3T场强下单量子钠MRI技术实现单/双T2信号分离及其在神经系统疾病早期检测中的应用

本研究针对钠MRI中细胞内外信号混杂的难题，开发了多回波单量子(MSQ)成像技术。纽约大学团队通过双回波采样和矩阵反演算法，在3T临床设备上实现了单/双T2钠信号的高精度分离（模型准确率95.8%），成功消除了脑脊液信号干扰，为癫痫、多发性硬化等神经系统疾病的早期细胞水平检测提供了新工具。该技术突破传统三量子滤波(TQF)的低信噪比(SNR)限制，具有临床转化价值。

　　

在神经科学领域，细胞内钠离子浓度变化犹如细胞健康的"晴雨表"。当钠钾泵(Na⁺-K⁺ pump)功能障碍或细胞膜完整性受损时，细胞内钠浓度会异常升高，这种现象常见于癫痫、多发性硬化、双相情感障碍等神经系统疾病。然而，传统钠磁共振成像(MRI)面临巨大挑战——占主导地位的细胞外钠信号（浓度约145 mM）往往会掩盖细胞内钠（约15 mM）的细微变化，就像强光下的微弱星光难以察觉。更棘手的是，临床常用的3T磁共振设备信噪比(SNR)有限，而传统三量子滤波(TQF)技术虽能区分单/双T₂弛豫信号，却需要长达40分钟的扫描时间，且信号强度骤降90%，犹如在暴风雪中寻找一片雪花。

针对这些技术瓶颈，纽约大学格罗斯曼医学院Bernard and Irene Schwartz生物医学影像中心的研究团队在《Scientific Reports》发表创新成果。他们开发了多回波单量子(MSQ)成像技术，通过优化双回波时间(TE)采样方案（0.5/5 ms）和非负最小二乘(NNLS)矩阵反演算法，在保持单量子成像信噪比优势的同时，实现了单/双T₂钠信号的精准分离。这项研究融合了数值模拟、琼脂模型和15例人体试验（含健康对照和患者），首次在临床3T设备上突破了细胞水平钠检测的技术壁垒。

关键技术方法包括：1）双回波TPI序列采集（TE=0.5/5 ms）；2）自由感应衰减(FID)信号获取T₂^*谱；3）非负约束矩阵反演分离算法；4）8通道双调谐(¹H-²³Na)头线圈提高SNR；5）场不均匀性(ΔB₀)校正。患者队列包含6例神经系统疾病患者（1例双相障碍、3例癫痫、1例多发性硬化、1例轻度脑外伤）。

研究结果部分显示：
理论模型验证：通过奇异值分解(SVD)分析确定双回波方案噪声传递最小（σ₂<1.0），模拟显示在SNR≥25时分离误差<5.6%。T₂值波动影响分析表明，当单T₂钠主导时，T_2,mo准确性至关重要（误差可致双T₂信号偏差35.6%）。

2^*值对信号分离的影响分析'>

物理模型测试：四组琼脂模型验证显示，单T₂信号分离准确率达95.8%，双T₂信号回收率72.5-80.4%，较传统减法技术残留信号降低至4.2%（原20%）。

人体研究突破：15例受试者全脑T₂谱显示短T₂组分（1-5 ms）和长T₂^*组分（10-30 ms）分布特征。典型病例显示双T₂钠图像使脑组织信号均匀化（反映正常细胞内钠约15 mM），而单T₂图像突出脑脊液信号。双相障碍患者更检出特定脑区双T₂信号增强27.1%。

验证分析显示，健康组灰质/白质细胞内体积分数分别为89.6±4.5%和94.0±2.6%，与文献值（75% vs 92%）趋势一致，证实方法可靠性。

这项研究开创性地解决了钠MRI领域三大难题：首次在3T临床设备实现细胞钠检测；将扫描时间从TQF的40分钟缩短至10分钟；信噪比较TQF提高10倍。尽管存在模型简化（忽略单T_2,b组分）、回波时间优化等局限，但该技术为神经系统疾病早期诊断和治疗监测提供了全新视角。特别值得注意的是，双相障碍患者脑区异常信号的发现，为这类精神疾病的客观影像诊断开辟了新途径。未来结合定量校准和线圈灵敏度校正，MSQ技术有望成为神经科医生的"钠显微镜"，在细胞水平揭示更多疾病奥秘。