一种定量测量脑白质髓鞘内外水分子交换速率的方法与流程

技术特征：
1.一种定量测量脑白质髓鞘内外水分子交换速率的方法，其特征在于，所述方法包括：(1)通过交换过滤磁共振成像fexi序列，在多扩散加权方向下采集脑部图像；(2)根据步骤(1)采集的部分图像确定图像中具有方向各异性结构的脑白质区域，简称为各向异性区域，并在该区域中确定每个像素点的神经纤维朝向；(3)从步骤(1)采集的全部图像中筛选出与各向异性区域里的每个像素点的神经纤维朝向垂直的图像；(4)利用步骤(3)中筛选出的图像计算出图像上各向异性区域里每个像素点的显著交换速率axr、表观扩散系数adc以及过滤系数σ，其中axr为反映髓鞘内外水分子交换速率的参数。2.根据权利要求1所述的定量测量脑白质髓鞘内外水分子交换速率的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述fexi磁共振成像序列包括过滤模块、交换模块和检测模块；在过滤模块和检测模块中均是单个pgse序列；在过滤模块中设置合适的扩散加权b值以及设置多个扩散加权方向；在交换模块中设置交换时间t
m
；在检测模块中检测到经过交换时间t
m
后的磁共振信号，其中在每次磁共振信号检测时过滤模块和检测模块的扩散加权方向均需保持一致。3.根据权利要求2所述的定量测量脑白质髓鞘内外水分子交换速率的方法，其特征在于，在进行脑部图像采集时，在多个扩散加权方向下分别进行图像采集，其中每个扩散加权方向下fexi磁共振成像序列采集两次图像：在采集第一次图像时，过滤模块设置为非0扩散加权b
f
，交换模块设置交换时间t
m
进行测量，检测模块的扩散加权b
d
包括两个b值，设置为b1和b2，分别得到磁共振信号s(t
m
，b1)，s(t
m
，b2)；在采集第二次图像时，过滤模块设置为0扩散加权，交换模块设置为最短交换时间，检测模块的扩散加权包括两个b值，设置与第一次图像采集相同，为b1和b2，分别得到磁共振信号s0(b1)，s0(b2)。4.根据权利要求3所述的定量测量脑白质髓鞘内外水分子交换速率的方法，其特征在于，所述在每个扩散加权方向下采集第一次图像时，过滤模块中非0扩散加权中b
f
值为800s/mm
2-1300s/mm2；交换模块的交换时间t
m
为最短交换时间到1000ms之间；交换模块中设置多次交换时间进行多次测量。5.根据权利要求3所述的定量测量脑白质髓鞘内外水分子交换速率的方法，其特征在于，所述检测模块中b1为100s/mm
2-250s/mm2，b2为800s/mm
2-1300s/mm2。6.根据权利要求1所述的定量测量脑白质髓鞘内外水分子交换速率的方法，其特征在于，在步骤(2)中，确定图像中的各向异性区域及在各向异性区域中确定每个像素点的神经纤维朝向包括：(2-1)确定图像的各向异性区域：利用fexi序列中过滤模块的扩散加权b
f
设置为0，交换模块设置为最短交换时间，检测模块的扩散加权包括两个b值的图像通过非线性最小二乘法拟合出每个像素点的扩散张量，根据每个像素点的各向异性指数fa和平均扩散速率系数md确定各向异性区域；(2-2)在各向异性区域中确定每个像素点中神经纤维的朝向：在各向异性区域中计算出每个像素点的扩散张量的第一特征向量，作为每个像素点的神经纤维朝向。7.根据权利要求6所述的定量测量脑白质髓鞘内外水分子交换速率的方法，其特征在于，在步骤(2-1)中，将fa在0.35-1之间，且md在0.5-1.3μm2/ms之间的像素点确定为各向异
性区域。8.根据权利要求1所述的定量测量脑白质髓鞘内外水分子交换速率的方法，其特征在于，在步骤(3)中从步骤(1)采集的全部图像中筛选出与各向异性区域里的每个像素点的神经纤维朝向垂直的图像，包括：(3-1)分别计算步骤(1)里所施加的每一个扩散加权方向与各向异性区域里每个像素点的神经纤维朝向的夹角，将与像素点的神经纤维朝向的夹角大于等于75
