專利名稱：肝纖維化分級研究的磁共振彈性成像檢測系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種肝臟疾病的檢測系統(tǒng)及其方法，具體地說是一種可進行肝纖維化
分級和肝纖維化速率檢測的核磁共振彈性成像檢測系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
各類肝臟疾病的主要早期病理改變是肝纖維化，理論上纖維化通過治療可以逆轉(zhuǎn)、使肝臟恢復(fù)正常，一旦纖維化進一步發(fā)展到肝硬化時，則不能逆轉(zhuǎn)。故肝纖維化程度以及纖維化速率的精確判斷對于相應(yīng)治療手術(shù)的選擇以及治療預(yù)后評估都是至關(guān)重要的，在臨床上有著重要意義。 目前肝活檢是肝纖維化判定的金標(biāo)準(zhǔn)，但肝活檢是有創(chuàng)檢查，大多數(shù)患者難于接受該方法，同時該方法取樣少、誤差大、重復(fù)性差，不能應(yīng)用于病情嚴(yán)重患者，其并發(fā)癥導(dǎo)致的死亡率也高達O. 1%。同時由于活檢缺乏時間連續(xù)性，難以對纖維化形成的過程進行檢測，也無法評價抗纖維化藥物的療效，因此肝穿剌在臨床應(yīng)用上受到限制。臨床上迫切需要發(fā)展一種非侵入性、精確性和量化的肝纖維化檢查手段。 傳統(tǒng)的磁共振成像技術(shù)無法實現(xiàn)靈敏度與特異性倶佳的、肝纖維化的定量評價。不同程度肝纖維化組織體現(xiàn)出機械特性(如彈性或硬度)的極大差別。正常肝臟硬度約在2.7kPa，不同纖維化程度肝臟平均硬度為5.6kPa。完全硬化后的肝臟則比石頭還硬?；谶@一明顯差異，可反映組織彈性參數(shù)差異的核磁共振彈性技術(shù)成為實現(xiàn)肝纖維化分級的最具發(fā)展前景的技術(shù)選擇之一。 核磁共振彈性成像技術(shù)的基本原理是利用磁共振成像技術(shù)，檢測體內(nèi)組織在某種外力作用下產(chǎn)生的質(zhì)點位移，通過運動敏感梯度(MotionSensitive Gradient,MSG)的作用獲取MRI相位圖像，以此為基礎(chǔ)通過對彈性力學(xué)的逆求解，得出組織內(nèi)各點的彈性系數(shù)的分布圖(即磁共振彈性圖)，以組織彈性力學(xué)參數(shù)作為肝纖維化分級的依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要為臨床肝臟疾病病理研究所需的肝纖維化分級和速率檢測，而提供一個磁共振彈性成像檢測系統(tǒng)及其方法。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種磁共振彈性成像檢測系統(tǒng)，包括能進行肝臟部位成像的高場核磁共振全身成像系統(tǒng)，剪切波激勵裝置，其特點是剪切波激勵裝置通過碳纖維棒與振動推片連接，剪切波激勵裝置中的單片機系統(tǒng)產(chǎn)生參數(shù)可調(diào)音頻信號依次經(jīng)過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，低通濾波，音頻功率放大，核磁共振掃描室濾波傳導(dǎo)門板后，電磁屏蔽罩后經(jīng)電磁振動裝置產(chǎn)生剪切振動。
—種磁共振彈性成像檢測方法，包括以下步驟
(1)體模或受檢部位內(nèi)部質(zhì)點位移 將體?；蚴軝z者肝臟組織部位分別采用頭線圈或者大體線圈后定位到磁體中心，開啟核磁共振設(shè)備后，啟動剪切波激勵裝置和運動敏感成像序列，電磁振動裝置產(chǎn)生振動，通過碳纖維棒傳導(dǎo)至推片，推片沿X方向運動，使振動饋入體模或受檢部位組織，使組織內(nèi)
質(zhì)點產(chǎn)生Z方向的反復(fù)振動，振動波在組織內(nèi)沿Y方向傳播； (2)形成磁共振彈性圖 根據(jù)振動波在體?；蚋闻K組織內(nèi)傳播的波長，相位的周期變化獲取質(zhì)點位移相位圖，通過反演擬合計算得到體?；蚋闻K組織的彈性系數(shù)和分布情況，形成磁共振彈性圖。
