一种同时探测黑质及蓝斑区铁沉积和神经黑色素含量的多回波磁化转移磁共振成像方法

1.本发明涉及一种同时探测黑质及蓝斑区铁沉积和神经黑色素含量的多回波磁化转移磁共振成像方法，属于磁共振成像技术领域。


背景技术：

2.神经黑色素是黑质运动神经元合成多巴胺过程中形成的重要中间产物，储存于细胞器中，正常人神经黑色素在黑质中的含量逐年递增，65岁后趋于稳定。病理研究证实，黑质神经黑色素的含量与多巴胺能神经元的数量具有高度相关性。也就是说通过测量黑质致密带神经黑色素的含量即可间接推测多巴胺能神经元的坏死程度。有研究证明，帕金森病(pd)患者出现临床症状时黑质多巴胺能神经元凋亡已超过总量的30％，神经黑色素的含量仅为正常人的 50％-60％。pd是一种慢性进行性疾病，我们推测在临床前期多巴胺神经元快速凋亡进展就已经启动，神经黑色素含量相应减低，因此通过测量黑质神经黑色素的含量具有早期诊断pd的潜力。神经黑色素敏感序列磁共振成像(nm-mri)利用黑色素短t1的特性可以直观显示活体内神经黑色素，前期研究结果发现pd患者在黑质致密带和蓝斑区的神经黑色素含量明显低于年龄性别相匹配的正常人，与多巴胺机能和去甲肾上腺素能的减低密切相关。研究进一步证实nm-mri序列在pd早期诊断及治疗评估中具有重要的潜在价值。
3.异常铁沉积被认为是pd的发病机制之一，铁能够促进氧化应激下α-突触核蛋白的聚集从而诱导形成路易小体。黑质及黑质纹状体区的异常铁沉积常提示多巴胺能神经元及黑质纹状体通路中投射纤维的变性坏死，与pd的发生及疾病的严重程度、以及药效反映具有相关性。磁敏感加权磁共振成像(swi)可以无创的评估脑组织铁含量，通过相位值、有效横向驰豫率、定量敏感度、qsm等参数进行定量分析。
4.nm-mri和swi是目前研究pd的两种最重要的磁共振成像方法，目前的技术方法相对成熟，如中国专利文献cn 113164063 a公开了一种用于确定患者的多巴胺功能的示例性系统、方法和计算机可访问介质，可以测量黑质中神经黑色素的含量，以此反映多巴胺能神经元的凋亡程度，确定纹状体区多巴胺功能，为pd的早期的诊断提供影像学依据。中国专利文献 cn 102743173 b公开了一种无创测量脑组织铁含量的方法，可以无创的测量脑组织中不同脑区的铁含量，以此反映脑组织中的神经元的变性。但是目前存在的问题，异常的铁沉积是否影响nm-mri序列中对于神经黑色素的准确测量，相关的研究证据争议较大，结论未达成统一。并且采集数据需要花费较长的时间，两种序列的成像原理差异较大，所得序列很难实现精确配准以实现对两者物质之间相互关系的研究。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明通过在原有nm-mri序列基础上进行序列的优化，采用多回波(6个te值)磁化转移磁共振成像方法，可以同时获得nm-mri图、swi图以及qsm图。多回波磁化转移磁共振成像方法创新地将多回波梯度回波序列与磁化传递序列相结合，可
以通过一个序列的采集，同时对于pd发生机制的两个重要机制进行探究，所获图像无需进行配准，可以进一步对于铁沉积和神经黑色素信号之间的相关性进行探究。
6.术语解释：
7.1.qsm：quantitative susceptibility mapping的缩写，中文含义磁敏感定量成像，是近年来比较新的一项成像技术。相比传统的成像对比，qsm最大的特点是图像对比完全源自图像的相位而并非磁敏感信号的幅度，并且反映的是不同物质在磁场中所产生的磁敏感效应所致。
8.2.多回波磁化转移磁共振成像方法：主要采用多回波梯度回波序列与磁化传递序列相结合的方法，实现一次扫描获取t2*弛豫、qsm、mtr和不同的对比度图像等多个重要参数。
