吴亚琳 尹建忠*

组织内pH值是评价细胞代谢环境的重要指标，不同的病理生理状态所导致的pH值改变会影响组织功能，甚至疾病的预后。很多中枢神经系统疾病会导致组织内酸碱度的变化，如缺血性脑血管病、脑肿瘤以及脑创伤等，pH成像能够反映组织局部环境的酸碱度变化，对组织代谢和功能状态评价有重要意义。多种成像方法可以进行pH成像，如磁共振波谱成像、荧光显像、核医学分子成像等，但这些方法在分辨力、成像范围及辐射剂量等方面都存在局限[1-3]，因而限制了其临床应用。磁共振pH成像是基于化学交换饱和转移 （chemical exchange saturation transfer,CEST）原理的技术，能够更为直观地显示组织代谢酸碱状态，具有安全、无创可定量分析的优点。本文综述磁共振pH成像方法、影响因素的优化及在中枢神经系统中的应用进展。

1 磁共振pH成像方法

磁共振pH成像的原理可以用“双池”模型来解释：对外源性或内源性大分子的可交换基团（溶质池）的质子施加特定饱和脉冲后，饱和的质子与水分子（溶剂池）中的氢质子进行交换。交换的速率受局部酸碱度的影响，最终造成水分子不同程度的信号变化来反映环境的酸碱度[4]。这种信号的改变具有pH敏感性，当细胞内pH值减低时，质子之间的交换速率下降，进而水分子信号强度会下降[5]。当评价pH改变时，通常不同池中质子的交换速率与组织pH呈对数关系，要对组织内pH环境进行评价，必须确定质子之间的交换速率[6]。磁共振pH成像无法直接获得可交换质子之间的交换速率，常采用比率法和酰胺质子交换速率法来获取信号强度与交换速率之间的关系。

1.1 比率法 比率法是将发生CEST作用的质子交换速率之比转换为信号强度之比的方法，进而利用信号强度反映pH情况；但比率法对成像物质的要求较高，操作并不简便。

1.1.1 外源性比率法 外源性比率法是指对外源性对比剂施加饱和脉冲时，在不同饱和脉冲条件下水分子产生信号强度之比不同，由此获得质子交换速率之比，进而量化pH值。外源性比率法最初是基于不同共振频率的比率法，成像需要分子内存在2个pH敏感性基团，因此成像分子的种类有限[7]。随后衍生出基于不同饱和强度射频脉冲的比率法，以及基于不同共振频率和不同饱和强度射频脉冲的比率法。改进后的成像方法使得更多分子能够进行pH成像，同时可显示更宽的pH值范围，也提高了准确度[8]；但这类成像方法常要求进行体外标定，成像时间长，同时需使用不良反应较小的对比剂，因而限制了外源性比率法的临床应用[8]。

1.1.2 内源性比率法 内源性比率法即胺和酰胺浓度-独立检测 （amine and amide concentrationindependent detection,AACID）技术，其本质与外源性比率法相似，但利用的是内源性的酰胺基团和氨基团的CEST效应，此交换过程中速率随pH的增加呈线性下降。该方法要求成像分子同时具有酰胺基团和氨基团，且两种基团之间的比例是固定的。病理条件下，活体组织内两种基团的比例可能发生变化，因此也限制了AACID方法的应用[9]。

1.2 酰胺质子交换速率法 而酰胺质子交换速率法利用的是人体内源性的大分子，通过不同的算法来进行成像，操作简便易行。主要包括非对称性磁化转移率法和酰胺质子转移率*（amide proton transfer,APTR*）法。

1.2.1 非对称性磁化转移率法 0～5ppm（ppm表示10-6）的共振频率范围是脂肪族化合物的质子发生CEST作用的范围，在这个范围内施加不同的饱和脉冲，描绘出信号强度曲线称为Z谱。研究者[6]发现在＋3.5ppm的共振频率处施加饱和脉冲，酰胺基团与水分子之间可以发生CEST作用，称为酰胺质子转移（amide proton transfer,APT）效应。脂肪族化合物的水分子同时可以发生磁化转移（magnetization transfer,MT）效应、直接水饱和（direct saturation,DS）效应以及核奥式效应 （nuclear overhauser effect,NOE），一般认为这些效应引起的水分子信号强度变化相对于Z谱的水峰（0ppm）是对称的。MTRasym是目前常用的pH成像方法，通过将±3.5ppm处的信号强度做差值来抵消MT、DS及NOE对CEST作用的影响，可根据公式 M计算获得。其中Msat指在±3.5ppm处施加饱和脉冲后测得的水分子信号强度，而M0是未施加饱和脉冲时水分子信号强度[6]。

