CN111521629B - 一种pH定量测量的饱和能量非均匀分布磁共振成像方法 - Google Patents

一种pH定量测量的饱和能量非均匀分布磁共振成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种pH定量测量的饱和能量非均匀分布磁共振成像方法，包括以下步骤：配制一系列已知pH值的标准CEST造影剂溶液，测量不同pH值CEST造影剂溶液在间隔时间分别为t1和t2时的SEND效果；根据公式计算SEND效果比值，并绘制SEND效果比值与pH的关系曲线；对待测pH值CEST造影剂环境，测量间隔时间为t1和t2的SEND效果；根据公式计算不同间隔时间时的SEND效果比值；对比关系曲线，确定待测造影剂环境的pH值。本方法采用饱和能量非均匀分布磁共振方法，定量测量pH值。

Description

一种pH定量测量的饱和能量非均匀分布磁共振成像方法
技术领域
本发明属于磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)技术和分析测量领域，特别涉及基于饱和能量非均匀分布(Saturation Energy Nonuniform Distributed,SEND)效果比值的pH定量测量方法，该方法适用于磁共振成像测量造影剂环境(离体或活体环境)pH值。
背景技术
磁共振成像是诊断与评估疾病进展的重要临床方法，具有无电离辐射、非侵入性、高空间分辨率、任意层面成像、组织对比度高等优点，在肿瘤、脏器以及软组织病变等诊断方面具有不可替代的作用。
pH是生物体内重要的生理指标，是细胞内多种传感器和调节器协同作用的结果。组织pH的改变直接反映生物体的代谢和病变情况，比如发生中风时，脑内代谢对氧的需求超过供给，pH稳态发生偏离，乳酸性酸中毒导致缺血组织不可逆的细胞损伤。因此，pH值是一种潜在重要和敏感的代谢状态和疾病进展检测指标，活体组织pH的准确检测具有重要的临床意义和实用价值。
目前，体内pH值的磁共振测量方法有：磷(31P)磁共振波谱法(31P-MRS)[J BiolChem,1973；248:7276–7278.]，通过检测无机磷与磷酸肌酸之间的化学位移差，反映组织的pH值，但受限于31P-MRS的低信噪比，其空间和时间分辨率较低；酰胺质子转移(APT)法[NatMed,2003；9:1085–1090.]，利用与流动肽和蛋白质相关的酰胺质子的化学交换饱和转移(CEST)效应测量pH值，但APT对比度也受细胞含水量、酰胺含量、水T1弛豫时间和NOE效应的影响，在蛋白质浓度或者组织水含量显著变化时，pH测量容易出错；内源性代谢物CEST法[JCereb Blood Flow Metab,2011；31:1743–1750.]，利用代谢物CEST效应对pH的敏感性，但是利用这些CEST效应定量pH值受浓度和T1影响；基于CEST效应的比值方法，一种是利用具有不同化学位移和不同pH响应的可交换位点间的CEST效应比值[Contrast Media MolImaging 2013；8:301–302.]，克服了浓度和T1的影响，但该方法要求组织环境中存在至少两个可检测CEST信号，限制了该方法的应用范围；另一种是基于饱和照射功率的CEST比值方法[J Am Chem Soc,2014,136,14333-14336.]，该方法利用不同pH造影剂对饱和照射功率的不同响应定量pH，该方法只需一个pH敏感的CEST信号，但该方法在高饱和照射功率进行较长时间照射可能会导致溶液或组织的射频能量沉积。这些方法在一定条件下可以实现对体内pH的定量检测，但各自均存在缺点和不足。因此，需要开发新的pH定量检测磁共振成像方法。
发明内容
为了克服现有磁共振技术对pH定量测量方法存在的缺点和不足，本发明提出一种pH定量测量的饱和能量非均匀分布(SEND)磁共振成像方法，一方面采用多次饱和照射-间隔模块组成的饱和照射单元取代连续波饱和照射，减小饱和脉冲的占空比，从而减少被测物的SAR(Specific Absorption Rate)值；另一方面采用总能耗相同的不同间隔时间的饱和照射，CEST造影剂只需要一个pH敏感的CEST信号。
基于饱和能量非均匀分布(SEND)效果比值的pH定量测量方法，包含如下步骤：
