大脑生理物理特性参数的快速定量磁共振成像方法研究

摘要

大脑磁共振定量参数如弥散系数、各向异性分数、纵向弛豫时间T1、横向弛豫时间T2以及质子密度等能反映组织的生理物理特性，被证明是一种敏感的诊断疾病（如癫痫、多发性硬化、癌症等）的生物标记。然而由于常规磁共振定量成像方法扫描时间过长，这些方法很少用于临床应用中。空间分辨率和成像速度在定量成像中是一对矛盾的需求，尽管在最近研究中取得了一些进展，全脑快速鲁棒的高分辨率定量成像仍然是一个挑战。本论文针对大脑定量成像中扫描时间长、分辨率低等问题，提出了一系列改进方法并将其初步应用于临床中，主要完成了以下四个研究工作。
　　本文研究一提出了一种3D磁共振指纹成像(MRF)采集和滑动窗和GRAPPA混合重建技术，在临床可接受的时间范围内获得全脑高分辨率T1、T2和质子密度图谱。人体成像结果显示在7.5分钟的扫描时间内这一技术可以获得全脑1×1×1mm3分辨率的定量T1、T2和质子密度图谱，为快速获得反映组织生物物理特性的定量图谱奠定了技术基础。
　　在研究一的技术基础上，本文研究二初步将MRF技术应用于实际临床验证中。研究二运用MRF定量研究了颞叶内侧癫痫患者的海马硬化病灶的微小改变，并比较了MRF方法和常规基于T1和T2加权图像的目测诊断法在诊断海马硬化病灶的敏感性和特异性。仅用2.5分钟扫描时间，MRF扫描可以发现颞叶内侧癫痫患者的可疑海马硬化病灶，并获得比目测法结果更高的诊断符合率。我们认为MRF有潜力在多参数定量成像和癫痫的临床诊断中发挥作用。
　　除了研究T1、T2和质子密度图谱，本文还研究了基于高分辨率扩散定量图谱的快速成像技术。本文研究三提出了结合并行成像和低秩约束的鲁棒重建方法(LR-SENSE)，加速高分辨率多次激发扩散螺旋成像。在相同加速倍速下，LR-SENSE方法重建的多方向扩散加权成像和扩散定量图谱具有最小的归一化均方根误差。这一技术能够加速高分辨率扩散成像，在较短时间内获得具有更小噪声和误差的扩散加权成像和定量的各向异性分数图谱。
　　本文研究四提出了在高分辨率扩散成像中采用虚拟线圈采集和重建架构加速单次激发平面回波成像(SS-EPI)和广义层面抖动分辨率增强(gSlider)成像。本文提出的基于相位匹配的虚拟线圈重建技术显著提高了SS-EPI和gSlider的图像重建质量，相比于常规重建方法降低了g-factor，减少了重建的伪影。这一技术可以在8-9倍加速下获得高质量低噪声的扩散成像，对临床应用和神经科学研究带来帮助。
　　综上所述，本论文围绕大脑生理物理参数的快速定量成像技术展开研究，针对扩散成像和弛豫时间成像目前存在的成像时间长、分辨率低、定量结果鲁棒性差等问题，提出了一系列快速、鲁棒的高分辨率定量成像和重建技术，并将其应用于影像诊断中，获得了初步临床结果。