专利名称：用魔角技术实现高分辨率磁共振分析的方法
技术领域：
本公告涉及到对磁共振(MR)的分析，具体而言涉及到生物体(biological objects)的磁共振光谱(MRS)及成像(MRI)。
背景技术：
某些选择的原子核组展现出磁共振现象，这是由于在这些原子核(被称为“磁旋(gyromagnetic)”核)中存在核磁场的运动而产生的。将磁旋核放入均衡稳定的强磁场(即所谓的“外部场”，在此称为“静态”磁场)中时，它将产生自然频率为拉莫尔(Larmor)频率的进动。拉莫尔频率是每个核类型的特性，它取决于在原子核所处的位置上施加的场强。典型的磁旋核包括1H(质子)、13C、19F与31P。施加频率为拉莫尔频率(或附近)的强RF脉冲能够产生横向的磁化作用，通过对横向磁化强度进行监测，可以观测原子核的进动频率(precessionfrequency)。在实际工作中，常常用傅里叶变换将测量信号变换为频谱。
更具体地，如果将大量含有活跃核磁共振(NMR)的样本置于磁场中，按照波尔兹曼(Boltzmann)统计结果，通过核自旋将这些原子核划分为不同的核磁能级。这就在总体上导致了各能级和净核磁效应(netnuclear magnetization)间的失衡，。NMR技术就是将这种净核磁效应作为研究物体。
在处于平衡状态时，净核磁效应是静态的，其方向与外部磁场的方向平行。可以在与第一个磁场垂直的方向上施加第二个磁�。么懦∫岳德�(或接近的频率)旋转，则可以使净核磁效应发生相干运动。在常规场强中，由于拉莫尔频率的频率范围分布在兆赫的级别，这个第二个场被称为“射频”或RF场。
特别地，如果向处于静态磁场中的样本施加短(毫秒)射频辐射脉冲时，这个脉冲等效于一定频率范围内的辐射。测得的RF脉冲响应的自由感应衰减(FID)为时间的函数。样本对脉冲的响应取决于样本在所施加的频率范围内(例如500MHz±2500Hz)对RF能量的吸收程度。为了提高信噪比，往往要将脉冲施加很多次，并对结果进行平均。
将RF场周围的核磁效应的相干运动称为章动(nutation)。为了方便地处理这种章动，使用了一种以拉莫尔频率围绕z-轴旋转的参考帧。在这个RF场(在固定的“实验室”内旋转)内的“旋转帧”部分中，参考帧的方向与磁效应方向相同，而且是静态的。因此，RF场的效果是使核磁效应相对于静态的主场方向以一个角度进行旋转。按照惯例，使核磁效应旋转角度为90°或π/2弧度的具有足够长度的RF场脉冲被称为“π/2脉冲”如果施加一个频率在核共振频率附近的π/2脉冲，它将使旋转磁效应从沿静态主磁场方向的初始方向向与静态主场方向垂直的平面内旋转。与主磁场方向垂直的净磁效应成分相对于主磁场以拉莫尔频率进动。这个进动可以用接收线圈进行检测，接收线圈的谐振频率为进动频率，被放在能够使劲动磁场在线圈上产生感应电压的位置。通常，“传导线圈”的作用是产生样本的RF�。敖邮障呷Α钡淖饔檬羌觳獯判вΓ呶桓鱿呷�。
在没有施加RF场的情况下，除了频率为拉莫尔频率的进动，仍然会产生具有两种张驰过程的核磁效应(1)不同核旋转的进动，使净核磁效应产生各自的相差，因此，在横断面上的磁效应失去相位相干性(被称为“旋转-旋转”张驰)，相关的张驰时间为T2；(2)每个核旋转返回各自的核磁能级平衡群体中(被称为“旋转-栅格”张驰)，相关的张驰时间为T1。旋转-旋转张驰是由于存在微小局部磁场而引起的，该磁场是由环绕在特定原子核周围的电子、磁核与其它磁偶极子产生的。这些磁场使得每个核的谐振频率略微变化，这将使NMR谐振线变宽。通常，这种加宽是由两类局部场引起的静态成分，将引起所谓的不均匀加宽；以及由于分子运动及磁核间的互感而产生的时变的波动局部场。后一种现象产生了所谓的不均匀加宽。
在生物学研究及医学领域内(包括在试管内(in vitro)研究细胞和组织，以及在试管内对动物和人类进行的测量)，磁共振图像与磁共振波谱得到广泛应用。这两种方法都不具有侵害性和破坏性，并用于多种场合，包括伤口与疾病的检测及诊断，并用来评估治疗的结果。一种特别有用的MRS技术是1H核磁共振(NMR)谱。1H NMR谱被广泛用于对患病细胞及组织中新陈代谢变化以及治疗效果的研究。通过对与几个关键合成易变指标对应的共振线进行观测，它们的谱强度与肿瘤的显型、发生、肿瘤尺寸、细胞的增殖、细胞的死亡与坏死有关。
然而，在这些应用中存在一个严重问题，即使用常规的MRI及MRS中观测到的MR共振线相对而言宽度过大。这就降低了MRI及MRS的灵敏度，对于MRS而言，将引起多个谱线的交迭，这将严重妨碍对谱的分析。已经知道，在生物材料内，线的宽度主要是由非均匀的加宽引起的。在完整的细胞核组织内，使线产生非均匀加宽的机制可能包括剩余的化学变化各向异性互感作用，以及在细胞与组织中存在的不同间隔边界的大量的磁化系数的变化引起的磁场梯度。本领域内的技术人员确信，大量磁化系数的变化是产生加宽的主要机制。可以使用细胞提取物来消除这种加宽，但是这个过程无法用于活体，耗时而且可能引入谱分析的人工效应。
众所周知，可以通过魔角旋转(MAS)来消除磁化系数加宽以及其它非均匀加宽的机制，此时，样本沿着与静态磁场的方向成54°44’(或cos-1(3-1/2))角度的轴进行旋转。MAS存在一个问题，相对加宽的宽度而言，如果旋转速率的值较�。痴穹褰环纸獬捎眯俾史指舻男叽�(SSB)集合。如果旋转速率的值小于各向同性的谱宽，由于与不同谐振峰关联的SSB产生交迭，将会使得对谱的分析相当困难。通过提高旋转速率来消除感兴趣的谱区间内的SSB，可以避免这个问题。事实上，已经证明，快速的MAS(其中，样本以几kHz的速度旋转)使细胞及组织中的MR线明显变窄(参见Weybright et al.，Gradient High-Resolution，Magic Angle Spining1H Nuclear MagneticResonance Spectroscopy of Intact Cells，Magnetic Resonance inMedicine 1998；39337-345(完整细胞的梯度、高分辨率、魔角旋转1H核磁共振谱，Magnetic Resonance in Medicine 1998；39337-345)；以及Cheng等的“利用高分辨率魔角旋转质子磁共振谱对神经生理学进行定量分析”，Proc.Natl.Acad.Sci.USA 1997；946428-6413)。然而，这样高的旋转速率产生的大的离心力将破坏组织器官甚至是部分细胞(参见Weybright等人的文章)。因此，高旋转速率的MAS并不适合，例如，在绘制生物组织相互间的代谢分布图或研究活细胞时，而且高旋转速率的MAS不能用在活体中。
克服快速MAS带来的问题的一种可能的方式是使用慢速样本旋转。在固态NMR中产生了许多方法，用来消除旋转边带，或者将它们从各项同性的谱中分离出来，从而获得与各项同性的化学变化谱无关的边带。一种方法被称为魔角旋转(MAT)技术，当旋转速率低至30Hz时，在固体中获得了与各项同性的化学变化谱无关的边带(Hu等人的Magic Angle Turning and Hopping(魔角旋转及跳变)，in Encyclopediaof Magnetic Resonance D.M.Grant，and R.K.Harris，Eds.New YorkJohn Wiley & Sons1996，2914-2921)。
