定量磁化率成像及其在脑白质纤维重建中的应用

Magnetic susceptibility is defined as the magnetic response of a substance when it is placed in an external magnetic field. It is an inherent property of the substance. In brain MRI, the white matter susceptibility anisotropy likely arises from the anisotropic alignment of molecules in the myelin sheath. White matter fiber pathways are reconstructed by navigating through the vector field defined by the least diamagnetic susceptibility eigenvector. Quantitative susceptibility mapping (QSM) solves the ill-posed inverse source problem of the induced magnetic field distribution, yielding quantitative maps of the underlying tissue bulk magnetic susceptibility from the measured phase images. Using the medical image processing and analyzing methods, the project aims to solve the key problems in QSM, including phase unwrapping, background field removal and susceptibility map reconstruction. On this basis, susceptibility tensor imaging (STI) is exploited to investigate tracking of fiber pathways refer to diffusion tensor imaging (DTI) technique. In order to obtain high resolution in white matter fiber tractography, the fiber direction information extracted from DTI is combined with the susceptibility anisotropy, which takes advantages of both high angular resolution of DTI and high spatial resolution of STI. It may provide a new way for in vivo and nondestructive characterization of the three dimensional fiber architecture of anatomical organs and may also be valuable for the ongoing validation of nerve fiber imaging.

磁敏感性反映了物质在外加磁场作用下的磁化程度，是物质的固有属性，可以用磁化率来度量。大脑磁共振成像中，髓鞘中分子的各向异性排列导致脑白质磁化率的各向异性，而最小反磁性方向表征纤维走行的主要方向。定量磁化率成像(QSM)通过求解关于感应磁场分布的病态逆问题，由测得的相位图像导出潜在的组织体磁化率的定量图，使得对组织的磁化率进行定量分析成为可能。本项目旨在应用医学图像处理和分析方法，研究QSM的几个关键性问题：相位图像的解缠绕，不均匀背景场的抑制，定量磁化率图的重建。在此基础上，借鉴扩散张量成像(DTI)的研究思路，探索磁化率张量成像(STI)及其脑白质纤维束示踪应用。将DTI中提取出的纤维方向信息与磁化率各向异性相结合，发挥DTI高角度分辨率和STI高空间分辨率的优势，实现更好的脑白质纤维成像。使之成为活体组织纤维束非入侵式检测的新方法，为神经纤维成像研究提供新的对比机制。

磁敏感性反映了物质在外加磁场作用下的磁化程度，是物质的固有属性，可以用磁化率来度量。大脑磁共振成像中，髓鞘中分子的各向异性排列导致脑白质磁化率的各向异性，而最小反磁性方向表征纤维走行的主要方向。定量磁化率成像(QSM)通过求解关于感应磁场分布的病态逆问题，由测得的相位图像导出潜在的组织体磁化率的定量图，使得对组织的磁化率进行定量分析成为可能。本项目应用医学图像处理和分析方法，研究了QSM 的几个关键性问题：不均匀背景场的抑制，定量磁化率图的重建，磁化率的各向异性以及QSM技术在儿童自闭症诊断中的应用。提出一种基于区域自适应高斯核函数的背景场去除(REAK)方法，采用水平集下的能量泛函值检测场不均匀性并设计尺度可调的卷积核函数，实现准确估计局部场的同时有效保护空气—组织交界区的结构完整性，例如颅底的含气鼻窦部位。针对幅值图像构造先验约束的不足，提出一种基于结构特征的定量磁化率图联合重建（SFCR）方法，这种方法包含基于幅值图像结构特征先验的初始重建模型和基于磁化率图结构特征的联合重建模型两部分。该方法从初始重建磁化率分布图中提取更为准确的结构先验信息来进行最终磁化率分布重建，可以有效减少由幅值先验引入的错误结构信息。人体临床检查中使用的最高磁场强度是3T成像仪，而7T磁化率成像数据具有更好的对比度和信噪比。通过比较在不同磁场强度下磁化率图及其多方向的各向异性，证明两者分析数据趋势一致。通过重建大脑磁化率分布图，选取具有神经生物学意义的感兴趣区域红核、黑质、尾状核、壳、苍白球，利用统计学方法研究自闭症组儿童和正常组儿童大脑左右各核团之间的磁化率值差异。研究结果表明在所选取的样本容量内，正常儿童和自闭症儿童的红核、尾状核以及左侧苍白球的磁化率值有显著差异，深入研究有待进一步开展。