步骤1，配制一系列不同pH值的标准CEST造影剂溶液，将SEND成像序列施加至所述标准CEST造影剂溶液，测量不同pH值的标准CEST造影剂溶液在间隔时间t分别设置为t1和t2时的SEND效果：SENDR1、SENDR2，t1≠t2，
SENDR1＝S1/S2；
SENDR2＝S1/S2；
S1、S2分别为α与-α射频脉冲频率偏置均设为Δωrf、-Δωrf时，进行SEND成像，对所得图像感兴趣区域ROI进行积分得到的信号强度；Δωrf为CEST造影剂可交换质子信号和水质子信号间频率差；-Δωrf为CEST造影剂中可交换质子信号相对水质子信号的对称位置和水质子信号间频率差；
所述SEND成像序列包括饱和照射单元的预处理，接着是采样单元，其中，饱和照射单元由N次重复的饱和照射-间隔模块组成，每个饱和照射-间隔模块包括α射频脉冲照射、-α射频脉冲照射，α射频脉冲照射和-α射频脉冲照射及-α射频脉冲照射与下一段饱和照射-间隔模块被间隔时间t隔开，α为射频脉冲的翻转角，采样单元进行采样；
步骤2，根据公式：
Figure BDA0002476230460000031
计算一系列不同pH值的所述CEST造影剂溶液的SEND效果比值，绘制SEND效果比值与所述CEST造影剂的pH值的关系曲线，拟合所述关系曲线获得关系曲线的表达式；
步骤3，将SEND成像序列施加至待测CEST造影剂溶液，根据步骤1的SEND测量步骤测量待测CEST造影剂溶液在间隔时间t分别设置为t1和t2时的SEND效果；
步骤4，将步骤3得到的SEND效果代入步骤2的公式计算待测造CEST影剂溶液的SEND效果比值；
步骤5，利用步骤2获得的关系曲线的表达式和步骤4获得的待测CEST造影剂溶液的SENDER值，确定待测CEST造影剂环境pH值。
进一步地，步骤1中，所述标准CEST造影剂为pH敏感型造影剂，并且观测核为1H或异核。
本发明为基于饱和能量非均匀分布(SEND)的pH快速定量测量方法，可以直接定量测量造影剂环境的pH值，与现有方法相比：①本方法使用饱和照射-间隔模块，具有较长的间隔时间，可以有效降低实验过程样品中射频脉冲能量的沉积；②本方法适用范围广，造影剂只需有一个pH敏感的CEST位点(即CEST造影剂可交换信号)，扩大了CEST造影剂的选择范围，降低了新pH敏感型CEST造影剂的合成难度，与基于饱和照射功率的CEST比值方法相同；③与现有的CEST比值方法类似，本方法利用不同间隔时间CEST效果比值，降低了浓度对pH测量的影响。
附图说明
图1为使用饱和能量非均匀分布(SEND)磁共振成像方法定量测量pH的为SEND成像脉冲序列图，首先进行饱和照射单元的预处理，其中，饱和照射单元由N次重复的饱和照射-间隔模块组成，饱和照射-间隔模块包括α射频脉冲照射、间隔时间t、-α射频脉冲照射和间隔时间t，α为射频脉冲的翻转角，本实施例中α大小为但不限于180°，t为射频脉冲照射后自由交换演化时间；随后进行采样单元采样，本实施例中采用自旋回波序列采样。本图中仅介绍了使用自旋回波进行数据采集的脉冲序列，本发明使用的数据采集方式不受限制；
图2为310K时，12.5mM TPPS4溶液SENDER与pH的关系曲线，其线性拟合表达式为y＝6.3326x-39.085；
图3为310K时，不同浓度TPPS4溶液及其相应的SENDER测量值；
图4为不同浓度TPPS4溶液pH测量值与真实pH值的比值；
图5为本发明的一种pH定量测量的饱和能量非均匀分布磁共振成像方法的流程示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的阐述，应当理解，此处的描述仅用于说明和解释本发明，并不是对本发明的限定。
一种pH定量测量的饱和能量非均匀分布(SEND)磁共振成像方法，SEND成像序列如图1所示，包括饱和照射单元的预处理，接着是采样单元，其中，饱和照射单元由N次重复的饱和照射-间隔模块组成，每个饱和照射-间隔模块包括α射频脉冲照射、-α射频脉冲照射，α射频脉冲照射和-α射频脉冲照射及-α射频脉冲照射与下一段饱和照射-间隔模块被间隔时间t隔开，α为射频脉冲的翻转角，本实施例中α为180°但不限于180°，间隔时间t为射频脉冲照射后自由交换的演化时间；随后采样单元进行采样，本实施例中采样单元采用自旋回波序列采样，但采样单元不局限于自旋回波序列。
