化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移效應(yīng)量化方法的應(yīng)用進(jìn)展

竇晗，鄭陽，王曉明

化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移(chemical exchange saturation transfer，CEST)通過飽和特定質(zhì)子并將飽和信號(hào)傳給自由水質(zhì)子，檢測水信號(hào)的降低程度來進(jìn)行間接成像，反映體內(nèi)大分子物質(zhì)的濃度信息和交換率，相比波譜成像對毫摩爾級(jí)別的代謝物更加靈敏。目前該技術(shù)主要以酰胺[1]、谷氨酸[2-3]、肌酸[4-5]、氨基等成分研究為主，在神經(jīng)系統(tǒng)疾病[6]、腫瘤[7]等疾病中開展較為廣泛。對CEST 的研究多是基于歸一化的Z 譜(不同頻率偏移-水信號(hào)強(qiáng)度曲線)來實(shí)現(xiàn)的，理想的譜線能將不同的可交換質(zhì)子成分在Z 譜中分離出來、間接得到各物質(zhì)的實(shí)際濃度，從而實(shí)現(xiàn)疾病的診斷、預(yù)后效果以及鑒別診斷。然而Z 譜中除了化學(xué)交換效應(yīng)還包含了其他的混雜因素[8]如傳統(tǒng)磁化轉(zhuǎn)移效應(yīng)(magnetization transfer，MT)、直接飽和效應(yīng)(direct water saturation，DS)、核 奧 氏 效 應(yīng)(nuclear overhauser enhancement，NOE)等，加之內(nèi)源性代謝物頻率較為接近、含量分布不等，導(dǎo)致了代謝物峰值重疊互擾、不易從譜線得到準(zhǔn)確的濃度信息。國內(nèi)外學(xué)者據(jù)此進(jìn)行了各種體外實(shí)驗(yàn)及在體研究，提出多種技術(shù)純化CEST 數(shù)據(jù)[9-10]，硬件方面如靜磁場B0的不均勻性對CEST也有著不可忽略的作用，筆者查閱了近年發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)資料，對MTC、DS、NOE 等效應(yīng)的處理方法以及B0場不均勻性的校正作以下綜合。

1 Z譜中的混雜效應(yīng)及處理方法

1.1 傳統(tǒng)MT效應(yīng)

MT 效應(yīng)是在偏振射頻照射下，半固態(tài)大分子中的束縛質(zhì)子與自由水質(zhì)子之間通過交叉弛豫和化學(xué)交換進(jìn)行飽和傳遞產(chǎn)生的，其頻譜寬闊[11]地橫跨水峰兩側(cè)，在選擇性飽和目標(biāo)質(zhì)子時(shí)，CEST信號(hào)會(huì)受到來自半固態(tài)大分子的磁化傳遞的影響，使CEST的定量結(jié)果有偏差[12]。目前普遍應(yīng)用非對稱磁化轉(zhuǎn)移率(MTRasym)移除MT 效應(yīng)[13]：分別采集水峰兩側(cè)對稱頻率處的信號(hào)、進(jìn)行相減并做歸一化處理，結(jié)果作為偏移頻率的函數(shù)繪制出相應(yīng)的MTRasym譜。該方法因其操作簡便省時(shí)而成為MT效應(yīng)的主要量化方式，這一方法是以半固態(tài)大分子譜線關(guān)于水峰對稱分布為前提，但其頻譜分布并不嚴(yán)格關(guān)于水峰對稱，且該方法對磁場均勻性以及成像參數(shù)較敏感，量化后的結(jié)果不準(zhǔn)確。

