现代医学的进步很大部分得益于医学检测手段的发展.在精准医疗的背景下，基于结构变化的无创医学成像所提供的信息有限，愈发不能满足个体化诊治的需要.而代谢成像则从生物分子角度提供了更为丰富的疾病相关的信息，在诸多疾病发生发展的监测中具有重要作用.目前临床上最常用的代谢成像手段是正电子发射型断层显像（Positron Emission Tomography，PET），该方法利用多种设计的示踪剂在组织细胞、亚细胞、分子水平显示人体组织器官的功能、细胞代谢的变化，其中，最常用的显影剂是2-氟-2-脱氧-D-葡萄糖（2-¹⁸F-fluoro-2-deoxy-D-glucose，¹⁸FDG）.基于FDG的PET利用了不同组织摄取葡萄糖的差异，在肿瘤诊断、分期中起着重要的作用，特别是在转移瘤的诊断中.但是在检测和研究脑肿瘤时，正常脑组织中FDG的高摄取特性大大降低了PET图像的对比度，同时存在放射性、无法反映组织进一步代谢等问题^[1].质子磁共振波谱（Hydrogen Magnetic Resonance Spectroscopy，¹H MRS）及成像（Hydrogen Magnetic Resonance Spectroscopy Imaging，¹H MRSI）灵敏度高，可进行高空间分辨率的代谢特异性成像，但其检测的是基于组织累计效应的静态代谢池变化^[2]，不能完全反映动态的代谢过程，且易受组织固有的代谢物信号影响（如大分子代谢物谱峰掩盖了感兴趣代谢物谱峰），同时扫描过程对成像参数设计（水脂信号抑制等）、匀场要求高.化学交换饱和转移（Chemical Exchange Saturation Transfer，CEST）MRI技术通过施加特定频率的脉冲饱和溶质池中的质子，自由水池中的质子因与其产生化学交换而导致一定量的自由水质子饱和，从而造成磁共振信号降低.通过外源性或内源性的对比剂，CEST成像技术可实现如酰胺质子或葡萄糖等物质的成像等^[3]，然而却无法直接反映其后续的代谢流信息.另外，还有一些基于其他核素的代谢成像手段.例如¹³C磁共振波谱（¹³C MRS）通过富含¹³C的代谢底物来反映相关代谢过程的变化，但由于灵敏度低、谱图相对复杂、技术要求高等特性在临床转化上较为困难.国内具有代表性的超极化¹²⁹Xe技术不仅可用于肺部MRI^[4]，还可通过合成特异性的分子探针从而对相应的靶向分子进行探测^[5].超极化技术通过动态核极化（Dynamic Nuclear Polarization，DNP)、自旋交换光抽运(Spin-Exchange Optical Pumping，SEOP）等方法提高原子核的自旋极化度，提升了产生的磁共振信号的强度，虽然解决了传统MRS低灵敏度的问题，但仍存在制备成本高、在生物体内退极化速度快等不足^[6].

近年来，氘代谢波谱（Deuterium Metabolic Spectroscopy，DMS）和氘代谢成像（Deuterium Metabolic Imaging，DMI）已被活体实验证明是简单但有效的代谢物测量技术^[7].目前，该方法主要反映注射或口服氘代葡萄糖（如D-Glucose-6, 6’-d₂）后，目标组织与正常组织之间相应氘代谢产物的差别（如糖酵解、三羧酸循环等代谢过程的产物），从而进行组织区分^[7]，这些代谢过程的信息将在疾病诊治中发挥重要作用.而且，所用的氘代化合物具有稳定性高、安全性好、无辐射等优点，且扫描过程无需水/脂抑制，对磁共振系统的主场均匀性相对不敏感.但DMS/DMI这一新兴方法目前在临床/临床前应用中具有其它影像学手段无法替代的作用，因此本文就近几年来DMS/DMI的研究进展进行总结回顾，并进一步对其临床应用前景进行了展望.

