بخشی از مقاله
خلاصه
تصویربرداری به روش تشدید مغناطیسی - MRI - با اندازه گیری غیرتهاجمی برخی از علائم فیزیولوژی امکان مطالعه وضعیت مولکولها و ردیابی آنها که متعاقب آن تشخیص زود هنگام بیماری را فراهم میکند. انتقال اشباع به واسطه تبادل شیمیایی - CEST - به عنوان یک کنتراست جدید در تشدید مغناطیسی برای مطالعات مولکولی محسوب می شود. این کنتراست یه پارامترهای متعددی از جمله زمانهای استراحت، نرخ تبادل شیمیایی بین مولکولهای آب و عامل کنتراست، غلظت عامل کنتراست و ویژگیهای پالس الکترومغناطیسی - RF - بستگی دارد. نرخ تبادل شیمیایی از پارامترهای بسیار مهمی است که با برخی از شاخصه های بالینی از جمله PH، دما و غلظت متابولیسم ها وابستگی خوبی دارد که در عین حال اندازه گیری آن چندان ساده نیست.
در این مقاله راهکاری برای اندازه گیری آن با استفاده از عرض پالس RF پیشنهاد می شود. برای این منظور ابتدا اثر CEST در غالب یک رابطه تحلیلی بیان می شود. نشان داده می شود که این کنتراست به ازاء یک عرض پالس مشخص ماکزیمم خواهد شد. این رابطه اثر انتقال مغناطیسی ناشی از ماکرومولکولهای بافت بدن را به عنوان یک اثر مخرب را از خود اثر CEST متمایز می کند. با فرض یک غلظت کنتراست معلوم، می توان از طریق یک رابطه تحلیلی، نرخ تبادل را با استفاده از عرض پالسی که منجر به ماکزیمم شدن اثر CEST می شود را تعیین کرد.
صحت این رابطه تحلیلی از طریق مقایسه با تعریف غالب و عمومی برای این اثر مطابقت داده شده است. ضمنا با اعمال سری تیلور بر روی رابطه تحلیلی به فرمول های مرتبط با آن در مقالات معتبر، دست یافته شده است. در این مقاله از داده معتبر و منطبق با ساختار بدن که از یک ساختار سه حوضچه ای اخذ شده مورد استناد در مراجع معتبر، استفاده شده است. پیشنهاد می گردد نتیجه این بررسی به صورت عملی بر روی اسکنرهای تشدید مغناطیسی پیاده سازی گردد.
.1 مقدمه
آزمایشات و مطالعات انتقال اشباع که برای بررسی مولکولهای کوچک و پروتئینها از مدتها پیش مرسوم و متداول بودهاند، منتج به روشی برای مطالعه بافتها و متعاقب آن تصویربرداری از بدن انسان شد. روشهای انتقال اشباع و بررسی اثر آنها بر روی بافتهای زنده فرآیندی پیچیده است. اغلب این روشها مبتنی بر تبادل شیمیایی هستند، لذا تمایز آنها به علت مشابهبودن ماهیت این روشها مشکل میباشد.
در بدن انسان انتقال اشباع در اثر مولکولهای بزرگ، ساختارهای نیمهجامد - MT - دیده می شود ولی اندازه گیری آن به روش تشدید مغناطیسی به خاطر T2 کوتاه مشکل است. این در حالی است که در ساختارهای متحرک، زنجیرههای پروتینی و پپتیدهای کوچک با T2 طولانی - مکان یزم تبادل شیمیایی آهسته - CEST این امکان فراهم می گردد. اثر MT ناشی از ماکرومولکولهای نیمهجامد به صورت یک اثر تداخلی مزاحم در ارزیابی اثر CEST محسوب میگردد
این اثر دارای پهنای باند رزونانس حدود چند کیلو هرتز است. MT اولین روشهای تصویربرداری بر مبنای انتقال اشباع بوده است که به سرعت کاربری کلینیکی پیدا کرده است. این تکنیک که بر مبنای آشکارسازی اجزا نیمهجامد و خیلی کند مانند ماکرومولکولها است، منجر به پیدایش طیف Z پهنی میگردد.