Rerich等[14]在常規(guī)MTRasym的基礎(chǔ)上，對Z譜進(jìn)行逆向變換(取倒數(shù))再相減，同時(shí)也將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下縱向弛豫的影響(R1a)考慮在內(nèi)，這種改進(jìn)方法被稱為表觀弛豫依賴交換(apparent exchange-dependent relaxation，AREX)，從計(jì)算方法來看，與常規(guī)非對稱分析原理大同小異，均是對水峰兩側(cè)對稱頻率處兩個(gè)信號(hào)取差值等相關(guān)處理來消除MT 效應(yīng)；文中研究了運(yùn)動(dòng)前后人體小腿肌肉中的肌酸CEST 信號(hào)變化，發(fā)現(xiàn)AREX 與肌酸濃度呈線性相關(guān)；在生理環(huán)境下，兩個(gè)不同B1幅值下，AREXratio獨(dú)立于濃度含量、與pH呈線性關(guān)系，這一特點(diǎn)可以考慮用于體外研究pH 濃度獨(dú)立校正。Zhang 等[15]同樣提出了AREX 的方法用來分析9.4 T 高場下快速交換氨基質(zhì)子的CEST 效應(yīng)，在這里作者根據(jù)參考信號(hào)的獲取方式分為AREXasym、AREXfit，結(jié)果顯示在飽和達(dá)到穩(wěn)態(tài)的條件下，AREX 相對MTR 更不易受組織非特異性參數(shù)的影響，其中AREXfit能將其他效應(yīng)(如MT)最小化以實(shí)現(xiàn)量化的特異性。但研究在高場下進(jìn)行，臨床常規(guī)3.0 T 環(huán)境下是否仍具有這些特征還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的縱向弛豫率R1ρ是一個(gè)重要的無創(chuàng)診治疾病的手段，對偶極耦合、化學(xué)交換、磁化傳遞等比較敏感，為了得到其中的MT 效應(yīng)貢獻(xiàn)，多采用自旋鎖定磁共振對其量化，研究基于非共振自旋鎖定的大分子質(zhì)子分?jǐn)?shù)(macromolecular proton fraction quantification based on spin-lock，MPF-SL)，消除了自由水池和化學(xué)交換池的弛豫率R1ρ、推導(dǎo)出特定于MT 效應(yīng)的弛豫率Rmpfsl[16]，可以直接測量MPF 以實(shí)現(xiàn)MT 的量化且對B0、B1不均勻性的敏感度低，文中主要篇幅是針對MT效應(yīng)的量化，沒有過多地研究在CEST中的應(yīng)用，但研究證明MPF-SL 可以很好的特異于MT 效應(yīng)、分析過程穩(wěn)健省時(shí)，在CEST 成像中可以考慮作為MT 效應(yīng)消除的新選擇。

研究證明超洛倫茲線形函數(shù)進(jìn)行擬合能更好地實(shí)現(xiàn)MT效應(yīng)的去除[10]；Kim 等[17]提出了基于磁共振指紋技術(shù)(magnetic resonance fingerprinting，MRF)的快速定量三維磁化傳遞對比(magnetization transfer contrast，MTC)成像技術(shù)，結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到較準(zhǔn)確的快速的MTC參數(shù)量化，在具體CEST 頻率偏移處估算出準(zhǔn)確的MTC 信號(hào)強(qiáng)度，以進(jìn)行更加準(zhǔn)確的CEST 成像。Xu 等[18]提出共振二項(xiàng)式脈沖(on-resonance variable delay multi-pulse，VDMP)方法，通過固定脈沖數(shù)目、更改混合時(shí)間來明確區(qū)分慢速M(fèi)T 池和快速交換組織池，旨在將快速交換率下的質(zhì)子的CEST 效應(yīng)從MT 效應(yīng)中分離出，進(jìn)行單獨(dú)分析，鑒于實(shí)驗(yàn)只分析了快交換率與慢交換率兩個(gè)特征的信號(hào)表現(xiàn)，失去了質(zhì)子特異性，但其打破了以往CEST 技術(shù)主要集中于分析慢速或中速交換率的質(zhì)子基團(tuán)，對快速交換質(zhì)子的成像進(jìn)行研究，擴(kuò)大了未來CEST成像技術(shù)的應(yīng)用范圍。

