化学交换饱和转移磁共振成像量化方法研究进展

摘 要：化学交换饱和转移磁共振成像通过施加特定频率饱和脉冲来标记包含某类可交换质子的分子，而被标记质子通过化学交换引起水信号的变化实现间接测量该分子及其微环境．与传统氢谱（１Ｈ－ ＭＲＳ）相比，化学交换饱和转移磁共振成像可达到更高的灵敏度和空间分辨率．然而，对于活体成像，水信号的降低不光来自 化学交换饱和转移效应，还来自直接水饱和、半固体磁化转移效应和核奥氏效应等竞争效应．要实现精确可靠 的化学交换饱和转移磁共振成像量化，就必须减弱饱和脉冲对其他竞争效应的影响．介绍了化学交换饱和转 移磁共振成像定量技术的基本原理和最新进展，并阐述各种量化方法的优缺点，供对本领域感兴趣者参考及在此基础上进一步地研究开发．

关键词：化学交换饱和转移；磁共振成像；量化 ＣＥＳＴ；数学模型

１   化学交换饱和转移磁共振成像（Ｃｈｅｍｉ－ ｃａｌＥｘｃｈａｎｇｅＳａｔｕｒａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒ，ＣＥＳＴ－ ＭＲＩ）量化的意义

ＣＥＳＴ－ＭＲＩ成像是目前备受关注的一种分子影像技术，其使用特定频率的饱和脉冲来标记待检测的溶质分子，该分子上可交换质子与水发生多次化学交换引起水信号的降低从而被检测［１］．尽管生物组织中这些小溶质池的浓度通常仅在毫摩尔浓度范围内，只要选择合适的实验参数，可交换质子与水的化学交换的累积效应就能实现信号放大， 因此 ＣＥＳＴ－ ＭＲＩ具有较高的灵敏度（与传统的ＭＲＩ相比，可达到１０２～１０６）［２］．自从 Ｗａｒｄ和 Ｂａｌ－ａｂａ 等人 ２０００ 年提出 ＣＥＳＴ － ＭＲＩ 的 概 念 以来［１］，由于其具有可灵敏检测特定（类型）分子的独特优势，且对温度和 ｐＨ 值［３］等微环境的变化敏感，被认为有临床转换潜能的可包含生化信息的对比机制，迅速引起广泛的兴趣［４］．与正常组织相比，肿瘤本身显示共振频率距离水～３．５ 的高信号，被认为主要是来自多肽和蛋白质的酰胺质子，称之为酰胺质子转移 （ａｍｉｄｅｐｒｏｔｏｎｔｒａｎｓｆｅｒ，ＡＰＴ）成像［５－６］．ＣＥＳＴ－ ＭＲＩ 技术也可检测蛋白质和多 肽［７－８］、肌酸［９］、葡萄糖［１０］、谷氨酸［１１］、糖原［１２］和糖胺聚糖［１３］等，有潜力在临床中用于各种疾病和代谢性紊乱，包括：乳腺癌［１４－１５］、前列腺癌［１６］和中风［１７］等的检测．该领域已经从最初简单的 ＣＥＳＴ加权图像转变为更量化的 ＣＥＳＴ－ＭＲＩ分析．为了进一步揭示与疾病相关的病理生理特征，并对同一 组织不同时间点进行监测，需要更加精准的量化． 因此，笔者简要地概述 ＣＥＳＴ－ ＭＲＩ的不同方法和最新进展，供对该领域有兴趣的人员参考．