传统的¹H MRI基本原理为：在外加磁场的作用下，绕主磁场（静磁场）进动的自旋质子在短暂的射频脉冲磁场（几十到几百MHz的质子共振频率）作用下，进动角增大；当射频脉冲停止后，质子又会逐渐恢复到原来的状态（即弛豫过程）；与此同时，通过在主磁场中附加一个梯度交变磁场（kHz频率），选择性地激发目标组织的原子核，然后接收磁共振信号，进而建立完整的磁共振图像.不同的组织可以通过不同的弛豫特性来区分，但该传统成像方式是基于水中质子信号，不能反映人体复杂的代谢偶联反应.

DMS/DMI通过氢的同位素—氘（²H或D），来标记进入机体的化合物，射频脉冲选择性地设定为氘核对应的共振频率，利用相对简单的脉冲序列（无需水脂抑制的脉冲序列），结合三维相位编码进行信号采集和重建.图 1为²H标记化合物在生物体内糖代谢过程的示意图，以及目前DMS/DMI研究中使用过的反应底物及所检测的代谢产物.将葡萄糖中C-6上的H用²H取代后，²H将随着主链不断代谢为不同的化合物（此亦PET达不到的优点），²H标记的不同化合物具有不同的化学位移，可以通过MRS进行识别.再结合空间定位编码，分析不同组织中相关²H标记代谢物的浓度，可获得不同病理生理状态下的组织代谢情况.

²H作为一种稳定的同位素示踪剂，自被提出至今已有近90年^[8]，虽然已在结构化学研究中作为标定手段而广泛应用，但DMI研究却进展缓慢.部分原因在于氘核自身的物理性质：氘核自旋量子数为1，有电四极矩，影响了²H谱的线宽而难以得到高分辨率的磁共振图像；同时氘核的自然丰度低，敏感性不如氢质子和其他放射性同位素^[9].近年来，随着磁共振硬件水平的不断提升（包括主磁场强度提升，射频、梯度系统性能的提高）和相关氘代化合物（如氘代葡萄糖、氘代乙酸）合成技术的成熟，DMI重新获得研究者的关注，各种医学应用因此不断被拓展和延伸.

DMI的结果类似PET，在人体或大鼠原位脑胶质瘤中的成像效果可详见de Graaf小组的研究结果^[7].但首次利用氘代葡萄糖进行在体代谢研究出现在2017年^[10].如图 1所示，葡萄糖在体内的代谢主要分为两个阶段——糖酵解作用和柠檬酸循环（又称三羧酸循环）：前者的代谢产物丙酮酸在缺氧的环境下会被乳酸脱氢酶还原成为乳酸（lactate）；而在氧气充足的环境下则进入三羧酸循环，并最终代谢成为水和二氧化碳，在此循环过程中产生的α-酮戊二酸可经转氨基作用生成谷氨酸（glutamate）或进一步转化为谷氨酰胺（glutamine）^[11].据此，Lu等^[10]在16.4 T小动物超高场磁共振系统上进行了实验：静脉注射氘代葡萄糖后，在健康大鼠脑部采集DMS，根据水模标定、测得的²H谱信号强度以及代谢动力学模型，拟合葡萄糖、谷氨酸+谷氨酰胺随时间变化的浓度曲线，从而以在体无创的DMS方式测得了葡萄糖代谢率；为了进一步检测该方法的敏感性，研究者也在不同状态（吗啡镇静组、2%异氟烷麻醉组）的大鼠上使用同样的方法检测，发现吗啡镇静组的脑葡萄糖消耗率（Cerebral Glucose Consumption Rate，CMR_glu）和三羧酸循环速率（Tricarboxylic Acid Cycle Flux，V_TCA）明显高于异氟烷深度麻醉组：吗啡镇静组的CMR_glu和V_TCA分别为0.46 μmol g^-1 min^-1和0.96 μmol g^-1 min^-1，异氟烷麻醉组的CMR_glu和V_TCA分别为0.25 μmol g^-1 min^-1和0.6 μmol g^-1 min^-1. 该研究首次利用²H标记葡萄糖，并在体进行代谢的检测，同时实现了氘代谢产物的动态定量测量，为氘在磁共振领域的应用打开了大门；美中不足的是，此研究采集的是DMS，尚无法达到成像定位的要求.

