CN112075934B - 用于识别颈动脉斑块的磁共振单序列多参数定量成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于识别颈动脉斑块的磁共振单序列多参数定量成像系统，属于磁共振定量成像技术领域。该系统包括：颈动脉血管线圈、磁共振机器和计算机；在计算机中磁共振成像序列编程平台上编译实现颈动脉管壁T1、T2和T2*值同时定量成像SQUMA序列并导入磁共振机器，磁共振机器对受试者颈部进行SQUMA序列扫描，扫描后获得对应的颈动脉管壁加权图像；对上述图像进行加权拟合，即得到受试者颈动脉管壁的T1mapping、T2mapping和T2*mapping。本发明可通过单一序列同时获得颈动脉管壁斑块T1、T2和T2*值的定量图像，为实现颈动脉易损斑块特征的一站式定性和定量评估提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于磁共振定量成像技术领域，特别提出一种用于识别颈动脉斑块的磁共振单序列多参数定量成像系统。
背景技术
颈动脉易损斑块与缺血性卒中密切相关。目前多对比度磁共振管壁成像是识别颈动脉易损斑块的最佳无创性的检查手段。但是多对比度磁共振管壁成像对斑块内脂质坏死核的评估主要依赖于打药增强后的加权图像，且多对比度磁共振管壁成像无法有效识别斑块内的陈旧性出血。考虑到多对比度磁共振管壁成像识别颈动脉易损斑块主要依赖各类易损斑块成分在不同加权图像上的信号对比，产生信号对比的原因是颈动脉中各类易损斑块成分的纵向弛豫(T1)、横向弛豫(T2)和受主磁场不均匀性影响的横向弛豫(T2*)值不同。因此，磁共振定量成像技术可能具有识别颈动脉易损斑块成分特征的能力。同时，颈动脉易损斑块成分中脂质坏死核成分复杂，病理上多个时期的出血常混合存在，而脂质坏死核的复杂的微观结构以和斑块内出血的多时空特征均会影响斑块的易损性。磁共振定量成像技术能够获得各个像素点对应的T1、T2和T2*值，有利于实现对颈动脉易损斑块内微观结构的定量分析。
磁共振定量成像技术主要包含T1定量图(T1 mapping)、T2定量图(T2 mapping)和T2*定量图(T2*mapping)成像。目前已有学者利用T2 mapping成像实现了颈动脉易损斑块的分割和识别，并证实T2 mapping能够通过阈值法分割出斑块内出血和脂质坏死核。T1mapping评估颈动脉易损斑块的能力还在逐步探索中，但已有研究证实T1 mapping具有识别斑块内出血的潜力。T2*mapping在颈动脉易损斑块评估方面的价值尚缺乏研究证据。但是，T2*能够反映易损斑块成分中铁的含量，斑块内游离铁的存在可能会加速炎症反应，可能会导致斑块不稳定。因此，T1 mapping、T2 mapping和T2*mapping在颈动脉易损斑块的评估中均具有一定的潜在应用价值。
在既往研究中，学者们提出了多种磁共振定量成像技术，并将其应用于临床研究中。目前，在颈动脉磁共振定量成像技术领域，研究者们已经提出了用于获得T1 mapping图像的三维黄金角放射状K空间采样的非对比增强血管造影和斑块内出血序列(GOAL-SNAP)序列和双反转恢复时间的变角度扰相梯度回波(SPGR)序列等；获得T2 mapping图像的双反转恢复准备的二维自旋回波或快速自旋回波序列和改善后的运动敏感运动平衡(iMSDE)准备的三维快速自旋回波/快速SPGR序列等；获得T2*mapping图像的Dixon序列和运动敏感驱动平衡(MSDE)准备的多回波SPGR序列等。此外，学者们还提出了能够同时获得两种磁共振定量图像的成像技术，如能够同时获得T1 mapping和T2 mapping的颈动脉斑块T1和T2同时定量成像(SIMPLE)序列以及iMSDE准备的多回波时间变角度快速梯度回波(TFE)序列、同时获得T1 mapping和T2*mapping的多回波相位敏感反转恢复序列。这种单一序列获得多个磁共振定量图像的技术极大的缩短了成像时间，且有利于图像的配准。然而在目前定量成像技术中，尚缺乏一种单一序列能够同时获得颈动脉斑块T1 mapping、T2 mapping和T2*mapping的成像技术。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种用于识别颈动脉斑块的磁共振单序列多参数定量成像系统。本发明可通过单一序列同时获得颈动脉管壁T1、T2和T2*值的定量图像，能够为实现颈动脉易损斑块特征的一站式定性和定量评估提供技术支撑。
