随着磁共振成像(MRI)技术发展的逐渐成熟，其在基础研究和临床医学相关领域都得到了越来越广泛的应用．近年来，已有学者结合MRI与磁共振波谱(MRS)技术来探索人类共同面对的医学难题，如阿兹海默症(又称老年痴呆)和帕金森氏病等神经退行性疾病^{[1, 2, 3, 4, 5]}，以及肥胖症^[6]等慢性疾病．现有研究结果表明，MRI与MRS技术的结合在此类研究中独具优势，并日趋重要.

目前，肥胖症已经成为现代社会中严重威胁人类健康的主要慢性疾病之一．脂肪的分布及测量是判断和预防肥胖症的主要指标，MRI技术可以直观的评价脂肪组织的分布状况^[7]，而质子磁共振波谱(¹H MRS)可以计算出脂肪组织中甘油三酯和水的含量^[8]，两者结合对于评价脂肪组织的蓄积程度具有明显的优势．该文主要讨论了MRI和MRS技术在肥胖症研究中应用的最新进展，并对未来此方面的研究进行了展望.

MRI技术的发展源于核磁共振(NMR)的发现．NMR发展至今，经历了从物理学纯理论研究到化学、生物、医学等应用研究的历程^[9]．20世纪30年代，物理学家Rabi^[10] 发现原子核在无线电波中自旋方向发生翻转．1945年，美国哈弗大学Purcell用吸收法首次观察到石蜡质子的NMR信号，美国斯坦福大学Bloch用感应法发现液态水的NMR现象，NMR技术开始向实用技术领域迈进^[9]．1971年，Damadian在实验鼠体内发现肿瘤和正常组织之间NMR信号有明显的差别，将NMR技术带进了医学领域应用中．1973年，Lauterbur和Mansfield分别独立阐述了MRI的原理^[11]．20世纪80年代，Fenn、 Tanaka和Wthrich等科学家共同解决了生物大分子MRS测量的技术难题^[9]，这对于生物学和医学基础理论研究有重大意义.

NMR技术主要应用于基础研究和临床医学方面．在基础研究中，逐渐发展出MRS、二维核磁共振(2D NMR)以及MRI^[10]等技术．在临床医学方面，MRI于1973年才被首次运用于病理检测，即通过测量的不同组织间弛豫时间(包括纵向弛豫时间T₁和横向弛豫时间T₂)的差异，来判断特定组织病变与否和病变的程度^[12]．由于临床上很多疾病的检测要求更加精确和高效，所以MRI硬件设施的要求越来越高，比如更稳的磁场环境、更宽的扫描视野FOV和更高的静磁场强度B₀ ^[13]，以提高磁体运行效率、减少检测时间、增强检测灵敏度，从而推动MRI在临床和科研方面的应用．目前，MRI技术已应用于人体腹腔、胸腔等器官部位的诊断，如肝脏^{[14, 15, 16]}、肾脏^[17]、胰腺^[18]、乳腺^[19]、垂体腺^[20]、前列腺^[21]等；该技术也广泛应用于脑部病理性疾病、颅内神经^[22]、脊椎神经以及一些与神经相关的精神类疾病的诊断^[23]；同时还应用于组织系统方面的研究，如脂肪组织^[24]、骨骼关节^[25]与软组织^[26]等等．常规MRI对病变位置比较敏感，但不能反映出病变位置的化学特征．NMR信号与被测物体内原子核的种类、自然丰度、浓度以及固有敏感性相关^[27]，因此体内MRS技术具有检测各种小分子结构及浓度的能力^[28]．例如MRS已用于非酒精性或酒精性脂肪肝的定量评价^{[29, 30]}、间充质干细胞向成骨细胞分化的代谢特征研究^[31]、原发性中枢神经系统淋巴瘤研究^[32]、原发性帕金森病患者临床病情严重程度判断^[33]、胶质瘤周围多体素的研究^[34]、抑郁症患者前扣带回与脑卒中后等区域多体素的研究^[35]和原发性颞叶癫痫与海马硬化之间关系的研究^[36]等等．³¹P MRS是最早应用于人体的MRS技术，前后依次运用在人体肌肉、肌肉病变、脑、肝脏、心脏和肿瘤的能量代谢研究中^[27].

通过了解MRI与MRS技术发现、发展到广泛应用的过程，我们可以发现MRI与MRS技术结合运用可以克服MRI技术特异性较差这一缺点，将在活体代谢性疾病研究中有着越来越重要的应用.

