基于自旋锁定的脑白质磁化转移成像技术实现方向无关性定量评估

为解决脑白质磁化转移成像中因各向异性结构导致的定量结果方向依赖性问题，研究人员开发了基于离共振自旋锁定技术的MPF-SL方法。通过对20名健康志愿者在不同头部方向进行扫描，研究发现MPF-SL测量的差异可忽略不计（<2%），而传统定量MT成像则表现出显著的方向依赖性（p < 0.05）。该技术为神经退行性疾病的髓鞘定量提供了更可靠的成像工具。

　　

脑白质作为大脑的重要组成部分，其高度有序的髓鞘化轴束结构在维持脑功能完整性中起着关键作用。然而，这种高度各向异性的结构也给磁共振成像带来了巨大挑战——特别是定量磁化转移（quantitative magnetization transfer, MT）成像技术，其测量结果会随着白质纤维与主磁场B₀的相对方向变化而发生显著变化。这种方向依赖性主要源于残余偶极耦合（residual dipolar coupling, RDC）效应，即在水分子运动受限的有序组织中，偶极-偶极相互作用无法完全平均为零。

传统的饱和脉冲MT成像方法（如单点MPF mapping）虽然能够评估髓鞘含量，但其测量结果严重受组织方向影响，这给临床应用的可靠性和重复性带来了严峻挑战。特别是在追踪疾病进展或治疗效果的纵向研究中，患者头部位置的微小变化都可能导致测量结果的显著偏差，从而影响对髓鞘真实变化的判断。

为了解决这一根本性问题，香港中文大学医学院影像与介入放射学系的研究团队在《NeuroImage》上发表了一项创新性研究，开发了一种基于自旋锁定技术的宏观质子分数映射方法（Macromolecular Proton Fraction mapping based on Spin-Lock, MPF-SL），旨在实现真正意义上的方向无关性MT测量。

研究人员通过理论分析和数值模拟揭示了MPF-SL技术的物理机制。该技术利用离共振自旋锁定射频脉冲产生强大的有效自旋锁定场，从而最小化RDC效应。在旋转坐标系中，自旋晶格弛豫率R_1ρ取决于自旋锁定场的强度，这种依赖性受到有序组织中RDC效应的影响。当自旋锁定RF脉冲的振幅显著大于核的局部偶极场时，与RDC相关的R_1ρ的偶极相互作用的世俗分量可以被最小化。

研究团队通过对20名健康志愿者进行两次不同头部方向的MRI扫描（头部正常位置和头部向下位置），并在7-10天后进行重测扫描以评估重复性。主要技术方法包括：MPF-SL数据采集使用离共振自旋锁定脉冲，参数设置为Δω⁽¹⁾=2π·1000 rad/s，ω₁⁽¹⁾=2π·100 rad/s，缩放因子N=5；同时采集T₁加权图像、B₁和B₀映射、R₁映射、扩散张量成像（DTI）以及传统的单点MPF映射数据；使用TractSeg工具分割16个主要白质纤维束进行分析。

2.1. MPF-SL方法的研究结果表明，该方法通过差异测量两个不同自旋锁定场强度下的R_1ρ值，有效隔离了MT池的效应。理论推导显示，MPF-SL中的各向异性成分可以通过强有效自旋锁定场得到抑制，当满足1+4ω_eff²τ_b²>>R₂^ani(θ)条件时，RDC效应的影响变得可忽略不计。

2.2. MPF-SL参数优化的模拟结果显示，各向异性率随着频率偏移Δω⁽¹⁾的增加而降低，但随着ω₁⁽¹⁾的增加而增加。重要的是，各向异性率几乎与缩放因子N无关。基于这些发现，研究人员选择了Δω⁽¹⁾=2π·1000 rad/s，ω₁⁽¹⁾=2π·100 rad/s，N=5的参数组合，在保证方向独立性的同时满足SAR/RF约束。

3.1. MPF-SL用于髓鞘定量的实验结果表明，与传统饱和脉冲为基础的MPF方法相比，MPF-SL在不同头部方向间显示的百分比差异较小（<2%），而MPF_ST的差异大多超过5%，在某些白质束中甚至超过10%。这表明MPF-SL对组织方向的敏感性显著降低。

3.2. MPF-SL的方向独立性通过比较头部正常和头部向下位置的MPF值得到进一步验证。MPF_SL的直方图在两个方向上几乎完全重叠，而MPF_ST的直方图则显示出明显差异。统计分析显示，16个白质束的MPF_SL和MPF_ST组间的百分比差异均存在显著差异（p < 0.05）。

3.3. 重测可靠性的评估结果显示，MPF_SL在头部正常和头部向下位置的偏差分别为0.027%和0.046%，极限一致范围分别为±0.411%和±0.473%；而MPF_ST的相应值则更大。组内相关系数（ICC）分析表明，MPF_SL和MPF_ST的重测可靠性良好（0.75 < ICC < 0.9），纤维方向的重测可靠性极佳（ICC > 0.9）。

研究结论表明，MPF-SL技术有效解决了脑白质MT测量中的方向依赖性问题，为髓鞘定量提供了更加可靠的工具。这种方向无关性特性使其在临床研究和实践中具有重要价值，特别是在需要精确量化髓鞘变化的神经系统疾病研究中。

讨论部分进一步探讨了导致脑内方向依赖性的潜在机制。研究人员认为，有序组织中MRI信号各向异性的主要来源是水池中运动受限水分子的RDC效应，包括髓鞘相关水和轴突间水。此外，MT池中的各向异性效应也可能贡献于方向依赖性，如T_2b随白质纤维方向的变化。研究人员还通过模拟分析了MPF-SL模型对T_1b和T_2b变化的敏感性，发现对于本研究选择的参数，各向异性率保持较低水平。

该研究的重要意义在于首次系统验证了MPF-SL技术在活体脑白质中的方向独立性，为解决长期困扰定量MT成像的方向依赖问题提供了有效方案。这项技术不仅提高了髓鞘定量的准确性和可靠性，还为神经退行性疾病、多发性硬化症等髓鞘相关疾病的诊断和监测提供了新的成像工具，具有广阔的临床应用前景。