[发明专利]一种获得全新的扩散磁共振成像对比度的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种获得全新的扩散磁共振成像对比度的方法及其应用。本发明从分数化运动模型的路径积分公式出发，在不做任何假设和近似的前提下得到了扩散磁共振的信号解析表达式。解决了经典扩散磁共振理论不能很好描述生物体中扩散磁共振信号的问题，填补了这方面的理论空白。并且提出了利用该理论获得全新的扩散磁共振图像对比度的方法。通过数据分析，能够得到与水分子运动相关的扩散参数，这些参数的图像可以提供区别于传统结构像的图像对比度。本发明适用于疾病诊断相关的各个领域。

技术领域

本发明涉及磁共振成像领域，尤其涉及基于分数化运动模型获得全新的扩散磁共振成像对比度的方法及其应用。

背景技术

扩散磁共振成像(diffusion Magnetic Resonance Imaging,diffusion MRI)是磁共振成像的一种特殊形式。它是目前唯一的能够在体(invivo)并且无创地(non-invasively)探测生物体中水分子扩散特性的方法。自从诞生以来，它就在各个研究领域有着广泛的运用，比如石油勘探，多孔介质孔径测量等。此外在临床方面，扩散磁共振成像可以揭示同肿瘤、中风、多发性硬化症、精神分裂症等相关疾病的大脑或者身体各部分组织的变化。为了描述生物组织中水分子扩散的方向依赖性，研究人员们提出了扩散张量成像(Diffusion Tensor Imaging,DTI)。DTI技术是当今唯一无创伤的白质神经纤维束活体成像方法，被用来描述大脑的结构网络。

常规的扩散磁共振理论主要基于描述水分子扩散的经典布朗运动模型。以布朗运动模型为基础，能够得到的扩散磁共振信号满足所谓的单指数衰减。然而，研究人员们发现在生物体细胞中，扩散磁共振的信号衰减偏离经典的单指数衰减模型。这说明水分子的扩散行为并不遵从经典的布朗运动模型，这种偏离布朗运动模型的扩散现象被称之为反常扩散(anomalous diffusion)。因此，传统的扩散磁共振理论并不适用于诸如活体细胞这样的复杂扩散环境。描述反常扩散现象的理论模型多种多样，得益于单分子追踪技术的发展，近期，研究人员们发现活体细胞中水分子的扩散行为可以用分数化运动模型(fractionalmotion)来描述。然而，基于分数化运动模型的扩散磁共振理论目前并不存在。

因此，一种全新的，基于分数化运动模型的扩散磁共振理论(FM based diffusionmagnetic resonance imaging)来描述生物体中的扩散磁共振信号成为当务之急。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种获得全新的扩散磁共振成像对比度的方法及其应用。需要强调的是，本发明适用于所有扩散的介质而不仅局限于生物体，只要粒子运动服从分数化运动模型，其扩散磁共振信号就能用本发明来描述。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种获得全新的扩散磁共振成像对比度的方法，包括以下步骤：

1)根据分数化运动模型的一维轨迹的黎曼-刘维尔(Riemann–Liouville)积分和基于相位的扩散磁共振的信号计算公式计算得到基于分数化模型的扩散磁共振信号的通解。

2)针对具体所采用的扩散磁共振扫描序列的梯度和射频脉冲的时序分布，根据步骤1)得到的扩散磁共振信号的通解计算出具体的扩散磁共振信号衰减公式。

3)采集扩散加权像(Diffusion Weighted Imaging,DWI)图像，所述DWI图像的扩散梯度的幅度和间隔时间均为变量。

4)利用步骤2)中得到的扩散磁共振信号衰减公式来拟合步骤3)采集的DWI图像中每个体素的信号衰减，得到粒子扩散相关参数图。

5)对于不同的扩散方向进行步骤3)和4)，可以得到粒子扩散相关参数对于方向的依赖性，最终获得全新的扩散磁共振成像对比度。