CN105030239A - 一种用磁共振t2弛豫时间谱分析测定骨密度的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用磁共振T2弛豫时间谱分析测定生物骨密度的设备及方法，属于磁共振技术在医学领域的应用。其特征在于通过磁共振的方法测量生物骨骼不同组分所对应的T2弛豫时间谱，确定骨骼中骨小梁间的孔隙结构信息，并通过数据处理得到骨密度等相关参数，最终应用于骨质疏松的鉴别与诊断。本发明与常规的使用X射线测量方法的设备相比，具有对生物体完全无害，设备结构简单、体积小、重量轻，测量精度高、操作简便、测量方法可重复性强等优点。

Description

一种用磁共振T2弛豫时间谱分析测定骨密度的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用磁共振T2弛豫时间谱分析测定生物骨密度的设备及方法，属于磁共振技术在医学领域的应用。该发明具有快速、无损分析测定骨密度，评价骨质量等功能，与常规的使用X射线测量方法的设备相比，具有对生物体完全无害，设备结构简单、体积小、重量轻，测量精度高、操作简便、测量方法可重复性强等优点。

背景技术

骨骼是人体中最基本也最为重要的生理结构之一。随着年龄的增长，人们大都存在骨量流失的情况；如果骨量流失特别严重，就会发生骨质疏松症。骨质疏松症不仅会增加骨折的风险，还会造成多种并发症，严重威胁着人类健康。

一般来说，骨质疏松症患者的骨骼结构没有特别明显的变化，变化比较显著的是骨骼的质量(Quality)。为了将骨骼的质量(Quality)定量化，一般选取骨矿物质密度BMD(BoneMineralDensity)作为衡量骨质量的参数。现行测量BMD数据的主要方法有单光子吸收测定法、双能X射线吸收测定法、定量CT法和超声波测定法。

单光子吸收测定法由于准确度低、重复性差，已经逐渐淘汰。大多数情况下，采用双能X射线吸收测定法测定骨密度BMD数据。双能X射线吸收测定法，又称DEXA(DualEnergyX-rayAbsorptiometry)，其基本原理是根据透过组织的两束不同能量的X线光束里电子数目以及能量的减少，来定量分析透过组织的厚度与密度。DEXA是现行的主流诊断方法，技术成熟且其测定的骨密度数据可以在一定程度上反映骨骼质量的好坏。但是不同厂家的产品、不同操作员去测量，骨密度数据存在差异性。更严重的是该方法存在一定剂量的X射线辐射，对于人体有一定损伤，不宜频繁测量，骨密度数据的跨时间比较受到限制。

定量CT的方法又称QCT(QuantityComputedTomography)，可以在现有的计算机断层扫描仪上改进实现，但是需要新增专用的软件。与DEXA不同，它测量的是体积的骨密度数据(g/cm³)，是真实的密度数据。但是QCT的辐射剂量高于DEXA，且设备庞大、费用昂贵，难以推广。

超声测定的方法实际上测量的不是骨密度数据，而是根据测量的声波的声速值SOS(SpeedofSound，单位：m/s)和宽带超声波衰减值BUA(BroadbandUltrasoundAttenuation，单位：dB/MHz)经过计算得到定量超声波骨强度QUS(QuantityUltrasoundStiffness)数据。QUS测量方法与DEXA测量方法相比，不存在电离辐射，对身体无害。但是经过试验对比，QUS数据与DEXA测得的BMD数据相比，相关性较低，准确性无法保证，只具有一定的参考价值，很难用于临床测量诊断。

近几年随着磁共振成像技术的不断发展，由于其具有完全无创、精确度高等特点越来越受到医学领域的重视。磁共振成像技术在骨科中的应用发展尤其迅速，主要应用于骨骼创伤、骨肿瘤和软组织病变等方面的鉴别与诊断。但是现有的磁共振成像设备和方法采集回波时间较长，不能够采集到极短回波时间下的骨组织信号，所以在对骨质疏松症的诊疗中应用较少。

