心臟電影磁共振成像方法及應(yīng)用研究.pdf

1、在眾多的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中，磁共振成像憑借其具有的高軟組織對(duì)比度以及多參數(shù)、無(wú)死角等特點(diǎn)，在臨床疾病篩查診斷中顯現(xiàn)出異常廣闊的應(yīng)用前景。心臟電影磁共振成像不僅能夠顯示心臟的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)功能，而且有助于醫(yī)師對(duì)患者的心肌活性等做出綜合的判斷，已經(jīng)成為臨床心血管疾病檢查和評(píng)估的重要手段。然而，目前心臟磁共振成像技術(shù)還存在一些不足之處，如成像速度較慢、同時(shí)獲得高時(shí)空分辨率的心臟電影圖像存在較大困難等。
　　當(dāng)前臨床使用的常規(guī)心臟電影成像技術(shù)主要

2、依賴于二維的平衡穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)(balanced Steady State Free Precession，bSSFP)序列掃描，且掃描過程中需要配合心電門控(electrocardiography，ECG)和患者多次屏住呼吸來(lái)減少心臟搏動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的影響。然而，患者在掃描過程中的呼吸配合雖然可以降低呼吸運(yùn)動(dòng)偽影，但易造成患者自身的疲勞及因呼吸屏氣不一致導(dǎo)致的成像層面重疊和間隔;心電門控技術(shù)雖然可以降低心臟搏動(dòng)偽影，但心臟門控導(dǎo)聯(lián)準(zhǔn)備時(shí)間

3、過長(zhǎng)，且心電門控信號(hào)又容易受到射頻脈沖和梯度磁場(chǎng)切換頻率的干擾，場(chǎng)強(qiáng)越高，干擾就會(huì)愈嚴(yán)重。因此，為了提高心血管疾病磁共振檢查的成功率，臨床迫切需求研發(fā)出可重復(fù)性高、易于患者配合且操作簡(jiǎn)便的心臟磁共振成像方法，以便患者能夠在無(wú)需屏住呼吸及心電門控的狀態(tài)下，接受心臟磁共振檢查并獲得的具有診斷價(jià)值的心臟電影圖像。為了解決上述臨床心臟磁共振檢查中所面臨的實(shí)際問題，實(shí)現(xiàn)不需要外圍門控和患者呼吸配合條件下的心臟電影成像，我們做了系統(tǒng)的深入研究，研究

4、內(nèi)容可以歸納為以下四點(diǎn):
　　1.提出了基于部分可分離函數(shù)（Partial Separable，PS）模型及壓縮感知理論(Compressed Sensing，CS)的高時(shí)空分辨心臟電影磁共振成像新方法——PS-CS。通過研究心臟動(dòng)態(tài)圖像信號(hào)在時(shí)間與空間上的分布性質(zhì)，同時(shí)利用時(shí)空矩陣的低秩特性和稀疏特性，提出了基于部分可分離函數(shù)和壓縮感知理論的分步耦合成像模型。具體可分為兩個(gè)方面:首先，在采樣上，該模型使用固定軌跡的偽隨機(jī)采樣方式

5、，以優(yōu)化現(xiàn)有的基于部分可分離函數(shù)成像模型中約束條件不足的問題;其次，在重建上，重建過程分為兩步，第一步運(yùn)用傳統(tǒng)部分可分離函數(shù)的低秩約束重建方法，得到一系列的存在降采樣偽影的心臟電影圖像，第二步基于壓縮感知理論，運(yùn)用非線性稀疏約束重建方法，重建出高時(shí)空分辨的心臟電影圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)比同類方法，我們提出的方法成像質(zhì)量更好，特別是在抑制噪聲和保障圖像細(xì)節(jié)信息方面有優(yōu)異表現(xiàn)。
　　2.提出了基于大鼠心肌缺血模型的三維心臟自門控磁共振