本发明提出一种用于识别颈动脉斑块的磁共振单序列多参数定量成像系统，该系统包括：颈动脉血管线圈、磁共振机器和计算机；所述颈动脉血管线圈连接磁共振机器，磁共振机器连接计算机；其中，计算机中安装有与磁共振机器型号相对应的磁共振成像序列编程平台；其特征在于，该系统工作方法包括以下步骤：
1)在计算机中的磁共振成像序列编程平台上编译颈动脉管壁纵向弛豫T1、横向弛豫T2和受主磁场不均匀性影响的横向弛豫T2*值同时定量成像SQUMA序列；其中，一个SQUMA序列由五次动态扫描组成，分别记为DYN1、DYN2、DYN3、DYN4和DYN5；该序列中每次动态扫描的主采集序列均为三维扰相梯度回波SPGR序列，相邻两次动态扫描间的间隔时间大于等于5s；SQUMA序列中，在每一次动态扫描的SPGR主采集序列前通过改善后的运动敏感运动平衡iMSDE或运动敏感驱动平衡MSDE对颈动脉中的血流进行抑制，其中，DYN1、DYN2、DYN3和DYN4均采用iMSDE，DYN5采用MSDE；每一次动态扫描中，血流抑制后采用水激发方法实现对颈部脂肪信号的抑制，然后再进入SPGR主采集序列；
DYN1和DYN2中iMSDE准备时长相同，将DYN1和DYN2中iMSDE准备时长均设为第一iMSDE准备时间iMSDE_dur1；DYN1和DYN2采集时的翻转角不同，其中，DYN 1的翻转角设为第一翻转角α1，DYN2的翻转角设为第二翻转角α2；DYN 2、DYN 3和DYN 4中翻转角相同，翻转角均设为α2；DYN2、DYN3和DYN4中iMSDE准备时间不同，其中，DYN3中iMSDE准备时间设为第二iMSDE准备时间iMSDE_dur2，DYN 4中iMSDE准备时间设为第三iMSDE准备时间；DYN5中的SPGR采集为多回波时间采集，其中回波时间数设为n，n大于等于2；DYN5中主采集序列的翻转角与前四次动态扫描不同，将DYN 5的翻转角设为第三翻转角α3；
2)将步骤1)编译得到的SQUMA序列导入磁共振机器；当有受试者进行颈动脉管壁成像时，将颈动脉血管线圈通过转接线连接到磁共振机器，并将颈动脉线圈放置于受试者颈部，然后令放置有颈动脉血管线圈的受试者平躺于磁共振机器的扫描床上，并将磁共振机器中的红外定位线中心定位于受试者的下颌处；最后按下磁共振机器上的移床按钮，将红外定位线中心所定位的位置移至磁共振机器磁体的扫描中心；
3)颈动脉管壁成像开始后，磁共振机器对受试者的颈部进行SQUMA序列的扫描，获得n+4套颈动脉管壁加权图像；
其中，DYN1，DYN2，DYN3和DYN4分别生成1套对应的颈动脉管壁加权图像，共4套，每套图像包含该次动态扫描获得的该受试者颈动脉成像区域的所有分层图像；
DYN5生成与回波时间数相等的n套颈动脉管壁加权图像，其中每套图像包含该次动态扫描获得的该受试者颈动脉成像区域在对应回波时间的所有分层图像；
4)磁共振机器将步骤3)得到的n+4套颈动脉管壁加权图像发送给计算机；
5)在计算机中，对该n+4套颈动脉管壁加权图像进行拟合，分别获取该受试者颈动脉管壁的纵向弛豫定量图T1 mapping、横向弛豫定量图T2 mapping和受主磁场不均匀性影响的横向弛豫定量图T2*mapping，成像完成；具体方法如下：
5-1)通过计算DYN 1和DYN 2两次动态扫描分别获得的颈动脉管壁加权图像中任一像素点信号强度与采集角度正弦值的比值和信号强度与采集角度正切值的比值之间的线性关系，获取该像素点对应的斜率，计算该像素点的T1值，根据所有像素点的T1值获得受试者成像区域的T1 mapping图像；
5-2)通过对DYN2、DYN3和DYN4三次动态扫描分别获得的颈动脉管壁加权图像中任一像素点信号强度和对应的iMSDE准备时间进行指数拟合，获得该像素点的T2值，根据所有像素点的T2值获得受试者成像区域的T2 mapping图像；
