化学交换饱和转移类对比剂在磁共振成像中的研究进展
谷氨酸化学交换饱和转移成像
谷氨酸化学交换饱和转移成像
谷氨酸是一种氨基酸，它在生物体内起着重要的作用。
化学交
换是指在化学反应中，物质之间发生的交换作用。
饱和转移成像是
一种核磁共振成像技术，利用磁共振现象来获取人体组织的影像。
谷氨酸化学交换饱和转移成像是指利用核磁共振成像技术观察
谷氨酸在化学交换过程中的影像。
在这种成像中，谷氨酸分子会参
与到组织中的化学交换过程中，通过饱和转移技术，可以观察到其
在组织中的分布和代谢情况，从而帮助科学家和医生更好地了解生
物体内谷氨酸的代谢和功能。
从化学角度来看，谷氨酸化学交换饱和转移成像涉及到谷氨酸
分子在组织中的化学反应过程，包括其与其他分子之间的交换作用。
通过这种成像技术，可以观察到谷氨酸在化学反应中的动态变化，
从而为研究人员提供了重要的信息，有助于深入理解谷氨酸在生物
体内的作用机制。
从医学角度来看，谷氨酸化学交换饱和转移成像在临床诊断中
具有重要意义。
谷氨酸作为一种重要的神经递质，与多种疾病如神
经系统疾病和代谢性疾病等密切相关。
利用这种成像技术，可以观
察到谷氨酸在人体组织中的分布情况，从而为医生提供了诊断和治疗疾病的重要信息，有助于提高疾病的诊断准确性和治疗效果。
总的来说，谷氨酸化学交换饱和转移成像是一种重要的成像技术，它不仅可以从化学角度深入研究谷氨酸分子在生物体内的代谢过程，还可以为临床诊断提供重要的辅助信息，对于科学研究和临床医学都具有重要意义。
gd对比剂增强磁共振成像原理
gd对比剂增强磁共振成像原理
GD对比剂是一种含有钆离子的化合物，钆离子具有较高的磁性，可以显著增强磁共振成像（MRI）的对比度。
其工作原理是通过与周围的水分子发生相互作用，改变水分子的旋转速率和磁矩分布，从而改变MRI信号的强度。
在GD-MRI 中，钆离子通过静脉注射的方式进入人体内部，然后与水分子结合，形成钆离子和水分子的配合物，进而增强MRI图像的对比度。
具体来说，当人体进入磁共振成像机后，机器中的强大磁场会使得人体内的氢原子核磁化，这些氢原子核在磁场中排列成一定的方向。
当磁场被撤销时，氢原子核会发出射频信号，这些信号被接收器接收并转化为图像。
但是，由于人体内部不同组织之间的氢原子核密度和排列方式差异很小，导致图像的对比度很低，难以分辨不同的组织。
而GD对比剂中的钆离子可以改变周围水分子的磁矩分布和旋转速率，使得水分子的信号强度发生变化。
这种变化会导致MRI信号的强度也发生变化，从而在图像上产生对比度。
由于不同的组织对GD对比剂的吸收和分布不同，因此会在MRI图像上呈现出不同的对比度，从而提高了MRI图像的分辨率和诊断准确性。
化学交换饱和转移衍生新技术的开发与临床应用
化 学 交 换 饱 和 转 移 （ｃｈｅｍｉｃａｌ
ｅｘｃｈａｎｇｅ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ，
ＣＥＳＴ）是一种新型的 ＭＲＩ分子成
像 技 术，由 Ｗａｒｄ 和 Ｂａｌａｂａｎ 提
出［１］，可以反映内源性 和 外 源 性 含
有可交换的质子或生物分子浓度。
ＣＥＳＴ 具有独特 的 无 创 性、利 用 体
２
放射学实践 ２０２０年１月第３５卷第１期 Ｒａｄｉｏｌ Ｐｒａｃｔｉｃｅ，Ｊａｎ ２０２０，Ｖｏｌ ３５，Ｎｏ．１
·本刊特稿·
化学交换饱和转移衍生新技术的开发与临床应用
李 丽 ，王 振 雄 ，方 纪 成 ，甘 桐 嘉 ，申 楠 茜 ，Ｋｅｊｉａ Ｃａｉ，朱 文 珍
【摘要】 化学交换饱和转移（ＣＥＳＴ）成像可以检测 ＲＯＳ、脂肪、ｐＨ 值、蛋白质及多肽、葡萄糖、谷氨 酸、肌酸、肌醇及葡聚糖等各种生物大分子物质和环境因素 ，广泛应用于各个系统，帮助对各种物质及环 境因素进行定量分析。本文就 ＣＥＳＴ 的基本原理和影响因素进行介绍，进一 步 详细 介 绍 ＣＥＳＴ 衍 生新 技术，旨在推动 ＣＥＳＴ 新技术的开发研究与应用。
的质子（蓝 色）在 被 给 与 特 定 的 饱 和 脉 冲 （８．２５ｐｐｍ， 此时水的特定位置为４．７５）进行饱和。 这 些 饱 和 的 质
ＣＥＳＴ 效应的影响因素
子会与自由水中的质 子 （黑 色）进 行 交 换，形 成 交 换 速
基于 ＣＥＳＴ 效应的原理，ＣＥＳＴ 效 应 对 被 饱 和 的
率（ｋｓｗ）。经过足够长的饱和时间后 （ｔｓａｔ），就可以检 质子浓度（体内固有 质 子 或 对 比 剂 ），饱 和 质 子 与 水 质
【关键词】 化学交换饱和转移；Ｚ 谱；饱和脉冲；基团；衍生新技术 【中 图 分 类 号 】Ｒ４４５．２ 【文 献 标 识 码 】Ａ 【文 章 编 号 】１０００－０３１３（２０２０）０１－０００２－０７ ＤＯＩ：１０．１３６０９／ｊ．ｃｎｋｉ．１０００－０３１３．２０２０．０１．００１ 开 放 科 学 （资 源 服 务 ）标 识 码 （ＯＳＩＤ）：
深度学习在化学交换饱和转移磁共振成像中的研究进展