9.3.swi：susceptibility weighted imaging的缩写，中文含义为磁敏感加权磁共振成像。
10.4.nm-mri：neuromelanin sensitivemri的缩写，中文含义为神经黑色素敏感序列磁共振成像。
11.5.t1wi：t1weighted image,t1加权像。
12.本发明的技术方案为：
13.一种同时探测黑质及蓝斑区铁沉积和神经黑色素含量的多回波磁化转移磁共振成像方法，包括步骤：
14.1)采集三维矢状t1wi序列，结束后重建轴位和冠状位图像，用于后续多回波磁化转移磁共振成像序列的定位；
15.2)调用多回波磁化转移磁共振成像序列，然后对中脑区域进行扫描，定位垂直于第四脑室的前壁；
16.3)扫描结束后，获取5-10个回波时间te的相位图和幅度图；选取黑质及蓝斑区中神经黑色素信号显示最佳对应的回波时间作为最短回波时间，得到的幅度图作为神经黑色素敏感序列磁共振成像nm-mri图；并对最短回波时间对应的幅度图进行窗宽窗位的调节，将信号强度高于大脑脚区的信号定义为高信号，即神经黑色素信号，从而观察到黑质及蓝斑区中神经黑色素信号，实现对黑质及蓝斑区中神经黑色素的含量的定性分析；
17.选取多个回波时间te是为了勾绘组织信号值在不同te中的变化曲线，以此得出相应的 qsm图，定量分析不同脑区的铁沉积的含量，研究表明使用5-10个回波拟合出的场图更准确，重建得到的磁化率分布图信噪比更高，并且可以获得较好的颅内核团磁化率对比度。
18.4)随着回波时间te值的增加，所获得的图像对于顺磁性物质的磁敏感性增强，选取观察黑质小体1的磁敏感度最佳对应的回波时间，并将该回波时间对应的幅度图作为磁敏感加权成像swi图，将信号强度低于大脑脚区的信号定义为铁沉积的信号，从而直接观察黑质及蓝斑区中铁沉积的含量，实现对黑质及蓝斑区中铁沉积的含量的定性分析，并且能够定性观察黑质背外侧部黑质小体1信号的改变，识别燕尾征的改变；
19.5)将步骤3)得到的不同回波时间te对应的相位图和幅度图进行后处理获得qsm图,后处理为现有的公知技术，主要包括场图拟合、背景场去除和磁化率反演，qsm图用于定量计算脑组织磁化率，根据脑组织磁化率来反映黑质及蓝斑区铁沉积的含量。
20.原有的成像技术nm-mri可以测量黑质中神经黑色素的含量，原有的成像技术swi扫描时间相对较长，获得的数据只能得到黑质中nm-mri信号值，无法同时获得铁沉积的相关信息，因为在pd的进展过程中，多巴胺能神经元的凋亡过程也会引起相应铁含量的改变，单一的神经黑色素含量反映的神经元的凋亡及铁沉积对应的神经纤维的变性均很难解释所有pd患者的临床症状、药物反映及预后等异质性，两者的相互关系对于pd的发病机制的进一步揭示至关重要。本发明采用多回波磁化转移磁共振成像方法，实现了一个序列同时采集黑质、蓝斑区神经黑色素和铁沉积的数据，从两个不同的角度全面解析pd的发病机制，进一步探究铁沉积和神经黑色素之间的相互关系。
21.多回波磁化转移磁共振成像方法主要采用多回波梯度回波序列与磁化传递序列相结合的方法实现一次扫描获取多个重要参数。磁化转移成像(mti)用于通过使用非共振饱和脉冲选择性地使具有显著水-大分子相互作用的大分子饱和；该技术主要用于抑制mr血管造影(mra) 和增强t1加权图像中背景组织的信号；mti的另一个应用是使信号对于患病组织更加明显，蛋白质-水相互作用发生改变，mt脉冲抑制较少；磁化传递比(mtr)是该序列的唯一定量参数。合成mri可以根据来自单次采集的组织特性测量结果生成不同的对比度加权图像和量化。磁化饱和脉冲可以跟随不同种类的读出序列，例如梯度回波和快速自旋回波。本发明创新地将多回波梯度回波序列与磁化传递序列相结合。t2*弛豫、qsm、mtr和不同的对比度图像只能在一次采集中获得。使用本发明，仅执行一次单次扫描，可以同时获取上述参数，因此可以同时减少扫描时间。
