CN117179737B - 多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统及其使用方法，所述定量系统包括n个密封容器，n≥5，且为整数，n个密封容器依次标号为容器一、容器二、容器三、…、容器n；密封容器内均装填有包含所有预成像核素的混合物，而容器二、容器三…、容器n内装填的非1H预成像核素均保持已知的浓度梯度，且浓度梯度数为n‑1。所述定量系统使用时，基于容器一图像计算射频场校正系数分布图；将剩余容器围绕成像部位放置且同时成像，用射频场校正系数分布图校正获得的图像；最后根据拟合法依次计算感兴趣区不同非1H预成像核素的浓度。本发明获得的预成像核素浓度是绝对浓度，有助于纵向观察目标区分子水平的变化。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振成像领域，特别是指多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统及其使用方法。
背景技术
磁共振成像（MRI）可以多参数、多核素成像。生物体内源性的23Na、31P、35Cl等核素的成像可以提供许多1H成像所不能提供的信息。同时，外源性的19F、13C等核素由于在体内无背景信号，有利于用作靶向试剂、示踪剂等探针进行在体研究。
内源性物质的含量（浓度）会伴随功能状态或疾病的发展动态变化；外源性探针一般通过静脉注射或皮下注射或瘤内注射等方式进入被试，进入被试后通过血液循环系统或其他机制到达目标区。核素的磁共振信号激发和采集过程受到射频脉冲翻转角、接收链路放大器的调制，获得的波谱信号或图像像素强度信息是一个相对值，不是一个绝对的值，比如以31P谱成像为例，通常基于谱数据利用两种含磷物质的相对含量表征某一功能事件的变化，不利于纵向、长时间、定量的比较被试功能状态或疾病的发展。
磁共振波谱(NMR)中通常使用内标或外标法标定混合物体系中物质的含量，但NMR中所用的射频线圈有效的射频场体积小，以外径5mm样品管通用的射频线圈为例，其有效射频场分布在高度约2cm，直径5 mm的体积内，射频场比较均匀，物质定量过程不需要考虑射频场的不均匀性。然而，MRI中射频线圈容积大，且有时候使用表面线圈激发和/或接收信号，射频场不均匀，导致即使是均匀的体系，采集到的图像信号强度分布也不均匀，因此MRI中定量物质的含量需要做射频场均匀性的校正。
中国专利文献CN116098605B中提出了一种多核素同步一体化磁共振成像用水模及其使用方法，可为多核素磁共振图像融合提供特征点和结构相似形特征，解决多模态图像配准的问题，但所用的多个水模均是溶质浓度相同的混合物，不能用于定量不同核素的含量信息，且水模内部隔板厚度根据预成像核素的磁旋比设计，对加工精度要求高。现有文献还没有针对多核素同步磁共振成像场景下对多种核素同步定量的系统或方法。
发明内容
本发明提出多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统及其使用方法，可同时定量多种预成像核素的绝对含量，有助于纵向观察目标区分子水平的变化。
本发明的技术方案是这样实现的：一种多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统，包括n个密封容器，n≥5，且为整数，n个密封容器依次标号为容器一、容器二、容器三、…、容器n；密封容器内均装填有包含所有预成像核素的混合物，其中容器一用于射频场均匀性校正，而容器二、容器三…、容器n内装填的非1H预成像核素均保持已知的浓度梯度，且浓度梯度数为n-1，用于定量待成像区域中不同非1H预成像核素的浓度。这里已知的浓度梯度指的是按一定顺序排列的已知浓度，即容器二、容器三、…、容器n内按一定顺序依次填充已知浓度的预成像核素；浓度梯度数为n-1指的是容器二、容器三、…、容器n内的预成像核素的浓度相互不同。
进一步地，容器二、容器三…、容器n内一侧的一半区域内均设置有交叉的隔板I和隔板II，隔板I和隔板II之间的夹角ɑ为锐角，隔板I和隔板II的厚度均为1H的分辨率。
进一步地，容器一的体积选用体积较大的密封容器，其体积可填充成像所用射频线圈有效容积的75%以上。
