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用于量化微观扩散各向异性的分析的制作方法
【专利摘要】本发明描述了一种通过分析利用两个不同的梯度调制方案获得的回波衰减曲线来量化材料中的微观扩散各向异性和/或平均扩散率的方法，其中，一个梯度调制方案基于各向同性扩散加权，而另一个梯度调制方案基于非各向同性扩散加权，并且其中，所述方法包括通过比较两个获得的回波衰减曲线的信号衰落进行分析。
【专利说明】用于量化微观扩散各向异性的分析

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于通过磁共振成像或核磁共振光谱来量化材料中的微观扩散 各向异性的方法。

【背景技术】
[0002] 使用NMR(核磁共振）测量的分子自扩散（Callaghan在2011年发表的 "Translational Dynamics&Magnetic Resonance"（牛津，牛津大学出版社）；Price 在 2009年发表的"NMR Studies of Translational Motion"（剑桥，剑桥大学出版社））用 于非侵入式研究各种材料的充水孔隙的形态学，例如，岩石（HUrlimarm等人于1994年 在 J Magn Reson A 111，169_178 上发表的"Restricted diffusion in sedimentary rocks,Determination of surface-area-t〇-volume ratio and surface relaxivity"）、 乳剂（Topgaard 等人于 2002 年在 J Magn Reson 156,195-201 上发表的 "Restricted self-diffusion of water in a highly concentrated W/0 emulsion studied using modulated gradient spin-echo NMR"）以及干酿（Mariette 等人于 2002 年在 J Agric Food Chem50,4295_4302 上发表的 ulH NMR diffusometry study of water in casein dispersions and gels，'）。
[0003] 孔结构的各向异性使得水自扩散各向异性，该事实在于，其用于大脑白质中的神 经纤维定向的三维映射，其中纤维在宏观长度尺度上具有优先方向（Basser等人于1994年 在 Biophys J 66, 259-267 上发表的"MR diffusion tensor spectroscopy and imaging"； Beaulieu 于 2002 年在 NMR Biomed 15,435_455 上发表的"The basis of anisotropic water diffusion in the nervous system-a technical review，';Moseley等人于 1991 年 在 Magn Reson Med 19, 321-326 上发表的 "Anisotropy in diffusion-weighted MRI "）。 宏观扩散各向异性的程度通常通过无量纲分数的各向异性指数（Basser和Pierpaoli于 1996 年在 J Magn Reson B 111，209-219 上发表的"Microstructural and physiological features of tissues elucidated by quantitative-diffusion-tensor MRI，'）来量化。
[0004] 并且，可使用扩散NMR来检测整体各向同性材料中的微观各向异性，最初通过从 传统的单PGSE (脉冲梯度自旋回波）技术（Callaghan和S0dermail于1983年在J Phys Chem 87,1737-1744 上发表的 "Examination of the lamellar phase of aerosol OT/ water using pulsed field gradient nuclear magnetic resonance" ；Topgaard 和 Soderman 于 2002 年在 J Phys Chem B 106,11887-11892 上发表的"Self-diffusion in tw〇-and three-dimensional powders of anisotropic domains:An NMR study of the diffusion of water in cellulose and starch"）的回波衰减中观察到的特征曲线 来实现，而最近则通过使用双PGSE方法，其中在两个单独时间段上NMR信号进行位移编 码（Mitra 于 1995 年在 Phys Rev B 51，15074-15078 上发表的 "Multiple wave-vector extension of the NMR pulsed-field-gradient spin-echo diffusion measurement"）来 实现。