CN104706354B - 基于非对称自旋回波的氧摄取分数无创定量测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多回波非对称自旋回波快速成像技术(MASE)来无创定量测量组织氧摄取分数OEF的系统及方法，包括数据采集模块、血管内信号去除处理模块、估算结果评价模块三个部分。该系统综合利用了多回波非对称自旋回波磁共振图像的BOLD加权特征，利用脱氧血红蛋白引起的局部磁共振信号衰减模型达到无创定量测量组织氧摄取分数OEF等氧代谢指标的目的。采用本发明的技术方案，能够很好地利用磁共振成像技术无创地定量估算组织的氧摄取分数OEF等氧代谢指标，较为客观地给出了组织的氧代谢水平评价结果。且操作简便，能较为直观地给医生一个组织氧代谢水平参考，为氧代谢相关疾病的诊断，制定治疗方案及预后评估提供重要依据。
Description
技术领域
本发明属于磁共振医学成像技术领域，具体是一种基于磁共振成像(MRI)技术的无创定量组织氧摄取分数(OEF)测量系统。
背景技术
氧摄取分数(OEF：Oxygen Extraction Fraction)是表征组织活性的一个重要指标，因此活体定量测量氧摄取分数OEF等组织氧代谢指标，对于认识理解在正常以及病理条件下的人体组织功能，如大脑和肾脏等，是非常重要的，而且可以为相关疾病的诊断和治疗提供非常重要的信息。Ogawa等(Ogawa et al，Proc Natl Acad Sci USA1990；Ogawa etal，MRM1990；Ogawa et al，MRM1993；Ogawa，Biophysical Journal1993)发现血氧水平依赖(BOLD，blood oxygenation level dependent)对比机制后，为MRI技术定量测量组织氧代谢提供了机会。BOLD对比磁共振信号的变化与组织中脱氧血红蛋白(deoxyhemoglobin)的含量相关。但是BOLD对比磁共振信号的变化是组织中多个氧代谢指标，包括血流量BF，血容积BV以及组织氧代谢率MRO2等，共同作用的结果。Yablonskiy和Haacke(Yablonskiy etal，MRM1994)提出了基于BOLD对比效应的磁共振信号衰减模型，并在此基础上利用梯度回波采样自旋回波(GESSE)技术定量测量大脑的氧摄取分数OEF等氧代谢指标(An et al，JCereb Blood Flow Metab2000；He et al，MRM2007)。
非对称自旋回波快速成像技术(ASE-EPI)是在传统自旋回波快速成像序列(SE-EPI)的90度和180度脉冲之间设置一个180度脉冲偏移时间变量，通过改变不同的偏移时间可以获得BOLD效应加权磁共振信号。
非对称自旋回波快速成像技术(ASE-EPI)已经被用来定量测量大脑氧摄取分数OEF等氧代谢指标(An et al，MRM2003)。本文提出的多回波非对称自旋回波无创定量测量系统，可作为一项组织氧摄取分数OEF等氧代谢指标无创定量测量技术，解决临床医师难以获得无创定量组织氧代谢水平的难题。该系统对序列采集数据的时间分配和估算氧代谢指标之间的关系进行分析，并针对实际临床应用，提出相应的数据采集时间分配方法，并提出一个自适应的选择参考氧摄取分数OEF的方法，使在临床条件下，不同可能范围的氧摄取分数OEF的估算更加准确，更有效率。
发明内容
本发明提出了一种通过多回波非对称自旋回波快速成像技术(MASE)来无创定量测量组织氧摄取分数OEF的系统。通过Yabloskiy和Haacke信号衰减模型提取BOLD对比磁共振信号中包含的组织氧代谢信息，应用残差平方和RSS(RSS，residual sum of squares)的方法，自适应选取合适的参考氧摄取分数OEF，对组织氧摄取分数OEF进行准确估算。
本发明能够通过磁共振序列设计，磁共振信号采样时间分配，以及磁共振信号模型自适应匹配，完成以下任务：
1.利用多回波非对称自旋回波快速成像序列(MASE)在相同信号采集时间内，得到更多倍的采样数据量，相较传统单回波技术具有更高的时间利用效率，满足临床实际的数据采集时间要求；
2.对序列采集数据的时间分配和估算氧代谢指标之间的关系进行分析，并针对实际临床应用，提出相应的数据采集时间分配方法；
3.通过评判估算结果准确性的指标残差平方和RSS的筛选，选取导致最小RSS的参考OEF值作为最优的参考OEF参数，并把与其相对应的氧摄取分数OEF估计值作为最终的模型氧摄取分数指标估计值。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：基于多回波非对称自旋回波磁共振成像技术的氧摄取分数无创定量测量系统，包括以下三个步骤：
1.将在正常或病理状态下，不同的OEF值(0.1～1.0)，导入该系统，反推出满足临床需求的相应的MASE序列磁共振图像数据采集时间分配方案；
2.建立一个可能的参考OEF值列表，具体范围从0.2～0.9之间，中间间隔是0.1，然后逐个估算每个参考OEF值下所得的残差平方和RSS；
