基于pH值敏感的磁化傳遞技術(shù)在1.5 T磁共振成像上的研究

韋茂彬，沈智威，肖 剛，邱慶春，陳耀文，吳仁華

磁化效應(yīng)現(xiàn)象常見于肌肉和腦組織中，其主要原理是利用偏置射頻脈沖來飽和大分子或與大分子結(jié)合的水分子上的氫質(zhì)子，這些質(zhì)子會與自由水的氫質(zhì)子發(fā)生化學(xué)交換，從而產(chǎn)生磁化傳遞效應(yīng)，間接地導(dǎo)致磁共振水信號強度的下降[1]。

近幾年來，建立在磁化傳遞技術(shù)和化學(xué)交換的理論上的化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移(chemical exchange saturation transfer, CEST)技術(shù)與酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移(Amide Proton Transfer, APT)技術(shù)已成為分子影像研究關(guān)注的焦點[2,3]。已知疾病的最早征兆之一是體內(nèi)的酸堿度發(fā)生變化，而有些化學(xué)交換，如-OH、-SH、-NH2、酰胺基等與自由水分子上的氫的化學(xué)交換對所處環(huán)境的pH值非常敏感，CEST技術(shù)能探測到這些氫質(zhì)子與自由水質(zhì)子的相互作用，從而能評估其所處環(huán)境的pH值[4-6]。APT技術(shù)則是直接針對蛋白質(zhì)和多肽上的酰胺質(zhì)子與自由水的氫質(zhì)子間發(fā)生的化學(xué)交換，這種交換依賴于所處環(huán)境的酸堿度。周等課題組專門研究了酰胺基與pH值的關(guān)系，將這種關(guān)系通過磁共振成像顯示出來[4]。他們成功地在臨床3.0T上獲得了依賴于pH值的APT圖像[7]，初步應(yīng)用于動物模型和活體腦組織的磁共振成像上，但是他們沒有在臨床1.5 T的磁共振掃描儀上實現(xiàn)APT成像。鑒于CEST技術(shù)和APT技術(shù)的原型是磁化傳遞技術(shù)，目前尚未見到有關(guān)1.5 T磁共振掃描儀上進(jìn)行pH值敏感的磁化傳遞成像的報道[8]。為此，本研究旨在臨床1.5 T磁共振掃描儀上探究pH值敏感的磁化傳遞成像，通過修改序列源代碼來獲得實驗所需的偏置頻率，建立不同的pH值試管模型來研究pH值與磁共振成像信號強度之間的關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)出此關(guān)聯(lián)性的磁共振成像就定義為pH值敏感的磁化傳遞成像。模型試驗研究的目的是驗證pH值敏感的磁化傳遞成像能在臨床上應(yīng)用于腦中風(fēng)、腦腫瘤等疾病的診斷治療。

1 材料與方法

準(zhǔn)備兩組pH值試管模型，每個試管內(nèi)都配有瓊脂糖(Biowest供應(yīng))-肌酸(Sigma Aldrich供應(yīng))模型。模型制作方法如下：先用去離子水配制含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的瓊脂糖的磷酸鹽緩沖液，采用微波爐加熱到形成瓊脂糖凝膠，待溫度降到46℃時，立刻加入肌酸(濃度為50mmol/L)，攪拌均勻。然后將一部分凝膠滴定到pH為6.51，并分裝到7個相同的10ml的離心試管，保鮮膜封口。再將剩余的凝膠分裝到4個離心試管，分別將pH值滴定到6.01, 6.30, 6.60和6.90。pH值的測定采用梅特勒-托利多pH計。最后將7個試管放入一200ml的燒杯中，另外4個試管和1個裝有等量水的離心試管一起放到另外一個200ml的燒杯。

