王梅，張曉東

作者單位：1.廣州市第一人民醫(yī)院南沙醫(yī)院放射科，廣州 511458；2.南方醫(yī)科大學第三附屬醫(yī)院(廣東省骨科研究院)影像科，廣州 510630

化學交換飽和轉(zhuǎn)移成像(chemical exchange saturation transfer，CEST)是一種新型磁共振成像技術(shù)，嚴格意義上來說，它是一種磁共振增強技術(shù)。與其他常規(guī)MR成像技術(shù)相比，CEST技術(shù)可以利用非對稱分析公式計算出非對稱性磁化轉(zhuǎn)移率(magnetization transfer ratio asymmetry，MTRasym)，利用該轉(zhuǎn)移率可以分析被檢物質(zhì)的濃度和相關疾病的進展[1]。CEST最早由Ward等[2]于2000年提出，此技術(shù)可定量檢測多種代謝物的生化成分，目前已應用于腫瘤、腦卒中、膝關節(jié)炎及椎間盤退變等疾病的臨床診療評估，尤其在肌骨系統(tǒng)相關疾病的早期診斷方面具有很大的應用前景。因此，本文旨在對CEST技術(shù)的概念及基本原理、測量指標及其在肌骨系統(tǒng)方面的應用進行綜述，以加深對CEST技術(shù)在肌骨系統(tǒng)應用的理解。

1 CEST技術(shù)的基本概念及原理

CEST技術(shù)是在磁化傳遞技術(shù)(magnetization transfer，MT)的基礎上發(fā)展而來的，它是一種新型磁共振成像技術(shù)。這項技術(shù)是利用特定的飽和脈沖，對特定大分子中氫質(zhì)子進行充分預飽和，飽和后的氫質(zhì)子可與周圍自由水中低能氫質(zhì)子進行化學交換，使得自由水中氫質(zhì)子部分飽和，在常規(guī)的MR掃描中，飽和質(zhì)子無法產(chǎn)生共振，因而無法采集到信號，導致自由水質(zhì)子磁共振信號的降低。通過測量信號變化差值，可以間接反映大分子濃度和人體組織的相關信息。CEST技術(shù)包含兩個過程即化學交換過程和飽和轉(zhuǎn)移過程?；瘜W交換是指自由水中的氫質(zhì)子和大分子中的飽和氫質(zhì)子會不停的發(fā)生交換而處于動態(tài)平衡中；飽和轉(zhuǎn)移是指由于自由水中飽和氫質(zhì)子不斷富集使自由水磁化強度降低，從而引起了自由水信號強度衰減[3]。

目前“兩池”交換模型是CEST較為經(jīng)典的原理模型[4]，即將生物組織中自由水和大分子分別劃分為“自由池”(free，large，or liquid poor)和“溶質(zhì)池”(restricted，small，or macromlecular poor)。人體中存在大量自由水且自由水信號強度高，因此常規(guī)MR圖像采集到的信號都是“自由池”信號。通過對“溶質(zhì)池”施加頻率選擇性飽和脈沖，使與磁場方向相同的溶質(zhì)質(zhì)子自旋數(shù)目和與磁場方向相反的溶質(zhì)質(zhì)子自旋數(shù)目相等，導致溶質(zhì)質(zhì)子凈磁化強度為零，最終結(jié)果是采集不到這部分溶質(zhì)質(zhì)子MRI信號。溶質(zhì)池的飽和質(zhì)子會以一定的交換率與自由池的不飽和質(zhì)子進行交換，導致自由水池中飽和質(zhì)子不斷積累，最終引起自由水池信號的降低，其降低程度與“溶質(zhì)池”濃度成正比。由于“溶質(zhì)池”濃度較小，信號較低，常規(guī)MR圖像很難直接觀察到，而不間斷的飽和轉(zhuǎn)移實際是起到了放大器作用，使得低濃度的“溶質(zhì)池”信息可以被檢測得到。

