Chemical exchange saturation transfer (CEST) MRI is a molecular imaging technique proven to be useful in imaging brain tumors or stroke. It has high sensitivity but lacks physical information about the cellular environment in biological tissues. Meanwhile, diffusion-weighted imaging (DWI) allows estimation of apparent diffusion coefficient (ADC) and provides information about the structure of tissues. In previous studies, it has been discussed that diffusion coefficients of brain metabolites can offer information on intracellular metabolites and their cellular structure. Nevertheless, little is known about the contrast map of metabolite ADC throughout the brain. The existing diffusion-weighted MR spectroscopy technique allows observation of metabolite ADC but the mapping is limited by the long scan time. However, CEST takes a shorter scan time and can easily be mapped. In that sense, we propose a CEST-weighted diffusion technique to map ADC weighted on different CEST agents. In this study, we aim to observe unique CEST-weighted ADC contrast on different frequency offsets and to examine the validity of the technique. The resulting CEST-w ADC values at amide proton transfer (APT) and nuclear Overhauser effect (NOE) peaks were different from one another and were smaller than traditional ADC in water protons in phantom and in vivo. The maps showed distinctive contrast, unlike CEST or ADC. The CEST-w ADC parameters were compared in different tissue types including cortical gray matter, white matter tracks, and CSF. The results suggest the technique can provide a novel contrast. We expect the proposed technique to allow us to understand brain metabolites in a new perspective, regarding the structure of intracellular space of CEST agents. Further study remains to understand the origin of the signal and to verify the role of the proposed contrast as a biomarker.
화학적 교환 포화 전이 (CEST) 자기공명 영상 기법은 뇌종양이나 뇌졸중 등의 질환을 영상화하는데에 유용하다. 이 방법은 민감도가 높지만 생물의 조직에서 세포 환경 등의 생리적 정보를 얻기 힘들다는 점이 있다. 한편 확산 강조 영상(DWI)은 겉보기 확산 계수 (ADC)를 추정할 수 있는 방법으로 조직의 구조를 알수 있게 해준다. 이전의 연구들에서는 뇌의 신진대사물의 (metabolite) ADC를 이용하면 세포 내 신진대사물의 확산 정보와 세포 구조에 대해 알 수 있다고 밝혔다. 하지만 뇌 전체 ADC의 대조 영상에 대한 것은 알려진 바 없다. 지금까지 존재하는 확산 강조(diffusion-weighted) 자기 공명 분광법(MR spectroscopy)은 신진대사물의 ADC의 관측을 가능하게 하지만 맵핑을 하기에는 긴 촬영시간으로 인해 어려움이 있었다. 반면에 CEST방법은 촬영시간이 더 짧아서 쉽게 맵핑할 수 있다. 그런 의미에서 우리는 화학적 교환 포화 전이 강조(CEST-weighted) 확산(diffusion) 기법을 제안하고 각각 다른 CEST 작용제를 강조한 ADC를 맵핑하려한다. 본 연구에서는 독특한 CEST-weighted ADC 대조를 다른 주파수 오프셋에서 관찰하고 이 기법의 타당성을 검토하려고 한다. 그 결과 아마이드 양성자 교환 (APT)와 핵 오버하우저 효과(NOE) 픽에서의 CEST-weighted ADC가 각각 달랐으며 기존의 물 분자 양성자의 ADC보다 낮은 것이phantom과 in-vivo에서 관찰되었다. 이렇게 얻어진 맵들은 기존의 CEST나 ADC 맵들과 구분되는 대조를 보였다. 각각의 CEST-weighted ADC 파라미터들은 대뇌 피질의 회백질과 백질 신경로, 뇌척수액의 뇌실 등 다른 종류의 조직에서 비교가 되었다. 이러한 결과는 제안하는 기법이 새로운 대조영상을 제공할 수 있다는 점을 시사한다. 우리는 이러한 기법이 CEST 작용제의 세포 내 환경 등에 관해 뇌의 신진대사물을 새로운 관점에서 이해할 수 있게 해줄 것이라고 기대한다. 또한 앞으로의 연구에서는 관찰된 신호의 근원과 바이오마커로서의 역할을 확인해볼 필요가 있다.
