电子磁共振成像：技术视角

《Journal of Magnetic Resonance》：Electron magnetic resonance imaging: A technical perspective

电子磁共振成像（eMRI）通过检测自由电子自旋实现组织氧分压等生理参数成像，其高旋磁比（658倍于氢核）允许使用较低磁场（0.036 T）和更高频率（250-1000 MHz）。相比MRI，eMRI需注射外源性自由基探针（如硝氧自由基），采用连续波或脉冲式序列，前者通过磁场扫频检测吸收信号，后者利用自由感应衰减（FID）结合傅里叶变换。主要应用包括肿瘤氧代谢监测、缺血检测和定量成像，但存在信号穿透深度浅（约0.5 cm）等技术局限。

　　

埃里克·韦伯 | 特德·诺瓦克 | 纳德尔·贝赫达德 | 艾伦·麦克米伦

威斯康星大学麦迪逊分校电气与计算机工程系，美国威斯康星州麦迪逊市，邮编53706-1691

摘要

本文综述了连续波和脉冲电子磁共振成像（eMRI）技术。文章介绍了这两种模式的硬件构成和成像方法，并详细阐述了单点成像（SPI）、光谱空间成像以及快速扫描（RS）eMRI的应用。eMRI在原理上与磁共振成像（MRI）相似。电子的旋磁比高于质子，这使得eMRI系统能够在更高频率下运行且功耗更低，从而无需使用超导磁体即可实现更高的灵敏度。先前的研究已经证明了eMRI在医学应用中的有效性，例如组织氧合度、肿瘤氧合度、缺血情况以及定量成像等方面。这些应用是通过静脉或肌肉注射富含电子的自由基来实现的，这些自由基会在体内与氧气结合。自由基对氧气的 partial pressure 产生反应，进而通过成像显示周围组织的特征。

引言

非侵入性成像技术在诊断、治疗和研究中的应用是医疗领域的重大进展。电子磁共振成像（eMRI），通常也称为电子顺磁共振成像（EPRI），是一种用于体内成像的非侵入性技术[1],[2],[3],[4],[5],[6]。在本文中，我们使用“eMRI”这一术语，因为它更符合该技术向临床前和临床应用发展的趋势。通过与磁共振成像（MRI）的术语统一，有助于提高公众和临床界的认知度，促进这两种互补技术的关联。eMRI的典型应用包括组织氧合度检测、肿瘤氧合度分析、缺血情况评估以及定量成像[7],[8],[9],[10],[11]。eMRI与MRI在原理上相似，但eMRI利用的是共振自由基（未配对电子）而非质子核。两者之间的主要区别在于旋磁比、生物组织中自由基与质子核的相对含量以及质子和未配对电子的弛豫时间[12]。

eMRI 的原理基于拉莫尔方程（Larmor equation）的满足：${\omega }_0={\gamma }_e{B}_0$其中 ${\omega }_0$ 是自旋进动的角频率，${\gamma }_{}$ 是电子的旋磁比，$B_0$ 是施加的静态磁场强度。在静态磁场的作用下，电子磁矩会以拉莫尔频率进动。当微波辐射的频率与电子的进动频率相匹配时，就会发生共振。电子的旋磁比约为质子核的658倍，因此eMRI在较高频率下运行时对磁场强度的要求较低。大多数商用系统的工作频率范围为250 MHz至1 GHz，对应的最大磁场强度为0.036 T[13]。相比之下，1 GHz的MRI系统需要23.5 T的磁场强度，远高于市面上最先进的商用MRI扫描仪。更高的磁场强度能够产生更大的自旋系统磁化强度[14]，从而提高信噪比（SNR）。然而，高频操作会导致射频（RF）信号的穿透深度减小，1 GHz RF信号的穿透深度约为0.5厘米，这在体内成像时面临挑战[2]。高频eMRI系统更适合用于成像活检组织或身体表面的组织。

生物系统中氢核含量丰富，因为生物体主要由水分子组成；而健康组织中几乎不存在大量的电子自由基。因此，需要通过静脉注射或直接注入目标组织（如肿瘤内）含有足够自由基的成像剂。这些自由基的局部浓度会改变接收到的信号强度。这些自由基可以被设计成与组织内的特定化学物质（如氧气、抗氧化剂等）发生反应[2],[12]。三甲基、锰和硝基化合物正被研究作为外源性造影剂[12]。

eMRI 通常采用两种采集方式之一：连续波（CW）或脉冲方式。连续波eMRI通过使用恒定单频微波源激发系统来建立共振状态，然后扫描接近共振频率的磁场$B_0$。当系统满足拉莫尔条件时，微波能量会被吸收，接收到的信号表现为吸收的一阶导数，其形状如图1a所示（由洛伦兹函数描述）。为了获得所需的吸收曲线（如图1c），需要对一阶导数进行积分。需要注意的是，也可以接收分散曲线的一阶导数（包括混合吸收和分散谱），但传统上更倾向于使用吸收曲线的一阶导数。一阶导数谱中峰值之间的距离（以磁场单位计）即为线宽。

