动物肺部超极化 129Xe磁共振快速采样序列的研究

摘要

肺是人体呼吸系统中的重要器官。随着空气污染的日益严重，肺部疾病的形势越来越严峻。中国卫生统计年鉴数据显示，肺癌已经成为我国死亡率最高的恶性肿瘤。肺功能检查、胸透、CT是当前临床常规的肺部疾病诊断方法。然而，肺功能检查不能对肺部进行可视化，胸透和CT具有放射性危害。磁共振成像是一种无侵入性、无放射性的影像方法。但是，由于肺部属于空腔结构，其质子密度低，因此，常规质子磁共振成像获得的肺部结构与功能信息非常有限。通过自旋交换光泵技术，惰性气体129Xe的核自旋极化度能相对热平衡状态得到上万倍的提高，使得肺部的气体磁共振成像成为可能。
　　然而，超极化129Xe的核自旋极化度自建立之刻起便处于衰减之中。在肺部，由于顺磁性氧气分子的作用，该衰减变得更加迅速。因此，如何优化磁共振脉冲序列，实现129Xe核自旋极化度的高效利用，是至关重要的。本文的目的是发展快速采样的超极化129Xe磁共振序列，从而高效的利用超极化129Xe核自旋极化度，并对肺部的结构与功能进行研究，具体工作如下：
　　（1）建立了超极化129Xe动物肺部磁共振成像的硬件系统。其中包括：基于自旋交换光泵的基本原理，制作测试了129Xe气体的超极化装置，获得了可用极化度为6.7％的超极化129Xe气体，能满足动物肺部实验的基本需求；制作了129Xe气体的输送装置，可以将氧气和129Xe气体按实验需求定量的输送到活体动物肺部；设计制作了7 T场强下的大小鼠肺部129Xe磁共振射频线圈，测试结果表明射频线圈的品质因数及反射系数可以满足实验的基本需求。
　　（2）提出了一种快速测量129Xe弛豫时间、并同步校准射频脉冲翻转角的方案。针对129Xe纵向弛豫时间的常规测量方法、129Xe射频脉冲翻转角的常规校准方法效率低下、容易互相干扰的问题，设计测试了基于小角度渐增激发序列的快速测量方案，在单次屏气、3.8秒内同步实现了射频脉冲翻转角的校准和T1的测定，与常规的多次呼吸序列相比，其效率提高了近22倍。仿真实验和活体实验均验证了该方案的有效性和可重复性。
　　（3）研究了射频脉冲激发机制在优化肺部通气结构成像中的应用。在常规的射频脉冲激发机制中，定角激发机制能获得较高信噪比的图像，但牺牲了部分图像空间信息的准确性；变角激发机制能获得较高的准确性，但图像信噪比较低。针对定角、变角激发机制的不足，本文介绍了一种定-变角联合激发机制，使得重建的肺部通气结构图像在具有高信噪比的同时，图像的准确性也得到了提高。测试了定-变角联合激发机制在气球样品及活体肺部实验中的成像效果，证实了该方案的可行性。
　　（4）设计测试了定量评估肺部微结构与功能的快速采样序列——扩散加权化学位移饱和恢复（DWCSSR）序列。扩散加权成像（DWI）是评估肺部气道微结构的标准序列，化学位移饱和恢复（CSSR）是评估气血交换间隔微结构以及气血交换功能的重要序列。由于129Xe极化度的不可恢复性，目前难以在单次屏气内同时获得高信噪比的DWI及CSSR数据。本文设计了新型的DWCSSR序列，实现了 DWI和 CSSR的高效结合，在单次屏气内同时获得了高信噪比的 DWI及CSSR数据，从而较为全面的评估了肺部微结构与功能参数。活体实验验证了DWCSSR的可行性和可重复性。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题的研究背景

1.2 超极化 129Xe肺部MRI简介

1.3 本文的意义及主要工作

2 超极化 129Xe动物肺部MRI硬件的设计与测试

2.1 129Xe气体的超极化装置

2.2 129Xe气体的输送装置

2.3 肺部 129Xe磁共振线圈

2.4 本章小结

3 129Xe弛豫时间与射频脉冲翻转角的快速测量

3.1 研究背景

3.2 小角度渐增激发快速测量序列

3.3 快速测量序列的活体实验验证

3.4 本章小结

4 肺部通气结构MRI中的脉冲激发机制研究

4.1 常规的射频脉冲激发机制

4.2 定-变角联合激发机制

4.3 定-变角联合激发机制的实验研究

4.4 本章小结

5 肺部微结构与气血交换功能MRI序列的研究

5.1 研究背景

5.2 扩散加权化学位移饱和恢复（DWCSSR）序列

5.3 DWCSSR序列的活体实验验证

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间发表论文与研究成果目录