MAT为二维(2D)NMR技术，研究的这种方法是用来确定诸如固体中的13C及15N之类的稀有旋转的化学变化张量。有两种基本的MAT试验类型。第一种类型(MAT-1)是的魔角跳动(MAH)试验，这种方法的来源是Bax等撰写的“利用二维傅里叶变换魔角跳动NMR谱分析各向同性变化及化学变化各向异性的相关性分析，J.Magn.Reson.1983；52147”。第二类(MAT-2)中，包括在固定变化时间周期(例如一个旋转周期)内使用五个射频π脉冲的过程。MAT-2技术中包括五个重复的π魔角旋转(FIREMAT)(参见Hu等人的An Isotropic ChemicalShift Anisotropy Magic Angle Slow-Spinning 2D NMR Experiment(各向同性化学变化-化学变化各向异性魔角慢速-旋转的2D NMR试验)，J.Magn.Reson.1993；A 10582-87；以及Alderman等人的A HighResolution High Sensitivity Isotropic and Anisotropic CorrelationExperiment(一种高分辨率高灵敏度的各向同性及各向异性相关试验，)Molecular Physics 1998；95(6)1113-1126)以及2D-相位-交替旋转边带(PASS)技术(Antzukin等人的Two-Dimentsional SidebandSeparation in Magic-Angle-Spinning NMR(魔-角-旋转NMR中的二-维边带分离”)J.Magn.Reson 1995；A1157-19)。所有这些试验都是2D的各向同性-各向异性化学变化的相关性试验，能够产生一个高分辨率的各向同性化学变化尺度和一个化学变化各向异性尺度。尽管在固态NMR中应用到MAT(参见Hu等人的“魔角旋转及跳变”；Gan等人的“利用慢速魔角旋转对固体进行高分辨率化学变化及话旋变化各向异性相关分析”，J.Am.Chem.Soc.1992；1148307-9309；Hu等人的“用来测量粉末状固体的化学-变化-张量主值的魔-角-旋转试验”，J.Magn.Reson.1995A113210-222；Hu等人的“各向同性化学变化-化学变化各向异性魔角慢速-旋转的2D NMR试验”；Alderman等人的“一种高分辨率高灵敏度的各向同性及各向异性相关试验”；以及Antzukin等人的“魔-角-旋转NMR中的二-维边带分离”)，但到目前仍未研究这种方法在生物学领域中的潜在应用能力。
与固体相对，尚未研究MAT在生物体中的应用的一个原因是，大家确信，在对原子核进行试验时，在内部静态局部磁场中的包含感兴趣的原子核的分子的扩散，这将引起随时间变化的场。这种效应随着旋转频率的下降而变得更差，这将引起对SSB的不利抑制。换句话说，由于布朗运动(它使分子在全部细胞中进行扩散)使慢速MAS无法使磁化系数变化得更宽，因此不希望在生物物质中使用MAT技术。事实上，在对包在玻璃珠内的水进行的标准快速MAS试验中表明，即使在几百Hz的旋转速度下，谱线仍然变宽了(参见Leu等人的“在用旋转样本进行NMR试验时由于扩散引起的幅值调制与张驰”，Chem.Phys.Lett 2000；332344-350)；试验还表明，当旋转速度低于1kHz时，在对包在玻璃珠内的水中产生的SSB进行抑制时，被称为总体边带抑制(TOSS)的边带抑制方法无效(参见Liu等人的Manipulation of Phase and Amplitude Modulation of Spin magnetizationin Magic Angle Spinning NMR in the Presence of Molecular Diffusion，(在出现分子扩散的魔角旋转NMR中对旋转磁效应进行相位及幅值调制的操作方法，)J.Chem.20011145729-5734)。
另一种提高NMR谱的灵敏度及分辨率的方法中包括将磁场而不是样本进行旋转(的过程)。根据这种方法，保持样本为静态的。例如，Bradbury等人在Nuclear Magnetic Resonance in a Rotating MagneticField(旋转磁场中的核磁共振)，Phys.Letters 1968；26A405-406中宣布的，将一个静态场与两个正弦场叠加，令静态磁场旋转，相位与垂直于静态场的平面正交，幅值是静态成分的 倍。然而，这种方法从未被深入研究过。
因此，需要研究能够对生物体磁共振进行高分辨率的分析的方法。特别地，需要研究这样的磁共振分析技术，它不会伤害生物体内组织或细胞的器官，而且在物体旋转速率较低时，不会产生与SSB有关的问题。
发明内容
通过将魔角旋转技术与测定的脉动射频序列结合，本文对分析物体磁共振的方法进行了说明。这种结合首次提出了获取生物体高分辨率谱的方法，该方法(a)不会对生物体内的组织或细胞器官造成伤害；(b)充分地消除了谱中与慢速魔角旋转相关的旋转边带峰。在常规期望方法中，在内部静态局部磁场中，包含感兴趣的原子核的分子发生扩散，这对于慢速旋转是有问题的，与此不同的是，本发明取得了令人惊讶的发现，在此宣布的方法提供了NMR谱，它的分辨率与常规快速MAS方法获得的谱分辨率相当或者更好，而且，在低旋转频率下，这个NMR谱与旋转边带峰充分无关。
特别地，根据第一实施例，提出了能够对生物体进行磁共振分析的方法，包括将生物体置于主磁场及射频场中，主磁场具有静态的场方向；将生物体进行旋转，旋转频率低于100Hz，旋转轴相对于静态的主磁场方向成大约54°44’角；施加脉动射频，此脉冲能够产生包括魔角旋转脉冲段的序列；收集脉动射频产生的数据。
根据第二实施例，提出了能够对生物体进行磁共振分析的方法，包括将生物体置于主磁场及射频场中，主磁场具有静态的场方向；将生物体进行旋转，旋转频率低于100Hz，旋转轴相对于静态的主磁场方向成大约54°44’角；施加脉动射频，此脉冲能够产生一个序列，具有生成与旋转边带峰充分无关的谱的能力；收集脉动射频产生的数据。
根据第三实施例，提出了能够对生物体进行磁共振分析的方法，包括将生物体置于主磁场及射频场中，主磁场具有静态的场方向；将生物体进行旋转，旋转频率低于100Hz，旋转轴相对于静态的主磁场方向成大约54°44’角；调节脉动射频，使它能够产生一个射频辐射脉冲序列，具有生成与旋转边带峰充分无关的谱的能力；生成对生物体内原子核对射频序列脉冲的响应的磁共振分析结果。
根据第四实施例，提出了能够对生物体进行磁共振分析的方法，包括将生物体置于主磁场及射频场中，主磁场具有静态的场方向；将物体沿魔轴进行放置，魔轴相对于静态的主磁场方向成大约54°44’角；在三个预定的位置上，在魔角轴周围将物体重新定向，这三个预定位置彼此之间相差120°；施加脉动射频，此脉冲能够产生一个序列，具有生成与各向异性加宽(例如，磁化系数变宽)充分无关的谱的能力；收集脉动射频产生的数据。
根据第五实施例，提出了能够对生物体进行磁共振分析的方法，包括提供主磁�。渲邪ň哂芯蔡》较蛴敕档牡谝怀煞郑拱ǖ诙偷谌煞郑诙偷谌煞侄际怯氲谝怀煞值木蔡》较虼怪钡钠矫嫔系恼页。滴谝怀煞值木蔡〉姆档�21/2倍，其中，第二和第三成分产生的磁场在与静态场方向垂直的平面内旋转，旋转频率小于100Hz，产生的合成场围绕一个轴旋转，这个轴相对于第一成分的静态场方向成大约54°44’角；将生物体置于主磁场及射频场中；施加脉动射频，使它能够产生一个射频辐射脉冲序列，具有生成与旋转边带峰充分无关的谱的能力；收集脉动射频产生的数据。
根据第六实施例，提出了能够对生物体进行磁共振分析的方法，包括将生物体置于主磁场及射频场中，主磁场具有静态的场方向；将一块磁铁围绕一个轴进行机械旋转，这个轴相对于主磁场的静态场方向成大约54°44’角，旋转频率小于100Hz；施加脉动射频，使它能够产生一个射频辐射脉冲序列，具有生成与旋转边带峰充分无关的谱的能力；收集脉动射频产生的数据。
根据第七实施例，提出了能够对生物体进行磁共振分析的方法，包括将生物体置于主磁场及射频场中，主磁场具有静态的场方向；将生物体进行旋转，旋转频率低于50Hz，旋转轴相对于静态的主磁场方向成大约54°44’角；将主磁场绕魔角轴进行旋转，旋转频率低于50Hz，使主磁场与生物体同步旋转，旋转方向相反；调节脉动射频，使它能够产生一个射频辐射脉冲序列，具有生成与旋转边带峰充分无关的谱的能力；生成对生物体内原子核对射频序列脉冲的响应的磁共振分析结果。
根据第八实施例，提出了能够对生物体进行磁共振分析的方法，包括将生物体置于主磁场、射频场以及至少一个梯度脉动磁场中，主磁场具有静态的场方向。将生物体进行旋转，旋转频率低于100Hz，旋转轴相对于静态的主磁场方向成大约54°44’角。控制脉动射频，产生包含魔角旋转脉冲段的脉冲序列。脉动射频与脉动磁场都产生脉动，从而产生具有空间选择性的核磁共振数据。生物体内的原子核对脉动射频进行响应，并产生对此结果进行的核共振分析。
可以发现，在此宣布的包括使用脉冲序列的方法中，有一个特别有用的不同之处，即包含了2D-相位-切换的旋转边带(2D-PASS)脉冲段。另外一个特别有用的脉冲段是相位-修正的魔角旋转(PHORMAT)脉冲段。