5-3)通过对DYN5中获得的n套颈动脉管壁加权图像任一像素点信号强度和回波时间进行指数拟合，获得该像素点的T2*值，根据所有像素点的T2*值获得受试者成像区域的T2*mapping图像。
本发明的特点及有益效果：
1.本发明实现了一个序列完成颈动脉管壁T1 mapping、T2 mapping和T2*mapping的图像采集。
2.本发明通过由变角度快速扰相梯度回波、多准备时间的改善后运动敏感驱动平衡准备的快速扰相梯度回波、以及运动敏感驱动平衡准备的多回波快速扰相梯度回波，以单序列五次动态扫描的方式，成功获取了颈动脉斑块加权图像，并能够通过计算获得T1mapping、T2 mapping和T2*mapping图像。这种技术实现方式减少了不同序列扫描间可能存在的定位误差，优化了临床中磁共振定量成像的检查过程。
3.本发明通过对颈动脉管壁进行磁共振定量成像，能够用于定性和定量评估颈动脉易损斑块，为卒中的预防和预后评估提供支撑。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明的系统工作方法流程图；
图3是本发明中颈动脉管壁T1、T2和T2*值同时定量成像(SQUMA)序列设计原理图；
图4是本发明实施例中SQUMA序列扫描完成后即刻获得的颈动脉管壁加权图像、传统多对比度磁共振管壁加权图像和SQUMA序列计算获得的T1 mapping、T2 mapping和T2*mapping图像。
具体实施方式
本发明提出的一种用于识别颈动脉斑块的磁共振单序列多参数定量成像系统，下面结合附图及具体实施例对本发明进一步详细说明如下；
本发明提出一种用于识别颈动脉斑块的磁共振单序列多参数定量成像系统，结构如图1所示，包括：颈动脉血管线圈、磁共振机器和计算机。所述颈动脉血管线圈通过转接线连接到磁共振机器，磁共振机器通过U盘等介质或局域网等方式连接计算机。本发明的各硬件组成部件采用常规型号即可，其中，计算机应当包含与磁共振机器型号相对应的磁共振成像序列编程平台(该平台由各大磁共振机器厂商提供)。
该系统工作方法如图2所示，包括以下步骤：
1)在计算机中的磁共振成像序列编程平台上编译颈动脉管壁T1、T2和T2*值同时定量成像(SQUMA)序列。该序列的设计图如图3所示。其中，一个SQUMA序列由五次动态扫描(第一次动态扫描DYN1，第二次动态扫描DYN2，第三次动态扫描DYN3，第四次动态扫描DYN4和第五次动态扫描DYN5)组成，该序列中每次动态扫描的主采集序列均为三维(3D)SPGR序列(该序列为TFE序列的一种实现形式)，使得每一次动态扫描过程中主采集序列后的横向磁化矢量都将被散相。相邻两次动态扫描间的间隔时间应大于等于5s，用于恢复成像区域内颈动脉管壁等组织原始的磁化矢量。SQUMA序列中，在每一次动态扫描的SPGR主采集序列前通过iMSDE或MSDE对颈动脉中的血流进行抑制，其中，DYN1、DYN2、DYN3和DYN4均采用iMSDE，DYN5采用MSDE；每一次动态扫描中，血流抑制后将采用水激发方法实现对颈部脂肪信号的抑制，然后再进入SPGR主采集序列。
其中，DYN 1和DYN 2中iMSDE准备时长相同，将DYN1和DYN2中iMSDE准备时长均设为第一iMSDE准备时间iMSDE_dur1，iMSDE_dur1为新增序列参数；DYN 1和DYN 2采集时的翻转角不同，其中，DYN1的翻转角设为第一翻转角α1，DYN 2的翻转角设为第二翻转角α2，α1和α2均为新增序列参数；DYN 2、DYN 3和DYN 4中翻转角相同，翻转角均设为α2；DYN2、DYN3和DYN4中iMSDE准备时间不同，其中，DYN3中iMSDE准备时间设为第二iMSDE准备时间iMSDE_dur2，DYN4中iMSDE准备时间设为第三iMSDE准备时间，iMSDE_dur2和iMSDE_dur3均为新增序列参数。
DYN 5中采用了MSDE，在实现压血的同时能够尽可能降低T2对图像的影响。DYN 5中的SPGR采集为多回波时间采集，需新增序列参数回波时间数n。此外，DYN5中主采集序列的翻转角与前四次动态扫描不同，将DYN5的翻转角设为第三翻转角α3，α3为新增序列参数。