所有實驗都在臨床1.5 T的磁共振掃描儀(GE Signa HDX 1.5 T Scanner)上進(jìn)行。掃描采用線圈的是8通道發(fā)射/接收頭線圈。每次掃描前都進(jìn)行自動勻場校正。掃描序列為自旋回波-磁化傳遞序列，即在常規(guī)自旋回波序列前施加一預(yù)飽和射頻脈沖，該脈沖是偏共振磁化傳遞脈沖，射頻脈沖偏置頻率可通過修改序列源代碼設(shè)置為-121 Hz，121 Hz 和 224 Hz，脈沖的波形為費米波形，磁化傳遞技術(shù)的其他參數(shù)，如射頻脈沖的強度、持續(xù)時間、翻轉(zhuǎn)角等都采用臨床磁共振儀的默認(rèn)值。圖1為自旋回波-磁化傳遞序列的示意圖。

掃描參數(shù)采用的是根據(jù)多次重復(fù)實驗的參數(shù)優(yōu)化來選取的，分別為：重復(fù)時間400ms，回波時間9 ms，層厚為 5 mm，層間距為2 mm，成像矩陣為256×192，視野FOV為16 mm×16 mm，采集的帶寬為31.25 kHz，采集時間是2 min 37 s。

2 結(jié)果

實驗期間，由于磁化傳遞射頻脈沖偏置頻率在-121 Hz與121 Hz時存在嚴(yán)重的偽影，無法通過調(diào)節(jié)成像參數(shù)來獲得有意義的磁化傳遞成像。而在偏置頻率為224 Hz處，可以獲得質(zhì)量較好的兩組pH值試管模型的磁化傳遞成像。

圖1 自旋回波-磁化傳遞序列示意圖。圖2 7個pH值相同的離心試管的磁化傳遞成像，pH值為6.51，射頻偏置頻率為224 Hz，左下方顯示的是測量的強度值。圖3 4個pH值不同的離心試管與裝有等量水的試管e的磁化傳遞成像，a、b、c和d的pH值分別6.01, 6.30, 6.60與 6.90，射頻偏置頻率為224 Hz，紅圓圈所標(biāo)定的是感興趣區(qū)Fig.1 The diagram of spin-echo-magnetization transfer pulse sequence.Fig.2 MT imaging of 7 centrifuge tubes with pH 6.51 obtained at a RF offset of 224 Hz.The measured signal intensity is shown at lower left.Fig.3 MT imaging of four centrifuge tubes with different pH values and a tube with water (upper left) obtained at the RF offset of 224 Hz, pH values of a,b, c, and d is 6.01, 6.30, 6.60and 6.90, respectively.The red circle denotes regions of interest.

圖2顯示的是第一組的7個相同pH值(6.51)的離心試管在射頻偏置頻率為224 Hz的磁化傳遞成像。很顯然，右上方的一個試管由于在模型配制時未搖勻而呈現(xiàn)出不均勻的信號。我們對其他6個試管進(jìn)行感興趣區(qū)的選擇，然后用磁共振掃描儀自帶的測量軟件FuncTools測量感興趣區(qū)的信號強度，測量的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這6個pH值相同的試管的磁化傳遞成像的信號強度幾乎沒有什么差別，在誤差范圍內(nèi)可近似相等，這說明pH值相同的試管模型，磁化傳遞成像信號強度相同。從圖2中還可以看到成像時仍存在著一定程度的偽影，這主要是由于磁化傳遞序列本身的特性、磁場的不均勻性及部分水飽和效應(yīng)引起的[9]。

圖3顯示的是第二組的5個離心試管在射頻偏置頻率為224 Hz的磁化傳遞成像。成像的參數(shù)與第一組試管的成像參數(shù)一致。試管e是裝有等量水的離心試管，作為定位和比較的用途。試管a、b、c、d是瓊脂糖-肌酸模型，其pH值分別為6.01, 6.30, 6.60與 6.90。在5個試管成像的第三個層面選取感興趣區(qū)，用FuncTools進(jìn)行信號強度測量，試管a、b、c、d和e的信號強度分別為 211.1±1.9, 225.2±2.0,251.8±1.5, 255.8±3.1, 350.2±2.2。結(jié)果表明[4,10]，在偏置頻率為224 Hz處的磁化傳遞成像信號強度與pH值有關(guān)，pH值越高，磁共振信號強度越大。

