阅读说明：本技术 一种基于磁共振指纹成像的快速定量T1ρ的方法 (Method for quickly quantifying T1rho based on magnetic resonance fingerprint imaging ) 是由 王前锋 王鹤 戴飞 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明属于磁共振成像技术领域,具体为基于磁共振指纹成像的快速定量T1ρ的方法。本发明方法包括在传统MRF序列前增加spin-lock准备脉冲,通过合理建模,将信号的T1ρ演化与信号的T1、T2演化融合一起,使每个时间点采集的信号都包含T1、T2和T1ρ的成分。设计伪随机变化的序列参数TSL、FA、TR和TE,通过Bloch方程中磁化矢量的演化,建立不同弛豫时间值组合的字典,将实际采集到的图像序列与字典匹配,从而定量出T1ρ、T1和T2值。本发明定量T1ρ的方法与传统指数拟合的方法相比,可以大幅的缩短扫描时间,预期在T1ρ成像中具有较大的应用价值。(The invention belongs to the technical field of magnetic resonance imaging, and particularly relates to a method for quickly quantifying T1rho based on magnetic resonance fingerprint imaging. The method comprises the steps of adding spin-lock preparation pulses before a traditional MRF sequence, and fusing the T1rho evolution of the signals with the T1 and T2 evolution of the signals through reasonable modeling, so that the signals acquired at each time point all contain components of T1, T2 and T1 rho. Designing sequence parameters TSL, FA, TR and TE which change pseudo-randomly, establishing dictionaries of different relaxation time value combinations through evolution of magnetization vectors in a Bloch equation, and matching actually acquired image sequences with the dictionaries so as to quantify T1rho, T1 and T2 values. Compared with the traditional exponential fitting method, the method for quantifying the T1rho can greatly shorten the scanning time, and is expected to have greater application value in T1rho imaging.)

一种基于磁共振指纹成像的快速定量T1ρ的方法

技术领域

本发明属于磁共振成像技术领域，具体涉及基于磁共振指纹成像的快速定量T1ρ的方法。

背景技术

磁共振成像 (magnetic resonance imaging, MRI)是一种无创的，具有高空间分辨率、高组织对比度、可任意方向成像的医学影像技术。磁共振成像具有丰富的组织对比度，是临床上重要的诊断工具，被广泛应用于临床诊断、神经科学和精神类疾病等领域。

磁共振指纹成像（magnetic resonance fingerprinting,MRF）最初由Ma等提出(Ma D, Gulani V, Seiberlich N, et al. Magnetic resonance fingerprinting.Nature. 2013;495(7440):187-192)，MRF采用伪随机变化的序列参数进行数据采集,通过布洛赫（Bloch）方程仿真信号演化建立字典，该字典包含大量不同参数（如T1，T2）组合，将采集到的实际磁共振信号用模式识别的技术与字典进行匹配，寻找出最佳的匹配曲线,从而定量出组织的T1、T2值（T1指纵向弛豫时间，T2指横向弛豫时间）。除了可以快速准确定量T1，T2外，MRF还可以应用于水脂分离和波谱中肌酸激酶反应率的定量，以及扩散系数ADC的快速定量，MRF已成为磁共振快速定量技术研发的热门领域。

T1ρ（或T1rho）是指旋转坐标系中的自旋-晶格弛豫时间(spin-latticerelaxation time in the rotating frame), 反映的是大分子的低频运动信息。T1ρ成像中，自旋锁定频率（spin-lock frequency,FSL）一般在几百赫兹到几千赫兹，因此T1ρ对大分子的低频运动很敏感，T1ρ可以反映大分子缓慢运动过程中大分子与氢质子间相互作用的信息。T1ρ的应用主要有T1ρ加权成像，T1ρ mapping和T1ρ分布（T1ρ dispersion）。T1ρ加权成像（或T1ρ mapping）具有不同于传统T1、T2加权成像的软组织对比，被广泛应用于肝脏纤维化分期、关节软骨退变及阿尔兹海默症等疾病的研究。

目前T1ρ的计算一般是通过扫描不同自旋锁定脉冲的时间（spin-lock time,TSL），通过函数：

拟合的方法得到，式中S₀是TSL为0时的信号强度，C为常数。指数拟合的方法比较耗时，容易受到运动伪影等的影响，不利于T1ρ成像方法在临床等领域的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决T1ρ成像时间长的问题，提供一种基于磁共振指纹成像的快速定量T1ρ的方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

通过合理建模，将信号的T1ρ演化与信号的T1、T2演化融合一起，使每个时间点采集的信号都包含T1、T2和T1ρ的成分。设计伪随机变化的序列参数（自旋锁定时间TSL、翻转角FA、重复时间TR和回波时间TE），通过Bloch方程中磁化矢量的演化，建立不同弛豫时间值组合的字典，将实际采集到的图像序列与字典匹配，从而定量出T1ρ、T1和T2值。具体步骤为：