1.2 NOE效應(yīng)

任何半固態(tài)池中的質(zhì)子被飽和后，通過分子空間偶極耦合作用快速傳給結(jié)合水質(zhì)子，然后進(jìn)行水交換或質(zhì)子交換實(shí)現(xiàn)飽和傳遞，這是磁化傳遞的主要機(jī)制，而NOE 本質(zhì)上是其中的一類，當(dāng)前研究中所涉及的NOE 效應(yīng)多是來自脂肪族和烯烴質(zhì)子，飽和不可交換的大分子上的質(zhì)子，通過空間耦合作用進(jìn)行弛豫交換，將飽和信號(hào)先“中轉(zhuǎn)”至可交換質(zhì)子，然后傳遞到水質(zhì)子，也稱作中繼NOE效應(yīng)(NOE-relayed exchange，rNOE)[8,19]。時(shí)下對酰胺質(zhì)子成像技術(shù)(amide proton transfer，APT)[20-24]的探索多和NOE效應(yīng)同時(shí)研究，這可能是由于兩者的共振頻率關(guān)于水峰幾乎對稱，除了酰胺質(zhì)子成像外，體內(nèi)可用于CEST成像的代謝物，其在水峰對側(cè)的同一頻率大小的位點(diǎn)多是落在NOE 效應(yīng)范圍內(nèi)，在進(jìn)行信號(hào)的提取分析中，不可避免地會(huì)引進(jìn)NOE效應(yīng)，結(jié)果中真正由化學(xué)位移作用引起的信號(hào)衰減相對減少基于此特征，相關(guān)研究領(lǐng)域中的學(xué)者將重點(diǎn)放在了NOE效應(yīng)的剝離和新的成像開發(fā)上，而很少研究對該效應(yīng)的消除，本小節(jié)也將側(cè)重介紹前種處理方法。

Heo 等[23]探索了在7.0 T 時(shí)不同腦腫瘤等級(jí)(Ⅱ～Ⅳ)的APT 與NOE 信號(hào)強(qiáng)度之間的關(guān)系，研究結(jié)果顯示NOE 信號(hào)對7.0 T磁場低飽和功率射頻下獲得的APT信號(hào)有貢獻(xiàn)，有望成為神經(jīng)膠質(zhì)瘤分級(jí)的成像生物標(biāo)志。這是NOE 效應(yīng)在臨床上的可取之處，將其轉(zhuǎn)化為臨床成像參數(shù)加以利用，或成為未來的研究方向。

Zhang 等[25]將APT 三種量化方法：洛倫茲差(Lorentz difference，LD)、三點(diǎn)偏移法、多池洛倫茲擬合模型，與AREX采集的參考信號(hào)進(jìn)行對比，獲取NOE 信息；并用鼠腦模型進(jìn)行數(shù)值擬合，結(jié)果指出，多池模型擬合準(zhǔn)確度相對最高，不同組織參數(shù)下的仿真結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論，但只局限于低B1。最近，研究觀察到一種新的rNOE 飽和傳遞效應(yīng)，約在-1.6 ppm處，稱為NOE (-1.6)[26]，因其頻率距離水峰較近，DS 效應(yīng)顯著，在正常Z 譜中無明顯表現(xiàn)，作者提出利用AREX 剩余譜結(jié)合兩步多洛倫茲擬合方法，先后消除DS、MTC 效應(yīng)，提取NOE(-1.6 ppm)進(jìn)行分析。

Zu[27]提出依據(jù)比率法(AREXratio)獲得特異于NOE 交換率或耦合率而非幅值的指標(biāo)，經(jīng)過數(shù)值仿真，指出比率法可以排除幾乎所有非特異性因素，并提供更具體的NOE 耦合率和溶質(zhì)橫向弛豫率加權(quán)信號(hào)，在小動(dòng)物腫瘤模型中證實(shí)耦合率以及(或者)橫向弛豫率是NOE (-1.6)低信號(hào)的主要貢獻(xiàn)因素。研究只給出兩個(gè)不同功率下的比值，信噪比并不高，需要進(jìn)一步發(fā)掘新的方法來提高圖像質(zhì)量，如探尋不同射頻功率、持續(xù)時(shí)間下的AREX 比值變化，找出最大變化的條件參數(shù)，或者借助外界特異性對比劑等物質(zhì)人為增加腫瘤內(nèi)代謝物的橫向弛豫率來使得比值增加，提高病變與正常組織的對比等，這有待進(jìn)一步的研究探索。

