素波谱成像在参数界面上的一个重要标志是：CSI Slices、Frequency、Phase均大于“1”，这就说明是多层、多体素即3D波谱成像（3D CSI）。
02
不同成像模式的选择问题：既然波谱成像具有单体素、2D多体素、3D多体素几种不同的成像模式，那么我们在临床实际工作中该如何选择？这是很多用户经常问及的问题，也是一个没有标准答案的问题。我们在实际临床应用中具体选择哪种波谱成像既要建立在所要解决的临床问题之上，同时也需要使用者能够较为清晰的理解和掌握每种波谱成像方式的优点或不足。单体素波谱成像的体素相对较大，可以进行短TE成像，因此更有利于短T2物质成像。在弥漫性脑病如线粒体脑肌病或其他代谢性脑病可以进行单体素波谱成像。对于胶质瘤类病变有时进行单体素扫描对于显示肌醇这类物质更明显，这对于胶质瘤分级具有一定的帮助。相比于单体素波谱成像，2D多体素波谱成像可以实现一次成像多点对比分析，笔者更推荐作为脑内局灶病变特别是肿瘤类病变的波谱成像方式。以肿瘤类病变为例，进行2D多体素波谱成像时可以包括：病变、病变周围水肿区、病变周围正常组织，这样对于病变的诊断、鉴别诊断都有一定的指导意义。胶质瘤通常没有明确的边界，因此在其所谓周边水肿区内可能也有肿瘤细胞浸润，明确这一点就可以和转移瘤等脑外肿瘤进行鉴别。与单体素、2D多体素波谱成像相比，3D多体素波谱成像使用的相对较少，当然，它的好处是可以实现多层面、多区域对比分析。具体采用哪种方式的波谱成像建议使用者一定结合临床实际问题，对于初步使用波谱成像技术的用户而言可以在实际工作中多尝试、多对比。对于波谱成像技术本身的学习和对于波谱成像技术的临床应用都需要一个较长的自我学习和熟悉过程。
图片说明：单体素短TE（TE=35ms）波谱成像时可以明确显示肌醇峰和乳酸峰，这些对于分析肿瘤的生物学行为具有一定的指导意义。
图片说明：多体素波谱成像可以实现一次成像多区域对比分析。这里展示的是肿瘤病变的多体素波谱成像，在分析时显示：肿瘤实体区域呈比较典型的波谱表现，胆碱峰明显高于NAA峰，从胆碱峰到NAA峰呈“飞机降落”表现；而在肿瘤周边看似水肿区体素的谱线也呈这种类似改变，这提示水肿区有肿瘤细胞浸润。
03
不同TE时间选择：关于TE时间选择也是波谱成像中大家比较困惑的一个问题，这里需要了解一个基本点是：波谱成像从对比度上属于T2对比加权，TE时间的长短对于波谱基线、代谢物显示的多少都有一定影响。有些代谢物含量很低或者T2弛豫时间很短，在长TE上会被衰减掉而无法显示。显而易见，短TE能够显示的代谢物内容更多，但这也会导致基线不平滑。长TE时波谱基线平稳，但很多微量代谢物无法显示。波谱成像中的TE时间的设定不是人为任意可调整的，这里面考虑到乳酸双峰J耦合的影响，TE时间被固定了几个特定的值。短TE在GE设备上设为35ms,而长TE时间可以是144或144的倍数。这个144ms就是根据乳酸双峰的J耦合计算出来的。乳酸双峰的信号取向受余弦函数调制，公式比较复杂，感兴趣可以阅读前面的推文或者我书中相关内容。但有一点希望大家记住：TE144时这个余弦函数是cosπ,这个值是“-1”，而当TE是288时相应的余弦函数是cos2π，这个值是“+1”。这样我们看到的乳酸双峰的信号就是相互颠倒的。
图片说明：不同TE时间乳酸双峰信号取向。注意当TE时间是35ms时，相应的余弦函数是cos(π/4),此时对应的函数值是0.707，信号取向为正。另外注意，相对于长TE时间而言，短TE35ms时显示代谢物多单基线不平稳。
以上是波谱成像中几个基本概念。在具体使用波谱成像技术时对于参数界面每个参数的理解也是用好波谱成像技术的必要基础。接下来和大家解读一下波谱成像参数界面的几个重要参数。
单体素波谱参数界面解读：单体素波谱成像的参数相对简单一些，但有些参数需要理解它的具体含义。
图片说明：单体素波谱波谱扫描界面，这里对比发现当NEX选择8或者2，时间差距很小，这提示这里的NEX和常规成像时的NEX应该有所区别。
1）单体素波谱成像真正的激励次数是什么？这里展示的单体素波谱成像参数界面非常值得我们深入思考。当NEX从2改为8时我们发现扫描时间仅仅长了6秒，这显示不符合常规激励次数的概念。该参数界面有一个小误区：当NEX从2到8时界面上的相对信噪比从50%变为100%，提示信噪比提高了2倍。在参数界面中的Rel.SNR和NEX的平方根成正比，所以理论上当NEX从2改为8其信噪比应该增加为（8/2）的平方根倍。这么计算Rel.SNR增加2倍是完全正确的。但事实上界面中的Rel.SNR采用的是一个默认的计算公式，涉及到NEX、信号接收带宽（Bandwidth）、FOV等。但这里提醒大家，在单体素波谱成像时这个NEX并不是常规成像时所说的NEX。这里的NEX选择有2和8两种选择模式，这个NEX实际代表的是梯度工作的一种排列模式，而真正的激励次数是由Advance选项中的User CV中的total number of scans来决定。
