化学位移选择性绝热脉冲（CHEAP）：7 T 下的快速高分辨率低场三维氢-1 磁共振波谱成像

《Journal of Magnetic Resonance》：CHEmical-shift selective Adiabatic Pulse (CHEAP): fast and high resolution downfield 3D 1H-MRSI at 7T

　　

• 7T下0.37毫升分辨率的场低场三维MRSI。
• 10分30秒的采集时间即可实现场低场代谢物映射。
• 更短的采集时间（4分13秒）足以检测肿瘤中的代谢变化。

引言
过去四十年来，脑部的局部体内1H-MRS(I)技术已发展成为一种强大的工具，不仅用于研究正常脑代谢，还用于研究衰老[1]、[2]以及各种病理状况，包括脑肿瘤[3]、[4]、缺氧和缺血状况[5]以及遗传性疾病[6]。过去进行的大多数MRS研究都集中在1H光谱的场高场部分，涵盖0.00 ppm至4.67 ppm的化学位移偏移范围。相比之下，人们对光谱的场低场部分[7]（化学位移偏移范围高于4.67 ppm）的探索要少得多，尤其是在人体组织的体内1H光谱方面[8]、[9]、[10]、[11]。几项场低场MRS的先驱研究发表于20世纪80至90年代[12]、[13]、[14]、[15]。尽管持续发展，但场低场1H-MRS研究的产出明显少于场高场1H-MRS。重要的贡献出现在20世纪80年代，包括关于苯丙氨酸[11]、[16]、[17]、[18]、α-葡萄糖[19]、同系卡诺辛[10]、组氨酸[9]、[13]等的研究。许多重要的代谢物存在于场低场1H-MRS范围（>4.67 ppm）中，但在场高场1H-MRS范围（<4.67 ppm）中无法或难以检测到，例如三磷酸腺苷（ATP）、谷胱甘肽（GSH）、同系卡诺辛（hCs）、组氨酸（His）等。GSH和ATP被认为是关键代谢物，在脑肿瘤[20]、中风[21]、[22]和帕金森病[23]中已描述有异常。最近的研究也展示了场低场MRS在检测和定量烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD?）和色氨酸（TRP）方面的潜力[24]、[25]、[26]、[27]。

文献中描述了多个因素，导致场低场1H-MRS研究数量有限[28]。我们认为最重要的因素是：1. 信噪比（SNR）低，由于信号弱导致检测特定峰面临挑战；2. 场低场共振与水之间存在强烈的化学交换（磁化转移），意味着常规的水抑制技术会进一步降低可交换场低场信号的SNR；3. 场低场共振的T2弛豫时间较短，导致在相同回波时间下信号损失比场高场共振更大；4. 未分配和重叠的峰，使得难以将单个共振归因于特定代谢物；5. 测量体积大，通常与B0不均匀性相关的线展宽和SNR降低有关。

由于上述挑战和研究数量有限，场低场MRS在研究或诊断环境中所能发挥的作用仍不确定。

由于信噪比低（问题1）和水饱和（问题2）的挑战，以往的研究主要将研究限制在单个体素体积MRS。尽管如此，最近的进展已将场低场单个体素体积MRS的视野扩展到二维[29]和三维磁共振波谱成像（MRSI）[30]，在3T下使用频谱-空间激发。值得注意的是，一项全脑三维MRSI先导研究考察了脑肿瘤患者，强调了场低场MRSI在临床研究中甚至诊断常规中的潜在价值[31]。这项开创性工作实现了0.74毫升的标称分辨率，代谢物MRSI的采集时间（TA）约为22分钟，水参考MRSI还需要11分钟（总TA≈33分钟）。据我们所知，第一项在7T下进行的场低场三维MRSI研究发表于2020年，使用BURP（带宽选择性、均匀响应、纯相位）脉冲和化学位移成像（CSI）记录[32]，分辨率较低（27毫升）。2023年，使用化学位移选择性绝热脉冲（CHEAP）配合EPSI记录，在7T下实现了高分辨率MRSI（0.34毫升）[33]，而非对称绝热脉冲于1986年首次开发[34]。2024年，发表了上述在7T下使用频谱-空间激发配合CSI记录的方法[35]，结果为0.74毫升的标称分辨率，代谢物MRSI约10分钟，水参考MRSI约8分钟（总TA≈18分钟）。

本研究的目的是开发一种专用的脉冲序列，并进行场低场1H脑谱测量（6.2–9.2 ppm范围），重点是使用超高场MR（7T）实现更高分辨率并减少采集时间。为此，我们使用回波平面波谱成像（EPSI）[38]序列的改编版本[33]、[36]、[37]，采用CHEAP这一新颖方法，不同于以往的方法[29]、[30]、[31]。

