نشریه علمی مهندسی پزشکی زیستی
Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

تعیین نرخ تبادل شیمیایی عامل‌های کنتراست CEST در تصویربرداری مولکولی تشدید مغناطیسی در شرایط حالت دائمی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسنده

محمدرضا رضاییان

استادیار، گروه مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی همدان، همدان، ایران

https://doi.org/10.22041/ijbme.2023.553203.1771
چکیده
تبادل شیمیایی در اثر فرایند انتقال اشباع از طریق اعمال پالس اشباع کننده‌ی الکترومغناطیسی به رشته پالس تصویربرداری اسکنر تشدید مغناطیسی، اثر CEST نامیده می­شود. اثر CEST عمدتا به زمان­های استراحت، نرخ تبادل شیمیایی، غلظت عامل کنتراست و ویژگی­های پالس اشباع کننده‌ی الکترومغناطیسی بستگی دارد. میزان وابستگی نرخ تبادل شیمیایی به برخی از شاخص­­های بالینی از جمله pH، دما و مصرف گلوکز، امکان تشخیص غیر­تهاجمی و زودهنگام برخی از بیماری­ها را فراهم می­کند. در این مقاله برای تعیین و اندازه­گیری نرخ تبادل شیمیایی در قالب یک رابطه‌ی بسته‌ی ریاضی، تحلیل کمی از اثر CEST در قالب یک تابع هدف جدید ارائه شده است. اعمال روش­های مبتنی بر گرادیان روی تابع هدف محدب‌گونه‌ی پیشنهادی، توصیف جدیدی را از دامنه‌ی بهینه‌ی پالس اشباع کننده‌ی الکترومغناطیسی مستطیلی ارائه کرده است. معکوس­گیری از این توصیف، ضمن ارائه‌ی بیان تحلیلی جدیدی از نرخ تبادل، نمایش ساده­تری برای عامل­های کنتراست CEST دارای فرکانس تشدید بالا در قالبی ناوابسته به میزان غلظت عامل کنتراست را فراهم کرده است. ارزیابی تابع هدف و روابط پیشنهادی از طریق مقایسه با روش­های معتبر برگرفته از حل معادلات بلاخ-مک‌کانل با استفاده از داده­های پارامتری و واقعی انجام شده است. متوسط مجذور خطای نسبی تابع هدف بر مبنای داده­های پارامتری 25/7% بوده و برای روابط پیشنهادی دامنه‌ی بهینه‌ی پالس اشباع کننده‌ی الکترومغناطیسی و نرخ تبادل شیمیایی با استفاده از داده­های واقعی به ترتیب 3/6% و 2/4% است.

کلیدواژه‌ها

انتقال اشباع
بهینه‌سازی
عامل کنتراست
پردازش طیف CEST
نرخ تبادل شیمیایی
مغناطیس شوندگی

موضوعات

عنوان مقاله English

Determining Chemical Exchange Rate of the CEST Contrast Agents in the Molecular Magnetic Resonance Imaging at the Steady-State Conditions

نویسنده English

Mohamad Reza Rezaeian
Assistant Professor, Biomedical Engineering Department, Hamedan University of Technology, Hamedan, Iran
چکیده English

The chemical exchange due to saturation transfer by applying an electromagnetic radio frequency (RF) pulse to a magnetic resonance scanner is called the CEST effect. The CEST effect depends mainly on relaxation times, chemical exchange rate, concentration of the contrast agent and RF pulse properties. Dependence of chemical exchange rate on some clinical indicators such as pH, temperature and glucose consumption, allows diagnosis diseases non-invasively. The chemical exchange rate is determined through presenting new objective function of the CEST effect in the mathematical closed form quantitatively. A new description of the optimal amplitude of the rectangular RF pulse is obtained by applying gradient-based methods on the proposed convex objective function. Chemical exchange rate is proposed at the simple representation form independent to contrast agent by reversing the optimal amplitude description for large shift frequency contrast agents. Evaluation of the objective function and the proposed relations are performed by comparing them with valid methods derived solving Bloch-McConnell equations through parametric and real data. The mean relative square error of the objective function based on the parametric data is 7.25% and for the proposed the optimal amplitude and chemical exchange rate based on the real data are 6.3% and 4.2%, respectively.