2 CEST信號測定

CEST信號測定是通過Z譜(Z-spectrum)圖實現(xiàn)的，對于CEST分析，最常用的度量是MTRasym。飽和傳遞效應可通過Z譜評價，并用MTRasym定量表示。將飽和頻率作為橫軸，飽和后的信號強度標準化(Ssat/S0)后作為縱軸，規(guī)定水峰為0 ppm，假設不存在MR gagCEST效應，施加不同頻率的預飽和脈沖得到的Z譜應該關于水峰點左右對稱(即只由直接水飽和效應和半固體常規(guī)MT效應引起)，但實際上由于存在CEST效應，Z譜在特定飽和頻率處左右兩邊是非對稱的，所以通過測量Z譜中特定頻率處左右對稱點的Ssat/S0差值即可反映MR gagCEST效應，公式如下。

MTRasym=[Ssat(-Δω)-Ssat(Δω)]/S0

上式中，Ssat為施加飽和脈沖后不同偏置頻率的采集信號強度，S0為施加飽和脈沖時的信號強度。Δω為自由水氫質(zhì)子飽和頻率的偏移值。

3 CEST對比劑的分類

CEST對比劑可分為內(nèi)源性對比劑和外源性對比劑兩大類。內(nèi)源性是利用人體本身存在的大分子物質(zhì)作為天然對比劑，而外源性CEST對比劑是引入與水分子固有頻率存在差值的物質(zhì)，以形成較好的CEST對比[5-6]。外源性CEST對比劑主要包括反磁性CEST對比劑和順磁性CEST對比劑。內(nèi)源性CEST對比劑主要包括酰胺類CEST、胺類CEST、羥基類CEST。在酰胺類CEST中，應用最多的是酰胺質(zhì)子轉(zhuǎn)移(amide proton transfer，APT)技術(shù)，目前主要用于腦卒中和腫瘤方面，對于在其他系統(tǒng)疾病的應用也在不斷地研究中[7]。谷氨酸(Glu)和肌酸(Cr)作為CEST成像的兩種主要含胺基的代謝物，已分別用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)疾病的定量評估[8]。羥基類的CEST主要包括糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)和糖原兩種含羥基的代謝物。研究表明，關節(jié)軟骨中GAG的含量是評價膝關節(jié)軟骨的重要生物標記物，且GAG含量的降低是評價早期骨關節(jié)炎(osteoarthritis，OA)的有效指標[8]。

4 CEST技術(shù)在肌骨系統(tǒng)的應用、存在問題及展望

4.1 CEST技術(shù)在膝關節(jié)的應用

4.1.1 MR gagCEST在膝OA的應用

膝OA是最常見的慢性退行性疾病之一且病程發(fā)展呈不可逆性[9]。膝OA的主要特征是軟骨中GAG的大量丟失，同時伴隨有膠原纖維的破壞和膠原基質(zhì)的解體，以及水分含量的輕微增加[10]。關節(jié)軟骨的功能實現(xiàn)是基于它的兩個主要構(gòu)成部分：細胞和細胞外基質(zhì)。細胞由負責產(chǎn)生和保存細胞外基質(zhì)的細胞-軟骨細胞組成，其中軟骨細胞占正常關節(jié)軟骨體積的10%。細胞外基質(zhì)是由水(高達70%)和大分子組成，主要成分是膠原和蛋白多糖/GAGS[11]。膝OA的早期會有軟骨成分的生化改變，常規(guī)的MR成像技術(shù)無法做到對軟骨生化成分改變的定量計算與評估，因此臨床中膝OA的發(fā)現(xiàn)往往已經(jīng)到了晚期階段，而糖胺聚糖化學交換飽和轉(zhuǎn)移成像技術(shù)(glycosaminoglycan chemical exchange saturation transfer，gagCEST)可以對膝關節(jié)的軟骨生化成分進行定量測量，可為疾病的超早期發(fā)現(xiàn)和診斷提供依據(jù)。