22.根据本发明优选的，步骤2)中，多回波磁化转移磁共振成像序列所采用的具体成像参数如下：重复时间tr为60ms，视场fov为220mm
×
220mm，采集矩阵为328
×
316，翻转角为 30
°
，体素大小为0.66
×
0.66
×
2.0mm3，层厚为2mm，层间隔为0，层数为20，并行采集加速因子为2，扫描时间为6分14秒。
23.根据本发明优选的，步骤3)中，6个回波时间te分别为7.5ms、15.5ms、23.5ms、31.5ms、 39.5ms、47.5ms。考虑到越多te的设定，花费的时间就越多，最终我们确定为6个te时间可以兼顾序列的空间分辨率和时间分辨率。
24.根据本发明优选的，步骤3)中，当回波时间te为7.5ms时，黑质及蓝斑区中神经黑色素高信号显示最佳，将回波时间te为7.5ms作为最短回波时间。
25.根据本发明优选的，步骤4)中，当回波时间te为31.5ms时，观察黑质小体1的磁敏感度最佳。
26.根据本发明优选的，步骤3)中，通过勾绘高信号区域的面积进行定量分析神经黑色素的含量，或测量黑质及蓝斑区的相对信号比,黑质的相对信号比为黑质信号值/大脑脚信号值；蓝斑区的信号比为蓝斑信号值/大脑脚信号值。
27.根据本发明优选的，步骤3)中，窗宽为300，窗位为500。
28.本发明的有益效果为：
29.1.本发明采用多回波磁化转移磁共振成像方法，创新地将多回波梯度回波序列与磁化传递序列相结合，可以实现单次即可扫描获取t2*弛豫、qsm、mtr和不同的对比度图像等参数，因此减少了扫描持续时间。
30.2.本发明采用多回波磁化转移磁共振成像方法一次扫描所获取的图像之间无需进行过多的矫正，可以实现精确配准，能够实现pd患者中神经黑色素与铁沉积相互关系的
研究。该技术容易在临床中进行推广，并且我们的研究已经证实其在pd早期诊断及治疗、预后评估中具有重要的潜在价值。
附图说明
31.图1为多回波磁化转移磁共振成像方法的序列定位图；
32.图2为黑质中间层面多回波磁化转移磁共振成像序列获得的6个te(依次为7.5ms、15.5ms、23.5ms、31.5ms、39.5ms、47.5ms)的幅度图；
33.图3a为正常人在多回波磁化转移磁共振成像下所获得的黑质神经黑色素成像(nm-mri) 图；
34.图3b为正常人在多回波磁化转移磁共振成像下所获得的磁敏感加权成像(swi)图。
35.图3c为正常人在多回波磁化转移磁共振成像下所获得的定量磁化率成像(qsm)图；
36.图3d为pd患者在多回波磁化转移磁共振成像下所获得的黑质神经黑色素成像(nm-mri) 图；
37.图3e为pd患者在多回波磁化转移磁共振成像下所获得的磁敏感加权成像(swi)图；
38.图3f为pd患者在多回波磁化转移磁共振成像下所获得的定量磁化率成像(qsm)图；
39.图4a为正常人在多回波磁化转移磁共振成像下所获得的蓝斑区神经黑色素成像图；
40.图4b为pd患者在多回波磁化转移磁共振成像下所获得的蓝斑区神经黑色素成像图。
具体实施方式
41.下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
42.实施例1
43.一种同时探测黑质及蓝斑区铁沉积和神经黑色素含量的多回波磁化转移磁共振成像方法，包括步骤：
44.1)参与者摆位结束后，采集三维矢状t1wi序列，结束后重建轴位和冠状位图像，用于后续多回波磁化转移磁共振成像序列的定位；
45.2)调用多回波磁化转移磁共振成像序列，然后对中脑区域进行扫描，定位垂直于第四脑室前壁；如图1所示；图1中，最上面的线和最下面的线之间为扫描范围，中间的线是其中的一个扫描层面。
