基于多核素磁共振成像定量检测肺癌

基于多核素磁共振成像定量检测肺癌
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na分布的方法
技术领域
1.本发明涉及医用核磁共振成像领域领域，特别是指一种基于多核素磁共振成像定量检测肺癌
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na分布的方法，尤其是超高场强下钠磁共振定量检测肺癌细胞内外
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na分布的方法。


背景技术：

2.恶性肿瘤严重危害人类健康，是医学领域的重大难题。其中肺癌发病率快速上升，目前已经成为我国发病率和死亡率双第一的癌症。核磁共振成像技术因其无创、分辨率高、多参数成像，并可以进行功能及分子成像等特点，成为多种疾病诊断的首选影像学检测方法。但是由于受呼吸运动及心脏和动脉搏动的影响，有关肺癌的磁共振成像研究及临床应用还很少。
3.离子紊乱，尤其钠(
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na)与恶性肿瘤的增殖、侵袭、转移等生物学行为相关。钠离子是生物体内普遍存在的电解质之一，广泛参与机体的生理与病理活动。由钠-钾泵控制的细胞内-外钠浓度梯度对维持细胞结构和功能的完整性起重要作用。肿瘤细胞内钠浓度显著高于正常细胞，肿瘤细胞膜对钠离子的通透性增加，细胞内钠离子浓度比正常细胞增加70％～350％。当肿瘤区域出现大面积坏死或凋亡时，由于细胞外液的填充，坏死区域的钠离子浓度迅速上升至140～150mm。钠离子异常直接会导致肿瘤微环境的特征性改变，进一步导致肿瘤的恶性生物学行为加剧。传统的钠浓度检测无法做到无创、实时、多次重复，因此具有临床应用局限性。
4.磁共振成像技术(mri)是目前医学成像领域中兼具扫描无损伤性和图像高分辨率两大优点的成像技术,是一门在生物医学基础研究和疾病相关应用研究中都具有广阔前景的交叉性技术。与传统的1h磁共振技术提供解剖学信息不同，
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na磁共振可以提供更多功能信息，可在体检测生物组织中钠离子浓度及其分布情况，为判断组织的生存能力、细胞的完整性及其功能提供直接、定量的生物化学信息，同时提供一些与组织代谢相关的重要信息，可用于诊断疾病和评估疾病的预后及治疗效果。
5.虽然钠离子是生物体内具有nmr活性第二强的元素(仅低于1h)，但是，钠离子的nmr敏感度是氢的9.2％，在体密度比氢低2000倍，信噪比要比氢低3000～20000倍。并且存在电四极矩特性，表现为双弛豫特性，且横向弛豫时间(t2)很短，因此，必须应用很短的回波时间(te)值来避免t2信号的丢失。


