脑组织微观结构的无创测量方法
阅读：244发布：2020-05-12
专利汇可以提供脑组织微观结构的无创测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且脑组织微观结构的无创测量方法，包括使用磁共振扩散加权成像脑组织；确定该磁共振图像内各个 像素 点的实际图像 信号 强度（Si）；建立所述磁共振图像内各个像素点的所述计算图像信号强度（Sbi）与所述磁共振扩散加权成像的权值（bi）之间的函数关系；和由所述磁共振图像中各个像素点的所述细胞外间隙容积比率（fECS）、所述细胞容积比率（fcell）、所述脑内血管容积比率（fvas）、所述细胞外间隙扩散系数（DECS）、所述细胞扩散系数（Dcell）和所述脑内血管扩散系数（Dvas）重构所述磁共振图像。，下面是脑组织微观结构的无创测量方法专利的具体信息内容。
1.脑组织微观结构的无创测量方法，包括：
使用磁共振扩散加权成像脑组织，得到对应所述磁共振扩散加权成像的各权值（bi）的脑组织的复数个磁共振图像，其中i为整数i=1,2,3,4,5,6……，且i≥6；
测定该磁共振图像内各个像素点的实际图像信号强度（Si）；
定义一个计算图像信号强度（S（bi）），建立所述磁共振图像内各个像素点的所述计算图像信号强度（S（bi））与所述磁共振扩散加权成像的权值（bi）之间的函数关系，其中该函数关系式为：
，
其中：S0为未施加扩散敏感梯度脉冲时，所述磁共振图像内各个像素点的理论信号强度，
fECS为脑组织的细胞外间隙容积比率，
fcell为脑组织的细胞容积比率，
fvas为脑组织的脑内血管容积比率，
DECS为脑组织的细胞外间隙扩散系数，
Dcell为脑组织的细胞扩散系数，
Dvas为脑组织的脑内血管扩散系数；
由所述实际图像信号强度（Si）与所述计算图像信号强度（S（bi））的方差，通过最小二乘法计算得到所述磁共振图像中各个像素点的所述细胞外间隙容积比率（fECS）、所述细胞容积比率（fcell）、所述脑内血管容积比率（fvas）、所述细胞外间隙扩散系数（DECS）、所述细胞扩散系数（Dcell）和所述脑内血管扩散系数（Dvas）；和
由所述磁共振图像中各个像素点的所述细胞外间隙容积比率（fECS）、所述细胞容积比率（fcell）、所述脑内血管容积比率（fvas）、所述细胞外间隙扩散系数（DECS）、所述细胞扩散系数（Dcell）和所述脑内血管扩散系数（Dvas）重构所述磁共振图像。
2.如权利要求1所述的脑组织微观结构的无创测量方法，其中求解所述磁共振图像中各个所述像素点的所述细胞外间隙容积比率（fECS）、所述细胞容积比率（fcell）、所述脑内血管容积比率（fvas）、所述细胞外间隙扩散系数（DECS）、所述细胞扩散系数（Dcell）和所述脑内血管扩散系数（Dvas）的方程组为：
，
，
，
，
，和
。
脑组织微观结构的无创测量方法
技术领域
背景技术
[0002] 磁共振（magnetic resonance imaging, MRI）由于其无电离损伤、高软组织分辨率的特点，加之对化学成分的敏感性，已广泛应用于中枢神经系统的成像。随着磁共振水分子扩散敏感成像技术等新技术的应用逐渐成熟，出现了磁共振扩散加权成像（diffusion-weighted imaging, DWI），并已经可以实现对像素内水分子的扩散系数进行求解，并指导临床疾病的诊断和鉴别诊断。
[0003] 磁共振扩散加权成像时，在高频脉冲与数据采集之间，加上一对双极扩散敏感梯度脉冲。第一个扩散敏感梯度脉冲使质子自旋去相位，如果没有水分子的运动，则第二个扩散敏感梯度脉冲可使其完全复相位。组织中水分子的扩散自由度可影响磁共振扩散加权成像图像信号强度的衰减，在扩散敏感梯度场施加方向上水分子扩散越自由，图像信号衰减越明显。在磁共振扩散成像中，如果水分子随机运动受限，图像信号为高信号。图像信号-b*D强度S = S0 e （其中，S0为未施加扩散敏感梯度脉冲时，核磁图像中像素点的信号强度；
S为施加扩散敏感梯度脉冲后核磁图像中像素点的信号强度；b磁共振扩散加权成像的权
2
值，单位mm/s，通过改换扩散敏感梯度脉冲可以变化b的数值；D为水分子扩散方向上的扩
2
散加权系数，单位s/mm）。
S为施加扩散敏感梯度脉冲后核磁图像中像素点的信号强度；b磁共振扩散加权成像的权
2
值，单位mm/s，通过改换扩散敏感梯度脉冲可以变化b的数值；D为水分子扩散方向上的扩
2
散加权系数，单位s/mm）。
[0004] 目前，磁共振扩散加权成像已经可以实现对核磁图像中每一个像素点水分子的扩散系数进行求解，并指导临床疾病的诊断和鉴别诊断。但是，这一系数是细胞内外水分子扩散运动的综合反映，被称为表观扩散系数（apparent diffusion coefficient, ADC），无法区分细胞内外扩散运动。而脑病发生的不同阶段，细胞内外的容积比和水分子的扩散系数也显著不同。比如，脑缺血早期，神经细胞肿胀，脑细胞外间隙（extracellular space, ECS）皱缩，水分子扩散受限；脑缺血晚期，神经细胞坏死，脑细胞外间隙容积显著扩大，水分子扩散系数增大。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种脑组织微观结构的无创测量方法，以得到脑组织细胞内外水分子扩散的差异。
[0006] 本发明提供了一种脑组织微观结构的无创测量方法，包括使用磁共振扩散加权成像脑组织，得到对应所述磁共振扩散加权成像的各权值bi的脑组织的复数个磁共振图像，其中i为整数且i=1.2.3.4.5.6……；确定该磁共振图像内各个像素点的实际图像信号强度Si；定义一个计算图像信号强度S（bi），建立所述磁共振图像内各个像素点的所述计算图像信号强度S（bi）与所述磁共振扩散加权成像的权值bi之间的函数关系，其中该函数关系式为：，
