基于时空编码的超快速四维磁共振波谱成像新技术

Magnetic resonance spectroscopy imaging (MRSI) can non-invasively detect the distribution of many metabolites in in vivo tissues. Two-dimensional MR correlated spectroscopic imaging (COSI) can not only avoid the crowd of one-dimensional spectral peaks, but also provide the information about coupling. Due to the limitation in spatial and spectral resolution and acquisition rate, the current applications of MRSI mainly focus on two-dimensional space and one-dimensional spectroscopy. How to expand MRSI to four-dimensional acquisition (two-dimensional space and two-dimensional spectroscopy), and solve the problems of the relative long acquisition time, the low spatial and spectral resolution, the low signal to noise ratio, and the susceptibility to field variation, is one of the hot topics in MRI field. In this project, we will focus on the following work: (1) Design new spatiotemporally encoded ultrafast COSI sequences based on theoretical investigation; (2) Combine two-dimensional spatiotemporal encoding with random acquisition to improve acquisition efficiency and maintain the insensitive to field inhomogeneity; (3) Improve the signal processing methods, such as compressed sensing, to achieve better image reconstruction, and more effectively separate spectral information and spatial information; (4) Apply the new COSI method to some typical medical systems, and expand its application field.

磁共振波谱成像(MRSI)能无损伤探测活体组织多种代谢物浓度的空间分布。二维磁共振相关谱可解决一维谱的谱峰拥挤问题，还能提供相关偶合信息。受空间和波谱的分辨率以及采样效率的限制，目前MRSI的应用都集中在二维空间分布和一维波谱信息。如何把MRSI扩展到四维(即二维空间分布和二维波谱信息)，并克服采集时间偏长、空间和波谱分辨率及信噪比偏低、抗磁场变化能力偏弱等不足，是磁共振成像领域最新前沿和热点问题之一。本课题拟开展如下研究：(1)在建立四维MRSI信号的理论模型和表述基础上，设计新型时空编码的超快速成像脉冲序列。(2)在保持对磁场不均匀性不敏感情况下，建立二维时空编码和随机采样相结合的方法以实现更高效率的信号采集。(3)改进压缩传感等信号处理方法以获得更好的图像重建，实现MRSI波谱和空间分布信息更好的分离。(4)将所建立的四维MRSI方法应用于一些典型的生物医学体系，以扩展其应用领域。

磁共振波谱成像(MRSI)作为一种无损检测技术，能准确探测活体组织多种代谢物浓度的空间分布，在生物组织活体检测和临床医学诊断等方面有着广泛的应用。受空间和波谱的分辨率以及采样效率的限制，目前MRSI的应用都集中在二维空间分布和一维波谱信息。而我们知道二维磁共振相关谱可解决一维谱的谱峰拥挤问题，还能提供相关偶合常数等分子结构表征信息。如何把MRSI扩展到四维(即二维空间分布和二维波谱信息)，并克服采集时间偏长、空间和波谱分辨率及信噪比偏低、抗磁场变化能力偏弱等不足，是磁共振成像领域最新前沿和热点问题之一。基于此，本课题提出一种全新的基于时空编码的超快速四维磁共振波谱成像技术，解决现有谱成像检测技术应用难点。本课题主要的研究内容包括：（1）我们基于对时空编码和核磁共振信号相结合的演化机理进一步深入研究，发展和完善时空编码超快速4D MRSI信号演化的理论表述，并建立相应的演化理论模型；（2）基于不同超快速时空编码与新型解码采样方法的结合，我们设计一系列新型的超快速谱成像脉冲序列，并编写相应的信号处理和谱图重建软件；（3）系统研究了磁场不均匀和组织磁化率不均匀对波谱和成像结果的影响，提出新型的具有抗磁场不均匀性和运动伪影的快速编解码方法和抑制欠采样伪影的随机采样技术；（4）改进超快速采样及数据处理和重建方法以达到波谱信息和空间信息的无损分离，实现高质量的谱成像检测；（5）我们将所建立的方法应用于一些典型的生物组织等实际体系，研究其组成、分子结构、空间分布以及动力学过程。.在本基金项目的资助下，本项目进展顺利并超额完成各项研究计划，相关成果已在国际权威刊物上发表37篇SCI收录论文。同时，我们还申请并获得了12项授权发明专利。本项目的成果超过了预期的研究目标，部分研究成果达到国际一流的水平，相关技术为生物活体检测和临床医学诊断提供一种重要应用工具，进一步扩展了NMR的应用领域。