对在试管内研究小物体的情况，对于在细胞及完整切除的组织及器官进行的MRS试验中的原子核而言，若要提高MRI试验中的NMR灵敏度、提高1H的NMR谱的灵敏度及分辨率以及其它NMR灵敏度，这种包括2D-PASS段的方法尤其有用。对在试管内研究较大的生物体的情况，对于在活体生物或人体进行的MRS试验中的原子核而言，若要提高1H的NMR谱的分辨率以及其它NMR灵敏度，这种包括PHORMAT段的方法尤其有用。即使不是充分消除了对组织及细胞的伤害，这种对样本进行的慢速旋转也会使损害最小。与快速MAS相比，在此宣布的方法具有一些重要的优点(I)可以使用更大的旋转机，并因此可以选用更大的样本，这将提高NMR的灵敏度(当本方法用于具有比质子更小的NMR-灵敏度的原子核时尤其重要)；(II)在慢速旋转的情况下，生物样本的器官完整性经受最小的变化，或者不会改变(即避免了高速旋转引起的谱的人工效应，这种效应是由于旋转过程中样本的变形引起的)；及(III)除了各向同性谱外，能够确定出个体水及代谢线的各向异性模式(使得能够获取关于周围不同化合物的信息)。
附图简要说明参考附图，将对特定的实施例进行更详细的说明。
图1为将生物体进行旋转的透视图，旋转在相对于静态主磁场成魔角的方向上进行；图2表示根据本公开方法的一个2D-PASS RF脉冲序列的实施例；图3A与3B表示1H的谱，这是利用常规的NMR技术及固定采样间隔对完整切下的鼠脑进行分析获得的结果；图3C与3D表示1H的谱，这是利用慢速MAS及RF脉冲序列对完整切下的鼠脑进行分析获得的结果，RF脉冲序列中未包括水抑制段(water suppression segment)以及MAT段；图4为1H 2D-PASS谱的层次图，这是利用在此公开的一个实施例的方法对完整切下的鼠脑进行分析获得的结果；图5A、5B及5C表示1H 2D-PASS谱，这是利用在此公开的一个实施例的方法对完整切下的鼠脑进行分析获得的结果；图5D及5E表示1H谱，这是现有的快速MAS方法对完整切下的鼠脑进行分析获得的结果；图6A、6B及6C表示固定采样的质子谱，这是利用RF脉冲序列对完整切下的鼠脑进行分析获得的结果，RF脉冲序列中未包括水抑制段；图7A-7H表示用2D-PASS对不同的完整切下的鼠器官及组织获取的质子谱；
图8表示根据本公示方法的另一个脉冲序列的实施例(PHORMAT)；图9A及9B表示1H 2D-PASS谱，这是利用在此公开的一个实施例的方法对完整切下的鼠肝脏组织进行分析获得的结果；图10A、10B及10C表示1H谱，这是利用在此公开的实施例的方法对完整切下的鼠肝脏组织进行分析获得的结果；图10D表示1H谱，这是快速MAS方法对完整切下的鼠肝脏组织进行分析获得的结果；图11A、11B及11C表示1H谱，这是利用在此公开的实施例的方法对完整切下的鼠肝脏组织进行分析获得的结果；图11D表示1H谱，这是快速MAS方法对完整切下的鼠肝脏组织进行分析获得的结果；图12表示用于将磁场进行电气旋转的RF线圈器官图；图13表示用于容纳生物体的平台以及将磁场进行机械旋转的设备图；图14A-E表示将MRI序列与2D-PASS RF序列进行组合的实施例；图15A及15B表示将MRI序列与PHORMT序列进行组合的实施例；具体实施方式
为了便于理解，在此对下列术语进行更详细的说明“物体”表示三维物体，例如完整的动物、动物器官、诸如出土的人工制品之类的固体、进行谱分析的样本(例如组织或细胞切片)、非生物的液体物质(例如有机物)或者固体物质(例如金属粉末)。
“流体”表示与固体相对的物体，包含实在数量的流体(例如超过重量的60％)。典型的流体实例是完整的人或人体器官，在典型情况下，它们至少包含大约80％重量的水。
“生物体”表示所有包括细胞体的物体，通常为流体。生物体的实例包括细胞系统、切除的组织及完整的器官、活体动物以及病人。
“主磁”或“主磁场”表示现有技术中能够产生静态磁场的磁铁(通常指B0或H0)。主磁场有别于用于感应出原子核的激励的RF磁�。蛴斜鹩诖殴舱裰杏玫降牡腞F磁梯度场。当然，可将MRS及MRI工具用来说明包括使用主磁铁的方法，主磁铁能够产生静态的均匀主磁场。为人熟知的、典型的这类磁铁使超导磁铁。
上述定义的目的仅仅是为读者提供帮助，而不应认为它比本领域内的普通技术人员所理解的范围更�。膊挥Ρ焕斫馕嵌愿郊拥娜ɡ蟮姆段У南薅�。
魔角旋转的方法是将物体放置在部分依赖于时间的外部磁场之内，而不是象目前使用的方法那样，将它放在静态磁场B0中。具体而言，磁场包括一个幅值为 的静态成分，还包括一个幅值为 在垂直于静态磁场成分的平面内旋转的成分。
根据在上面标识的第一、第二及第三实施例，在慢速魔角旋转中，物体旋转或转动的频率小于约100Hz，最好小于约10Hz，更好是小于约3Hz。作为实例，可能的旋转频率范围在大约1Hz到约100Hz之间，最好是从约1Hz到约5Hz之间。与之相反，在标准的快速魔角旋转中，使用的频率至少达到kHz的量级。
根据在上面标识的第四实施例，对象是绕魔轴以120°角进行“跳变”，而不是连续旋转。完成一次完整的旋转的时间于连续旋转(例如，在第一、第二及第三实施例中的那样)的时间对应，连续旋转的频率小于约100Hz，最好小于约10Hz，更好是小于约3Hz。
根据在上面标识的第五实施例，磁铁及生物体都保持固定，部分磁场随时间进行电气补偿，使整个磁场围绕相对于整个磁场的方向成魔角的轴进行旋转，旋转的频率小于约100Hz，最好小于约10Hz，更好是小于约3Hz。例如，可能的旋转频率范围在大约1Hz到约100Hz之间，最好是从约1Hz到约5Hz之间。
根据在上面标识的第六实施例，生物体保持固定，磁铁围绕相对于整个磁场的方向成魔角的轴进行旋转，旋转的频率小于约100Hz，最好小于约10Hz，如果小于约3Hz则更好。例如，可能的旋转频率范围在大约1Hz到约100Hz之间，最好是从约1Hz到约5Hz之间。
根据在上面标识的第七实施例，生物体及磁场在相反的方向上旋转，旋转的频率小于约50Hz，最好小于约3Hz，更好是小于约2Hz。例如，可能的旋转频率范围在大约0.5Hz到约50Hz之间，最好是从约0.5Hz到约2Hz之间。
图1所示为用来旋转物体的结构的实例，其中主磁场为固定的。将生物体1放置在样品固定器2中，固定器可以围绕方向为X的轴3进行旋转，轴3位于在由MRS或MRI工具中的主磁铁(未画出)形成的静态磁场中。轴3的方位相对于静态磁场B0的方向成54°44’角。对于MAS而言，能够使物体或样本发生旋转的MRS(例如NMR)及MRI装置广为人知(例如，参见美国专利No.4,511,841)。市场上可获得的具有用于旋转样本的转动台的NMR工具包括Varian/Chemagnetic公司(Ft.Collins，CO)或Bruke Instrument公司(Billerica，MA)生产的探测器。
对于上述第五实施例，用图12对磁铁结构的实例进行说明，该磁铁结构的作用是，在生物体保持固定的时候，产生电气旋转的磁场。一对互补的第一RF线圈21的排列方式是在x-方向上产生交变磁场Bx，由Bx=2/3·B0·sin(ωrt)]]>给出。一对互补的第二RF线圈22的排列方式是在y-方向上产生静态磁场By，由By=B0/3]]>给出。一对互补的第三RF线圈23的排列方式是产生Bz=2/3·B0·cos(ωrt)]]>的交变磁场。在每组线圈21、22、23中通过DC与AC电流，产生三个互相正交的磁场成分。将生物体20放置在线圈系统的中心。则给定的总磁场为B0，其结果是总磁场围绕相对于静态成分By成54°44’魔角的方向上的轴旋转。
对于上述第六实施例，用图13对使磁铁发生物理旋转的结构的实例进行说明，而生物体保持固定。用磁腔10形成用来容纳生物体(例如人体)12的空间11以及径向轴13。磁腔10的径向轴13放置的方向是相对于主磁场B0的方向成54°44’的魔角。磁腔10产生主磁场B0。磁腔10可以围绕径向轴13进行旋转，其方向如图13中的指向箭头所示。
在上述的第七实施例中，生物体及主磁场分别在相反的旋转方向上进行旋转。例如，可对如图12或图13叙述的装置进行修改，使得生物体也可以旋转。这样的旋转可以使生物体及主磁场的旋转频率下降一半(a factor of two)。
在此公开的方法中，所用的RF脉冲序列可以是能够在低速MAS方法中产生于旋转边带充分无关的高分辨率谱的序列的任意排列或序列。在扫描过程中，RF脉冲序列可以在每个旋转周期内重复(即物体发生一次360°旋转)。这些RF脉冲序列中典型特点是它们是各向同性-各向异性化学变化相关脉冲序列。RF脉冲序列的实例包括MAT序列。这些射频脉冲序列最好能与物体的旋转同步世家。可以使用具有不同作用的RF脉冲序列的组合。