然而MT、DS及NOE相对于水峰并不是绝对对称的。因此，MTRasym是由两部分组成的，包括固有磁化转移率（solid phase magnetization transfer effect,MTR’asym）和质子转移率（proton transfer ratio,PTR）。MTR’asym指在施加饱和脉冲时，由于MT、DS和NOE产生的水分子固有的磁化转移率。PTR是指在＋3.5ppm处发生CEST作用酰胺质子转移率，即化学交换饱和转移率 （chemical exchange saturation transfer ratio,CESTR），它与交换速率之间的关系

其中α是标记系数，δ是溢出因子，ksw是从酰胺质子到水质子的化学饱和交换速率，f是酰胺质子与水质子的比率，而R1w是水的纵向弛豫率。

pKw是水的电离常数，k0和kb分别是自发的和碱催化的化学交换速率[6,10]。

MTRasym参数的计算不可忽视MT效应、DS效应及NOE效应，因此需要优化的成像方法来减少这些效应的影响。

1.2.2 APTR*法 APTR*法是一种基于Bayesian模型拟合所得到的方法。该方法将成像影响因素作为一个单独的质子池，生成“三池”模型——水质子池、酰胺质子池和不对称磁化传递池，通过一定计算获得更纯净的酰胺质子效应信息。APTR*可以由公 式计 算 获 得 ， 其 中MW（3.5ppm）和 MW+α（3.5ppm）代表施加饱和脉冲后的水池以及水和酰胺质子池在3.5ppm处的水分子信号强度，M0为未施加饱和脉冲时的信号强度。进而可以得到与pH之间的换算关系：

pH=1.951×（APTR*）0.2444+4.807。 APTR* 减少了成像干扰因素的影响，更加纯化了信号强度，便于计算交换速率，利于反映真实的pH[11]。但APTR*方法处理数据时间较长，并且连续饱和脉冲会增加计算的难度[12]。

1.2.3 其他 为更好评价酰胺质子转移，Jin等[13]研究了9.4 T场强下APT、NOE与pH的关系，提出分别放置3个脉冲在酰胺质子峰（3．5ppm）和该峰的两界，当两界的间隔足够小时，酰胺质子峰与两界平均值之间的差值接近真实的APT效应，称为表观APT（APT*）。该方法对组织酸中毒有很高的敏感性，但是APT*要求有较高的场强和较窄的带宽。目前不断有新的手段辅助快速获得磁共振pH成像的影像，如CEST磁共振指纹识别 （CEST-magnetic resonance finger printing,CEST-MRF）方法[14]，这提高了成像的速度。

2 pH成像影响因素及优化

磁共振pH成像主要受CEST速率的影响，交换速率是通过信号强度来间接获得，因此凡是影响到信号强度的因素都会影响pH成像的准确性。pH成像的影响因素主要包括MT效应、DS效应、NOE效应以及纵向弛豫时间（T1）等[4]。为了减少这些因素的影响，除了改进成像方法外，还可以针对影响因素采取一系列优化措施。

MT相对于水峰 （0ppm）的频率不是绝对对称的，这与场强的不均匀性相关。为了克服场强（B0）不均匀对信号的影响，最初采用对Z谱进行校正的方法，目前最新的方法是一种基于高分辨率场图的校正算法。这些方法可以补偿场的非均匀性[4,15]。

选择合适的射频（radio frequency,RF）不仅可以减少DS的影响，还会减少T1的影响。有研究[16]发现在4.7 T场强下0.75 μT的RF可呈现出最好的影像对比，而高于或低于0.75 μT的影像均不及前者。此外，还有研究者[17]采用不均匀分段RF的方法，这种方法能够在快速获得多层影像的同时提高pH成像的敏感性。

将NOE效应与CEST效应分离能够消除NOE效应对pH成像的影响。Jin等[13]在9.4 T场强下利用三偏移脉冲方法分离了CEST信号与NOE信号，发现NOE并不具有pH依赖性，但具有浓度依赖性；而另有研究者[18]反驳了该观点，认为上述结论归因于采用的计算方法，同时发现在低功率RF的情况下，NOE效应的pH依赖性在-3.5ppm和-5ppm之间。这提示应探索新方法来将NOE与CEST信号分离，同时应进一步研究NOE效应与pH的关系。

研究者[19]发现在高场强、功率较小的RF、稳态采集以及无明显DS效应的条件下进行APT成像时，有必要对T1进行标准化。而在临床MRI设备上（通常是低场或非稳态采集），当选择适当的序列参数时，可能不需要进行T1标准化。

3 磁共振pH成像在中枢神经系统的应用

3.1 缺血性卒中 缺血性卒中与脑细胞的pH环境有着紧密关系。Sun等[21]发现磁共振pH成像与乳酸浓度有明显相关性，即与组织酸化程度相关。脑组织代谢活动主要依赖于有氧条件下的糖酵解。而缺血时，脑组织无氧呼吸增加，乳酸堆积引起酸中毒，使脑细胞死亡。

