场强依赖性揭示白质单纤维与交叉纤维中弛豫各向异性的多重来源机制

为解决白质纤维取向对定量磁共振成像参数影响机制不明的问题，研究人员通过1.5T和3T双场强MRI，系统研究了R2、R2*和R2'在单/交叉纤维中的取向依赖性，首次分离出场强依赖/独立组分的各向异性特征，发现R2*场强独立组分呈现45°峰值的独特模式，为理解白质微观结构提供新视角。

　　

在神经影像领域，白质纤维的微观结构解析一直是重大挑战。定量磁共振成像（qMRI）参数如横向弛豫率R₂、有效横向弛豫率R₂*及其可逆分量R₂'，已被证实与纤维取向密切相关，但背后的生物物理机制仍不明确。更复杂的是，人脑中67%-90%的白质区域存在交叉纤维结构，传统扩散张量成像（DTI）方法在这些区域可靠性骤降。与此同时，临床MRI设备场强从1.5T到3T甚至7T的跨越，使得理解场强如何调制弛豫各向异性成为亟待解决的课题。

奥地利因斯布鲁克医科大学（Medical University of Innsbruck）的研究团队设计了一项创新性研究。通过9名健康志愿者在1.5T和3T扫描仪上的多模态MRI实验，结合先进的纤维追踪技术，首次将弛豫率分解为场强依赖与独立组分，并系统分析其在单纤维和交叉纤维中的取向依赖性。这项发表在《NeuroImage》的研究揭示：白质弛豫各向异性存在多重来源机制，为微观结构成像提供了全新理论基础。

研究采用多回波梯度回波序列量化R₂*，双回波自旋回波序列测量R₂，并通过ARLO算法处理数据。利用TractoFlow 2.4.3进行纤维取向分布函数（FODF）分析，结合NuFO指标区分单/双交叉纤维体素。场强依赖组分通过1.5T-3T线性回归建模获得，各向异性指数采用Michelson对比度公式计算。

【材料与方法】
9名受试者在1.5T/3T扫描仪完成DTI、MPRAGE等多序列扫描。通过FODF峰值识别纤维取向角度θ，FA>0.5且NuFO=1界定单纤维体素，NuFO=2界定交叉纤维体素。

【结果】

1. 弛豫率场强特性：R₂*和R₂'在3T显著增高（p<0.001），R₂保持稳定，验证磁化率效应主导机制。
2. 纤维复杂度影响：除1.5T的R₂外，所有弛豫率在单/交叉纤维间存在显著差异（d=1.008-4.470），单纤维FA值（0.61±0.09）显著高于交叉纤维（0.29±0.11）。
3. 各向异性特征：R₂*和R₂'各向异性在3T显著增强（p<0.01），单纤维各向异性（R₂*达39.2%）远超交叉纤维（16.7%）。
4. 组分解析突破：场强独立R₂*呈现45°峰值-85°谷值的非单调曲线，揭示磁化率与偶极耦合的竞争机制。

【讨论】
该研究首次证实弛豫各向异性包含场强依赖（如磁化率效应）和独立（如蛋白质基质）双重来源。R₂*场强独立组分的特殊角度响应模式，提示白质中存在尚未明确的微观结构有序性。提出的修正模型R=c₁+c₂[protein]·f(θ)+(c₃+(c₄[Fe]+c₅[lipid])·f(θ))·B₀，为后续铁/脂质定量研究奠定框架。临床层面，研究强调解读WM病变时必须考虑局部纤维构型，避免将结构复杂性误判为病理改变。

这项跨越物理机制与临床应用的突破性工作，不仅完善了qMRI生物物理模型，更为开发新型白质微观结构成像标记物指明了方向。场强依赖/独立组分的成功分离，或将推动多中心研究的标准化进程，实现从基础科学到临床转化的跨越。