本专利技术，通过对磁共振硬件进行重新设计，缩短设备回波时间至超短回波时间UTE(Ultra-shortEchoTime，范围即回波时间短于100微秒)，从而能够采集到T2弛豫时间极短的骨组织信号，再经过适当的数学反演得到T2弛豫时间谱等数据。进一步将T2弛豫时间谱与定量测定的骨密度数据等相关医学研究成果相结合，最终达到正确测量骨密度并应用于骨质疏松症诊断的目的。

T2弛豫时间又称横向弛豫时间，是氢原子发生自旋-自旋弛豫时，横向磁化矢量分量(即磁化矢量在三维坐标系中x、y方向的分量)由最大值衰减至0所需的时间。弛豫期间磁化强度矢量的横向分量M_x、M_y，如下公式(1)、(2)所示；

$M_x\left(t\right)=M_x\left(0\right)sin\left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)e^{-t/T_2}\mathrm{......}\left(1\right)$

$M_y\left(t\right)=M_y\left(0\right)cos\left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)e^{-t/T_2}......\left(2\right)$

在实际测量中，由于主磁场总存在一定的不均匀性，M_x、M_y的衰减极大地加快，相应的T2弛豫时间变为如下式(3)所示

$\frac{1}{{T_2}^{*}}=\frac{1}{T2}+\frac{1}{T_{2m}}......\left(3\right)$

上式中T_2m是由于主磁场不均匀性引起T2弛豫时间变化的部分。为了消除主磁场不均匀性的影响，采用自旋回波脉冲序列进行测量。如附图1所示，该测量序列的过程是：

(1)在长为TR的恢复时间内，在时间t＝0时发射一个90°射频脉冲；

(2)在t＝τ＝TE/2时发射一个180°射频脉冲，由于横向磁化矢量分量先聚相后散相，此时在接收线圈中将出现一个幅值先增长、后衰减的磁共振信号(即自旋回波信号)，该信号在t＝2τ＝TE时间处出现最大值；

(3)每隔时间2τ发射一个180°射频脉冲，共重复n次(n＝1，2，3......，n的数值可以自选)，即得到一组信号幅值不断减小的自旋回波信号。

通过对上述过程测量得到的自旋回波信号进行适当的数学反演即可求得T2弛豫时间谱，从谱上我们可以得到不同样品组分对应的T2弛豫时间分布。

动物(包括人类)股骨主要成分为皮质骨，其基本特征为骨小梁组成的孔隙状结构。而骨小梁之间的孔隙中存在少量结合水和自由水。不同孔隙大小中的水分子发生表面弛豫时的T2弛豫时间不尽相同，大孔隙对应的T2弛豫时间较长，小孔隙对应的T2弛豫时间较短。通过将常规骨密度测量数据与T2弛豫时间谱值数据进行对比分析，就可以实现用T2弛豫时间谱来反映被测样本的骨密度大小的目的。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于骨密度测量的设备与方法，用于提升骨密度数据测量的准确性、可重复性和安全性，使之能够更为准确的反映骨骼质量的好坏，减少对医务人员和病患的放射危害。

随着骨质疏松症的发生，骨结构会发生细微并且宏观上无法甄别的变化，具体表现为骨本质减少，骨小梁之间孔隙增大，相应的脂肪含量和骨内膜内的自由水含量提高。这些变化在磁共振T2弛豫时间谱上都有反映，例如骨骼内部的孔隙越大，则其在T2弛豫时间谱上对应的T2弛豫时间越长，反之亦然。根据现有医学研究成果，T2弛豫时间长度约在300～500μs的信号为皮质骨孔隙中水分子的弛豫信号，皮质骨中水分子弛豫时间越短表明其孔隙越小，相应骨密度越高，反之亦然。通过将常规骨密度数据与T2弛豫时间谱上约在300～500μs之间的峰值数据进行对比分析，就可以实现用T2弛豫时间来反映被测样本的骨密度大小的目的。

本发明采用T2弛豫时间谱测量和分析技术，提出一整套用于生物骨密度测量的完备装置和骨密度分析方法及相应软件。发明内容包括：1)一种超短回波时间磁共振测量装置，该装置主要包括一个测量口径120mm、主磁场频率10MHz的可移动式永磁体、高速线圈品质因子切换开关和高度集成的小型单板磁共振控制器；2)一种用T2弛豫时间谱分析测定骨密度数据的方法，可以正确拟合出骨密度-T2弛豫时间定标线并应用于骨密度的测量和计算；3)骨质量分析软件，根据T2弛豫时间谱数据，可以计算出对应骨骼的骨密度。

