CN101708123A - 肝纤维化分级研究的磁共振弹性成像检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁共振成像检测系统及其方法，检测系统包括能进行肝脏部位成像的高场核磁共振全身成像系统，剪切波激励装置。检测方法，包括(1)体模或受检部位内部质点位移，(2)形成磁共振弹性图，(3)纤维化分级。采用本发明进行体模的初步实验以及进行背景相位噪声的研究和剪切波传播与剪切波频率之间关系的实验研究，图像质量良好，效果明显。为后续肝脏组织的MRE研究奠定了基础，也为其他部位的弹性研究提供指导和参照。

Description

肝纤维化分级研究的磁共振弹性成像检测系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种肝脏疾病的检测系统及其方法，具体地说是一种可进行肝纤维化分级和肝纤维化速率检测的核磁共振弹性成像检测系统及其方法。

背景技术

各类肝脏疾病的主要早期病理改变是肝纤维化，理论上纤维化通过治疗可以逆转、使肝脏恢复正常，一旦纤维化进一步发展到肝硬化时，则不能逆转。故肝纤维化程度以及纤维化速率的精确判断对于相应治疗手术的选择以及治疗预后评估都是至关重要的，在临床上有着重要意义。

目前肝活检是肝纤维化判定的金标准，但肝活检是有创检查，大多数患者难于接受该方法，同时该方法取样少、误差大、重复性差，不能应用于病情严重患者，其并发症导致的死亡率也高达0.1％。同时由于活检缺乏时间连续性，难以对纤维化形成的过程进行检测，也无法评价抗纤维化药物的疗效，因此肝穿刺在临床应用上受到限制。临床上迫切需要发展一种非侵入性、精确性和量化的肝纤维化检查手段。

传统的磁共振成像技术无法实现灵敏度与特异性俱佳的、肝纤维化的定量评价。不同程度肝纤维化组织体现出机械特性(如弹性或硬度)的极大差别。正常肝脏硬度约在2.7kPa，不同纤维化程度肝脏平均硬度为5.6kPa。完全硬化后的肝脏则比石头还硬。基于这一明显差异，可反映组织弹性参数差异的核磁共振弹性技术成为实现肝纤维化分级的最具发展前景的技术选择之一。

核磁共振弹性成像技术的基本原理是利用磁共振成像技术，检测体内组织在某种外力作用下产生的质点位移，通过运动敏感梯度(MotionSensitive Gradient，MSG)的作用获取MRI相位图像，以此为基础通过对弹性力学的逆求解，得出组织内各点的弹性系数的分布图(即磁共振弹性图)，以组织弹性力学参数作为肝纤维化分级的依据。

发明内容

本发明是要为临床肝脏疾病病理研究所需的肝纤维化分级和速率检测，而提供一个磁共振弹性成像检测系统及其方法。

本发明的目的是这样实现的：一种磁共振弹性成像检测系统，包括能进行肝脏部位成像的高场核磁共振全身成像系统，剪切波激励装置，其特点是：剪切波激励装置通过碳纤维棒与振动推片连接，剪切波激励装置中的单片机系统产生参数可调音频信号依次经过数字模拟转换，低通滤波，音频功率放大，核磁共振扫描室滤波传导门板后，电磁屏蔽罩后经电磁振动装置产生剪切振动。

一种磁共振弹性成像检测方法，包括以下步骤：

(1)体模或受检部位内部质点位移

将体模或受检者肝脏组织部位分别采用头线圈或者大体线圈后定位到磁体中心，开启核磁共振设备后，启动剪切波激励装置和运动敏感成像序列，电磁振动装置产生振动，通过碳纤维棒传导至推片，推片沿X方向运动，使振动馈入体模或受检部位组织，使组织内质点产生Z方向的反复振动，振动波在组织内沿Y方向传播；

(2)形成磁共振弹性图

根据振动波在体模或肝脏组织内传播的波长，相位的周期变化获取质点位移相位图，通过反演拟合计算得到体模或肝脏组织的弹性系数和分布情况，形成磁共振弹性图。

(3)纤维化分级

上述步骤中，位移相位成像序列是在FLASH序列基础上通过增加运动敏感梯度来实现的，其中序列参数为FOV＝220mm；Matrix＝256×256；TR＝20mS~50mS；TE＝14.7mS~25mS；flip angle＝30⁰；MSG施加次数为1次；整个采集时间在10.24S~25.6S)；序列采用连续两个TR周期中，一次施加正向MSG，一次施加负向MSG，两次得到的相位图并进行相减，消除背景相位的影响。