基于饱和能量非均匀分布(SEND)磁共振成像的pH定量测量方法，包括以下步骤：
步骤1，配制一系列不同pH值的标准CEST造影剂溶液，将SEND成像序列施加至所述溶液，测量不同pH值的溶液在间隔时间t设置为t1和t2时的SEND效果；
步骤1中，配制标准溶液的CEST造影剂为pH敏感型造影剂，其观测核为1H，也可以是异核，标准溶液在间隔时间t设置为t1和t2时的SEND效果测量采用SEND成像序列，间隔时间设置为t1时，设置SEND成像序列相关参数：饱和照射-间隔模块重复次数为N，射频脉冲翻转角为α，将α与-α射频脉冲频率偏置均设为Δωrf，Δωrf为CEST造影剂可交换质子信号和水质子信号间频率差，进行SEND成像，对所得图像感兴趣区域(Region Of Interest，ROI)进行积分，测量并记录信号强度S1；再将α与-α射频脉冲频率偏置设为-Δωrf，-Δωrf为CEST造影剂中可交换质子信号相对水质子信号的对称位置和水质子信号间频率差，其他参数保持不变，进行SEND成像，对所得图像ROI进行积分，测量并记录信号强度S2，间隔时间为t1时SEND效果计算公式为SENDR1＝S1/S2；
间隔时间设置为t2时，将SEND成像序列中α与-α射频脉冲频率偏置均设为Δωrf，其他参数与间隔时间设置为t1时相同，进行SEND成像实验，对所得图像ROI进行积分，测量并记录信号强度S1；再将α与-α射频脉冲频率偏置设为-Δωrf，其他参数保持不变，进行SEND成像实验，对所得图像ROI进行积分，测量并记录信号强度S2，计算间隔时间为t2时SEND效果为SENDR2＝S1/S2；
一系列不同pH值的所述溶液重复该过程，获得间隔时间t设置为t1和t2时的SEND效果。
步骤2，根据公式计算一系列不同pH值的所述溶液的SEND效果比值，绘制SEND效果比值与所述溶液的pH值的关系曲线；
步骤2中，SEND效果比值SENDER表达式为
Figure BDA0002476230460000071
其中，SENDR1和SENDR2表示间隔时间设置为t1和t2时测得的SEND对比效果，由步骤1获得。绘制SENDER值与pH值的关系曲线，使用但不局限于线性拟合获得关系曲线的表达式。
步骤3，将SEND成像序列施加至待测CEST造影剂溶液，测量待测CEST造影剂溶液在间隔时间设置为t1和t2时的SEND效果；
步骤3中，配制待测CEST造影剂溶液，该造影剂与步骤1中造影剂相同，待测CEST造影剂溶液在间隔时间设置为t1和t2时的SEND效果的测量方法与步骤1相同，即使用SEND成像序列获取数据，SEND成像序列参数设置为：间隔时间设置为t1时，饱和照射-间隔模块重复次数为N，射频脉冲翻转角为α，α与-α射频脉冲频率偏置均设为Δωrf，进行SEND成像，对所得图像感兴趣区域(Region Of Interest，ROI)进行积分，测量并记录信号强度S1d；再将α与-α射频脉冲频率偏置均设为-Δωrf，其余参数保持不变，进行SEND成像，对所得图像ROI进行积分，测量并记录信号强度S2d，间隔时间为t1时SEND效果计算公式为SENDR1d＝S1d/S2d；间隔时间设置为t2时，将SEND成像序列中α与-α射频脉冲频率偏置均设为Δωrf，间隔时间设为t2，其他参数与间隔时间设置为t1时相同，进行SEND成像，对所得图像ROI行积分，测量并记录信号强度S1d；再将α与-α射频脉冲频率偏置均设为-Δωrf，其余参数保持不变，进行SEND成像，对所得图像ROI进行积分，测量并记录信号强度S2d，间隔时间为t2时SEND效果计算公式为SENDR2d＝S1d/S2d。
步骤4，根据公式计算待测CEST造影剂溶液的SEND效果比值；
步骤4中，待测CEST造影剂溶液的SEND效果比值的计算公式与步骤2相同，其表达式为
Figure BDA0002476230460000081
其中，SENDR1d和SENDR2d表示间隔时间设置为t1和t2时测得的SEND对比效果，由步骤3获得。
步骤5，利用步骤2获得的关系曲线的表达式，确定待测CEST造影剂溶液的pH值。
步骤5中，关系曲线表达式由步骤2获得，待测CEST造影剂溶液的SENDER值由步骤4计算获得，将SENDER值代入由关系曲线表达式，计算获得待测CEST造影剂溶液的pH值。
