通过改变双曲正割脉冲截断水平调控MRI旋转坐标系弛豫

《Journal of Magnetic Resonance》：Altering MRI rotating frame relaxations by changing the truncation level of Hyperbolic Secant pulse

　　

本研究提出一种称为RETRO（依赖截断的弛豫，RElaxation dependent on TRuncatiOn）的策略，通过改变用于实现绝热全反转（adiabatic full inversion, AFP）的双曲正割（Hyperbolic Secant, HS）射频脉冲的振幅调制与频率调制函数（amplitude modulation, AM；frequency modulation, FM）的截断水平，来改变MRI中的旋转坐标系弛豫。对于较小的截断水平，即典型HS脉冲的情形，脉冲起始时的B₁可忽略不计。在这种情况下，当磁化强度M初始时沿有效磁场B⁽¹⁾_eff(t)排列时，脉冲期间的弛豫过程仅由纵向弛豫时间常数T_1ρ,1(t)表征；而当M初始位于垂直于B⁽¹⁾_eff(t)的平面上时，则仅由横向弛豫时间常数T_2ρ,1(t)表征。然而，当截断水平非零时，HS脉冲起始处会形成瞬时非零的B₁场，从而导致弛豫同时包含T_1ρ,1(t)与T_2ρ,1(t)两条通路，其相对贡献取决于截断水平。本文在介绍RETRO策略基础之后，给出了弱碰撞机制（weak collision regime, WCR）下相同1/2自旋之间同核偶极弛豫的理论描述，并阐述了在脉冲期间两类具有不同化学位移（Δω ≠ 0）的磁自旋群体之间由交换诱导的弛豫。此外，研究还描述了在不同脉冲持续时间与截断水平下，于啮齿类动物脑内获得的体内RETRO对比特征，并证明较高截断水平可在保持适用于体内研究的射频（radiofrequency, RF）幅度的同时缩短脉冲持续时间。研究结论认为，通过使广泛范围的HS脉冲构型均可实现完全绝热反转，RETRO策略能够产生灵活且稳健的MRI对比，并可探测传统绝热T_1ρ、T_2ρ技术在体内通常无法触及的快速弛豫组分。

该文发表于《Journal of Magnetic Resonance》，围绕MRI旋转坐标系弛豫对比的可调控性提出了一种新的脉冲设计思路。研究背景在于，旋转坐标系弛豫方法，尤其是绝热T_1ρ与T_2ρ技术，已被广泛用于表征组织中慢速与超慢速分子运动，并在高场MRI中显示出对病理组织、蛋白动力学以及髓鞘相关结构变化的敏感性。然而，现有体内应用仍面临明显限制：其一，为满足绝热条件，传统频率扫描（frequency-swept, FS）脉冲往往需要数毫秒级脉冲时长与特定时间-带宽积，这使得对亚毫秒时间尺度快速弛豫自旋组分的采样受到抑制；其二，人体及体内成像受到比吸收率（specific absorption rate, SAR）与临床扫描仪最大RF幅度的共同制约，难以在低功率条件下兼顾绝热性、宽带宽（bandwidth, BW）和对B₀/B₁不均匀性的耐受性；其三，非绝热的RAFFn（旋转坐标系n阶虚拟场弛豫，Relaxations Along a Fictitious Field）虽降低了峰值RF需求，但带宽较窄且依赖精确功率校准。因此，开发一种既能缩短脉冲持续时间、又保留较好绝热反转能力，并能调控T_1ρ与T_2ρ贡献的新方法，成为该研究的直接动因。

基于这一问题，研究人员提出RETRO策略，即通过改变HS家族射频脉冲，特别是HS1脉冲的AM与FM函数截断水平，主动改变磁化矢量M与第一旋转坐标系有效磁场B⁽¹⁾_eff(t)之间的初始夹角，从而改变弛豫过程中T_1ρ,1与T_2ρ,1通道的相对权重。传统HS1脉冲在起始时B₁近似为零，M若与B⁽¹⁾_eff(t)共线，则弛豫主要体现为T_1ρ；若M位于垂直平面，则主要体现为T_2ρ。而当截断水平增大后，脉冲起始即出现非零B₁，使B⁽¹⁾_eff(t)偏离z′轴，磁化不再沿有效场严格锁定，导致弛豫同时包含纵向与横向旋转坐标系弛豫成分。研究由此建立了一个可通过脉冲截断参数连续调节组织对比的新框架。

