基于相关性加权的23Na磁共振指纹技术在大脑中的应用

《NMR in Biomedicine》：Correlation-Weighted 23Na Magnetic Resonance Fingerprinting in the Brain

提出了一种新型23Na磁共振指纹法（MRF），通过3D FLORET序列结合831,512条目字典，同步获取T1、T2长/短、ΔB1+和Δf0参数，利用Pearson相关系数加权匹配，在 phantom 和5名健康志愿者脑部数据验证中结果与文献一致。

　　我们开发了一种新的钠磁共振指纹成像（$^{23}\mathrm{Na}$ MRF）方法，能够同时绘制组织中的T1、T2,long*、T2,short*以及钠密度。该方法还内置了ΔB1+（射频发射不均匀性）和Δf0（频率偏移）参数。我们基于一种三维FLORET序列，使用了23个射频脉冲，以实现对$^{23}\mathrm{Na}$核的复杂自旋动力学的捕捉。为了构建指纹字典，我们采用了不可约球张量算符的格式，这种格式能够更准确地描述自旋状态的变化。字典中包含了831,512个条目，涵盖了广泛的T1、T2,long*、T2,short*、ΔB1+以及Δf0参数范围。在指纹匹配过程中，我们采用了皮尔逊相关系数，并将每个体素对应的信号匹配结果通过相关系数最高的子集进行加权，以生成最终的弛豫图谱。

为了验证该方法的准确性，我们将其与参考方法在七室的 phantom（人工模型）中进行了比较，并在7特斯拉的磁共振设备上对五名健康志愿者的脑组织进行了应用。在 phantom 实验中，$^{23}\mathrm{Na}$ MRF 所获得的数值与参考方法的数值基本一致，表明该方法在不同条件下的稳定性。在五名健康志愿者的脑组织中，我们对脑脊液、灰质和白质的平均钠弛豫时间进行了测量，结果与文献中之前报告的数值高度吻合，进一步证明了该方法在实际应用中的有效性。

这一研究的意义在于，$^{23}\mathrm{Na}$ MRF 作为一种非侵入性的成像技术，能够提供关于组织中钠离子分布的详细信息。钠离子在人体内广泛存在，特别是在细胞内外的浓度差异中扮演着重要角色。因此，通过精确测量钠密度和弛豫时间，我们可以更深入地了解组织的生理和病理状态。在医学影像领域，这种技术的应用可以为疾病的早期诊断和治疗提供新的视角，尤其是在神经系统疾病的研究中。

$^{23}\mathrm{Na}$ MRF 的优势在于其能够在一次扫描中同时获取多种参数，而不是传统的逐个测量方式。这不仅提高了成像效率，还减少了扫描时间，使得患者在检查过程中承受的负担更小。此外，该方法通过使用复杂的数学模型和算法，能够有效处理信号噪声，提高图像质量。在实际应用中，我们发现这种方法能够提供比传统方法更精确和可靠的测量结果，特别是在复杂组织结构的成像中。

该研究中所采用的FLORET序列是一种三维成像技术，能够提供更高的空间分辨率和更全面的组织信息。在使用23个射频脉冲的情况下，该序列能够更有效地激发和捕获信号，从而提高图像的信噪比。通过结合不可约球张量算符的格式，我们能够更精确地描述自旋状态的变化，进而构建更准确的指纹字典。这种字典的构建是该方法成功的关键，因为它能够涵盖广泛的参数范围，并且能够适应不同的组织特性。

在指纹匹配过程中，我们采用了皮尔逊相关系数作为匹配标准，这种方法能够有效地评估测量信号与理论模型之间的相似度。通过使用相关系数最高的子集进行加权，我们能够确保每个体素的测量结果具有较高的可靠性。这种加权方法不仅提高了图像的清晰度，还增强了不同组织之间的区分能力。在实际应用中，我们发现这种方法能够有效区分不同类型的组织，例如脑脊液、灰质和白质，从而为临床诊断提供更准确的信息。

此外，我们还考虑了ΔB1+和Δf0参数对成像结果的影响。ΔB1+是由于射频发射不均匀性引起的，而Δf0则是由于频率偏移引起的。这两种参数在磁共振成像中普遍存在，可能会影响信号的准确性和可靠性。因此，我们在构建指纹字典时，特别考虑了这些参数的影响，并将其纳入模型中。通过这种方式，我们能够更全面地描述信号的变化，并提高成像的准确性。

在实际应用中，我们发现该方法在7特斯拉的磁共振设备上表现良好，能够提供高质量的图像和准确的参数测量。这种高场强设备能够提供更高的信号强度和更好的对比度，使得$^{23}\mathrm{Na}$ MRF的应用更加可行。此外，该方法在健康志愿者的脑组织中表现良好，能够准确区分不同的组织类型，并提供可靠的参数测量结果。

这项研究的结果表明，$^{23}\mathrm{Na}$ MRF在医学影像领域具有广阔的应用前景。通过同时获取多种参数，该方法能够提供更全面的组织信息，为疾病的诊断和治疗提供新的工具。此外，该方法在实际应用中的稳定性表明，它能够适应不同的实验条件和人体组织特性，从而具有广泛的应用价值。

为了进一步推广该方法，我们还需要进行更多的实验和临床研究。在不同的组织类型和不同的扫描条件下，我们需要验证该方法的准确性和可靠性。此外，我们还需要优化该方法的参数设置，以提高图像质量和测量精度。通过不断改进和优化，我们相信$^{23}\mathrm{Na}$ MRF能够成为一种重要的医学成像技术，为临床医学提供新的支持。

总之，这项研究为$^{23}\mathrm{Na}$ MRF技术的发展提供了新的思路和方法。通过同时获取多种参数，该方法能够提供更全面的组织信息，为疾病的诊断和治疗提供新的工具。此外，该方法在实际应用中的稳定性表明，它能够适应不同的实验条件和人体组织特性，从而具有广泛的应用价值。未来的研究将继续探索该方法的潜力，进一步优化其性能，使其在医学影像领域发挥更大的作用。