3.将步骤2中得到的残差平方和RSS特征参数作为评判估算结果准确性的指标参数，通过选择导致最小RSS的参考OEF值作为最优的参考OEF值，使得估算的氧摄取分数OEF结果达到最佳。
本发明通过采取以上技术方案，很好地将多回波非对称自旋回波快速成像序列(MASE)所得的图像信息与组织脱氧血红蛋自引起的磁共振信号衰减模型整合起来，利用信号模型匹配中的残差平方和，自适应，客观地给出了组织氧摄取分数OEF等指标的估算结果。该技术方案操作简单，根据不同组织器官(如大脑，肾脏等)制定相应扫描方案采集数据后，即可估算出该组织的氧摄取分数OEF等氧代谢指标，能给医生一个直观的参考，为氧代谢相关的疾病诊断及治疗预后评估提供重要依据。
本发明已在模拟数据实验和健康志愿者实验数据中做过测试，模拟数据和志愿者数据的数据采集时间分配方案相同，在第一个回波图像数据中，时间偏移量从-18毫秒增加到+26毫秒，中间的时间间隔是2毫秒；并且三个回波图像中，每两个回波之间的时间间隔是18毫秒。其它的扫描参数如下所示：TR＝3秒，TE1＝43毫秒，TE2＝61毫秒，TE3＝79毫秒，时间偏移量的个数＝23，层厚＝3毫米，FOV＝64×64平方毫米，图像分辨率＝3×3×3立方毫米，扫描时间是5分06秒。
为模拟实际情况，根据磁共振信号衰减理论模型建立同样尺度的64×64矩阵数据来模拟实际的图像信号。这里设置质子密度＝4000，R2＝15Hz，信噪比＝100。氧摄取分数OEF的取值包括：0.05，0.11，0.13，0.15，0.17，O.19，0.21，0.25，0.3，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9。
通过对模拟数据结果分析，在模拟实验数据采样方案下，当真实OEF值大于0.4后，该系统的对OEF，DBV和R2′的估算值与真实值之间的偏差较小，即可以得到准确的估计值。从健康志愿者的氧代谢指标分布图可以看出，正常志愿者的氧摄取分数OEF在全脑区域是均匀分布的，值的分布范围在0.4左右，这个结果与前人的文献报道一致(3)。
附图说明
图1是本系统的三模块示意图。
图2是本系统的多回波非对称自旋回波快速成像序列(MASE)示意图。
图3是三回波MASE序列图像数据采集时间分配方案示意图。
图4是模拟数据氧摄取分数OEF估算结果示意图。
图5是正常健康志愿者氧摄取分数OEF，DBV，R2及R2′估算结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，本发明共包含三个主要模块，如图1所示，具体如下：
1.数据采集模块：在实际扫描过程中，保持TE不变，通过变化180度脉冲与TE/2之间的时间偏移，也即不断改变180度脉冲的位置，获得多个回波的BOLD加权磁共振信号。
2.血管内信号去除处理模块：分别在X,Y,Z三个方向上施加流速衰减梯度，以去除组织血管内信号对信号衰减模型的影响。
3.估算结果评价模块：通过评判估算结果准确性的指标残差平方和RSS的筛选，选取导致最小RSS的参考OEF值作为最优的参考OEF参数，并把与其相对应的氧摄取分数OEF估计值作为最终的模型氧摄取分数指标估计值。
Claims (5)
1.一种基于磁共振成像技术来无创定量测量组织氧摄取分数OEF的系统，具体是一种利用多回波非对称自旋回波快速成像技术并结合相应的磁共振信号衰减模型来无创定量测量组织氧摄取分数OEF的系统，其特征是包括以下部分：
1)数据采集：利用在实际扫描过程中，保持TE不变，通过变化多回波时间偏移即180度脉冲与TE/2之间的时间偏移，也即不断改变180度脉冲的位置，进而获得多个回波的BOLD加权磁共振信号；
2)血管内信号去除处理：分别在X，Y，Z三个方向上施加流速衰减梯度，以去除组织血管内信号对信号衰减模型的影响；
3)估算结果评价：通过评判估算结果准确性的指标残差平方和RSS的筛选，选取导致最小RSS的参考氧摄取分数OEF值作为最优的参考氧摄取分数OEF参数，并把与其相对应的氧摄取分数OEF估计值作为最终的模型氧摄取分数指标估计值。
2.如权利要求1所述的系统，其中还包括在采集图像数据之前，使用多回波时间偏移数据采集模块，将在正常或病理状态下，不同的氧摄取分数OEF值，导入该系统，反推出满足临床需求的相应的多回波非对称自旋回波快速成像序列磁共振图像数据采集时间分配方案。
3.如权利要求1所述的系统，其中多回波时间偏移包括大于1个以上回波的任意组合。
4.如权利要求2所述的系统，其中对流速衰减梯度包括根据临床实际情形，选择该梯度施加位置，施加时间及施加大小的任意组合。
5.如权利要求3所述的系统，其中利用残差平方和RSS评判估算OEF准确性的步骤包括建立一个参考氧摄取分数OEF值列表，具体范围从0.2～0.9之间，中间间隔是0.1，然后逐个估算每个参考氧摄取分数OEF值下所得的残差平方和RSS；通过选择导致最小RSS的参考氧摄取分数OEF值作为最优的参考氧摄取分数OEF值，使得估算的氧摄取分数OEF结果达到最佳。
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