°
且小于等于105
°
的扩散加权方向所对应的fexi图像保留；(3-2)如果筛选出来的与像素点的神经纤维朝向垂直的扩散加权方向的个数等于0，则省略对该像素点上髓鞘内外水分子交换速率的测量；如果个数等于1，则将该扩散加权方向对应的fexi图像用于步骤(4)；如果个数大于1，则将这些扩散加权方向对应的fexi图像进行数值平均用于步骤(4)；其中不同b
f
，不同t
m
和不同b
d
下的fexi图像分别进行平均。9.根据权利要求1所述的定量测量脑白质髓鞘内外水分子交换速率的方法，其特征在于，在步骤(3)中从步骤(1)采集的全部图像中筛选出与各向异性区域里的每个像素点的神经纤维朝向垂直的图像，包括：(3-1)分别计算步骤(1)里所施加的每一个扩散加权方向与各向异性区域里每个像素点的神经纤维朝向的夹角，将与像素点的神经纤维朝向的夹角大于等于165
°
且小于等于180
°
或者夹角大于等于0
°
且小于等于15
°
的扩散加权方向所对应的fexi图像保留；(3-2)如果筛选出来的与像素点的神经纤维朝向垂直的扩散加权方向的个数等于0，则省略对该像素点上髓鞘内外水分子交换速率的测量；如果个数等于1，则将该扩散加权方向对应的fexi图像用于步骤(4)；如果个数大于1，则将这些扩散加权方向对应的fexi图像进行数值平均用于步骤(4)；其中不同b
f
，不同t
m
和不同b
d
下的fexi图像分别进行平均。10.根据权利要求8或9所述的定量测量脑白质髓鞘内外水分子交换速率的方法，其特征在于，步骤(4)中的axr、adc和σ是通过已知的t
m
和计算出的不同t
m
下的表观扩散系数adc
′
(t
m
)，对公式adc
′
(t
m
)＝adc(1-σexp(-t
m
axr))采用最小平方和法拟合得到的；adc
′
(t
m
)是通过公式计算得到的，其中，s
i
(t
m
，b1)和s
i
(t
m
，b2)是在过滤模块的扩散加权b
f
不为0，交换模块的交换时间为t
m
，且第i组扩散加权方向与神经纤维朝向垂直的数据，其分别对应检测模块的扩散加权为b1和b2下的磁共振信号；其中平衡态下的表观扩散系数adc
′
(t
m
＝∞)是通过公式＝∞)是通过公式得到，s0(b1)和s0(b2)过滤模块设置为0扩散加权，交换模块设置为最短交换时间，检测模块的两个扩散加权设置为b1和b2时分别得到磁共振信号；其中axr即为反映髓鞘内外水分子交换速率的常数；当采用权利要求8中扩散加权方向与神经纤维朝向垂直的fexi图像，计算得到反映轴突水分子交换速率的常数；当采用权利要求9中扩散加权方向与神经纤维朝向垂直的fexi图像，计算得到反映白质中胶质细胞内水分子和细胞间隙水分子的交换速率。

技术总结
本发明公开了一种定量测量髓鞘内外水分交换速率的方法：通过FEXI序列采集图像；根据采集的图像确定出各向异性区域及该区域中每个像素点的神经纤维朝向；筛选出与各向异性区域里的每个像素点的神经纤维朝向垂直的图像，并将筛选出的图像进行数值平均；利用数值平均后的图像计算出显著交换速率AXR，表观扩散系数ADC以及过滤系数σ；显著交换速率AXR为特异性反映髓鞘内外水分子交换速率的参数。本发明提供的方法可以实现对髓鞘内外水分子交换过程的特异性检测、分析出表观的髓鞘内外的水分子交换速率常数。子交换速率常数。子交换速率常数。


技术研发人员：白瑞良 李昭青
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2022/3/8