基于磁敏感定量成像检测帕金森MPTP小鼠模型脑铁沉积的研究

摘要

帕金森病(Parkinson's disease，PD)是一种常见于老年人的神经退行性疾病。数据显示，我国65岁以上人群患病率大约为1.7％。随着人口老龄化，该病的发病率不断增加，而该病目前尚未有明确的发病机制和有效的治疗方法。近些年，很多研究表明帕金森患者的黑质区域存在过量的铁沉积。磁共振成像技术中的磁敏感定量成像(Quantitative susceptibility mapping，QSM)在脑铁定量方面具有较高的准确性和敏感度，多项研究均通过该技术检测到帕金森患者黑质的磁化率显著高于健康组，但该技术在帕金森MPTP（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahy-dropyridine）小鼠模型的应用尚未有报导。本文将基于磁敏感定量成像，检测帕金森MPTP小鼠模型黑质和纹状体的脑铁沉积，为以后借助小鼠模型研究帕金森疾病提供一个可参考的量化指标。
　　首先，本文提出一种定量磁敏感的重建方法——改进后的形态学相似性反演（Improved morphology enabled dipole inversion，iMEDI）。该方法除了在幅度图平滑区域加入总变分约束之外，还通过先验信息进一步约束磁化率图像的边缘区域。仿真数据、体模数据以及人脑数据的实验结果均表明，iMEDI能够有效地改善在组织边缘处的条形伪影和磁化率准确性，并且相比于MEDI方法，本文提出的方法的均方根误差(RMSE)和高频误差范数(HFEN)更低，结构相似性(SSrM)和线性回归分析的确定系数(R2)更高，得到的磁敏感定量图更接近于标准。
　　其次，分别配制不同浓度超顺磁性氧化铁(Superparamagnetic iron oxide，SPIO)以及氯化铁(Ferric chloride)溶液，利用磁敏感定量成像技术对溶液浓度进行定量分析，得到磁化率的测量值与每种溶液浓度之间的确定系数R2均为0.98，表明磁敏感定量成像技术可以准确地定量分析出铁离子的含量。再将磁敏感定量成像技术应用到MPTP诱导的帕金森疾病小鼠模型，旨在研究该小鼠模型中黑质和纹状体的铁沉积变化。在活体实验中，MPTP模型组(n=5)黑质的磁化率值为7.90±0.86ppb，对照组(n=5)的磁化率值为4.72±1.48ppb;MPTP模型组(n=5)纹状体磁化率值为4.00±0.79ppb，对照组(n=5)的磁化率值为2.38±0.44ppb。在离体实验中，MPTP模型组(n=5)黑质磁化率值为5.92±0.84ppb，对照组(n=5)的磁化率值为3.92±0.67ppb;MPTP模型组(n=5)纹状体磁化率值为3.41±0.61ppb，对照组(n=5)的磁化率值为2.29±0.35ppb。活体和离体的磁敏感定量成像结果均表明MPTP模型组的黑质和纹状体磁化率值显著地(P＜0.05)高于对照组。同时，病理普鲁士蓝染色也证明了MPTP模型组在黑质和纹状体的铁沉积高于对照组。另外，黑质和纹状体的磁化率值与行为学观察中小鼠在转棒上的停留时间呈强负相关。
　　磁敏感定量成像可以准确地定量分析出铁离子的含量，磁化率值可能是一个研究帕金森疾病非常有潜力的生物学标记。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 磁共振成像技术在脑铁定量中的发展概述

1．2 帕金森疾病简介及MRI在该病诊断中的应用

1．3 磁敏感定量成像在帕金森小鼠模型中的研究意义

1．4 本文的研究工作

1．5 本文的结构

第二章 磁共振成像及磁敏感定量成像原理

2．1 磁共振成像原理

2．1．1 核磁共振物理基础

2．1．2 核磁共振信号的产生

2．1．3 磁共振的空间定位

2．1．4 K空间以及图像重建

2．2 磁敏感定量成像基本原理

2．2．1 获取总场图

2．2．2 相位解缠绕

2．2．3 去除背景场

2．2．4 场到源的反演计算

第三章 形态学相似性反演方法(MEDI)的改进

3．1 引言

3．2 iMEDI方法原理

3．3 iMEDI与MEDI的比较实验

3．3．1 数据说明

3．3．2 数据处理过程与比较标准

3．3．3 结果与讨论

3．4 结论

第四章 磁敏感定量成像应用于帕金森小鼠模型脑铁检测

4．1 引言

4．2 实验材料与过程

4．2．1 铁离子体模制作

4．2．2 MPTP小鼠模型建立

4．2．3 动物灌流固定

4．2．4 免疫组织化学检测小鼠黑质内酪氨酸脱氢酶的表达

4．2．5 磁共振扫描及图像后处理

4．3 实验结果

4．3．1 铁离子体模铁定量结果

4．3．2 行为学结果

4．3．3 小鼠黑质免疫组化学染色结果

4．3．4 MPTP模型组与对照组在感兴趣脑区的磁化率值比较

4．3．5 小鼠黑质和纹状体的普鲁士蓝染色结果

4．3．6 小鼠黑质和纹状体的磁化率值与行为学观察的相关分析

4．4 讨论

4．4．1 磁敏感定量成像技术用于帕金森病的诊断

4．4．2 磁敏感定量成像与横向弛豫率(R2*)成像在脑铁测量中比较

4．4．3 活体与离体数据的比较

4．5 结论

5．1 本文工作总结

5．2 工作展望

参考文献

硕士期间成果

致谢

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