髓鞘磁共振超短回波时间成像与定量信息获取方法研究

The change of myelin distribution and content is the biomarker of numerous central nervous system disorders, such as multiple sclerosis, and Parkinson’s disease etc. Early diagnosis and treatment can lead to effective symptom management and may reduce future disability. Image and quantitative information of myelin cannot be obtained directly and noninvasively nowadays in vivo.Magnetic resonance imaging (MRI)methods are commonly used to assess myelin, including conventional MRI, magnetization transfer, and diffusion tensor imaging. However, conventional MRI cannot get the signal of myelin directly, because the weak magnetic resonance signal of myelin decay quickly, and the magnetization of myelin will show significantly relaxation during excitation. Therefore, all the methods above are indirect myelin imaging that lack specificity in early diagnosis and can only correlate modestly with clinical manifestations. This study will transplant the UTE method to conventional MRI scanners according the characteristic of myelin, propose newly developed signal obtain , imaging reconstruction and denoise methods to provide high contrast myelin images as well as quantitative evaluation of its T1,T2, phase and proton density. Several specialized phantoms will be developed to test and verify the myelin UTE sequences and contrast mechanisms. The outcome of this project will provide a reliable imaging method for accurate study of the physiological and pathological information of myelin.

髓鞘分布及含量的变化与多种常见中枢神经系统疾病有关，如多发性硬化及帕金森氏病等，早期诊断和治疗可有效控制症状提高患者生活质量。目前尚无法直接无创获取在体髓鞘图像及定量信息。髓鞘磁共振信号微弱且衰减极快，激发过程中有明显弛豫，所以常规磁共振信号采集及编码方法不能得到髓鞘的信号，只能通过其他信息间接推断髓鞘的情况。本项目以磁共振超短回波时间成像方法为基础，研究新的激发方法、信号采集方法、非笛卡尔k空间数据填充插值算法、图像重建及去噪声方法等，利用常规临床磁共振设备直接得到髓鞘的磁共振信号，同时压制长T2组织信号的干扰，实现髓鞘定性成像；进一步研究新的数据分析方法得到髓鞘的T1、T2*、相位及质子密度等定量信息，实现髓鞘定量成像；研制髓鞘定性与定量成像专用模体，通过模体实验及动物模型验证研究成果的有效性，并为进一步优化成像方法提供依据。本项目成果为获取髓鞘的生理病理信息提供可靠的影像学手段。

课题组按原定研究计划从基础理论和实验设计入手，结合本课题目标实现髓鞘超短回波时间成像的实际需求，研究了磁共振超短回波成像方法信号采集、数据分析、图像处理、实验模体等新方法。.主要内容、结果及关键技术包括：针对超短回波扫描过程中非笛卡尔k空间数据填充方法，提出了新的插值算法及图像重建方案，实现快速准确的短T2组织图像重建；为了提高图像中髓鞘等短T2组织的对比度，我们改进了常规双回波信号加权相减的方法，提出指数相减的方法，有效提高了短T2组织对比度；为了提高髓鞘超短回波成像k空间辐射状信号采集效果，我们提出了新的采集方向序列方案，按此方案采集信号可保证k空间中信号的空间分布均匀性，而且剔除有问题的数据后信号的方向分布仍然可以保证较好的空间均匀性。将心脏等运动组织成像常用的基于Golden Ratio快速信号采集方案应用于髓鞘超短回波成像，提出新的k空间辐射状欠采样方案，实现快速k空间数据填充，后利用压缩传感方法实现快速成像，在提高时间分辨率的同时降低运动伪影的影响；为了拓展本课题研究成果应用范围，我们研究了在0.7T开放型磁共振设备上实现单绝热反转方法测量短T2组织的T1时间的方法，在得到准确T1的条件下可以有效抑制脑部图像中水及脂肪的信号，提高髓鞘图像质量。另外课题组还利用冷冻电子显微镜观察髓鞘结构，提出新的去降噪方法，并与模体实验及动物实验验证前期研究结果的正确性，并为进一步优化成像方法提供依据。.研究成果数据包括：课题组在四年的研究过程中，共发表SCI论文8篇，其中两篇是JCR1区论文，国内核心期刊论文6篇，另有一篇国际SCI期刊文章正在审稿中，一篇SCI期刊文章已经返修，两篇国内核心期刊文章已经接收。申请国家发明专利1项，正在实审过程中，参编专著《脑功能成像及在人文社会科学中的应用》已由浙江大学出版社出版。项目在研究期间培养博士研究生3人，硕士研究生5人，1名博士后出站，培养青年教师1人晋升副教授。