在公开的方法中，可能用到的一个MAT技术的实例中包括，令生物体连续旋转，在恒定的变化时间周期(例如一次旋转周期)内施加五个πRF脉冲。一个π脉冲可以使磁化方向旋转180°。
一个五RFπ脉冲技术的示例是五个重复的π魔角旋转(FIREMAT)，例如在下列文章中介绍的Hu等人的An IsotropicChemical Shift-Chemical Shift Anisotropy Magic Angle Slow-Spinning2D NMR Experiment(各向同性化学变化-化学变化各向异性魔角慢速-旋转的2D NMR试验)，J.Magn.Reson.1993；A 10582-87；以及Alderman等人的A High Resolution High Sensitivity Isotropic andAnisotropic Correlation Correlation Experiment(一种高分辨率高灵敏度的各向同性及各向异性相关试验)，Molecular Physics 1998；95(6)1113-1126。另一个五RFπ脉冲技术的示例是2D-相位-交替旋转边带(PASS)技术，例如在下列文章中介绍的Antzukin等人的Two-Dimensional Sideband Separation in Magic-Angle-Spinning NMR(魔-角-旋转NMR中的二-维边带分离)，J.Magn.Reson 1995；A1157-19。在图2中画出一种2D-PASS段的变化。所有这些试验都是2D各向同性-各向异性化学变化的相关性试验，能够产生一个高分辨率的各向同性化学变化尺度和一个化学变化各向异性尺度。
另一个尤为有用的MAT技术的实例被称为相位修正魔角旋转(PHOMAT)，例如在下列文章中介绍的Hu等人的Magic-Angle-TurningExperiment fro Measuring Chemical-Shift-Tensor Principal Values inPowered Solids(用来测量粉末状固体的化学-变化-张量主值的魔-角-旋转试验)，J.Magn.Reson.1995A113210-222；以及Hu等人的MagicAngle Turning and Hopping(魔角旋转及跳变)，Encyclopedia ofMagnetic Resonance D.M.Grant，and R.K.Harris，Eds.New YorkJohnWiley & Sons1996，2914-2921。与2D-PASS类似，PHORMAT中令物体连续旋转，为了获得各向同性的轮流变化，将RF脉冲放在旋转周期的三分之一处。根据PHORMAT技术，尽管用样本的旋转对化学变化进行调制，将反射脉冲与脉冲序列组合，组合的方式是使磁效应重新进行精确聚焦。具体而言，所用到的两个脉冲序列来自于混合-幅值-相位调制与三-反射序列的组合。这些序列具有将相位调制转换为幅值调制的作用，通过将180°反射脉冲放在三相位-累积周期之前或之后，产生等价的正或负变化时间。
无论是PASS或者PHORMAT，在任何旋转速度上，各向同性的峰都可以与SSB分开，即使在旋转速度低达约1Hz时，线宽也可以足够窄。
在PASS中，磁效应经常出现在横断面上，在一个旋转周期后观测到第一个信号。由于在此周期内磁效应的衰减，信号的幅度可能变�。飧鲋芷谌【鲇谛�-旋转张驰时间T2。因此，当旋转速率接近或低于(T2)-1时将发生信号的衰减。
在PHORMAT中，磁化效应被存储在沿主场方向的径向上，最大的持续时间为旋转周期的2/3倍。因此，为了避免信号的衰减，与旋转-栅格张驰速率(T1)-1相比，旋转频率必须较大。相对于PASS而言，PHORMAT中可以使用更低的MAS频率，这是因为在生物体中，(T1)-1的幅度通常比(T2)-1的小一个数量级。例如，对于旋转频率高于10Hz，尤其是至少达到约20Hz时，PASS特别有效；而PHORMAT对于旋转频率低于约10Hz(例如从约1Hz到约5Hz)的情况特别有效。PHORMAT与PASS之间的另一个区别是，对PASS分析进行测量的时间只要几分钟，而测量PHORMAT分析的时间能够达到一个小时或更久。PHORMAT与PASS之间的另一个区别是，与PASS相比，在PHORMAT试验中，NMR灵敏度下降了至少固有因子4。
在本详细方法中的另一个RF脉冲序列为水抑制段，它可以抑制生物体内的水分引起的残余SSB。可以将水抑制脉冲序列用于对代谢谱进行分析。如果不采用水抑制，这些代谢谱将被水分的残余SSB引起的人工线污染。当然，当希望研究生物体的水分峰值或信号时，不能使用水抑制方法。一个水抑制段的实例是DANT脉冲序列，例如在下列文章中介绍的Morris等人的“傅里叶变换核磁共振的有选择性的激励”，J.Magn.Reson.，1978；29466-462。另一种可能的水抑制序列是已知的，将成型的脉冲段与脉动场梯度段进行合成，这种方法在下文中进行了说明Chen等人的“使用高分辨率魔角旋转NMR谱将类脂肪瘤、脂肪瘤与普通脂肪进行区分的生化分析”，J.Am.Chem Soc.2001；1239200-9201。
根据在此公开的方法的一个实例，在图2中表示的RF脉冲序列中包括DANTE脉冲序列段，后面接着2D-PASS序列段。在这个实例中，用π/2脉冲代替了交叉极化成分，这在Antzukin等人的“魔-角-旋转NMR中的二-维边带分离”中进行了介绍，使得磁效应在于B0垂直的平面内旋转。在2D-PASS频谱中，通常边带被SSB的阶次n隔开。n＝0时为中心带内的频谱，是与SSB无关的频谱，其它的谱表示随着阶次增加的SSB谱。将旋转频率增至n倍，将边带谱进行移动，并且将它们叠加在一起，则获得了各向同性的频谱。如同在Antzukin等人的“魔-角-旋转NMR中的二-维边带分离”中说明的，可以在2D-PASS中引入一个旋转周期的固有加权T2。为了补偿脉冲的不足以及RF场的不均衡，可以施加一个相位循环序列。优选的相位循环由96步构成，这个循环与最初在FIREMAT试验中所研究的结果完全相同(参见Alderman等人的A High Resolution High Sensitivity Isotropicand Anisotropic Correlation Experiment(一种高分辨率高灵敏度的各向同性及各向异性相关试验)已经发现，在本发明中可以使用较少的相位步数，而不会带来主频谱的失真。可以用Antzukin等人在“魔-角-旋转NMR中的二-维边带分离”中给出的称作PASS-16序列来确定六个脉冲之间的时间tm1-tm6。使用了延迟时间tm1-tm6的十六个不同组合(下文中被称为变化增量)，这使得在不发生频谱混迭的情况下即可将中心带与15个边带谱分开。典型情况下，π脉冲的宽度在几十微秒到以毫秒之间变化，具体的值取决于放入旋转器中的组织的类型和数量。在图2中，时间点”T”表示旋转周期的终点，时间点”0”表示旋转周期的起点，”acq”表示获取的NMR信号。计时从π脉冲的中间开始。在开始得到尺度的阶段获得了两个外部数据点，作用是解决与探测器结束及接收机复原有关的截止时间效应，这未包括在在傅里叶变换中。使用了仅用到16点的傅里叶变换，这些点沿着变化的尺度分布。
据在此公开的方法的另一个实例，在图8中表示的RF脉冲序列中包括修正的PHORMAT序列。用三个互相分离120°的精确标志在旋转器上均匀地打上记号，使得用(I)、(II)、(III)进行标注的90°脉冲与旋转周期的1/3同步。用光学检测器产生与这些标志关联的晶体管-晶体管逻辑(TTL)脉冲，作为RF脉冲序列的触发脉冲。标志(marker)的存在表明，仅在短时间周期内(即在一个旋转周期内)，旋转速度就必须达到稳定。旋转器相对于外部场的位置可能与每次变化增量的起点相差0°、120°或240。在分析各向异性的物体的情况下，这种旋转定位方法可能会造成谱的失真，并损失灵敏度。通过在旋转器上增加一个独立的外部标志，并使用第二个光学发生器来产生与这个标志关联的TTL脉冲来触发PHORMAT序列(的开始)，可以克服这个问题。