可通过以下方式推断出微观各向异性的存在：通过比较获得的回波衰减数据和共线 正交位移编码（Callaghan和 Komlosh 于 2002 年在Magn Reson Chem 40，S15_S19 上发表的 "Locally anisotropic motion in a macroscopically isotropic system:displacement correlations measured using double pulsed gradient spin-echo NMR"；Komlosh 等人于 2007 年在 J Magn Reson 189,38-45 上发表的 "Detection of microscopic anisotropy in gray matter and in novel tissue phantom using double Pulsed Gradient Spin Echo MR" ；Komlosh 等人于 2008 年在 Magn Reson Med 59,803-809 上 发表的 "Observation of microscopic diffusion anisotropy in the spinal cord using double-pulsed gradient spin echo MRI"），通过在改变位移编码的方向之间的 角度时观察到的特征信号调制（Mitra于1995年在Phys Rev B 51，15074-15078上发表 的"Multiple wave-vector extension of the NMR pulsed-field-gradient spin-echo diffusion measurement" ；Shemesh 等人于 2011 年在 J Am Chem Soc 133,6028-6035 上发表的 "Probing Microscopic Architecture of Opaque Heterogeneous Systems Using Double-Pulsed-Field-Gradient NMR" 和在 Magn Reson Med 65,1216-1227 上发 表的"Microscopic and Compartment Shape Anisotropies in Gray and White Matter Revealed by Angular Bipolar Double-PFG MR"），或者通过二维相关方法（Callaghan 和 Fur0 于 2004 年在 J Chem Phys 120,4032-4038 上发表的"Diffusion-diffusion correlation and exchange as a signature for local order and dynamics" ；Hubbard 等人于 2005 年、2006 年在 Langmuir 21，4340-4346 上发表的 "A study of anisotropic water self-diffusion and defects in the lamellar mesophase"和在 Langmuir 22， 3999-4003 上发表的 "Orientational anisotropy in polydomain lamellar phase of a lyotropic liquid crystal，'）。
[0005] 在典型的扩散磁共振成像（MRI)实验中，只能检测体素平均各向异性。在常规的 单PGSE技术中，通过特性回波衰减曲线进行整体各向同性材料中的微观各向异性的检测， 要求高的扩散加权，在临床应用中通常不可行，并且对微观各向异性具有非常低的灵敏度。 在这些实验中，通过对回波衰减的可能的各向同性扩散贡献（叠加到各向异性贡献）进一 步妨碍关于微观各向异性的信息。对微观各向异性的低灵敏度也是双PGSE实验数据的分 析中的主要缺陷。
[0006] 本发明的技术对微观各向异性不足够灵敏，并非最适合临床应用。因此需要适用 于临床应用的检测微观各向异性的高灵敏度技术。此外，还需要一种鲁棒且快速的数据分 析方法，其允许用于与其量化的简单但精炼的参数相关联的微观各向异性的明确量化。本 发明的一个目的是提供一种新的分析方法，连同新的参数、微观部分各向异性（μ FA)，提供 鲁棒、快速且高灵敏度的装置，用于量化微观各向异性，其以同样的方式适用于非临床和临 床应用。


