CN110623668A - 一种用于肺顺应性定量评价的快速磁共振成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于肺顺应性定量评价的快速磁共振成像方法，受试者吸入超极化惰性气体，受试者屏气，获取受试者屏气时的气道压力；根据超极化惰性气体通气快速磁共振图像计算得到肺体积；得到n组通气量、气道压力、以及肺体积；获得压力‑体积曲线；计算肺部顺应性拟合直线斜率。本发明根据对肺部区域的划分，可以得到肺部不同肺叶的顺应性，肺部体积计算准确。无电离辐射与放射性，扫描时间短，采样速度快，同时更加准确直接，更适合在临床推广。

Description

一种用于肺顺应性定量评价的快速磁共振成像方法
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，具体涉及一种用于肺顺应性定量评价的快速磁共振成像方法。适用于以超极化惰性气体快速磁共振为手段的肺顺应性定量评价。
背景技术
近几十年来，超极化惰性气体快速MRI已被证明是对肺部空腔成像的有效技术，与其他临床成像技术相比，极高的灵敏度、快速采样和特异性使其在肺病的早期检测中具有独特的优势。惰性气体的通气快速成像是肺通气功能最直观的体现。在肺通气缺陷区域，惰性气体通常表现出低或甚至不可观察的信号。这些区域通常是由于小气道变窄导致肺泡内空气滞留，然后肺泡中的气体不能与新气体交换，或由于肺泡塌陷，则吸入的气体不能进入。
肺顺应性是呼吸生理学中衡量肺组织弹性的指标，它被定义为肺部单位压力下体积的变化量。肺顺应性是与机械通气相关的最重要的概念之一，通常用于重症监护室(ICU)和手术室(OR)以帮助患者呼吸。肺顺应性也是某些病理学中重要的监测指标。肺顺应性的改变对于理解疾病进展和确定患者的呼吸机治疗设置尤为重要。
在临床中，电传感器现在通常用于测量肺呼吸气流和压力以计算静态顺应性，而动态肺顺应性通过连续监测节律性呼吸中的肺顺应性来进行计算[Cotes J E,Chinn D J,Miller M R.Lung function:physiology,measurement and application in medicine[M].John Wiley&Sons,2009.]。这些技术只能获得肺部全局的顺应性，无法对顺应性进行可视化研究。由于肺顺应的计算与肺容量相关，因此，开发一种基于影像手段评估肺顺应性的方法具有重要意义。
CT是目前临床应用最为广泛的肺部影像手段，Scott Shofer等人[Shofer S,Badea C,Qi Y,et al.A micro-CT analysis of murine lung recruitment inbleomycin-induced lung injury[J].Journal of applied physiology,2008,105(2):669-677.]和Sarmad Siddiqui等人[Siddiqui S,Xin Y,Profka H,et al.Using MicroCTTo Quantify The Compliance Of Lungs In A Bleomycin-Induced Pulmonary FibrosisRat Model[M]//C39.IPF:MORE ON DIAGNOSIS AND THERAPY.American ThoracicSociety,2016:A5008-A5008.]使用micro-CT在不同压力下测量肺纤维化小鼠的肺部体积，从而测量了肺顺应性的变化。同时还可以利用传统质子MRI中肺部空腔的区域对肺部体积进行估算。由于X射线衰减和肺中的质子自旋密度低于其他组织，在CT与质子MRI中，肺通常表现为黑色低信号区域，这使得在CT与质子MRI的影像中难以区分对肺容积计算贡献较少的通气缺陷区域，进而无法对肺容量进行准确计算。同时，CT的电离辐射使得重复扫描的技术在临床的推广有着局限性，而传统临床的质子MRI采样时间较长且得不到肺部气体信号。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本发明提供了一种用于肺顺应性定量评价的快速磁共振成像方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种用于肺顺应性定量评价的快速磁共振成像方法，包括以下步骤：
步骤1、受试者吸入超极化惰性气体，受试者屏气，测量受试者屏气时的气道压力(现有的呼吸装置测量气道压力)；
步骤2、对受试者进行肺部通气快速磁共振成像扫描，获得受试者肺部的超极化惰性气体通气快速磁共振图像,对超极化惰性气体通气快速磁共振图像中含有惰性气体信号的体素进行分割，计算得到肺体积；
步骤3、实施步骤1至步骤2共n次，每次通过改变受试者屏气前吸入的超极化惰性气体的吸气量，得到n组吸气量、气道压力、以及肺体积，n组吸气量、气道压力、肺体积分别记为X(i)、P(i)、V(i)，其中，i∈{1～n}，i为步骤1至步骤2的实施次数；
步骤4、根据P(i)与V(i)获得压力-体积曲线；对P(i)与V(i)进行最小二乘拟合，计算得到的肺部顺应性拟合直线斜率。
如上所述的超极化惰性气体包括具有超高磁共振信号灵敏度的超极化3He、超极化83Kr、超极化129Xe、或超极化131Xe。
如上所述的步骤3中的n大于2。
受试者为人或者动物。
与现有技术相比，本发明具有下列特点：
1、超极化惰性气体肺部通气快速MRI在测量肺部顺应性的同时获得了肺部的通气功能信息，根据对肺部区域的划分，可以得到肺部不同肺叶的顺应性。
2、超极化惰性气体肺部通气快速MRI可以在计算肺部体积时对肺部通气缺陷区域进行有效规避，从而使计算得到的肺部体积更为准确。
