基于化学交换饱和转移磁共振pH成像的优化与定量

Acid-Base Balance is an important part of the human homeostasis. The change of pH value in tumor microenvironment affects its invasion and the therapeutic effects. Nowadays there is no ideal method to image the pH in vivo non-invasively. Chemical exchange saturation transfer technology shows a tremendous potential in pH imaging, but sequences are not uniform and it is hard to quantify the pH imaging. Our team proposed a formula to calculate the signal to noise ratio in CEST imaging. Moreover, we optimized some important parameters and demonstrated quantitative analysis of the exchange rate and labile proton fraction. In this project, combined with science, engineering and medicine, we aim to continue our parameter optimization and establish the optimal CEST sequence. Then, we will demonstrate the relationship between the CEST imaging and 31P-MRS and get the precisely quantitative pH imaging in the brain in vivo. In addition, more pH quantitative imaging will be applied in various kinds of brain tumors at 1.5T, 3T and 7T MR scanners. The classification of benign and malignant brain tumor and the invasion will be proved via histopathology. The success of this project will provide a reliable noninvasive method for quantitative pH imaging, moreover, which can guide the diagnosis and therapy of brain tumors.

酸碱度平衡是维持机体内环境稳态的重要组成部分之一。肿瘤微环境的酸碱度变化更是直接影响其侵袭性与治疗效果。而对酸碱度的活体无创性成像，目前尚缺乏一种理想的方法。化学交换饱和转移技术在pH成像方面颇有潜力，但其成像序列尚无统一的标准，且难以进行pH的准确定量成像。本课题组在前期创立了化学交换饱和转移成像的信噪比计算公式，优化了该技术的部分重要参数，实现了对化学交换率与交换物质浓度定量校正。本课题将在既往研究基础上，通过理、工、医的结合，进行深入地参数优化校正，确立最优化学交换饱和转移成像序列，并通过建立图像信号与31P-MRS关系图，实现pH成像的准确定量，获取活体脑pH定量成像，并在1.5T、3T及7T上，在多种脑肿瘤模型及病人上进行pH定量成像，通过与病理结合，验证其在对脑肿瘤良恶性、侵袭性判断的准确性。本项目的成功开展将提供一种无创准确的pH定量成像方法，并进一步指导脑肿瘤的诊断与治疗。

本课题组在该项目研究期内，已发表相关领域的SCI收录论文42篇（已标注20篇），中文核心期刊4篇（已标注2篇），并获得一项中华医学会科技奖（三等），两项广东省科技奖（三等）和一项汕头市科技奖（一等）。.本课题组结合理工医学科，开发基于化学交换饱和传递（CEST）技术，已在7T动物磁共振和GE临床磁共振上实现了CEST成像序列，并完成后处理程序。通过理论模拟，离体模型和在体研究相结合，基于CEST技术实现了pH值和谷氨酸，γ-氨基丁酸、葡萄糖等代谢物定量成像，开展动物和临床实验，使用pH和代谢物定量成像检测肿瘤和中风。.我们在7T动物磁共振成像仪上，通过优化成像参数及修改脉冲序列，获得了基于GRE和EPI的优化地CEST序列，并应用该技术在试管模型和动物模型上，获得高分辨磁共振pH值和代谢物成像图。.我们在临床转化医学研究方面，基于GE 公司磁共振脉冲序列编译平台（EPIC）上，开发适用于临床的磁化传递序列，现已在临床3T及1.5T磁共振扫描机上成功实现了基于GRE和EPI的CEST序列，并在健康志愿者和脑梗患者实现脑部pH定量成像。为了验证pH成像的准确性，我们进一步在1.5T、3T及动物7T上，在多种脑肿瘤类型的患者开展研究，与病理结合，验证其在对脑肿瘤良恶性、侵袭性判断的准确性，对上述疾病的临床鉴别与疗效监测具有重要价值。.我们还结合多体素频谱技术和弥散峰度峰度成像（DKI），开展了磁共振多模态应用研究。.在研期间，课题负责人多次前往多伦多大学短期访问，在国外会议做主持。课题组成员积极参加国内外重大学术会议交流。多次进行大会发言。对多名成员进行国际交流培养，先后派遣一名博士生和一名硕士前往多伦多大学交流学习，一名博士生前往加拿大阿尔伯塔大学联合培养，均已学成归国。已毕业博士生6人，硕士生15人，目前在研博士后1人，博士生5人，硕士生10人。