深度学习在化学交换饱和转移磁共振成像中的研究进展张利红，许崇欣，侯蓓蓓，唐朝生，孙君顶*作者单位：河南理工大学计算机科学与技术学院，焦作454003*通信作者：孙君顶，E-mail：中图分类号：R445.2文献标识码：A DOI：10.12015/issn.1674-8034.2022.11.034本文引用格式：张利红,许崇欣,侯蓓蓓,等.深度学习在化学交换饱和转移磁共振成像中的研究进展[J].磁共振成像,2022, 13(11):165-168.[摘要]化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer,CEST）是一种新型的MRI技术，其基本原理是通过水信号的减少来间接实现对特定低浓度溶质分子的检测。
采集速度慢、量化速度慢、量化评估不准确等问题影响着CEST MRI在临床中的应用推广，如何改善这些问题也成为研究的重点。
深度学习作为人工智能的一种新的研究方向，近几年才应用于CEST MRI 技术。
本文在广泛调研国内外文献的基础上，对深度学习在临床CEST MRI上应用进行了深入分析与梳理。
其中，在量化方面，一方面介绍了通过给深度神经网络（deep neural network,DNN）中输入临床中采集3T的Z谱数据，预测出高场的CEST参数，进而得到比较明显的CEST信号；另一方面介绍了DNN结合磁化转移指纹识别（magnetization transfer fingerprinting,MTF）技术的方法改善传统量化方法中拟合参数精度低和拟合效率低的问题；在加速方面，一方面介绍深度学习用于CEST MRI加速采集；另一方面介绍了深度学习用于改善传统多池洛伦兹拟合量化速度慢的问题。
供对本领域感兴趣者参考及在此基础上进一步地研究开发，加速CEST MRI的临床转换。
[关键词]磁共振成像；化学交换饱和转移；深度学习；量化；加速Research progress of deep learning in chemical exchange saturation transfer magnetic resonance imagingZHANG Lihong,XU Chongxin,HOU Beibei,TANG Chaosheng,SUN Junding*College of Computer Science and Technology,Henan Polytechnic University,Jiaozuo454003,China*Correspondence to:Sun JD,E-mail:Received31Mar2022,Accepted14Sep2022;DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.11.034ACKNOWLEDGMENTS Science and Technology Research Project of Henan Province(No.212102310084),PhD Fund Project of Henan Polytechnic University(No.B2022-11).Cite this article as:Zhang LH,Xu CX,Hou BB,et al.Research progress of deep learning in chemical exchange saturation transfer magnetic resonance imaging[J].Chin J Magn Reson Imaging,2022,13(11):165-168.Abstract Deep learning,a significant method of artificial intelligence,has been used for chemical exchange saturation transfer magnetic resonance imaging(CEST MRI)in recent years,the basic principle is to indirectly realize the detection of specific low concentration of solute molecules through the reduction of water signal.Problems such as slow collection speed,slow quantification speed,and inaccurate quantitative evaluation affect the application and promotion of CEST MRI in clinical practice,and how to improve these problems has also