3、超极化惰性气体肺部通气快速MRI测量肺部顺应性相较于CT等临床肺部影像手段，无电离辐射与放射性，同时更加准确直接，更适合在临床推广。
4、超极化惰性气体肺部通气快速MRI测量肺部顺应性相较于传统质子MRI扫描时间更短，采样速度快，减少了受试者的检查时间。
附图说明
图1为本发明的原理流程图；
图2是本发明实施例步骤2得到的不同屏气压力下肺部的超极化惰性气体通气快速磁共振图像；
图3是本发明实施例步骤4得到的肺部的压力-体积曲线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1～3和7T磁共振成像仪下的大鼠的超极化惰性气体快速磁共振成像为实例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
一种用于肺顺应性定量评价的快速磁共振成像方法，包括以下步骤：
步骤1、受试者吸入超极化惰性气体，进行屏气。测量受试者屏气时的气道压力。本实施例中受试者为大鼠，也可以是其他动物或人。超极化惰性气体包括具有超高磁共振信号灵敏度的超极化3He、超极化83Kr、超极化129Xe、或超极化131Xe。实现上述输送超极化惰性气体，屏气和测量屏气时的气道压力的装置为现有的呼吸装置。
步骤2、对大鼠进行肺部通气快速磁共振成像扫描,扫描序列为二维或三维小角度梯度回波脉冲序列，获得大鼠肺部的超极化惰性气体通气快速磁共振图像,对超极化惰性气体通气快速磁共振图像中含有惰性气体信号的体素进行分割，计算得到肺体积。
超极化惰性气体通气快速磁共振图像为二维或三维肺部超极化惰性气体通气快速磁共振图像。
步骤3、实施步骤1至步骤2共n次，每次通过改变大鼠吸入的超极化惰性气体的吸气量，得到n组吸气量、大鼠屏气时的气道压力、以及根据超极化惰性气体通气快速磁共振图像获得的肺体积,n组吸气量、气道压力、肺体积分别记为X(i)、P(i)、V(i)，其中，i∈{1～n}，i为步骤1至步骤2的实施次数。
步骤4，根据公式Cst＝△V/△P，其中△V为V(a)-V(b),△P为P(a)-P(b),其中a∈{1～n},b∈{1～n}，a≠b，n为实施步骤1至步骤2的总次数。由步骤3中得到的大鼠屏气时的气道压力P(i)与超极化惰性气体通气快速磁共振图像获得的肺体积V(i)，其中i∈{1～n}，对P(i)与V(i)进行点对点作图，可得到由超极化惰性气体通气快速磁共振图像的压力-体积曲线，并对P(i)与V(i)进行最小二乘拟合，计算得到的肺部顺应性拟合直线,其中肺部顺应性cst即为肺部顺应性拟合直线的斜率。
图2为健康大鼠(第一行)与肺纤维化大鼠(第二行)在相同肺部屏气压力下的超极化惰性气体肺部通气快速磁共振图像。根据图中可以看到随着压力增长，健康大鼠与肺纤维化大鼠的肺部膨胀程度有差异。
图3为健康大鼠与肺纤维化大鼠的肺部压力-体积曲线，可以看到肺纤维化大鼠的肺部压力-体积曲线的斜率要低于健康大鼠，基于超极化惰性气体快速MRI测量的肺部顺应性，肺纤维化大鼠为0.25±0.06ml/H2O，健康大鼠为0.40±0.05ml/H2O。
综上所述，本发明为一种用于肺顺应性定量评价的快速磁共振成像方法，利用呼吸装置记录受试者的气道压力，总计n次将超极化气体输送到受试者肺内，其中第i次呼吸时，吸入气体体积为X(i)毫升，记录受试者第i次吸气后肺部的屏气压力P(i)与对应的利用超极化惰性气体通气快速磁共振图像得到的肺部体积V(i)，进而得到受试者肺部顺应性(Cst)，其中i∈{1～n}。具体优势如下：
1、超极化惰性气体肺部通气快速MRI在测量肺部顺应性的同时获得了肺部的通气功能信息，根据对肺部区域的划分，可以得到肺部不同肺叶的顺应性。
2、超极化惰性气体肺部通气快速MRI可以在计算肺部体积时对肺部通气缺陷区域进行有效规避，从而使计算得到的肺部体积更为准确。
3、超极化惰性气体肺部通气快速MRI测量肺部顺应性相较于CT等临床肺部影像手段，无电离辐射与放射性，同时更加准确直接，更适合在临床推广。
4、超极化惰性气体肺部通气快速MRI测量肺部顺应性相较于传统质子MRI扫描时间更短，采样速度快，减少了受试者的检查时间。
以上为本发明的一部分具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于肺顺应性定量评价的快速磁共振成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、受试者吸入超极化惰性气体，受试者屏气，测量受试者屏气时的气道压力；
步骤2、对受试者进行肺部通气快速磁共振成像扫描，获得受试者肺部的超极化惰性气体通气快速磁共振图像,对超极化惰性气体通气快速磁共振图像中含有惰性气体信号的体素进行分割，计算得到肺体积；
步骤3、实施步骤1至步骤2共n次，每次通过改变受试者屏气前吸入的超极化惰性气体的吸气量，得到n组吸气量、气道压力、以及肺体积，n组吸气量、气道压力、肺体积分别记为X(i)、P(i)、V(i)，其中，i∈{1～n}，i为步骤1至步骤2的实施次数；
步骤4、根据P(i)与V(i)获得压力-体积曲线；对P(i)与V(i)进行最小二乘拟合，计算得到的肺部顺应性拟合直线斜率。
2.根据权利要求1所述的一种用于肺顺应性定量评价的快速磁共振成像方法，其特征在于，所述的超极化惰性气体包括具有超高磁共振信号灵敏度的超极化3He、超极化83Kr、超极化129Xe、或超极化131Xe。
3.根据权利要求1所述的一种用于肺顺应性定量评价的快速磁共振成像方法，其特征在于，所述的步骤3中的n大于2。
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