一种用于在3T磁共振下快速、可重复且高保真地进行全脑多池CEST成像的框架

《Magnetic Resonance Imaging》：A framework for rapid, repeatable, and high-fidelity whole-brain multi-pool CEST imaging at 3?T

多池化学交换饱和转移成像、快速B1校正、全身MRI、神经代谢评估、磁共振成像优化

　　

吴宇鹏|方思远|王思远|傅彩霞|李建琪

中国华东师范大学物理学院磁共振与医学分子成像研究所磁共振实验室，中山北路3663号，上海200062

摘要

目的

开发并验证一种快速、准确、可重复的全脑多池化学交换饱和转移（CEST）成像框架，以解决长时间采集和混淆因素的问题。

方法

针对全脑多池CEST，优化了一种单次拍摄的3D真快速成像序列（True FISP）。使用双回波改进的四角法进行快速的B₀、B₁和T₁映射。开发了一个前馈神经网络用于快速B₁校正，并通过与传统多功率方法进行训练。采用表观交换依赖性松弛（AREX）指标来校正T₁和磁化转移（MT）效应。该框架在模体和50名健康受试者中进行了验证，包括不同日的重复性评估。

结果

True FISP序列在临床可行的扫描时间（约9分钟）内获得了高质量的全脑图像，伪影和失真最小。模体研究表明B₁校正的有效性（基于洛伦兹差值的磁化转移比率（MTR_LD）的变异系数（CV）从22.49%降低到4.61%），基于AREX的混淆因素校正（APT_AREX的CV从33.6%降低到6.9%）。神经网络B₁校正与体内传统多功率方法具有极好的一致性（ICC > 0.95）。在96个脑区中显示出较高的不同日重复性，其中95个分析区域的APT_AREX平均CV低于10%。

结论

成功开发并验证了一种快速且稳健的全脑定量多池CEST成像框架。通过结合高效的采集序列和简化的校正流程，该方法克服了临床应用的关键障碍，实现了对广泛脑部病理的可靠代谢成像。

引言

化学交换饱和转移（CEST）是一种强大的分子成像技术，可用于无创检测分子和生理参数，如蛋白质和pH值。这一技术在临床研究中具有价值，适用于肿瘤学[1]、[2]、[3]、[4]、神经学[5]、[6]、[7]以及神经退行性疾病[8]、[9]、[10]、[11]、[12]等领域。该技术的一个关键进展是多池CEST，它可以在多个频率偏移下获取数据，从而同时提供来自多个分子源的信息[1]。多池方法可以更全面地表征组织的代谢状态，提高对复杂病理的诊断特异性[9]、[10]。虽然这种方法提高了诊断效率并改善了成像结果的可解释性[8]、[9]、[10]、[11]、[13]，但其采集时间比标准酰胺质子转移加权（APTw）成像更长，后者仅针对单一溶质池并在较少的频率偏移下获取数据。

这一挑战因全脑覆盖的临床需求而加剧。对于影响多个脑区和灰质核的疾病（如神经退行性疾病），全脑成像特别有利，因为它便于进行全面的、基于感兴趣区域的分析。例如，在阿尔茨海默病和帕金森病的研究中，能够可靠地同时量化海马体、基底节和各种皮质区域的代谢变化至关重要[13]。然而，将多池分析的时间密集性与全脑采集的需求结合起来，成为临床应用的一个重大瓶颈。因此，大多数临床多池CEST研究仅限于单层或部分脑部采集[4]、[9]、[14]，这严重限制了该技术在研究广泛脑部病理方面的实际应用。