6、T1加權(quán)成像方法。該方法采用T1加權(quán)的梯度回波序列，通過混合徑向采樣方式掃描大鼠心臟成像數(shù)據(jù)。該混合徑向采樣方式在層面選擇方向采用笛卡爾采樣方式，在相位及頻率編碼平面采用基于黃金角度的徑向輻射狀采樣方式，從而可以利用每條徑向采樣線中間信號(hào)為導(dǎo)航數(shù)據(jù)，通過設(shè)計(jì)不同頻率的帶通濾波器，得到大鼠的呼吸和心跳自門控信號(hào)?；诘玫降淖蚤T控信號(hào)，重新排列采集的心臟成像數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步將壓縮感知技術(shù)引入后續(xù)的心臟圖像重建過程，從而得到無(wú)運(yùn)動(dòng)偽影的心臟T1

7、加權(quán)圖像。我們通過建立大鼠的心肌缺血模型，并將成像結(jié)果與病理分析結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果證明提出方法能夠顯著減少降采樣偽影和運(yùn)動(dòng)偽影，準(zhǔn)確確定心肌梗死的區(qū)域和范圍，為缺血性心臟病的研究提供依據(jù)和參考。
　　3.提出了基于微黃金角度徑向采樣及壓縮感知理論的三維心臟電影自門控成像方法。該方法旨在探討解決現(xiàn)有技術(shù)在3T磁共振成像系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)三維心臟電影掃描成像存在的問題，設(shè)計(jì)和研發(fā)出一種新穎的可以用于3T系統(tǒng)的三維心臟自門控磁共振成像方法。與前

8、述方法相似，該方法采用混合徑向采樣方式的bSSFP掃描序列。但是，該方法基于微黃金角度而不是黃金角度的徑向輻射狀采樣方式，以減少因bSSFP成像序列受到渦流影響而導(dǎo)致的導(dǎo)航信號(hào)數(shù)據(jù)位置發(fā)生漂移的干擾。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步降低渦流效應(yīng)，在自門控信號(hào)獲取過程中，我們以徑向采樣線中間的5個(gè)信號(hào)點(diǎn)作為導(dǎo)航數(shù)據(jù)，從而提高自門控信號(hào)的可靠性。此外，為了解決bSSFP在3T系統(tǒng)上存在SAR值較高的問題，我們引入壓縮感知技術(shù)以減少采樣數(shù)據(jù)量、縮短掃描

9、時(shí)間，最終降低SAR值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出方法能夠有效消除渦流及SAR值的影響，實(shí)現(xiàn)臨床3T環(huán)境的三維心臟電影成像。
　　4.針對(duì)臨床心律失?；颊咭蛐穆刹积R，導(dǎo)致難以利用門控導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行心臟磁共振檢查的難點(diǎn)，提出了一種基于均勻角徑向采樣及view sharing技術(shù)的心臟電影磁共振實(shí)時(shí)成像方法。該方法采用bSSFP序列，基于均勻角度的徑向采樣軌跡獲取心臟電影成像數(shù)據(jù)，繼而利用view sharing及壓縮感知技術(shù)重建出高時(shí)空分辨的

10、心臟電影圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，提出方法能夠明顯改善門控導(dǎo)航技術(shù)的不足，有效避免成像過程中患者心律不齊因素的干擾，消除常規(guī)方法中因心臟搏動(dòng)的無(wú)規(guī)律性產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)偽影，提高血池和心肌的對(duì)比度，極大改善心臟電影圖像的質(zhì)量，為心律失常患者的心血管疾病診斷和治療提供參考。
　　本文開篇即回顧了心臟磁共振成像技術(shù)的發(fā)展歷程，并簡(jiǎn)單介紹了磁共振成像的基本原理及臨床常用的心臟磁共振成像技術(shù)。繼而，分章節(jié)詳細(xì)地闡述了提出的心臟電影磁共振方法及其應(yīng)用方面