进一步地，容器一的混合物中，每种预成像核素的浓度均高于生物体内对应核素的预估浓度，如浓度高出50%。
进一步地，容器二、容器三、…、容器n中，装填的非1H预成像核素的浓度梯度根据文献报道的生物体内该核素的浓度分布范围设置，非1H预成像核素的浓度最大值比生物体内该种核素预估浓度最大值高20%，最小值与生物体内预估最低浓度相当，容器二、容器三、…、容器n的非1H预成像核素等浓度梯度分布（浓度差相等，恒为常数），浓度依次标记为C2、C3、…、Cn。
进一步地，混合物中预成像核素的共振频率与生物体内预成像核素的激发频率保持一致。
进一步地，混合物中，所有核素的核磁共振峰为单峰。针对生物体内含31P的多种化合物成像时，混合物中选用单峰的磷酸盐或磷酸肌酸；对于外源性探针进行成像时，混合物中的一种物质选用外源性探针。
一种多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统的使用方法，所述使用方法如下：
第一步、对容器一进行成像，基于容器一的图像计算射频场校正系数分布图；
第二步、将容器二、容器三…、容器n围绕成像部位共面、非共线放置，与成像部位同时成像，获得对应区域内非1H预成像核素的图像；
第三步、利用第一步获得的射频场校正系数分布图校正第二步获得的图像，从而获得对应区域内非1H预成像核素校正后的图像；
第四步、根据拟合法依次计算校正后成像部位图像感兴趣区不同预成像核素的浓度。
进一步地，第四步，计算校正后成像部位图像感兴趣区不同预成像核素的浓度，具体方法如下：
（1）在成像部位校正后的图像区域中选定感兴趣区ROI1，并计算ROI1内的信号强度S1；分别在容器二、容器三、…、容器n校正后的图像区域中选定感兴趣区ROIj，j=2、…、n，并计算ROIj内的信号强度Sj；
（2）利用信号强度Sj和对应容器的预成像核素的已知浓度拟合直线方程S=k*C+b，获得k和b，其中S为信号强度，C为预成像核素的浓度，b为系统偏差；
（3）将S1带入步骤（2）拟合出的方程中，计算获得成像部位图像感兴趣区ROI1的浓度；
（4）重复步骤（1）-（3），依次对不同非1H预成像核素进行定量。
进一步地，第一步中，计算方法如下：射频场校正系数分布图与容器一的图像像素逐点相乘获得的数据相等；
第三步中：校正方法如下：射频场校正系数分布图与第二步获得的图像像素逐点相乘获得新图像，新图像即为校正后成像部位图像。
进一步地，第一步中，计算方法如下：容器一图像像素值的倒数构成射频场校正系数分布图；
第三步中，校正方法如下：射频场校正系数分布图与第二步获得的图像按照像素坐标位置对应、逐点相乘，获得校正后的图像。
本发明的有益效果：
1、本发明提出的一种多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统及其使用方法，获得的预成像核素浓度是绝对浓度，且能同步实现多种核素的定量，有助于纵向观察目标区分子水平的变化，有助于后续纵向比较被检测对象检测部位功能状态或疾病的发展。
2、本发明提出的多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统可实现文献ZL202310349168.2中的功能，有助于多核素图像之间的配准和融合，但本发明中用于核素定量的密封容器中隔板厚度不受核素的磁旋比的限制，对加工精度要求低。
3、本发明对预成像核素定量前对射频场进行了均匀性校正，从而使获得的定量信息更准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统的俯视图；
图2为用于定量核素浓度的密封容器的立体图；
图3为定量核素浓度的密封容器与成像区域的位置示意图；
图4为校正后的成像区域和密封容器的图像及感兴趣区的示意图；
1.容器一，2.容器二、3.容器三、4.容器四、5.容器五，6.进水口，7.隔板I，8.隔板II，9.成像部位，10.感兴趣区ROI1，11.感兴趣区ROI2，12.感兴趣区ROI3，13.感兴趣区ROI4，14.感兴趣区ROI5。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例以兔子大腿肌肉组织三种核素1H、23Na 、31P 同步磁共振成像为例，肌肉组织含有钠盐（23Na）和含磷（31P）化合物，比如：磷酸肌酸（PCr）、三磷酸腺苷（ATP）、无机磷（Pi）等，目标是定量出肌肉组织感兴趣区23Na 、31P两种核素的浓度。
