基于自旋锁定技术探测震荡磁场的磁共振成像方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁共振成像领域，涉及基于自旋锁定技术探测震荡磁场的磁共振成像方法及应用，尤其涉及神经元电流磁共振成像的磁共振方法应用。
【背景技术】
[0002]基于血氧水平依赖(Blood-Oxygen-Level-Dependence，BOLD)的功能磁共振成像(funct1nal Magnetic Resonance Imaging, fMRI)方法自 1992 年 Ogawa 等小组在人体上成功后得到了空前的发展。BOLD fMRI现在已经成为认知神经科学中重要的研宄手段。然而，BOLD原理主要基于血液动力学响应基础上的脱氧血红蛋白磁化性质的改变，而在活体中血液动力响应本身是一个非常缓慢的过程(Is量级)，其速度远远低于神经系统的反应速度(10ms量级)，所以BOLD fMRI探测神经活动在时间分辨上具有比较大的缺陷；同时，BOLD fMRI成像的对比度产生于血管而非神经元本身兴奋的位置，在空间上也有一定的偏差。因此，尽管BOLD fMRI能够反映神经系统变化导致的磁共振信号变化，但是其固有的时间分辨和空间分辨上的缺陷限制了人类对神经系统功能的进一步认识。
[0003]神经元电流磁共振成像(neuronal currents MRI，ncMRI)是在磁共振成像上能够弥补BOLD fMRI缺陷的非常具有潜力的技术。用磁共振对神经元电流进行成像的基本原理是，神经系统兴奋时候的电活动会引起局部磁场的微小变化，这个微小变化的磁场会引起周围质子自旋进动频率的改变，从而在兴奋的神经元周围的引起宏观磁化矢量的减小或偏转。
[0004]传统的ncMRI方法主要是用梯度自旋平面回波(Gradient Echo - Echo PlanarImaging, GE-EPI)为主的快成像技术探测回波时间(Echo Time, TE)内基于磁化率对比产生的磁化矢量的减小以及相位的偏转或减小。但是，这样的探测方法一直没有得到一致的阳性结果。其主要原因除了神经元放电引起的磁场对比与BOLD磁场变化更小外，还有:1)成像时间内BOLD信号的干扰；2)成像的TE内神经元放电极性的改变带来时间上的信号相互抵消；3)神经元的空间排布上造成不同的神经元集体放电相互抵消。而前两个原因是GE-EPI技术本身无法克服的。
[0005]因此，需要一种新的探测神经元电流磁场的方法来提高探测的灵敏度，主要在排除BOLD信号干扰和减小信号在时间上的抵消上针对传统的ncMRI方法有所突破。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术的问题，本发明提供了一种基于自旋锁定技术探测震荡磁场的磁共振成像方法及应用，将在自旋锁定(Spin-lock，SL)期间产生的正弦式振荡微小磁场作为激发脉冲，引起磁化矢量在旋转坐标系横平面上发生偏转，从而产生对比信号。由此原理，我们将本项技术命名为自旋锁定下震荡激发(Spin-Locked OscillatoryExcitat1n, SLOE)。该微小震荡磁场的大小可以接近于神经元放电产生的磁场量级(大约10,特斯拉)，因此本方法尤其适用于探测神经元活动产生的微小震荡磁场。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0008]基于自旋锁定技术探测震荡磁场的磁共振成像方法，基于自旋锁定下的震荡激发序列实现，所述自旋锁定下的震荡激发序列包括自旋锁定准备脉冲序列和平面回波采集脉冲序列，所述自旋锁定准备脉冲序列包括两个90°硬脉冲、一个180°硬脉冲和两个自旋锁定硬脉冲，该方法具体包括以下步骤:
[0009](I)在旋转坐标系中，用一个90°硬脉冲将全空间的磁化矢量激发到横平面，随后沿着磁化矢量方向施加一个自旋锁定硬脉冲，保持在旋转坐标系中静止。
[0010](2)在自旋锁定时间的一半处施加一个180°硬脉冲，紧接着施加另外一半自旋锁定时间长度的、沿相反相位方向的、相同幅度的自旋锁定硬脉冲，自旋锁定后沿磁化矢量方向施加一个90°硬脉冲将磁化矢量翻转到纵轴主磁场方向。
[0011](3)自旋锁定准备脉冲完成后，不施加任何其他激发脉冲，直接通过平面回波序列采集磁共振信号。
[0012]优选地，所述90°硬脉冲、180°硬脉冲和自旋锁定硬脉冲都使用矩形硬脉冲，其中两个90°硬脉冲和一个180°硬脉冲保证作用时间尽量地短；两个自旋锁定硬脉冲(Ba)的作用时间各自为自旋锁定时间(Spin-Lock Time, TSL)的一半。
[0013]进一步地，自旋锁定硬脉冲的幅度由公式Ba= f/γ确定，其中f为预期锁定的震荡磁场的频率，单位为Hz ； γ为氢核的旋磁比常数。