其中：S0为未施加扩散敏感梯度脉冲时，所述磁共振图像内各个像素点的理论信号强度，fECS为脑组织的细胞外间隙容积比率，fcell为脑组织的细胞容积比率，fvas为脑组织的脑内血管容积比率，DECS为脑组织的细胞外间隙扩散系数，Dcell为脑组织的细胞扩散系数，Dvas为脑组织的脑内血管扩散系数；由所述实际图像信号强度Si与所述图像信号强度S（bi）的方差，在脑组织测量区域水分子扩散运动数量级的基础上，通过最小二乘法计算得到所述磁共振图像中各个像素点的所述细胞外间隙容积比率fECS、所述细胞容积比率fcell、所述脑内血管容积比率fvas、所述细胞外间隙扩散系数DECS、所述细胞扩散系数Dcell和所述脑内血管扩散系数Dvas；和由所述磁共振图像中各个像素点的所述细胞外间隙容积比率fECS、所述细胞容积比率fcell、所述脑内血管容积比率fvas、所述细胞外间隙扩散系数DECS、所述细胞扩散系数Dcell和所述脑内血管扩散系数Dvas重构所述磁共振图像。
其中：S0为未施加扩散敏感梯度脉冲时，所述磁共振图像内各个像素点的理论信号强度，fECS为脑组织的细胞外间隙容积比率，fcell为脑组织的细胞容积比率，fvas为脑组织的脑内血管容积比率，DECS为脑组织的细胞外间隙扩散系数，Dcell为脑组织的细胞扩散系数，Dvas为脑组织的脑内血管扩散系数；由所述实际图像信号强度Si与所述图像信号强度S（bi）的方差，在脑组织测量区域水分子扩散运动数量级的基础上，通过最小二乘法计算得到所述磁共振图像中各个像素点的所述细胞外间隙容积比率fECS、所述细胞容积比率fcell、所述脑内血管容积比率fvas、所述细胞外间隙扩散系数DECS、所述细胞扩散系数Dcell和所述脑内血管扩散系数Dvas；和由所述磁共振图像中各个像素点的所述细胞外间隙容积比率fECS、所述细胞容积比率fcell、所述脑内血管容积比率fvas、所述细胞外间隙扩散系数DECS、所述细胞扩散系数Dcell和所述脑内血管扩散系数Dvas重构所述磁共振图像。
[0007] 在脑组织微观结构的无创测量方法的再一种示意性的实施方式中，求解所述磁共振图像中各个所述像素点的所述细胞外间隙容积比率fECS、所述细胞容积比率fcell、所述脑内血管容积比率fvas、所述细胞外间隙扩散系数DECS、所述细胞扩散系数Dcell和所述脑内血管扩散系数Dvas的方程组为：，
，
，
，
，和
，
Si是在权值为bi的前提下，由所述磁共振扩散加权成像得到的所述脑组织的成像区域内各个像素点的实际信号强度值，i为整数且i=1.2.3.4.5.6……。
附图说明
，
，
，
，和
，
Si是在权值为bi的前提下，由所述磁共振扩散加权成像得到的所述脑组织的成像区域内各个像素点的实际信号强度值，i为整数且i=1.2.3.4.5.6……。
附图说明
[0008] 以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
[0009] 图1至图3用于显示扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的不同方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞外间隙容积比率（fECS）所绘出的图像。
[0010] 图4至图6用于显示扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的不同方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞容积比率（fcell）所绘出的图像。
[0011] 图7至图9用于显示扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的不同方向时，由核磁图像中各个像素点的脑内血管容积比率（fvas）所绘出的图像。
[0012] 图10至图12用于显示扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的不同方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞外间隙扩散系数（DECS）所绘出的图像。
[0013] 图13至图15用于显示扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的不同方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞扩散系数（Dcell）所绘出的图像。
[0014] 图16至图18用于显示扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的不同方向时，由核磁图像中各个像素点的脑内血管扩散系数（Dvas）所绘出的图像。
具体实施方式
[0015] 为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。
[0016] 脑组织微观结构的无创测量方法，使用磁共振扩散加权成像技术，对于脑组织的测量兴趣区域核磁检测，得到脑组织的核磁图像，并且可以获得核磁图像中，各个像素点的实际图像信号强度S。在使用磁共振扩散加权成像的过程中，可以通过改变换扩散敏感梯度脉冲来调整磁共振扩散加权成像的权值，从而得到对应于不同磁共振扩散加权成像的权值bi的核磁图像。