除了全脑多池CEST的长时间采集挑战外，定量CEST的准确性还受到多种混淆因素的影响。主要问题是与硬件相关的磁场不均匀性，即主磁场（B₀）和发射射频场（B₁）。尽管B₀场不均匀性会扭曲光谱，但其校正相对简单。相比之下，校正B₁场不均匀性则是一个重大挑战，因为传统方法需要在多个功率水平下获取Z谱，这进一步延长了已经很长的扫描时间[15]、[16]。此外，确保准确的生物学解释仍然是一个挑战。尽管多池建模可以分离光谱重叠的信号，但每个解析组分的幅度仍会受到广泛背景效应的抑制。这些主要是强大的直接水饱和（通常称为“溢出”）和潜在的半固态磁化转移（MT）效应，两者都会稀释特定的CEST信号[17]、[18]。此外，该信号还受到组织T₁松弛时间的影响[17]。为了校正这些混淆的背景效应，提出了基于逆Z谱分析的表观交换依赖性松弛（AREX）等先进指标，以消除溢出和潜在MT稀释以及T₁效应的影响[1]、[18]。然而，实施AREX需要获取专用的T₁图谱，从而增加了总扫描时间。

在加速CEST成像的各种努力中，我们最近的工作[19]表明，基于真快速成像和稳态进动（True FISP）读出的单次拍摄3D多池CEST序列可以提高信号采集效率。与相同采集时间内的传统spoiled GRE读出相比，该序列提供了更好的信噪比（SNR），为临床应用奠定了有希望的基础。然而，最初的工作仅限于部分脑部覆盖，并未整合校正其他关键混淆因素（如场不均匀性和T₁/MT效应）的全面框架。

在此有希望的基础上，本研究的主要目标是优化这种基于True FISP的方法，以实现真正的全脑覆盖，并开发一种适用于临床的全脑多池CEST成像的全面解决方案。为此，我们专注于以下目标：（1）基于True FISP读出优化并验证全脑多池CEST序列；（2）开发快速的B₀、B₁和T₁映射采集序列，并在模体和人类受试者中验证B₁校正和AREX指标的有效性；（3）整合并验证用于快速B₁校正的定制神经网络模型（基于最近的深度学习进展[20]），这是我们流程的主要方法创新，以克服时间限制的多功率采集问题，并在人类受试者中验证其性能；（4）验证健康受试者中派生CEST指标的区域级重复性。

部分摘要

研究概述

本研究分为四个部分，系统地开发和验证了全脑多池CEST成像的全面框架。研究1旨在基于True FISP读出开发全脑多池CEST协议并展示其图像质量。研究2评估了传统三点B₁校正方法[16]和AREX指标在模体和人类受试者中的有效性。研究3开发并验证了用于快速B₁校正的神经网络

全脑CEST协议的图像质量和安全性

所提出的单次拍摄3D True FISP序列为所有受试者提供了高质量的全脑CEST图像。如图1中一名受试者的代表性图像所示，参考（S₀）图像没有明显的条纹伪影，这归因于序列的短重复时间（TR = 2 ms）。在易受磁化率伪影影响的区域（如鼻腔附近），S₀图像表现出最小的几何失真

讨论

在这项研究中，我们开发并验证了一种在3 T下快速、准确且高度可重复的全脑多池CEST成像的全面解决方案。我们的方法成功地将单次拍摄的3D True FISP读出序列与简化的B₀、B₁和T₁校正工作流程相结合。值得注意的是，神经网络在快速B₁场不均匀性校正中的应用代表了该框架的核心方法创新，显著缩短了扫描时间

结论

总之，本研究提出了一种经过验证的全脑多池CEST成像端到端解决方案。通过结合高效的True FISP序列、快速的神经网络驱动校正流程和稳健的定量分析，我们的方法克服了临床应用的主要障碍。它在临床可接受的时间内提供了高保真度、可重复性和定量的脑代谢图谱，对推进神经成像具有重要意义

CRediT作者贡献声明

吴宇鹏：概念化、方法论、软件、验证、形式分析、调查、数据管理、撰写 - 原稿、可视化。方思远：调查、数据管理、验证。王思远：调查、资源。傅彩霞：方法论、资源。李建琪：概念化、方法论、监督、项目管理、资金获取、撰写 - 审稿与编辑。

资助

本工作得到了上海市科学技术委员会 [资助编号 YDZX20243100003001001-->]和STI 2030—重大项目 [资助编号 2021ZD0200500-->]的支持。

利益冲突声明

傅彩霞是西门子（深圳）磁共振公司的员工。其余作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了上海市科学技术委员会[资助编号 YDZX20243100003001001]和STI 2030—重大项目[资助编号 2021ZD0200500]的支持。