基于pH值敏感的磁化传递技术在1.5 T磁共振成像上的研究

韦茂彬，沈智威，肖 刚，邱庆春，陈耀文，吴仁华

磁化效应现象常见于肌肉和脑组织中，其主要原理是利用偏置射频脉冲来饱和大分子或与大分子结合的水分子上的氢质子，这些质子会与自由水的氢质子发生化学交换，从而产生磁化传递效应，间接地导致磁共振水信号强度的下降[1]。

近几年来，建立在磁化传递技术和化学交换的理论上的化学交换饱和转移(chemical exchange saturation transfer, CEST)技术与酰胺质子转移(Amide Proton Transfer, APT)技术已成为分子影像研究关注的焦点[2,3]。已知疾病的最早征兆之一是体内的酸碱度发生变化，而有些化学交换，如-OH、-SH、-NH2、酰胺基等与自由水分子上的氢的化学交换对所处环境的pH值非常敏感，CEST技术能探测到这些氢质子与自由水质子的相互作用，从而能评估其所处环境的pH值[4-6]。APT技术则是直接针对蛋白质和多肽上的酰胺质子与自由水的氢质子间发生的化学交换，这种交换依赖于所处环境的酸碱度。周等课题组专门研究了酰胺基与pH值的关系，将这种关系通过磁共振成像显示出来[4]。他们成功地在临床3.0T上获得了依赖于pH值的APT图像[7]，初步应用于动物模型和活体脑组织的磁共振成像上，但是他们没有在临床1.5 T的磁共振扫描仪上实现APT成像。鉴于CEST技术和APT技术的原型是磁化传递技术，目前尚未见到有关1.5 T磁共振扫描仪上进行pH值敏感的磁化传递成像的报道[8]。为此，本研究旨在临床1.5 T磁共振扫描仪上探究pH值敏感的磁化传递成像，通过修改序列源代码来获得实验所需的偏置频率，建立不同的pH值试管模型来研究pH值与磁共振成像信号强度之间的关联，表现出此关联性的磁共振成像就定义为pH值敏感的磁化传递成像。模型试验研究的目的是验证pH值敏感的磁化传递成像能在临床上应用于脑中风、脑肿瘤等疾病的诊断治疗。

1 材料与方法

准备两组pH值试管模型，每个试管内都配有琼脂糖(Biowest供应)-肌酸(Sigma Aldrich供应)模型。模型制作方法如下：先用去离子水配制含质量分数为3%的琼脂糖的磷酸盐缓冲液，采用微波炉加热到形成琼脂糖凝胶，待温度降到46℃时，立刻加入肌酸(浓度为50mmol/L)，搅拌均匀。然后将一部分凝胶滴定到pH为6.51，并分装到7个相同的10ml的离心试管，保鲜膜封口。再将剩余的凝胶分装到4个离心试管，分别将pH值滴定到6.01, 6.30, 6.60和6.90。pH值的测定采用梅特勒-托利多pH计。最后将7个试管放入一200ml的烧杯中，另外4个试管和1个装有等量水的离心试管一起放到另外一个200ml的烧杯。

所有实验都在临床1.5 T的磁共振扫描仪(GE Signa HDX 1.5 T Scanner)上进行。扫描采用线圈的是8通道发射/接收头线圈。每次扫描前都进行自动匀场校正。扫描序列为自旋回波-磁化传递序列，即在常规自旋回波序列前施加一预饱和射频脉冲，该脉冲是偏共振磁化传递脉冲，射频脉冲偏置频率可通过修改序列源代码设置为-121 Hz，121 Hz 和 224 Hz，脉冲的波形为费米波形，磁化传递技术的其他参数，如射频脉冲的强度、持续时间、翻转角等都采用临床磁共振仪的默认值。图1为自旋回波-磁化传递序列的示意图。

扫描参数采用的是根据多次重复实验的参数优化来选取的，分别为：重复时间400ms，回波时间9 ms，层厚为 5 mm，层间距为2 mm，成像矩阵为256×192，视野FOV为16 mm×16 mm，采集的带宽为31.25 kHz，采集时间是2 min 37 s。

2 结果

实验期间，由于磁化传递射频脉冲偏置频率在-121 Hz与121 Hz时存在严重的伪影，无法通过调节成像参数来获得有意义的磁化传递成像。而在偏置频率为224 Hz处，可以获得质量较好的两组pH值试管模型的磁化传递成像。

图1 自旋回波-磁化传递序列示意图。图2 7个pH值相同的离心试管的磁化传递成像，pH值为6.51，射频偏置频率为224 Hz，左下方显示的是测量的强度值。图3 4个pH值不同的离心试管与装有等量水的试管e的磁化传递成像，a、b、c和d的pH值分别6.01, 6.30, 6.60与 6.90，射频偏置频率为224 Hz，红圆圈所标定的是感兴趣区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.

