一种用于脑部超极化气体磁共振成像的参数优化方法技术

本发明专利技术公开了一种用于脑部超极化气体磁共振成像的参数优化方法，包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
一种用于脑部超极化气体磁共振成像的参数优化方法


[0001]本专利技术涉及磁共振成像
(Magnetic Resonance Imaging
，
MRI)

，具体涉及一种用于脑部超极化气体磁共振成像的参数优化方法
。
适用于在脑部超极化气体
MRI
实验中建立重复时间
(RepetitionTime,TR)
与射频翻转角度
(Flip Angle,FA)
的对应关系，进而获得优化的成像实验参数，缩短成像采集时间
。

技术介绍

[0002]MRI
是一种以质子为信号观测核的影像学方法，能够对人体的组织与器官进行结构与功能成像
。
除质子以外，磁共振还能够对其他自旋不为零的多种原子核进行检测
(
称为多核磁共振：
Multi
‑
nuclear magnetic resonance spectroscopy:state of the art and future directions[J].Insights into Imaging,2022,13(1):135.)。
其中，惰性气体原子核
129
Xe
可以通过自旋交换光泵技术实现信号的数万倍增强
(
超极化
)
，由于
129
Xe
具有良好的组织溶解性与化学位移敏感性，其被吸入肺内后会进入毛细血管，随血液循环到脑部，并展现出多个独特的化学位移信号
(High resolution spectroscopy and chemical shift imaging of hyperpolarized 129
Xe dissolved in the human brain in vivo at 1.5tesla[J].Magnetic resonance in medicine,2016,75(6):2227
‑
2234.)。
因为
129
Xe
的
MRI
没有背景信号干扰，其天然具有脑部灌注信息评估的优势，近年来脑部超极化
129
Xe
的
MRI
也受到广泛研究
。
[0003]脑部超极化
129
Xe
的
MRI
中的信号是由血液循环将肺部的超极化
129
Xe
原子核带入脑部累积进行建立
。
因此，为了对脑部信号进行测量，往往需要受试者吸入超极化
129
Xe
气体后屏气一段时间后再进行成像，而受试者屏气时间有限；而对于临床前超极化
129
Xe MRI
研究常用的动物
(
如大鼠
、
小鼠
、
豚鼠等
)
，一方面无法自主屏气，另一方面由于本身成像区域远小于人体，信号微弱，因此其脑部信号测量是在重复呼吸超极化
129
Xe
气体过程中采集的，而采样时间决定了动物呼吸超极化
129
Xe
气体的体积，该体积受到气体采样袋容量限制
。
因此，成像序列的采集时间是脑部超极化
MRI
中的重要优化指标
。
[0004]MRI
中序列采集时间等于重复时间
(Repetition Time,TR)
乘以相位编码数，因此缩短重复时间能直接降低序列采样时间
。
在脑部超极化
MRI
中，超极化后的
129
Xe
原子核的磁化矢量被射频脉冲消耗后不可恢复，仅可以通过新流入脑部的血液中携带的超极化
129
Xe
原子核信号进行补充
。
因此，当射频翻转角
(Flip Angle,FA)
为
90
°
时，过短重复时间
TR
的会导致脑部超极化
129
Xe
信号来不及补充，进而采集到的信号强度小，而长重复时间
TR
虽然能够保证采样中脑部超极化
129
Xe
磁共振信号的补充，但对于受试者，往往无法耐受较长的屏气时间；而对于动物，能够用于重复呼吸维持体内超极化
129
Xe
信号的气体量有限
。
通过减小射频翻转角
FA
，可使每次射频消耗的超极化
129
Xe
信号与脑部新流入的超极化
129
Xe
信号达到动态平衡
。
因此可以通过合适的小射频翻转角
FA
与短重复时间
TR
的组合，来实现脑部超极化
129
Xe
信号相对
90
°
与长重复时间
TR
下脑部超极化
129
Xe
信号的等效
。
此外，实验中设置的重复时间
TR
也必然对应一个优选的射频翻转角
FA
可以获得最大的脑部超极化
129
Xe
稳态信号
。
目前脑部超极化
129
Xe
的
MRI
研究主要包括脑部
129
Xe
动力学建模研究
(Hyperpolarized 129
Xe MRI of the rat brain with chemical shift saturation recovery and spiral
‑
IDEAL readout[J].Magnetic Resonance in Medicine,2022,87(4):1971
‑
1979
；
Development of a fast method for quantitative measurement of hyperpolarized 129
Xe dynamics in mouse brain[J].NMR in Biomedicine,2012,25(2):210
‑
217.)
