生物组织微观结构的无创测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种生物微观结构的测量方法，尤其涉及一种通过磁共振成像测量组 织微观结构的无创测量方法。
【背景技术】
[0002] 磁共振（magneticresonanceimaging,MRI)由于其无电离损伤、高软组织分辨率 的特点，加之对化学成分的敏感性，已广泛应用于中枢神经系统和肝胆系统等生物组织的 成像。随着磁共振水分子扩散敏感成像技术等新技术的应用逐渐成熟，出现了磁共振扩散 加权成像（diffusionweightedimaging,DWI)和磁共振扩散张量成像（diffusiontensor imaging，DTI)，并已经可以实现对像素内水分子的各向同性扩散系数和各向异性扩散张量 进行求解。
[0003] 在进行磁共振扩散加权成像和磁共振扩散张量成像时，都需要依次施加若干方向 上和若干数值的扩散权值矢量（g)对脑组织进行磁共振扩散成像；当施加扩散权值矢量 (I)时，磁共振机在高频脉冲与数据采集之间，会加上成对双极扩散敏感梯度脉冲。第一 个扩散敏感梯度脉冲使质子自旋去相位，如果没有水分子的运动，则第二个扩散敏感梯度 脉冲可使其完全复相位。组织中水分子的扩散自由度可影响磁共振扩散加权成像图像信 号强度的衰减，在扩散敏感梯度场施加方向上水分子扩散越自由，图像信号衰减越明显。 在磁共振扩散成像中，如果水分子随机运动受限，图像信号为高信号。图像信号强度S= S#bw(其中，S。为未施加扩散敏感梯度脉冲时，核磁图像中像素点的信号强度；S为施加扩 散敏感梯度脉冲后核磁图像中像素点的信号强度；b是g的幅度，单位mm2/s，通过改换扩散 敏感梯度脉冲可以变化b的数值；D为水分子扩散方向上的扩散加权系数，单位s/mm2)。 [0004]目前，磁共振扩散加权成像已经可以分析不同生物组织成分内水分子的扩散运 动，从而得到各组织成份的结构信息。但是扩散加权成像提供的是各生物组织成分的表观 扩散系数（apparentdiffusioncoefficient,ADC)，这个标量的描述方法没有正确反应出 生物组织成分中水分子各向异性扩的散特性。和磁共振扩散加权成像不同，扩散张量成像 可以很好的分析脑内水分子各向异性的扩散特性，但是其无法区分不同组织成分内水分子 的扩散运动，也就无法提供不同组织成分的结构信息。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种用于生物组织微观机构检测的无创测量方法。
[0006] 本发明提供了一种生物组织微观结构的无创测量方法，包括：
[0007] 使用复数个不同的扩散权值矢量对生物组织进行磁共振扩散成像，得到复数个对 应各扩散权值矢量的生物组织的磁共振图像；
[0008] 测定各磁共振图像中各个像素点的实际图像信号强度；
[0009] 定义一个计算图像信号强度，建立磁共振图像中各个像素点的计算图像信号强度 与扩散权值矢量之间的函数关系，其中该函数关系式为：
[0011] 其中：S。为未施加扩散敏感梯度脉冲时，磁共振图像内各个像素点的理论信号强 度，VEes为生物组织的细胞外间隙容积比率，V。611为生物组织的细胞容积比率，Vvas为生物组
[0012] 由实际图像信号强度与计算图像信号强度，通过非凸优化方法求解得到磁共振图 像中各个像素点的细胞外间隙容积比率、细胞容积比率、血管容积比率、在扩散权值矢量方 向上的细胞内扩散矢量、在扩散权值矢量方向上的血管扩散矢量、和在扩散权值矢量方向 上的细胞外间隙扩散矢量；和
[0013] 由磁共振图像中各个像素点的细胞内水分子在扩散权值矢量方向上的细胞内扩 散矢量、血管内水分子在扩散权值矢量方向上的血管扩散矢量、细胞外间隙内水分子在扩 散权值矢量方向上的细胞外间隙扩散矢量、细胞外间隙容积比率、细胞容积比率、和血管容 积比率分别重构磁共振图像。
[0014] 生物组织微观结构的无创测量方法能够提供不同组织成分的结构信息，且可以很 好的分析组织内水分子各向异性的扩散特性。