技术实现要素：

6.本发明提出一种基于多核素磁共振成像定量检测肺癌
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na分布的方法，可不受心脏及呼吸运动影响，在体、无创、定量检测生物组织中钠离子浓度及其分布情况，为判断组织的生存能力、细胞的完整性及其功能提供直接、定量的生物化学信息，同时提供一些与组织代谢相关的重要信息，可用于诊断疾病和评估疾病的预后及治疗效果。
7.本发明的技术方案是这样实现的：基于多核素磁共振成像定量检测肺癌
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na分布
的方法，包括以下步骤：
8.(1)建立组织总钠浓度tsc定量模型，采用超短回波脉冲序列中的单量子滤波ute-sqf序列对tsc定量模型扫描成像，并采集图像中的信号强度，获得组织总钠浓度与图像中信号强度关系的tsc定量曲线；
9.(2)建立细胞内钠浓度isc定量模型，采用超短回波脉冲序列中的三量子滤波ute-tqf序列对isc定量模型扫描成像，并采集图像中的信号强度，获得细胞内钠浓度与图像中信号强度关系的isc定量曲线；
10.(3)建立动物模型，分别采用ute-sqf序列和ute-tqf序列对动物模型进行横断位扫描成像，获得
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na-mr图像，然后利用t2wi序列对
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na-mr图像进行肿瘤定位，勾画感兴趣区；
11.(4)采集步骤(3)中ute-sqf图像的信号强度，并根据步骤(1)中的tsc定量曲线定量组织总钠浓度；采集步骤(3)中ute-tqf图像的信号强度，并根据步骤(2)中的isc定量曲线定量细胞内钠浓度。
12.进一步地，步骤(1)中，tsc定量模型为不同浓度的nacl水溶液。
13.进一步地，步骤(2)中，isc定量模型为加有4％琼脂糖的不同浓度的nacl胶体溶液。
14.进一步地，步骤(3)中，动物模型为人肺癌细胞系皮下荷瘤裸鼠，种瘤部位为右臀。
15.进一步地，步骤(1)和(3)中，ute-sqf的参数设置：tr/te为150/0.219msec，nex为1，excitation angle为90
°
，acquisition time为4min23msec。
16.进一步地，步骤(2)和(3)中，ute-tqf的参数设置：tr/te为150/5msec，nex为12，excitation angle为90
°
，acquisition time为52min44msec，τ＝10ms。
17.进一步地，步骤(3)中，t2wi序列的参数设置：tr/te为5000/62.4msec，nex为2，excitation angle为90
°
，acquisition time为2min40sec。
18.本发明的有益效果：
19.本发明的
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na磁共振技术能够无创、定量提供生物体内钠离子动态平衡及能量状态，从而使直接评估组织活性、代谢及生理病理相关进程成为可能，在疾病诊断和疗效评估方面得到了广泛发展和应用，这些优势是常规mri无法提供的。本发明将传统的影像学检测方式与
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na磁共振的分子影像学结合起来，从“解剖—功能—分子”不同层面解释疾病的发生发展过程，从而更好的做到早发现、早诊断、早治疗。通过对
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na的采集，获得na+浓度及分布，在体解析离子通道状态，模拟和预测肿瘤的生物学行为，并对侵袭、增殖程度等做出评级，明确离子紊乱与肿瘤生物学行为之间动态变化规律。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1：基于多核素磁共振成像定量检测肺癌
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na分布的方法示意图；
22.图2：定量模型钠磁共振成像结果及定量曲线，(a)tsc定量模型，(b)isc定量模型；
23.图3：动物模型成像图；
24.图4：动物模型成像定量分析，(a)tsc随时间的变化曲线；(b)isc随时间的变化曲线。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.如图1所示，一种基于多核素磁共振成像定量检测肺癌细胞
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na分布的方法，其流程如图1所示，包括脉冲序列优化、建立定量模型、建立动物模型及数据分析。
27.表1定量模型及动物模型成像脉冲序列参数
[0028][0029]
脉冲序列优化包括改变脉冲重复时间(tr)、回波时间(te)、重复激励次数(nex)等，获得更高的信噪比、分辨率及更短的成像时间。本实验中优选的成像序列参数如表1所示。为尽量减少t2信号的丢失，在保证图像质量的基础上，本实验的采用的te时间为0.219ms，在同时保证最短采集时间及优化图像质量的前提下，采用的tr值为150ms，ute-sqf的nex为1，ute-tqf的nex为12，ute-tqf的τ＝10ms，τ为准备时间(preparation time)，acquisition time为图像采集时间。