کلیدواژه‌ها English

Saturation Transfer
Optimization
Contrast Agent
CEST Spectrum Processing
Chemical Exchange Rate
Magntization Transfer
  1. Sadet, C., Stavarache, F. Teleanu, P. Vasos, “Water hydrogen uptake in biomolecules detected via nuclear magnetic phosphorescence,” Sci. Rep, vol. 9, no. 1, pp. 1-7, 2019.
  2. Dou, C. E. lin, H. Ding,  Y. Shen,  C. Dou, L. Qian, B. Wen, B. Wu,” Chemical exchange saturation transfer magnetic resonance imaging and its main and potential applications in pre-clinical and clinical studies,” Quant Imaging Med Surg, vol. 9, no. 10, pp. 1747-1766, 2019.
  3. V. Zijl, W. Lam,  J. Xu,  L. Knutsson, G. J., Stanisz, “Magnetization Transfer Contrast and Chemical Exchange Saturation Transfer MRI. Features and analysis of the field-dependent saturation spectrum”, Neuroimage, Vol. 168, pp. 222-241, 2018.
  4. Kim, Y. Wu, Y. Guo, H. Zheng, P.Z. Sun, “A review of optimization and quantification techniques for chemical exchange saturation transfer MRI toward sensitive in vivio imaging,” Contrast Media Mol Imaging, vol. 10, no. 3, pp. 163-178, 2015.
  5. Vinogradov, A. Sherry, R. E. Lenkinski, “CEST: from basic principles to applications, challenges and opportunities”, Journal of Magnetic Resonance, Vol. 229, pp. 155-172, 2013.
  6. Zaiss, P. Bachert, “Chemical exchange saturation transfer (CEST) and MR Z-spectroscopy in vivo: a review of theoretical approaches and methods,” Phys. Med. Biol, vol. 58, no. 22, pp. 221-269, 2013.
  7. رضاییان، محمدرضا، "تعیین کنتراست CEST به روش تحلیلی در تصویربرداری مولکولی تشدید مغناطیسی"، پردازش علائم و داده­ها، دوره 17، ص 71 تا 85، تهران، 1399.
  8. Tang, G. Xiao, Z. Shen, C. Zhuang, Y.  Xie, X. Zhang, Z. Yang, J. Guan, Y. Shen, Y. Chen, L. Lai, Y. Chen, S. Chen, Z. Dai, R. Wang, R.  Wu, “Noninvasive detection of extracellular pH in human benign and malignant liver tumors using CEST MRI "frontiers in oncology, Vol .10, pp.1-10, 2020.
  9. R. Lindeman, E. A.  Randtke, R. A. High, K. M. Jones, C. M. Howison, M. D. Pagel, “A comparison of exogenous and endogenous CEST MRI methods for evaluating in vivo pH"", Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 79, no. 5, pp. 2766-2772, 2018.
  10. Z. Sun, G. Xiao, I. Y. Zhou, Y. Guo, R. Wu, “A method for accurate pH mapping with chemical 1 exchange saturation transfer (CEST) MRI", Contrast Media Mol Imaging, Vol. 11, no. 3, pp. 195-202, 2016.
  11. Goerke, M. Zaiss, P. Bachert, “Characterization of creatine guanidium proton exchange by water-exchange (WEX) spectroscopy for absolute pH CEST imaging in vitro”, NMR Biomed, Vol. 27, no . 5, pp 507-518, 2014.
  12. Zhou, H. Y. Heo, L. Knutsson, P. V. Zijl, S. Jiang, “APT-weighted MRI: Techniques, current neuro applications, and challenging issues,” Journal of Magnetic Resonance, vol. 50, no. 2, pp. 347-364, 2019.
  13. Zheng, X. Wang,” The Applicability of Amide ProtonTransfer Imaging in the Nervous System: Focus on Hypoxic-Ischemic Encephalopathy in the Neonate,” cell Mol Neurobiol, vol. 38, no. 4, pp. 797-807, 2018.
  14. Heo, Y. Zhang, D. H. Lee, X. Hong, J. Zhou, “Quantitative assessment of amide proton transfer (APT) and nuclear overhauser enhancement (NOE) imaging with extrapolated semi-solid magnetization transfer reference (EMR) signals: Application to a rat glioma model at 4.7 Tesla,” Magnetic Resonance in Medicine, vol. 75, no. 1, pp. 137-149, 2016.
  15. Zaiss, Z. Zu, J. Xu, P. Schuenke, D. F. Gochberg, J. C. Gore, M. E. Ladd, P. Bachert, “A combined analytical solution for chemical exchange saturation transfer and semi-solid magnetization transfer,” NMR in Biomed, vol. 28, no.2, pp. 217-230, 2015.
  16. L. Desmond, G. J. Stanisz, “Understanding quantitative pulsed CEST in the presence of MT”, Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 67, no. 4, pp. 979–990, 2012.
  17. McMahon, A. Gilad, j. Zhou, P. Z. Sun, P. V. Zijl, “Quantifying exchange rates in chemical exchange saturation transfer agents using the saturation time and saturation power dependencies of the magnetization transfer effect on the magnetic resonance imaging signal ” Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 55, pp. 836-847, 2006.