[0015] 在生物组织微观结构的无创测量方法的再一种示意性的实施方式中，无创测量方 法包括由细胞内水分子在扩散权值矢量方向上的细胞内扩散矢量、血管内水分子在扩散权 值矢量方向上的血管扩散矢量、和细胞外间隙内水分子在扩散权值矢量方向上的细胞外间 隙扩散矢量，按照椭球分布推算得到细胞外间隙内水分子在任意方向上的细胞外间隙扩散 矢量、细胞内水分子在任意方向上的细胞内扩散矢量、以及血管内水分子在任意方向上的 血管扩散矢量。
[0016] 在生物组织微观结构的无创测量方法的另一种示意性的实施方式中，由细胞外间 隙内水分子在任意方向上的细胞外间隙扩散矢量、细胞内水分子在任意方向上的细胞内扩 散矢量、以及血管内水分子在任意方向上的血管扩散矢量推算得到细胞外间隙、细胞、以及 血管的纤维束走向分布。
[0017] 在生物组织微观结构的无创测量方法的再一种示意性的实施方式中，细胞外间 隙、细胞、以及血管的纤维束走向分布的推算采用统计方法或基于主扩散方向（principal diffusiondirection)追踪方法。
【附图说明】
[0018] 以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
[0019] 图1和图2显示了施加不同扩散权值矢量时脑组织的磁共振扩散加权图像。
[0020] 图3和图4显示了由细胞内扩散矢量重构后的磁共振图像。
[0021] 图5和图6显示了由细胞外间隙扩散矢量重构后的磁共振图像。
[0022] 图7和图8显示了由血管扩散矢量重构后的磁共振图像。
[0023] 图9显示了由细胞外间隙容积比率Vecs重构后的磁共振图像。
[0024] 图10显示了由细胞容积比率Vm11重构后的磁共振图像。
[0025] 图11显示了由血管容积比率Vvas重构后的磁共振图像。
【具体实施方式】
[0026] 为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【附图说明】本发明 的【具体实施方式】，在各图中相同的标号表示相同的部分。以下以脑组织的磁共振成像为例。
[0027] 在本文中，"示意性"表示"充当实例、例子或说明"，不应将在本文中被描述为"示 意性"的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。
[0028] 本文中，虽然各实施方式的实施对象为脑组织，但不局限于脑组织，还可以将生物 组织微观结构的无创测量方法实施于其他生物组织。
[0029] 生物组织微观结构的无创测量方法包括如下步骤。
[0030] 在步骤A中，使用多个不同的扩散权值矢量$对脑组织进行磁共振扩散成像，从而 获得对应于不同扩散权值矢量^的脑组织磁共振图像，其中i为整数且i= 1，2,……。可 以通过改变模值和方向来获得多个不同的扩散权值矢量g。在生物组织微观结构的无创测 量方法一种示意性实施方式中，扩散权值矢量< 的方向分别为实验室[1，0,0]方向和实验 室[0? 446,0. 895,0]。
[0031] 在步骤B中，测定步骤A中获得的各磁共振图像中各个像素的实际图像信号强度 S1，且实际图像信号强度在磁共振图像中反映为图像中像素点的灰度大小。
[0032] 在步骤C中，定义一个计算图像信号强度S( ^ )，且构建得到一个扩散权值矢量 I与计算图像信号强度S >的函数关系，该函数关系式的表达式为。
扩散敏感梯度脉冲时，磁共振图像内各个像素点的理论信号强度；VEes为生物组织的细胞外 间隙容积比率；Vrell为生物组织的细胞容积比率；Vvas为生物组织的血管容积比率；V_为无
胞外间隙内水分子在扩散权值矢量g方向上的细胞外间隙扩散矢量。
[0034] 上述方程可以进一步修改为：
[0036] x，y，z表示实验室坐标系的三个正交轴。g,g是实验室坐标系的三个单位 矢量。h表示扩散权值矢量^在x，y，z实验室坐标轴向上的分量。6巧&表示细胞内扩散<