技术领域
[0001] 本
发明涉及
磁共振成像领域，尤其涉及一种动态测量氧摄取率的方法。
背景技术
[0002] 氧摄取率(Oxygen Extraction Fraction，OEF)描述了血液流经毛细血管床时组织从血液中摄取氧的量，即耗氧量与供氧量的比值。器官活动所需的主要
能量来源于有氧代谢，因此OEF可以直接反映器官的
可持续性和活跃性，是器官健康和功能的重要标志。在临床应用方面，OEF被用于研究脑梗，
肿瘤，老年痴呆，脑缺血，贫血等与耗氧有关的
疾病中。在认知神经科学方面，OEF在功能刺激中的研究将有助于理解相关脑区之间的活动过程以及具体的心理阶段，因此对OEF动态测量的研究不仅有利于临床应用的发展，同时还为认知神经科学的发展提供有
力的技术支持。
[0003] 基于磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)技术测量OEF的方法主要是利用了血液中具有抗
磁性的含氧血红蛋白被组织摄取氧后变成了具有
顺磁性的脱氧血红蛋白(deoxygenated hemoglobin，dHb)从而导致MR
信号损失的原理。1994年Yablonskiy和Haacke提出了一种方向随机的、无限长的(相对于血管半径)圆柱形血管网络模型来研究由dHb引起的组织MR信号的变化，从而建立了OEF与组织MR信号变化的关系。
[0004] 测量组织MR信号变化的常用方法是采用基于梯度回波
采样自旋回波(Gradient Echo Sampling of Spin Echo，GESSE)的成像技术。该技术因采用一次激发只填写K空间一行的采集方式，即填满K空间所有行则需要若干次激发，这就使得该成像方法的采集时间以K空间采集行数为倍数增加，同时多次激发使图像对运动非常敏感。因此，GESSE成像技术并不能满足OEF动态测量在时间
分辨率上的要求。
发明内容
[0005] 为了解决采集时间较长的问题，本发明提出了一种动态测量氧摄取率的方法，基于回波平面成像(Echo Planar Imaging，EPI)的采集模式，即一次激发利用读梯度的正反向快速切换所组成的回波链一次性填满K空间的采集方式，并利用基于自旋回波(Spin Echo，SE)的多个时间抵消回波来测量组织MR信号变化的成像技术。由此原理，本项技术命名为多个时间抵消的自旋回波-回波平面成像(Multiple-Offset-Spin-Echo Echo-Planar Imaging，MOSE-EPI)。同时，MOSE-EPI还结合了并行成像技术进一步提高了其
时间分辨率，使其在时间分辨率上比GESSE序列有了极大的提高。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 一种动态测量氧摄取率的方法，包括：利用回波平面成像与多个时间抵消的自旋回波成像相结合的方式采集待测组织中的MR信号并计算MR信号衰减的可逆部分的弛豫率常数R2′以及静脉血体积分数λ，然后根据R2′和λ计算得到待测组织的氧摄取率OEF，实现氧摄取率的动态测量。
[0008] 进一步地，本发明还包括：在计算R2′和λ之前，对采集得到的MR信号进行预处理，所述预处理包括运动校正，
图像配准以及平滑。
[0009] 进一步地，本发明通过以下方法采集待测组织中的MR信号：
[0010] 用一个90°选择性
水激发脉冲激发待测组织特定层内水的信号，将该层的磁化矢量激发到横平面后，在自旋回波时间(Echo Time of Spin Echo，TESE)的一半处施加一个180°回聚脉冲，使得失相的磁化矢量又开始慢慢重聚，之后利用包括自旋回波时间(TESE处)在内的多个不同时间抵消的自旋回波(以下简称为抵消回波，包括至少一对相对于自旋回波对称的抵消回波以及在自旋回波后的至少四个抵消回波)采集得到多个不同的MR信号。
[0011] 进一步地，利用回波平面成像与多个时间抵消的自旋回波成像相结合的方式采集到的待测组织中的MR信号随时间变化的关系可写为：