[0017] 定义一个计算图像信号强度S（bi），建立核磁图像中各个像素点的计算图像信号强度S（bi）与磁共振扩散加权成像的权值bi之间的函数关系式，且理论上计算得到的计算图像信号强度S（bi）与实际图像信号强度Si相等，其区别在于实际图像信号强度Si为实测值，而计算图像信号强度S（bi）是由数学模型计算得到。在脑组织微观结构的无创测量方法中，将脑组织看作是由神经细胞、细胞外间隙ECS和脑内血管组成的三房室模型。水分子在各房室内的扩散对磁共振像素内总体扩散的贡献与各房室在脑组织内所占的容积比率相关，即由核磁图像所反映的表观扩散系数ADC 为 fECS*DECS+fcell*Dcell+fvas*Dvas之和。其中，fECS、fcell、fvas分别为脑组织的细胞外间隙容积比率、脑组织的细胞容积比率、和脑组织的脑内血管容积比率；DECS、Dcell、Dvas分别为脑组织的细胞外间隙扩散系数、脑组织的细胞扩-b*D散系数、和脑组织的脑内血管扩散系数。由核磁图像的图像信号强度表达式S = S0 e ，结合上述三房室模型，得到核磁图像内各个像素点的计算图像信号强度S（bi）与磁共振扩散加权成像的权值bi之间的函数关系为：
，
其中，S0为未施加扩散敏感梯度脉冲时，脑组织的成像区域内脑组织核磁图像的各个像素点的信号强度。
，
其中，S0为未施加扩散敏感梯度脉冲时，脑组织的成像区域内脑组织核磁图像的各个像素点的信号强度。
[0018] 在脑组织测量区域水分子扩散运动数量级的基础上，使用最小二乘法数值求解得到核磁图像中各个像素点的所述细胞外间隙容积比率fECS、细胞容积比率fcell、脑内血管容积比率fvas、细胞外间隙扩散系数DECS、细胞扩散系数Dcell和脑内血管扩散系数Dvas。在脑组织微观结构的无创测量方法一种示意性实施方式中，实际图像信号强度Si与计算图像信号强度S（bi）的方差为： ，且为了求解细胞外间隙容积比率fECS、细胞容积比率fcell、脑内血管容积比率fvas、细胞外间隙扩散系数DECS、细胞扩散系数Dcell和脑内血管扩散系数Dvas这六个参数，至少需要得到六个关于这些参数的方程，可以通过六个不同的磁共振扩散加权成像的权值bi来得到不同的实际图像信号强度Si和计算图像信号强度S（bi），其中角标i代表第i个磁共振扩散加权成像的权值bi。通过最小二乘法，得到关于细胞外间隙容积比率fECS、细胞容积比率fcell、脑内血管容积比率fvas、细胞外间隙扩散系数DECS、细胞扩散系数Dcell和脑内血管扩散系数Dvas的方程组为：
，
，
，
，
，
。
，
，
，
，
，
。
[0019] 由此方程组求解得到核磁图像的各个像素点的细胞外间隙容积比率fECS、细胞容积比率fcell、脑内血管容积比率fvas、细胞外间隙扩散系数DECS、细胞扩散系数Dcell和脑内血管扩散系数Dvas。当然可以使用多于六个磁共振扩散加权成像的权值来提高最小二乘法的求解精度。
[0020] 由核磁图像的每一个像素点的细胞外间隙容积比率fECS、细胞容积比率fcell、脑内血管容积比率fvas、细胞外间隙扩散系数DECS、细胞扩散系数Dcell和脑内血管扩散系数Dvas对核磁图像重构。
[0021] 图1至图18来自于同一个核磁图像，且各视图分别重构了该核磁图像。如图1、2和3所示，其中图1为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的X轴方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞外间隙容积比率fECS所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞外间隙容积比率大小；图2为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的Y轴方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞外间隙容积比率fECS所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞外间隙容积比率大小；图3为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的Z轴方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞外间隙容积比率fECS所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞外间隙容积比率大小。
[0022] 如图4、5和6所示，其中图4为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的X轴方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞容积比率fcell所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞外间隙容积比率大小；图5为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的Y轴方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞容积比率fcell所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞外间隙容积比率大小；图6为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的Z轴方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞容积比率fcell所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞容积比率大小。
