一种用于评估肺部气体交换功能的超极化气体磁共振方法技术

本发明专利技术公开了一种用于评估肺部气体交换功能的超极化气体磁共振方法，受试者吸入超极化气体屏气；在饱和血红细胞信号后的一系列短时间内快速采集肺部的血红细胞信号；得到肺部组织间隔到血红细胞的动力学过程，并进行拟合得到气体交换时间常数T

【技术实现步骤摘要】
一种用于评估肺部气体交换功能的超极化气体磁共振方法


[0001]本专利技术涉及磁共振波谱
，具体涉及一种用于评估肺部气体交换功能的超极化气体磁共振方法，适用于基于超极化气体磁共振技术的肺组织间隔和血红细胞间的气体交换过程精细测量。

技术介绍

[0002]肺是人体的主要呼吸器官，健康成年人每天需要呼吸约10000升空气，从而完成氧气与二氧化碳的交换，维持机体正常运行。氧气通过肺部进入到血液，依次经过肺泡，肺组织间隔(包含肺实质与血浆)，最终与血红细胞结合并置换出二氧化碳，上述过程称为气体交换。
[0003]当前对肺部气体交换功能进行测量的临床方法主要有一氧化碳弥散量(DL
CO
)(Macintyre N,Crapo R O,Viegi G,et al..European Respiratory Journal,2005,26(4):720
‑
735.)和单光子发射计算机断层扫描(SPECT)(Bajc M,Sch
ü
michen C,Gr
ü
ning T,et al..European journal of nuclear medicine and molecular imaging,2019,46(12):2429
‑
2451.)。DL
CO
测试通过让受试者吸入含有一定量一氧化碳的混合气并屏气，通过测量受试者呼出的气体中一氧化碳的分压来评估氧气在肺泡与毛细血管间的气体交换能力。SPECT对受试者肺部的通气与血流灌注进行成像，获得肺部的通气灌注比(V/Q)，V/Q不匹配的区域即表明肺泡与毛细血管之间的交换存在阻碍，或是该处血流量少。上述两种方法能够对肺部肺泡与毛细血管间交换进行评估，但都无法将肺部的气体交换区域进行更细致的区分，从而获得更为精细的气体交换信息。
[0004]超极化氙气体磁共振成像(MRI，Magnetic Resonance Imaging)是近些年在临床快速推广的成像技术，该技术具有无创，无辐射，扫描时间短的优势。氙气体在进入肺部后，其气体传输路径与氧气类似，且由于氙气体在肺组织和血液中具有良好的溶解度，其在肺内会表现出肺泡、组织间隔和血红细胞中的三个磁共振信号，分别对应0ppm，197ppm和213ppm的化学位移，其中197ppm和213ppm的信号统称为溶解态信号。因此，可以通过检测超极化氙气体在肺内三个不同组分中的动力学过程，对肺部多组分间的气体交换功能进行定量评估。目前利用超极化氙气体磁共振进行肺部气体交换评估的技术主要有化学交换饱和转移(CSSR)(Ruppert K,Altes T A,Mata J F,et al.Magnetic resonance in medicine,2016,75(4):1771
‑
1780.)和氙极化转移(XTC)(Ruppert K,Brookeman J R,Hagspiel K D,et al.Magnetic Resonance in Medicine,2000,44(3):349
‑
357.；Amzajerdian F,Ruppert K,Hamedani H,et al.Magnetic Resonance in Medicine,2021,85(5):2709
‑
2722.)两种。CSSR通过饱和氙在肺内的溶解态信号，在等待一系列不同交换时间后对溶解态信号进行采集，从而获得肺内溶解态信号的动力学过程，该过程反映了肺泡与肺组织间隔，肺泡与血红细胞之间的气体交换信息。而XTC则是通过一系列饱和脉冲将氙在肺内的溶解态信号(肺组织间隔和血红细胞信号，或是二者其中之一)进行饱和，之后采集气态信号，通过气态信号的衰减来反推出肺泡到肺组织与血液、肺泡到肺组织间隔或是肺泡到血红细
胞的气体交换速率。然而，上述技术并没有实现对气体从肺组织间隔到血红细胞过程中的气体交换进行定量评价，而该过程是氧气在肺内运输的最后一个阶段，对该过程的气体交换进行测量具有重要意义。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种用于评估肺部气体交换功能的超极化气体磁共振方法，可以实现肺部肺组织间隔与血红细胞间气体交换动力学的精细测量。
[0006]本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0007]一种用于评估肺部气体交换功能的超极化气体磁共振方法，包含以下步骤，