为进一步扩展DMS/DMI的医学应用范围，de Graaf小组首次在人体和大鼠上进行了DMI^[7]. 肿瘤组织的葡萄糖代谢不同于正常组织，表现为Warburg效应：肿瘤细胞较正常细胞有更高的葡萄糖摄取利用率，即使在氧气充足的条件下也更倾向于通过糖酵解途径给细胞供能，因此导致肿瘤细胞糖酵解后续产物乳酸含量较高，而有氧三羧酸循环后续产物谷氨酰胺和谷氨酸含量较少^[12]. de Graaf等创造性地利用Warburg效应将乳酸与谷氨酸+谷氨酰胺（二者在MRS上无法完全区分，故常以二者之和的形式进行研究）的比值作为区分标准，在摄入氘代葡萄糖后的高级别脑胶质瘤患者（4 T）和脑胶质瘤大鼠模型（11.7 T）中成功实现了DMI；结合¹H高分辨率结构磁共振图像，实现了胶质瘤组织与正常脑组织的高对比度区分^[7].该肿瘤代谢研究将DMS/DMI的应用推到了一个新的高度.

此后开展的实验基本上以此为思路，利用不同病理生理状态组织之间葡萄糖代谢的差别进行组织代谢的鉴别.Kreis等^[13]利用9.4 T磁共振系统，在注射氘代葡萄糖后的淋巴瘤（EL4）小鼠模型中以10 min的时间分辨率实现了乳酸代谢流的定量代谢成像；以常用化疗药物依托泊苷进行治疗48 h后，再次进行DMI，发现经治疗后，淋巴瘤区域肿瘤细胞糖酵解产生的乳酸大量减少（乳酸/重水比值从0.33 ± 0.10降至0.089 ± 0.039），证明了化疗作用早期的治疗效应.淋巴瘤作为一种血液系统肿瘤，其快速生长的特性也使Warburg效应有着更明显的体现；然而该研究更为重要的意义在于通过DMI来反映肿瘤组织经过治疗后的代谢变化，为治疗反应的早期评价提供了一种新的思路，因为目前对肿瘤的治疗评价主要依靠治疗后肿瘤组织体积缩小的程度，但该评价指标仍然存在着评价时间滞后、敏感性差（某些肿瘤组织干预后生长受到抑制但体积未缩小，从而无法完全反映其治疗效果）等问题^[14].此外，Kreis研究组又利用7 T磁共振系统研究了人乳腺癌细胞（MDA-MB-231）小鼠移植瘤模型和人结直肠癌细胞（Colo205）小鼠移植瘤模型，予以肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体受体2（Tumor Necrosis Factor-related Apoptosis-inducing Ligand Receptor 2，TRAILR2）治疗24 h后，进行DMI，使用的代谢成像显影剂为氘代延胡索酸（延胡索酸fumarate为三羧酸循环的代谢物之一，其进一步反应生成苹果酸malate，而苹果酸生成增加提示细胞膜渗透屏障的破坏，进而提示肿瘤细胞坏死^[15]），通过检测到肿瘤组织中苹果酸与延胡索酸比值的增加，验证了利用DMI进行早期肿瘤治疗反应评价的可行性^[16].

上述研究主要关注肿瘤的异常糖代谢，但生物体中除了肿瘤组织，肌肉、肝组织中葡萄糖代谢也相当活跃，主要为葡萄糖与糖原之间的合成和分解代谢.de Feyter等^[17]在肝脏中利用DMS进行了尝试：通过在小鼠体内注射氘代葡萄糖和糖原磷酸化酶抑制剂，使小鼠肝组织合成并贮存大量糖原，然后将肝组织取出碾磨，并在11.7 T磁共振系统上对组织液进行DMS分析；而在使用葡萄糖苷酶使糖原分解为葡萄糖后，再次进行DMS分析.该研究顺利测得了葡萄糖的谱峰，但难以测得糖原的谱峰.究其原因在于糖原的横向弛豫时间极短（T₂ < 2 ms）而谱峰的线宽极大（约190 Hz），导致其难以探测.但该研究仍不失为一次有意义的尝试，在肿瘤葡萄糖代谢之外开拓了新的思路：糖原代谢，这对诸如糖尿病、糖原贮积病等的机制研究都有重要意义.需要注意的是，该实验为离体磁共振实验，而在体成像实验还需要平衡回波时间、重复时间等影响.