如图1-2所示，一种多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统，包括5个密封容器，密封容器上设置有进水口6，通过进水口6向密封容器内添加包含所有预成像核素的混合物；5个密封容器依次标号为容器一1、容器二2、容器三3、容器四4和容器五5，其中容器二2、容器三3、容器四4和容器五5用于定量核素的浓度。
容器一1选用体积较大的圆柱体容器，圆柱体直径13 cm，高度10 cm，其体积可填充成像所用射频线圈有效容积的75%；容器二2、容器三3、容器四4和容器五5，均为圆柱体，且体积较小，直径1.5 cm，高度5 cm，内部固定有交叉的隔板I7和隔板II8，隔板I7和隔板II8的夹角ɑ为42°，实际为锐角即可。两个隔板靠近圆柱体一侧的一半区域内，隔板I7和隔板II8的上下两端均与密封容器间隔设置，将密封容器分为多个子空间。
5个密封容器内均装填包含所有预成像核素23Na 、31P的均匀混合物，其中容器一1用于射频场均匀性校正；容器二2、容器三3、容器四4和容器五5装填的预成像核素23Na 、31P均保持已知的浓度梯度，浓度梯度数为4，用于定量待成像区域中23Na 、31P核素的浓度。
混合物构成：溶质为磷酸肌酸和氯化钠（NaCl），溶剂为水（H2O），加入琼脂糖粉末，加热的同时搅拌均匀，逐步冷却形成半固体态水模仿体，琼脂糖质量分数为4%。
容器一1内的混合物中，磷酸肌酸和氯化钠的浓度均设置为100 mmol/L。
容器二2、容器三3、容器四4和容器五5的混合物中：氯化钠的浓度依次为10 mmol/L、60 mmol/L、110 mmol/L、170 mmol/L，磷酸肌酸的浓度依次为5mmol/L、55 mmol/L、105mmol/L、155 mmol/L。
一种多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统的使用方法，包括以下步骤：
第一步、对容器一1进行成像，获得容器一1的图像，基于容器一1的图像计算射频场校正系数分布图；计算方法如下：容器一1图像像素值的倒数构成射频场校正系数分布图；
第二步、如图3所示，将容器二2、容器三3、容器四4和容器五5围绕成像部位9共面、非共线放置，利用弹性束缚带固定，与成像部位9同时成像，获得对应区域内23Na和含31P化合物的图像；
第三步、利用射频场校正系数分布图校正第二步获得的23Na和含31P化合物图像，校正方法如下：射频场校正系数分布图与23Na和含31P化合物的图像按照像素坐标位置、逐点相乘获得对应区域内23Na和含31P化合物校正后的图像，成像部位9、容器二2、容器三3、容器四4和容器五5校正后的图像示意图如图4所示；
第四步、根据拟合法依次计算校正后成像部位图像感兴趣区不同核素的浓度，方法如下：
（1）如图4所示，在成像部位9校正后的图像区域内画出感兴趣区ROI110，计算感兴趣区ROI110的信号平均值，标记为信号强度S1；分别在容器二2、容器三3、容器四4和容器五5校正后的图像区域中画出感兴趣区ROIj（j=2，3，…，5），依次标记为感兴趣区ROI211，感兴趣区ROI312，感兴趣区ROI413，感兴趣区ROI514，分别计算4个感兴趣区内的信号平均值，依次标记为信号强度Sj（j=2，3，…，5）；
（2）利用信号强度Sj和4个密封容器中已知的预成像核素浓度拟合直线方程S=k*C+b，获得k和b的数值，其中S为信号强度，C为预成像核素的已知浓度，b为系统偏差；
（3）将S1带入拟合出的方程S1=k*C+b，计算获得成像部位9图像感兴趣区ROI1的预成像核素的浓度。