用交叉极化成分取代90°脉冲(I)，使磁效应在垂直于B0的平面内旋转。在最后一个脉冲(III)之前马上使用DANTE脉冲序列段，则可以抑制水信号。在开始DANTE序列之前，将载波频率调整至水峰值的中心，然后在DANTE段的最后将这个频率调回原始值，将DANTE脉冲序列以这种方式插入。在第三个读出脉冲(III)之前，前两个90°脉冲(I)、(II)被延迟了τ，τ为施加的DANTE段的时间。这个延迟的作用是将三个读数脉冲((I)、(II)及(III))用1/3旋转周期进行精确地分隔。
在图8中，用黑色表示90°脉冲，用灰色表示180°脉冲。起始的用”a”标注的90°脉冲的相位循环为(-y，+y)，而其余的脉冲(p1，p2，b1，b2及b3)的相位循环与Hu等人在“用来测量粉末状固体的化学-变化-张量主值的魔-角-旋转试验，J.Magn.Reson.1995A113210-222”中说明的相同。参数Δ表示反射时间的一半。在三个相位累积周期之前(+)或之后(-)使用180°脉冲，可以明显地改善2D谱的基平面，并产生与旋转边带无关的各向同性谱，可以无需剪切就直接发送到变化轴上。时间变量t1及t2分别对应于变化尺度与获取尺度。最下面的轨迹为MAS探测器的光学传感器产生的TTI信号。
还可以使用另一种水抑制的方法，其中用到了脉动场梯度，这种方法可以明显地缩短τ的值(参见Chen等人的Biochemical AnalysisUsing High-Resolution Magic Angle Spinning NMR SpectroscopyDistinguishes Lipoma-Like Well-differentiated Liposarcoma from NormalFat(使用高分辨率魔角旋转NMR谱将类脂肪瘤、脂肪瘤与普通脂肪进行区分的生化分析)，J.Am.Chem Soc.2001；1239200-9201)，从而用PHORMAT序列可以获得更高的旋转速率。
上面的发明内容中提到的第四实施例中，使用了本领域内的技术人员一般都知道的魔角跳变(MAH)技术。具体而言，对象在三个彼此具有120°关联的预定位置之间围绕魔角轴快速地重新定向(即“跳变”)。一种实现重新定向的方法是令生物体围绕成魔角的轴跳跃或旋转三次(例如，0-120度、120-240度及240-0度，或0-120度、120-240度及240-360度)。可将RF频率形成脉动，以产生具有高分辨率的谱，这个谱与大量磁化系数及残余的化学变化互感引起的线加宽充分无关。例如，在下列文献中对MAH技术及附加的RF脉冲序列进行了说明Bax等人的Correlation of Isotropic Shifts and Chemical ShiftAnisotropies by Two-Dimensiaonal Fourier-Transform Magic-AngleHopping NMR Spectroscopy(利用二维傅里叶变换魔角跳动NMR谱分析各向同性变化及化学变化各向异性的相关性分析)，J.Magn.Reson.1983；52147；Hu等人的Improving the Magic Angle Hopping Experiment(改进魔角跳变试验，Solid State NMR，2，235-243(1993)，以及Hu等人的Magic Angle Turning and Hopping(魔角旋转及跳变)，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脉冲序列也可以与MAH技术结合起来使用。
上面的发明内容中提到的第五实施例中使用了旋转磁场，这个磁场是一个静态场于两个正交的正弦场的叠加，两个正弦场位于与静态场垂直的平面内，相位正交，幅值为静态成分的21/2因子。具体而言，使用三个RF线圈结构在三个互相垂直的方向上产生磁场。在一个线圈中施加固定的电流，在另两个线圈中施加正交的正弦AC电流，则在电气上可产生旋转的磁场。产生的磁场成分在垂直于静态场成分方向上的平面内旋转，幅值为静态场成分幅值的21/2倍。产生的总磁场的旋转频率为从约1到约100Hz，最好为从约1到约10Hz，静态场方向与总旋转磁场的方向之间成的角度约为54°44’。换句话说，产生的磁场相对于固定的对象进行旋转。此外，使正弦场的幅值大于固定或静态场的21/2倍，产生了在希望的魔角上旋转的磁场。
上面在发明内容中提到的第八实施例与MRI(包括局部MRS)方法有关，可以通过使用在此宣布的慢速魔角旋转技术使性能得到增强。在这个实例中，生物体也受到脉动磁场的作用，脉动磁场能够在主磁场中的X、Y及Z方向上产生梯度。这种方法提供了获取生物体特定区域或空间内核磁共振数据的能力，而不是在整个物体上进行。
在一个将MAT与MRI组合应用的实例中，包括向围绕魔轴旋转的生物体上施加MAT序列的过程，通过产生与物体同步旋转的磁场梯度，并在容积(Volume)选择的RF及梯度脉冲之前布置MAT序列(例如点分析表面频谱(PRESS))，获得NMR谱(参见Bryant等人的Spatial Location Techniques for Human MRS，Biomedical MagneticResonance Imaging and Spectroscopy(Yong，ed.Wiley，New York，pp.785-791(2000))。在美国专利No.4,301,410中，对产生与物体同步旋转的磁场梯度的系统及过程进行了说明。用图14A-14E及15对将MRI序列与慢速MAT序列进行组合的具体实例进行了说明。图14A-14E表示与PASS序列结合的脉冲序列图形的不同实例。图15A与15B表示包含PHORMAT序列的脉冲序列。
图14A表示一个与PASS序列结合的脉冲序列的2D图形。当存在梯度Gz时，π/2脉冲为所施加的sinc选择脉冲。梯度Gx、Gy及Gz与样本的旋转同步旋转，使得样本的结构内的梯度为静态的。类似于电气形成旋转的B0场的方法，可以通过将ac电流流过线圈在电气上获取旋转的梯度，因此无需梯度线圈自身进行旋转。Gz为沿旋转轴分布的片选梯度。Gx为沿旋转x轴分布的读出梯度。Gy为沿旋转y轴分布的相位解码梯度。为了进行水抑制，可以使用CHESS序列(Hasse等人的1H NMR Chemical Shift Seletive(CHESS)Imaging(1H NMR化学变化选择性(CHESS)图形)，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(用质子磁共振谱测得中心脑动脉梗塞后，鼠脑内分子的显式扩散系数的变化)，Magn.Reson.Med.2001；45383-389)代替DANTE段。
图14B表示使用PASS序列的脉冲序列的2D化学变化图像。与图14A所示的2D-MRI-PASS序列的唯一区别在于，用同方向上的相位解码梯度取代了读出梯度Gx。
图14C表示一个与PASS序列结合的脉冲序列的3D图形实例。如同上面用图14A介绍的，梯度Gx、Gy及Gz与样本的旋转同步旋转，使得样本的结构内的梯度为静态的。Gz为沿旋转轴分布的片选梯度，Gy为沿旋转y轴分布的相位解码梯度，Gx为沿旋转x轴分布的读出梯度。为了进行水抑制，可以使用CHESS序列代替DANTE段。
图14D表示使用PASS序列的脉冲序列的2D化学变化图像。与图14C所示的2D-MRI-PASS序列的唯一区别在于，用同方向上的相位解码梯度取代了读出梯度Gx。
图14E表示使用PASS进行容积选择的局部磁共振频谱MRS。如同上面用图14A介绍的，梯度Gx、Gy及Gz与样本的旋转同步旋转。在DANTE序列之后，施加剪裁激励序列(Ernst等人，一维与二维核磁共振原理，牛津大学出版社，New York，1997，p.557)，使得除了出现一个斜坡外，RF频谱基本为白色。同时施加x-梯度。结果是，除了与x-轴垂直的一片外，所有容积元素(volume element)都是饱和的。然后，在存在y-梯度的情况下，重复剪裁激励。结果是，只有在垂直与y-轴的一个管路是不饱和的。最后，在存在z-梯度的情况下，施加选择的sinc90°脉冲，因此激发出一个容积(Volume)。为了进行水抑制，可以使用CHESS序列代替DANTE段。