MR gagCEST的優(yōu)勢是理論上對GAG內(nèi)容具有很高的選擇性，無需使用外源性對比劑或?qū)ｉT的線圈或硬件[5]。目前用于MR軟骨成分定量的技術(shù)還有T1ρ、釓延遲增強掃描(dGEMRIC)、23Na-MRI等，這些技術(shù)都能完成對GAG含量的測量，但也都各自存在一些問題，比如：釓增強延遲掃描需要使用Gd劑，對于有對釓劑使用禁忌證的人群(腎功能不全者)不能使用，并且延遲掃描需要等待更長的時間。T1ρ成像也可用于GAG檢測，其利用水分子與組織內(nèi)大分子的相互作用進行T1ρ成像，可直接測定GAG含量，但特異性較低[12]，因為軟骨中的鈉MRI信號比質(zhì)子信號低約3500倍，并且表現(xiàn)出非?？斓某谠ィ@需要特定的超短回波時間(ultrashort echo time，UTE)采集序列，所以利用23Na-MRI獲取數(shù)據(jù)具有一定的挑戰(zhàn)性[10]。相比于以上的其他幾項技術(shù)，MR gagCEST作為一種采用內(nèi)源性對比劑的技術(shù)，無需注射任何對比劑，無需患者等待過長檢查時間，無創(chuàng)且安全，同時對于硬件(如線圈)無特殊要求，可操作性高。

4.1.2 MR gagCEST對軟骨修復術(shù)后的評價

軟骨修復術(shù)后如何準確的評價其修復效果一直是臨床醫(yī)生和患者共同關注的話題。MR gagCEST技術(shù)可以對軟骨修復術(shù)后損傷區(qū)的周圍軟骨組織進行分析，以確定軟骨修復術(shù)后是否存在退變意義上的生化改變[13]。傳統(tǒng)MRI上看不到軟骨的損傷范圍，術(shù)前了解軟骨的生化狀態(tài)或GAG含量對于得出損傷組織的范圍是十分必要的，這可能會影響術(shù)中有關軟骨切除范圍的決策。此外，術(shù)后監(jiān)測軟骨的生化狀態(tài)也可為軟骨修復手術(shù)的成功與否提供參考依據(jù)。Koller等[13]在7.0 T MR上采用MR gagCEST技術(shù)對11例接受微骨折技術(shù)或基質(zhì)聯(lián)合自體軟骨細胞移植(matrix-associated autologous chondrocyte transplantation，MACT)技術(shù)治療的軟骨缺損患者的軟骨缺損平面不對稱性進行測量，發(fā)現(xiàn)這些結(jié)果與健康參考軟骨(healthy reference cartilage，RC)的gagCEST不對稱性相關，證明軟骨修復術(shù)后損傷區(qū)的周圍軟骨組織存在退變意義上的生化改變，支持了MR gagCEST技術(shù)可以作為評價修復手術(shù)部位鄰近軟骨的工具。研究[14]表明，通過MR gagCEST測定毗鄰病灶周圍軟骨組織的MTRasym值可作為移植術(shù)成功與否的參考依據(jù)，也可作為軟骨修復手術(shù)部位軟骨準確分期的可行性方法。正常關節(jié)不同軟骨區(qū)域的MTRasym值不同，其可為軟骨移植后不同軟骨區(qū)域質(zhì)量評估提供重要的參考，但不同場強下不同軟骨區(qū)域的MTRasym值有待進一步驗證。Schreiner等[15]對10名健康青年志愿者在7.0 T MRI上進行膝關節(jié)成像，通過計算膝關節(jié)軟骨感興趣區(qū)Z譜(MTRasym)的不對稱性得出負重和非負重股骨軟骨的MTRasym值相似，而滑車溝、髕骨和脛骨軟骨的MTRasym值低于非負重股骨軟骨；Schleich等[14]在3.0 T上對20名健康志愿者的膝關節(jié)6個軟骨區(qū)CEST效應進行評價，研究發(fā)現(xiàn)髕骨和滑車軟骨的MTRasym值較高，股骨內(nèi)側(cè)髁和脛骨外側(cè)平臺的MTRasym較低。這些研究表明磁場強度的大小和軟骨區(qū)域差異也會影響MTRasym值，在進行膝關節(jié)軟骨gagCEST成像時，必須加以考慮。