[0030]
定量模型包括tsc定量模型及isc定量模型。
[0031]
基于多核素磁共振成像定量检测肺癌细胞
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na分布的方法，具体步骤如下：
[0032]
(1)所述tsc定量模型为浓度为30mm、50mm、100mm及150mm的nacl水溶液，装入1.5ml ep管中，后整体置入装满去离子水的大ep管中。采用ute-sqf序列对tsc定量模型进行扫描成像，并采集图像中的信号强度，结果如图2(a)所示，tsc定量曲线钠浓度与图像中信号强度的关系为y＝6.2245x-72.864，r2＝0.9964，文中mm为毫摩尔的单位简写。
[0033]
(2)所述isc定量模型为加有4％琼脂糖的浓度为30mm、50mm、100mm及150mm的nacl胶体溶液，装入1.5ml ep管中，后整体置入装满去离子水的大ep管中。采用ute-tqf序列对
isc定量模型进行成像，并采集图像中的信号强度，结果如图2(b)所示，isc定量曲线钠浓度与图像中信号强度的关系为y＝17.601x+42.86，r2＝0.9866。
[0034]
(3)动物模型选用人非小细胞肺癌h1975细胞系皮下荷瘤裸鼠模型，为避免呼吸和心脏运动影响，种瘤部位为裸鼠右臀部。裸鼠于无特定病原体(spf)级饲养房标准化饲养。饲养房温度控制在25℃，湿度控制在45％，手动开关白炽灯以保证裸鼠日夜节律。定期监测荷瘤鼠肿瘤体积变化，待体积合适后进行常规1h磁共振及
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na磁共振扫描。扫描过程采用异氟烷全程气体麻醉，水暖恒温，监测呼吸。
[0035]
动物建模过程中，选取不同的时间点进行磁共振成像，采用表1中的t2wi序列扫描成像进行肿瘤定位，获得感兴趣区域，分别采用表1中的ute-sqf和ute-tqf序列对感兴趣区域扫描成像，如图3所示，由左至右分别是t2wi、ute-sqf及ute-tqf图像，圆圈部分为肿瘤。
[0036]
(4)采集步骤(3)中ute-sqf图像的信号强度，并根据步骤(1)中tsc定量曲线定量组织总钠浓度；采集步骤(3)中ute-tqf图像的信号强度，并根据步骤(2)中的isc定量曲线定量细胞内钠浓度。
[0037]
步骤(1)、(2)和(4)中，图像采集及数据分析均包括图像优化降噪、定量曲线及定量分析，分析软件为matlab。
[0038]
上述图像优化降噪通过matlab代码实现。
[0039]
步骤(1)和(2)中涉及的定量曲线应用对应的定量模型进行
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na磁共振成像，通过图像优化降噪后获得信号强度与浓度之间的线性回归曲线。
[0040]
步骤(4)中的定量分析将原始图像进行优化降噪，根据1h磁共振图像及spm软件进行感兴趣区定位，勾画出肿瘤区、对侧正常肌肉区及背景区，测量信号强度，带入步骤(1)和(2)中涉及的定量曲线进行不同区域定量分析及
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na分布。如图3所示，由左至右分别是t2wi、ute-sqf及ute-tqf，圆圈部分为肿瘤。随着种瘤时间的增加，肿瘤体积增大，采用未种瘤的裸鼠(图4中的muscle)作为对照组，如图4所示,肿瘤内tsc及isc随着肿瘤体积增大而增加，如图3所示，a粗箭头为正常肌肉组织，b细箭头为肿瘤实质区域，c虚箭头为坏死区域,钠离子浓度越高，颜色越深，从图3中可以看出，对于tsc及isc，肿瘤坏死区域＞肿瘤实质区域＞对侧正常肌肉组织。
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na磁共振技术能够无创、定量提供生物体内钠离子动态平衡及能量状态，从而使直接评估组织活性、代谢及生理病理相关进程成为可能，在疾病诊断和疗效评估方面得到了广泛发展和应用，这些优势是常规mri无法提供的。本发明将传统的影像学检测方式与
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na磁共振的分子影像学结合起来，从“解剖—功能—分子”不同层面解释疾病的发生发展过程，从而更好的做到早发现、早诊断、早治疗。通过对
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na的采集，获得na
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浓度及分布，在体解析离子通道状态，模拟和预测肿瘤的生物学行为，并对侵袭、增殖程度等做出评级，明确离子紊乱与肿瘤生物学行为之间动态变化规律。
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以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。