[0012]
[0013] 其中S0为平衡态信号；λ为静脉血体积分数；R2′和R2分别为MR信号衰减的可逆部分和不可逆部分的弛豫率常数；δω为dHb引起的
频率偏移(可根据前人测量的有关参数值计算得到)。
[0014] 进一步地，计算MR信号衰减的可逆部分的弛豫率常数R2′包括：
[0015] 根据公式(2)利用相对于自旋回波对称的第一个和第三个抵消回波计算得到MR信号衰减的不可逆部分的弛豫率常数R2，
[0016]
[0017] 其中，TESE为自旋回波时间，ΔTE1为回波间隔，ΔTE1＝TE2-TE1＝TE3-TE2，TE2＝TESE，TE1为第一个抵消回波时间，TE3为第三个抵消回波时间；
[0018] 接着对自旋回波后的至少四个抵消回波利用线性最小二乘法曲线拟合出R2′。
[0019] 进一步地，通过公式(3)计算得到λ：
[0020]
[0021] 其中Sextrapolated(TESE)为将t＝TESE代入公式(1)中的第三行式子计算得到在TESE时的信号，S(TESE)为实际采集得到的自旋回波信号。
[0022] 进一步地，OEF通过将R2′和λ代入公式(4)计算得到：
[0023]
[0024] 其中γ为旋磁比；Δχ0为全含氧血红蛋白与全脱氧血红蛋白的磁敏感系数差，其值为0.18ppm每单位Hct；Hct为血红细胞比容分数(其中组织Hct的典型值为0.357)；B0为主
磁场强度。
[0025] 本发明的有益效果如下：
[0026] 1、本发明适用于所有基于Yablonskiy和Haacke理论的模型假设，例如：单组织模型和多组织模型；
[0027] 2、利用本发明提供的一种基于多个时间抵消的自旋回波-回波平面成像的新技术——MOSE-EPI，解决了目前因测量时间较长而无法对OEF进行动态测量的问题。相较于传统测量方法GESSE序列，本发明将OEF的测量时间从分钟量级缩短到毫秒量级(以采集
单层数据而言)，这不仅节约了时间成本，还为认知神经科学的发展提供了有力的技术支持，同时也为研究生理变化提供了新的视
角。
[0028] 3、本发明同时还可以实现对中间变量R2′，R2和λ的动态测量。
附图说明
[0029] 图1是本发明的MOSE-EPI磁共振序列示意图。
[0030] 图2是双手曲直运动刺激下得到的OEF激活图。
[0031] 图3是以主要运动区域中的激活区为感兴趣区得到的OEF相对变化时序图。
具体实施方式
[0032] 为使本发明的特点更为浅显易懂，下文采用具有代表性的较佳
实施例，并配合所附图进行详细说明。应指出的是，本发明并不局限于所描述的具体结构、功能、器件和方法，也可以具有其他实施方式，或者是其他实施方式的组合。本发明中所描述的元素数目也可以设置为多个。此外，为避免其他例与本发明发生混淆，对于本领域中众所周知的一些技术特征和细节未进行描述。
[0033] 本发明提供了一种基于多个时间抵消的自旋回波-回波平面成像的新序列，命名为MOSE-EPI(Multiple-Offset-Spin-Echo Echo-Planar Imaging)。该序列因其具有较高的时间分辨率使其能够应用于功能磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)的研究中。本例采用区
块设计(Block Design)的磁共振实验方法，以双手曲直运动为实验任务，以MOSE-EPI序列为测量手段，详细说明该序列的具体实施方法。值得强调的是，该方法并不局限于运动任务，其他类型实验任务可以按照相似的步骤处理。
[0034] 图1是本发明的MOSE-EPI序列的示意图。其中，RF为射频脉冲，Gx,y为频率编码梯度和
相位编码梯度，Gz为层面选择梯度，这里以简单的六个回波为例，即一对对称于自旋回波的抵消回波以及四个位于自旋回波后的抵消回波，TE2＝TESE，ΔTE1和ΔTE2为回波间隔，其中ΔTE1＝TE2-TE1＝TE3-TE2，ΔTE2＝TE4-TE3＝TE5-TE4＝TE6-TE5。
