一种多维核磁共振分子扩散耦合成像方法技术

本发明专利技术涉及一种多维核磁共振分子扩散耦合成像方法，包括以下内容：S1：设计核磁共振脉冲序列实现被测样品的测量，完成被测样品的核磁共振信号采集S2：对采集得到的核磁共振信号进行核磁共振数据处理和分析，得到局部体素分子扩散耦合信息；S3：调整选层梯度、相位编码梯度和频率编码梯度，获取被测样品在不同空间位置下分子扩散耦合分布，并对所有空间位置下分子扩散耦合分布进行重构，得到被测样品三维分子扩散耦合成像结果。本发明专利技术避免了由于生物组织或者材料的弛豫时间很短造成的采集信号差的问题，同时采集过程中使用CPMG回波串，将不同回波的信号幅值相加，进一步提高信号的信噪比，保证处理结果的准确可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种多维核磁共振分子扩散耦合成像方法
本专利技术涉及一种多维核磁共振分子扩散耦合成像方法，属于核磁共振

技术介绍
目前各种物理方法上的多维实验，例如光学、中子散射、超声波及核磁共振等领域，通过在不同维度上将对应的物理量进行耦合关联，可以得到对检测样品更为详细的信息。1965年Stejeskal和Tanner将水分子扩散和磁化矢量的散相建立了数学联系，其开发的测量水分子扩散的方法已成为最经典的磁共振扩散技术。通过采用两个大小和方向相同的梯度脉冲，即所谓的扩散敏感梯度脉冲，将测得的MR信号与未施加扩散敏感梯度测得的MR信号作比较，进而得到分子的扩散信息。而水分子的扩散与局部组织微观环境的集合特征密切相关。因此，通过测量水分子的扩散系数，分析不同扩散方向下核磁共振多维信号，可以得到生物组织或者物质的物理特征、空间微观结构和化学组成等重要信息。例如：双脉冲场梯度(d-PFG)可测量神经系统的平均轴突直径，并已用于检测脑损伤。但是现有方法采用多扩散和松弛/扩散编码，由于需要多个方向上的扩散编辑，整个实验时间较长，采集到的磁共振信号受到弛豫时间的影响较大，因此仅仅适用于横向弛豫时间长、内部磁场效应不明显的组织或材料。如果将多维扩散和松弛/扩散编码序列与成像梯度结合，信号的损失甚至会更明显，信噪比更低，通过数据处理得到的各方向上扩散系数误差较大，造成结果可信度较低。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能够提高信号信噪比且测试结果准确的多维核磁共振分子扩散耦合成像方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种多维核磁共振分子扩散耦合成像方法，包括以下内容：S1：设计核磁共振脉冲序列实现被测样品的测量，完成被测样品的核磁共振信号采集S2：对采集得到的核磁共振信号进行核磁共振数据处理和分析，得到局部体素分子扩散耦合信息；S3：调整选层梯度、相位编码梯度和频率编码梯度，获取被测样品在不同空间位置下分子扩散耦合分布，并对所有空间位置下分子扩散耦合分布进行重构，得到被测样品三维分子扩散耦合成像结果。进一步地，所述步骤S1的具体过程为：1)在脉冲发射通道向被测样品施加90°射频软脉冲将宏观磁化强度矢量M0扳转90°；2)与步骤1)同步，在第一成像梯度发射通道施加宽度为G1w、高度为G1h的梯度脉冲，该脉冲用于选择被测样品某一特定观测层位；3)在第二成像梯度发射通道施加宽度为G2w、高度为G2h的梯度脉冲，该脉冲用于选择步骤2)选择层位下的某一特定观测体素列；4)在第三成像梯度发射通道施加宽度为G3w、高度为G3h的梯度脉冲，该脉冲用于选择步骤3)特定体素列下的某一特定观测体素；5)在X方向的扩散梯度发射通道施加宽度为δ、高度为gmax的可变高度梯度脉冲，该脉冲用于对步骤4)选择的观测体素进行第一方向的分子扩散信息编辑；6)在Y方向的扩散梯度发射通道施加宽度为δ、高度为gmax的可变高度