[0014]进一步地，为了获得最佳的对比度，最优化TSL的选择依赖于成像物体在旋转坐标系中的弛豫常数，该弛豫常数可以由计算机数值模拟得到。
[0015]优选地，平面回波采集序列使用自旋回波平面回波(Spin Echo - Echo PlanarImaging，SE-EPI)采集序列，通过SE-EPI的180°翻转脉冲进行选层操作，采用一个“三明治”形式的选层梯度将非选定层面的信号全部散相，从而得到感兴趣层面的信号，进而重建出感兴趣层面图像。
[0016]优选地，本发明采用区块设计(Block Design)模式实现磁共振成像，通过检验待测量物体在通电流的区块(block)与不通电流的block之间信号时间序列上的变化实现。
[0017]进一步地，如果能精准地控制每次扫描的自旋锁定开始时正弦振荡的初始相位且电流只在TSL期间处于打开状态，通电状态相对于不通电的控制状态信号幅度会增强，通过检验统计方法检验信号增强的激活区域。
[0018]进一步地，对于每次扫描震荡电流的相位无法准确控制的且通电block下电流处于一直打开的情况，则根据震荡电流的频率选择与锁定的震荡磁场周期错开的重复时间(repetit1n time, TR)，检验统计磁共振信号由于每次扫描的震荡电流相位的不同而产生的信号时间序列上的波动性。
[0019]进一步地，对于上述情况本发明采用以下统计方法检验信号时间序列上的波动性:将原始数据每一个体素的时间序列去线性漂移(或高通滤波)后，求得每一个block时间段信号的平均值，然后将每一个时间点上的信号减去均值后取绝对值，然后将两种状态的时间点信号各自归类，对两种状态上述步骤相减后的绝对值信号做双样本t检验得到显著激活的体素。
[0020]本发明还提供了上述方法在探测神经元放电磁场中的应用。
[0021]本发明的有益效果如下:
[0022]本发明提供了一种基于自旋锁定技术产生震荡磁场的新序列，命名为SLOE。通过一种优化的自选锁定方法降低主磁场非均匀性和射频场激发不均匀带来的图像质量恶化，通过自旋锁定期间震荡磁场的直接激发信号获得因电流磁场引起的对比信号。在SLOE序列中，通过改变锁定场(BsJ的大小，能够针对振荡磁场的频率进行相应的选频操作。
[0023]同时，对于活体神经元震荡放电的情况，提出一套针对实际采集数据下的统计分析方法，采用检验信号在时序上波动性增强的检验策略，解决了传统ncMRI方法探测神经元电流信号时间上信号正负抵消和BOLD效应干扰等问题，大大提高了探测微小磁场引起的信号变化的灵敏度。该方法在模体的实验上被证明取得了显著探测到0.1纳特斯拉(0.1nT)量级震荡磁场的灵敏度，已经达到了前人研宄中理论估计的脑部活动神经元放电磁场在MRI探测的体素单元的强度范围(0.1nT?InT)。因此，该方法有希望在活体上成功探测到震荡的神经元电流产生的磁场，从而推进神经元电流磁共振成像这一新的功能磁共振成像技术领域的革命。
【附图说明】
[0024]图1为本发明的SLOE磁共振序列时序示意图；
[0025]图2为在磁共振仪器上验证本发明灵敏度的模体系统搭建示意图，其中一信号源，2一触发彳目号，3一不波器，4一屏蔽板，5一低通滤波器，6一铜漆包线，7一NiCl2溶液，8一5OmL离心管；
[0026]图3为根据发明在模体上得到一个典型体素中的信号强度变化的时序图，分别有两个通电流和两个不通电流的区块；
[0027]图4为根据发明在模体上得到一个典型体素中的信号强度因电流引起波动变大的时序图，分别有两个通电流和两个不通电流的区块；
[0028]图5为根据发明在模体上得到的本发明灵敏度的结果图。
【具体实施方式】
[0029]在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便于本领域技术人员对本发明更为彻底的理解。应该明白的是，本文公开的仅是具有代表性的一种较佳实施例。显然，本发明并不局限于本文所描述的任何具体结构、功能、器件和方法，也可以具有其他实施方式，或者是其他实施方式的组合。本发明中所描述的元素数目也可以设想为多个，除非明确限制为单数。此外，为避免其他例与本发明发生混淆，对于本领域中众所周知的一些技术特征和细节未进行描述。
[0030]图1为本发明的SLOE序列的示意图。如图1所示，SLOE序列由自旋锁定准备脉冲序列和平面回波采集脉冲序列组成，自旋锁定准备脉冲序列又由五个硬脉冲组成。在旋转坐标系中，假设一个初始90°硬脉冲施加在+X’轴方向将磁化矢量翻转到+y’轴上，随后紧接着施加一个沿+y’轴自旋锁定硬脉冲，并保持在旋转坐标系中静止，在TSL/2的时刻施加一个沿+y’轴方向时间尽量短的180°硬脉冲，紧接着跟随另外一半TSL时间长度的、沿-y’轴方向的相同幅度的硬脉冲，自旋锁定后沿+X’轴方向施加一个90°硬脉冲将磁化矢量翻转回+z’轴。整个自旋锁定准备阶段完成后，不施加任何其他激发脉冲，直接对信号进行自旋平面回波序