一种弛豫交换磁共振成像序列及定量分析方法

本发明涉及磁共振成像的，特别涉及一种测量t2双组分系统中分子交换速度的磁共振成像序列及分析方法。

背景技术：

1、脉络丛是脑脊液的主要生成单元，其是脑脊液(csf)循环的关键组成部分。csf不足会显著阻碍大脑发育，反之，csf过多(由于分泌过多、流动受阻或吸收受限)会导致脑积水和特发性颅内高压。上世纪70年代发明的磁共振成像(magnetic resonance imaging，mri)技术作为一种无创的成像手段，有望成为研究人类中枢神经系统csf动力学的理想方法。

2、目前，大多数关于人类csf动力学测量的实验主要基于相位对比mri(phasecontrast mri,pc-mri)。该方法通过捕捉流动的csf与静止组织之间的相移差异，从而实现体内csf动力学的可视化[feinberg,d.a.,mark,a.s.,(1987).radiology,163(793–799).]。尽管pc-mri是迄今为止人类csf动力学研究中使用最广泛的无创测量技术，但该技术仅测量脑导水管中的csf流动，无法对侧脑室中csf的分泌进行刻画。

3、动脉自旋标记mri(arterial spin labeling mri，asl-mri)技术利用射频脉冲对动脉血中的氢质子进行磁性标记，将其作为内源性示踪剂来测量脑血流量。通过延长标记持续时间(labeling duration,ld)和标记后延迟时间(post-labeling delay,pld)，使得csf中的asl-mri信号积累至可以检测到的水平。然而，这种asl-mri方法基于血液与csf的交换是单向的假设，即asl-mri只能测量血液中被标记的水转移到csf的速率[petitclerc,l.et al.,(2021).neuroimage,245(118755).]。但目前越来越多的证据表明脉络丛除具有csf分泌功能外，还可能负责csf的清除。因此，这种反向的水交换，可能会给asl-mri的测量带来误差。

4、为了对脉络丛功能进行无创、无需造影剂的特异性与定量评估，本技术的发明者利用脉络丛组织与脑脊液的t2差异，创新性地提出了弛豫交换成像(relaxation exchangemri,rexi)序列及相关的磁共振信号生物物理模型，在动物模型上实现对脉络丛内水分子溢出(至脑脊液)速率的定量测量[wu,x.,et al.,(2024).fluids and barriers of thecns,21(94).]。

5、但rexi的临床转化仍然存在着以下问题：(1)采集速度慢：现有rexi采用传统的单线k-空间采集，k-空间填充慢；(2)特定吸收率(specific absorption rate,sar)高：现有rexi技术采用多回波技术，使用多个180度脉冲，有潜在的组织比吸收率高和发热问题；(3)分析模型复杂：现有rexi技术采用双室交换全模型，对数据量要求较高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种快速、低sar值、高信噪比的弛豫交换磁共振成像rexi序列及其采集和分析方法。

2、本发明的一实施方式提供一种弛豫交换磁共振成像rexi序列，所述rexi序列包括：过滤模块，包括一个第一90°激励射频脉冲和一个第一180°重聚焦射频脉冲；交换模块：包括一个可以进行相位循环(phase cycling)的第二90°激励射频脉冲；检测模块：包括一个第三90°激励射频脉冲和一个第二180°重聚焦射频脉冲。

3、所述序列循环执行，且执行的次数为2的整数倍，在每次执行过程中，所述第二90°激励射频脉冲的相位发生循环改变，且改变后的相位与上一次的相位相差180°。

4、所述rexi序列的执行方式包括：

5、s1、施加第一90°激励射频脉冲，再施加第一180°重聚焦射频脉冲；

6、s2、施加不同相位的第二90°激励射频脉冲；

7、s3、施加扰相梯度脉冲(spoiler gradient)；

8、s4、施加第三90°激励射频脉冲；

9、s5、施加第二180°重聚焦射频脉冲；

10、s6、利用分段epi或单次激发epi进行磁共振成像k空间采集；

11、s7、重复s1-s6，但在s2中将第二90°激励射频脉冲的第一相位改变为第二相位，且第二相位与第一相位的相位差为180°；

12、其中，第一90°激励射频脉冲和第二90°激励射频脉冲的间隔时间为过滤模块回波时间tef，第一90°激励射频脉冲和第二90°激励射频脉冲与第一180°重聚焦射频脉冲的间隔时间均为tef/2；第二90°激励射频脉冲与第三90°激励射频脉冲之间的间隔时间为交换时间tm；第三90°激励射频脉冲与第二180°重聚焦射频脉冲之间的间隔时间的两倍为ted。