[0023] 如图7、8和9所示，其中图7为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的X轴方向时，由核磁图像中各个像素点的脑内血管容积比率fvas所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞外间隙容积比率大小；图8为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的Y轴方向时，由核磁图像中各个像素点的脑内血管容积比率fvas所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞外间隙容积比率大小；图9为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的Z轴方向时，由核磁图像中各个像素点的脑内血管容积比率fvas所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞容积比率大小。
[0024] 如图10、11和12所示，其中图10为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的X轴方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞外间隙扩散系数DECS所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞外间隙扩散系数DECS大小；图11为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的Y轴方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞外间隙扩散系数DECS所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞外间隙扩散系数DECS大小；图12为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的Z轴方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞外间隙扩散系数DECS所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞外间隙扩散系数DECS大小。
[0025] 如图13、14和15所示，其中图13为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的X轴方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞扩散系数Dcell所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞扩散系数Dcell大小；图14为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的Y轴方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞扩散系数Dcell所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞扩散系数Dcell大小；图15为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的Z轴方向时，由核磁图像中各个像素点的细胞扩散系数Dcell所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的细胞扩散系数Dcell大小。
[0026] 如图16、17和18所示，其中图16为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的X轴方向时，由核磁图像中各个像素点的脑内血管扩散系数Dvas所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的脑内血管扩散系数Dvas大小；图17为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的Y轴方向时，由核磁图像中各个像素点的脑内血管扩散系数Dvas所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的脑内血管扩散系数Dvas大小；图18为扩散敏感梯度脉冲施加在核磁图像的Z轴方向时，由核磁图像中各个像素点的脑内血管扩散系数Dvas所绘出的图像，图像中各个像素点灰度或颜色变化代表不同的脑内血管扩散系数Dvas大小。
[0027] 在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。
[0028] 应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0029] 上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
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