基于Turbo WEX与Turbo PS-WEX的单次制备波谱交换速率定量方法

《Journal of Magnetic Resonance》：Single-preparation spectroscopic exchange rate quantification using Turbo WEX and Turbo PS-WEX

　　

研究人员提出了水交换滤波（Water Exchange Filter, WEX）和相位敏感WEX（Phase Sensitive WEX, PS-WEX）方法的加速变体。研究展示了基于单次制备即可实现交换速率（exchange rate）的定量测量，将测量时间从通常的数分钟缩短至数秒。Turbo PS-WEX方法保留了PS-WEX方法约两倍的动态范围。作为加速方法原理性验证的应用，研究人员展示了空间和波谱分辨的交换速率图谱。

化学交换（chemical exchange）过程在许多对比机制中发挥着核心作用，可提供对pH或分子动力学等重要参数的测量途径。目前主流的化学交换测量方法是化学交换饱和转移（Chemical Exchange Saturation Transfer, CEST），它利用可交换溶质池（solute pool）与丰度极大的水池（water pool）之间的巨大浓度差异，通过对溶质共振进行连续或重复饱和，使被饱和的磁化强度在水池中累积，进而在后续成像读出中产生可测量的信号衰减。与之相关的饱和类方法，如频率标记交换转移（Frequency-Labeled Exchange Transfer, FLEX）、可变延迟多脉冲CEST（Variable-Delay Multi-Pulse CEST, VDMP CEST）和化学交换旋转转移（Chemical Exchange Rotation Transfer, CERT），通过改变脉冲时序或特性来编码交换动力学，同时保留重复饱和转移带来的信号累积优势。而RACETE方法（Refocused Acquisition of Chemical Exchange Transferred Excitations）则通过反复将相干制备的磁化强度从溶质池转移至水池来累积信号，从而增强灵敏度。

在CEST实验中，交换速率k_sw的定量估计通常依赖于间接方法，如QUESP或全Z谱（Z-spectrum）拟合，因而同时依赖Z谱中对应交换溶质峰的面积和形状。与之互补的一种测量交换速率的方法是水交换滤波（Water Exchange Filter, WEX），最初由Mori等人提出，是一种通过采集多个混合时间（mixing time, t_m）下的受激回波（stimulated echo）信号，直接在时域探测交换动力学的波谱实验。近期提出的相位敏感WEX（Phase Sensitive WEX, PS-WEX）实验通过在混合期内引入重聚焦脉冲（refocusing pulse），提供了扩展的动态范围和简化的单指数信号演化过程。

WEX类方法与CEST及RACETE类方法存在根本性区别：CEST和RACETE通过反复将磁化强度转移至水池来放大可检测信号，而WEX则直接探测磁化强度向小得多的溶质池的转移过程，缺乏这种累积机制，因此可检测信号受限于溶质池的大小。此外，WEX类直接检测仅限于相对较窄的交换速率范围——可交换共振峰必须保持波谱可分辨，这将其限制在低于中速交换区间（k_sw ? Δω）的范围内，而极慢的交换速率又无法产生足够的信号用于可靠定量。然而，除信号水平较低外，WEX类方法的主要局限在于对制备磁化强度的低效利用：每次实验中，磁化强度在庞大的水池中制备，却仅有极小部分被转移至溶质池并被检测，绝大部分未能利用，而这一过程必须为交换演化曲线的每个采样点重复进行，导致采集时间很长。研究人员指出，这在物理上并无根本性限制，因此提出了加速变体——Turbo WEX和Turbo PS-WEX，通过在单次制备后反复转移和读出磁化强度，有效采样交换过程的不同阶段，消除了传统WEX型实验中占主导时间成本的重复制备间弛豫延迟（recovery delay），将测量时间从数分钟缩短至数秒，同时不牺牲定量准确性。该方法特别适用于高通量波谱测量，例如在不同条件或样品组成下对交换过程进行表征。

在关键技术方法方面，研究人员采用了基于频率选择性高斯射频脉冲（Gaussian RF-pulse）的脉冲序列设计。WEX序列中，第一对脉冲在水池中制备受激回波，由选择梯度G_s编码；在随后的混合期t_m内，一部分制备的水磁化强度转移至所有可交换池，同时使用散相梯度G_c抑制残余横向磁化。与传统WEX采用WATERGATE读出模块不同，本研究使用选择性90°读出脉冲，仅激发目标池，从而保留剩余制备的溶质池磁化强度。PS-WEX在此基础上保持混合时间恒定，并在混合期内引入水选择性重聚焦脉冲，通过改变重聚焦脉冲位置τ_p采样信号，获得通过零点的信号演化曲线，从而将动态范围扩展约一倍。Turbo WEX在单次制备后连续采集多个信号，每个后续读出对应不同的有效混合时间t_m,i，Turbo因子n定义为单次制备后的连续读出次数。Turbo PS-WEX同样采用多读出原理，但在恒定混合时间t_m内步进重聚焦脉冲位置τ_p,i。成像序列则将相位编码（phase encoding）置于制备模块中进行，每个相位编码步需一次独立制备，但每次制备后可在单次激发下采样全部时间演化。所有实验均在17.5 T（746 MHz）MRI系统上进行，样品为50 mM肌酸（creatine）水溶液模型，pH范围为5.2至6.9，以PS-WEX方法作为交换速率定量的参考标准。数据处理采用Matlab，对回波信号进行傅里叶变换（Fourier transform）获得波谱，经相位校正和高斯线型拟合提取信号幅度，再以约束非线性最小二乘法拟合相应信号模型估计复合速率常数k?。方法间一致性通过Bland-Altman分析评估。

