原子核的共振频率不仅取决于外加磁场强度及其本身物理性质，还受化学环境的影响，即同一种原子核所在的化学环境不同，进动频率就会不同，产生磁共振频率也就不同，在频谱上产生的共振峰也有差别，这种现象称为化学位移。

MRS需要良好的磁场均匀性，要求短的射频脉冲激励原子核，然后需要一段采集信号时间，将收集到的自由衰减感应信号通过傅里叶变换变成波谱。因此，MRS是由一系列的频谱峰组成，峰下面积代表原子核的数量，横轴代表共振频率，通常用百万分率（parts per million，ppm）表示，纵坐标代表信号强度，峰值由共振频率峰高和半高宽度决定。

MRS可以检测多种核元素，最常见的是氢核1_H和磷核³¹P，其中氢质子的旋磁比率最大，在生物体内含量最丰富，产生的MRS信号最强，且与常规磁共振所用的激发及接收频率一致，所以研究应用最广泛的是¹H-MRS。虽然³¹P等其他核元素的MRS可提供¹H-MRS不能提供的代谢信息，然其信噪比低、采集时间长、需特制线圈等问题，临床应用受限。MRS检查易受心跳、呼吸、运动伪影及脂肪组织的干扰，而头部容易制动且含脂质少，故MRS主要用于人脑疾病及功能的研究。

正常脑内¹H-MRS有5个较明显的波峰：N-乙酰天冬氨酸（N-acetylaspartate，NAA）的波峰最高，化学位移位于2.02ppm，主要存在于神经元内，是神经元的标志，NAA水平降低可作为判断神经元丢失和损伤的可靠指标；胆碱复合物（choline containing compounds，Cho）包括磷脂酰胆碱、甘油磷酸胆碱及磷酸胆碱，化学位移位于3.22ppm，反映脑内总胆碱的储存量，胆碱与细胞膜磷脂代谢有关，反映了细胞膜的运转状态；肌醇（myoinositol，MI），化学位移大约位于3.56ppm和4.0ppm，目前认为仅存在于神经胶质细胞内，是脑内神经胶质细胞的标志物，还参与细胞渗透压的调节及第二信使的生成，MI水平变化可能预示神经胶质细胞代谢改变，也可能反映潜在的生化紊乱及第二信使的改变；磷酸肌酸和肌酸（phosphocreatineandcreatine，PCr/Cr），化学位移大约位于3.02ppm和3.96ppm，是脑组织能量代谢的提示物，脑内不同代谢条件下，Cr+PCr的总量相对稳定，故可将Cr/PCr当作参照，与其他共振峰进行比较；谷氨酰胺（glutamine，Gln）和谷氨酸（glutamic acid，Glu）两个代谢物的波峰位置相近，总的化学位移位于2.1～2.5ppm，是一种兴奋性神经递质，参与能量代谢。此外，脑内还会出现脂质、乳酸、丙氨酸等。

根据检测体素分为单体素和多体素MRS，前者选择性采集一个感兴趣区体素的谱线，后者可一次性采集感兴趣区内多个体素的谱线，同时反映多个部位代谢物的情况，因此，后者较前者对磁共振成像设备要求高，检查时间延长，受运动影响大。