4.2 CEST技術(shù)在脛距骨關節(jié)軟骨的應用

脛距骨關節(jié)損傷很常見。距骨骨軟骨病變(OCL)的定義是涉及距骨的關節(jié)面和軟骨下骨的任何缺損，通常認為與踝關節(jié)損傷有關[16-17]。如果OCL病變不治療或治療不及時，易患早期骨關節(jié)炎[18]。因此及時、準確的診斷是治療的先決條件。關節(jié)鏡被認為是評價軟骨的金標準[19]，但它卻是一種有創(chuàng)檢查。MRI由于具有非侵入性，無輻射性和顯示周圍異常軟組織的能力，被認為是排除或者確認踝關節(jié)軟骨病變的首選技術(shù)[18]。傳統(tǒng)MRI僅能對關節(jié)軟骨的形態(tài)學變化進行描述，不能檢測到軟骨的早期退行性變化，CEST技術(shù)可安全、無創(chuàng)地通過對脛距骨關節(jié)軟骨中GAG含量的測量，為骨關節(jié)炎的早期診斷提供參考。Kogan等[20]最早在7.0 T MRI上進行了健康志愿者踝關節(jié)MR gagCEST成像的研究，將測量的gagCEST不對稱與T1ρ進行比較和相關分析。體外研究的結(jié)果顯示，用兩個或更多的切片采集的關節(jié)軟骨gagCEST的平均值要高于單層采集的gagCEST。從而論證了關節(jié)軟骨多層gagCEST標準測量的可行性和優(yōu)化性。經(jīng)過參數(shù)的優(yōu)化，可在7 min內(nèi)完成整個脛距關節(jié)的MR gagCEST成像。Abrar等[21]在3.0 T MRI上獲取并分析了17名健康志愿者和5名關節(jié)損傷后距骨軟骨病變患者的脛距關節(jié)軟骨的MR gagCEST效應，結(jié)果顯示患者組的平均磁化傳遞傳輸比不對稱性(即MR gagCEST效應大小)顯著低于健康志愿者。該優(yōu)化的3.0 T MR gagCEST成像方案允許在臨床可行的采集時間內(nèi)對正常和退變的軟骨進行穩(wěn)定的MR gagCEST效應量化。此項研究為CEST技術(shù)在脛距骨關節(jié)應用于臨床提供了更大的可能性。盡管如此，目前關于CEST在脛距骨關節(jié)的研究及應用仍然較少，這主要是由于關節(jié)軟骨厚度有限(健康人測量僅約2 mm)以及已知的MR gagCEST成像空間分辨率有限[11,22]。