图15A表示使用旋转梯度的局部PHORMAT序列。序列(a)是包含触发(b)的基本PHORMAT序列，当存在梯度(c)时，位于(I、II及III)为值的脉冲是sinc选择的脉冲(类似于激发的反射提取(STEAM)序列，参见J Frahm等人、J.Magn.Res.72,502(1987))。黑色脉冲是非选择的90°脉冲，灰色脉冲为非选择的180°脉冲。用‘*’标注的梯度为干扰梯度，用于在黑色脉冲之后破坏掉余留在横断面内的全部磁效应。(c)脉动梯度与物体同步旋转。如同上面用图14A介绍的，与物体同步旋转的参考结构内的梯度Gx、Gy及Gz是静态的。为了进行水抑制，可以使用CHESS序列代替DANTE段。
图15B表示使用静态梯度的局部PHORMAT序列。序列(a)是包含触发(b)的基本PHORMAT序列，当存在梯度(c)时，位于(I、II及III)为值的脉冲是sinc选择的脉冲。黑色脉冲是非选择的90°脉冲，灰色脉冲为非选择的180°脉冲。如果旋转轴(MA)沿着(d)中示意的魔角，由于三个sinc脉冲围绕在样本旋转的环面上以120°分布，只需要用到静态的z-梯度。用’*’标注的梯度为干扰梯度，用于在黑色脉冲之后破坏掉余留在横断面内的全部磁效应。为了进行水抑制，可以使用CHESS序列代替DANTE段。
可以用本领域内技术人员已知的MR装置中的RF线圈，来产生在此公开的方法中的脉冲序列中用到的RF辐射。可用本领域内技术人员已知的技术产生RF脉冲序列。例如，许多先进的NMR及NMI频谱分析仪中都有脉冲程序器和放大器，具有生成这种序列的能力。
根据公开的方法产生频谱分析结果，所需的数据可以用产生RF辐射的同一个线圈进行收集，也可以用分开的接收线圈收集。可以用本领域内技术人员已知的技术将收集到的数据用图形表示，例如在多数先进的NMR与MRI频谱分析仪中可用的软件程序。
下面用介绍一些具体的实例，目的是为了进行示例，而不应被理解为示对权利要求书范围做出的限制。
实例1样本准备从四只老鼠身上切下新鲜组织，它们是129/SvJ鼠与C57BI/6J杂交产生的基因突变鼠。所用的鼠身上携带有遗传的血色�。馐且桓龅ザ赖幕蛲槐洌沟萌粼谑蟮目诹钢刑峁┕嗟奶蚧嵩谧橹诔粱嗟奶Ｈ绻峁└庑├鲜蟮目诹钢泻姓５奶浚蜃橹治鼋峁５�。将45天大、重量为20克的雄性和雌性鼠从颈部切下，迅速分离组织，并迅速进行分析(脑及肝脏)，或者在分析前将组织在2℃温度下保存二到四小时(肾脏、心脏及臀积)。将组织放入外径为7.5-mm、内径为5-mm的笔式旋转机中，这种旋转即可从市场上获得，由Chemagnetic Inc.生产，将组织放入旋转机中心的两个特氟纶塞之间。全部试验在25℃下进行。
结果在Chemagnetic 300MHz无限频谱分析仪上进行1H NMR试验，质子拉莫尔频率为299.982MHz。使用7.5-mm笔型旋转机系统带的标准交叉极化(CP)/MAS探测器，还在驱动通道中使用了气流限制。在这种方式下，可以将旋转速率在43到125Hz之间调节到±2Hz的精度。
图3A及3B表示Bloch衰减1D频谱，这是在不进行水抑制的情况下，按照常规NMR技术将切下的新鲜鼠脑作为静态样本获得的。试验是在组织被切下后15分钟之内进行的。在施加具有10度锥角的激励RF脉冲后获得了谱。脉冲的终止时刻与开始获取数据的时刻之间的延迟为20μs。图3A表示静态的谱，图4B表示放大了32倍(factor)后的相同的谱。仅能区分出一条水线以及某些可见的代谢峰。谱的分辨率很差。
图3C表示切下的属脑组织的1D频谱，此频谱是在43Hz的MAS获得的，RF脉冲序列中未包含水抑制段及MAT段。图3D表示相应的32倍(32-fold)放大。中心频带的线宽(FWHM)大约为13Hz，远远小于固定频谱(105Hz)。然而，从代谢中得到的边带族彼此重叠在一起，并与水共振(图3D)得到的SSB重叠在一起，使得无法排列出频谱。
图4表示1H 2D-PASS谱的迭加图形，是与图3中相同的脑组织在样本旋转速率为43Hz时获得的。在这种情况下，采用了水抑制。这是通过在水频谱的中心频带内施加DANTE脉冲序列获得的。在这种方式下，由中心频带及SSB产生的信号都是饱和的。参数n表示第n个边带，当n＝0时对应中心频带。频谱是在脑被切除后24分钟时获得的。使用了十六个变化增量，每个都具有96个相位增量，因此共获取1,536个值。循环延迟的时间为2s，使试验时间达到约52分钟。1H π/2脉冲宽度为9微秒。DANTE序列包含4000个脉冲，彼此间隔为100μ微秒，其中每个脉冲为1微秒。在图4中，ω2表示获取尺度，ω1表示变化尺度，ωr表示角旋转频率。
图5A表示(水抑制的)质子频谱，是通过将2D-PASS数据投影到正常获取尺度(ω2)内获得的。这个谱反映了在43Hz下进行的标准1D试验的结果。由于不同代谢物产生的SSB族的交迭，即使采取了水抑制，这种1D谱很难被解释。图5B及5C分别表示n＝0时的中心频带的谱以及各向同性的投影。尽管在2D-PASS试验中使用了(一个旋转周期的)相对较短的加权时间T2(此时，23.3毫秒)，仍获得了较好的谱分辨率，这表明，通过使用2D-PASS试验，可以有效地移动在脑中观测到的线加宽。在各向同性投影谱中(图5C)不同的线的强度相对较大，与中心频带内的谱(图5B)稍微有所不同，这是由于不同线在各向异性模式下的差异引起的。同样地，各向同性谱的谱分辨率在某种程度上小于中心频带。这是由于旋转速率轻微的波动引起的，这对中心频带谱几乎不造成什么影响，但是边带谱中的线变宽，而且随着边带阶磁的增加变大。图5D表示脑频谱，是从在旋转速率为4.3kHz时进行的1D快速MAS试验中获得的。得到的结果是，尽管使用了更大的旋转速率，但频谱分辨率实际上比从2D-PASS获得的中心频带谱低。这部分是因为在后面的试验中使用了内在的23.3-毫秒的T2加权。用图5E表示了这种情况，其中表示了使用23毫秒T2加权后的同一个谱，这个谱使通过施加π脉冲序列获得的。即使在这种情况下，线的宽度也要比2D-PASS的中心频带谱宽大约8Hz，这就引起了在2.0及3.0ppm处的两个最窄的共振线存在明显的相对强度下沉，这两个点分别来自N-acetylaspartate及肌酸。这种额外的加宽可能是由4.3kHz感应出的、沿旋转轴向加强的B0的非均匀性引起的，这不能通过旋转达到平衡。快速旋转会将样本推向旋转机壁，并在中心形成空洞，这将增强在样本和空洞的边界处的大量磁化系数的梯度。
图6A、6B及6C示意了快速样本旋转的影响。在这个图中，显示了旋转之前的静态水线(图6A)，以43Hz旋转后的水线(图6B)以及以4.3kHz旋转后的水线(图6C)。结果表明，慢速旋转几乎不会对线形造成影响。我们发现，如果在快速旋转后对旋转机进行重新填充，则产生类似于图6A的频谱，这证明样本的变形是导致这种加宽的原因。因此，为了避免快速旋转试验的这种影响，有必要将样本放入球形样本容器中进行加厚包装。通过使用本方法中介绍的慢速样本旋转，可以避免这个问题。
图7A及7B表示老鼠心脏的谱，分别为使用了2D-PASS以及根据在此公开的方法中提出的80Hz水抑制(7A)的结果，以及使用了1D-MAS及4.4kHz水抑制(7B)的结果。图7C及7D表示老鼠肝脏的谱，分别为使用了2D-PASS以及根据在此公开的方法中提出的100Hz水抑制(7C)的结果，以及使用了1D-MAS及3.3kHz水抑制(7D)的结果。图7E及7F表示老鼠臀肌的谱，分别为使用了2D-PASS以及根据在此公开的方法中提出的125Hz水抑制(7E)的结果，以及使用了1D-MAS及4.2kHz水抑制(7F)的结果。图7G及7H表示老鼠肾脏的谱，分别为使用了2D-PASS以及根据在此公开的方法中提出的100Hz水抑制(7G)的结果，以及使用了1D-MAS及5.7kHz水抑制(7H)的结果。从图7A-7F中可以明确地理解，对于心脏、肝脏和臀肌而言，慢速MAS与快速MAS方法得到的谱具有类似的分辨率与强度。而在肾脏中(图7G与7H)，快速旋转获得的线在某种程度上要比慢速旋转得到的线宽，这可能又是由于旋转造成的额外的磁化系数梯度引起的。
这些结果表明，相比于快速MAS的谱分辨率，用本文公开的慢速旋转方法产生的谱具有类似的分辨率，在某些情况下甚至更好。
实例2样本准备下面介绍的试验是对切下的老鼠肝脏组织进行的，肝脏组织得自Fisher 344雄鼠。选择肝脏的原因是，发现在静态样本中获得的质子线太宽，以至于很难甚至无法分辨出不同的代谢物。在将肝脏从动物体内切除之前，用CO2令老鼠窒息而亡。在将样本放入NMR旋转机之前，将大约200mg肝脏切成小片(尺寸约为2mm)，随机选取一部分放入旋转机中，从而或多或少地提供各向同性的样本。