(3)纖維化分級 上述步驟中，位移相位成像序列是在FLASH序列基礎(chǔ)上通過增加運動敏感梯度來實現(xiàn)的，其中序列參數(shù)為FOV = 220mm ;Matrix = 256X256 ;TR = 20mS 50mS ;TE =14. 7mS 25mS ;flip angle = 30° ;MSG施加次數(shù)為1次；整個采集時間在10. 24S 25. 6S);序列采用連續(xù)兩個TR周期中，一次施加正向MSG，一次施加負(fù)向MSG，兩次得到的相位圖并進行相減，消除背景相位的影響。 本發(fā)明的有益效果是與傳統(tǒng)的磁共振成像技術(shù)相比，本發(fā)明能實現(xiàn)靈敏度與特異性倶佳的、肝纖維化的定量評價。如不同程度肝纖維化組織體現(xiàn)出機械特性(如彈性或硬度)的極大差別。正常肝臟硬度約在2. 7kPa，不同纖維化程度肝臟平均硬度為5. 6kPa。完全硬化后的肝臟則比石頭還硬。本發(fā)明的核磁共振彈性成像技術(shù)的基本原理是利用磁共振成像技術(shù)，檢測體內(nèi)組織在某種外力作用下產(chǎn)生的質(zhì)點位移，通過運動敏感梯度(MotionSensitive Gradient, MSG)的作用獲取MRI相位圖像，以此為基礎(chǔ)通過對彈性力學(xué)的逆求解，得出組織內(nèi)各點的彈性系數(shù)的分布圖(即磁共振彈性圖)，以組織彈性力學(xué)參數(shù)作為肝纖維化分級的依據(jù)。采用本發(fā)明進行體模的初步實驗以及進行背景相位噪聲的研究和剪切波傳播與剪切波頻率之間關(guān)系的實驗研究，圖像質(zhì)量良好，效果明顯。為后續(xù)肝臟組織的MRE研究奠定了基礎(chǔ)，也為其他部位的彈性研究提供指導(dǎo)和參照。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明的位移相位成像序列示意 圖3是基于MRE技術(shù)的肝纖維化分級流程 圖4是實驗方位圖； 圖5是未加振動的橫斷位圖像和矢狀位圖像，其中(a)幅度圖；(b)相位圖(MSG+) ;(c)相位圖(MSG-) ;(d)相位差圖；(e)幅度圖；(f)相位圖(MSG+) ; (g)相位圖(MSG-) ;(h)相位差圖；圖6是剪切波頻率分別為100Hz、 160Hz、200Hz下的幅度圖和相位圖，其中(a， b)為lOOHz下的幅度圖和相位圖；(c， d)為160Hz下的幅度圖和相位圖；(e，f)為200Hz下的幅度圖和相位圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步的說明。 核磁共振彈性成像技術(shù)的基本原理是利用磁共振成像技術(shù)，檢測體內(nèi)組織在某種外力作用下產(chǎn)生的質(zhì)點位移，通過運動敏感梯度(Motion SensitiveGradient，MSG)的作用獲取MRI相位圖像，以此為基礎(chǔ)通過對彈性力學(xué)的逆求解，得出組織內(nèi)各點的彈性系數(shù)的分布圖(即磁共振彈性圖)，以組織彈性力學(xué)參數(shù)作為肝纖維化分級的依據(jù)。MRE的數(shù)學(xué)原理簡述為，聲波頻率的剪切波在各向同性黏彈性介質(zhì)中的穩(wěn)定運動方程為
<formula>formula see original document page 5</formula> (1)
式中，5為質(zhì)點位移矢量，P為介質(zhì)的密度，P工為剪切彈性Lame系數(shù)，y 2為剪切黏性系數(shù)。在P 、"(剪切波頻率)已知情況下，如果能檢測出i ，則可以計算出剪切彈性系數(shù)P工和剪切黏性系數(shù)P2。 剪切波在介質(zhì)中的傳播過程中，質(zhì)點的位移方程為(具體方位坐標(biāo)參見圖3):