本发明的有益效果是：与传统的磁共振成像技术相比，本发明能实现灵敏度与特异性俱佳的、肝纤维化的定量评价。如不同程度肝纤维化组织体现出机械特性(如弹性或硬度)的极大差别。正常肝脏硬度约在2.7kPa，不同纤维化程度肝脏平均硬度为5.6kPa。完全硬化后的肝脏则比石头还硬。本发明的核磁共振弹性成像技术的基本原理是利用磁共振成像技术，检测体内组织在某种外力作用下产生的质点位移，通过运动敏感梯度(Motion Sensitive Gradient，MSG)的作用获取MRI相位图像，以此为基础通过对弹性力学的逆求解，得出组织内各点的弹性系数的分布图(即磁共振弹性图)，以组织弹性力学参数作为肝纤维化分级的依据。采用本发明进行体模的初步实验以及进行背景相位噪声的研究和剪切波传播与剪切波频率之间关系的实验研究，图像质量良好，效果明显。为后续肝脏组织的MRE研究奠定了基础，也为其他部位的弹性研究提供指导和参照。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的位移相位成像序列示意图；

图3是基于MRE技术的肝纤维化分级流程图；

图4是实验方位图；

图5是未加振动的横断位图像和矢状位图像，其中(a)幅度图；(b)相位图(MSG+)；(c)相位图(MSG-)；(d)相位差图；(e)幅度图；(f)相位图(MSG+)；(g)相位图(MSG-)；(h)相位差图；图6是剪切波频率分别为100Hz、160Hz、200Hz下的幅度图和相位图，其中(a，b)为100Hz下的幅度图和相位图；(c，d)为160Hz下的幅度图和相位图；(e，f)为200Hz下的幅度图和相位图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

核磁共振弹性成像技术的基本原理是利用磁共振成像技术，检测体内组织在某种外力作用下产生的质点位移，通过运动敏感梯度(Motion SensitiveGradient，MSG)的作用获取MRI相位图像，以此为基础通过对弹性力学的逆求解，得出组织内各点的弹性系数的分布图(即磁共振弹性图)，以组织弹性力学参数作为肝纤维化分级的依据。MRE的数学原理简述为，声波频率的剪切波在各向同性黏弹性介质中的稳定运动方程为：

$-\mathrm{\ρ}{\mathrm{\ω}}^2\stackrel{\→}{q}=({\mathrm{\μ}}_1+\mathrm{i\ω}{\mathrm{\μ}}_2){\▿}^2\stackrel{\→}{q},\stackrel{\→}{q}=\▿\×\stackrel{\→}{u}---\left(1\right)$

式中，

为质点位移矢量，ρ为介质的密度，μ₁为剪切弹性Lame系数，μ₂为剪切黏性系数。在ρ、ω(剪切波频率)已知情况下，如果能检测出

则可以计算出剪切弹性系数μ₁和剪切黏性系数μ₂。

剪切波在介质中的传播过程中，质点的位移方程为(具体方位坐标参见图3)：

${\stackrel{\→}{u}}_y(z,t,\mathrm{\θ})={\stackrel{\→}{u}}_y(z,0)+b\cos (\stackrel{\→}{K}.z-\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})---\left(2\right)$

式中，y为剪切波传播方向，z为质点运动方向；ω为简切波频率；b为质点振幅；

为波矢；在质点运动方向(z向，B₀方向)施加翻转MSG：

$\mathrm{Gmsg}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}G,(\mathrm{nT}\≤t\≤\mathrm{nT}+T/2)\\ -G,(\mathrm{nT}+T/2\≤t\≤\mathrm{nT}+T)\end{array}(n=\mathrm{0,1}...N)\right.---\left(3\right)$

式中T＝2π/ω，G为梯度幅值，N为MSG周期数。由于梯度周期与剪切波周期刚好同步，因此MSG施加期间，质点位移导致的相位周期累加：

${\mathrm{\Φ}}_y(z,\mathrm{\θ})=\mathrm{\γ}{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}\mathrm{Gmsg}\left(t\right).{\stackrel{\→}{u}}_y(z,t)\mathrm{dt}=2\mathrm{\γ}.N.T.G.b\sin (\stackrel{\→}{K}.z+\mathrm{\θ})/\mathrm{\π}---\left(4\right)$