ＣＥＳＴ－ＭＲＩ的基本原理是通过水信号的减少来间接实现对特定分子的检测．然而，对于活体ＣＥＳＴ－ＭＲＩ成像，水信号的降低不光来自 ＣＥＳＴ效应，还来自直接水饱和度（ｄｉｒｅｃｔｗａｔｅｒｓａｔｕｒａ－ ｔｉｏｎ，ＤＳ），半 固体磁化转移效应 （ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｎｔｒａｓｔ，ＭＴＣ）和 核奥氏效应 （ｎｕｃｌｅａｒ ｏｖｅｒｈａｕｓｅｒｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ，ＮＯＥ）等 竞争效应［１８］．同时，由于这些竞争效应受到静磁场 Ｂ０、饱和功率（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎｐｏｗｅｒ，Ｂ １－ｓａｔ）和其他实验参数的 影响，致使 ＣＥＳＴ－ ＭＲＩ成为一个复杂的技术．如 何从水信号中提取出 ＣＥＳＴ 效应，尽量减弱饱和脉冲对其他效应的影响，实现对特定分子的精确量化，进 而更加准确地 对疾病进行诊 断，一 直 是ＣＥＳＴ－ＭＲＩ研究的热点．为了证明特定的 ＣＥＳＴ效应，通常通过获取大量的水信号强度作为射频（ＲＦ）饱和频率偏移的函数来产生Ｚ 谱．Ｚ 谱是通过施加脉冲后水信号的强度Ｓｓａｔ  与施加脉冲前水信号的强度Ｓ０  的比值得到 ．理论上，Ｚ 谱中显示的ＣＥＳＴ 增强取决于池的大小、交换率和可交换质子的弛豫时间．这个简单的概念与其他相互竞争的影响导致对 ＣＥＳＴ 量化变得复杂．因此，笔者拟定从量化的角度对 ＣＥＳＴ－ＭＲＩ作一个回顾．

２   ＣＥＳＴ－ＭＲＩ理论模型

ＣＥＳＴ－ ＭＲＩ 成 像 机 制 复 杂，不 仅 取 决 于ＣＥＳＴ－ＭＲＩ试剂的浓度、交换和弛豫性质，而且随Ｂ０  和Ｂ １－ｓａｔ等实验条件的变化而变化．因此，对于研究这些最优条件，数值模拟是有用和有效的． ＣＥＳＴ             效应的量化是一个复杂的过程，除了与质子浓度和交换率有关之外，还受到如 ＲＦ 辐射强度、持续时间、化学位移、主磁场强度以及纯水的横向、纵向弛豫时间等因素的影响［２０］．为了更精确地描述 ＣＥＳＴ 成像机制，通常使用包含可交换质子池的布洛赫方程（Ｂｌｏｃｈ－ ＭｃＣｏｎｎｅｌｌｅｑｕａｔｉｏｎ）．２００４年Ｚｈｏｕ等人将包含可交换质子池的最简化的 ２池模型的Ｂｌｏｃｈ方程引入到 ＣＥＳＴ－ＭＲＩ中，并推导出解析解［２１］．常见的Ｂｌｏｃｈ方程描述的模型包括 ２池模型［２０］（水池和可交换质子池）和３ 池模式［２２］（水池、可交换质子池和大分子固体池）．下面以２池模型为例来介绍 Ｂｌｏｃｈ 方程的量化方法，同时，给出３池模型的框图和仿真结果，并说明磁化转移（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒ，ＭＴ）对 ＣＥＳＴ 量化的影响．２池模型和３ 池模型的 ＣＥＳＴ 交换示意图如图１所示．

在２ 池模型中，描述２ 池交换过程用１２ 个参数描述．其中：Ｔ１ｉ（ｉ＝ａ，ｂ）表示ｉ 池的纵向弛豫时间；Ｔ２ｉ（ｉ＝ａ，ｂ）表示ｉ 池的横向弛豫时间；Ｍａ  表示水池核自旋的化学位移；Ｍｂ  表示可交换质子池核自旋的化学位移；Ｍｏａ 表示水池的可交换氢原子核在初始条件下的平衡浓度；γＭ０ｂ  表示可交换质子池的可交换氢原子核在初始条件下的平衡浓度与水池之比；ｋｂａ  表示可交换质子池核自旋交换到水池的速率；ｋａｂ  表示水池的核自旋交换到可交换质子池的速率；ω１  表示描述预饱和射频脉冲的强度；ｔ 表示脉冲施加时间（下面公式中ｋａｂ和ｋｂａ  的意义相同）．

在核磁矩和磁化强度矢量的概念基础上，通过在旋转坐标系下，ＭＲＩ系统中Ｂ１－ｓａｔ 是从ｘ 方向上加入的和２池模型的交换，得到描述图１Ａ 所示２池模型的Ｂｌｏｃｈ方程如公式１所示．

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