图2显示的是第一组的7个相同pH值(6.51)的离心试管在射频偏置频率为224 Hz的磁化传递成像。很显然，右上方的一个试管由于在模型配制时未摇匀而呈现出不均匀的信号。我们对其他6个试管进行感兴趣区的选择，然后用磁共振扫描仪自带的测量软件FuncTools测量感兴趣区的信号强度，测量的结果发现，这6个pH值相同的试管的磁化传递成像的信号强度几乎没有什么差别，在误差范围内可近似相等，这说明pH值相同的试管模型，磁化传递成像信号强度相同。从图2中还可以看到成像时仍存在着一定程度的伪影，这主要是由于磁化传递序列本身的特性、磁场的不均匀性及部分水饱和效应引起的[9]。

图3显示的是第二组的5个离心试管在射频偏置频率为224 Hz的磁化传递成像。成像的参数与第一组试管的成像参数一致。试管e是装有等量水的离心试管，作为定位和比较的用途。试管a、b、c、d是琼脂糖-肌酸模型，其pH值分别为6.01, 6.30, 6.60与 6.90。在5个试管成像的第三个层面选取感兴趣区，用FuncTools进行信号强度测量，试管a、b、c、d和e的信号强度分别为 211.1±1.9, 225.2±2.0,251.8±1.5, 255.8±3.1, 350.2±2.2。结果表明[4,10]，在偏置频率为224 Hz处的磁化传递成像信号强度与pH值有关，pH值越高，磁共振信号强度越大。

3 讨论

本研究采用的琼脂糖-肌酸凝胶模型中，胺基质子的化学位移位是6.6 ppm，其与自由水质子的化学交换依赖于所处环境的pH值，如果使用1.9 ppm的射频偏置频率，相当于临床1.5 T 磁共振扫描仪上的121 Hz[11]，就能达到最佳的磁化饱和传递效应，所获得的磁化传递成像能更好地反映出不同pH值的差别。但是，在我们的初步实验研究中，偏置频率1.9 ppm的磁化传递成像易受到严重的伪影干扰而使得成像质量非常低下。因此，本实验研究选取偏置频率为224 Hz来获取pH敏感的磁化传递成像。选取224 Hz也是出于以下两个方面的原因。一方面，在前期实验中，已配制过pH值试管模型来研究偏置频率从200Hz到400Hz间(间隔50Hz)的磁化传递成像，研究发现，磁化传递成像都存在一定程度的伪影，且伪影会随着偏置频率的增大而减少，但同时也发现不同pH值的试管模型的磁化传递成像之间的对比度差别却随着偏置频率的增大而降低。另一方面，根据在酰胺质子转移成像中，酰胺质子峰是偏离水质子峰3.5 ppm[4,9,10]，这相当于1.5 T下的224 Hz，所以在临床1.5 T的磁共振扫描仪上，要获得动物模型和活体组织(脑肿瘤、中风等)的磁化传递成像，实际设置的偏置频率应为224 Hz。这里需要说明的是，射频偏置频率为224 Hz时，虽然没有完全饱和1.9 ppm处的质子，但是能部分降低直接的水饱和效应而使得伪影减少，所以偏置频率224 Hz的磁化传递成像只是能轻微凸显出不同pH值的差别，如果想获得最大程度的对比差别，还得继续思考着如何在1.9 ppm的偏置频率下尽可能地降低水饱和效应。

本研究实验的偏置频率是通过修改磁化传递饱和序列源代码获得的。1.5 T 磁共振扫描仪自带的磁化传递序列的偏置频率范围为400～1600Hz，而实验要求的是400Hz以下的偏置频率。因此，源代码的修改是必须的。当然，磁化传递技术的其他成像参数，如序列的脉冲强度、饱和持续时间及脉冲翻转角等，可能也会影响不同pH值的磁化传递成像的对比差别[12,13]。在后续的研究中，这些因素对成像的影响将会被考虑，源代码的修改也会继续进行，目的是提高成像的信噪比和对比度。

最后，需要说明的是，由于化学交换对pH值的影响具有复杂性，故本研究没有涉及到从化学交换理论上来推导胺基质子和自由水质子的化学交换与pH值的依赖关系，而只是侧重于通过实验研究来获得最佳的扫描参数，从而获得pH值敏感的磁化传递成像。更多有关化学交换的资料可查阅文献[14,15]。

总之，本研究利用磁化传递技术，通过序列参数的优化和偏置频率的选取，在临床1.5 T磁共振扫描仪上获得了pH值敏感的磁化传递成像。实验研究的结果与目前在3.0T以上的酰胺质子转移成像获得的结论是一致的[4,16]。这为临床的pH值敏感的磁化传递成像研究提供了实验依据，在表征缺血组织损坏区，指导中风的治疗和肿瘤的诊断方面都具有重要的意义。

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