因此利用磁共振成像技术，可以获取xoy平面内的质点的相位图，去除梯度的因素，即可得到质点的位移图，根据(1)式采取相应的拟合算法即可得到组织的黏弹性系数分布。

本发明的具体实施方法：

如图1到3所示，本发明的磁共振弹性成像检测系统及其方法，包括能进行肝脏部位成像的高场核磁共振全身成像系统，剪切波激励装置。

(1)开发剪切波激励装置：剪切波激励装置采用Mega16型单片机作为激励源1信号的产生部件，由于需要实现频率、初始相位、激励时间的调节与显示，还需要接受MRI序列发生器的门控，再加上8位数字激励源的输出，因此采用具有4个I/O口的通用性较强的中型Mega16型号单片机来实现；单片机产生的8位数字激励源经D/A转换和低通滤波后再经过音频可调放大输出音频模拟信号，经过MRI扫描室滤波传导门板上的空闲滤波接口，经屏蔽传输线送至电磁屏蔽罩内的电磁振动装置，产生横向机械振动，振动将通过外径5mm内径3mm，长度为2.5m±0.5m的中空碳纤维棒2(重量仅为25g/m)传导到有机玻璃推片4上(50mm×40mm×8mm)，推片4与体模5表面或人体肝部表面接触，推片4振动即可馈入体模5或人体肝脏组织进行传播。

将体模5或受检者肝脏组织部位分别采用安装在扫描机架6内的磁共振扫描线圈3的头线圈或者大体线圈(或软体线圈)后定位到磁共振扫描线圈3的磁体中心，然后将激励装置连线按照图1连线好后，将激励装置与体模5或受检部位连接到一起，实验系统方位如图4所示。开启核磁共振设备后，启动图2所示的序列，序列执行的同时会给出门控信号，控制单片机产生设定频率和设定初相的音频正弦波信号，经音频功放滤波后送到电磁振动装置产生振动，最后通过碳纤维棒2传导至推片4，推片4沿Z方向运动，使振动馈入组织，组织内质点也会产生Z方向的反复振动，但振动波在组织内沿Y方向传播。

(2)高场核磁共振全身成像系统：通用的1.5T或3.0T全身核磁共振成像系统均可作为研究平台。

(3)相位位移成像序列：基于肝脏部位的特殊性，剪切波频率、序列时间、运动敏感梯度施加次数、组织弹性、组织尺寸等需要综合考虑，开发的位移相位成像序列为在FLASH序列基础上通过增加运动敏感梯度来实现的。序列参数为FOV＝220mm；Matrix＝256×256；TR＝20mS~50mS(具体与所施加剪切波频率匹配)；TE＝14.7mS~25mS(根据所施加剪切波频率而异)；flip angle＝30⁰；MSG施加次数为1次；整个采集时间在10.24S~25.6S(根据所施加剪切波频率而异)。为了克服与运动无关的背景相位，序列采用连续两个TR周期中，一次施加正向MSG，一次施加负向MSG，两次得到的相位图(分别称为相位图1和相位图2)进行相减，可消除背景相位的影响。最终同时输出幅度像、相位图1、相位图2和相位差图(本研究最终所需要的相位图)。如图4所示的序列获取横断位(即XOY)图像，序列中沿Z方向施加运动敏感梯度，沿梯度方向的位移会引起梯度方向的相位变化，即Φ＝γG.x.t。当振动周期与运动敏感梯度的周期一致时，即在质点正半周期(正Z向位移)和负半周期(负Z向位移)时分别施加正极性梯度和负极性梯度，相位可以累加并得到较为明显的体现，在横断位图像上可以观察到振动在组织内传播的轨迹。

由于射频场和主磁场存在不均匀性，因此在不施加振动时，也会产生有相位差异，称为背景相位。背景相位的存在对质点位移产生的相位是一种噪声干扰，需要抑制。因此本序列采用连续两个TR周期内，MSG施加为一次正一次负，即奇数次TR周期内施加的都是先正后负的MSG，在偶数次TR周期内施加的都是先负后正的MSG。所有奇数次TR周期采集的数据作为一个原始二维数据矩阵重建得到的相位图像为第一相位图(MSG+)，所有偶数次TR周期采集的数据作为一个原始二维数据矩阵重建得到的相位图像为第二相位图(MSG-)。最后将第一相位图与第二相位图作一次相减，得到的相位图即可消除背景噪声的干扰，也是研究所需要得到的质点位移所形成的相位变化。

