基于多饱和参数调制的CEST磁共振分子影像技术研究

As a new magnetic resonance imaging (MRI) mechanism, Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) is attracting more and more research interest internationally. CEST could produce high-resolution images that contain information about the molecular level and avoid injecting metal probe into the body. Although studies have shown CEST signals are potentially helpful for accurate diagnosis and assessment of the treatment for brain tumors, current CEST imaging techniques still face significant limitations, especially for live animals imaging and clinical imaging applications. For example, the specificity for detecting tumor-associated metabolic molecules is much less than conventional MR spectroscopy. Regarding to urgent need for new CEST imaging methods, the proposal aims to develop a multi-parameter saturation modulation technique and enable more specific CEST fingerprinting, based on our previous methods of saturation length modulation. Using simulation models, phantom experiments and animal experiments, the novel method innovatively employs the efficiently-collected multi-dimensional dynamic information that how CEST signals change with different saturation pulse lengths, strengths and frequencies. The additional multi-dimensional information could then be combined with chemical exchange characteristics of different metabolic molecules and appropriate post-processing methods, to improve the specificity and sensitivity for in vivo detection of tumor tissue critical metabolic molecules and other biochemical changes.

化学交换饱和转移（CEST）是一种新的磁共振影像(MRI)技术，它可产生包含分子水平信息的高分辨图像并可避免向体内注射金属探针，正成为国际上的前沿研究热点。虽然研究表明CEST信号对脑部肿瘤的精确诊断和疗效评估有重要意义, 然而目前CEST成像技术在活体动物成像和临床应用中还存在很大的局限性，特别是对肿瘤相关代谢分子的特异性远不及传统的MR波谱技术。本项目针对预临床和临床分子影像应用对新的CEST成像方法的迫切需求，计划在前期调制饱和长度方法基础上，通过仿真模型、仿体实验和动物实验验证，建立一种多饱和参数调制、多回波读取的CEST MRI指纹成像新方法。该方法创新性地通过高效采集CEST 信号随饱和脉冲长度、强度和频率变化的多维度动态信息，结合不同代谢分子的化学交换特性，并使用恰当的后处理方法，来提高活体检测肿瘤组织中关键代谢分子和其他生化变化的特异性和敏感度。

前列腺肿瘤的早期、精确诊断及疗效评估对降低肿瘤病人死亡率，提高生存质量有重要意义。化学交换饱和转移磁共振（CEST-MRI）成像是目前备受关注的、可临床转化的无创分子影像新方法，有潜力对前列腺肿瘤发生发展过程中异常代谢和生化成分的评估进行活体检测和评估。尽管灵敏度高于传统的磁共振波谱（MRS）技术，活体CEST-MRI技术存在很多挑战，如易受其他信号的污染、对磁场不均匀度敏感，扫描时间过长和易产生运动伪影等。.本项目在前期饱和长度与频率变化的方法基础上，加入饱和脉冲强度变化的信息，针对前列腺活体肿瘤成像特点重点开展了CEST-MRI的运动校正、信号提取和量化的理论方法研究和软件实现。针对已有前列腺CEST研究仅关注了跟酰胺质子转移（APT）相关的3.5ppm处信号且无法与核奥氏效应（NOE）区分的缺点，我们提出了基于伪佛克脱线型的Z谱拟合方法来提取前列腺肿瘤中不同代谢成分的化学交换特性变化，并在仿真和小动物活体实验中证实其较传统量化方法在准确性和鲁棒性方面有明显提升；针对活体小动物前列腺成像中常见的运动伪影问题，我们结合CEST信号特点提出了新的运动校正方法，包括使用鲁棒主成分分析后的低秩成分作为参考图像、两步配准以及基于自适应随机梯度下降法（ASGD）进行图像配准等。我们还进一步归纳整理出使用两种饱和参数的CEST-MRI信号提取方案以及经FFT提取的参数意义，在仿真实验和活体实验中验证可提高活体检测肿瘤本身代谢和其他生化成分变化的特异性和对比噪声比；所提方法也可应用于检测注射入小鼠体内的前列腺癌标识分子靶向探针的磁共振成像中；此外，还扩展了对荷瘤小鼠进行荧光分子断层成像方面的研究工作。.本项目的研究成果包括发表在领域内高水平期刊论文4篇，国家发明专利申请2项。这些研究成果将为前列腺肿瘤的小动物预临床研究和临床转化应用提供了磁共振分子影像的技术手段，并且可以借鉴到CEST-MRI在其他疾病研究的应用中。