一种用于活体的化学交换饱和转移效应的定量方法

1.本发明属于磁共振成像方法领域，尤其是涉及一种用于活体的化学交换饱和转移效应的定量方法。该发明适用于活体磁共振成像中进行内源或外源性化学交换饱和转移效应的定量，且定量结果不受活体内磁化传递效应和核欧氏效应的影响。


背景技术：

2.磁共振成像(magnetic resonance imaging，mri)是目前常用的临床医学影像方法，具有无侵入、无电离辐射、无组织穿透深度限制等优点，能提供丰富的对比信息。然而，磁共振分子影像技术的发展受到检测灵敏度和空间分辨率的限制。
3.化学交换饱和转移(chemical exchange saturation transfer，cest)是一种新兴的磁共振分子影像技术。当存在与水质子发生化学交换的可交换质子时，可以通过射频脉冲选择性饱和可交换质子，从而将饱和效应转移到水质子上。化学交换饱和转移方法通过水质子信号的变化来间接探测可交换质子，将检测灵敏度提高三个量级以上，实现毫摩尔量级的磁共振分子影像。活体成像时，内源性的酰胺质子、肌酸、粘多糖以及葡萄糖等均能产生化学交换饱和转移效应。
4.在活体内，其他的极化转移效应也会引起水质子信号变化，从而影响化学交换饱和转移效应的定量。主要包括磁化传递(magnetization transfer，mt)效应和核欧氏(nuclear overhauser enhancement，noe)效应。内源性化学交换饱和转移效应主要分布在1至4ppm区间，核欧氏效应则主要分布在
‑
2至
‑
5ppm的区间内，磁化传递效应的谱宽很宽，覆盖化学交换饱和转移效应和核欧氏效应的化学位移范围。化学交换饱和转移效应在活体内的定量，要尽量减少磁化传递和核欧氏效应的干扰。
5.现有的化学交换饱和转移的定量方法，主要是基于非对称磁化转移率(magnetization transfer asymmetry,mtr
asym
)计算。v.guivel
‑
scharen等人[detection of proton chemical exchange between metabolites and water in biological tissues.j.magn.reson.1998.133:p.36
‑
45]假设磁化传递效应以及水的直接饱和效应沿水质子的共振频率中心对称，而化学交换饱和转移效应是非对称的。通过水质子两侧信号相减，可以定量化学交换饱和转移效应。然而，磁化传递效应实际上不完全沿水质子频率对称，两侧相减时也受到核欧氏效应的干扰，化学交换饱和转移效应定量并不准确。
[0006]
m.zaiss等人[quantitative separation of cest effect from magnetization transfer and spillover effects by lorentzian
‑
line
‑
fit analysis of z
‑
spectra.j.magn.reson.2011.211:p.149
‑
155.]提出使用洛伦兹线型来拟合化学交换饱和转移效应。假设化学交换饱和转移效应以及水的直接饱和效应呈现洛伦兹线型分布。该方法需要采集较多的数据用于线型拟合，同时需要确定交换池数量及大概位点的信息用于设定拟合初值。
[0007]
j.tao等人[mr imaging of the amide
‑
proton transfer effect and the ph
‑
insensitive nuclear overhauser effect at 9.4t.magn.reson.med.2013.69:p.760
‑
770.]提出三点法用于评估化学交换饱和转移效应和核欧氏效应，分别采集信号及信号两侧频率点信号，通过信号值减去信号两侧平均值来分离化学交换饱和转移效应或核欧氏效应。该方法选点需要一定先验知识，同时定量结果偏低。
[0008]
此外，其他定量方法包括j.i.friedman等人[indirect detection of labile solute proton spectra via the water signal using frequency
‑
labeled exchange(flex)transfer.j.am.chem.soc.2010.132:p.1813
‑
1815.]提出的频率标记交换转移方法。该方法需要采集多个交换时间的数据进行傅里叶变换。
[0009]
本发明提出一种用于活体的化学交换饱和转移效应的定量方法，是一种对磁化传递效应不敏感，且不受核欧氏效应干扰的定量方法。该方法设计了新的磁共振成像脉冲序列，将为活体的化学交换饱和转移效应的定量提供新的参照。