使用了两种不同的样本准备方法。在第一种情况下，在切除后立即将切下的肝脏放入NMR旋转机中。因此，从这种样本获得的结果可被视为期望得到的体内试验结果。在第二种情况下，用与Bollard等人在High-Resolution1H and1H-13C Magic Angle Spinning NMRSpectroscopy of Rat Liver(对鼠肝脏进行高分辨率1H及1H-13C魔角旋转NMR频谱分析)，Magn.Reson.Med.2000；44201-207中介绍的方法准备切下的肝脏，即用盐水灌注肝脏，以除去残留的血液，然后用液氮将肝脏速冻，并保存在-80℃的温度下，直至需要。同样地，在对冷冻样本进行试验前，需要将样本放在旋转机中保存约19小时。已经发现，这种处理会造成样本的降级，虽然造成不同的线强度的剧烈变化，但这会使谱分辨率显著提高。因此，与第一种方法在不同试验中获得的谱分辨率相比，这种样本提供了更灵敏的方法。将肝脏切片放入OD为7.5-mm、ID为5-mm的Chemagnetic笔式旋转机中的两个特氟纶塞之间。将部件缓慢地推进旋转机中，以避免在旋转机中的样本区域内产生大的气泡。全部试验在室温25℃下进行。
结果在Chemagnetic 300MHz无限频谱分析仪上进行1H NMR试验，质子拉莫尔频率为299.982MHz。使用7.5-mm笔型旋转机系统带的标准交叉极化(CP)/MAS探测器。为了能够以低频率旋转，在旋转机上安装平面驱动油嘴(即不带凹槽的，通常用来驱动旋转机)，并在驱动通道中使用了气流限制。在自动控制模式下，用商用ChemagneticsMAS速度控制器调节旋转速度。在去掉驱动通路中的气流限制并用平面驱动油嘴取代标准油嘴后，旋转速率可以高达5kHz。
向老鼠肝脏施加如图8所示的更改的PHORMAT序列。反射时间(Δ)及循环延迟时间分别为50μs及1s。自由感应在获取尺度内(t2)衰减，包含300个复数点，并被变换为谱宽为8kHz的频谱。用100个t1步收集2D数据，每步增量为700μs，100步对应于70ms的最大变化时间以及1.282kHz的变化谱宽。用(+)及(-)PHORMAT脉冲序列获取2D数据组，脉冲序列在每个t1值共用到64次扫描，使总的测量时间达到大约3.0小时。按照Hu等人在Magic-Angle-Turning Experiments forMeasuring Chemical-Shift-Tensor Principal Values in Powered Solids(用来测量粉末状固体的化学-变化-张量主值的魔-角-旋转试验，J.Magn.Reson.1995A113210-222中介绍的过程，使用在Chemagnetics无限频谱分析仪上开发的宏处理程序构造超复杂(Hyper-complex)的2D数据组。脉冲宽度为9.5μs。DANTE序列由2000个RF脉冲构成，彼此间隔100μs，每个脉冲的脉冲宽度为0.8μs，这就形成了15,200度的累计滚角(flip angle)，以及约为202ms的τ值。
图9A及9B表示新鲜肝脏样本的1H PHORMAT谱，是在旋转速率为1Hz时获得的。图9A表示2D图像与在各向同性F1(t1)及各向异性F2(t2)尺度上各自的投影。为了减小沿各向同性尺度上的投影中的噪声，在2D图形中，只用到了包含谱信息的那部分，即在图9A中所示的带内的信息。在这种方式下，与使用全面积产生投影的情况相比，信噪比可以改善3-4倍。平行于F2轴进行切片，可以分别确定出每个各向同性峰的各向异性线形，如图9B中画出的9条。
从图9A及9B中可知，用PHORMAT能够获得收缩的实线。例如，位于图9B中0.9ppm处的甲基峰的各向异性线的宽度约为150Hz，而各向同性线的宽度为约15Hz，这表明获得了约为10的线收缩因子。
图10A、10B、10C及10D表示用不同方法获得的新鲜肝脏样本的谱。图10A表示(图9A中)PHORMAT 2D谱的各向异性(F2)投影，这与静态样本中获得的谱相同。图10B表示图9A中给出的PHORMAT2D谱的各向同性(F1)投影。图10C表示由2D-PASS获得的中心频带的谱，旋转速率为40Hz，2D-PASS序列中包括一个DANTE序列。获得了十六个变化步骤，每个都累积了32次，循环时间为1.4s。图10D表示用相当标准的快速MAS获得的谱，旋转速度为4kHz，使用DANTE进行水抑制，可以通过将PASS序列与五个间隔周期为25ms的180°脉冲平均排列获得DANTE。进行三十二次扫描，循环延迟时间为1.4s。
结果表明，利用PHORMAT、PASS与快速MAS可以显著提高分辨率。然而，以40Hz旋转频率进行的2D-PASS(图10C)得到了最好的分辨率，甚至优于快速MAS(图10D)，其中，额外的B非均匀性加宽是由旋转自身引起的。相对于用PASS观测到的线宽而言，估计MAS及PHORMAT试验中的线宽分别会增加2及5Hz。造成这种PHORMAT中的分辨率下降的原因可能是由于试验的缺陷，例如旋转机标志的误差、样本切片中残余的各向异性、短期旋转的不稳定以及主磁场的漂移(在相对较长的测试时间内(3小时)不会采取锁定磁场的措施)。此外，增加的宽度可能是由于在变化及存储在磁场期间产生的分子扩散引起的。
图11A、11B、11C及11D表示经处理后的及长时间的肝脏样本的1H谱，是在1Hz PHORMAT(图11A、11B)，40Hz 2D-PASS(图11C)及4kHz MAS(图11D)的情况下获得的。除了将变化增量加倍为200以适应长时间样本中增加的线变窄的效应外，用与图9A及9B相同的试验参数获得PHORMAT的结果。除了将每个变化增量的累积次数增加为64外，用与图10C相同的试验参数获得2D-PASS的结果。除了将扫描次数增加为96外，用与图10D相同的试验参数获得MAS的结果。
在这个样本中，全部试验得到的频谱的分辨率都比新鲜的、未处理的样本高得多。在图11B中，能够区分处超过23个峰值，在图中突出画出其中四个。这些峰对应于(1)胆碱甲基，(2)磷酸胆碱甲基，(3&4)葡萄糖三甲胺-N-氧化物甲基。图11A及11B分别表示PHORMAT试验在各向异性(F2)及各向同性(F1)中的投影，从图中可知，用PHORMAT也使长时间样本中的实线变窄。例如，峰1-4的各向异性线的平均宽度约为55Hz，而这些峰的各向同性线的宽度约为4Hz。因此，与新鲜样本中的因子10相比，在这个样本中，收缩因子约为14。在用2D-PASS(2Hz)及快速MAS(3Hz)中都观测到各向同性的宽度。同样地，与对新鲜样本的观测结果一致，2D-PASS(图4C)提供了最高的分辨率。
从上述分析中可知，可以通过PHORMAT获得对实谱分辨率的改善。不能期望上面介绍的结果都是好的，可以预见，在磁化系数梯度中，在低旋转速度的情况下，分子的扩散将引起线严重变宽。
参考多个优选实施例，对本发明的原则进行了示意及叙述，本领域内的普通技术人员应该理解，再不背离这些原则的情况下，可以在结构和细节上对本发明进行修改。
权利要求
1.一种对生物体进行磁共振分析的方法，包括将生物体置于主磁场及射频场中，主磁场具有静态的场方向；将生物体进行旋转，旋转频率低于约100Hz，旋转轴相对于静态的主磁场方向成大约54°44’角；施加脉动射频，以提供包括魔角旋转脉冲段的脉冲序列；和收集由脉动射频产生的数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中脉冲序列进一步包括水抑制脉冲段。
3.根据权利要求2所述的方法，其中水抑制脉冲段进一步包括DANTE段。
4.根据权利要求1所述的方法，其中魔角旋转脉冲段包括初始的π/2脉冲。
5.根据权利要求1所述的方法，其中魔角旋转脉冲段包括2D-PASS序列。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述魔角旋转脉冲段包括相位修正的魔角旋转脉冲段。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物体以在约1Hz到约100Hz之间的旋转频率进行旋转。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述相位修正的魔角旋转脉冲段中至少包括第一90°脉冲、第二90°脉冲及第三90°脉冲，脉冲序列进一步包括在第三水90°脉冲之前立即执行的水抑制脉冲段。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物体以在约1Hz到约50Hz之间的旋转频率进行旋转。
