一种用于测量细胞内外钠元素扩散的磁共振成像方法

本发明属于磁共振成像，具体涉及一种用于测量细胞内外钠元素扩散的磁共振成像方法，适用于基于钠元素磁共振技术的细胞内与细胞外钠元素分离，并分别获得细胞内与细胞外钠元素的扩散系数。

背景技术：

1、磁共振成像(magnetic resonance imaging,mri)通过对人体内水分子中的1h进行成像，能无侵入、无辐射地对人体绝大部分的组织器官进行结构与功能成像。然而，除了1h以外，人体内还有其他多种原子核可以通过磁共振技术检测到。其中，23na是在人体内除1h以外的磁共振可探测含量最高的内源性原子核，是维持生物内环境稳态、细胞功能代谢稳定不可或缺的元素，在细胞的渗透调节和生理活动中起着至关重要的作用。

2、23na在脑部广泛分布在细胞膜内外，参与神经信号的传导和神经元的正常功能。细胞内与细胞外的钠元素浓度差异大，当脑组织功能出现异常，细胞膜的通透性发生变化，引发细胞内外的钠离子浓度失调，可能引起局部钠元素扩散信息的改变。测量活体内的23na扩散十分困难，主要有三方面挑战：1)23na相较于1h的旋磁比更低，需要更强的扩散编码梯度；2)脑部23na的含量远低于1h，磁共振信号低；3)23na的横向弛豫时间常数t2短，进一步加大了23na信号采集的难度。van der veen等人通过扩散加权自旋回波的方式采集了血红细胞样品中的钠元素扩散[magnetic resonance in medicine,1993,29(4):571-574.]，但该方法回波时间te长，不适用于活体内的na信号采集；jonathan v.sehy等人通过给爪蟾卵细胞注射位移试剂来让细胞内外的钠元素化学位移发生差异，进而得到细胞内钠元素的表观扩散系数[magnetic resonance in medicine,2002,48(1):42-51.]，但这种方法具有侵入性；james a.goodman等人通过绝热选择性重聚定位脉冲序列测量了大鼠脑部的整体钠元素的表观扩散系数，但并未对细胞内与细胞外的钠元素进行区分[magnetic resonance inmedicine,2005,53(5):1040-1045.]。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种用于测量细胞内外钠元素扩散的磁共振成像方法。

2、本发明的上述目的通过以下技术手段来实现：

3、一种用于测量细胞内外钠元素扩散的磁共振成像方法，包括以下步骤：

4、步骤1、利用ir-dw-stro序列采集受试者的脑部细胞内23na图像imgic，ir-dw-stro序列包括ir序列、dw-steam序列、以及radial osc ute采样序列；

5、步骤2、利用ir-dw-stro序列采集受试者的脑部整体23na图像imgt，再根据脑部细胞内23na图像imgic以及脑部整体23na图像imgt计算获得脑部细胞内与脑部细胞外23na含量比值图rmap；

6、步骤3、利用ir-dw-stro序列采集受试者的脑部细胞内23na扩散加权图像imgic-b，再根据脑部细胞内23na图像imgic和脑部细胞内23na扩散加权图像imgic-b计算获得脑部细胞内23na的表观扩散系数分布图adcic；

7、步骤4、利用ir-dw-stro序列采集受试者的脑部整体23na扩散加权图像imgt-b，再根据脑部细胞内与脑部细胞外23na含量比值图rmap、脑部整体23na图像imgt、以及脑部细胞内23na的表观扩散系数分布图像adcic拟合得到脑部细胞外23na的表观扩散系数分布图adcec以及扩散双极梯度g1与扩散双极梯度g2的强度为0的情况下脑部细胞外23na的信号强度sec。

8、如上所述步骤1包括以下步骤：

9、步骤1.1、受试者平躺于磁共振检查床上，佩戴23na成像线圈；

10、步骤1.2、首先对受试者施加ir序列，ir序列包括射频脉冲rf0和反转恢复时间ti，射频脉冲rf0为180度射频脉冲，射频脉冲rf0对脑部整体的23na进行激发，在射频脉冲rf0进行激发之后，等待反转恢复时间ti，在反转恢复时间ti结束后使脑部细胞内23na的纵向磁化矢量恢复，而脑部细胞外23na的纵向磁化矢量被抑制；

11、步骤1.3、对受试者施加dw-steam序列，dw-steam序列包括射频脉冲rf1、射频脉冲rf2、以及射频脉冲rf3，射频脉冲rf1、射频脉冲rf2、以及射频脉冲rf3均为90度射频脉冲，射频脉冲rf1和射频脉冲rf3均采用最小相位slr脉冲，扩散双极梯度g1与扩散双极梯度g2的强度设置为0；