在交换速率定量与Bland-Altman分析方面，研究人员在六种不同pH的肌酸溶液中对交换速率进行了定量。结果表明，所有Turbo PS-WEX变体（步宽分别为7 ms、10 ms、15 ms和20 ms，对应混合时间101 ms、143 ms、213 ms和283 ms）与PS-WEX参考方法之间均无系统性偏差（systematic bias），平均差异分别为2.6 Hz、1.2 Hz、0.9 Hz和?2.5 Hz。相比之下，Turbo WEX表现出9.1 Hz的正偏差（positive bias）。在低pH条件下，步宽较短的TPS7和TPS10方法估计值的置信区间较大，反映出信噪比较低时的拟合不确定性。

在pH依赖性模型验证方面，所有方法的估计交换速率均符合已建立的pH依赖模型k_sw(pH, T) = k₀(T)·10^pH?14 + c₀，决定系数R²均高于0.97，证实了Turbo变体在整个测量pH范围内均能一致地跟踪交换速率变化。不同方法间的k₀绝对值存在一定差异，与Bland-Altman分析中观察到的偏差一致。

在空间分辨交换速率成像方面，研究人员使用包含肌酸（50 mM，pH 6.7）和磷酸肌酸（phosphocreatine, PCr，150 mM，pH 6.1）溶液的三室模型进行了Turbo PS-WEX成像原理性验证实验。成像视野为16 mm × 16 mm，矩阵32 × 32，平面内分辨率为0.5 mm。在肌酸共振频率（约1.9 ppm）和磷酸肌酸共振频率（约2.5 ppm）处提取信号幅度后，获得了像素级交换速率图。各样品瓶内的交换速率值呈现良好的空间均匀性，且与波谱参考测量结果一致：肌酸成像ROI的交换速率中位数为43.1 Hz（中位绝对偏差3.3 Hz），波谱参考值为38.7 Hz；磷酸肌酸在2.5 ppm处的成像ROI为21.9 Hz（1.8 Hz），波谱参考值为20.3 Hz。肌酸的偏差略大，可能归因于参考测量之间样品瓶在磁体外的操作导致热平衡恢复不完全。

在讨论部分，研究人员指出Turbo PS-WEX的各变体在Bland-Altman分析中均无系统性偏差，而Turbo WEX呈现正偏差，可能的原因是每次读出对制备的水磁化强度产生虽小但非零的消耗（通过磁化转移和脉冲不完美性），由于Turbo PS-WEX混合时间恒定，该消耗在整个turbo模块内均匀分布，可被拟合的有效弛豫速率R_1,w参数吸收；而Turbo WEX中混合时间持续递增导致消耗不均匀，单一有效速率无法完全描述，从而引入系统性偏差。固定混合时间的选择对Turbo PS-WEX的拟合质量有显著影响：长混合时间有利于慢交换速率的灵敏度，但会导致后续读出信号因T_1,w弛豫严重衰减；短混合时间则仅有少量磁化强度能够交换，使拟合可靠性降低。非线性采样τ_p,i（如在信号变化最剧烈的小τ_p值区域布设更多采样点）是缓解此权衡的自然策略。研究人员选择Turbo PS-WEX进行成像应用，因其加速不增加信号模型复杂度（仅附加一个e^{?R_1,w·t_tot}包络），而Turbo WEX在已有双指数信号上叠加额外包络，可能在像素级信噪比较低时增加拟合歧义。在制备模块中进行相位编码确保了各空间编码步散相条件一致，但无法加速空间维度，因此当前成像采集时间仍较长，限制了实际应用价值，加速的波谱实现形式更适合高通量样品表征。

研究结论部分明确指出：Turbo WEX和Turbo PS-WEX作为WEX型交换速率定量实验的加速变体被成功提出。通过在单次制备后采集多个读出信号，采集时间从数分钟缩短至数秒，且不牺牲定量准确性。两种方法中，Turbo PS-WEX在信号模型复杂度方面更优，加速不使其超过传统WEX实验的复杂度，因而拟合更稳健；PS-WEX固有的相位敏感检测还提供了约两倍的动态范围，且该优势在Turbo实现中得到保留；此外，脉冲和转移引起的水池磁化消耗在整个turbo模块内均匀分布，可自然被拟合的弛豫参数吸收。但Turbo PS-WEX对固定混合时间的选择更为敏感，需针对特定交换速率范围进行更仔细的参数选择。单次制备交换速率定量能力为WEX型方法开辟了此前无法实现的应用途径，包括可交换化合物的高通量筛选、对环境或生化刺激（如蛋白质变性过程）引起的交换速率变化进行时间分辨监测，以及空间分辨交换速率图谱的获取。