10.一种对生物体进行磁共振分析的方法，包括令生物体受到主磁场及脉动射频场的作用，主磁场具有静态的场方向；将生物体进行旋转，旋转频率低于100Hz，旋转轴相对于静态的主磁场方向成大约54°44’角；控制脉动射频，以提供一个包括魔角旋转脉冲段的序列；和生成对生物体内原子核对射频序列脉冲的响应的磁共振分析结果。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述射频脉冲序列包括2D-PASS序列。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述射频脉冲序列包括相位修正的魔角旋转脉冲段。
13.根据权利要求6所述的方法，其中，所述生物体以低于约10Hz的旋转频率进行旋转。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述生物体以低于约10Hz的旋转频率进行旋转。
15.一种对生物体进行磁共振分析的方法，包括将生物体置于主磁场及射频场中，主磁场具有静态的场方向；将生物体进行旋转，旋转频率低于约100Hz，旋转轴相对于静态的主磁场方向成大约54°44’角；施加脉动射频，以提供脉动序列，能够产生具有与旋转边带峰充分无关的谱；和收集由所述脉动射频产生的数据。
16.根据权利要求6所述的方法，其中，所述生物体以低于约3Hz的旋转频率进行旋转。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述生物体旋转的过程中，所述主磁场保持固定。
18.根据权利要求10所述的方法，其中在生物体旋转的过程中，主磁场保持固定。
19.根据权利要求2所述的方法，其中所述魔角旋转脉冲段包括2D-PASS序列。
20.根据权利要求2所述的方法，其中，所述魔角旋转脉冲段包括相位修正的魔角旋转脉冲段。
21.根据权利要求12所述的方法，其中，所述生物体以低于约3Hz的旋转频率进行旋转。
22.根据权利要求12所述的方法，其中，所述相位修正的魔角旋转脉冲段中至少包括第一90°脉冲、第二90°脉冲及第三90°脉冲，所述脉冲序列进一步包括在第三水90°脉冲之前立即执行的水抑制脉冲段。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述水抑制脉冲段进一步由DANTE序列构成。
24.根据权利要求10所述的方法，其中，所述脉冲序列进一步包括水抑制脉冲段。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述水抑制脉冲段进一步包括DANTE序列。
26.一种对生物体进行磁共振分析的方法，包括将生物体置于主磁场及射频场中，主磁场具有静态的场方向；将生物体进行旋转，旋转频率为大约20到100Hz，旋转轴相对于静态的主磁场方向成大约54°44’角；施加脉动射频，使它能够提供包括2D-相位-切换旋转边带脉冲段的脉冲序列；和收集由所述脉动射频产生的数据。
27.一种对生物体进行磁共振分析的方法，包括将生物体置于主磁场及射频场中，主磁场具有静态的场方向；将物体沿魔轴进行放置，所述魔轴相对于静态的主磁场方向成大约54°44’角；在三个预定的位置上，围绕在魔角轴将生物体重新定向，这三个预定位置彼此之间用120°关联；施加脉动射频，以提供脉冲序列，该脉冲序列能够产生具有与各向异性加宽充分无关的谱；和收集由所述脉动射频产生的数据。
28.一种对生物体进行磁共振分析的方法，包括提供主磁�。浒ň哂芯蔡》较蛴敕档牡谝怀煞郑拱ǖ诙偷谌煞郑诙偷谌煞置恳桓龆际怯氲谝怀煞值木蔡》较虼怪钡钠矫嫔系恼页。滴谝怀煞值木蔡〉姆档�21/2倍，其中，第二和第三成分产生的磁场在与静态场方向垂直的平面内旋转，旋转频率小于约100Hz，产生的合成场围绕一个轴旋转，这个轴相对于第一成分的静态场方向成大约54°44’角；将生物体置于主磁场及射频场中；施加脉动射频，以提供一个脉冲序列，其能够生成与旋转边带峰充分无关的谱；和收集由脉动射频产生的数据。
29.一种对生物体进行磁共振分析的方法，包括将生物体置于主磁场及射频场中，主磁场具有静态的场方向；将一块磁铁围绕一个轴进行机械旋转，这个轴相对于主磁场的静态场方向成大约54°44’角，旋转频率小于约100Hz；施加脉动射频，以提供脉冲序列，其能够产生一个与旋转边带峰充分无关的谱；和收集由脉动射频产生的数据。
30.一种对生物体进行磁共振分析的方法，包括将生物体置于主磁场及射频场中，主磁场具有静态的场方向；将生物体进行旋转，旋转频率低于约50Hz，旋转轴相对于静态的主磁场方向成大约54°44’角；将主磁场绕魔角轴进行旋转，旋转频率低于约50Hz，使主磁场与生物体同步旋转，旋转方向相反；施加脉动射频，以提供一个脉冲序列，其能够生成与旋转边带峰充分无关的谱；和收集由脉动射频产生的数据。
31.一种对生物体进行磁共振分析的方法，包括令生物体受到主磁场、脉动射频场以及至少一个脉动磁场梯度的作用，主磁场具有静态的场方向；将生物体进行旋转，旋转频率低于约100Hz，旋转轴相对于静态的主磁场方向成大约54°44’角；控制脉动射频，提供一个包括魔角旋转脉冲段的序列；施加脉动射频及脉动磁场梯度，以产生具有空间选择性的核磁共振数据；和生成对生物体内原子核对射频序列脉冲的响应的磁共振分析结果。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述生物体以在约1Hz到约50Hz之间的旋转频率进行旋转，所述脉冲序列包括相位修正的魔角旋转脉冲段。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述生物体以低于约10Hz的旋转频率进行旋转。
34.根据权利要求31所述的方法，其中，所述生物体以至少约20Hz的旋转频率进行旋转，所述脉冲序列包括2D-相位-切换旋转边带脉冲段。
35.根据权利要求27所述的方法，其中，所述磁共振分析包括磁共振成像，且所述射频脉冲序列包括魔角旋转脉冲段，所述方法进一步包括将生物体放在至少一个脉动磁场梯度中；施加脉动射频及脉动磁场梯度，以产生具有空间选择性的核磁共振数据；和生成对生物体内原子核对射频序列脉冲的响应的磁共振分析结果。
36.根据权利要求28所述的方法，其中，所述磁共振分析包括磁共振成像，且所述射频脉冲序列包括魔角旋转脉冲段，所述方法进一步包括将生物体放在至少一个脉动磁场梯度中；施加脉动射频及脉动磁场梯度，以产生具有空间选择性的核磁共振数据；和生成对生物体内原子核对射频序列脉冲的响应的磁共振分析结果。
37.根据权利要求29所述的方法，其中，所述磁共振分析包括磁共振成像，且所述射频脉冲序列包括魔角旋转脉冲段，所述方法进一步包括将生物体放在至少一个脉动磁场梯度中；施加脉动射频及脉动磁场梯度，以产生具有空间选择性的核磁共振数据；和生成对生物体内原子核对射频序列脉冲的响应的磁共振分析结果。
38.根据权利要求30所述的方法，其中，所述磁共振分析包括磁共振成像，且所述射频脉冲序列包括魔角旋转脉冲段，所述方法进一步包括将生物体放在至少一个脉动磁场梯度中；施加脉动射频及脉动磁场梯度，以产生具有空间选择性的核磁共振数据；和生成对生物体内原子核对射频序列脉冲的响应的磁共振分析结果。
全文摘要
本发明公开了一种对生物体进行磁共振分析的方法，该方法包括将生物体置于主磁场(具有静态的场方向)及射频场中；将生物体进行旋转，旋转频率低于约100Hz，旋转轴相对于静态的主磁场方向成大约54°44’角；施加脉动射频，以提供包括魔角旋转脉冲段的脉冲序列；和收集由脉动射频产生的数据。所述物体可以在魔角轴附近重定位，所述魔角轴在相互成120度的三个预定位置之间。所述主磁场可以进行机械或电旋转。还公开了用于对物体进行磁共振成像的方法。
文档编号G01R33/20GK1524187SQ02806267
公开日2004年8月25日 申请日期2002年3月7日 优先权日2001年3月9日
发明者罗伯特·A·温德, 胡建志, 罗伯特 A 温德 申请人:巴特尔纪念研究院
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