<formula>formula see original document page 5</formula> (2) 式中，y為剪切波傳播方向，Z為質(zhì)點運動方向；of為波矢；在質(zhì)點運動方向(z向，B。方向)施加翻轉(zhuǎn)MSG :
為簡切波頻率；b為質(zhì)點振幅； <formula>formula see original document page 5</formula>(3)
由于梯度周期與剪切波周期剛 式中T = 2Ji/"，G為梯度幅值，N為MSG周期數(shù)。好同步，因此MSG施加期間，質(zhì)點位移導(dǎo)致的相位周期累加<formula>formula see original document page 5</formula> ( 4 ) 因此利用磁共振成像技術(shù)，可以獲取xoy平面內(nèi)的質(zhì)點的相位圖，去除梯度的因素，即可得到質(zhì)點的位移圖，根據(jù)(1)式采取相應(yīng)的擬合算法即可得到組織的黏彈性系數(shù)分布。 本發(fā)明的具體實施方法 如圖1到3所示，本發(fā)明的磁共振彈性成像檢測系統(tǒng)及其方法，包括能進行肝臟部位成像的高場核磁共振全身成像系統(tǒng)，剪切波激勵裝置。 (1)開發(fā)剪切波激勵裝置剪切波激勵裝置采用Megal6型單片機作為激勵源1信號的產(chǎn)生部件，由于需要實現(xiàn)頻率、初始相位、激勵時間的調(diào)節(jié)與顯示，還需要接受MRI序列發(fā)生器的門控，再加上8位數(shù)字激勵源的輸出，因此采用具有4個I/O 口的通用性較強的中型Megal6型號單片機來實現(xiàn)；單片機產(chǎn)生的8位數(shù)字激勵源經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和低通濾波后再經(jīng)過音頻可調(diào)放大輸出音頻模擬信號，經(jīng)過MRI掃描室濾波傳導(dǎo)門板上的空閑濾波接口，經(jīng)屏蔽傳輸線送至電磁屏蔽罩內(nèi)的電磁振動裝置，產(chǎn)生橫向機械振動，振動將通過外徑5mm內(nèi)徑3mm，長度為2. 5m±0. 5m的中空碳纖維棒2 (重量僅為25g/m)傳導(dǎo)到有機玻璃推片4上(50mmX40mmX8mm)，推片4與體模5表面或人體肝部表面接觸，推片4振動即可饋入體模5或人體肝臟組織進行傳播。 將體模5或受檢者肝臟組織部位分別采用安裝在掃描機架6內(nèi)的磁共振掃描線圈3的頭線圈或者大體線圈(或軟體線圈)后定位到磁共振掃描線圈3的磁體中心，然后將激勵裝置連線按照圖1連線好后，將激勵裝置與體模5或受檢部位連接到一起，實驗系統(tǒng)方位如圖4所示。開啟核磁共振設(shè)備后，啟動圖2所示的序列，序列執(zhí)行的同時會給出門控信號，控制單片機產(chǎn)生設(shè)定頻率和設(shè)定初相的音頻正弦波信號，經(jīng)音頻功放濾波后送到電磁振動裝置產(chǎn)生振動，最后通過碳纖維棒2傳導(dǎo)至推片4，推片4沿Z方向運動，使振動饋入組織，組織內(nèi)質(zhì)點也會產(chǎn)生Z方向的反復(fù)振動，但振動波在組織內(nèi)沿Y方向傳播。
(2)高場核磁共振全身成像系統(tǒng)通用的1. 5T或3. OT全身核磁共振成像系統(tǒng)均可作為研究平臺。
(3)相位位移成像序列基于肝臟部位的特殊性，剪切波頻率、序列時間、運動 敏感梯度施加次數(shù)、組織彈性、組織尺寸等需要綜合考慮，開發(fā)的位移相位成像序列為在 FLASH序列基礎(chǔ)上通過增加運動敏感梯度來實現(xiàn)的。序列參數(shù)為F0V = 220mm ;Matrix =256X256 ;TR = 20mS 50mS(具體與所施加剪切波頻率匹配)；TE = 14. 7mS 25mS(根 據(jù)所施加剪切波頻率而異)；flip angle = 30° ;MSG施加次數(shù)為1次；整個采集時間在 10. 24S 25. 6S(根據(jù)所施加剪切波頻率而異)。