基于VDMP-CEST技术在弱碱性条件下检测GSH巯基的方法及系统

本技术涉及磁共振成像，具体涉及基于vdmp-cest技术在弱碱性条件下检测gsh巯基的方法及系统。

背景技术：

1、化学交换饱和转移cest(chemical exchange saturation transfer)成像是一种磁共振分子影像技术，基于内源性或外源性中可交换质子与水分子的化学交换作用，可无创获取生物体组织能量代谢、酸碱环境、代谢物含量等微观层面信息，在疾病的识别、诊断、评估中具有重要的研究价值和应用潜力。关于cest技术比较经典的原理解释是两池模型，包括自由水池(溶液池)与可交换池(溶质池)，通过对可交换池预先施加饱和脉冲，使可交换池中的氢质子得到饱和，进而与周围的自由水池中的氢质子进行化学交换，使水的磁共振信号降低，而通过测定水分子信号的变化，便可以间接获得可交换池中某些代谢物的浓度等信息。随着技术的发展以及算法的改进，后来学者也提出了三池及多池模型以更好地分析cest。

2、对于cest效应的量化，通常用非对称性磁化转移率(magnetization transferasymmetry,mtrasym)值的高低来反映，从而反映相应代谢物的浓度，公式为：mtrasym(δω)＝[i(-δω)-i(δω)]/i0；i0是指未加预饱和脉冲时所得的信号强度，i(δω)是施加饱和脉冲后得到的信号强度，i(-δω)和i(δω)表示同一偏置频率上的负方向值和正方向值。

3、在代谢物基团方面，amide(酰胺)、amine(氨基)、hydroxyl(羟基)质子交换在cest中已被广泛应用，但关于thiol(巯基)-sh质子交换的相关探索还较少。gsh包含氨基和巯基这两个基团，gsh氨基在z谱上产生3.0ppm的信号，这不能与谷氨酸的氨基信号区分开，gsh巯基在z谱上产生-2.5ppm的信号，尽管该信号与noe效应和mtc效应略有重叠，但noe效应可以通过调节饱和能量将其减弱，mtc的影响也可以通过三偏移法将其最小化，因此，-2.5ppm巯基的信号有望成为gsh的特征性信号。gsh对维持体内氧化还原稳态至关重要，而氧化还原稳态与细胞活性密切相关，因此，gsh具有探测氧化还原环境的潜力。有学者在《nmr inbiomedicine》期刊上发表过相关文章(chen j,yadav nn,stait-gardner t,gupta a,price ws,zheng g.thiol-water proton exchange of glutathione,cysteine,and n-acetylcysteine:implications for cest mri.nmr biomed.2020 jan；33(1):e4188)，通过cest技术探索了gsh在不同ph下thiol-water的交换速率以及巯基效应的ph依赖性，论证了gsh巯基在ph超过4.7后thiol-water的交换速率会加快，从而降低了饱和效率，导致cest效应下降；同时也通过实验表明，在ph≥5.9之后，gsh巯基就不再有cest效应。

4、在以往的cest序列扫描中，通常是选取一个左右对称的频率范围，按一定步长间距递增式地施加不同频率的饱和脉冲，这种等频率间距的均匀采样方式所花费的扫描时间较多，另外，对于活体的扫描，sar值(电磁波吸收比值)累积也会增加，并可能造成运动伪影。关于cest效应的分析，非对称性磁化转移率(mtrasym)是目前常用的一种简单有效的量化方法，但该方法有以下缺点：(1)容易受到b0场不均匀性的影响；(2)mtrasym容易受到各种混淆参数的影响，包括组织松弛、mt、mtc，更重要的是mtrasym不能从cest对比中区别noe效应；(3)mtrasym没有校正水的纵向弛豫效应，这是影响cest信号幅度的主要因素。

技术实现思路

1、本技术提供了一种基于磁共振序列vdmp-cest检测gsh巯基的方法，具体旨在实现弱碱性条件下(人体体液正常的ph值)检测gsh巯基的信号，具有很好的临床应用转化价值，摆脱了常规cest技术只能在酸性ph条件下检测gsh巯基信号的局限性；同时，结合非均匀采样法，能有效地缩短扫描时间。该方法包括：通过程序设计得到vdmp-cest磁共振扫描序列；利用vdmp-cest序列结合非均匀采样法对试管模型进行扫描；得到的扫描数据经过多池洛伦兹拟合绘制成z谱；通过三偏移法在z谱上定量gsh巯基的信号强度。

2、vdmp-cest最初设计是用于分离快速交换质子和慢速交换质子，其饱和脉冲模块设计成脉冲数量可变、脉冲间距可调的形式，本技术提供的方法是基于vdmp-cest技术，找到合适的脉冲数量和脉冲间距值，配合一定的扫描参数，使这种饱和程度刚好对gsh巯基的标记效率最高，从而实现在弱碱性条件下(人体体液正常的ph值)也能检测到gsh巯基的信号，具有很好的临床应用转化价值，摆脱了常规cest技术只能在酸性ph条件下检测gsh巯基信号的局限性。

3、同时，有别于常规的cest采样方式，本技术提供的方法创新性运用了非均匀采样法，在扫描的频率范围内设置不均匀的频率间距，在关注的频率点附近采用密集采样，在其它频率区间采用较稀疏的采样，以此可减少采样图像的数量，有效降低扫描的时间，也减少sar值的累积，并且避免运动伪影，通过后处理拟合，同样可得到光滑、精度可靠的z谱，方法简单，具有很好的实用价值。另外，在gsh-2.5ppm巯基信号的定量上，采用三偏移法，避免了采用非对称性磁化转移率分析法时，gsh自身3.0ppm氨基信号可能会对-2.5ppm巯基信号的量化造成的误差影响(3.0ppm距离2.5ppm太近，可能会影响到mtrasym(-2.5ppm)＝[i(2.5ppm)-i(-2.5ppm)]/i0的结果)，同时也可避免非对称性磁化转移率分析法的其它不足之处，除此之外，三偏移法能够最小化mtc的影响。

4、所谓三偏移法，即在z谱上选择三个偏移频率，其中-2.5ppm是gsh巯基效应的中心频率，-3.0ppm和-2.0ppm是gsh巯基效应上下限的频率，gsh巯基信号强度的计算公式如下：

5、

6、其中，s0是指未加预饱和脉冲时采集的信号强度。

7、在实验验证方面，分别用常规cest序列和vdmp-cest序列扫描gsh溶液的试管，从采集后绘制出的z谱上看，在ph＝5.4的酸性条件下，常规cest和vdmp-cest在z谱上均显示出3.0ppm氨基和-2.5ppm巯基的效应；在ph＝7.4的弱碱性条件下，3.0ppm氨基的效应既存在于常规cest的z谱上，也存在于vdmp-cest的z谱上，但-2.5ppm巯基的效应仅出现在vdmp-cest的z谱上。以上，本技术提供了一种基于磁共振序列vdmp-cest检测gsh巯基的方法，在ph酸性和弱碱性的条件下都能够检测到gsh巯基效应。由于人体的体液正常酸碱度ph值在7.35～7.44，常规cest无法在此条件下检测gsh巯基信号，而vdmp-cest技术能够实现，因此具有很好的临床转化价值，有望为探测体内氧化还原相关信息提供切实有效的技术支持。