（1）spin-lock准备部分：在传统磁共振指纹成像序列前增加spin-lock准备脉冲；

（2）spin-lock准备部分结束后使用梯度散相残余磁化矢量；

（3）数据采集：使用基于平面回波（EPI）采集方式采集图像数据；也可以是施加180度重聚脉冲后EPI采集方式采集图像数据；也可以是基于磁共振指纹成像技术的采集方式采集图像数据，包括翻转恢复FISP序列、快速自旋回波序列（FSE或RARE）、平衡式稳态自由进动序列（bSSFP）以及螺旋轨迹（Spiral）等采集方式采集图像数据；

（4）伪随机设计序列参数，每次重复是TSL、FA、TR和TE的不同组合，信号按照如下公式演化：

最后将采集的图像序列与字典匹配识别，同时定量出T1ρ、T1和T2。式中S₀是TSL为0时的信号强度。

步骤（1）中，spin-lock准备部分，可以是沿着单方向的硬脉冲，为了减少射频场（B1）的不均匀性带来的误差和伪影，可以是由两个方向不同的硬脉冲组合，为了减少静磁场（B0）不均匀性的影响，也可以在两个或者多个自旋锁定脉冲之间增加非选择性180度重聚脉冲。

步骤（2）中，所述使用梯度散相残余磁化矢量，即当spin-lock准备部分结束后在X,Y和Z轴（也可以是某一个或两个轴）施加梯度，以散相XY平面内的残余磁化矢量对后续成像的影响。

步骤（3）中，数据采集使用的是单次激发平面回波序列（EPI），为了减少场不均匀的影响，施加180度重聚脉冲后EPI采集，基于磁共振指纹成像技术的采集方式还可以包括翻转恢复FISP序列、快速自旋回波序列（FSE或RARE）、平衡式稳态自由进动序列（bSSFP）以及螺旋轨迹采集方式（Spiral）等，其中以Spiral采集速度快等优点最为常用。

步骤（4）中，所述伪随机设计序列参数，除传统磁共振指纹成像序列每次重复伪随机改变序列参数（FA、TR和TE）外，融合T1ρ信号演化，伪随机设计TSL参数，使得每次采集的信号都是不同TSL、FA、TR和TE的组合。

考虑到传统磁共振指纹成像方法可以只改变FA、TR和TE中的部分，因此本发明也可以适当将FA、TR和TE中的部分参数固定，伪随机设计参数的个数可以视信号的信噪比和与字典匹配效果来定。

除传统磁共振指纹成像序列每次重复伪随机改变序列参数（FA、TR和TE）外，融合T1ρ信号演化，伪随机设计TSL参数，使得每次采集的信号都是不同TSL、FA、TR和TE的组合。

步骤（4）中，所述图像序列与字典匹配，使用最小二乘法进行匹配；也可以通过比较实际采集图像序列与字典之间的相关性进行匹配；还可以使用点积法进行匹配。

本发明定量T1ρ的方法与传统指数拟合的方法相比，可以大幅的缩短扫描时间，而且本发明快速的定量T1ρ值的同时，能够定量T1和T2值。因此，本发明在T1ρ成像中具有较大的应用价值。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明的序列时序图。

图3是使用传统饱和恢复法定量出的T1 map， CPMG序列定量出的T2 map，和于RARE采集的T1ρ成像通过指数拟合定量出的T1ρ map。

图4是使用本发明定量出的T1、T2和T1ρ map。

具体实施方式

使用本发明方法对7个T1、T2和T1ρ不同的水模快速定量为例，来说明本发明的具体实施方式。

序列设计：本发明的序列实现是在布鲁克11.7T磁共振系统上实现，软件版本为ParaVision 6.01,接收线圈采用4通道收发一体圆筒线圈。序列每一次激发采用不同的TSL、FA、TR和TE，其中TSL从0ms到50ms,FA从5度到80度，TE从11ms到21ms,TR以Perlin噪声模式变化，范围从25ms到200ms。

传统指纹成像方法一般激发次数设置为1000次时可以获得相对准确的值，本发明也采用1000次的激发次数，对7个水模进行扫描。

使用基于RARE采集的传统T1ρ成像序列对7个水模进行T1ρ map的测量，序列使用11个不同的TSL值进行拟合。

使用饱和恢复法对7个水模进行T1 map的测量，序列使用12个不同的TR值进行拟合。

使用CPMG序列对7个水模进行T2 map的测量，采集20个不同的回波时间信号进行拟合。

根据伪随机设计的序列参数TSL、FA、TR和TE，以及布洛赫方程进行字典建立，本发明中字典建立和字典匹配均使用MathWork公司的MATLAB（2018a）软件上实现。

将上述使用本发明的方法采集到的1000幅不同时间点的图像序列与建立的字典进行匹配，匹配的方法使用最小二乘法，定量出7个水模的T1、T2和T1ρ map。

使用SPSS软件（版本16.0）计算组内相关系数（intraclass correlationcoefficient,ICC）（选择Two-way mixed模型）评价本技术的结果与传统拟合方法的结果的一致性。两种方法测量得到的ICC分别为：T1值ICC=0.842 （p=0.004），T2值ICC=0.834 （p=0.005），T1ρ值ICC=0.919 （p=0.001），表明本发明得到的结果与传统拟合方法得到的结果具有很好的一致性。本发明用很短的数据采集时间就可以同时定量出T1、T2和T1ρ值，大大减少了扫描时间，这对T1ρ成像的广泛应用具有很好的促进作用。