重复步骤（1）-（3），分别对预成像核素23Na、31P进行定量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统，其特征在于：包括n个密封容器，n≥5，且为整数，n个密封容器依次标号为容器一、容器二、容器三、…、容器n；密封容器内均装填有包含所有预成像核素的混合物，其中容器一用于射频场均匀性校正，而容器二、容器三…、容器n内装填的非1H预成像核素均保持已知的浓度梯度，且浓度梯度数为n-1，用于定量待成像区域中不同非1H预成像核素的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统，其特征在于：容器二、容器三…、容器n内一侧的一半区域内均设置有交叉的隔板I和隔板II，隔板I和隔板II之间的夹角ɑ为锐角，隔板I和隔板II的厚度均为1H的分辨率。
3.根据权利要求1所述的一种多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统，其特征在于：容器一的体积可填充成像所用射频线圈有效容积的75%以上。
4.根据权利要求1所述的一种多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统，其特征在于：容器一的混合物中，每种预成像核素的浓度均高于生物体内对应核素的预估浓度。
5.根据权利要求1所述的一种多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统，其特征在于：容器二、容器三、…、容器n中的非1H预成像核素等浓度梯度分布，每种非1H预成像核素的浓度最大值比生物体内该种核素预估浓度最大值高20%，最小值与生物体内预估最低浓度相当。
6.根据权利要求1所述的一种多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统，其特征在于：混合物中预成像核素的共振频率与生物体内预成像核素的激发频率保持一致。
7.根据权利要求1所述的一种多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统，其特征在于：混合物中，所有核素的核磁共振峰为单峰；对于外源性探针进行成像时，混合物中的一种物质选用外源性探针。
8.权利要求1-7之一所述的多核素同步一体化磁共振成像核素定量系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、对容器一进行成像，基于容器一的图像计算射频场校正系数分布图；
第二步、将容器二、容器三…、容器n围绕成像部位共面、非共线放置，与成像部位同时成像，获得对应区域内非1H预成像核素的图像；
第三步、利用第一步获得的射频场校正系数分布图校正第二步获得的图像，从而获得对应区域内非1H预成像核素校正后的图像；
第四步、根据拟合法依次计算校正后成像部位图像感兴趣区不同非1H预成像核素的浓度。
9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，第四步中，计算校正后成像部位图像感兴趣区不同非1H预成像核素的浓度，具体方法如下：
（1）在成像部位校正后的图像区域中选定感兴趣区ROI1，并计算ROI1内的信号强度S1；分别在容器二、容器三、…、容器n校正后的图像区域中选定感兴趣区ROIj，j=2、…、n，并计算ROIj内的信号强度Sj；
（2）利用信号强度Sj和对应容器的预成像核素的已知浓度拟合直线方程S=k*C+b，获得k和b，其中S为信号强度，C为预成像核素的浓度，b为系统偏差；
（3）将S1带入步骤（2）拟合出的方程中，计算获得成像部位图像感兴趣区ROI1的预成像核素的浓度；
（4）重复步骤（1）-（3），依次对不同非1H预成像核素进行定量。
10.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，第一步中，计算方法如下：容器一图像像素值的倒数构成射频场校正系数分布图；
第三步中，校正方法如下：射频场校正系数分布图与第二步获得的图像按照像素坐标位置对应、逐点相乘，获得校正后的图像。
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| 增强磁共振肺灌注成像――附12例正常表现;黄小勇, 杜靖, 吕飙, 张兆琪, 董莉, 毕涛;心肺血管病杂志(04);全文 * |
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