自1999年WHO通过一项决议案正式宣布肥胖是一种疾病后，肥胖开始逐渐受到全球关注．研究显示，Ⅱ型糖尿病、心血管疾病、高血压、胆结石以及一些相关的组织器官癌症的发生，都与肥胖疾病密切相关^[37]．随着肥胖的患病率不断增加，不仅上述这些常见疾病的发生率随之增长，一些肌肉骨骼疾病的患病率也有不同程度地增加^[38].

饮食过量和营养过剩造成了人体内的能量代谢失衡，过多摄入的能量以脂肪组织的形式储存在体内，当脂肪累积超过一定标准，便造成了肥胖症^[39]．判断肥胖程度时，WHO提出的腰围是衡量脂肪在腹部蓄积程度最简单、最实用的指标^[40]．肥胖症一般分为继发性肥胖和单纯性肥胖．继发性肥胖是由内分泌失调引起的代谢性疾病，表现为短时间内患者体重快速增长．而单纯性肥胖的发生与内分泌无关，除了人类本身的肥胖遗传因素外，主要是由于饮食过多、营养摄入不均衡造成体重逐渐增长．随着生产力提高，人类的生活水平也快速提高，营养的补充也开始过剩，所以单纯性肥胖发病率日趋增加，也诱发了潜在地内分泌和代谢失调等疾病^{[41, 42, 43]}．而且，个体因肥胖导致脂肪肝、并发心脏病和糖尿病的危险性也会随之增加^{[44, 45]}.

肥胖症发生后可能导致代谢失调，而代谢失调会进一步导致肥胖的发生，所以肥胖症和代谢疾病之间恶性循环，同时提高了肥胖症和代谢病的发生率．因此，肥胖症的早期诊断对于后期的控制和治疗尤为重要．临床上需要引入一个快速和精准的方法来评价腹部脂肪的具体分布和各器官组织之间的联系^[46]，而MRI和MRS技术对于评价脂肪组织^[47]分布和蓄积程度具有极大的优势.

人体脂肪组织的存在形式主要有两种——白色脂肪组织(WAT)和棕色脂肪组织(BAT)．WAT呈白色，分布于全身上下，肥胖的发生与WAT的脂肪细胞数目和体积都有关．BAT相对于WAT呈现浅褐色或浅棕色，通过MRI技术发现其主要分布于肩甲、颈背、腋窝和纵膈肾脏周围^[48]．有研究^[49]表明BAT的主要功能是引起机体产热、调节体内能量代谢平衡、维持体温以适应环境．当BAT功能行使低下时，摄入体内的能量以热能形式散发将会减少，进而转变成脂肪储存于体内．目前，针对肥胖症的研究已经到达了分子水平，肥胖最终表现是脂肪细胞的变大或脂肪细胞数目的增多^[50]，因此针对肥胖患者脂肪细胞(棕色脂肪细胞和白色脂肪细胞)分子水平的研究非常重要．由于分子水平的研究无法用其它技术在活体发病情况下进行预诊断，所以MRI技术的推广应用便具有重要的科学价值和临床指导意义．比如以此研究BAT的功能，并从BAT作为切入点来研究肥胖症的治疗问题.

总之，如何提供更好的控制方式和有效地治疗方法，是目前肥胖症研究的重点.

相对于继发性肥胖，因饮食过量和营养过剩引起的单纯性肥胖过程更难察觉．不易察觉的发胖，可能造成常见的潜在并发症，如糖尿病^[51]等．在临床研究中，以人类本身为对象来研究饮食营养肥胖发生的过程不太实际，而需要引入合理的食源性肥胖症动物模型来模拟人类肥胖的过程．模型的引入缩短了实验周期，提高了实验效率，同时可以用于评价后续各种治疗药物和临床治疗手段的有效性和安全性^[52]．建立食源性肥胖模型与转基因的肥胖模型区别在于是否给实验组的动物喂食高脂饲料． 高脂饲料的配置标准是可以满足动物大量饮食，保证营养充足的同时，也很美味^{[53, 54]}.

研究中常用的肥胖症模型小鼠品系有C57BL/6J^[55]、ICR^[56]、KM^[57]和NIH等，大鼠品系有SD^[58]和WISTAR等.

有研究^[59]表明，与ICR、KM品系小鼠比较，C57BL/6J品系小鼠具有肥胖造模周期较短、指标稳定、可重复性强、肥胖特征明显等特点，更易于形成肥胖模型．同时发现血清LPL活性，肝脏PPATa，脂肪组织PPARy、DGAT、HSL、ATGL和TGH表达的改变是其肥胖形成的主要机制，所以研究肥胖症的模型动物一般选用C57BL/6J小鼠和SD大鼠.