13、其中，根据需要，s2重复多次，每次重复中第二90°激励射频脉冲相位发生改变，通常重复次数为2的整倍数，例如一个重复次数为2的相位循环，第二90°激励射频脉冲相位分别为0°和180°。

14、所述s3中，根据期望的扰相梯度散相计算扰相梯度脉冲的幅值：

15、φs＝γgstsδr

16、式中，φs为扰相梯度散相，γ为旋磁比，gs为扰相梯度幅值，ts为扰相梯度持续时间，扰相梯度施加在x，y和z方向中的任意方向上，δr为所选方向上的体素大小，在水平放置的主磁体内，定义z方向是指向观察者的方向，y方向是从下到上的方向，x方向是从左到右的方向。为了确保散相的充分进行，可以在x和z方向上同时施加扰相梯度。

17、所述s6中，磁共振成像k-空间采集可以为分段epi(segmented epi)或单次激发epi进行快速成像空间编码方法。

18、备选地，在所述步骤s1和s4前，可以施加压脂脉冲和梯度，对脂肪信号进行抑制。

19、(二)发明了仅需少量数据的rexi定量分析方法，克服了原有rexi对数据需求量大的难题。

20、所述分析方法包括：

21、步骤(1)采用弛豫交换成像rexi序列，将过滤模块tef和交换时间tm分别设置为最小值附近，获取至少两个不同检测模块回波时间ted的第一磁共振信号；

22、步骤(2)采用弛豫交换成像rexi序列，将过滤模块tef设置为固定值，在多个不同交换时间tm和至少两个不同检测模块回波时间ted获取第二磁共振成像信号，其中tm例如设为三个不同的值；

23、步骤(3)利用步骤(1)获取的第一磁共振信号，拟合得到平衡表观横向弛豫率；

24、步骤(4)利用步骤(2)获取的第二磁共振信号，拟合得到不同交换时间下的表观横向弛豫率；

25、步骤(5)利用步骤(3)、步骤(4)得到的平衡表观横向弛豫率和不同交换时间下的表观横向弛豫率，拟合得到表观t2双组分系统中分子交换速率；

26、(三)本发明还提供一种上述采集和分析方法在磁共振成像上的应用。所述应用为磁共振成像测量脑脊液跨膜运输上的应用。

27、进一步的，所述应用为磁共振成像测量双组分系统中短t2组分和长t2组分之间分子交换速度上的应用。再进一步的，所述应用为测量脉络丛(短t2组分)-脑脊液(长t2组分)水分子交换速度或脑脊液(长t2组分)-脑实质(短t2组分)交换界面的表观水分子跨屏障交换速率。

28、优选地，当采用相位循环形式的rexi序列，所述步骤(1)和(2)中需要同时采集磁共振信号的相位，并且根据相位差异，对相位循环的磁共振信号进行处理，例如一个重复次数为2的相位循环，当磁共振图像单个体素的相位差异为同相时，需要将两个磁共振信号的幅值求差的绝对值；当磁共振图像单个体素的相位差异为反相时，需要将两个磁共振信号的幅值求和。经过上述计算后，最终分别得到第一磁共振信号和第二磁共振信号。

29、优选地，步骤(2)中的过滤模块tef参数，一般设置为双t2组分(包含短t2组分和长t2组分)系统中的短t2一倍以上。

30、在上述方法中，当用于不同组织中短t2组分和长t2组分之间交换速度的的磁共振成像方法时，可按照需要调整所述弛豫交换成像rexi序列的检测模块回波时间ted、交换时间tm和过滤模块回波时间tef。

31、本发明提供的弛豫交换磁共振成像rexi序列及其采集和分析方法，专门针对临床扫描进行了优化，融合分段epi(segmented epi)快速成像空间编码、采用相位循环的单回波的rexi序列设计，从而克服原有rexi技术的采集慢、sar值问题。通过采用分段epi作为读出方式，显著提高了采集速度，符合临床环境中对快速成像的需求。同时，采用相位循环技术对非相干信号进行了消除，保证了图像的可靠性。此外，压脂模块的引入，针对临床应用中常见的脂肪干扰问题，进一步提升了分子交换速率测量的精确性。

32、本发明提供的弛豫交换磁共振成像rexi序列及其采集和分析方法，充分考虑了临床应用中的实际需求，能够在保证数据质量的同时，实现快速、高效的t2双组分系统的分子交换速率测量。