為了克服與運動無關(guān)的背景相位，序列采用 連續(xù)兩個TR周期中， 一次施加正向MSG， 一次施加負(fù)向MSG，兩次得到的相位圖(分別稱為 相位圖1和相位圖2)進行相減，可消除背景相位的影響。最終同時輸出幅度像、相位圖1、 相位圖2和相位差圖(本研究最終所需要的相位圖)。如圖4所示的序列獲取橫斷位(即 XOY)圖像，序列中沿Z方向施加運動敏感梯度，沿梯度方向的位移會引起梯度方向的相位 變化，即①=YG.x.t。當(dāng)振動周期與運動敏感梯度的周期一致時，即在質(zhì)點正半周期(正 Z向位移)和負(fù)半周期(負(fù)Z向位移)時分別施加正極性梯度和負(fù)極性梯度，相位可以累加 并得到較為明顯的體現(xiàn)，在橫斷位圖像上可以觀察到振動在組織內(nèi)傳播的軌跡。
由于射頻場和主磁場存在不均勻性，因此在不施加振動時，也會產(chǎn)生有相位差異， 稱為背景相位。背景相位的存在對質(zhì)點位移產(chǎn)生的相位是一種噪聲干擾，需要抑制。因此 本序列采用連續(xù)兩個TR周期內(nèi)，MSG施加為一次正一次負(fù)，即奇數(shù)次TR周期內(nèi)施加的都 是先正后負(fù)的MSG，在偶數(shù)次TR周期內(nèi)施加的都是先負(fù)后正的MSG。所有奇數(shù)次TR周期 采集的數(shù)據(jù)作為一個原始二維數(shù)據(jù)矩陣重建得到的相位圖像為第一相位圖(MSG+)，所有 偶數(shù)次TR周期采集的數(shù)據(jù)作為一個原始二維數(shù)據(jù)矩陣重建得到的相位圖像為第二相位圖 (MSG-)。最后將第一相位圖與第二相位圖作一次相減，得到的相位圖即可消除背景噪聲的 干擾，也是研究所需要得到的質(zhì)點位移所形成的相位變化。 最后根據(jù)振動波在體?；蚋闻K組織內(nèi)傳播的波長(相位的周期變化)通過擬合計 算即可得到組織的彈性系數(shù)和分布情況。 (4)彈性圖擬合根據(jù)振動波在體?；蚋闻K組織內(nèi)傳播的波長，相位的周期變化 獲取質(zhì)點位移相位圖，通過反演擬合計算得到體模或肝臟組織的彈性系數(shù)和分布情況，形 成磁共振彈性圖。波長越短，彈性圖分辨率越高?；诓ㄩL與激勵波頻率的反比關(guān)系，因此 要實現(xiàn)較高的分辨率，尤其是對小尺寸病灶的檢測，需要盡量采用較高的激勵波頻率。但頻 率太高，則組織衰減嚴(yán)重，因此本研究采用150Hz到300Hz范圍的激勵頻率。反演擬合采用 P = P.f2. r的關(guān)系來實現(xiàn)。其中f為剪切波頻率，A為剪切波在組織中傳播的波長，i！ 為質(zhì)點位移，P即為所需的剪切彈性系數(shù)。 本發(fā)明主要為了進行肝纖維化程度分級研究而開發(fā)的實驗平臺。除了進行肝臟部 位的彈性研究外，還可以進行其他諸如肌肉、乳腺和前列腺等組織部位的彈性成像研究實 驗平臺。 體模研究結(jié)果
(1)背景相位的研究 采用本研究平臺，采用前述序列，施加MSG、未施加振動的獲取的橫斷位和矢狀位。 由圖5可見，在沒有施加振動時，在幅度圖像a， e基本看不出差異，但在相位圖b， c和相位 圖f， g上，則均可看到明顯的相位變化，由于背景相位只與主磁場和射頻場的均勻性有關(guān)， 與施加的MSG的極性沒有關(guān)系，因此相位圖b和相位圖c體現(xiàn)出完全相同。經(jīng)過相減后，背景相位完全消除(相位圖d)。矢狀位體現(xiàn)出完全相同的結(jié)論(相位圖h)。
(2)剪切波的傳播效果 實驗采用濃度為0. 5%的瓊脂糖體模，分別施加100Hz、 160Hz和200Hz的剪切波 頻率進行了實驗。實驗效果分別如圖6所示，實驗參數(shù)分別為100Hz時TR = 40ms， TE = 19. 7ms，flip angle = 30，MSG = 1 ;160Hz時TR = 50ms，TE = 22. 2ms，flip angle = 30， MSG = 2 ;200Hz時TR = 40ms， TE = 14. 7ms， flip angle = 30， MSG = 2 ;