上述各新增序列参数设置原则为：α1和α2应能够使所需组织的T1 mapping的准确性达到最高，T1 mapping的准确度可用回归线的动态变化范围(DR)与点的分数阶信号(FS)的乘积评估。通常情况下，α1一般小于恩斯特角，α2比α1大10～20°；iMSDE_dur1通常设置为磁共振机器允许设置的最短值，约在10～25ms之间；iMSDE_dur1、iMSDE_dur2和iMSDE_dur3依次增加10～20ms；DYN5中回波时间数n应大于等于2，α3应设置为恩斯特角。序列其余常规参数设置可根据成像需求进行调整。表1为本实施例当前经过仿体实验和在体实验测试的一种参数组合，此实施例的参数中DYN5中回波时间数为4，该实施例的参数可实现颈动脉管壁单序列多参数定量成像，用于识别颈动脉斑块。
表1.本发明实施例的颈动脉SQUMA序列在体成像参数表
2)将步骤1)中在计算机上编译完成的SQUMA序列通过U盘等介质或局域网导入磁共振机器，然后引导受试者进入已经连接好颈动脉血管线圈的磁共振机器，做好受试者成像前的摆位和定位工作。在该步骤中，首先应当将颈动脉血管线圈通过转接线连接到磁共振机器，并将颈动脉线圈放置于受试者颈部。其次应当令放置有颈动脉血管线圈的受试者平躺于磁共振机器的扫描床上，并将磁共振机器中的红外定位线中心定位于受试者的下颌处。最后按下磁共振机器上的移床按钮，将红外定位线中心所定位的位置移至磁共振机器磁体的扫描中心。
3)颈动脉管壁成像开始后，对进入磁共振机器的受试者的颈部进行SQUMA序列的扫描，获得n+4套颈动脉管壁加权图像。在该步骤中，磁共振机器完成SQUMA序列扫描后，磁共振机器能够返回受试者颈动脉管壁加权图像。本实施例中，SQUMA序列扫描完成后即刻获得的颈动脉管壁加权图像如图4a所示。DYN1，DYN2，DYN3和DYN4可分别生成1套对应的颈动脉管壁加权图像，共4套，其中，每套图像包含该次动态扫描获得的该受试者颈动脉成像区域的所有分层图像。
DYN5将生成与回波时间数相等的n套颈动脉管壁加权图像，在本实施例中，可生成4套颈动脉管壁加权图像(依次记为DYN5-1，DYN5-2，DYN5-3和DYN5-4)，其中每套图像包含该次动态扫描获得的该受试者颈动脉成像区域在对应回波时间的所有分层图像。
4)磁共振机器将步骤3)中SQUMA序列扫描后获得的n+4套颈动脉管壁加权图像发送给计算机。
5)在计算机中使用Matlab软件对该n+4套颈动脉管壁加权图像进行拟合，分别获取该受试者颈动脉管壁T1 mapping、T2 mapping和T2*mapping图像。具体方法如下：
5-1)通过计算DYN 1和DYN 2两次动态扫描分别获得的颈动脉管壁加权图像中任一像素点信号强度与采集角度正弦值的比值和信号强度与采集角度正切值的比值之间的线性关系，获取该像素点对应的斜率，即可计算出该像素点的T1值，根据所有像素点的T1值获得受试者成像区域的T1 mapping；
5-2)通过对DYN2，DYN3和DYN4三次动态扫描分别获得的颈动脉管壁加权图像中任一像素点信号强度和对应的iMSDE准备时间进行指数拟合，可获得该像素点的T2值，根据所有像素点的T2值获得受试者成像区域的T2 mapping；通过对DYN5中获得的n套颈动脉管壁加权图像任一像素点信号强度和回波时间进行指数拟合，可获得该像素点的T2*值，根据所有像素点的T2*值从而获得受试者成像区域的T2*mapping。上述拟合可在MATLAB 2019(MathWorks，Inc.Natick，Massachusetts，USA)软件平台上进行。
图4b和图4c分别展示了传统多对比度磁共振管壁加权图像和本发明的SQUMA序列计算获得的T1 mapping、T2 mapping和T2*mapping图像。在传统多对比磁共振管壁加权图像中，白色箭头对应位置在时间飞跃法(TOF)、T1加权(T1W)和非对比增强血管造影和斑块内出血序列(SNAP)图像上呈现高信号，在T2加权(T2W)图像上呈现低信号，提示其为新鲜斑块内出血。在SQUMA序列计算获得的T1 mapping、T2 mapping和T2*mapping图像中，新鲜斑块内出血对应位置的T1、T2和T2*值相比于正常管壁可见明显降低。
