تخمين نرخ تبادل شيميايي در پديده انتقال اشباع به واسطه تبادل شيميايي در تصويربرداري تشديد مغناطيسي از طريق حل معادلات بلاخ-مك كانل

Estimation of Chemical Exchange Rate by Numerical Solution to the Bloch-McConnell Equation in PARACEST MRI

تصويربرداري به روش تشديد مغناطيسي (MRI) با اندازه گيري غيرتهاجمي برخي از علائم فيزيولوژي امكان مطالعه وضعيت مولكول ها و رديابي آن ها كه متعاقب آن تشخيص زود هنگام بيماري را فراهم مي كند. انتقال اشباع به واسطه تبادل شيميايي (CEST) به عنوان يك كنتراست جديد در تشديد مغناطيسي براي مطالعات مولكولي محسوب مي شود. اين كنتراست يه پارامترهاي متعددي از جمله زمانهاي استراحت، نرخ تبادل شيميايي بين مولكولهاي آب و عامل كنتراست، غلظت عامل كنتراست و ويژگيهاي پالس الكترومغناطيسي (RF) بستگي دارد. نرخ تبادل شيميايي از پارامترهاي بسيار مهمي است كه با برخي از شاخصه هاي باليني از جمله PH، دما و غلظت متابوليسم ها وابستگي خوبي دارد كه در عين حال اندازه گيري آن چندان ساده نيست. در اين مقاله راهكاري براي اندازه گيري آن با استفاده از عرض پالس RF پيشنهاد مي شود. براي اين منظور ابتدا اثر CEST در غالب يك رابطه تحليلي بيان مي شود. نشان داده مي شود كه اين كنتراست به ازاء يك عرض پالس مشخص ماكزيمم خواهد شد. اين رابطه اثر انتقال مغناطيسي ناشي از ماكرومولكولهاي بافت بدن را به عنوان يك اثر مخرب را از خود اثر CEST متمايز مي كند. با فرض يك غلظت كنتراست معلوم، مي توان از طريق يك رابطه تحليلي، نرخ تبادل را با استفاده از عرض پالسي كه منجر به ماكزيمم شدن اثر CEST مي شود را تعيين كرد. صحت اين رابطه تحليلي از طريق مقايسه با تعريف غالب و عمومي براي اين اثر مطابقت داده شده است. ضمنا با اعمال سري تيلور بر روي رابطه تحليلي به فرمول هاي مرتبط با آن در مقالات معتبر، دست يافته شده است. در اين مقاله از داده معتبر و منطبق با ساختار بدن كه از يك ساختار سه حوضچه اي اخذ شده مورد استناد در مراجع معتبر، استفاده شده است. پيشنهاد مي گردد نتيجه اين بررسي به صورت عملي بر روي اسكنرهاي تشديد مغناطيسي پياده سازي گردد.

Magnetic resonance imaging (MRI) is a non-invasive technique that used to probe mobile proteins and microenvironment properties, and shows great promise for monitoring changes in cancer molecular biomarkers at the earliest time after therapy. Chemical exchange saturation transfer (CEST) is considered as new contrast in MRI for molecular studying. The CEST effect depends not only on the CEST agent concentration, the exchange rates, the characteristic of the MT pool, and the relaxation properties of the tissue, but also varies with the radio frequency (RF) pulse characteristics. Chemical exchange rate can be measured not easily, is important factor that depends to many physiology indexes as PH, temperature and so on. This article proposed a new approach for measuring chemical exchange rate through duration of the RF pulse. Then CEST effect must be explained as analytical solution that can considered magnetization transfer as undesired effect. There is an optimum duration that can maximize the CEST effect. The extracted optimal RF pulse duration is compared with that of the MTR asymmetry model in a three-pool system, using synthetic data that are similar to the muscle tissue. Accuracy of this analytical solution is compared to MTRasym as general definition of the CEST effect. To further validate the model, an approximate expression is created for the RF pulse duration, using the Taylor series, which corroborates to the findings of the previous research. The theoretical derivation was confirmed by numerical simulation, and further experimental validation is needed to evaluate the practically and sensitivity of the proposed technique.