将 CEST 或 ρR1ρ 数据反转，以在无需先验假设的情况下生成溶质光谱

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：Inverting CEST or ρ R 1 ? ρ $$ {R}_{1\uprho} $$ data to generate solute spectra without a priori assumptions

CEST成像通过线性拟合非负约束及L1正则化，无需先验假设即可定性分析溶质数量、偏移量和交换速率，模拟与实验均显示其有效性，但存在参数敏感性和拟合偏差问题。

　　CEST（化学交换饱和转移）成像是一种用于揭示组织成分和交换过程的先进磁共振技术。传统的定量CEST分析通常需要对组织成分和交换参数做出诸多假设，这可能限制了其在复杂生物系统中的适用性。本文提出了一种新的CEST分析方法，旨在揭示交换溶质的潜在光谱特征，而无需预先设定其数量、偏移量或交换速率。该方法适用于CEST成像，也适用于旋转框架纵向弛豫率（R1ρ）研究，并在模拟和实验中进行了验证。尽管该方法在某些情况下表现良好，但其结果仍存在显著偏差和局限性，特别是在处理多组分信号时。

在CEST实验中，测量的是水的z轴磁化率作为激发频率偏移函数的图像，称为Z谱。通常，Z谱是在不同激发功率下获取的，通过长期激发后，信号可以表示为以下形式：水的z轴磁化率（R1ρ）和测量的纵向弛豫率（R1）的函数。本文提出的关键理论是，利用水在旋转框架中的纵向弛豫率与溶质贡献之间的线性关系，采用非负约束和稀疏性假设，通过求解线性问题来反演信号。这种反演方法在模拟和实验中均得到验证，尽管其精度有限，但在复杂多组分情况下仍能提供一定的定性信息。

为了验证该方法的有效性，研究团队设计了多个数字模拟样本，包括“对角线2”、“正方形4”、“正方形9”、“正方形9+MT”、“极端正方形9+MT”、“偏移分离”和“速率分离”等。这些样本分别测试了不同交换速率和偏移量的溶质如何影响信号的生成和反演。通过非负最小二乘法和结合L1最小化（即Lasso回归）的线性拟合方法，研究团队发现该方法能够粗略地识别溶质数量、偏移量和交换速率，尽管存在一定的偏差和伪影。

实验部分采用了一台15.2特斯拉的Bruker Biospec Avance III扫描仪，通过单次快速成像（RARE）技术获取了四个已知化学成分的样品数据，包括磷酸肌酸（PCr）、肌醇（MI）、γ-氨基丁酸（GABA）和肌酸（Cr）。这些实验数据用于生成溶质光谱，并与传统非线性最小二乘法拟合结果进行比较。传统方法通常需要先验知识来约束交换速率和偏移量，而本文提出的新方法则通过线性拟合，能够在缺乏这些先验信息的情况下提供一定定性信息。

尽管新方法在模拟和实验中表现出一定的潜力，但其在实际生物组织中的适用性仍需进一步研究。特别是在低场强或低信噪比（SNR）条件下，该方法的分辨率和准确性可能会受到影响。此外，对于交换速率极快或极慢的溶质，其反演结果可能会出现较大的偏差。因此，未来的研究需要优化实验参数和分析方法，以提高方法的适用性和准确性。

在实际应用中，该方法可能面临多个挑战，包括运动伪影、磁场不均匀性和缺乏生物组织验证的黄金标准。因此，进一步的实验和理论研究是必要的，以确保该方法在复杂生物环境中的可靠性。此外，对溶质光谱的解释也是关键问题之一，这与类似技术（如多指数T2谱）的分析方法相似，但更具挑战性。

本文提出的线性拟合方法为CEST信号反演提供了一种新的思路，能够在不依赖先验假设的情况下识别潜在的溶质成分。尽管这种方法在某些情况下表现出色，但在实际应用中仍需克服许多技术障碍，如提高分辨率、减少伪影和增强对低交换速率溶质的敏感度。未来的工作将聚焦于这些优化方向，以推动该技术在生物医学领域的广泛应用。