Claims (1)
1.一种用于识别颈动脉斑块的磁共振单序列多参数定量成像系统，该系统包括：颈动脉血管线圈、磁共振机器和计算机；所述颈动脉血管线圈连接磁共振机器，磁共振机器连接计算机；其中，计算机中安装有与磁共振机器型号相对应的磁共振成像序列编程平台；其特征在于，该系统工作方法包括以下步骤：
1)在计算机中的磁共振成像序列编程平台上编译颈动脉管壁纵向弛豫T1、横向弛豫T2和受主磁场不均匀性影响的横向弛豫T2*值同时定量成像SQUMA序列；其中，一个SQUMA序列由五次动态扫描组成，分别记为DYN1、DYN2、DYN3、DYN4和DYN5；该序列中每次动态扫描的主采集序列均为三维扰相梯度回波SPGR序列，相邻两次动态扫描间的间隔时间大于等于5s；SQUMA序列中，在每一次动态扫描的SPGR主采集序列前通过改善后的运动敏感运动平衡iMSDE或运动敏感驱动平衡MSDE对颈动脉中的血流进行抑制，其中，DYN1、DYN2、DYN3和DYN4均采用iMSDE，DYN5采用MSDE；每一次动态扫描中，血流抑制后采用水激发方法实现对颈部脂肪信号的抑制，然后再进入SPGR主采集序列；
DYN 1和DYN 2中iMSDE准备时长相同，将DYN1和DYN2中iMSDE准备时长均设为第一iMSDE准备时间iMSDE_dur1；DYN1和DYN2采集时的翻转角不同，其中，DYN1的翻转角设为第一翻转角α1，DYN2的翻转角设为第二翻转角α2；DYN2、DYN3和DYN4中翻转角相同，翻转角均设为α2；DYN2、DYN3和DYN 4中iMSDE准备时间不同，其中，DYN 3中iMSDE准备时间设为第二iMSDE准备时间iMSDE_dur2，DYN 4中iMSDE准备时间设为第三iMSDE准备时间；DYN5中的SPGR采集为多回波时间采集，其中回波时间数设为n，n大于等于2；DYN5中主采集序列的翻转角与前四次动态扫描不同，将DYN 5的翻转角设为第三翻转角α3；
2)将步骤1)编译得到的SQUMA序列导入磁共振机器；当有受试者进行颈动脉管壁成像时，将颈动脉血管线圈通过转接线连接到磁共振机器，并将颈动脉线圈放置于受试者颈部，然后令放置有颈动脉血管线圈的受试者平躺于磁共振机器的扫描床上，并将磁共振机器中的红外定位线中心定位于受试者的下颌处；最后按下磁共振机器上的移床按钮，将红外定位线中心所定位的位置移至磁共振机器磁体的扫描中心；
3)颈动脉管壁成像开始后，磁共振机器对受试者的颈部进行SQUMA序列的扫描，获得n+4套颈动脉管壁加权图像；
其中，DYN1，DYN2，DYN3和DYN4分别生成1套对应的颈动脉管壁加权图像，共4套，每套图像包含该次动态扫描获得的该受试者颈动脉成像区域的所有分层图像；
DYN5生成与回波时间数相等的n套颈动脉管壁加权图像，其中每套图像包含该次动态扫描获得的该受试者颈动脉成像区域在对应回波时间的所有分层图像；
4)磁共振机器将步骤3)得到的n+4套颈动脉管壁加权图像发送给计算机；
5)在计算机中，对该n+4套颈动脉管壁加权图像进行拟合，分别获取该受试者颈动脉管壁的纵向弛豫定量图T1 mapping、横向弛豫定量图T2 mapping和受主磁场不均匀性影响的横向弛豫定量图T2*mapping，成像完成；具体方法如下：
5-1)通过计算DYN1和DYN2两次动态扫描分别获得的颈动脉管壁加权图像中任一像素点信号强度与采集角度正弦值的比值和信号强度与采集角度正切值的比值之间的线性关系，获取该像素点对应的斜率，计算该像素点的T1值，根据所有像素点的T1值获得受试者成像区域的T1 mapping图像；
5-2)通过对DYN2、DYN3和DYN4三次动态扫描分别获得的颈动脉管壁加权图像中任一像素点信号强度和对应的iMSDE准备时间进行指数拟合，获得该像素点的T2值，根据所有像素点的T2值获得受试者成像区域的T2 mapping图像；
5-3)通过对DYN5中获得的n套颈动脉管壁加权图像任一像素点信号强度和回波时间进行指数拟合，获得该像素点的T2*值，根据所有像素点的T2*值获得受试者成像区域的T2*mapping图像。
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