C57BL/6J品系小鼠在高脂饮食诱导肥胖症中的广泛运用后，有研究者运用传统的随机取样方法来进行实验分组^[60]，但肥胖症模型的成模率过低．一些对于样本数量需求不高的应用型实验中，成模率太低会导致在原本不多的样本中得到的肥胖模型更少．针对造模过程中产生的肥胖抵抗型群体，有研究^[61]做出分组上的改变，将实验样本中的大鼠或小鼠通过不同的培育手段，从样本中筛选出肥胖抵抗部分，根据实验需要进行保留或淘汰，其余部分即可分为实验组和对照组进行实验.

相对于CT等已广泛运用的技术手段，MRI不仅无创性、参数灵活、可反映组织特性的敏感程度^[10]，而且因其采集图像的原理不同，所得到的图像对比度也明显优于其他方法．医学NMR的主要应用是MRI与MRS^[10]，目前，MRI与MRS技术手段的联合使用被认为是评价人体脂肪组织最全面的手段^[62].

在研究肥胖症时，MRI可以直观表现脂肪组织的具体分布位置．选取不同的实验角度，可分别分析人体中不同位置的脂肪组织的分布面积、人体某个部位或器官中脂肪组织是否存在变异、人体左右分布的相同器质性器官的脂肪组织是否对称分布^[47]等等．如MRI腹部脂肪扫描可以用来研究非酒精性脂肪肝患者肝脏组织的脂肪分布，结果显示他们的肝脏与血管的脂肪分布与正常者有异，而且肝脏脂肪含量不仅与代谢综合症中集中代谢成份有关联，还与内脏肥胖的血糖、胰岛素抵抗以及劲动脉硬化有关。利用MRI定量计算方法，计算得到当肝脏脂肪含量达到5.2%时，可作为代谢综合症的识别指标^[63]．通过化学位移成像的方法，可观察肾周和肠系膜脂肪组织的水脂膜分布和含水量．有实验结果^[64]表明，通过MRI化学位移成像手段测定肌肉组织的水含量为30%~95%，骨髓的水含量为15%~70%，乳腺水含量为10%~30%，皮下沉积脂肪的水含量大约为20%，肾周脂肪组织水含量为15%~20%，肠系膜脂肪组织的水含量约为30%；而且实验证明利用MRI测定水脂含量的误差约为10%，这可能是由于脂质子与水中质子产生了共振峰，为减小此误差，必须提高静磁场B₀的均匀性，尽可能的将水峰的线宽降至160 Hz以下.

肥胖症的发生会诱发一些潜在的、相关的慢性疾病的发生^[51]，其中糖尿病、脂肪肝^[64]等都是较为突出的问题^{[16, 44, 51]}．对于脂肪肝，通常采用常规T₁加权及T₂加权^[44]方法采集图像．由于脂肪肝是肝内的脂肪积聚，所以通过T₁加权和T₂加权采集的信号均为高信号，再利用短暂反转恢复脉冲序列(STIR)做到较完全的脂肪抑制，这在定性评价脂肪肝上具有一定的价值^[65]．但对于无浸润性的脂肪器官，单纯的T₁加权或T₂加权并不能很好的采集到所需图像，所以有研究者提出了水脂分离的MRI技术^[66]．水脂分离是基于水和脂肪组织质子的信号强度不同，通过技术手段进行水峰抑制来提高全身脂肪组织信号的采集成功率．常用的水脂分离技术包括脂肪饱和序列、反转恢复序列、反相位成像和Dixon等方法．MRI临床扫描常采用脂肪抑制或水脂分离的方法来提高病变组织的可见性．如有研究者利用反转恢复技术(IR)实现水脂分离，成功区分了蒸馏水和食用油^[66].

传统的MRI成像在采集水和脂质质子信号后，对采集到的信号图像一般会采用自动或半自动的方法进行处理和计算分析．如先利用单层面、再通过多层面的计算方法来测量脂肪组织的面积，最后综合获得脂肪组织的体积参数^[67]．运用这些图像处理的实验分析方法，可以定性分析并得到一个直观的图像区域信号，也可以进行简单的脂肪组织量化.

但是定性评价脂肪组织的局限性在于特异性和敏感性不高、无明显的客观对比的参考指标．而且信号变化与病变程度有关，若信号较低，病变诊断也会更加困难，准确性也有待商榷^[65]，这样可能错过轻度肥胖的最佳治疗和控制时期．例如有研究^[68]发现BAT可作为治疗肥胖症的药用靶点，利用7 T MRI仪，结合分子间双量子相干与化学位移编码Dixon方法呈现了大鼠活体的BAT水脂图像，这种方法虽然拓宽了BAT的研究范围，但缺少BAT的量化数据.