急性脑梗塞患者的局部脑组织供血中断导致局部缺氧，致使神经细胞的能量代谢途径发生改变，糖酵解所占的比重增大，生成的乳酸也因此增多^[18].鉴于此，Straathof等^[19]对缺血性脑梗塞大鼠模型注射氘代葡萄糖后，利用9.4 T磁共振系统进行DMI，以乳酸浓度为标志呈现出相应的脑缺血部位.棕色脂肪组织作为寒冷环境下机体产热的组织，其产热过程中对葡萄糖的需求也高于正常组织.基于此，Riis-Vestergaard等^[20]将大鼠分别预先在寒冷环境（9 ℃）和正常环境中（30 ℃）饲养一周，之后注射氘代葡萄糖，并在9.4 T磁共振系统上进行DMI，发现寒冷环境适应组的棕色脂肪组织无论是葡萄糖摄取量还是谷氨酸+谷氨酰胺和乳酸生成量都明显高于相应的正常环境饲养组.不同于脑组织，心肌组织能量物质来源主要为脂肪，但在不同病理生理状态下其能量来源可能发生相应变化.Wang等^[21]利用²H标记的葡萄糖及乙酸盐进行DMI，发现心肌的能量底物更偏好于乙酸盐.尽管其中仍存在诸如定量化等的难题，但其提示着将DMI应用于能量代谢研究的可行性，结合³¹P谱成像，将对无创能量代谢研究提供新的思路.表 1总结了已有文献报道的DMS/DMI的相关研究.

综上所述，截至目前为止，DMS/DMI应用的最主要核心论据为不同生理或病理状态的组织之间存在着糖代谢的差异，从而可以通过这种在体无创的新型分子影像技术实现氘代谢产物的动态定量检测.

DMS/DMI是一门新兴的磁共振分子影像技术，其涉及的相关氘代底物、仪器设备、脉冲序列、成像参数、数据处理过程等方面仍有许多问题有待探讨.

氘代葡萄糖是目前使用较多的氘代底物，但也有使用其他氘代底物的研究.von Morze等^[22]在4.7 T磁共振系统下直接比较了超极化¹³C MRSI和DMI效果：就所摄取的初始代谢物而言，¹³C-丙酮酸的信噪比（107 ± 65）远远高于氘代葡萄糖（12.7 ± 5.6），但是由于¹³C衰变速度快，致使其只能探测到相对较前的代谢产物（如乳酸），而无法探测后续的代谢产物（如谷氨酸等）信号，然而稳定的同位素氘则可以探测到这些代谢产物.

Mahar等^[23]使用D-Glucose-1, 2, 3, 4, 5, 6, 6’-d₇（即六碳主链上每个碳原子的一个氢原子被氘原子取代，而C-6位的两个氢都被氘取代），由于其他号位碳上的氘在代谢过程中会参与生成水，因此使用D-Glucose-1, 2, 3, 4, 5, 6, 6’-d₇会产生大量的重水，这些产生的重水与产生的乳酸数量上相匹配，也可在一定程度上可反映肿瘤代谢.而研究中最常使用的氘代葡萄糖为D-Glucose-6, 6’-d₂，即将普通葡萄糖C-6上的两个氢原子替换为氘原子而获得，其好处是在三羧酸循环中，C-6位的氘会在葡萄糖分解代谢过程中留存于三碳主链，从而可以在下游代谢物（如谷氨酸）等中检测到²H信号.若使用D-Glucose-6, 6’-d₂，则产生的重水为C-6上的氘与氢进行化学交换所产生，而且这种氢氘交换反应将造成目标检测物（如谷氨酸等）上²H信号的降低，对²H信号的定量检测造成影响.有研究利用¹³C和²H双重标记的葡萄糖在大鼠脑组织内进行了²H信号损失的定量检测，发现以D-Glucose-6, 6’-d₂为底物时，乳酸、谷氨酸和谷氨酰胺上²H信号的丢失率分别为15.7% ± 2.6%、37.9% ± 1.1%和41.5% ± 5.2% ^[24]，由此可见随着代谢的进行，²H信号的损失越来越大，这样的损失对定量DMI来说是不可忽视且影响重大的.然而，Rich等^[25]创造性地利用这种化学交换效应提出了定量标记交换流失磁共振波谱（Quantitative Exchanged-label Turnover MRS，QELT MRS）技术，或简称定量磁共振波谱（qMRS）技术.之前的DMI是通过注射氘代葡萄糖之后，在氘核的共振频率下采集²H信号的升高展示相关代谢产物的动态变化；但qMRS方法则反其道而行，即注射氘代葡萄糖之后，氢氘交换效应的存在致使原本不含氘的代谢产物的部分氢原子被氘取代，因此在氢的共振频率下测得的相应代谢产物的¹H信号将降低，所以注射前后代谢产物¹H信号的差值即可提示相应²H信号的增加量.需要指出的是，普通的DMI对软硬件都有极大的要求，包括针对氘核专用的射频线圈、前置功率放大器、配套的多核采集系统等，但qMRS采集的是¹H信号，可克服这些问题，具有良好的应用前景.

