腰椎量化磁敏感成像新方法及其对骨质疏松症评估价值的研究

Osteoporosis causes approximately 70-80% of bone fractures in old people in China, and it is one of the most important public health problems. Bone mineral density (BMD) measured by dual energy X-ray absorptiometry (DXA) is widely used for assessing osteoporosis in routine clinical practice. However, the two-dimensional DXA measurement of BMD is complicated by bone size and surrounding tissues. This problem is overcome by volumetric BMD measurement using quantitative computed tomography (QCT). Compared with DXA, QCT enables the purely trabecular BMD measurement that is more sensitive to disease and therapy-related changes, and it provides an improved discrimination of vertebral and nonvertebral fractures, but with significantly increased irradiation.. Quantitative susceptibility mapping (QSM) is a non-ionizing radiation MRI technique that can quantify the magnetic susceptibility of biological tissues. The magnetization coefficient of bone theoretically reflects the content of diamagnetic calcium hydroxylapatite in bone, and our preliminary results demonstrate that the QSM value of lumbar spine decreases with its BMD value. This project aims to further develop novel lumbar spine QSM methods and investigate their applications to the assessment of osteoporosis. This project will provide fast, accurate and reliable solutions for the lumbar spine QSM by developing novel methods in pulse sequence design and optimization, image reconstruction, phase unwrapping, field-to-source inversion, and collaborative parameter estimation. Moreover, this project will evaluate the performance of lumbar spine QSM on assessing osteoporosis in the corresponding high risk population. In all, this project is expected to provide a new imaging biomarker for the evaluation of osteoporosis.

骨质疏松症在我国造成70-80%的中老年骨折，是重要的公共卫生问题之一。双能X线吸收测定法（DXA）测得的骨矿物质密度（BMD）已广泛应用于骨质疏松的临床评估。但DXA测得的是二维BMD，受骨结构大小及周围组织的影响。定量CT可获得更精准的三维BMD，但X线辐射剂量显著增加。MRI没有辐射风险，最近发展起来的量化磁敏感成像（QSM）技术可定量获得组织的磁敏感系数。骨的磁敏感系数从理论上可反映骨中抗磁性羟基磷灰石钙的含量，且本项目预实验结果已表明腰椎QSM值随BMD值的降低而升高。本项目拟开展腰椎QSM新方法及其对骨质疏松症评估价值的研究，希望通过腰椎QSM的序列设计与优化、图像重建、相位解缠绕、QSM重建、参数联合估计等方面的深入研究，为临床提供快速精准可靠的腰椎QSM新方法，并评估腰椎QSM在骨质疏松高发人群的诊断价值。本项目研究有望为骨质疏松症评估提供新的影像学生物标记。

量化磁敏感成像，也称为磁敏感定量成像或定量磁敏感成像，简称QSM，可定量获得组织的磁敏感系数。骨质疏松症在我国造成70-80%的中老年骨折，是重要的公共卫生问题之一。骨的磁敏感系数从理论上可反映骨中抗磁性羟基磷灰石钙的含量，通过腰椎QSM的序列设计与优化、图像重建、相位解缠绕、QSM重建、参数联合估计等方面的深入研究，有助于提高病变的检出率，并对骨质疏松症的评估具有重要的应用前景。.本项目按照原计划开展的主要研究内容包括：腰椎QSM数据采集新序列；腰椎QSM数据重建新方法；腰椎QSM临床应用评估。此外，拓展研究了如下内容：血管壁成像方面、功能磁共振成像方面、扩散加权磁共振成像急性等方面研究。.本项目提出了基于超短回波时间的腰椎QSM方法，进行了序列参数的优化调试，并通过进一步设计与优化，获得快速精准稳定的腰椎QSM、脂肪与R2*同时测量方法；提出了双重复时间多回波梯度回波腰椎QSM序列，该序列第一个重复时间采集水脂不同相回波，第二个重复时间采集水脂同相（in-phase, IP）回波，利用IP回波估算的场图和R2*作为R2*-IDEAL算法的初始化，实现准确的场图估计和水脂分离（简称为IP方法），该方法可以在5分钟左右完成数据采集且能够同时定量QSM和脂肪分数；进行了基于超短回波时间的腰椎QSM方法及其在骨质疏松评估中的应用，开展了腰椎QSM评估骨质疏松的可行性研究，并且研究了腰椎QSM两次采集的可重复性。.本项目研究获得的腰椎QSM数据采集新序列和重建新方法，将提供更快速更精准的技术方法，为准确的评估骨质疏松程度与预测骨折风险，以及确定合适的治疗时机与评估治疗效果均具有重要的意义，可以更好地服务于临床疾病的诊断与治疗。