become the focus of research.As a new research direction of artificial intelligence,deep learning has only been applied to CEST-MRI technology in recent years.This method is mainly used in the quantification and acceleration aspects of CEST MRI.The quantification usage includes prediction of the high field results and quantify proton exchange rate and concentration.The acceleration studies include acceleration on acquisition and acceleration on quantification.As for the method itself,the most frequently used algorithm is convolutional neural network and deep neural networks.Other studies included the comparison among different deep learning models and establishment of deep learning models based on different MRI sequences.This paper is to review the application of deep learning in CEST MRI in detail,which can be used as reference for interested parties in this field and further research and development on this basis.Then accelerate the clinical transformation of CEST MRI.Key words magnetic resonance imaging;chemical exchange saturation transfer;deep learning;quantitation;acceleration深度学习是机器学习研究中的一个新领域[1]，是对采用较深的神经网络结构的一大类算法的总称。
磁共振成像对比剂
第六章磁共振成像对比剂磁共振成像的优势之一是具有良好的组织对比，使MR发现病变的敏感性显著提高。
但是，正常组织与病变组织的弛豫时间有较大的重叠，仅有乂区平扫，定性诊断困难，而且有时难以发现小病灶。
磁共振成像对比剂能改变组织的弛豫时间，改变组织的信号强度，从而提高组织对比。
1.磁共振对比剂的分类根据MRI对比剂在体内的分布，磁敏感性、对组织的特异性等将磁共振成像对比剂分为细胞内外对比剂、磁敏感性对比剂和组织特异性对比剂三大类。
也可根据化学结构分类。
1.1细胞内、外对比剂•细胞外对比剂细胞外对比剂是应用最早、目前应用最广泛的轧制剂属此类对比剂。
它在体内非特异性分布，可在血管内或细胞外间隙自由通过。
•细胞内对比剂以体内某一组织或器官的一些细胞作为目标靶来分布。
如网织内皮系统对比剂和肝细胞对比剂。
此类对比剂注入静脉后，立即从血中廓清并与相关组织结合。
可使摄取的组织与摄取对比剂的组织之间产生对比。
1.2磁敏感性对比剂物质在磁场中产生磁性的过程称为磁化。
不同物质在单位磁场中产生磁化的能力称为磁敏感性(也称磁化率)，用磁化强度表示。
根据物质磁敏感性的不同，MRI对比剂可分为顺磁性、超顺磁性和铁磁性三类。
1.2.1顺磁性对比剂顺磁性对比剂中顺磁性金属原子的核外电子不成对，故磁化率较高，在磁场中具有磁性，而在磁场外则磁性消失。
如镧系元素钆、锰、铁等均为顺磁性金属元素，其化合物溶于水时，呈顺磁性。
顺磁性对比剂浓度低时，主要使T1缩短，浓度高时，主要使T2缩短，超过T1效应，使MR信号降低。
常用T1效应作为T1加权像中的阳性对比剂。
1.2.2超顺磁性对比剂超顺磁性对比剂是指由磁化强度介于顺磁性和铁磁性之间的各种磁性微粒或晶体组成的对比剂。
其磁化速度比顺磁性物质快，在外加磁场不存在时，其磁性消失，如超顺磁性氧化铁(superparamagnetic iron oxide, SPIO)。
1.2.3铁磁性对比剂铁磁性对比剂为铁磁性物质组成的一组紧密排列的原子或晶体（如铁-钻合金）。
化学交换饱和成像
化学交换饱和成像化学交换饱和成像（chemical exchange saturation transfer imaging，CEST imaging）是一种新兴的磁共振成像技术，旨在通过利用显著低于水的旋转相关时间（T1）的代谢物与图像水之间的相对运动来获得代谢物成像和其在组织中的分布状况。