技术实现要素：

[0010]
为解决现有定量方法存在的上述问题，本发明提供了一种用于活体的化学交换饱和转移效应的定量方法，本发明基于以下思路：
[0011]
在活体内，化学交换饱和转移效应主要分布在化学位移谱上的低场区域，以酰胺质子为例，其化学交换位点位于3.5ppm处。核欧氏效应分布在高场区域，磁化传递效应则覆盖高场和低场区域，谱宽高达千hz量级，远远宽于常见的化学交换饱和转移效应和核欧氏效应。
[0012]
磁场梯度可以对磁共振信号进行展宽。因为不同信号的谱宽不同，因此梯度展宽对信号的影响不同。化学交换饱和转移效应的谱宽通常在数百hz量级，100hz的展宽可以让化学交换饱和转移效应产生明显的下降。而100hz的展宽对磁化传递效应的影响可以忽略不计。
[0013]
根据上述原理，在不施加梯度时选择性饱和可交换质子，采样获得第一信号强度s
off
，第一信号强度s
off
中同时包含了化学交换饱和转移效应和磁化传递效应。然后在施加选层方向梯度时选择性饱和可交换质子，采样获得第二信号强度s
on
，第二信号强度s
on
中磁化传递效应几乎不受梯度影响，而化学交换饱和转移效应则大幅降低。两者相减，可以消除磁化传递效应，得到化学交换饱和转移效应。最后，在不施加梯度也不施加饱和的情况下，采样获得初始信号强度s0，对信号进行归一化。则归一化的化学交换饱和转移效应的定量参数s
cest
表示为：
[0014][0015]
公式1中，s
on
‑
s
off
可以消除磁化传递效应，得到化学交换饱和转移效应的大小，同时通过除以s0对信号进行归一化。核欧氏效应与化学交换饱和转移效应在化学位移谱上位置不同，因此该计算方法天然不受核欧氏效应的影响。
[0016]
一种用于活体的化学交换饱和转移效应的定量方法，包括以下步骤：
[0017]
步骤1、采样获得主磁场b0分布图；
[0018]
步骤2、不施加梯度，通过饱和脉冲选择性饱和可交换质子的化学交换位点，采样获得第一信号强度s
off
；
[0019]
步骤3、施加梯度，同时通过饱和脉冲选择性饱和可交换质子的化学交换位点，采
样获得第二信号强度s
on
；
[0020]
步骤4、不施加梯度也不施加饱和脉冲的情况下，采样获得初始信号强度s0；
[0021]
步骤5、使用主磁场b0分布图，对第一信号强度s
off
与第二信号强度s
on
进行b0场偏移校正；
[0022]
步骤6、计算归一化的化学交换饱和转移效应s
cest
：
[0023][0024]
如上所述的步骤1、步骤2、步骤3和步骤4中的采样均为采样参数相同的快速自旋回波采样或者梯度回波采样。
[0025]
如上所述的步骤2中饱和脉冲的强度为1μt、持续时间为2s。
[0026]
如上所述的步骤3中饱和脉冲的强度为1μt、持续时间为2s，梯度在选层方向的强度为11.7mt/m。
[0027]
本发明相对于现有方法，具有以下有益效果：
[0028]
1、本发明提供了新的磁共振成像脉冲序列和新的计算方法，通过梯度开关来调控信号，能分离出活体内化学交换饱和转移效应。
[0029]
2、本发明只需要采集化学交换位点处附近的信号，采样数据少，采样时间大幅度缩短。
[0030]
3、本发明方法天然不受活体内核欧氏效应的影响。
附图说明
[0031]
图1是本发明方法的流程图；
[0032]
图2为一种用于活体的化学交换饱和转移效应的定量方法的脉冲序列示意图；
[0033]
图3为梯度对化学交换饱和转移效应以及磁化传递效应的影响；
[0034]
图4为大鼠脑部的第一信号强度s
off
与第二信号强度s
on
在化学位移轴上的分布；
[0035]
图5为使用本发明方法计算得到的大鼠脑部化学交换饱和转移效应分布图。
具体实施方式
[0036]
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0037]
