基于交替采集高时空分辨率动态增强磁共振成像和肝脏特异性造影剂药代动力学模型的肝脏储备功能量化成像技术

Liver cancer is a high-prevalence and high-mortality disease in China. Currently, post-resection liver failure is a major cause of death after liver resection, the best treatment option for liver cancer. Thus, development of liver reserve function quantification methods, especially regional liver function quantification techniques, is significant. Compared with other methods, liver reserve function quantitative imaging method based on dynamic liver-specific contrast agent enhanced MRI plus pharmacokinetic modeling has some advantages: such as the ability of regional assessment, no radiation, and clinical available. However, existing techniques are not accurate enough to be used in clinical research and practice caused by some technical challenges, including the difficulty to simultaneously acquire high spatial & temporal resolution images and inaccurate pharmacokinetic modeling. Thus, we propose a new high-accuracy liver reserve function quantitative imaging technique, including a novel interleaved high temporal resolution 2D imaging and high spatial resolution 3D imaging sequence, corresponding image reconstruction method, and a new pharmacokinetic model for liver-specific contrast agent. More significantly, we will validate and investigate the clinical meaning of the proposed method by using the liver damage and liver resection animal model. If successfully carried out, this study will provide a new accurate tool for liver reserve function evaluation, and furthermore, improve the prognosis and mortality of liver cancer.

肝癌是我国高发的疾病，死亡率高。治疗肝癌，首选肝部分切除手术，但术后易发肝衰竭，威胁病人生命，亟需准确的术前肝脏储备功能评估，特别是可量化局部肝功能的方法。与其他方法相比，基于磁共振动态增强技术和肝脏特异性药代动力学分析的肝脏储备功能成像方法有着可评估局部肝功能、无辐射、临床可用等优点。然而，现有的方法存在着无法同时获得高时间-空间分辨率、药代动力学模型不准确等技术困难，导致其精度不高，临床研究和应用受限。针对这些问题，本申请拟开发一种新的高精度磁共振肝储备功能量化成像技术，包括：交替采集高时间分辨率2D图像和高空间分辨率3D图像的成像方法、相应的图像重建方法和更符合实际的药代动力学模型。更重要的是，我们将使用肝损伤和肝切除动物模型，在系统验证该方法的基础上，研究其在肝脏切除手术中的临床意义，以期为精准个体化治疗提供客观依据，延长病人存活寿命，降低死亡率，减轻国家和社会的负担。

肝癌是我国高发的疾病，死亡率高。治疗肝癌，首选肝部分切除手术，但术后易发肝衰竭，威胁病人生命，亟需准确的术前肝脏储备功能评估，特别是可量化局部肝功能的方法。因此，本研究拟开发新的高精度磁共振肝储备功能量化成像技术，并探索研究其在肝脏切除手术中的临床意义。在项目执行期间，本课题组基本按照课题任务计划书的研究内容开展研究，成像技术开发和临床应用同步进行，并取得了超出预期研究目标的研究成果。在技术研发方面，本项目组首先成功开发出新的高时间分辨率2D采集和高空间分辨率3D交替采集的SAHA序列用于肝脏DCE-MRI成像；还针对肝脏DCE-MRI成像中血液输入函数容易出现流动伪影的问题提出了基于流入增强定量理论校正血液输入函数的方法；还进一步开发了可用于肝脏T1值定量测量的GOAL-SNAP序列；在图像重建方面，本研究组开发了新的DCE成像的快速重建算法k-t PCA GROWL，以及针对黄金角度径向采集轨迹的weighted k-t SPIRiT和基于低秩稀疏约束的重建算法；为了解决肝脏DCE-MRI成像中易受呼吸等运动影响的问题，本研究组提出了基于深度学习的肝脏运动自导航的运动矫正算法，还研发了基于结构光运动追踪的磁共振运动矫正系统，实现了人体表面运动的动态实时三维捕捉和实时运动矫正。上述成像技术的研发为高精度肝脏储备功能量化成像提供了丰富的成像技术方案。在药代动力学建模和软件开发方面，本项目组提出了四种Gd-EOB-DTPA药代动力学模型，并利用一组病人的增强数据找到了最符合的模型和指示肝功能的最佳模型参数。还针对肝脏DCE-MRI采集序列，设计了专门的图像导入重建、显示、感兴趣区域选取和药代动力学分析软件。为肝脏DCE数据的后处理提供了模型选择依据和标准化的处理流程。在临床应用研究方面，为了更加有意义的实际病人临床研究，本课题组调整了原研究内容中的动物实验，更改为使用回顾性实际肝细胞癌患者的数据进行研究，发现相比于传统的肝脏功能评估方法，术前DCE-MRI 量化的肝脏局部剩余功能参数在预测术后肝衰方面有更大的 ROC 曲线下面积，且能独立预测术后肝衰的发生，初步证实了本课题的基本假设，证明了磁共振肝脏功能成像的临床意义，且该技术可以直接在临床使用，具有巨大的应用价值，有望加快改善目前高居不下的肝脏部分切除术后肝衰竭的发病率和死亡率。