梯度脉冲，该脉冲用于对步骤4)选择的观测体素进行第二方向的分子扩散信息编辑；7)在脉冲发射通道上施加一个180°射频硬脉冲，该梯度脉冲用于反转散相磁化矢量；8)在X方向的扩散梯度发射通道距离步骤5)梯度脉冲结束Δ时间之后施加宽度为δ、高度为gmax的可变高度梯度脉冲，该脉冲用于对步骤4)选择的观测体素进行第一方向的分子扩散信息提取；9)在Y方向的扩散梯度发射通道距离步骤6)梯度脉冲结束Δ时间之后施加宽度为δ、高度为gmax的可变高度梯度脉冲，该脉冲用于对步骤4)选择的观测体素进行第二方向的分子扩散信息提取；10)在脉冲发射通道继续发射一系列180°射频硬脉冲，在第三成像梯度发射通道继续发射一系列宽度为2G3w、高度为G3h的梯度脉冲，在信号接受通道提取N个回波串峰值，对步骤4)选择的观测体素分子扩散信息进行采集；11)改变步骤5)和步骤8)内脉冲梯度的高度p次，在信号接受通道重复提取N个回波串峰值，对步骤4)选择的观测体素分子扩散信息进行采集；12)改变步骤6)和步骤9)内脉冲梯度的高度q次，在信号接受通道重复提取N个回波串峰值，对步骤4)选择的观测体素分子扩散信息进行采集，共采集得到回波信号p*q*N个，此时完成数据采集的第一部分；13)重复步骤1)～步骤12)，并将步骤6)和步骤9)中的脉冲梯度调整为反向脉冲，进行相应数据采集和循环，共采集得到回波信号p*q*N个，完成数据采集的第二部分。进一步地，所述步骤S2的具体过程为：(1)将采集的核磁共振信号表达为：M＝K1FK2其中，F为分子扩散耦合分布函数，K1和K2均为核函数,M为擦剂的两部分核磁共振信号的乘积；(2)将两个核函数矩阵进行SVD分解及奇异值截取，对采集数据进行压缩处理：对核函数矩阵进行奇异值分解可得：K1＝U1·S1·V′1K2＝U2·S2·V′2其中，S1和S2对角线元素值从大到小排列，且为对角矩阵，大小分别为S1×S1和S2×S2；S1为K1非零奇异值个数，S2为K2非零奇异值个数，U1，V1和U2，V2为正交单位阵，对对角矩阵S1和S2进行截取，使得核函数矩阵的条件数满足设定值C，即：其中，通常设定C为1000，和分别对应K1和K2最大的奇异值，即对角矩阵S1和S2的第一个对角线元素，表示K1的第i个奇异值，表示K2的第j个奇异值；(3)截取之后的奇异值分解的单位矩阵对实测数据进行压缩：压缩后的磁化矢量为：其中，U′1和V′2为K1和K2核函数矩阵做SVD分解后得到的单位矩阵U1和V2的转置矩阵；(4)引入正则化项对数据矩阵进行反演：采用Tikhonov正则化方法，引入平滑项来求解：其中，p是正则化因子，||·||项代表矩阵的Frobenius范数，通过非负约束步骤得到特定正则化因子p下的非负约束解f，得到的解通过以下公式得到求解结果与测量结果的残差分布：χ(p)＝||M-Kf(p)||2获得最优平滑因子popt：其中，K为核函数矩阵、pheel为χ(p)二阶求导得到的最大值；(5)基于最优平滑因子得到最终解fr：其中，为压缩截取后残余矩阵的张量积矩阵，fr为列向量。进一步地，所述步骤S3的具体过程为：通过调整所述步骤S1中的步骤2)～步骤4)内脉冲梯度的宽度与高度，改变选择体素空间位置，重复所述步骤S1中的步骤5)～步骤14)，在信号接受通道对新选择的被测样品观测体素进行分子扩散的核磁共振信号采集，通过所述步骤S2进行处理获取不同空间位置下分子扩散耦合分布。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本专利技术将同一时间的不同方向上的分子扩散信息关联在二维磁共振技术中，由于扩散发生在同一时间，无需额外的时间来编辑第二方向的扩散信息，因此大大缩短了实验时间，避免了由于生物组织或者材料的弛豫时间很短造成的采集信号差的问题，同时采集过程中使用CPMG回波串，将不同回波的信号幅值相加，进一步提高信号的信噪比，保证处理结果的准确可靠。