4.3 CEST技術(shù)對椎間盤早期退變的診斷價值及應用

椎間盤(intervertebral discs，IVD)是人體內(nèi)最大的無血管、神經(jīng)性結(jié)構(gòu)，對脊柱功能起著至關重要的作用。它由兩個解剖區(qū)域組成——椎間盤中央的髓核(nucleus pulposus，NP)和外環(huán)纖維環(huán)(annulus fibrosus，AF)，并由軟骨終板與椎體隔開[23]。糖胺聚糖(GAG)是椎間盤的主要成分之一，在脊柱生理中起著至關重要的作用。在病理狀態(tài)下椎間盤發(fā)生退變或老化，由于椎間盤大分子降解且不再被組織基質(zhì)捕獲，而是緩慢擴散出椎間盤，因此研究認為GAG的喪失是發(fā)生退變的最早且最明顯的特征[24]。傳統(tǒng)上的解剖MRI常常用來描述椎間盤的形態(tài)變化和評估退變的嚴重程度，原理是NP中水分含量的減少，導致T2值降低，臨床上常使用T2加權(quán)像來評估IVD變性。然而，由于GAG濃度的降低發(fā)生在含水量降低之前，因此gagCEST成像可能比傳統(tǒng)的T2WI更早發(fā)現(xiàn)IVD的退化，有可能在疾病出現(xiàn)癥狀之前發(fā)現(xiàn)IVD變性[25]。Schleich等[26]在3.0 T上對無腰背痛的健康志愿者進行腰椎間盤檢查，通過識別感興趣區(qū)中的MTRasym來測量NP和AF的GAG含量，結(jié)果表明正常椎間盤NP中的MTRasym值明顯高于突出的椎間盤，提示退變的椎間盤含有較低的GAG含量。Xiong等[27]對非特異性下腰痛(LBP)患者研究也發(fā)現(xiàn)椎間盤的GagCEST值與退變程度呈明顯負相關。MR gagCEST技術(shù)判別椎間盤退變準確率優(yōu)于椎間盤的擴散加權(quán)成像(DWI)、T1rho成像，準確率最高達82%，而且gagCEST可早期檢測到NP和AF內(nèi)GAG含量的丟失，可實現(xiàn)對腰椎間盤退變疾病的早期診斷和定量評估。Latz等[28]通過CEST技術(shù)研究了腿長差(Leg length discrepancy，LLD)對椎間盤退變的影響，發(fā)現(xiàn)LLD患者L5～S1 IVD的NP-gagCEST值明顯低于正常人，且在未檢測到任何形態(tài)學病理之前就已觀察到gagCEST值降低，因此腰椎間盤MR gagCEST技術(shù)可作為檢測腰椎間盤早期分子改變的工具。Pulickal等[29]在3.0 T磁共振上研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)根病和慢性下腰痛患者的gagCEST值明顯低于健康人，而形態(tài)學分析顯示沒有顯著差異，因此GagCEST生化顯像可作為患者IVD退變的早期生物標志物，MR gagCEST技術(shù)可能是研究IVD退變過程的一種無創(chuàng)性工具。MR gagCEST除了對椎間盤退行性病變的早期診斷外，還可用于評價活體椎間盤的病理生理學[23]，同時有望以定量的方式干預和監(jiān)測保守治療、手術(shù)和干細胞治療等各種治療方法的療效[25]。