我们假设这种新颖的方法可以同时解决上述多个挑战。首先，CHEAP脉冲通过避免水共振饱和，提高了场低场代谢物的SNR，从而增强了可交换的场低场信号（问题1&2）。其次，得益于CHEAP提供的改善SNR，EPSI读出可在短时间内实现大大更高的三维空间分辨率，从而减少体素内B0不均匀性，进而改善谱线宽度（问题5）。此外，所提出的方法是一种低比吸收率（SAR）技术，具有隐含的水和脂质抑制、最少的基线伪影，从而便于稳健的高质量场低场代谢物映射[36]。

本原理验证研究的主要目的是在首次体内测量中测试这些假设。

片段
扫描器
所有MRI和MRSI采集均在西门子7T MR扫描仪的临床模式下进行（MAGNETOM Terra，德国，软件版本VE12U-SP01），使用Nova 1Tx 32Rx头线圈。

非对称化学位移选择性绝热脉冲（CHEAP）
非对称CHEAP形状由复数双曲正割函数设计（见图1A），具有两组不同的参数集：(1)脉冲的递增部分；(2)脉冲的递减部分：
B??(t) = Ω? · sech(βt? + μ)i
其中B??为射频，Ω?为射频脉冲的最大振幅。
1. 前半部分（从0到4 ms）……

结果
对5名健康个体（29–59岁，三名男性和两名女性）使用CHEAP-EPSI（序列#1）覆盖大面积三维脑板进行了场低场代谢物映射的体内测量，同时对2名胶质瘤患者使用相同方案进行了测量。

场低场波谱记录显示了大量代谢物和大分子贡献，包括已识别和未识别的物质。图1D-G展示了从两名健康受试者采集的谱数据……

无水和脂质抑制
为保留许多参与与水磁化交换的场低场代谢物的信号强度[28]、[41]，CHEAP的一项重要特性在所有图1、图2、图3、图4、图5、图6中展示的实验中都得到了利用。偏离常规做法，我们故意省略了水抑制脉冲的应用。在此背景下，约4.67 ppm处的水信号和约5.2至5.3 ppm范围内的脂质信号经历完全的……

结论
与场高场MRSI相比，场低场研究极其罕见。本工作代表了一项原理验证，支持了我们研究的假设。我们的发现表明，所提出的方法通过避免水信号饱和和启用大大更小的采集体积，有效提高了场低场共振的信噪比（SNR）。特别是，对于与水相对缓慢交换的共振，CHEAP可能提供改善的SNR效率。固有的水……

作者贡献声明
伦理委员会批准（JS）。研究设计与准备（GW、PR、JS）。MRSI方法学（GW、SS、JS）。志愿者和患者招募（AH、PR、IZ、JK、PR）。数据分析（GW、PR、JS）。手稿准备（GW、PR、JS）。手稿编辑（所有作者）。GW和PR对手稿作出了同等贡献。

数据和代码可用性
除临床MRSI数据外，所有射频脉冲计算和匿名MRSI数据的源代码均可应请求提供。有兴趣的各方被鼓励直接联系第一作者以获取这些资源。由于隐私和伦理限制，临床MRSI数据无法共享。

CRediT作者贡献声明
Weng Guodong（翁国栋）：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿、可视化、验证、软件、方法学、调查、正式分析、数据整理、概念化。
Piotr Radojewski：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿、可视化、验证、概念化。
Sulaiman Sheriff：方法学。
Arsany Hakim：写作 – 审阅与编辑。
Irena Zubak：写作 – 审阅与编辑。
Johannes Kaesmacher：写作 – 审阅与编辑。
Johannes Slotboom：写作……

知情同意和患者详情
已从所有参与者或其法定代表处获得书面知情同意，同意参与研究并发表文章。参与者的隐私权得到了尊重。

人体研究
本研究在研究所在地的相关法律、监管框架和指南下合规进行。
本研究获得了伯尔尼当地伦理委员会的批准（批准号：NCT04233788）。

伦理
本研究已获得瑞士伯尔尼当地伦理委员会的批准（编号：NCT04233788）。测量工作按照《赫尔辛基宣言》以及所有当地和国家的伦理法规进行。所有受试者和患者在扫描前预先签署了通用同意书和研究特定同意书。

利益冲突声明
作者声明以下财务利益/个人关系，可被视为潜在的利益冲突：Weng Guodong（翁国栋）和Johannes Slotboom披露，本文所述的CHEAP和SLOW-editing方法受知识产权覆盖。伯尔尼大学已向WIPO国际局提交PCT专利申请，并作为WO 2022/229728公布。该专利随后在美国和欧盟获得授权。

致谢
资金由瑞士国家科学研究基金会提供，资助编号：SNSF-182569和SNSF-207997。

Weng Guodong | Piotr Radojewski | Sulaiman Sheriff | Arsany Hakim | Irena Zubak | Johannes Kaesmacher | Johannes Slotboom