图片说明：这里对比发现当改变“total number of scans”时扫描时间会随之发生相关性变化，波谱扫描中涉及的环节多，这里表现不是完全等比例变化。注意，因为默认计算Rel.SNR的公式中不包含“total number of scans”这个变量，所以这里看到的“Rel.SNR”并没有变化，这是一个假象。
了解这个概念对于单体素波谱扫描具有非常大的临床实际意义。在进行单体素波谱扫描时，如果体素调整的过小，就必须提高实际采集的次数以提高信噪比。在这种情况下就需要进入Advance中调整“total number of scans”这个变量。虽然我们总说“百闻不如一见”，但“见到的”未必就是“真实的”，只有经过认真的思考才能更好的理解背后的真相。
2）波谱成像的扫描模式：在波谱成像参数界面的高级用户选项窗口可以见到一个“scan mode”选项。虽然日常临床应用中用户不需要对此进行调整，但通过对这个窗口选项的测试扫描可以对波谱扫描的操作细节有所帮助。
单体素波谱成像“scan mode -1”
图片说明：单体素波谱成像当扫描模式选为“-1”，ROI边缘饱和带选为“7”时重建出来的扫描图像。
单体素波谱成像“scan mode 0”
图片说明：单体素波谱成像当扫描模式选为“0”，ROI边缘饱和带选为“7”时重建出来的扫描图像。
在波谱扫描的扫描模式中有-1，0，1，2等几种不同的选择，其中“1”是通常默认的常规模式。但这里我们选择“-1”和“0”两种模式来验证一下波谱扫描的精准边缘饱和带使用。当选择“-1”时，可以清晰显示波谱体素及其四周的精准饱和带。而当选择“0”时则只显示波谱体素自身。在波谱成像定位过程中很多使用者习惯于加过多的饱和带，但实际上当我们在波谱成像高级用户变量处选择了“7”时就意味着在相比波谱体素前、后、左、右及上、下施加了6个方位的精准饱和带。在ROI edge sat mask这个用户变量中选择的具体数字不代表饱和带的数目，而是代表在哪几个方向施加饱和带的组合，如果这里选择了“3”则代表只在上、下和前、后施加了饱和带；而如果选择“5”则代表在上、下和左、右施加了饱和带。图示可见该饱和带相对较窄，这是为了确保饱和带具有更精准的空间准确性。通常饱和带越宽其空间精准度就越差，而饱和带越窄其空间精准度就越高。波谱ROI边缘的饱和带以往也称为Very Selective Satuation，这里“真正选择饱和”就是强调的其空间精准性。这里通过改变不同的扫描模式对于大家理解波谱扫描中饱和带的概念很有意义。
2D多体素波谱成像“scan mode -1”
图片说明：2D多体素波谱成像，定位时不使用手动施加饱和带和使用手动施加饱和带在选择扫描模式“-1”时的对比。当ROI边缘饱和带选择“7”时在波谱定位框边缘可见精准饱和带；施加手动饱和带时可见手动饱和带区。
3D多体素波谱成像 scan mode 1 vs 2
图片说明：3D多体素波谱成像时定位示意图，同时分别选择scan mode 1和2明确其差别。
3）3D多体素波谱成像几个重要参数解读：尽管3D多体素波谱成像因为扫描时间过长在临床未被常规使用，但波谱界面中有几个参数只有在3D多体素波谱成像才有实际意义。如CSI Slice Thickness,scan mode 2，这里和大家讨论一下这几个参数的意义。
CSI Slice Thickness：化学位移成像层面厚度，这个参数在单体素波谱成像、2D多体素波谱成像都没有实际意义，但在3D多体素波谱成像这个化学位移成像的层面厚度有两个方面的意义：其一，当规定了的CSI Slices如8，这个CSI层面厚度和CSI层数相乘所决定的范围一定要大于在3D波谱定位界面中人为规定的成像感兴趣区厚度，注意尽管这里仍然用Voxel Thickness这个术语，但这个Voxel Thickness是由多个层面组成的。当Voxel Thickness达到一定范围后系统就会自动增加CSI层面厚度以满足这一基本条件。当然我们也可以增加CSI层数来获得较小的CSI层面厚度，但这带来的代价是扫描时间的延长。其二，scan mode选为1和2时系统都进行的是波谱谱线重建，但选择1时系统重建的波谱范围是波谱定位时实际决定的感兴趣区厚度，重建出来的每一层厚度由给波谱做定位像的序列如轴位T2加权像等的层面厚度来决定；当scan mode选为2时重建出来的波谱谱线的厚度范围由CSI层面厚度和CSI层面数乘积决定，其层面厚度就是CSI的层面厚度。
图片说明：scan mode为1时重建出来的波谱连续两个层面之间的间距是5mm，因为定位时采用的轴位定位像是5mm，0间距；而scan mode为2时重建出来的波谱连续两个层面之间的间距是10mm，这时采用的就是CSI的层面厚度，也可以理解为3D成像时直接由层面间的相位编码梯度决定的层面厚度。
通过对3D波谱成像界面几个参数的实验扫描与对比分析可以发现：任何参数的存在都有其存在的价值，使用者必须进行必要的实验并对获得的结果仔细分析才能更加深刻的理解这些参数的实际意义。磁共振成像原理的学习过程就是一个学与习的有机结合过程。