与脑部
129
Xe
成像方法研究
(Hyperpolarized 129
Xe time
‑
of
‑
flight MR imaging of perfusion and brain function[J].Diagnostics,2020,10(9):630.
；
Hyperpolariz本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于脑部超极化气体磁共振成像的参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：成像对象吸入超极化
129
Xe
气体，然后对成像对象的脑部进行
3n
次变角度磁共振波谱序列射频激发与数据采集，其中，第1～
n
次射频激发时的发射电压
U
a
对应射频翻转角
θ
a
，第
n+1
～
2n
次射频激发时的发射电压
U
b
对应射频翻转角
θ
b
，第
2n+1
～
3n
次射频激发时的发射电压
U
c
对应射频翻转角
θ
c
，获取第1～
3n
次采集到的超极化
129
Xe
信号强度
S1～
S
3n
，根据超极化
129
Xe
信号强度
S1～
S
3n
计算脑部超极化
129
Xe
灌注速率
A
，射频翻转角
θ
a
，射频翻转角
θ
b
，射频翻转角
θ
c
，脑部超极化
129
Xe
信号建立时间常数
T
flow_in
，换算因子
a1与电压偏置
b1；步骤2：构建脑部稳态超极化
129
Xe
磁共振信号强度
S
E
表达式，并建立重复时间
TR
sim
与优选射频翻转角
α
E
的等式关系；步骤3：建立射频翻转角为
90
°
以及对应的重复时间
TR
90
与目标等效射频翻转角
α
aim
以及目标等效射频翻转角
α
aim
对应的重复时间
TR
aim
之间的等效关系；步骤4：计算脑部超极化
129
Xe
密度加权成像序列的重复时间
TR
MRI
、
对应的最优射频翻转角
α
E_DW
、
以及对应的发射电压
U
E_DW
，进行脑部超极化
129
Xe
密度加权成像序列扫描；计算脑部超极化
129
Xe
灌注加权成像序列的最小的重复时间
TR E_PW
、
对应的优选射频翻转角
α
E_PW
、
以及对应的发射电压
U
E_PW
，进行脑部超极化
129
Xe
灌注加权成像序列扫描
。2.
根据权利要求1所述的一种用于脑部超极化气体磁共振成像的参数优化方法，其特征在于，当成像对象为动物时，所述步骤1包含以下步骤：步骤
1.1
：动物平躺于磁共振扫描床上，佩戴脑部超极化
129
Xe
气体
MRI
线圈；步骤
1.2
：通过呼吸机令动物交替吸入超极化
129
Xe
气体与氧气，若干次交替呼吸循环后，对动物脑部进行
3n
次变角度磁共振波谱序列的射频激发与数据采集，分别采集到第1～
n
次射频激发下的脑灰质内的超极化
129
Xe
信号强度
S1～
S
n
；第
n+1
～
2n
次射频激发下的脑灰质内的超极化
129
Xe
信号强度
S
n+1
～
S
2n
；第
2n+1
～
3n
次射频激发下的脑灰质内的超极化
129
Xe
信号强度
S
2n+1
～
S
3n
；采集期间动物保持超极化
129
Xe
气体与氧气的交替呼吸，采集完成后，动物的机械通气切换为正常呼吸氧气；步骤
1.3
：根据如下公式1‑1对开始超极化
129
Xe
气体
‑
氧气交替呼吸后，任意时刻脑部超极化
129
Xe
的磁化矢量
M
t
(t)
进行建模：
M
t
(t)
＝
P*C
b
*T
flow_in
*V
T
*(1
–
e^(
–
t/T
flow_in
))*e^(
–
t/T
lung
)
ꢀꢀ
公式1‑1其中，
^
代表幂运算，
t
为开始交替呼吸后经过的时间，
P
为单位组织的血流灌注速率，
C
b
为血液内的超极化
129
Xe
磁化矢量浓度，
T
flow_in
为脑部超极化
129
Xe
信号建立时间常数，
V
T
为脑组织体积，
T
lung
为超极化
129
Xe
气体在肺内的信号弛豫时间，超极化
129
Xe
气体在肺内的信号弛豫时间
T
lung
为无穷大，
e^(
–
t/T
lung
)
近似为1；步骤
1.4
：构建第
i
次采集到的超极化
129
Xe
信号强度
S
i
计算式为：
S
i
＝
(A*T
flow_in
–
(A*T
flow_in
–
S
i
‑1*cot(
θ
i
‑1))*e^(
–
TR
MRS
/T
flow_in
))*sin(
θ
i
)
公式1‑2其中，
S
i
和
S
i
‑1为第
i
次和第
i
‑1次采集到的超极化
129
Xe
信号强度，
i∈{2
，3，
…
，
3n}
，
A
为脑部超极化
129
Xe
灌注速率，
A
等于
P、C
b
和
V
T
的乘积，
θ
i
和
θ
i
‑1为第
i
次和第
i
‑1次激发时的射频翻转角，
TR
MRS
为变角度磁共振波谱序列的重复时间，将步骤
1.2
获得的超极化
129
Xe
信号强度
S1～
S
3n
带入公式1‑2中进行拟合；拟合时限定：
θ1～
θ
n
等于
θ
a
，
θ
n+1
～
θ
2n
等于
θ
b
，
θ
2n+1
～