如下述的本发明的一种具体实施方式，我们通过研究发现T2弛豫时间与生物骨密度之间存在线性对应关系，对应的标线公式为：

BMD＝K·T2+C......(4)

上式中BMD为骨密度(BoneMineralDensity，g/cm²)，T2(单位：μs)为被测样品皮质骨的T2弛豫时间数据，K(单位：g/(cm²·μs))、C(单位：g/cm²)为常数。根据我们的研究结果，K值和C值随着生物种类不同、性别不同、年龄不同等因素有着不同的取值。在实际应用中，需要先定量测量一定样本量的生物骨组织的骨密度，然后采用回归分析得出生物所在组别的K值和C值，再根据上述公式测定骨密度。由于本测量方法安全无害，可以进行多次测量，从而方便使用者根据骨密度的大小来判定是否骨质疏松以及骨质疏松症发生和发展的过程。

下面结合说明书附图说明本发明的具体实施方式。

附图说明

图1磁共振自旋回波(CPMG)测量序列时序图

图2超短回波生物骨骼磁共振弛豫谱测量设备结构图

图3骨质疏松诊断的磁共振T2谱方法流程图

图412月龄大鼠股骨典型样本T2弛豫时间谱

图512月龄大鼠股骨T2弛豫时间-平均骨密度最小二乘法拟合直线

具体实施方式

如附图2所示为本发明磁共振T2弛豫时间分析测定生物骨密度的设备结构图，包括计算机控制终端1、单板磁共振控制器单元2、信号放大及开关控制单元3和磁体单元4共计四个部分。其中，单板磁共振控制器单元2主要包括频率合成及激励信号发射部分5和数字检波及数字信号处理部分6。信号放大及开关控制单元3包括低噪声前置放大器7、射频放大器8、射频开关控制9和Q-switch开关10。磁体单元4包括温控装置11、永磁体12与发射和接收用线圈13。

附图3描述了本发明中所述用T2弛豫时间谱分析测定生物骨密度方法的具体流程图。以下以大鼠离体股骨(但不限于股骨)骨密度测定为例(生物种类不限于大鼠)，详细说明本发明的T2弛豫时间分析测定生物骨密度的方法及具体的工作过程。

步骡1)测量样本准备：取编号为1～10的12月龄卵巢摘除的大鼠离体股骨进行实验，其中1～5组为骨质疏松组，6～10组为对照组(骨质正常)。大鼠体长20cm，体重600克；

步骤2)测量仪器准备：打开超短回波生物骨组织磁共振弛豫谱测量设备，待设备温度恒定；选取添加弛豫试剂的水作为基本定标物，确定磁场偏置、增益大小、90°及180°脉冲长度等参数；

步骤3)仪器参数选择：选取的具体测量参数为磁场主频10.71MHz，回波间隔时间TE＝100us，扫描累加次数4次，恢复时间1000毫秒，采样点数1024个。每次测量将一组(每组一根股骨)测量样本置于磁共振设备的磁场中心位置进行测量，得到每组对应的自旋回波数据；

步骤4)定标数据处理：将测得的自旋回波数据进行数学反演处理，得到T2弛豫时间分布即T2弛豫时间谱，附图4为本实验中三组典型的T2弛豫时间谱。然后将不同样本的T2弛豫谱与双能X射线骨密度仪测定得到的相应骨密度数据进行回归分析，得到标线公式(4)中的K和C值；

步骤5)骨密度测量：通过上述步骤确定K和C值后，通过测量T2弛豫时间谱并结合标线公式，即可以对其它大鼠股骨进行快速测量(数量时间小于0.5分钟)。

如下表1中的数据，随着股骨骨密度的增加，其对应的在300～500μs之间的T2弛豫时间峰值逐渐缩短。对于表1中的数据，采取最小二乘法进行线性拟合，所得标线公式如上述公式(4)所示。附图5为本实验中利用最小二乘法拟合出的定标直线的示意图。