上文中提到的DMS/DMI研究都在非临床磁共振设备上实现的，这是因为氘核较低的天然丰度及量子力学性质等因素导致其成像敏感度低，故已有研究都是在超高场磁共振（主磁场强度大于3 T）系统中进行，且在体实验大部分使用小动物模型，极少应用于人体.而随着磁共振系统静态主磁场场强的提升，DMI的敏感性及波谱分辨率也将不断提高^[26].

在具体的成像过程中，现阶段下相对成熟的方式仍是直接采集²H信号.由于氘核的拉莫尔频率仅为氢的1/6~1/7，因此采集过程需使用特定频率的氘核射频线圈（9.4 T环境对应61.4 MHz）.商用小动物氘线圈采用单通道发射-接收一体化表面线圈设计，但表面线圈固有的缺点—射频发射场（B₁⁺）不均匀性，在高场下将被进一步放大，导致采用常规脉冲序列（如PRESS及STEAM）进行层选定位时轮廓不理想，无法精确实现定域谱成像，所以高性能的氘核成像射频线圈的创新型设计也是开展一系列代谢研究的基础和关键.有研究人员尝试在9.4 T的主磁场强度下，采用8通道收发/2通道仅接收的氘线圈，在人脑DMI中达到了10 min的时间分辨率和2.97 mL的空间分辨率^[27]，但其技术实现上难度较大.如图 2所示，本课题组创新性地设计并制作了一款氢/氘双核发射接收一体化鸟笼状线圈，并成功采集到肿瘤小鼠注射氘代葡萄糖后的预期波谱^[28]，而且系统地评估了氘核鸟笼状体线圈在磁共振信号激发区域、发射均匀性、发射效率和接收信噪比方面的性能.结合水模型以及肿瘤/对照活体小鼠的成像结果，我们比较并讨论了射频体线圈和表面线圈设计在DMS/DMI应用的利与弊，为高信噪比DMS/DMI射频线圈的设计提供了重要的技术参考，并提出利用体线圈发射结合表面线圈接收或许是实现高分辨率及高信噪比代谢成像的最佳选择.

在脉冲序列及相应成像参数的选择上，使用最简单的单脉冲（single pulse）激发序列即可采集全脑的DMS.而由于氘核与氢核的共振主频率差距极大，在¹H MRS中相当重要的外部体积抑制（Outer Volume Suppression，OVS）模块在²H谱采集中可能将不再需要，并且氘核极低的自然丰度使得体内水和脂肪信号不再需要特殊抑制；对于定域波谱，在发射场均匀的情况下，采用常规的序列（STEAM或PRESS）即可进行谱成像，无需OVS及水脂抑制，从而简化了序列的优化与调节，但若发射场极不均匀（如使用表面线圈），则需采用基于绝热脉冲（adiabatic pulse）的方法（如LASER或semi-LASER序列）进行定位；对于波谱成像，氘频率下的2D或3D化学位移成像（Chemical Shift Imaging，CSI）可采集选定层面的代谢谱，操作亦较氢谱简单.在参数选择上，氘原子的电四极矩导致氘代化合物T₁、T₂显著缩短.常用于检测的氘代物质T₁值如下：水（约350 ms）、葡萄糖（约50~60 ms）、谷氨酸/谷氨酰胺（约150~200 ms）、乳酸（约300 ms），其值随B₀场变化不大；氘代水T₂值约为20~30 ms、其他代谢物T₂值在50~60 ms以下，并随B₀场增大而减小^[29].因此现有的DMI文献中扫描使用的重复时间多为150~400 ms，翻转角约60°~90°，而回波时间极短（回波时间鲜有报道，有报道的为1 ms左右^[20]）.除此以外，也有结合平衡稳态自由进动序列^[30]以及机器学习方法^[31]来尝试提高DMI的信噪比，均具有一定的应用前景.