  18. A. Randtke, M. D. Pagel, J. C. Rodriguez, “QUESPOWR MRI: QUantification of exchange as a function of saturation power on the water resonance,” Journal of magnetic resonance, vol. 270, pp. 56-70, 2016.
  19. Zaiss, G. Angelovski, E. Demetriou, M. McMahon, X. Golay, K. Scheffler, “QUESPand QUEST Revisted-Fast and Accurate Quantitative CEST experiments,” Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 79, no. 3, pp. 1708-1721, 2018.
  20. Demetriou, M. Tachrount, M. Zaiss, X. Golay, “PRO-QUEST: a rapid assessment method based on progressive saturation for quantifying exchange rates using saturation times in CEST,” Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 80, no. 4, pp. 1638-1654, 2018.
  21. Kim, A. Kujawa, M. Battiston, E. Demetriou, T. Schneider, S. Collorone, C. Tur, V. Evans. S. Okuchi, D. Atkinson, C. Gandini, X. Golay, “Translating pH-sensitive PROgressive saturation for Quantifying Exchange rates using Saturation Times (PRO-QUEST) MRI to a 3T clinical scanner” Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 84, no. 4, pp. 1734-/.1746, 2020.
  22. Heo, Z. Han, S. Jiang, M. Schar, P. V. Zijl., J. Zhou, “Quantifying amide proton exchange rate and concentration in chemical exchange saturation transfer imaging of the human brain,”Neuroimage”, Vol. 189 , pp. 202-213, 2019.
  23. Dixon, J. Ren, J. Lubag, A. Ratnakar, E. Vinogradov, I. Hancu, R. Lenkinski, A. Sherry, “A concentration-independent method to measure exchange rates in PARACEST agents”, Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 63, no. 3, pp. 625–632, 2010.
  24. Z. Sun, Y. Wang, G. Xiao, R.,Wu, “Quantitative chemical exchange saturation transfer (qCEST) MRI—RF spilover effect-corrected omega plot for simultaneous determination of labile proton fraction ration and exchange rate” Contrast Media Mol Imaging, vol. 9, no.4, pp. 268-275, 2014.
  25. E. Meissner, S. Goerke, E. Rerich, K. D. Klika, A. Radbruch, M. E. Ladd, P. Bachert, M. Zaiss, “Quantitative pulsed CEST–MRI using omega plots,” NMR in Biomedicine, vol. 28, no. 10, pp.1196-1208, 2015.
  26. Z. Sun, “Simultaneous determination of labile proton concentration and exchange rate utilizing optimal RF power: radio frequency power (RFP) dependence of chemical exchange saturation transfer (CEST) MRI,” Journal of Magnetic Resonance, vol. 202, no. 2, pp. 155–161, 2010.
  27. R. Rezaeain, G. A. Hosien-Zadeh, H. Soltanian-Zadeh, “Simultaneous optimization of power and duration of radio-frequency pulse in PARACEST MR,I" Magnetic resonance imaging, vol. 34, no.6, pp. 743-753, 2016.
  28. رضاییان، محمدرضا، "تعیین همزمان نرخ تبادل و غلظت عامل کنتراست پارامگنتیک در تصویربرداری به روش تشدید مغناطیسی با استفاده از عرض پالس الکترومغناطیسی"، ماشین بینایی و پردازش تصویر، دوره 8، شماره 4، ص 1 تا 11، تهران، 1400.
  29. Jin, S. Kim, “Approximated analytical characterization of the steady-state chemical exchange saturation transfer (CEST) signals”, Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 82, no. 5, pp.1876-1889, 2019.
  30. Tang, G., Xiao, Z. Shen, C. Zhuang, Y. Xie, X. Zhang, Z. Yang, J. Guan, Y. Shen, Y. Chen, L. Lai, R. Wu, “Noninvasive detection of extracellular pH in human benign and malignant liver tumors using CEST MRI ",frontiers in oncology, Vol .10, pp.1-10, 2020.
  31. رضاییان، محمدرضا، "آشکارسازی اثر CEST از طریف Z تشدید مغناطیسی آغشته به نویز بر اساس مدل تحلیلی برگرفته از حل معادلات بلاخ مک‌کانل"، مهندسی پزشکی زیستی، دوره 15، شماره 1، ص 31 تا 40، تهران، 1400.
  32. Woessener, S. Zhang, M. E. Merritt, A. Sherry, “Numerical solution of the Bloch equations provides insights into the optimum design of PARACEST agents for MRI”, Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 53, no. 4, pp. 790-799, 2005.
  33. H. Shin, M. F. Wendland, B. Zhang, A., Tran, A. Tang, M. H. Vandsburger, “Noninvasive imaging of renal urea handling by CEST-MRI,” Magnetic Resonance in Medicine, vol. 83, no. 3, pp. 1034-1044, 2019.
  34. Schmitt, M. Zaiß, J. Zhou, P. Bachert, “Optimization of pulse train presaturation for CEST imaging in clinical scanners”, Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 65, no. 6, pp. 1620–1629, 2011.
نشریه علمی مهندسی پزشکی زیستی
دوره 16، شماره 4
زمستان 1401
صفحه 281-294

  • تاریخ دریافت 15 اردیبهشت 1401
  • تاریخ بازنگری 26 فروردین 1402
  • تاریخ پذیرش 01 اردیبهشت 1402

صفحه اصلی

تماس با ما