因此，该技术成为定量检测代谢物含量和分布状况的理想工具。
CEST成像的基本原理CEST成像的基本原理是利用饱和方法促发代谢物与水之间的交换反应，当饱和溶液中的原子核受到单一频率的辐射而实现饱和时，它们将失去动态核极化并转移部分核极化的能量到相邻的化合物中。
当这种化合物包含具有不同化学位移的质子时，它们仍然可以被单一频率的辐射饱和。
这就是CEST成像所基于的化学交换过程。
图像中的每个像素是某个化学位点的影子，影子的大小和梯度表示了该化学位点的丰度和分布。
常用的CEST成像技术目前CEST成像在许多方面都有广泛的应用，其主要的CEST成像技术包括以下几种：1. 胆汁酸CEST胆汁酸为一种天然胆固醇，它可以作为诱导因子使肝细胞里的ATP合成加速，从而促进胆囊收缩。
在肝脏组织中通过CEST成像检测胆汁酸含量可以反映其代谢差异和分布情况。
2. 葡萄糖CEST葡萄糖CEST成像技术是基于浸润性胰岛细胞对葡萄糖的固有吸收能力，可用于胰岛分布分析和糖尿病早期筛查。
3. pH值CESTpH值影响代谢物与图像水之间的相对运动，而且可用于检测脑组织病变区域的酸碱度变化。
4. 谷氨酸CEST谷氨酸是人体内的一种氨基酸，可用于非侵入性血糖测量。
5. 甘油CEST甘油CEST成像技术可用于检测肾脏病变并且具有无创性强。
CEST成像的优势与不足CEST成像具有很好的优势和不足之处：优势：1. 无需放射性药物或有毒试剂。
2. 无需使用对孩子或孕妇等易受损群体有害的X光剂量。
3. 实现对脑、肝、肾、心脏、胰腺等器官的检查。
不足：1. 磁场不均匀的影响：CEST成像技术也存在磁场不均匀性对成像的影响，同时会导致信噪比的下降。
化学交换饱和转移磁共振成像量化方法研究进展
化学交换饱和转移磁共振成像量化方法研究进展化学交换饱和转移磁共振成像（chemical exchange saturation transfer magnetic resonance imaging，简称CEST-MRI）是一种用于检测和量化溶液中化学交换过程的非侵入性成像技术。
近年来，CEST-MRI已经在生物医学领域取得了广泛的研究进展。
CEST-MRI利用特定的脉冲序列，将饱和磁共振信号从具有特定化学交换基团的溶液转移到水信号中。
通过控制饱和脉冲的频率和强度，可以选择性地将特定化学交换基团的信号转移到水信号中。
进而通过对转移后的水信号进行成像，可以间接地获得原始化学交换基团的分布和浓度信息。
与传统的MRI技术相比，CEST-MRI具有一些独特的优势。
首先，CEST-MRI可以提供更多的分子信息。
通过选择不同的饱和脉冲频率，可以检测多个化学物质或分子的交换。
这使得CEST-MRI在生物医学研究中的应用非常广泛，例如肿瘤的检测和定量研究，神经系统疾病的诊断和研究等。
其次，CEST-MRI对分子浓度的检测具有较高的敏感性。
通过量化转移率或传递率，可以获得目标分子的浓度信息，这对于研究生物过程和生理变化具有重要意义。
最后，CEST-MRI是一种非侵入性成像技术，不需要注射放射性示踪剂，减少了对患者的风险。
近年来，CEST-MRI的研究重点主要集中在增强成像方法的开发和应用。
一种常用的方法是基于化学交换饱和转移对比(chemical exchange saturation transfer contrast，简称CEST)的显像。
该方法通过在水信号之前或之后添加特定的饱和脉冲序列，改变目标分子/化学交换基团的饱和效果，从而产生对应的对比效果。
另一个常用的方法是脉冲序列设计，通过优化脉冲序列参数，改进CEST-MRI的灵敏度和分辨率。
此外，还有一些新的技术和方法被引入到CEST-MRI中。
例如，聚合物纳米颗粒（polymer nanoparticles）和脂质体（liposomes）等纳米材料被利用作为聚焦药物递送系统。
std饱和转移差
std饱和转移差
饱和转移差谱（Saturation Transfer Difference，STD）是一种核磁共振技术，用于确定配体与蛋白质结合的部位，并且可以从许多化合物的混合物中直接确定能结合到受体上的化合物及其结合力。
该技术利用蛋白等生物大分子中质子间的偶极-偶极相互作用和自旋扩散效应，通过选择性饱和蛋白的共振信号，观察配体核磁共振信号强度的变化，从而确定配体与蛋白质的结合情况。
STD谱的灵敏度取决于蛋白的大小、照射的时间长短、配体的解离速率，以及配体的过量程度。