在实际研究中，MRS的应用推广弥补了MRI在肥胖症研究中的不足．作为MRI的补充技术^[69]，MRS可以进行疾病诊断、健康危机评价和病理分级判断，不仅应用在神经肌肉紊乱^[70]、II糖尿病^[71]等疾病中，也可运用在肥胖诊断和量化脂肪组织病理等级上^[72]．目前在临床和科研领域，MRS主要检测的原子核有³¹P、¹H、²³Na、¹³C、¹⁹F、⁷Li等^[65]．其中，³¹P和¹H MRS的灵敏度相对较高^[73]．虽然相对于¹H MRS，¹³C MRS在脂肪组织检测方面可以提供更多的特征，但是其敏感度和空间分辨率低，且对操作者技术要求更高．随着高场强MRI仪器的应用，¹H MRS对于活体测量的非侵略性以及简单方便的操作，让其在脂质测量上更具优势^[74].

MRS通过对组织内代谢物进行定量分析来诊断疾病．在诊断肥胖症时，通过对体内脂肪组织产生的水和脂质进行谱峰图采集．水中的质子信号一般位于δ_H 4.7附近，脂肪组织的代谢物种类较多，各质子峰分别位于δ_H 0.9、1.3和5.3附近^[75]．对质子进行归属，即可得到不同脂质的信号强度，进而计算出其浓度.

单次激发的活体¹H MRS即可定量预测整体脂肪组织的蓄积程度．有数据表明，对全身脂肪组织进行¹H MRS定量分析时，会得到两个明显的谱峰——水峰和甘油三酯(TG)峰．已有实验^[74]对基因肥胖小鼠ob/ob和饮食肥胖小鼠进行了对比，发现基因肥胖小鼠的TG含量远高于饮食肥胖小鼠，二者存在显著差异．有实验^[69]在做定量谱峰采集时，发现脂肪组织除了主要的TG成分外，存在其他的代谢物干扰，导致谱峰拥挤、谱图分辨率降低，进而增加了区分代谢物种类的难度．引入二维(2D)MRS技术(如L-COSY、JPRESS、2D LCT-COSY、2D LCT-PRESS、2D S-PRESS、2D DQF-MRS、2D L-EXSY、2D L-TOCSY和IMQC等方法)，可有效解决谱峰重叠的问题．而且，2D MRS不仅可以分辨出代谢物，还能够定量分析不同病理阶段代谢物浓度的差异，因为二维化学位移相干谱中，交叉峰的积分面积与样品中质子的个数成正比.

MRI结合MRS的技术运用，可以更好的解决轻度脂肪累积的检测问题，比如在饮食^{[75, 76]}和运动协调研究、对肌肉细胞内脂质变化评价的研究．另外，MRI与MRS技术的结合研究肥胖症是一个新颖的研究方向，如有文献^[48]结合活体MRI和MRS技术对4种基因型(ob/FSP、ob/ob、FSP/FSP和WT)小鼠颈肩部的BAT和WAT的分布与代谢变化进行了追溯，结果发现WT小鼠颈肩部BAT和WAT的水脂比分别为0.16±0.02和0.62±0.12，而ob/FSP、ob/ob和FSP/FSP小鼠BAT的水脂比分别为0.18±0.05、0.14±0.03和041±0.05，与WT组均有统计学差异(P<0.05)；三组WAT的水脂比分别为0.19±0.03、0.13±0.004和0.19±0.02，与WT组均无统计学差异(P>0.05)；而且，ob/FSP和ob/ob小鼠颈深部和肩脾间区BAT区域被WAT所取代.

MRI和MRS技术对于人类肥胖症疾病的勘察和诊断具有一定的应用价值，不仅可以用于肥胖症的早期评估，也可对因重度肥胖引起的一系列并发症进行早期的预防，有利于疾病的干预、诊断和治疗．提高对肥胖症的勘察精准度需要高场磁共振的支持，随着MRI技术的不断改良和进步，MRI技术已从实验室的基础研究应用到临床上的诊断和治疗．MRI和MRS技术在对肥胖症的科学研究和临床实践中共同快速发展，加快了攻克肥胖症这一慢性疾病难题的步伐．随着科研工作者对这两项技术进一步的突破创新，有望对于肥胖症和代谢疾病的预防和治疗做出开创性的贡献.