體素內(nèi)不相干運動成像人體組織多成分灌注建模研究.pdf

1、從生理學(xué)角度，灌注是指組織或器官內(nèi)的血液循環(huán)，具體而言，是指血液在微血管網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的流動。據(jù)統(tǒng)計，人體絕大多數(shù)的疾病都是由組織灌注異常直接或間接導(dǎo)致的。然而，目前在臨床上應(yīng)用最為廣泛的幾類組織灌注成像技術(shù)，嚴(yán)格意義上講，均屬于有創(chuàng)檢測手段，而且部分成像技術(shù)還需要放射性物質(zhì)介入。這使得體質(zhì)較為虛弱的患者無法承受該類成像技術(shù)的檢測，由此錯過了最佳治療期。為解決這一問題，Le Bihan等科學(xué)家提出了體素內(nèi)不相干運動(Intravoxel Inc

2、oherent Motion,IVIM)成像技術(shù)。該技術(shù)無需向人體內(nèi)注射顯像劑或?qū)Ρ葎?，屬于真正意義上的無創(chuàng)檢測手段，并且IVIM成像技術(shù)的圖像分辨率高、成像過程無放射性物質(zhì)介入。但是經(jīng)典IVIM成像技術(shù)無法測量多成分組織灌注。這嚴(yán)重阻礙了IVIM成像技術(shù)的臨床推廣。
　　本課題基于IVIM成像技術(shù)測量多成分組織灌注這一主題，以實現(xiàn)組織灌注精確測量為出發(fā)點，建立能夠準(zhǔn)確描述多成分組織灌注特征和復(fù)雜微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)灌注特征的新IVIM模型

3、。多成分組織灌注的模型描述是精確測量組織灌注的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性直接影響IVIM成像技術(shù)檢測結(jié)果的可信度。由于描述多成分灌注不可避免地需要建立更加復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，所以將新模型中未知參數(shù)的數(shù)量控制在合理的范圍內(nèi)，對基于新模型的IVIM成像技術(shù)能否應(yīng)用于臨床至關(guān)重要。此外，對復(fù)雜微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)灌注的模型描述也是提高IVIM成像技術(shù)測量結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。復(fù)雜微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)灌注，在廣義上講，也屬于多成分組織灌注。然而，其獨特之處在于部分血管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為特

4、殊。因此，如何恰當(dāng)描述不同結(jié)構(gòu)的微血管網(wǎng)絡(luò)是建立復(fù)雜微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)灌注數(shù)學(xué)模型的難點。本課題針對現(xiàn)有模型在描述多成分組織灌注和復(fù)雜微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)灌注中存在的不足展開研究，并提出相應(yīng)的解決方案。
　　本文主要研究工作如下：
　　(1)研究組織的多成分灌注究竟會對雙指數(shù)IVIM模型的參數(shù)估計產(chǎn)生怎樣的影響以及影響的程度。數(shù)值仿真實驗的結(jié)果顯示，灌注成分的數(shù)量越多或者灌注成分之間的差異越大，IVIM參數(shù)的方差越大?；谡鎸嵢梭w腹腔器官DW

5、(Diffusion-Weighted)數(shù)據(jù)的實驗結(jié)果顯示，多成分灌注特征最明顯的肝臟，其IVIM參數(shù)的方差最大。此外，偽擴散系數(shù)受多成分灌注的影響最顯著。
　　(2)針對雙指數(shù)IVIM模型無法描述多成分組織灌注特征的問題，提出一種用于描述組織多成分灌注特征的自適應(yīng)多指數(shù)IVIM模型。該模型利用組織中灌注能力較強的成分對高b值擴散加權(quán)(Diffusion-Weighted，DW)衰減信號貢獻幾乎為零的特點，在不斷增加IVIM模型中

6、指數(shù)表達式數(shù)量的同時，不斷向低b值側(cè)拓展擬合的b值范圍，并最終確定模型中指數(shù)表達式的數(shù)量。定性和定量實驗評估的結(jié)果顯示自適應(yīng)多指數(shù)IVIM模型能夠在一定程度上反映組織的多成分灌注特征，并且能夠更加準(zhǔn)確地描述多成分組織灌注產(chǎn)生的DW衰減信號。
　　(3)針對自適應(yīng)多指數(shù)IVIM模型對b值采樣及對DW信號信噪比依賴程度較高的問題，提出一種泛化IVIM模型。該模型利用一個連續(xù)的偽擴散變量代替多指數(shù)IVIM模型中一系列離散的偽擴散系數(shù)，并

7、基于該連續(xù)的偽擴散變量構(gòu)建了一個連續(xù)的灌注容積分?jǐn)?shù)密度函數(shù)。該函數(shù)可以取代多指數(shù)模型中一系列離散的指數(shù)表達式，實現(xiàn)對組織多成分灌注特征的描述。通過對灌注容積分?jǐn)?shù)密度函數(shù)的實例化，可以構(gòu)建肝臟的泛化IVIM模型?；诹餮a償技術(shù)的實驗結(jié)果顯示，肝臟的泛化IVIM模型不僅能夠反映真實肝組織灌注多樣性的變化，而且能夠更加準(zhǔn)確地描述肝組織DW信號的衰減趨勢。此外，肝臟泛化IVIM模型降低了對b值采樣和對DW信號信噪比的依賴。
　　(4)針對

8、現(xiàn)有模型無法準(zhǔn)確描述心肌組織復(fù)雜微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)灌注的問題，提出一種體素內(nèi)偏相干與不相干運動(IntravoxelPartially Coherentand Incoherent Motion,IVPCIM)模型。該模型將雙指數(shù)IVIM模型與IVPCM(Intravoxel Partially Coherent Motion)模型相結(jié)合，描述了心肌組織中各向同性分布的小動脈和小靜脈以及各向異性分布的毛細(xì)血管對DW信號衰減的貢獻?；谔摂M心肌微