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万方数据 万方数据 万方数据化学交换饱和转移类对比剂在磁共振成像中的研究进展作者：吴春苗， 靳激扬， WU Chunmiao， JIN Jiyang作者单位：东南大学附属中大医院放射科,南京,210009刊名：国际医学放射学杂志英文刊名：INTERNATIONAL JOURNAL OF MEDICAL RADIOLOGY年，卷(期)：2009,32(5)被引用次数：3次1.Ward KM;Aletrus AH;Balaban PS A new class "of contrast agents for MRI based on proton chemical exchange dependent saturation transfer (CEST) 20002.Zhang S;Wu K;Biewer MC1H and 17O NMR detection of a lanthanide-bound water molecule at ambient temperatures in pure water as solvent 20013.Aime S;Barge A;Castelli DD Paramagnetic lanthanide (Ⅲ) complexes as pH-sensitive chemical exchange saturation transfer (CEST) contrast agents for MRI applications 20024.Goffeney N;Butte JW;Duyn J Sensitive NMR detection of cationic-polymer-based gene delivery systems using saturation transfer via proton exchange 20015.Terreno E;Castelli DD;Cravotto G Ln (Ⅲ)-DOTAMGly complexes:a versatile series to assess the determinants of the efficacy of paramagnetic chemical exchange saturation transfer agents for magnetic resonance imaging applications 20046.Terreno E;Cabella C;Carrera C From spherical to osmotically shrunken paramagnetic liposomes:an improved generation of LIPOCEST MRI agents with highly shifted water protons 20077.Zhou J;Lal B;Wilson DA Amide proton transfer (APT) contrast for imaging of brain tumors 20038.Zhou J;Wilson DA;Sun PZ Quantitative description of proton exchange processes between water and endogenous and exogenous agents for WEX,CEST,and APT experiments 20049.Aime S;Delli Castelli D;Terreno E Supramolecular adducts between poly-L-arginine and[TmIIIdotp]:a route to sensitivityenhanced m magnetic resonance imaging-chemical exchange saturation transfer agents 200310.Aime S;Delli Castelli D;Terreno E Highly sensitive MRI chemical exchange saturation transfer agents using liposomes 200511.Aime S;Delli Castelli D;Lawson D Gd-loaded liposomes as T1,susceptibility,and CEST agents,all in one 200712.Aime S;Carrera C;Deili Castelli D Tunable imaging of cells labeled with MRI-PARACEST agents 200513.Gilad AA;van Laarhoven HW;McMabon Mr Feasibility of concurrent dual contrast enhancement using CEST contrast agents and superparamagnetic iron oxide particles 200914.Zhou J;Blakeley JO;Hua J