在技术方法上，研究主要采用以下几类关键手段。首先，理论上利用多重旋转坐标系与超绝热（superadiabatic）框架分析截断HS1脉冲期间的磁化演化，并以Wigner变换和三角关系推导弱碰撞机制下同核偶极-偶极弛豫以及快交换机制（fast exchange regime, FXR）下异时钟交换（anisochronous exchange）诱导弛豫的表达式。其次，通过Bloch方程模拟评估不同截断水平与不同脉冲时长下的反转效率、绝热性与超绝热性。再次，动物实验部分在6只大鼠体内开展9.4 T MRI成像，样本包括4只Sprague–Dawley大鼠和2只Wistar大鼠；采用GRE（梯度回波，gradient recalled echo）与零回波时间MB-SWIFT（Multi-Band SWeeping Imaging with Fourier Transformation）两类读出，比较HS1与t-HS1-15°在不同脉冲时长下的T_1ρ/T_2ρ图谱。最后，研究结合既往大鼠脑组织学数据，将MRI弛豫指标与髓鞘、铁染色和Nissl染色的光密度进行相关性分析，并辅以离体脑实验验证在短脉冲和有限功率条件下截断脉冲的稳健性。

研究结果部分具有较为清晰的层次结构。

8.1. Theoretical analyses
在理论分析中，研究人员首先计算了t-HS1-ε脉冲下第二旋转坐标系中的有效弛豫速率常数。结果显示，无论是同核偶极-偶极相互作用导致的R?_1ρ,2,dd、R?_2ρ,2,dd，还是交换诱导的R?_1ρ,2,ex、R?_2ρ,2,ex，都对截断参数ε高度敏感。随着截断水平升高，R?_1ρ,2增大，而R?_2ρ,2减小。这一趋势来自T_1ρ和T_2ρ通道的混合：更高截断使得原本偏纵向的弛豫中掺入更多横向贡献，因此T_1ρ加快；反之，T_2ρ受到纵向分量影响而减慢。该效应在较慢相关时间下更明显，说明RETRO对慢运动相关的弛豫机制具有调节能力。

进一步的瞬时速率分析表明，与常规HS1相比，t-HS1-15°在脉冲过程中可显著提高R_1ρ并降低R_2ρ，无论弛豫来源是偶极相互作用还是化学位移不同自旋群体间的交换。换言之，截断脉冲不是简单缩短时间或降低功率，而是根本性地改变了弛豫通道在脉冲作用期间的投影关系。这一点是RETRO能够生成新型MRI对比的理论基础。不同脉冲时长（例如6 ms与0.7 ms）的比较也显示，该类变化在长短脉冲中均存在，证明通过截断水平调控弛豫对比具有广泛适用性。

8.2. Relaxation mapping in the rat brain in vivo
体内大鼠脑成像结果验证了理论预测。在GRE读出条件下，研究人员比较了6 ms HS1与t-HS1-15°脉冲的T_1ρ与T_2ρ图。结果显示，几乎所有感兴趣区（region of interest, ROI）中，t-HS1-15°获得的T_1ρ均短于HS1，而其T_2ρ则表现出相反趋势。相对差异在T_1ρ中更为显著，约为-50%，而T_2ρ约为+30%。这与理论模型中“截断增强T_1ρ中的横向弛豫成分、削弱T_2ρ中的横向主导性”的结论一致，说明脉冲截断确实可以在体内显著重塑旋转坐标系弛豫对比。

