磁共振成像(MRI)是一种强大的诊断成像工具，全球每年进行超过1亿次扫描。虽然磁共振信号包含来自多种分子和众多物理及生物过程的丰富信息，但目前的临床MRI检查仅依赖于组织中水分子的信号，通常一次只能获取一种组织生物标志物。然而，MRI的潜力远不止于此。
由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校领导的研究团队已成功开发出一种新技术——多路复用MRI（MRx），该技术能够使用标准的临床3T MRI扫描仪同时映射多种分子信号。
使用常规MRI进行多参数成像的主要障碍在于"维度诅咒"，即高维成像需要过长的扫描时间。同时，多分子MRI受到脑代谢物和神经递质弱信号的限制（通常比水分子的质子信号弱1000-10000倍），这些信号常常重叠，难以检测和分离。
"MRx通过专门的数据采集和处理策略克服了这些挑战，"研究负责人梁志培解释说。"在数据采集过程中，MRx通过稀疏采样同时激发和编码所有可检测的分子信号，以实现高成像速度。在数据处理过程中，MRx采用基于物理学的机器学习方法来分离和量化不同的信号成分。"
研究人员在《自然》杂志上报告了他们的发现，展示了单次扫描中对全脑22种定量生物标志物的高分辨率映射。他们还展示了新的稀疏采样方案如何仅需14分钟就能获取这些生物标志物——这比可能需要长达一小时的临床多对比度MRI协议要短得多。
"我们的主要动机是开发一种'全能'成像技术，充分利用磁共振信号中蕴含的丰富生物信息，使我们能够揭示大脑功能和疾病的结构、生理和分子特征，"梁志培说。
体内研究
MRI广泛用于脑肿瘤诊断，以评估肿瘤位置、大小和范围，以及血脑屏障的破坏情况。然而，标准MRI扫描不能直接显示潜在的病理生理变化和肿瘤异质性。另一方面，MRx可以获取广泛的生物标志物，提供有关神经元损失、能量代谢、轴突损伤、缺氧、脱髓鞘等过程的宝贵信息。
为了测试该技术，梁志培及其同事对临床上诊断为脑肿瘤的患者进行了MRx成像，使用机器学习将测量的生物标志物组合成一个定义每个像素处组织状态的单一变量。这种MRx"组织状态指数"可以区分八种不同的组织状态：灰质、白质、脑脊液、水肿（液体积聚）、脑膜瘤、低级别和高级别少突胶质瘤以及胶质母细胞瘤。标准的多参数MRI无法区分这些状态。
这种准确表征组织状态的能力可以实现一系列重要的临床任务，例如对低级别与高级别脑肿瘤进行分级，或在放射治疗规划过程中将胶质母细胞瘤与水肿区分开来。
MRx对于多发性硬化症（MS）的病变表征也可能非常有价值，这是对患者进行分层、规划治疗和预测疾病进展的关键过程。研究人员证明，对MS患者的MRx可以区分活动性和慢性MS病变，无需像目前常规做法那样使用造影剂，这归功于该技术能够可视化特定于个体病理生理过程的生物标志物。
此类MRx生物标志物还有助于预测病变进展，通过捕捉常规MRI无法揭示的关键病理生理特征，这一特点可以实现早期干预并改善患者预后。
除了癌症和MS外，MRx还可以使许多其他脑部疾病受益，例如中风、癫痫和阿尔茨海默病。"MRx有望为大脑绘图和包括神经和神经退行性疾病在内的脑部疾病精准医疗开辟新的机会，"梁志培说。
在这项最新研究中报告的基于质子的研究中，MRx无需对MRI扫描仪硬件进行任何修改即可执行。相反，该方法是通过用于数据采集的新脉冲序列和用于数据处理的定制软件来实现的。梁志培指出，将MRx扩展到包括多种原子核（如钠、磷和氘）将需要专门的多核射频线圈硬件。
"我们目前的工作重点是进一步提高MRx在实际临床成像条件下的稳健性和可靠性，以促进科学研究和临床转化，"他告诉《Physics World》，并指出MRx已经通过西门子授权给全球的影像中心，以评估其临床潜力。"我们还在扩展该技术以绘制更多分子种类的图像，最终实现超越质子的多核多路复用成像。"
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