MRI-CEST原理与MRI几种序列

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一、引言

  MRI核磁共振的基本原理为核—磁—共振，接下来会具体展开各个词的含义。
  而CEST成像则是基于Bloch-McConnell方程（模拟化学交换的工具），因B-M方程目前还不能人工求出数值解，故用_弛豫模型（求解B-M方程）作为近似求其解析解。
  MRI序列又可分为饱和和采集这两个部分，接下来详细介绍展开。

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二、核—磁—共振

  原子核中存在自旋，可以将原子核想象成一个带电小球，表面电荷旋转会产生电流，继而产生磁场，获得一个向上的磁矩。

  由于质子的分布均匀，随机磁矩相互抵消，所以宏观上观察不到任何效应，除非沿Z方向施加一个主磁场B0。
  在主磁场 B0 的作用下，质子会分裂成两个能级，一些去低能级（与主磁场同相），一些去高能级（与主磁场反相）。而且根据玻尔兹曼分布规律，低能级质子总比高能级要多几个。
  但它们和 B0 并不完全平行，根据Bloch方程( ⃗)/= ⃗× ⃗，质子不仅会保持本身的自旋，原子核磁矩 ⃗还会以 Z方向为轴旋转。这个运动被称作进动。
  进动的质子磁矩可以分解纵向分量朝上或朝下，而横向分量都绕 B0 旋转，由于旋转完全随机抵消了，但在纵向上，低能级质子比高能级多，多出来的这些分量就让整体产生一个沿Z轴正向的宏观磁化量M0。

  考虑大量质子由低能级向高能级跃迁的过程。显然需要用能量为ΔE=ℏ_0=ℏ_0的光子照射低能级态的原子核使其跃迁。即_0=_0。由于质子的核磁矩 ⃗绕Z轴以−_0进动，且射频脉冲能量=ℏ_1，因此射频场_1的方向必须以相同频率（ _0=_1）变化实现“共振”(前提是_1≪_0)。再构造旋转坐标系X’Y’Z’，其中Z’与Z重合，而X’Y’平面相对于XY平面以射频场频率_0转动。则在新坐标系下_1一直沿着X’轴正方向。
  脉冲持续的时间越长，跃迁至高能级的质子越多，纵向磁化量Mz 势必会减小，等到两个能级质子数量一致，M0就消失了。
  但脉冲对质子还有另一个作用：相聚合，它会使原本因随机分布而抵消的各个横向分量趋向统一，因而得到一个逐渐增大的、绕B0旋转的横向磁化量Mx、My。
  这两者相叠加就是一个“螺旋式倾倒”运动。
  而一旦脉冲_1消失，统一了步调的相位重新变得随机，横向磁分量将慢慢消失，没有脉冲的约束，高能级质子也将回落，因此纵向磁分量将恢复。这两个磁分量恢复的过程被称作弛豫。

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三、CEST成像

  化学交换饱和转移（CEST）成像是一种新型的基于MRI的分子影像技术，利用H原子的化学位移效应和化学交换效应可以实现对mmol/L量级及以上浓度的一些小分子物质的信号放大，从而有望实现对小分子物质相关信息的快速较高分辨率的成像观测。
  H原子基本在水中，但水不是重要的指标物质。→所以怎样找小含量物质的信息?
  小含量物质中也有H原子，不过直接测的话信号很小，它们与水中的H原子之间有自发的化学交换效应和化学位移效应（MT，磁化转移）。由于人体内环境复杂，不同的小含量物质中，H原子所处的化学环境不同，它们的共振频率也不同。
  但射频脉冲有频率，可以把水的信号压下去（通过H原子的交换），相当于把小含量物质的信号放大。（大概能测mmol/L量级及以上浓度的一些小分子物质，如APT、RNOE、Pcr、谷氨酸、葡萄糖等）。
  CEST效应主要受交换率_b和代谢物质子相对于水质子的浓度_b所影响。为了获取这些CEST参数，需要引入定量化方法。
  可以把水（自由H原子）和小含量物质（半固体，受制H原子）简化为两个池（“双池模型”）。
  此时，磁化转移可以通过Bloch-McConnell方程来模拟（由于MT池的T2弛豫过快（R2b∼105 s-1），横向部分可忽略）。
  考虑水（a）和某种溶质（b）组成的双池模型。
  其纵向、横向弛豫速率（弛豫时间的倒数）分别为_1、_2和_1、_2；
  以水的拉莫自旋频率为零频率_，溶质的自旋偏频为_。
  溶质质子比例浓度为_，与水质子交换速率_。
  Bloch-McConnell（BM）方程：

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四、_弛豫模型

  Bloch-McConnell方程无法解析求解。目前最好的解析模型是_1弛豫模型，可将BM方程转化成一个可直接求解的一元方程。
  找出A的特征值和特征向量，其中绝对值最小的那个特征值λ1=- _1，它对应的特征向量即为有效场Beff。因此，在稳定状态下，系统的磁化矢量是由沿Zeff的贡献所主导的，认为磁化矢量在Zeff轴方向进行弛豫：
  在每个饱和偏移处的Z值：Z(Δω) = Msat(Δω)/M0


  该模型能够较好地定量化描述饱和脉冲时间不小于1秒情形下的CEST信号。
  按照该模型的描述，在加饱和脉冲期间，Z值由其初始值以_1的弛豫速率向稳定值作指数衰减；_1值由水和各项具有CEST效应的化学物质的影响线性叠加而成。
  从该模型的解析表达式中可看出，Z值不仅受溶液中各种具有化学交换效应溶质的CEST参数（氢原子比例浓度_、交换速率_和横向弛豫时间_2）的影响，还与水的纵向弛豫时间（_1）、横向弛豫时间（_2）、饱和脉冲强度（_1）和偏频（∆ω）、饱和脉冲时长（_sat）、扫描重复时长（TR）等CEST效应无关参量有关。
  Z值中主要体现的仍是水的效应，各种具有CEST效应的物质对Z值也均有一定影响。这些物质的相关参数对Z值的影响是复杂的非线性的方式。
  根据={[(1−^(−_1 (−_sat ) ))cos^2 −〖_1 cos^2 〗∕_1 ]^(−_1 _sat )+〖_1 cos^2 〗∕_1 }/[1−^(−_1 )]，可解出_1值。

   _1不包含水弛豫速率、扫描序列时间参数等信息，是比Z值更好的指标 。（水的影响小了很多）。

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五、几种序列

CEST：化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer）
CERT：化学交换旋转转移（chemical exchange rotation transfer）
FLEX：频率-标记交换(frequency-labeled exchange)
OPARACHEE：共振控制化学交换效应(On-resonance PARamangnetic Chemical Exchange Effects)
pCEST：Positive CEST
SAFARI ：频率交替的射频照射饱和(Satura- tion with Frequency Alternating RF Irradiation)
VDMP：可变延迟多脉冲(Variable delay multi pulse)
TSE：涡轮自旋回波(turbo spin echo)
RARE：快速自旋回波快速采集松弛增强(rapid acquisition with relaxation enhancement)