46.3)扫描结束后，获取5-10个回波时间te的相位图和幅度图；选取黑质及蓝斑区中神经黑色素信号显示最佳对应的回波时间作为最短回波时间，得到的幅度图作为神经黑色素敏感序列磁共振成像nm-mri图；并对最短回波时间对应的幅度图进行窗宽窗位的调节，将信号强度高于大脑脚区的信号定义为高信号，即神经黑色素信号，从而观察到黑质及蓝斑区中神经黑色素信号，实现对黑质及蓝斑区中神经黑色素的含量的定性分析；
47.选取多个回波时间te是为了勾绘组织信号值在不同te中的变化曲线，以此得出相应的 qsm图，定量不同脑区的铁沉积含量，研究表明使用5-10个回波拟合出的场图更准确，重建得到的磁化率分布图信噪比更高，并且可以获得较好的颅内核团磁化率对比度。
48.4)随着回波时间te值的增加，所获得的图像对于顺磁性物质的磁敏感性增强，选取观察黑质小体1的磁敏感度最佳对应的回波时间，并将该回波时间对应的幅度图作为磁敏感加权成像swi图，将信号强度低于大脑脚区的信号定义为铁沉积的信号，从而直接观察黑质及蓝斑区中铁沉积的含量，实现对黑质及蓝斑区中铁沉积的含量的定性分析，并且能够定性观察黑质背外侧部黑质小体1信号的改变，识别燕尾征的改变；
49.5)将步骤3)得到的不同回波时间te对应的相位图和幅度图进行后处理获得qsm图,后处理为现有的公知技术，主要包括场图拟合、背景场去除和磁化率反演，qsm图用于定量计算脑组织磁化率，根据脑组织磁化率来反映黑质及蓝斑区铁沉积的含量。具体的，通过定位某一区域，根据该区域内信号强度值来确定脑组织磁化率，根据脑组织磁化率来反映黑质及蓝斑区铁沉积的含量。
50.原有的成像技术nm-mri可以测量黑质中神经黑色素的含量，原有的成像技术swi扫描时间相对较长，获得的数据只能得到黑质中nm-mri信号值，无法同时获得铁沉积的相关信息，因为在pd的进展过程中，多巴胺能神经元的凋亡过程也会引起相应铁含量的改变，单一的神经黑色素含量反映的神经元的凋亡及铁沉积对应的神经纤维的变性均很难解释所有pd患者的临床症状、药物反映及预后等异质性，两者的相互关系对于pd的发病机制的进一步揭示至关重要。本发明采用多回波磁化转移磁共振成像方法，实现了一个序列同时采集黑质、蓝斑区神经黑色素和铁沉积的数据，从两个不同的角度全面解析pd的发病机制，进一步探究铁沉积和神经黑色素之间的相互关系。
51.多回波磁化转移磁共振成像方法主要采用多回波梯度回波序列与磁化传递序列相结合的方法实现一次扫描获取多个重要参数。磁化转移成像(mti)用于通过使用非共振饱和脉冲选择性地使具有显著水-大分子相互作用的大分子饱和；该技术主要用于抑制mr血管造影(mra) 和增强t1加权图像中背景组织的信号；mti的另一个应用是使信号对于患病组织更加明显，蛋白质-水相互作用发生改变，mt脉冲抑制较少；磁化传递比(mtr)是该序列的唯一定量参数。合成mri可以根据来自单次采集的组织特性测量结果生成不同的对比度加权图像和量化。磁化饱和脉冲可以跟随不同种类的读出序列，例如梯度回波和快速自旋回波。本发明创新地将多回波梯度回波序列与磁化传递序列相结合。t2*弛豫、qsm、mtr和不同的对比度图像只能在一次采集中获得。使用本发明，仅执行一次单次扫描，可以同时获取上述参数，因此可以同时减少扫描时间。
52.实施例2
53.根据实施例1提供的一种同时探测黑质及蓝斑区铁沉积和神经黑色素含量的多回波磁化转移磁共振成像方法，区别之处在于：
54.步骤2)中，多回波磁化转移磁共振成像序列所采用的具体成像参数如下：重复时间tr 为60ms，视场fov为220mm
×
220mm，采集矩阵为328
×
316，翻转角为30
°
，体素大小为 0.66
×