2、本专利技术大大缩短了二维分子扩散关联实验的采集时间，对于观测或监控某些生物样本的动态变化极为有利。附图说明图1为本专利技术实施例所提供的核磁共振分子扩散耦合成像方法所需脉冲序列图第一部分；其中，TRS代表核磁共振系统的脉冲发射通道，GRD代表核磁共振系统的梯度发射通道，ACQ代表核磁共振系统的信号接受通道；图2为本专利技术实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多维核磁共振分子扩散耦合成像方法，其特征在于包括以下内容：S1：设计核磁共振脉冲序列实现被测样品的测量，完成被测样品的核磁共振信号采集S2：对采集得到的核磁共振信号进行核磁共振数据处理和分析，得到局部体素分子扩散耦合信息；S3：调整选层梯度、相位编码梯度和频率编码梯度，获取被测样品在不同空间位置下分子扩散耦合分布，并对所有空间位置下分子扩散耦合分布进行重构，得到被测样品三维分子扩散耦合成像结果。

【技术特征摘要】
1.一种多维核磁共振分子扩散耦合成像方法，其特征在于包括以下内容：S1：设计核磁共振脉冲序列实现被测样品的测量，完成被测样品的核磁共振信号采集S2：对采集得到的核磁共振信号进行核磁共振数据处理和分析，得到局部体素分子扩散耦合信息；S3：调整选层梯度、相位编码梯度和频率编码梯度，获取被测样品在不同空间位置下分子扩散耦合分布，并对所有空间位置下分子扩散耦合分布进行重构，得到被测样品三维分子扩散耦合成像结果。2.根据权利要求1所述的多维核磁共振分子扩散耦合成像方法，其特征在于，所述步骤S1的具体过程为：1)在脉冲发射通道向被测样品施加90°射频软脉冲将宏观磁化强度矢量M0扳转90°；2)与步骤1)同步，在第一成像梯度发射通道施加宽度为G1w、高度为G1h的梯度脉冲，该脉冲用于选择被测样品某一特定观测层位；3)在第二成像梯度发射通道施加宽度为G2w、高度为G2h的梯度脉冲，该脉冲用于选择步骤2)选择层位下的某一特定观测体素列；4)在第三成像梯度发射通道施加宽度为G3w、高度为G3h的梯度脉冲，该脉冲用于选择步骤3)特定体素列下的某一特定观测体素；5)在X方向的扩散梯度发射通道施加宽度为δ、高度为gmax的可变高度梯度脉冲，该脉冲用于对步骤4)选择的观测体素进行第一方向的分子扩散信息编辑；6)在Y方向的扩散梯度发射通道施加宽度为δ、高度为gmax的可变高度梯度脉冲，该脉冲用于对步骤4)选择的观测体素进行第二方向的分子扩散信息编辑；7)在脉冲发射通道上施加一个180°射频硬脉冲，该梯度脉冲用于反转散相磁化矢量；8)在X方向的扩散梯度发射通道距离步骤5)梯度脉冲结束Δ时间之后施加宽度为δ、高度为gmax的可变高度梯度脉冲，该脉冲用于对步骤4)选择的观测体素进行第一方向的分子扩散信息提取；9)在Y方向的扩散梯度发射通道距离步骤6)梯度脉冲结束Δ时间之后施加宽度为δ、高度为gmax的可变高度梯度脉冲，该脉冲用于对步骤4)选择的观测体素进行第二方向的分子扩散信息提取；10)在脉冲发射通道继续发射一系列180°射频硬脉冲，在第三成像梯度发射通道继续发射一系列宽度为2G3w、高度为G3h的梯度脉冲，在信号接受通道提取N个回波串峰值，对步骤4)选择的观测体素分子扩散信息进行采集；11)改变步骤5)和步骤8)内脉冲梯度的高度p次，在信号接受通道重复提取N个回波串峰值，对步骤4)选择的观测体素分子扩散信息进行采集；12)改变步骤6)和步骤9)内脉冲梯度的高度q次，在信号接受通道重复提取N个回波串峰值，对步骤4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗芳荣，
申请(专利权)人：中国科学院生物物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11