Practical data acquisition method for human brain tumor amide proton transfer(APT) imaging 200815.Liu G;Ali MM;Yoo B PARACEST MRI with improved temporal resolution 200916.Gilad AA;McMahon MT;Walczak P Artificial reporter gene providing MRI contrast based on proton exchange 200717.Aime S;Delli Castelli D;Fedeli F A paramagnetic MRI-CEST agent responsive to lactate concentration 200218.Zhang S;Trokowski R;Sherry AD A paramagnetic CEST agent for imaging glucose by MRI 200319.Ren J;Trokowski R;Zhang S Imaging the tissue distribution of glucose in livers using a PARACEST sensor 200820.Yoo B;Pagel MD A PARACEST MRI contrast agent to detect enzyme activity 200621.Trokowski R;Ren J;Kalman FK Selective sensing of zinc ions with a PARACEST contrast agent 200522.Aime S;Delft Castelli D;Terreno E Novel pH-reporter MRI contrast agents 200223.Sun PZ;Benner T;Kumar A Investigation of optimizing and translating pH-sensitive pulsed-chemical exchange saturation transfer (CEST) imaging to a 3 T clinical scanner 20081.吴仁华.沈智威.宁立波.邱庆春.WU Renhua.SHEN Zhiwei.NING Libo.QIU Qingchun磁共振pH成像的研究[期刊论文]-国际医学放射学杂志2010,33(5)2.赵金坤.白人驹.孙浩然MRI在肾功能检查中的应用[期刊论文]-国外医学(临床放射学分册)2006,29(1)3.徐进志.申宝忠.XU Jinzhi.SHEN Baozhong MR淋巴成像研究进展[期刊论文]-国际医学放射学杂志2008,31(5)4.高煜.张忠祥.冯云.张玉珍.王秋燕.李玉华.朱铭.GAO Yu.ZHANG Zhong-xiang.FENG Yun.ZHANG Yu-zhen.WANG Qiu-yan.LI Yu-hua.ZHU Ming利用磁共振动态扫描进行肾功能检查的探讨[期刊论文]-中国临床医学影像杂志2005,16(12)5.吴书其.李瑾.李佳宁.傅宏亮.邹仁健.顾振辉.王辉8例儿童单纯性肾囊肿的99mTc-EC肾动态显像分析[期刊论文]-放射学实践2010,25(2)6.邱庆春.韦茂彬.沈智威.吴仁华.QIU Qing-chun.WEI Mao-bin.SHEN Zhi-wei.WU Ren-hua基于不同pH值的磁共振T2加权成像[期刊论文]-中国医学物理学杂志2009,26(5)7.李钊.朱航.程鹏.周志明.刘买利.张许.LI Zhao.ZHU Hang.CHENG Peng.ZHOU Zhi-ming.LIU Mai-li.ZHANG Xu 基于核磁共振的统计全相关谱在大鼠肾脏组织中的应用[期刊论文]-波谱学杂志2007,24(4)8.邓霞.许建荣.DENG Xia.XU Jianrong组织工程软骨修复的磁共振成像研究进展[期刊论文]-国际医学放射学杂志2009,32(1)9.梁长虎.柳澄.武乐斌.于富华脑池段面、前庭蜗神经及其病变的磁共振成像研究[会议论文]-200910.董爱生.田建明高分辨魔角旋转磁共振波谱分析在医学中的应用[期刊论文]-国外医学（临床放射学分册）2007,30(1)1.张格,王显龙,路世龙,黄凡衡,温志波磁共振氨基质子转移成像在神经上皮组织肿瘤分级诊断中的应用[期刊论文]-中华神经外科杂志 2013(10)2.张子栋阿霉素超声造影剂和LyP-1标记超顺磁性氧化铁磁共振探针的制备及体外成像研究[学位论文]硕士 2011引用本文格式：吴春苗.靳激扬.WU Chunmiao.JIN Jiyang化学交换饱和转移类对比剂在磁共振成像中的研究进展[期刊论文]-国际医学放射学杂志 2009(5)。