0.66
×
2.0mm3，层厚为2mm，层间隔为0，层数为20，并行采集加速因子为2，扫描时间约为6分14秒。
55.步骤3)中，扫描结束后，获取6个回波时间te的相位图和幅度图；其中，6个回波时
间te分别为7.5ms、15.5ms、23.5ms、31.5ms、39.5ms、47.5ms。
56.多个te的选择是为了勾绘组织信号值在不同te中的变化曲线，以此得出相应的qsm图，定量不同脑区的铁沉积含量，研究表明使用5-10个回波拟合出的场图更准确，重建得到的磁化率分布图信噪比更高，并且可以获得较好的颅内核团磁化率对比度，但是考虑到越多te的设定，花费的时间就越多，最终我们确定为6个te时间可以兼顾序列的空间分辨率和时间分辨率。
57.通过调节窗宽窗位，本实施例中，窗宽为300，窗位为500。
58.当te＝7.5ms时，黑质及蓝斑区神经黑色素呈明显高信号，作为nm-mri序列；
59.针对te＝7.5ms的图像，通过调节窗宽窗位可以直观显示黑质及蓝斑区神经黑色素的含量，以此来侧面反映黑质致密带多巴胺能神经元及蓝斑区去甲肾上腺素能神经元的凋亡程度。
60.并可通过半定量及全自动定量等技术对信号强度及高信号体积进行测量，本实施例中，通过勾绘高信号区域的面积进行定量分析神经黑色素的含量。或测量黑质及蓝斑区的相对信号比,黑质的相对信号比为黑质信号值/大脑脚信号值；蓝斑区的信号比为蓝斑信号值/大脑脚信号值。
61.步骤4)中，当te＝31.5ms时，磁敏感权重较高，顺磁性物质呈明显低信号，作为磁敏感加权成像swi序列；
62.通过te＝31.5ms可以直观观测中脑区域顺磁性物质铁沉积的情况，并可进行定性观察黑质背外侧部黑质小体1信号的改变，识别燕尾征的改变，以此识别帕金森综合征的可能性。
63.通过多个te计算可得到定量磁化率成像(qsm)图，用于定量计算脑组织磁化率，即对黑质及蓝斑区进行铁沉积的含量的定量分析。
64.采用多回波磁化转移磁共振成像方法一次扫描可以同时获得6个不同te值的数据，如图 2所示，根据箭头指向，依次为7.5ms、15.5ms、23.5ms、31.5ms、39.5ms、47.5ms对应的幅度图。
65.当参与者为正常人时，得到的黑质多回波磁化转移磁共振成像如图3a、图3b和图3c所示，图3a(te＝7.5ms)可见黑质神经黑色素高信号饱满，呈新月形，边缘清晰。图3b(te＝31.5ms) 可见黑质和红核呈明显低信号，提示铁沉积明显。图3c(qsm图)可以定量计算中脑不同脑区铁沉积的含量。
66.当参与者为pd患者时，得到的黑质多回波磁化转移磁共振成像如图3d、图3e和图3f 所示，与正常人相比，pd患者黑质区的高信号明显减低，以双侧外侧部为著，黑质中铁沉积程度较正常人较重，swi呈明显低信号，磁化率较高。
67.如图4a所示，白色箭头指示的为蓝斑区域，正常人双侧蓝斑区信号饱满，边缘清晰。
68.如图4b所示，pd患者双侧蓝斑信号减低，边缘模糊，提示去甲肾上腺素能神经元过度凋亡，与pd患者的非运动症状高度相关。
69.本技术采用多回波磁化转移磁共振成像方法创新地将多回波梯度回波序列与磁化传递序列相结合，可以通过一次扫描采集获取多种参数。
70.通过采集得到的6个不同te值对应的图像，研究黑质及蓝斑区铁沉积和神经黑色
素信号之间的相关性。
71.通过6个te图像的相位图及幅度图进行后处理分析，得到qsm图，可以对黑质及蓝斑等区域进行铁含量的定量分析，以此推定神经元及神经通路的变性程度。
72.综合多回波磁化转移磁共振成像序列所获得的黑质区铁沉积和神经黑色素含量的情况，可以与帕金森病患者亚型、严重程度、药物反映及预后等信息进行交叉分析，探寻两种pd发生病理机制的相互关系，对进一步阐明pd的个体异质性至关重要。