基于多模态成像的人体心肌纤维宏微观结构研究及验证

Fully understanding the fiber macro- and micro-structure of the human heart can be an effective way to reduce the morbidity and mortality due to heart diseases. Recently, great progress has been made on studying cardiac fiber structure using diffusion tensor imaging (DTI), in particular human cardiac fiber structure. However, whether or to what extent DTI reveals true anatomical structures has never been validated. The present proposal aims to quantitatively validate the fiber macro-structure of the human heart from DTI using ground truth data from polarized light imaging having a very high spatial resolution, extract and analyze the fiber micro-structure of the human heart from multi-shell q-ball imaging, and provide a new approach and assistance for clinical diagnosis. It includes three issues: 1) acquisition scheme design for high resolution ground truth data and corresponding DTI and multi-shell q-ball imaging data; 2) qualitative validation of human cardiac fiber macro-structure from DTI using PLI ground truth data; 3) human cardiac fiber microstructure feature analysis based on multi-shell q-ball imaging. The achievement of our research will provide large and promising perspectives for understanding the mechanism of infarction and its early clinical diagnosis.

充分了解心肌纤维的宏微观结构能有效降低心脏病发病率和死亡率。近年来利用弥散张量成像研究心脏纤维结构取得了巨大进展，然而由于现有采集条件的限制导致金标准数据的缺乏，尚未有研究对弥散张量成像是否能够或能从何种程度上揭示心脏纤维解剖结构进行定量验证。本课题将利用同个体心脏的高分辨率极化光金标准数据对其对应的从弥散张量成像数据获取的三维心肌纤维宏观结构信息进行定量的验证分析，同时利用心脏多壳高角分辨率成像数据提取和分析心肌纤维的微观结构特征，为辅助临床诊断提供新思路和依据。本项目的主要研究内容包括：1）高分辨率的人体心脏极化光金标准数据及相应的弥散张量和多壳高角分辨率数据采集方案的设计；2）基于人体心脏极化光金标准数据及弥散张量数据的心肌纤维三维宏观结构验证；3）基于多壳高角分辨率成像的人体心肌纤维微观结构特征分析。本研究对心肌梗塞的产生机制及早期临床检测具有潜在的应用前景。

本项目利用高分辨率极化光成像作为人体心脏纤维结构的金标准数据，与利用弥散张量成像获得的人体纤维结构交叉验证，以实现心肌病的早期检测为目标。项目主要围绕“心肌纤维宏微观结构的交叉验证”、“基于多能谱成像的心肌功能探索”及“心脏数据处理平台”三个方面展开。总体来说，项目主要完成了：1）基于极化光高分辨率的心脏数据和弥散张量数据的宏微观结构定量交叉验证，基于此工作撰写论文《Quantitative Comparison of Human Myocardial Fiber Orientations Derived from DTI and Polarized Light Imaging》，并发表于SCI期刊Physics in Medicine and Biology；2）基于多能谱数据对心肌结构及功能的进行进一步探索验证，基于此部分的工作撰写论文《Material Decomposition in X-ray Spectra CT Using Multiple Constraints in Image Domain》，并发表于SCI期刊Journal of Nondestructive Evaluation；3）基于多壳高角分辨率图像对心肌纤维结构微观特征进行了分析研究，基于此部分的工作发表于SCI杂志PLosONE上；4）基于不同模态的心脏宏微观数据验证算法在心脏数据处理平台上的完善。基于上述研究工作，共发表SCI论文12篇，国际会议论文16篇，申请专利2项。 同时，项目组同法国实验室联合培养两名硕士生及一名博士生，项目实施期间我方派博士生周洲赴法留学6个月，派硕士生李周霞、王小妮赴法交流两个月。中法双方于2016年、2018年、2020年三次在IEEE ICSP会议上举办了医学图像处理及分析的专题研讨会。