实施例1
本实施例中以四苯基卟吩四磺酸(TPPS4)作为造影剂，观测核为1H，TPPS4溶液置于外径10mm核磁样品管，所有磁共振相关实验均在Bruker400M宽腔小动物成像仪上完成。使用序列为SEND成像序列，如图1所示，SEND成像序列首先进行饱和照射单元的预处理，其中，饱和照射单元由N次重复的饱和照射-间隔模块组成，饱和照射-间隔模块包括α射频脉冲照射、-α射频脉冲照射，α射频脉冲照射和-α射频脉冲照射及-α射频脉冲照射与下一段饱和照射-间隔模块被间隔时间t隔开，α为射频脉冲的翻转角，本实施例中α为180°但不限于180°，间隔时间t为射频脉冲照射后自由交换的演化时间；随后采样单元进行采样，本实施例中采样单元采用自旋回波序列采样，但采样单元不局限于自旋回波序列。
基于饱和能量非均匀分布(SEND)磁共振成像的pH定量测量方法，包括以下步骤：
步骤1，配制一系列不同pH值的标准CEST造影剂溶液，将SEND成像序列施加至所述溶液，测量不同pH溶液在间隔时间t设置为t1和t2时的SEND效果
配制pH值为6.4、6.6、6.8、7.0、7.2、7.4和7.6的12.5mM TPPS4溶液，溶液温度设置为310K，以pH＝6.4的12.5mM TPPS4溶液为例，测量t1＝15ms和t2＝1ms时的SEND效果，设置SEND成像序列参数：饱和照射-间隔模块重复次数N＝200，射频脉冲翻转角α＝180°，α与-α射频脉冲频率偏置均设为-3900Hz，即TPPS4中可交换质子信号(造影剂的pH敏感CEST位点)和水质子信号间频率差，t1＝15ms时，进行SEND成像实验，对所得图像中感兴趣区域(Region Of Interest，ROI)进行积分，测得信号强度为S1＝0.9447；再将α与-α射频脉冲频率偏置设为3900Hz，即TPPS4中可交换质子信号相对水质子信号的对称位置和水质子信号间频率差，其他参数保持不变，进行SEND成像实验，对所得图像ROI进行积分，测得信号强度为S2＝1.1343，计算t1＝15ms时SEND效果为SENDR1＝S1/S2＝0.9457/1.1343＝0.8337；
t2＝1ms时，再将α与-α射频脉冲频率偏置均设为-3900Hz，其他参数保持不变，进行SEND成像实验，对所得图像ROI进行积分，测得信号强度为S1＝1.1217；再将α与-α射频脉冲频率偏置均设为3900Hz，t2＝1ms，其他参数保持不变，进行SEND成像实验，对所得图像ROI进行积分，测得信号强度为S2＝1.2448，计算t2＝1ms时SEND效果为SENDR2＝S1/S2＝1.1217/1.12448＝0.9011。
对pH＝6.6、6.8、7.0、7.2、7.4和7.6的TPPS4溶液重复以上过程，依次获得t1＝15ms时，不同TPPS4溶液的SENDR1依次为0.8340、0.8349、0.8402、0.8498、0.8591和0.8885，t2＝1ms时，不同TPPS4溶液的SENDR2依次为0.9384、0.9514、0.9661、0.9750、0.9790和0.9877。
步骤2，根据公式计算不同pH的TPPS4溶液的SEND效果比值，绘制SEND效果比值与pH的关系曲线
不同pH的TPPS4溶液的SEND效果比值的计算公式如下
Figure BDA0002476230460000101
其中，SENDR1和SENDR2分别为t1＝15ms和t2＝1ms时的SEND对比效果，由步骤1获得，根据公式计算获得pH值为6.4、6.6、6.8、7.0、7.2、7.4和7.6的TPPS4溶液的SENDER依次为1.7466、2.8572、3.6222、5.0540、6.4236、7.3827、9.6167，绘制SENDER与溶液的pH值的关系曲线，见图2，本实施例使用但不局限于线性拟合，获得其关系曲线的线性表达式为y＝6.3326x-39.085，其中x为pH值，y为SENDER值。
步骤3，将SEND成像序列施加至待测pH值的TPPS4溶液，测量待测TPPS4溶液在t1和t2时的SEND效果