表112月龄大鼠的股骨密度数据及其对应的T2弛豫时间

样本编号	平均总骨密度(g/cm2)	T2弛豫时间(μs)
			1	0.2621	450
2	0.2685	420
			3	0.2691	300
4	0.2732	420
			5	0.2746	300
6	0.2801	300
			7	0.2836	390
8	0.2901	300
			9	0.3016	360
10	0.3210	340

如下表2，其中列出了12月龄大鼠股骨对应的K值和C值。根据所得相关系数可以判断，T2弛豫时间谱中300～500μs之间的峰值与骨密度数据的相关程度很高，完全可以用公式(4)线性关系来描述二者的联系，从而可以看出采用T2弛豫时间谱方法可以准确测定骨密度。

表212月龄大鼠股骨密度-T2弛豫时间拟合参数值

组别	K值(g/(cm2·μs))	C值(g/cm2)	相关系数R值
				12月龄	-0.0005	0.4950	0.9255

为验证所得标线公式的准确性，选取同一批编号为1～5的12月龄卵巢摘除大鼠离体股骨进行验证实验。首先测量得到5组样本的T2弛豫时间谱，再根据上述实验测得的标线公式，计算得出相应的骨密度数据。如下表3中所示，BMD1为利用DEXA方法测得的大鼠股骨骨密度数据，T2弛豫时间为利用本方法测得的相应弛豫时间数据，BMD2为利用定标线公式计算得出的骨密度数据，Δ为BMD2与BMD1的差值，误差比例为Δ占BMD2的百分比。根据误差比例，5组样本的误差比例绝对值均小于5％，可见本方法精度较高，故可以用该方法替代现有的DEXA方法准确测量骨密度数据。

表3BMD＝K·T2+C骨密度计算公式验证数据

编号	BMD1(g/cm2)	T2弛豫时间(μs)	BMD2(g/cm2)	Δ(g/cm2)	误差比例(％)
						1	0.2658	460	0.2650	-0.0008	-0.30
2	0.2734	425	0.2825	0.0091	3.22
						3	0.2852	400	0.2950	0.0098	3.32
4	0.2955	370	0.3100	0.0145	4.68
						5	0.3020	400	0.2950	-0.0070	-2.37

Claims (5)

1.本发明涉及一种用磁共振T2弛豫时间谱分析测定生物骨密度的设备及方法，其特征在于本发明使用的磁共振设备经过重新设计，可以测定极短回波时间下骨组织的T2弛豫时间谱，并通过进一步分析计算得到样本的骨密度等数据。

2.根据权利要求1所述的用磁共振T2弛豫时间谱分析测定生物骨密度的设备及方法，其特征在于所使用的MRI设备带有线圈品质因子切换开关(Q-switch)，通过该开关可以使线圈在激励信号发射与磁共振信号接收两种工作模式之间快速转换，极大缩短磁共振信号采集时间，从而采集到骨骼组织本身极短衰减时间的磁共振信号。

3.根据权利要求1和2所述的用磁共振T2弛豫时间谱分析测定生物骨密度的设备及方法，其特征在于设计采用了一种开放式的可移动磁体，样品口径达120mm，不仅适用于各种小动物的骨组织测量，而且适用于人体前臂骨组织等测量对象体积较大的情况，满足多种条件下的测量需求。

4.根据权利要求1和2所述的用磁共振T2弛豫时间谱分析测定生物骨密度的设备及方法，其特征在于设计采用了一种单板磁共振控制器，即所有磁共振测量功能都使用高度集成的电子芯片集成在一块尺寸为″220mm×100mm″的电路板上实现，极大地简化了磁共振设备的结构，使得设备具有便携性和可移动性。

5.根据权利要求1所述的用磁共振T2弛豫时间谱分析测定生物骨密度的设备及方法，其特征在于首先使用自旋回波(CPMG)序列测量骨骼中水分子磁共振横向弛豫衰减信号，然后通过适当的数学反演得到相应的T2弛豫时间谱，再通过分析T2弛豫时间谱上的各峰值确定骨小梁之间孔隙的结构特征，最后经过适当的回归分析等数据处理，得到生物的骨密度数据，并应用于骨质疏松症的鉴别。