细胞级成像革命：如何“看清”2μm的肿瘤细胞？

OGSE是一种特殊的磁共振弥散成像技术，可以非常细致地检测人体组织，比如定量细胞的大小、密度等参数。它通过极高磁共振梯度性能可以捕捉到细胞在微米级（百万分之一米）的变化。这对早期发现和诊断脑胶质瘤等疾病非常有用。今天就为大家分享这种“磁共振显微镜”的巨大价值。

OGSE技术：微结构成像的奥秘

振荡梯度自旋回波（OGSE）技术因其可以提供细胞直径、细胞密度等细胞水平的组织微结构定量参数的独特能力，近年来已成为弥散成像领域最为热门的前沿技术之一。然而，该技术对梯度系统性能的要求极高，在一定程度上限制了其临床应用价值。GE医疗最新推出的SIGNA^TM MAGNUS 3.0T神经专用机可以实现300/750（幅值/切换率）的超高性能成像梯度，该设备已经在超高b值轴突定量成像、脑脊液流速定量、多回波脑功能成像等方向展现出巨大潜力。在MAGNUS的超高性能梯度加持下，利用OGSE技术可以在保证超短弥散编码时间的同时获取高b值图像，从而实现对微米级别尺度的胶质瘤细胞的高对比度成像和精准细胞学定量。

（左）SIGNA^TM MAGNUS 3.0T及（右）基于MAGNUS扫描的b_max = 30000 s/mm² (TE = 62.9 ms) 弥散加权图像生成的全脑轴突半径定量图谱

爱因斯坦扩散方程告诉我们，自由水分子扩散的平均距离与扩散时间的平方根成正比。振荡梯度自旋回波（OGSE）技术正是基于此原理，利用振荡编码的弥散梯度链实现极短的扩散编码时间（td），通过检测组织在不同td下弥散信号的变化机制，建立模型以定量出细胞直径、密度、体积分数等一系列细胞水平的微结构定量参数，在脑胶质瘤^[1]、乳腺癌^[2]、前列腺癌^[3]等领域都展现了较高的临床价值和应用潜力。

传统设备的瓶颈：为何OGSE难以普及？

OGSE对细胞尺度的检测能力取决于其编码频率（反比于td）。过去十余年间，大量研究已经从仿真、超高场、动物实验等角度证实了高频率OGSE对轴突尺度的定量检测能力^[4]。而作为一种弥散成像技术，OGSE的b值也对实现高对比度成像、克服噪声和IVIM效应对信号模型拟合精度的影响，有着至关重要的意义。然而，OGSE技术对磁共振梯度性能有着极高的要求。

1）高梯度幅值（G_max）：想要在保证一定b值的前提下提升OGSE的编码频率，需要极大的增加编码梯度的幅值

2）高切换率（SR_max）：缩短梯度链长度以降低TE，提升信噪比

通过对近年发表的3T下人体OGSE成像研究成果进行文献检索可以发现，即使在各设备厂商最顶级的临床型3T（G_max = 80 mT/m，SR_max = 200 T/m/s）上，所能实现的最大OGSE编码频率也普遍在30-40 Hz之间，对应的最大b值也仅为300-400 s/mm²，且对应的TE往往达到120 ms以上。这样的成像参数不仅意味着较低的弥散对比度和信噪比，还反映出其对细胞水平微结构检测能力的制约。事实上，既往的大量病理学研究报告指出，相比于体部肿瘤（乳腺癌、前列腺癌等）有着相对较大的细胞半径（6-10 μm），胶质瘤细胞的平均半径仅在4-7 μm^[6]。通过下图不难看出，如果需要对胶质瘤微结构进行细胞水平的敏感、精确的定量，所需的OGSE编码频率至少需要在60 Hz以上；如果要对2 μm尺度的细胞微结构进行精准定量，则所需的OGSE编码频率上升至100Hz；这显然大大超出了目前各临床型3T的成像能力。

（A）各种类型的梯度系统所对应的OGSE微结构检测能力；（B）不同尺度下OGSE所测量的ADC值随编码频率的变化曲线。

MAGNUS破局：超高性能梯度重塑OGSE潜力

在这一领域，具有超高性能梯度的SIGNA^TM MAGNUS系统显然有着巨大潜力。在第一代MAGNUS（G_max = 200 mT/m，SR_max = 500 T/m/s）的初步测试中，就首次将3T 磁共振的OGSE编码频率提升至百赫兹水平，实现对2-5 μm尺度的细胞尺寸精准定量，测量得到的胶质瘤细胞半径分布与病理报告值高度一致。