有學(xué)者[28]采用插值半固體參考信號(hào)(extrapolated semi-solid MT reference，EMR)法，基于漢克爾曼雙池模型——水池和半固態(tài)磁化傳遞池，后者通過超洛倫茲線形進(jìn)行擬合，用于APT 和NOE 信號(hào)的量化分析，作者指出該模型可以利用這一效應(yīng)獲得腫瘤與正常組織的更高的對比度[29]；提出的化學(xué)交換旋轉(zhuǎn)傳遞技術(shù)(chemical exchange rotation transfer，CERT)，并沒有進(jìn)行EMR 中的模型假設(shè)，而是利用溶質(zhì)對水信號(hào)同時(shí)具有旋轉(zhuǎn)和飽和貢獻(xiàn)、半固態(tài)大分子只具有飽和貢獻(xiàn)，在保持平均功率不變的情況下分別使用交替的π和2π 脈沖序列來獲取標(biāo)簽掃描和參考掃描，兩者相減即可消除MT效應(yīng)和直接水飽和從而實(shí)現(xiàn)效應(yīng)分離。

使用LD 消除直接飽和效應(yīng)時(shí)，從CEST 中分離出的NOE 效應(yīng)被高估，Zhang 等[30]基于高斯函數(shù)和洛倫茲函數(shù)的線性組合提出一種改善的擬合算法——偽Voigt 輪廓像素優(yōu)化(voxel-wise optimization of pseudo voigt profile，VOPVP)進(jìn)一步提高了NOE的對比度，最后經(jīng)多池模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了CEST量化的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性。因NOE 效應(yīng)受制于B1幅度和磁場強(qiáng)度，變化情況不易測量，這也加大了臨床應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

1.3 DS效應(yīng)

DS效應(yīng)是指選擇性飽和脈沖頻率對水質(zhì)子的直接飽和作用，偏移頻率接近水飽和頻率時(shí)，DS 效應(yīng)會(huì)顯著增大，距離水峰越遠(yuǎn)，作用效果越小。因幾乎所有內(nèi)源性代謝物分子中質(zhì)子基團(tuán)的中心共振頻率距離水峰較近，直接飽和效應(yīng)難以避免。用于移除DS 效應(yīng)的經(jīng)典辦法是磁化傳遞的非對稱分析(MTRasym)[13]，因水峰上場頻率中存在NOEs 效應(yīng)，該方法并不準(zhǔn)確；采用低功率的飽和射頻有助于降低對水的直接飽和效應(yīng)，但會(huì)以飽和時(shí)間增加或飽和程度降低為代價(jià)。

Shaghaghi 等[31]通過將Z 譜擬合到多個(gè)洛倫茲分量線性組合來估算直接飽和效應(yīng)，隨后將其對信號(hào)的貢獻(xiàn)去除，剩余信號(hào)通過作ω 圖來得到質(zhì)子交換率圖，顯示的是對Z 譜信號(hào)有貢獻(xiàn)的全部質(zhì)子群的加權(quán)平均值，失去了分子特異性?？煽紤]用作腦部病理變化的基準(zhǔn)線但無法確定病變類型，研究中的樣本量比較小，需大樣本大范圍的研究以排除年齡、性別等差異來進(jìn)一步驗(yàn)證其可行性。

Wu 等[32]提出了在3.0 T 射頻脈沖下的直接飽和校正(direct saturation corrected，DISC),數(shù)據(jù)模擬顯示連續(xù)射頻波與脈沖式射頻可以產(chǎn)生相似的CEST 效應(yīng)，用pulsed-RF代替CW-RF，結(jié)合DISC 利用MT、NOE 效應(yīng)進(jìn)行APT 成像，去除了直接水飽和效應(yīng)，與常規(guī)非對稱分析、三點(diǎn)測量法相比，可以更好地顯示膠質(zhì)瘤小鼠模型中腫瘤壞死區(qū)分化界限，這些與前人相關(guān)研究結(jié)果一致[33]。然而Wu等[32]的研究顯示成像的空間分辨力并不高，作者歸因于鼠腦大小，筆者認(rèn)為也可能與序列或組織非特異性參數(shù)有關(guān)，可以進(jìn)一步在人體成像研究中驗(yàn)證該方法對腫瘤壞死區(qū)域的界限劃分是否可行。