在零回波时间MB-SWIFT读出条件下，研究进一步考察了更短脉冲持续时间。结果表明，t-HS1-15°脉冲在2 ms、1 ms和0.7 ms时获得的T_1ρ值均短于同类时长HS1，且随着t-HS1-15°脉冲持续时间进一步缩短，T_1ρ继续降低。这一结果提示，短时截断脉冲结合零回波时间读出，更容易捕捉传统方法难以记录的快速衰减自旋组分。三维ROI展示进一步显示，白质与灰质之间的空间对比在短脉冲t-HS1-15°与标准HS1的R_1ρ差值图中最为显著，尤其是0.7 ms t-HS1-15°与2 ms HS1比较时，对组织空间异质性的敏感性明显增强。

相关性分析进一步支持该方法与组织微观成分之间的联系。研究人员将不同弛豫指标与既往组织学中的髓鞘、铁和Nissl光密度分布进行比较，发现与髓鞘相关性最高的是δR_1ρ指标，即不同短时t-HS1-15°与HS1之间的R_1ρ差值，特别是1 ms t-HS1-15°与2 ms脉冲配置的比较。该结果提示，RETRO所增强的对比可能与髓鞘相关慢运动或快速弛豫自旋组分存在密切关系。文中同时指出，这种相关性尚不能被简单归结为单一机制，仍需在更完整的弛豫模型中纳入交叉弛豫、等时钟交换等因素。

离体大鼠脑实验则从技术层面验证了RETRO的实用性。在相同功率、相同短脉冲时长（1 ms）下，常规HS1由于不能完全实现绝热反转而出现明显B₁伪影；相比之下，t-HS1-15°在同样条件下能够实现更稳定的反转，并在不同MLEV4相位循环策略下都获得更少伪影的T_1ρ图。这说明高截断水平的HS1脉冲不仅能调控对比，也有助于在受RF功率限制的场景下维持较好的成像稳定性，具有向体内、甚至临床转化的潜力。

讨论部分强调，组织内旋转坐标系弛豫来源复杂，包含多种慢速与快速运动机制，单一常规MRI参数难以全面表征。RETRO的重要创新在于，它通过改变HS1脉冲的截断水平，把原本较为固定的T_1ρ或T_2ρ权重转变为可调的混合权重，从而拓展了旋转坐标系弛豫对比的设计空间。研究指出，大截断水平既能缩短脉冲时长、降低能量沉积，又能保持适合体内应用的峰值RF幅度；结合MB-SWIFT零回波时间读出后，可观测传统自由进动、连续波自旋锁定或常规绝热T_1ρ/T_2ρ方法难以探测的快速衰减自旋。文章还讨论了该方法可能对髓鞘之外的其他组织成分敏感，例如可能与糖原等大分子相关的慢运动组分有关，但作者明确指出这些生物学解释仍需进一步验证。研究同时说明，本工作实验上主要聚焦于ε = 15°这一种构型，且理论处理主要限于WCR与FXR，因此尚不足以完整解释所有体内组织对比来源，这是该研究的主要局限。

研究结论部分可译述如下：研究人员开发并在9.4 T大鼠脑中测试了一种名为RETRO的新方法，该方法通过改变振幅调制与频率调制射频脉冲的截断水平实现对比度操控。具体而言，本研究聚焦于改变HS1脉冲的截断水平，以在脉冲期间产生不同的T_1ρ与T_2ρ弛豫通路贡献。结果表明，截断HS1脉冲可在体内以亚毫秒时间尺度的脉冲时长使用，并在结合零回波时间成像读出时探测通常无法通过常规MRI弛豫测量访问的快速衰减自旋。重要的是，与AFP脉冲相比，截断HS1脉冲可在更低功率设定下工作，这一特性显著有利于RETRO从临床前研究向人体应用转化。本文提出的偶极-偶极相互作用与异时钟交换弛豫理论分析，结合体内实验验证，为在活体样本中利用截断HS1脉冲提供了方法学框架。最后，尽管本研究聚焦于HS1脉冲截断水平的改变，但频率扫描脉冲还可采用HS家族之外的其他调制函数进行设计，这一空间预期将显著拓展RETRO对磁化演化及MRI组织对比的调控灵活性。