MAGNUS的超高性能梯度可实现100Hz以上的OGSE弥散编码，对2-5 μm尺度的胶质瘤细胞半径测量具有更高的定量精度。

在GE医疗最新推出的第二代SIGNA^TM MAGNUS系统中，得到进一步加强的梯度系统（G_max = 300 mT/m，SR_max = 750 T/m/s）可以实现更加优秀的OGSE成像参数：

1）在60 Hz的OGSE编码频率下，可以实现1100 s/mm²以上的b值和低达52 ms的TE值；

2）而当OGSE编码频率提升至100 Hz时，只有MAGNUS可以同时实现1000 s/mm²的高b值和100 ms以内的低TE值，得到高信噪比、高对比度、高微尺度探测能力的OGSE图像。

不同性能的梯度系统在高OGSE编码频率下能实现的b值和TE参数。对于全身型磁共振系统，即使200/200的梯度（C）也无法在100Hz下实现可接受的OGSE扫描参数；而MAGNUS（E）可以实现100 Hz下高质量的OGSE扫描参数

MAGNUS系统可以实现高频率、高b值、短TE（高信噪比）的高质量OGSE成像

临床应用：“磁共振显微镜”的无限可能

除了提升对微小细胞尺度的定量精准度，MAGNUS加持的OGSE技术还在神经成像领域展现出其他潜力。据近期发表在Magnetic Resonance In Medicine的一篇文章报道^[7]，基于MAGNUS实现的100 Hz高编码频率OGSE图像，可以生成新的图像对比度，以有效区分脑胶质瘤的真性进展和假性进展。

基于MAGNUS的高编码频率OGSE成像为区分胶质瘤真性与假性进展提供新的对比度。肿瘤的真性进展（第一行）在ADC比率图（第三列）上显示为高信号而在DWI tracer比率图（第四列）上显示为低信号。

另一项发表在NeuroImage的研究报道^[8]，来自斯坦福大学的研究团队在MAGNUS系统上首次实现了基于高b值 OGSE的在体人脑时间依赖弥散峰度成像（td-DKI），将DKI技术对微结构变化的高敏感性进一步扩充至弥散时间（空间尺度）维度。更进一步地，考虑到MAGNUS将OGSE的微结构空间尺度探测能力提升至2 μm水平，该技术在轴突完整性、脱髓鞘病变和白质损伤方面的应用前景也是值得期待的。

在MAGNUS超高梯度性能加持下，OGSE技术能突破传统扩散成像的时间限制，为研究组织微结构、疾病早期诊断及疗效快速评估提供全新工具，助力神经系统疾病的早诊早治，诊疗结合。

参考文献

1.Zhang H, Liu K, Ba R, et al. Histological and molecular classifications of pediatric glioma with time-dependent diffusion MRI-based microstructural mapping[J]. Neuro-oncology, 2023, 25(6): 1146-1156.

2.Ba R, Wang X, Zhang Z, et al. Diffusion-time dependent diffusion MRI: effect of diffusion-time on microstructural mapping and prediction of prognostic features in breast cancer[J]. European Radiology, 2023, 33(9): 6226-6237.

3.Wu D, Jiang K, Li H, et al. Time-dependent diffusion MRI for quantitative microstructural mapping of prostate cancer[J]. Radiology, 2022, 303(3): 578-587.

4.Xu J. Probing neural tissues at small scales: Recent progress of oscillating gradient spin echo (OGSE) neuroimaging in humans[J]. Journal of neuroscience methods, 2021, 349: 109024.

5.Xu J, Jiang X, Li H, et al. Magnetic resonance imaging of mean cell size in human breast tumors[J]. Magnetic resonance in medicine, 2020, 83(6): 2002-2014.

6.Zaccagna F, Riemer F, Priest A N, et al. Non-invasive assessment of glioma microstructure using VERDICT MRI: correlation with histology[J]. European radiology, 2019, 29: 5559-5566.

7.Zhu A, Shih R, Huang R Y, et al. Revealing tumor microstructure with oscillating diffusion encoding MRI in pre‐surgical and post‐treatment glioma patients[J]. Magnetic resonance in medicine, 2023, 90(5): 1789-1801.

8.Dai E, Zhu A, Yang G K, et al. Frequency-dependent diffusion kurtosis imaging in the human brain using an oscillating gradient spin echo sequence and a high-performance head-only gradient[J]. NeuroImage, 2023, 279: 120328.