磁共振pH成像可用于识别缺血性卒中不同区域的pH情况。有研究[22]利用APTR*方法分析12例病人的酸中毒情况发现，酸中毒从重到轻依次为梗死核心、最终进展为梗死的低灌注区、最终存活的低灌注区。对于缺血半暗带，既往影像学常用的识别方法是观察扩散加权成像（DWI）与灌注加权成像（PWI）之间的错配区域，但这种方法无法区分真实缺血半暗带与良性缺血区。有研究者[23]采用MTRasym法在缺血性卒中动物模型中发现，pH图像的信号异常区总是大于或等于DWI信号异常区，而小于或等于PWI信号异常区，提示DWI范围外存在缺血酸中毒区域，证明了酸中毒的范围更能反映缺血半暗带。同时，也有研究者[24]利用弛豫校正的MTRasym法将DWI-PWI错配区域划分成pH-DWI错配区和PWI-pH错配区，并发现这两部分的pH存在差异，pH-DWI错配区的pH值更低。

磁共振pH成像也可用于观察缺血性卒中的动态转归过程。不同时间点的脑细胞缺血状态不同，酸化程度就不同。有研究[25]利用MTRasym法发现随着缺血性卒中进展到亚急性晚期，病灶的信号也随之增高，提出缺血性卒中后组织酸化持续存在，但会随时间增加而减轻。采用MTRasym法研究卒中后再灌注动物模型显示，梗死病灶的信号随着恢复灌注而增高，显示局部组织酸化逆转[26]。

随着磁共振pH成像方法的不断进展，它能够为缺血性卒中不同区域的代谢状态和转归判断提供更多有价值的辅助信息。

3.2 脑肿瘤 有研究[27]发现脑肿瘤细胞在有氧与无氧条件下皆会不断产生乳酸，并转运到细胞外，细胞外乳酸不断累积，pH值下降。因此，肿瘤细胞内外存在与正常组织细胞相反的pH梯度，这种细胞微环境的酸化有助于其逃避凋亡、耐药及增殖，并增加侵袭性及转移潜能[28]。一些文献[29-30]就CEST在脑胶质瘤（多为高级别）和转移瘤方面的应用做了总结分析。关于磁共振pH成像可辅助脑肿瘤的诊断和治疗的研究也在不断报道。Wang等[31]利用MTRasym法对90例胶质瘤病人分析发现，在高级别胶质瘤的T2WI高信号且无强化的区域，脑血容量（CBV）与酸度呈正相关，而在低级别的胶质瘤中则无这种关系，这对鉴别高级别及低级别胶质瘤有提示作用，同时反映了高级别胶质瘤的不均质性。Ferrauto等[32]利用外源性比率法发现细胞外低pH值的胶质瘤具有更高表达的控制增殖免疫表型，说明磁共振pH成像可预测胶质瘤的增殖潜能。另外，磁共振pH成像还可以辅助脑肿瘤治疗。Yao等[33]采用MTRasym法发现化疗后残存的和新发的酸化区域可以早期预测肿瘤的复发，便于调整治疗方案。Lim等[34]利用AACID法发现脑肿瘤细胞模型的pH梯度随时间而不断增加，放化疗药物具有弱酸性和弱碱性，对pH梯度的了解有助于指导选择治疗药物。因此，磁共振pH成像优势不仅在于辅助脑肿瘤pH环境评价，更可以依据pH环境辅助治疗。

3.3 其他 磁共振pH成像目前在其他领域也有尝试。已有研究[35]采用MTRasym方法发现了磁共振pH成像在颅脑创伤方面的潜在价值，它可以识别创伤后酸中毒造成的最易长期损害的组织，并且发现创伤后脑组织pH值降低会影响脑功能及6个月后的预后。另外，有研究者[36]提出磁共振pH成像对反映新生儿缺血缺氧性脑病的受累情况具有潜在应用价值，这有待于进一步研究。目前，CEST技术已用于阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化以及儿童脑发育过程，但大部分研究用于监测脑组织蛋白含量变化，磁共振pH成像目前未见用于这些疾病[37-38]。

4 小结

磁共振pH成像技术可以反映组织的代谢信息，赋予MR技术新的诊断意义，但是该技术尚未广泛应用于临床。虽然有很多减少成像干扰因素的方法，但仍不具备临床应用的条件。活体内“多池”比体外更复杂，以及不同研究中心技术应用的差异也会造成所得结论在互相验证上存在着干扰。今后应进一步优化磁共振pH成像技术，通过探索通用的后处理方法来保证成像的质量及加强应用的稳定性和准确性，以利于不同中心共同研究。同时，磁共振pH成像需要不断加强临床实验，才能发挥其对人体疾病的不可替代的诊断价值。