一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法

本发明属于磁共振成像和医学图像处理，具体涉及一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法。

背景技术：

1、脑部微组织结构测量的目的是为了实现对神经元微结构的特异性，以产生无创成像的独特临床生物标记物。由于生物组织十分复杂，微观结构建模通常需要基于特定的假设对组织结构进行模拟，以得到其感兴趣的目标指标。对于微观参数特异性成像，实现此目的的一种有效方法是增加数据的测量维度，以更好的区分组织微成分，如利用扩散和t1、t2弛豫和波谱成像之间的协同作用。相关进展包括弛豫扩散相关成像技术，已被应用于动物和离体大脑中。最近，这种多维度成像方法与微观结构建模相结合，以改善对人脑成像的组织微结构参数的估计。但是，多维度成像在提供特异性参数的同时也进一步增加了数据采集以及模型拟合的困难。

2、另外，在现有的扩散磁共振数据采集方案下，微观结构参数对扩散信号变化不敏感，限制了模型参数的特异性。其中，常见的多成分模型只考虑了不同成分间的扩散特性差异，而未考虑弛豫时间等其他特性的差异，而扩散磁共振数据也经常以单个te进行采集。这导致从模型得出的定量指标会受到来自t1和t2加权的干扰。当成份之间存在t1或t2加权差异时，模型不能将成份之间的弛豫和扩散特性区分开来。在组织中神经突内和神经突外成份之间，t2的差异相比来说要小得多，但也被证明会导致在白质中一些扩散模型的导出参数具有回波时间依赖性这将减少模型衍生的定量指标的特异性，及研究结果的可解释性，特别是对于研究伴随着t2弛豫时间大幅改变的大脑发育和成熟的过程。

3、综上，脑组织微结构的特征在于扩散率和横向弛豫率之间的异质性。扩散磁共振成像及其高阶模型能够无创探测脑组织微结构。其中，受限、受阻和自由成分的水分子之间的信号差异可以通过高阶扩散模型来表征，从而估计体素内的细胞体、轴突纤维和自由成分的相对比例，从而用于检测大脑的发育、退化和疾病驱动的脑组织微结构改变。然而，组织成分的准确表征不仅受组织依赖的扩散系数的影响，也受到横向弛豫率的影响。明确考虑弛豫-扩散的耦合关系可能会显著改善脑组织微结构的表征。具有单一回波时间的标准扩散磁共振成像技术主要提供有关扩散率的信息，而弛豫扩散磁共振成像涉及多个回波时间和多个扩散加权强度，能够探测弛豫和扩散率之间的组织特征的耦合关系，因此提出一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法具有重要意义。

技术实现思路

1、为了突破现有技术的挑战，本发明提供一种扩散弛豫谱成像方法，探测弛豫-扩散的耦合关系，并定量测量脑组织微结构参数，解决了传统成分分数的te依赖性。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法，包括以下步骤：

4、步骤1、通过磁共振设备对脑部进行扩散加权成像扫描，根据不同b值和不同回波时间的设定，进行采样，得到多b值多回波时间的扩散磁共振成像图像；

5、步骤2、基于球面平均扩散弛豫谱成像模型对多b值多回波时间的扩散磁共振成像图像进行拟合得到具有脑组织特异性和b值依赖的弛豫时间，以及脑组织体积分数；

6、步骤3、基于扩散弛豫谱成像模型和步骤2中得到的弛豫时间对多b值多回波时间的扩散磁共振图像进行拟合得到无t2加权的具有脑组织特异性的纤维方向分布函数；

7、步骤4、将步骤2得到的弛豫时间、脑组织体积分数以及步骤3得到的分布函数进行表征得到脑组织微观结构参数。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明可提供组织成分特定的非t2加权的神经突内分数和自由水分数，解决了传统成分分数的te依赖性；同时还提供了仅靠弛豫方法无法区分的神经突内、外t2弛豫时间；同时，我们通过理论推导和实验验证，显示出这些特异性参数可以从临床环境下的扫描设备中予以估计实现；本发明提高了组织参数特异性与定量特性，将为基于扩散磁共振成像的研究带来新的见解。

技术特征：

1.一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

3.根据权利要求1所述的一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法，其特征在于，所述球面平均扩散弛豫谱成像模型是扩散弛豫谱成像模型的球面平均化结果。

4.根据权利要求3所述的一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法，其特征在于，所述球面平均扩散弛豫谱成像模型排除纤维方向分布对于弛豫时间的影响，将大脑的微观组织环境表征为脑组织内受限、受阻和自由扩散部分，并根据一个几何曲度来区分受限和受阻部分；每一个扩散部分通过一系列自旋包的球面平均信号的加权组合，并计算其对应的体积分数，探测跨越一系列扩散尺度的弛豫扩散耦合。

5.根据权利要求4所述的一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法，其特征在于，所述扩散弛豫谱成像模型具体为：

6.根据权利要求5所述的一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法，其特征在于，所述球面平均扩散弛豫谱成像模型具体为：

7.根据权利要求6所述的一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法，其特征在于，所述表观扩散系数dr，dh，df通过平行扩散系数λ||和垂直扩散系数λ⊥进行参数化表示在对应的集合脑组织内受限λr，受阻λh，自由扩散λf中，并根据一个几何曲度φ来区分受限λr和受阻λh部分。

8.根据权利要求7所述的一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法，其特征在于，所述平均扩散系数λ||和垂直扩散系数λ⊥的范围为[0e-33e-3]，所述几何曲度φ为π2/4。

9.根据权利要求6所述的一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法，其特征在于，所述扩散弛豫谱成像模型和球面平均扩散弛豫谱成像模型通过以下方式求解：

10.根据权利要求9所述的一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

技术总结
本发明公开了一种用于脑部微组织结构测量的扩散弛豫谱成像方法，包括：获取目标对象在多回波时间和多b值下的扩散磁共振数据；建立多组织脑微结构的扩散弛豫谱成像模型；通过基于球面平均技术的多参数联合优化方法获得多组织脑微结构的扩散弛豫时间和扩散敏感系数谱；将得到的弛豫时间、脑组织体积分数以及分布函数进行表征得到脑组织微观结构参数。本发明可提供组织成分特定的非T2加权的神经突内分数和自由水分数，解决了传统成分分数的TE依赖性。

技术研发人员：吴烨,周涛,张轶哲,秦姣龙
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13