配制浓度为6.25mM、12.5mM、25mM、50mM和100mM，pH＝7.0的5种待测TPPS4溶液，待测TPPS4溶液温度控制在310K，采用SEND成像序列，测量不同浓度TPPS4溶液在t1＝15ms和t2＝1ms时的SEND效果，与步骤1中的方法相同，进行SEND成像实验，测量获得t1＝15ms时，不同浓度溶液SENDR1d依次为0.9166、0.8402、0.7060、0.4982和0.2479；t2＝1ms时，不同浓度溶液SENDR2d依次为0.9829、0.9661、0.9334、08713和0.7591。
步骤4，根据公式计算待测溶液的SEND效果比值；
待测pH溶液的SEND效果比值计算公式与步骤2相同，其表达式如下，
Figure BDA0002476230460000111
其中，SENDR1d和SENDR2d分别为待测TPPS4溶液t1＝15ms和t2＝1ms时的SEND对比效果，由步骤3获得，根据公式计算获得不同浓度(6.25mM、12.5mM、25mM、50mM和100mM)TPPS4溶液的SENDER依次为5.0536、5.0540、5.0549、5.0567、5.0602，图3为SENDER与溶液浓度的关系图，由图可知，不同浓度的SENDER值随着浓度上升略有增加，但最大差异小于5‰。
步骤5，对比相关曲线，确定待测溶液的pH值
由步骤4中获得的不同浓度TPPS4溶液的SENDER值与步骤2中获得的关系曲线，计算待测溶液的pH值，步骤2获得的关系曲线表达式为y＝6.3326x-39.085，将步骤4获得的SENDER值作为y值代入表达式，计算获得不同浓度待测TPPS4溶液的pH值依次为6.9701、6.9701、6.9703、6.9705和6.9711，待测TPPS4溶液的pH测量值与真实值(pH＝7.0)之间比值和浓度之间关系如图4所示，测量值与真实pH值的误差均小于5‰，基于SEND效果比值方法可以实现待测溶液pH值的定量测量。
需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式代替，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种pH定量测量的饱和能量非均匀分布磁共振成像方法，包括以下步骤：
步骤1，配制一系列不同pH值的标准CEST造影剂溶液，将SEND成像序列施加至所述标准CEST造影剂溶液，测量不同pH值的标准CEST造影剂溶液在间隔时间t分别设置为t1和t2时的SEND效果：SENDR1、SENDR2，t1≠t2，
SENDR1=S1/S2；
SENDR2=S1/S2；
S1、S2分别为α与-α射频脉冲频率偏置均设为Δωrf、-Δωrf时，进行SEND成像，对所得图像感兴趣区域ROI进行积分得到的信号强度；Δωrf为CEST造影剂可交换质子信号和水质子信号间频率差；-Δωrf为CEST造影剂中可交换质子信号相对水质子信号的对称位置和水质子信号间频率差；
所述SEND成像序列包括饱和照射单元的预处理，接着是采样单元，其中，饱和照射单元由N次重复的饱和照射-间隔模块组成，每个饱和照射-间隔模块包括α射频脉冲照射、-α射频脉冲照射，α射频脉冲照射和-α射频脉冲照射及-α射频脉冲照射与下一段饱和照射-间隔模块被间隔时间t隔开，α为射频脉冲的翻转角，采样单元进行采样；
步骤2，根据公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
计算一系列不同pH值的所述CEST造影剂溶液的SEND效果比值，绘制SEND效果比值与所述CEST造影剂的pH值的关系曲线，拟合所述关系曲线获得关系曲线的表达式；
步骤3，将SEND成像序列施加至待测CEST造影剂溶液，根据步骤1的SEND测量步骤测量待测CEST造影剂溶液在间隔时间t分别设置为t1和t2时的SEND效果；
步骤4，将步骤3得到的SEND效果代入步骤2的公式计算待测造CEST影剂溶液的SEND效果比值；
步骤5，利用步骤2获得的关系曲线的表达式和步骤4获得的待测CEST造影剂溶液的SENDER值，确定待测CEST造影剂环境pH值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述标准CEST造影剂为pH敏感型造影剂，并且观测核为1H或异核。
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