最后根据振动波在体模或肝脏组织内传播的波长(相位的周期变化)通过拟合计算即可得到组织的弹性系数和分布情况。

(4)弹性图拟合：根据振动波在体模或肝脏组织内传播的波长，相位的周期变化获取质点位移相位图，通过反演拟合计算得到体模或肝脏组织的弹性系数和分布情况，形成磁共振弹性图。波长越短，弹性图分辨率越高。基于波长与激励波频率的反比关系，因此要实现较高的分辨率，尤其是对小尺寸病灶的检测，需要尽量采用较高的激励波频率。但频率太高，则组织衰减严重，因此本研究采用150Hz到300Hz范围的激励频率。反演拟合采用μ＝ρ.f².λ²的关系来实现。其中f为剪切波频率，λ为剪切波在组织中传播的波长，μ为质点位移，ρ即为所需的剪切弹性系数。

本发明主要为了进行肝纤维化程度分级研究而开发的实验平台。除了进行肝脏部位的弹性研究外，还可以进行其他诸如肌肉、乳腺和前列腺等组织部位的弹性成像研究实验平台。

体模研究结果：

(1)背景相位的研究

采用本研究平台，采用前述序列，施加MSG、未施加振动的获取的横断位和矢状位。由图5可见，在没有施加振动时，在幅度图像a，e基本看不出差异，但在相位图b，c和相位图f，g上，则均可看到明显的相位变化，由于背景相位只与主磁场和射频场的均匀性有关，与施加的MSG的极性没有关系，因此相位图b和相位图c体现出完全相同。经过相减后，背景相位完全消除(相位图d)。矢状位体现出完全相同的结论(相位图h)。

(2)剪切波的传播效果

实验采用浓度为0.5％的琼脂糖体模，分别施加100Hz、160Hz和200Hz的剪切波频率进行了实验。实验效果分别如图6所示，实验参数分别为：100Hz时TR＝40ms，TE＝19.7ms，flip angle＝30，MSG＝1；160Hz时TR＝50ms，TE＝22.2ms，flip angle＝30，MSG＝2；200Hz时TR＝40ms，TE＝14.7ms，flip angle＝30，MSG＝2；

从幅度图上，可以明显看出，随着剪切波频率的增加，剪切波衰减明显，在200Hz情况下，体模底部在幅度图上几乎看不到有波形传播；但从相位图上则衰减不明显，体现出明显的波形传播，这也是采用相位来检测弹性质点位移的原因。同时在100Hz下可以看到由于存在着严重的反射，因此幅度图像显得比较杂乱。

另外，从相位图上可以读出，在相同大小的体模中，100Hz、160Hz和200Hz的剪切波频率下，波动传播的波数粗略读数分别为9个、14个和17个。满足 $\frac{100}{9}=\frac{160}{14}=\frac{200}{17}\≈11.3$ 的比例关系，可以说明剪切波频率与波长的反比关系。

Claims (3)

1.一种磁共振弹性成像检测系统，包括高场核磁共振全身成像系统，剪切波激励装置，其特征在于：所述剪切波激励装置通过碳纤维棒与振动推片连接，剪切波激励装置中的单片机系统产生参数可调音频信号依次经过数字模拟转换，低通滤波，音频功率放大，核磁共振扫描室滤波传导门板后，电磁屏蔽罩后经电磁振动装置产生剪切振动。

2.一种可进行肝纤维化研究的磁共振弹性成像检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)体模或受检部位内部质点位移

将体模或受检者肝脏组织部位分别采用头线圈或者大体线圈后定位到磁体中心，开启核磁共振设备后，启动剪切波激励装置和运动敏感成像序列，电磁振动装置产生振动，通过碳纤维棒传导至推片，推片沿Z方向运动，使振动馈入体模或受检部位组织，使组织内质点产生Z方向的反复振动，振动波在组织内沿Y方向传播；

(2)形成磁共振弹性图

根据振动波在体模或肝脏组织内传播的波长，相位的周期变化获取质点位移相位图，通过反演拟合计算得到体模或肝脏组织的弹性系数和分布情况，形成磁共振弹性图；

3.根据权利要求1所述的磁共振弹性成像检测方法，其特征在于：上述步骤中，位移相位成像序列是在FLASH序列基础上通过增加运动敏感梯度来实现的，其中序列参数为FOV＝220mm；Matrix＝256×256；TR＝20mS-50mS；TE＝14.7mS-25mS；flip angle＝30°；MSG施加次数为1次；整个采集时间在10.24S-25.6S；序列采用连续两个TR周期中，一次施加正向MSG，一次施加负向MSG，两次得到的相位图并进行相减，消除背景相位的影响。

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