從幅度圖上，可以明顯看出，隨著剪切波頻率的增加，剪切波衰減明顯，在200Hz 情況下，體模底部在幅度圖上幾乎看不到有波形傳播；但從相位圖上則衰減不明顯，體現(xiàn)出 明顯的波形傳播，這也是采用相位來檢測彈性質(zhì)點位移的原因。同時在100Hz下可以看到 由于存在著嚴(yán)重的反射，因此幅度圖像顯得比較雜亂。 另外，從相位圖上可以讀出，在相同大小的體模中，100Hz、160Hz和200Hz的剪切 波頻率下，波動傳播的波數(shù)粗略讀數(shù)分別為9個、14個和17個。滿足^ = : = ， 《 11.3
的比例關(guān)系，可以說明剪切波頻率與波長的反比關(guān)系。
權(quán)利要求
一種磁共振彈性成像檢測系統(tǒng)，包括高場核磁共振全身成像系統(tǒng)，剪切波激勵裝置，其特征在于所述剪切波激勵裝置通過碳纖維棒與振動推片連接，剪切波激勵裝置中的單片機系統(tǒng)產(chǎn)生參數(shù)可調(diào)音頻信號依次經(jīng)過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，低通濾波，音頻功率放大，核磁共振掃描室濾波傳導(dǎo)門板后，電磁屏蔽罩后經(jīng)電磁振動裝置產(chǎn)生剪切振動。
2. —種可進行肝纖維化研究的磁共振彈性成像檢測方法，其特征在于包括以下步驟(1) 體?；蚴軝z部位內(nèi)部質(zhì)點位移將體模或受檢者肝臟組織部位分別采用頭線圈或者大體線圈后定位到磁體中心，開啟核磁共振設(shè)備后，啟動剪切波激勵裝置和運動敏感成像序列，電磁振動裝置產(chǎn)生振動，通過碳纖維棒傳導(dǎo)至推片，推片沿Z方向運動，使振動饋入體?；蚴軝z部位組織，使組織內(nèi)質(zhì)點產(chǎn)生Z方向的反復(fù)振動，振動波在組織內(nèi)沿Y方向傳播；(2) 形成磁共振彈性圖根據(jù)振動波在體?；蚋闻K組織內(nèi)傳播的波長，相位的周期變化獲取質(zhì)點位移相位圖，通過反演擬合計算得到體模或肝臟組織的彈性系數(shù)和分布情況，形成磁共振彈性3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的磁共振彈性成像檢測方法，其特征在于上述步驟中，位移相位成像序列是在FLASH序列基礎(chǔ)上通過增加運動敏感梯度來實現(xiàn)的，其中序列參數(shù)為FOV=220mm ;Matrix = 256X256 ;TR = 20mS-50mS ;TE = 14. 7mS—25mS ;flip angle = 30° ;MSG施加次數(shù)為1次；整個采集時間在10. 24S-25. 6S ;序列采用連續(xù)兩個TR周期中， 一次施加正向MSG，一次施加負(fù)向MSG，兩次得到的相位圖并進行相減，消除背景相位的影響。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁共振成像檢測系統(tǒng)及其方法，檢測系統(tǒng)包括能進行肝臟部位成像的高場核磁共振全身成像系統(tǒng)，剪切波激勵裝置。檢測方法，包括(1)體?；蚴軝z部位內(nèi)部質(zhì)點位移，(2)形成磁共振彈性圖，(3)纖維化分級。采用本發(fā)明進行體模的初步實驗以及進行背景相位噪聲的研究和剪切波傳播與剪切波頻率之間關(guān)系的實驗研究，圖像質(zhì)量良好，效果明顯。為后續(xù)肝臟組織的MRE研究奠定了基礎(chǔ)，也為其他部位的彈性研究提供指導(dǎo)和參照。
文檔編號G01R33/32GK101708123SQ200910197778
公開日2010年5月19日 申請日期2009年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者張學(xué)龍, 汪紅志, 王鶴, 黃勇, 黃清明 申請人:上海理工大學(xué)