4.4 CEST技術(shù)在肌肉組織中的應用

肌酸(creatine，Cr)在磷酸鹽結(jié)合能的儲存和傳遞中起著重要的作用[30]。在運動中，三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)被分解成二磷酸腺苷(adenosine diphosphate，ADP)和磷酸基，為運動提供能量。為了維持ATP供應，磷酸肌酸(phosphocreatine，PCR)被肌酸激酶(creatine kinase，CK)反應分解產(chǎn)生ATP，同時伴有Cr增加[31]。因此，定量測定Cr和PCR的濃度和組織分布對于理解細胞化學和評估病理變化非常重要。目前磁共振技術(shù)已被廣泛用于運動肌肉代謝的非侵入性功能研究，并在研究肌肉疾病方面變得越來越重要[32]。通過31P磁共振波譜(31P magnetic resonance spectroscopy，31P MRS)和1H MRS(proton magnetic resonance spectrum，1H MRS)評估體內(nèi)的Cr水平是觀察活體組織能量代謝的標準技術(shù)[33]。31P MRS是研究骨骼肌氧化代謝的第一種方法，也是目前應用最廣泛的方法，但它的缺點是空間分辨率低和敏感度低且需要專門的硬件和軟件[34-37]。由于光譜分辨率有限，1H MRS只能測量總Cr，不能區(qū)分PCR和Cr，在能量代謝方面應用較少[38-39]。此外，1H MRS和31P MRS均不能測定游離Cr。先前研究表明Cr在其胺基(-NH2)和體內(nèi)水質(zhì)子之間表現(xiàn)出濃度依賴性的CEST效應且Cr的CEST效應與Cr濃度成線性關系[40-41]。Kogan等[42]在7.0 T下通過測量健康志愿者屈足運動后肌肉中Cr的濃度，觀察到Cr引起CEST效應增加，并以指數(shù)方式恢復到基線水平，展示了一種基于CEST的技術(shù)來測量活體肌肉中游離Cr的變化的可行性。與31P MRS相比，CrCEST的敏感度高出三個數(shù)量級以上。此外，Cr CESTasym圖顯示出良好的空間分辨率，能夠區(qū)分不同受試者的不同肌肉用途，且運動后31P MRS的恢復動力學與CrCEST的恢復動力學有很好的一致性。但是7.0 T磁共振并沒有廣泛應用臨床，目前僅限于科學研究。Kogan等[42]后續(xù)又在3.0 T下做了相似的試驗，認為Cr CEST技術(shù)可應用于3.0 T活體肌肉Cr動態(tài)變化的檢測，3.0 T磁共振的廣泛可獲得性和臨床適用性有可能在臨床上推動這一方法的發(fā)展[43]。Pavuluri等[44]利用給體模靜脈注射PCr前后，分別于11.7 T和21.1 T對后肢肌肉和腎臟進行CEST MRI檢查，特異跟蹤Cr和PCr的攝取和清除，證明了CEST檢測Cr和PCr在廣泛的實驗條件和磁場強度下是相當穩(wěn)健的。CrCEST方法作為診斷和治療肌肉疾病的工具，有可能為肌肉代謝的原發(fā)性疾病以及與其他病理相關的肌肉代謝繼發(fā)性并發(fā)癥提供關鍵信息，也可能會為肌肉能量學提供新的見解，當然，也可以通過這種方法直接監(jiān)測代謝物濃度和定量肌酸代謝來改善肌酸補充方案。

4.5 CEST技術(shù)的局限性及展望

CEST技術(shù)在臨床的應用中也受到磁場均勻性、掃描時間過長、信噪比低和場強要求(最好是≥7.0 T)等復雜的技術(shù)性限制[11]，因此在臨床上的應用還沒有大規(guī)模的開展。此外在患者安全性問題，特異性吸收率(specific absorption rate，SAR)值的限制也需要關注。研究表明，可快速交換的質(zhì)子通過施加更多的RF脈沖才能有效的飽和，這樣對人體的SAR值是不利的[45]。不同設備廠家對化學飽和轉(zhuǎn)移成像技術(shù)序列所設置的掃描協(xié)議及參數(shù)也不盡相同，所以導致測量結(jié)果也有不一致性。雖然這項技術(shù)對靜磁場(B0)均勻性較敏感、掃描時間較長，但已有研究[46-48]對這些局限性進行改進，使得這項技術(shù)的發(fā)展更趨于成熟，而且初步應用于3.0 T MRI。

綜上所述，與傳統(tǒng)影像學檢查技術(shù)相比，CEST技術(shù)作為一種新型成像技術(shù)，為疾病的早期診斷和臨床診治提供了更多的理論依據(jù)，已在人體肌骨系統(tǒng)呈現(xiàn)了良好的應用前景。雖然CEST技術(shù)存在對磁場均勻性要求高、磁場強度的要求高、采集時間較長等這些局限性，但最新研究表明CEST技術(shù)可與與壓縮感知技術(shù)相結(jié)合，大大提高成像速度且不會影響成像質(zhì)量[49]。還有一些學者預測在不久的將來，許多外源性CEST試劑可能會被推進到臨床，有助于以個性化的方式進行診斷或治療監(jiān)測[50]。因此，筆者堅信，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，此項技術(shù)一定能夠早日應用于臨床工作。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。