12、步骤1.4、对受试者施加radial osc ute采样序列，获得k空间的一根采样辐条的数据；

13、radial osc ute采样序列中的读出梯度gex与读出梯度gey通过以下方式计算：

14、首先读出梯度gex与读出梯度gey的梯度合矢量按照最大梯度爬升率达到平台期强度g0；

15、再对读出梯度gex与读出梯度gey施加正/余弦调制，得到施加正/余弦调制后的读出梯度gex与读出梯度gey分别基于以下公式计算：

16、

17、

18、式中，g是t0时刻后读出梯度gex和读出梯度gey的基础波形，θ是radial osc ute序列中相邻的两个采样辐条之间的夹角；i＝0，1，2，···，n-1，其中n是总采样辐条数；r是加速因子；tosc是读出梯度震荡周期；tg是读出梯度gex或读出梯度gey开启到关闭的总时间，t0是读出梯度以最大梯度爬升率从0达到g0强度所需的时间，t是从t0时刻开始计算的时间；

19、步骤1.5、重复步骤1.2至步骤1.4共n次，i的初始值为0，每次重复i增加，直至第n次重复时增加至n-1，完成k空间数据填充，再对k空间数据进行非均匀逆傅里叶变换后获得脑部细胞内23na图像imgic。

20、如上所述步骤2包括以下步骤：

21、步骤2.1、重复步骤1.3至步骤1.4共n次，i的初始值为0，每次重复i增加，直至第n次重复时增加至n-1，完成k空间数据填充，再对k空间数据进行非均匀逆傅里叶变换后获得的是脑部整体23na图像imgt；

22、步骤2.2、根据以下公式将步骤1.5中获得的脑部细胞内23na图像imgic逐像素点地除以步骤2.1中获得的脑部整体23na图像imgt，获得脑部细胞内23na含量分布图cic：

23、cic＝imgic/imgt

24、再根据以下公式获得脑部细胞外23na含量分布图cec：

25、cec＝1-cic

26、最后根据以下公式计算的到脑部细胞内与脑部细胞外23na含量比值图rmap：

27、

28、如上所述步骤3包括以下步骤：

29、步骤3.1、首先对受试者施加ir序列，使脑部细胞外23na的纵向磁化矢量被抑制；

30、步骤3.2、设定ir-dw-stro序列的扩散敏感因子b，对受试者施加dw-steam序列，扩散双极梯度g1与扩散双极梯度g2的强度均基于以下公式计算：

31、

32、式中，γ是23na的旋磁比，δ和δ分别是ir-dw-stro序列的扩散梯度延迟时间和扩散时间；

33、步骤3.3、对受试者施加radial osc ute采样序列，获得k空间的一根采样辐条的数据；

34、步骤3.4、重复步骤3.1至步骤3.3共n次，i的初始值为0，每次重复i增加，直至第n次重复时增加至n-1，直至完成k空间数据填充，再对k空间数据进行非均匀逆傅里叶变换后获得扩散敏感因子为b的脑部细胞内23na扩散加权图像imgic-b；

35、步骤3.5、根据步骤1.5获得的脑部细胞内23na图像imgic与步骤3.4获得的脑部细胞内23na扩散加权图像imgic-b，通过以下公式计算脑部细胞内23na的表观扩散系数分布图像adcic：

36、

37、式中，ln为自然对数函数。

38、如上所述步骤4包括以下步骤：

39、步骤4.1、重复步骤3.2至步骤3.3共n次，i的初始值为0，每次重复i增加，直至第n次重复时增加至n-1，完成k空间数据填充，再对k空间数据进行非均匀逆傅里叶变换后获得的是扩散敏感因子为b的脑部整体23na扩散加权图像imgt-b；

40、步骤4.2、结合步骤2.2获得的脑部细胞内与脑部细胞外23na含量比值图rmap、步骤2.1获得的脑部整体23na图像imgt、以及步骤3.5获得的脑部细胞内23na的表观扩散系数分布图像adcic，通过以下公式拟合出脑部细胞外23na的表观扩散系数分布图adcec以及扩散双极梯度g1与g2的强度为0的情况下脑部细胞外23na的信号强度sec：

41、

42、本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

43、(1)、本发明通过采用最小相位slr脉冲，缩短了ir-dw-stro脉冲序列的回波时间te时间，增强了图像信噪比，能够在减少23na横向弛豫信号损失的情况下，实现对23na长时间扩散的测量。

44、(2)、本发明通过ir序列有效地对细胞内23na与整体23na信号进行选择性采集，并根据这两者可进一步获得细胞外23na的磁共振信号强度。

45、(3)、本发明的radial osc ute采样序列，提高了图像重建信噪比并提升k空间填充效率。