对后处理软件而言，由于²H谱仅包含所用反应物及相关代谢产物，因此对DMS/DMI的后处理比¹H谱更为简单，常用的软件如jMRUI^[32]或LCModel^[33]皆可进行处理.

DMS/DMI作为一种新兴的分子影像技术，相比于现有的分子影像技术（PET、¹H MRSI、CEST等），具有一定的优势，目前主要用于研究不同生理或病理状态的组织之间的糖代谢差异.该技术涉及化学反应机理、医学模型设计、射频电子电路设计、医学图像重建等诸多领域，从理论推导到临床实践尚有许多亟待完善的地方.

为了推动该新兴分子影像技术真正服务于患者、应用于临床诊疗，以下几个方面的工作值得进一步研究：①成像分辨率的提高—上述DMI在小动物上最小分辨率为2×2×2 mm³、在人体实验中多为2×2×2 cm³，这样的分辨率水平对于组织结构区分而言过于粗糙，因此应在成像实验中以²H信号反映组织代谢信息、以¹H信号呈现组织形态信息，即设计氢/氘双核双频线圈以满足精准结构定位的组织代谢功能需求，同时重点提升氘线圈电磁设计的接收灵敏度、提高DMI的空间域信噪比.由于多核磁共振设备的限制，将来小动物成像研究的改进重点是采用基于绝热脉冲的序列进行定位，并结合更好的硬件设计（如体发射结合表面接收）来进一步提升分辨率和信噪比；而人体成像研究中接收线圈阵列化将有效提升成像效果.②医学应用的开发.目前的研究表明DMI在葡萄糖代谢成像方面具有诸多优势，而除肿瘤外，诸多疾病如糖尿病、半乳糖血症、糖原贮积病等都存在着糖代谢异常，因此值得将这种无创、无辐射、稳定、可动态测量代谢变化的分子影像技术开发应用于更多临床疾病的诊断与治疗.比如，端粒选择性延长（Alternative Lengthening of Telomeres，ALT）途径在星形胶质细胞瘤的增殖中与葡萄糖代谢密切相关，结合相关药理及细胞生物学实验，将DMI与基因联系起来，用于无创评价治疗反应^[34]；此外，利用¹³C进行神经发育过程中的原位空间甲基化检测^[35]，也对DMI的应用开发具有极大的借鉴意义.但这部分应用的开发极具挑战性，需要真正医工信的结合来共同实现，未来DMI将可能架构起微观分子生物学和宏观生物成像的桥梁.③氘代显影剂的设计.当前研究使用过的氘代显影剂有氘代葡萄糖、氘代乙酸、氘代延胡索酸等，这些显影剂都为糖代谢过程的相关代谢物；而设计更多种类的氘代显影剂，即可在相应的代谢循环中检测不同的代谢物信息，将使我们获得更丰富且有意义的代谢变化信息.不过需要指出的是，其他氘代试剂的使用必须考虑到剂量、安全性及给药途径等，按目前的检测灵敏度，相应氘代试剂的浓度需要在体内达到mmol/L级别方可被检测，而使用这种浓度的氘标记的激素、神经递质等，人体是否耐受，以及且蛋白质类物质口服是否吸收，给药途径如何等一系列的问题都需要考虑.以上这三方面的因素又是相辅相成的，分辨率的提高可以使得更小浓度的标记物质被检测出，从而推动应用范围及氘代显影剂的开发.

DMS/DMI需要医工信等多学科交叉来推动其发展，合力挖掘这一新兴分子影像技术的潜力，从而在疾病的早期诊断、治疗决策、预后评估等方面通过新的视角为临床医生提供有意义的信息，从而推动个体化精准医疗的进展.