[0008]步骤一、受试者在磁共振扫描仪中吸入超极化气体并进行屏气，采用设定射频激发角度θ的气态激发射频脉冲对准气态信号进行激发，得到气态信号S
GAS
(i)，其中i为步骤一至步骤四的循环测量序号，然后施加梯度损毁该气态信号的横向磁化矢量；
[0009]步骤二、采用多个带宽覆盖溶解态信号的溶解态饱和射频脉冲对准溶解态信号进行饱和，每一个溶解态饱和射频脉冲后都跟随损毁梯度以损毁被该溶解态饱和射频脉冲翻转到横向的溶解态磁化矢量；
[0010]步骤三、等待一个固定时间t0，采用一个选择性射频脉冲对血红细胞信号进行饱和，然后施加损毁梯度损毁该血红细胞信号的横向磁化矢量；
[0011]步骤四、等待一个交换时间Tex(i)，采用一个溶解态激发射频脉冲对准溶解态信号进行激发，得到血红细胞信号S
RBC
(i)，然后受试者正常呼吸；
[0012]步骤五、重复步骤一到步骤四n次，n>2，每次重复中改变交换时间Tex(i)的大小，得到一系列气态信号S
GAS
(i)与血红细胞信号S
RBC
(i)，i∈n；
[0013]步骤六、计算归一化血红细胞信号Nor_S
RBC
(i)，利用如下公式进行拟合获得肺组织间隔信号向血红细胞信号交换的时间常数T
T
‑
R
，
[0014][0015]式中S为S
RBC
(i)/S
GAS
(i)，t为Tex(i)，A为信号系数，B为血红细胞饱和残余量，A的具体表达式为A＝(1
‑
G
presat
)
j
×
(1
‑
G(t0))
×
cos(θ)/sin(θ)，其中G
presat
为步骤二中每一个溶解态饱和射频脉冲和对应的损毁梯度的施加总时间内由气态信号向溶解态信号交换的比例，j是步骤二中溶解态饱和射频脉冲的序号，G(t0)是步骤三中固定时间t0内由气态信号向溶解态信号交换的比例，θ为步骤一中的设定射频激发角度。
[0016]所述步骤一中的超极化气体为超极化
129
Xe或超极化
131
Xe或超极化
83
Kr。
[0017]所述步骤三中选择性射频脉冲为多瓣sinc脉冲或者SLR脉冲。
[0018]所述步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于评估肺部气体交换功能的超极化气体磁共振方法，其特征在于：包含以下步骤，步骤一、受试者在磁共振扫描仪中吸入超极化气体并进行屏气，采用设定射频激发角度θ的气态激发射频脉冲对准气态信号进行激发，得到气态信号S
GAS
(i)，其中i为步骤一至步骤四的循环测量序号，然后施加梯度损毁该气态信号的横向磁化矢量；步骤二、采用多个带宽覆盖溶解态信号的溶解态饱和射频脉冲对准溶解态信号进行饱和，每一个溶解态饱和射频脉冲后都跟随损毁梯度以损毁被该溶解态饱和射频脉冲翻转到横向的溶解态磁化矢量；步骤三、等待一个固定时间t0，采用一个选择性射频脉冲对血红细胞信号进行饱和，然后施加损毁梯度损毁该血红细胞信号的横向磁化矢量；步骤四、等待一个交换时间Tex(i)，采用一个溶解态激发射频脉冲对准溶解态信号进行激发，得到血红细胞信号S
RBC
(i)，然后受试者正常呼吸；步骤五、重复步骤一到步骤四n次，n>2，每次重复中改变交换时间Tex(i)的大小，得到一系列气态信号S
GAS
(i)与血红细胞信号S
RBC
(i)，i∈n；步骤六、计算归一化血红细胞信号Nor_S
RBC
(i)，利用如下公式进行拟合获得肺组织间隔信号向血红细胞信号交换的时间常数T
T
‑
R
，S＝A
×
(1
‑
e
‑
t/T
T
‑
R
)+B式中S为S
RBC
(i)/S
GAS
(i)，t为Tex(i)，A为信号系数，B为血红细胞饱和残余量，A的具体表达式为A＝(1
‑
G
presat
)
j
×
(1
‑
G(t0))
×
cos(θ)/sin(θ)，其中G
presat
为步骤二中每一个溶解态饱和射频脉冲和对应的损毁梯度的施加总时间内由气态信号向溶解态信号交换的比例，j是步骤二中溶解态饱和射频脉冲的序号，G(t0)是步骤三中固定时间t0内由气态信号向溶解态信号交换的比例，θ为步骤一中的设定射频激发角度。2.根据权利要求1所述的一种用于评估肺部气体交换功能的超极化气体磁共振方法，其特征在于，步骤一中的超极化气体为超极化
129
Xe或超极化
131
Xe或超极化
83
Kr。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：周欣，张鸣，李海东，李红闯，刘小玲，赵修超，孙献平，叶朝辉，
申请(专利权)人：中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，
类型：发明
国别省市：