Randtke 等[34]一改常規(guī)CEST 成像中的偏共振飽和頻率激勵(lì)，反其道使用水共振頻率進(jìn)行激勵(lì)，采集得到QUESPOWR 圖，結(jié)合QUESP 線性分析方法，對QUESPOWR 圖進(jìn)行LP-HW-QUESP、HP-HW-QUESP 擬合分析，結(jié)果顯示，HP-HW-QUESP 擬合技術(shù)可以很好的評(píng)估具有快速的交換率和較小化學(xué)偏移的大分子與水質(zhì)子之間的CEST 效應(yīng)，很好的改善了距離水峰較近的代謝分子常規(guī)CEST 成像中存在的DS 效應(yīng)。該技術(shù)可以得到腫瘤的化學(xué)交換率的參數(shù)圖，但是不能分析正常組織，作者將此歸因于腫瘤酸性環(huán)境。

1.4 B0不均勻校正

常用于消除常規(guī)MT 效應(yīng)、DS 效應(yīng)的非對稱分析過程受B0場不均勻性的影響較為明顯[8]，在CEST 圖像中產(chǎn)生偽影并嚴(yán)重影響CEST的定量，影響CEST-MRI技術(shù)進(jìn)入臨床應(yīng)用，在對各效應(yīng)校正的同時(shí)進(jìn)行B0均勻性校正也是必要的。薛心雨等[35]對B0不均勻性的校正方法做了回顧，對比總結(jié)了WASSR、SAFARI、LOVAR 等技術(shù)的優(yōu)勢。迄今為止，最常用的靜磁場不均勻性校正算法是對CEST 譜進(jìn)行完整或部分的插值、獲得B0場圖，不足的是成像時(shí)間延長；基于此，Sun[36]提出一種快速的無需進(jìn)行插值的算法，利用pH 特異性的磁化轉(zhuǎn)移和弛豫歸一化酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移成像(magnetization transfer and relaxation normalized amide proton transfer，MRAPT)降低了非pH 依賴性的半固體MT 和NOE 產(chǎn)生的基線異質(zhì)性、將多池模型簡化為兩池交換模型，使用多項(xiàng)式函數(shù)對其建模，在顯示損傷、缺血等方面更有顯著性。

基于非共振輻射產(chǎn)生的Rabi振蕩的新方法(simultaneous mapping of the water shift and B1，WASABI)，允許同時(shí)映射水頻移(δω)和RF振幅[37]，結(jié)合梯度回波序列獲得的B0、B1圖譜與標(biāo)準(zhǔn)方法布洛赫-西哥特偏移(Bloch-Siegert shift，BSS) 相比，校正磁場不均勻性的穩(wěn)健性更好，在7.0 T人腦成像試驗(yàn)中相對高的B0不均勻性在WASABI方法下得到的譜線與參考譜線有很高的一致性。

有學(xué)者[38]提出了一種基于高分辨率磁場圖的CEST 體素內(nèi)不均勻校正算法(CEST intravoxel inhomogeneity correction，CIVIC)，實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬表明，即使在對稱偏移為0 ppm的對稱場色散情況下，CIVIC 算法仍然有效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，所提出的CIVIC 方法在不同場均質(zhì)條件下可顯著提高CEST MRI 的對比度噪聲比。

2 總結(jié)與展望

目前針對CEST 成像中各混雜因素的量化方法還是以數(shù)據(jù)仿真、多池模型擬合等數(shù)學(xué)手段體外研究為主；信噪比和時(shí)間是向臨床轉(zhuǎn)化的主要障礙，需更多深入的研究，以期在可接受的檢查時(shí)間范圍內(nèi)，通過序列參數(shù)的針對性設(shè)計(jì)獲得相對準(zhǔn)確的CEST 信號(hào)、或與機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合[39-40]加快數(shù)據(jù)處理等獲得滿足診斷需要的信息。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。