[0035] 在本例中采用的扫描参数：
视野大小为26厘米；矩阵大小为64×64；重复时间(Repetition Time，TR)为2000毫秒；层厚为6毫米，以间隔采集的方式采集了10层以
覆盖运动区；TESE为100毫秒；ΔTE1为35毫秒；ΔTE2为12.4毫秒。对于上述扫描参数的设置可以任意选取，这里只是针对该例子的较佳实施方案。
[0036] 具体实验任务为12秒的空扫(为了使信号达到稳态)，之后为三个休息块和两个手动任务块交替出现，利用同步刺激仪在实验任务开始时同步开始采集MOSE-EPI信号，根据以上序列参数设置每2秒可得到六个不同回波时间的组织信号(为方便理解，称为一组信号)，本实验共采集了162秒的数据(即81组信号)。
[0037] 根据Yablonskiy和Haacke理论模型，上述序列采集到的信号随时间变化的关系为：
[0038]
[0039] 其中S0为平衡态信号；λ为静脉血体积分数；R2′和R2分别为MR信号衰减的可逆部分和不可逆部分的弛豫率常数；δω为dHb引起的
频率偏移。
[0040] 将最开始采集到的12秒空扫数据(即六组信号)去掉，剩下的75组数据利用SPM12
软件对其经过一系列的包括运动校正，图像配准以及平滑等图像预处理，然后针对每一组数据中的六个不同回波信号进行以下计算：
[0041] 根据公式(2)利用第一个和第三个抵消回波计算得到R2，
[0042]
[0043] 具体计算过程为：将t＝TESE-ΔTE1＝TE1代入公式(1)中的第一行式子，t＝TESE+ΔTE1＝TE3代入公式(1)中的第三行式子，结合起来即可抵消掉未知参数，从而计算得到R2；
[0044] 接着利用后四个抵消回波利用线性最小二乘法曲线拟合出R2′，并结合由第二个抵消回波得到的自旋回波信号S(TESE)根据公式(3)计算得到λ，
[0045]
[0046] 其中Sextrapolated(TESE)为将t＝TESE代入公式(1)中的第三式计算得到在TESE时的信号，S(TESE)为实际采集得到的自旋回波信号；
[0047] 最后将R2′和λ代入公式(4)求得每个
体素的OEF，即一组数据得到一幅OEF图，[0048]
[0049] 其中γ为旋磁比；Δχ0为全含氧血红蛋白与全脱氧血红蛋白的磁敏感系数差，其值为0.18ppm每单位Hct；Hct为血红细胞比容分数(其中组织Hct的典型值为0.357)；B0为主磁场强度。
[0050] 图2是双手曲直运动刺激下得到的OEF激活图。该图对每个体素的OEF时间序列(75个时间点)通过一般线性模型进行激活分析，并采用体素水平P<0.001，团簇水平P<0.05的FWE校正得到的激活图，从图中可以看出激活区都在运动区域，包括初级运动皮层，感觉运动皮层和辅助运动皮层。这与fMRI相关研究的结果保持一致，且该激活区比常用的BOLD(Blood-Oxygen-Level-Dependence)技术测量更集中在灰质区域，由此可见本方法是可行的。
[0051] 图3是以主要运动区域中的激活区为感兴趣区得到的OEF相对变化时序图。从图中可以看出OEF在任务态下是降低的，这也符合生理机制，且OEF的平均相对变化大小也与其他图像技术，如：
正电子发射计算机
断层显像技术和扩散光学成像得到的结果相同，相比于这些图像技术，磁共振的优势已经是众所周知，在此就不详细讨论了。同时在静息态下，得到的数值大小(0.349)也与其他诸多OEF定量测量得到的结果保持一致，由此进一步说明了，本发明的优势及可行性。
[0052] 综上所述，利用本发明提供的一种基于多个时间抵消的自旋回波-回波平面成像的新技术——MOSE-EPI，解决了目前因测量时间较长而无法对OEF进行动态测量的问题。相较于传统测量方法GESSE序列，本发明将OEF的测量时间从分钟量级缩短到毫秒量级(以采集单层数据而言)，这不仅节约了时间成本，还为认知神经科学的发展提供了有力的技术支持，同时也为研究生理变化提供了新的视角。