脉冲eMRI在恒定磁场$B_0$下通过自由感应衰减（FID）现象接收信号，如图1b所示。这种FID是通过在相关拉莫尔频率下用短脉冲射频激发系统产生的。可以通过傅里叶变换从FID信号中提取吸收曲线。

尽管连续波和脉冲eMRI几乎是同时发现的，但由于脉冲eMRI的技术难度较大，因此相关研究远多于连续波eMRI[2]。这种偏好源于自由基（主要是硝基化合物）极短的弛豫时间（300–400 ns[15]）。在eMRI初期，脉冲谱仪技术无法有效捕获这些信号，因为仪器的响应时间长达300–500 ns[16]，导致大量FID信号在读取前就已经衰减。因此，人们更倾向于使用不受自由感应衰减时间影响的连续波系统。

连续波eMRI

连续波eMRI系统由几个关键子系统组成：（1）主磁场$B_0$，（2）射频桥（包括射频源），（3）射频线圈，（4）调制线圈，（5）梯度磁场线圈，（6）相位敏感探测器，以及（7）信号采集和图像重建系统[2]。

脉冲eMRI

脉冲eMRI的时间域原理与MRI类似，但也有一些独特之处。与质子MRI相比，电子的弛豫时间在纳秒级别[2]，这使得切片选择非常困难，也无法同时激发整个频谱范围内的自旋。

光谱空间成像

光谱空间成像的主要目标是同时获取空间分辨的光谱信息。该技术实现了功能性成像，不仅能绘制自旋密度的空间分布，还能捕捉每个体积像素的完整光谱线形。通过提取线宽、强度和超精细分裂等局部光谱参数，可以定量分析重要的生理参数。

单点成像

单点成像（SPI），也称为恒定时间成像（CTI），最初由Emid和Creyghton提出，作为一种用于固体材料成像的新方法[54]。这种方法旨在解决固体材料具有极宽光谱线宽和短自旋-自旋弛豫时间的问题。

快速扫描eMRI原理

快速扫描（RS）eMRI是一种成熟的eMRI信号检测方法，结合了连续波和脉冲eMRI的优点。最初在核磁共振（NMR）中作为相关NMR或快速扫描傅里叶变换NMR引入[59]，后来发现检测到的MR信号中存在“通过效应”（passage effects）。这些效应发生在主磁场变化速度远快于样品弛豫时间时[60]。

自旋探针

像所有成像技术一样，eMRI也需要权衡各种因素。由于健康组织中内源性自由基含量极少，因此依赖外源性自旋探针进行成像。外源性自由基可分为水溶液和固体颗粒两种类型。通过静脉注射的自由基溶液（如硝基化合物或三甲基化合物）可用于体内成像，但部分自由基在体内会迅速代谢[2]。

氧合测定

作为功能性成像技术，eMRI在氧合测定方面具有广泛应用。其中最显著的应用是通过自旋探针与组织中的氧气相互作用来测定氧含量。了解组织氧状态对癌症诊断和治疗至关重要，因为缺氧组织（常见于实体瘤）对放射治疗和化疗的耐受性更强[79],[80]。

讨论

本文回顾了eMRI的背景和发展现状。自1944年Zavoisky发现eMRI以来，由于电子的特性和技术挑战，其发展一直落后于MRI。过去二十年的持续研究和技术进步使eMRI不仅成为一种可行的临床成像技术，还为多种临床应用提供了潜在工具。

结论

eMR和相关领域的研究不断推进，带来了新的应用前景。随着技术的进步和临床研究的深入，eMR有望成为标准的临床工具。虽然eMRI本身能提供宝贵信息，但通过与MRI、超声或计算机断层扫描（CT）等成像技术的结合，可以充分发挥其潜力，实现功能性和解剖结构的联合成像。

CRediT作者贡献声明

埃里克·韦伯：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构建。特德·诺瓦克：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构建。纳德尔·贝赫达德：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金获取。艾伦·麦克米伦：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金获取。

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