عموما عاملهای کنتراستCEST شامل گروههای آمید، آمین و یا هیدروکسیل میباشند. بر اساس ویژگیهای مخصوص به یک بافت و پارامترهایی همانند نرخهای تبادل و شیفت شیمیایی میتوان به اطلاعات خوبی از می زان و نحوه عملکرد متابولیسمها دست یافت. فرآیندهای تبادل در حقیقت عکس العملهای شیمیایی هستند که وابسته به نوع مولکول میباشند. نرخ تبادل برای آمیدها در محدوده 1 sو برای پروتونهای هیدروکسیل در حدود 1 10000s است که تابعی از دما، pH و خصوصیات بافری محلول میباشد.می توان ادعا کرد که این کنتراست به وسیله نرخ تبادل و غلظت پروتونها ی عامل کنتراست شناخته میشود. بر این مبنا امکان اسپکتروسکوپی به روش تشدید مغناطیسی بر روی بافتهای زنده از طریق تعیین پارامترهای فیزیولوژیکی - مانند pH داخل سلولی، دما، مصرف اکسیژن و انرژی و گلوکز - به روش غیرتهاجمی ممکن می گردد
با برقراری تبادل شیمیایی بین حوضچه آب و حوضچه عامل کنتراست، امکان اندازهگی ری غیرمستقیم پروتونهای حوضچه عامل کنتراست به وسیله مشاهدات تغییرات در حوضچه آب میسر میگردد. در طی اعمال پالسRF، اشباع انتقال یافته در حوضچه آب جمعآوری میگردد که این موجب میزان تغییر قابل توجه و قابل اندازهگیری در سیگنال پروتون آب میشود. با تقویت این سیگنال میتوان یک تصویربرداری غیرمستقیم از عامل کنتراست - با غلظت کم در مقابل هیدروژن های آب بدن - به وسیله سیگنال حوضچه آب انجام داد
برای انجام تبادل شیمیایی، نشانهگذاری انتخابی مجموعهایی از هیدروژنها با تابش پالس RF در فرکانسی برابر با فرکانس لارمور لازم است. مطابق شکل 1 رشته پالس تصویربرداری مورد استفاده شامل یک پالس اشباع کننده مستطیلی با عرض پالس tsat ، دامنه B1 و فرکانس - این گونه پالس RF بسیار مرسوم است - ، پالس تحریک کننده، انکدینگ مکانی و مرحله اخذ تصویر است
شکل-1 رشته پالس های تصویربرداری در یک آزمایش تصویربرداری .[7 ] CEST
یکی از مهمترین روشها برای استخراج یک رابطه تحلیلی ریاضی توصیف کننده CEST مبتنی بر طیف Z است. طیف Z که مبین مولفه مغناطیس شوندگی نرمالیزه شده در راستای محور Z است با استفاده از معادلات بلاخ-مک کانل به صورت کمی توصیف و تحلیل می شود.[7] این کنتراست به دلیل غلظت خیلی کم عامل کنتراست در مقایسه با هیدروژنهای آب در بدن، منجر به اثر خیلی کوچکی در طیف Z خواهد شد. اگر فرکانس رزونانس عامل کنتراست خیلی نزدیک به فرکانس رزونانس آب باشد، جداپذیری و تشخیص آن مشکل خواهد بود.
این موضوع در شرایط واقعی و بر روی بدن انسان که اثر مغناطیسشدگی ناشی از سایر ماکروکولکولها نیز وجود دارد، به مراتب سختتر خواهد بود . در شکل 2 طیف Z در بافت مغز موش نشان داده شده است. موثرترین و قویترین پیک سیگنال در صفر پیپیام - پیک آب - و ناشی از اثر اشباع مستقیم پروتونهای آب است. وابستگی طیف Z به دامنه و عرض پالس RF قابل مشاهده است.
شکل -2 طیف Z ناش×ی از بافت زنده یک موش در دامنه و عرضهای مختلف از یک پالس .[7] RF
عاملهای دیامگنتیک CEST با نرخ تبادل پایین، افزایش عرض پالس RF منجر به افزایش اثر CEST میشود. بنابراین استخراج پاسخ گذرا اهمیتی ندارد. در عاملهای PARACEST با نرخ تبادل بالا لزوما افزایش زمان منجر به زیاد شدن اثر CEST نمیشود، لذا برای تعیین عرض پالس بهینه ای که منجر به ماکزیمم شدن اثر CEST می شود به محاسبه پاسخ گذرا نیاز است که جین و همکارانش آن را گزارش کرده اند7]و.[9 تاکنون روشهای مختلفی برای اندازه گیری نرخ تبادل گزارش شده است7]و .[10 سان برای عامل های دیامگنتیک بر اساس یک تعریف تجربی بدون در نظر گرفتن اثر MT به طور همزمان نرخ تبادل و غلظت عامل کنتراست را با استفاده از دامنه پالس RF بهینه اندازه گیری کرد.