θ
3n
等于
θ
c
，拟合得到
A
，
θ
a
，
θ
b
，
θ
c
，
T
flow_in
；
步骤
1.5
：对步骤
1.2
中设定的发射电压
U
a
，
U
b
，
U
c
以及步骤
1.4
中得到的
θ
a
，
θ
b
，
θ
c
根据如下公式1‑3进行线性拟合
U
j
＝
a1*
θ
j
+b1ꢀꢀ
公式1‑3其中，
j∈{a,b,c}
，线性拟合得到发射电压与射频翻转角之间的换算因子
a1与电压偏置
b1。3.
根据权利要求2所述的一种用于脑部超极化气体磁共振成像的参数优化方法，其特征在于，当成像对象为动物时，所述步骤2包含以下步骤：步骤
2.1
：对于以重复时间为
TR
sim
，射频翻转角为
α
的重复射频脉冲激发，将第
m+1
次激发之前的脑部超极化
129
Xe
信号的磁化矢量写为如下公式1‑4：
M(m+1)
＝
A*T
flow_in
–
(A*T
flow_in
–
M(m)*cos(
α
))*e^(
–
TR
sim
/T
flow_in
)
公式1‑4其中，
M(m)
与
M(m+1)
分别为第
m
次和第
m+1
次射频激发之前的脑部超极化
129
Xe
信号的磁化矢量；步骤
2.2
：构建脑部稳态超极化
129
Xe
磁共振信号强度
S
E
的表达式如下：
S
E
＝
(A*T
flow_in
*(1
–
e^(
–
TR
sim
/T
flow_in
)))*sin(
α
)/(1
–
cos(
α
)*e^(
–
TR
sim
/T
flow_in
))
公式1‑5步骤
2.3
：将脑部稳态超极化
129
Xe
磁共振信号强度
S
E
对射频翻转角
α
求导，得到
S
E
有极大值满足以下关系：
α
E
＝
arccos(e^(
–
TR
sim
/T
flow_in
))
公式1‑
7TR
sim
＝
T
flow_in
*(1
–
cos(
α
E
))
公式1‑8其中，
α
E
为优选射频翻转角
。4.
根据权利要求3所述的一种用于脑部超极化
129
Xe
磁共振成像的参数优化方法，其特征在于，所述步骤3中建立射频翻转角为
90
°
以及对应的重复时间
TR
90
与目标等效射频翻转角
α
aim
以及目标等效射频翻转角
α
aim
对应的重复时间
TR
aim
之间的等效关系基于以下公式1‑9：
TR
aim
＝
TR
90
*(1
–
cos(
α
aim
))/(sin(
α
aim
)
–
cos(
α
aim
)*TR
90
/T
flow_in
)
公式1‑9其中，
TR
aim
为目标等效射频翻转角
α
aim
对应的重复时间，
TR
90
为射频翻转角
90
°
对应的重复时间，
α
aim
为目标等效射频翻转角，
T
flow_in
为脑部超极化
129
Xe
信号建立时间常数
。5.
根据权利要求4所述的一种用于脑部超极化气体磁共振成像的参数优化方法，其特征在于，所述步骤4包含以下步骤：步骤
4.1
：动物平躺于磁共振扫描床上，佩戴脑部超极化
129
Xe
气体
MRI
线圈，通过呼吸机令动物交替吸入超极化
129
Xe
气体与氧气，一次超极化
129
Xe
气体与氧气交替呼吸的循环时间记为
T
loop
，一次循环内使用的超极化
129
Xe
气体量记为
V
Single
；步骤
4.2
：动物进行
T
flow_in
/T
loop
次超极化
129
Xe
气体与氧气的交替呼吸后，对动物进行脑部超极化
129
Xe
密度加权成像序列扫描，采集期间动物保持超极化
129
Xe
气体与氧气的交替呼吸，采集完成后，动物正常呼吸氧气；脑部超极化
129
Xe
密度加权成像序列的参数设置如下：脑部超极化
129
Xe
密度加权成像序列的重复时间
TR
MRI
计算式为：
TR
MRI
＝
(T
loop
*V
Bag
/V
Single
–
T
flow_in
)/N
p
，其中，
V
Bag
是超极化
129
Xe
气体采样袋中装有的超极化
129
Xe
气体体积，
T
loop
是动物一轮超极化
129
Xe
气体与氧气呼吸的循环时间，
T
flow_in
是脑部超极化
129
Xe
信号建立时间常数，
N
p
是设置的密度加权成像序列的相位编码数，根据公式1‑7，将
TR
MRI
计算式带入
TR
sim
，记计算得到的最优射频翻转角
α
E
为
α
E_DW
，并根据公式1‑3计算最优射频翻转角
α
E_DW
对应的发射电压
U
E_DW
；
步骤
4.3
：重复步骤
4.1
，动物进行
T
flow_in
/T
loop
次超极化
129
Xe
气体与氧气的交替呼吸后，对动物进行脑部超极化
129
Xe
灌注加权成像序列扫描，采集期间动物保持超极化
129
Xe
气体与氧气的交替呼吸，采集完成后，动物的机械通气切换为正常呼吸氧气，脑部超极化
129
Xe
灌注加权成像序列的参数设置如下：计算脑部超极化
129
Xe
灌注加权成像序列重复时间
TR
PW
＝

【专利技术属性】
技术研发人员：周欣，张鸣，李海东，李红闯，赵修超，韩叶清，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：