实施例：
[0038]
本实施例在bruker 7t磁共振成像仪(biospec 70/20)上进行。实验对象为健康sd(sprague
‑
dawley)大鼠，体重309g，进行脑部成像。使用约4％异氟烷的混合气体诱导麻醉大鼠，使用1～2％的异氟烷混合气体维持大鼠麻醉状态，使用循环水浴装置维持大鼠体温稳定，监控呼吸使其呼吸保持在50次/分钟左右。使用鸟笼线圈激发和4通道阵列线圈接收方式。
[0039]
本实施例中，以大鼠脑部酰胺质子的化学交换饱和转移效应为例进行阐述，信号位点为3.5ppm。本发明不仅能用于动物，也能用于人体。
[0040]
一种用于活体的化学交换饱和转移效应的定量方法，包括以下步骤：
[0041]
步骤1、如图1流程所示，首先采样获得主磁场b0分布图。本实施例使用的主磁场b0分布图的测量方法为水饱和位移参考方法[kim m et al.,water saturation shift referencing(wassr)for chemical exchange saturation transfer(cest)experiments.magn reson med.2009.61:p.1441
‑
1450]，以饱和脉冲扫频的方式，通过快速自旋回波采样获得b0场分布。采样参数：矩阵96*72，层厚0.8mm，tr时间5s，te时间4.7ms，回波链中回波数为12个。其他b0场测量方法，诸如梯度回波采样等方法同样适用于本发明。
[0042]
步骤2、不施加梯度，通过饱和脉冲选择性饱和可交换质子的化学交换位点，采样获得第一信号强度s
off
，脉冲序列如图2所示。在脉冲序列中，饱和脉冲持续施加数秒，同时梯度开关状态为关闭，开始快速自旋回波采样。本实施例使用1μt强度、2s持续时间的饱和脉冲选择性饱和酰胺质子的化学交换位点，对应3.5ppm附近的信号，获得随化学位移变化的第一信号强度s
off
。使用快速自旋回波采样，采样参数与步骤1保持一致。
[0043]
步骤3、施加梯度，同时通过饱和脉冲选择性饱和可交换质子的化学交换位点，采样获得第二信号强度s
on
，脉冲序列图如图2所示。在脉冲序列中，饱和脉冲持续施加数秒，同时梯度开关状态为开启，开始快速自旋回波采样。本实施例在选层方向施加11.7mt/m强度(相当于500hz/mm)的梯度，同样使用1μt强度、2s持续时间的饱和脉冲选择性饱和3.5ppm附近的信号，获得随化学位移变化的第二信号强度s
on
。使用快速自旋回波采样，采样参数与步骤1保持一致。梯度对信号的影响如图3所示，开启梯度会展宽化学交换饱和转移效应，使其强度大幅下降；而对谱宽很宽的磁化传递效应影响较小。
[0044]
步骤4、不施加梯度也不施加饱和脉冲的情况下，采样获得初始信号强度s0。使用快速自旋回波采样，采样参数与步骤1保持一致。
[0045]
步骤5、使用主磁场b0分布图，对第一信号强度s
off
与第二信号强度s
on
进行b0场偏移校正。本实施例使用平滑样条插值法将第一信号强度s
off
和第二信号强度s
on
插值后进行b0场偏移校正。校正后的第一信号强度s
off
和第二信号强度s
on
如图4所示。
[0046]
步骤6、利用公式(1)计算归一化的化学交换饱和转移效应的定量参数s
cest
。
[0047][0048]
本实施例中，直接点对点将3.5ppm处的校正后的第二信号强度s
on
减去校正后的第一信号强度s
off
，再除以初始信号强度s0，可以得到归一化的化学交换饱和转移效应s
cest
，其在大鼠脑部的分布如图5所示。
[0049]
值得注意的是，所描述的具体实施例仅对本发明内容做举例说明。本发明从属技术领域人员对该描述的实施例做各类细节补充、修改或替代，不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。