3 討論

本研究采用的瓊脂糖-肌酸凝膠模型中，胺基質(zhì)子的化學(xué)位移位是6.6 ppm，其與自由水質(zhì)子的化學(xué)交換依賴于所處環(huán)境的pH值，如果使用1.9 ppm的射頻偏置頻率，相當(dāng)于臨床1.5 T 磁共振掃描儀上的121 Hz[11]，就能達(dá)到最佳的磁化飽和傳遞效應(yīng)，所獲得的磁化傳遞成像能更好地反映出不同pH值的差別。但是，在我們的初步實驗研究中，偏置頻率1.9 ppm的磁化傳遞成像易受到嚴(yán)重的偽影干擾而使得成像質(zhì)量非常低下。因此，本實驗研究選取偏置頻率為224 Hz來獲取pH敏感的磁化傳遞成像。選取224 Hz也是出于以下兩個方面的原因。一方面，在前期實驗中，已配制過pH值試管模型來研究偏置頻率從200Hz到400Hz間(間隔50Hz)的磁化傳遞成像，研究發(fā)現(xiàn)，磁化傳遞成像都存在一定程度的偽影，且偽影會隨著偏置頻率的增大而減少，但同時也發(fā)現(xiàn)不同pH值的試管模型的磁化傳遞成像之間的對比度差別卻隨著偏置頻率的增大而降低。另一方面，根據(jù)在酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像中，酰胺質(zhì)子峰是偏離水質(zhì)子峰3.5 ppm[4,9,10]，這相當(dāng)于1.5 T下的224 Hz，所以在臨床1.5 T的磁共振掃描儀上，要獲得動物模型和活體組織(腦腫瘤、中風(fēng)等)的磁化傳遞成像，實際設(shè)置的偏置頻率應(yīng)為224 Hz。這里需要說明的是，射頻偏置頻率為224 Hz時，雖然沒有完全飽和1.9 ppm處的質(zhì)子，但是能部分降低直接的水飽和效應(yīng)而使得偽影減少，所以偏置頻率224 Hz的磁化傳遞成像只是能輕微凸顯出不同pH值的差別，如果想獲得最大程度的對比差別，還得繼續(xù)思考著如何在1.9 ppm的偏置頻率下盡可能地降低水飽和效應(yīng)。

本研究實驗的偏置頻率是通過修改磁化傳遞飽和序列源代碼獲得的。1.5 T 磁共振掃描儀自帶的磁化傳遞序列的偏置頻率范圍為400～1600Hz，而實驗要求的是400Hz以下的偏置頻率。因此，源代碼的修改是必須的。當(dāng)然，磁化傳遞技術(shù)的其他成像參數(shù)，如序列的脈沖強度、飽和持續(xù)時間及脈沖翻轉(zhuǎn)角等，可能也會影響不同pH值的磁化傳遞成像的對比差別[12,13]。在后續(xù)的研究中，這些因素對成像的影響將會被考慮，源代碼的修改也會繼續(xù)進(jìn)行，目的是提高成像的信噪比和對比度。

最后，需要說明的是，由于化學(xué)交換對pH值的影響具有復(fù)雜性，故本研究沒有涉及到從化學(xué)交換理論上來推導(dǎo)胺基質(zhì)子和自由水質(zhì)子的化學(xué)交換與pH值的依賴關(guān)系，而只是側(cè)重于通過實驗研究來獲得最佳的掃描參數(shù)，從而獲得pH值敏感的磁化傳遞成像。更多有關(guān)化學(xué)交換的資料可查閱文獻(xiàn)[14,15]。

總之，本研究利用磁化傳遞技術(shù)，通過序列參數(shù)的優(yōu)化和偏置頻率的選取，在臨床1.5 T磁共振掃描儀上獲得了pH值敏感的磁化傳遞成像。實驗研究的結(jié)果與目前在3.0T以上的酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像獲得的結(jié)論是一致的[4,16]。這為臨床的pH值敏感的磁化傳遞成像研究提供了實驗依據(jù)，在表征缺血組織損壞區(qū)，指導(dǎo)中風(fēng)的治療和腫瘤的診斷方面都具有重要的意義。

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