【发明内容】

[0007] 以上所述目的是用以下方法实现的：通过分析利用两个不同的梯度调制方案获得 的回波衰减曲线，量化材料中的微观扩散各向异性和/或平均扩散率，其中一个梯度调制 方案基于各向同性扩散加权，而另一个梯度调制方案基于非各向同性扩散加权，并且其中， 该方法包括通过比较两个获得的回波衰减曲线的信号衰弱进行分析。
[0008] 本分析对与各向同性扩散加权协议的特定选择无关的微观各向异性高度敏感。该 分析允许以相同方式应用于非临床和临床应用中的微观各向异性的鲁棒且快速的量化。
[0009] 该分析也可在应用时结合多维（2D、3D…）相关MR实验来量化不同的扩散分量的 微观各向异性。该分析也可以与其它NMR或MRI方法结合。因此，根据本发明的一个具体 实施例，该方法在NMR和/或MRI方法或实验中进行，或结合另一 NMR或MRI方法进行。例 如，在附加的各向同性加权实验中，该分析可以结合扩散张量和/或扩散峰度测量以提供 关于形态和微观各向异性以及各向异性定向分散的附加信息。该分析可用来促进和加强体 内的扩散张量和扩散峰度测量的解释。例如，通过将峰度归于不同的各向同性和/或各向 异性扩散贡献，该分析可以提供关于在峰度张量测量中检测的各向异性的程度和多指数信 号衰弱的信息。微观各向异性的变化有关的任何病理学的特征将受益于我们的方法引入的 改进。
[0010] 附图简述
[0011] 图IA-C显示出关于不同类型材料的各向同性（虚线）和非各向同性（实线）扩 散加权的信号衰弱相对于b的示意图。插图A描绘了在各向异性材料具有ID或2D曲线扩 散情况下的信号衰减曲线。该衰减曲线对于非各向同性扩散加权来说是多指数的，而其对 于各向同性扩散加权来说是单指数的。各向同性和非各向同性扩散加权的衰减曲线之间的 偏差提供各向异性测量。插图B描绘了具有多个表观扩散贡献的各向同性材料的实例，针 对各向同性和非各向同性扩散加权产生相等且多指数的信号衰减曲线。插图C描绘了具有 各向同性分量和各向异性分量的混合的材料的实例，针对各向同性和非各向同性扩散加权 两者，其导致多指数信号衰弱，而各向同性和非各向同性扩散加权的衰减曲线之间的偏差 提供对各向异性的测量。
[0012] 图2A-C显示出关于不同类型材料的分析的实验结果。所有插图中均显示出关于 各向同性（圆圈）和关于非各向同性（十字）扩散加权的实验结果。实验结果和分析显示 了具有自由各向同性扩散（插图A)的样品、具有受限的各向同性扩散（插图B)的样品以 及具有高度各向异性（插图C)的样品。
[0013] 图3A和3B显示出用于调查作为扩散加权b的范围的函数的系统偏差和精度的 蒙特卡洛（(Monte-Carlo))误差分析，其用于根据所公开的分析法估算微观各向异性的程 度。
[0014] 根据本发明的分析方法的背景。
[0015] 下面将公开一种用于各向同性扩散加权的可能的方法，作为根据本发明的分析方 法的背景。重要的是要理解，这仅仅是作为示例给出的，且作为各向同性扩散加权的背景。 根据本发明的分析方法当然不限于该途径或方法。事实是，所有可能的扩散加权方法包括 用于各向同性扩散加权的一个部分（梯度调制方案）和用于非各向同性扩散加权的另一个 部分，这些所有可能的扩散加权方法是可能的起始点，因此是根据本发明的分析方法的预 执行方法。
[0016] 假设微观各向异性系统中自旋扩散可局部地被视为高斯过程且因此全部由扩散 张量D (r)来描述，而用布洛赫-托里（Bloch-Torrey)方程给定在扩散编码实验期间的复 杂横向磁化m(r，t)的演变。应注意，布洛赫-托里方程式适用于任意扩散编码方案，例如， 脉冲梯度自旋回波（PGSE)、脉冲梯度受激回波（PGSTE)和其他调制梯度自旋回波（MGSE)方 案。假设自旋密度均匀并忽略弛豫，则通过下列方程式给出磁化演变：

【权利要求】
1. 一种用于量化材料中的微观扩散各向异性和/或平均扩散率的方法，所述方法通过 分析利用两个不同的梯度调制方案获得的回波衰减曲线进行实施，其中，一个梯度调制方 案基于各向同性扩散加权，而另一个梯度调制方案基于非各向同性扩散加权，并且其中，所 述方法包括通过比较所述两个获得的回波衰减曲线的信号衰弱进行分析。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，利用基于各向同性扩散加权的梯度调制方案和 基于非各向同性扩散加权的梯度调制方案中的至少一个梯度调制方案获得的回波衰减曲 线在多个编码方向上进行平均。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，比较所述两个获得的回波衰减曲线的信号衰 弱包含分析所述两个获得的回波衰减曲线之间的比率和/或差值。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述方法在NMR和/或MRI方法或实 验中执行，或与另一种NMR或MRI方法结合而执行。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述两个获得的回波衰减曲线（IogE 相对于b，其中E是回波幅度，b是扩散加权因子）在初始值、初始斜率或曲率方面进行比 较，和/或确定了所述两个回波衰减曲线之间的比率，使得可确定微观各向异性的程度。
6. 根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，使用了拟合函数，其包括以下参数： 初始值、初始斜率和曲率（扩散系数的概率分布的第零中心矩、第一中心矩和第二中心 矩）、附加的扩散贡献的分数（f)和/或附加贡献的扩散率（D1)。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将利用所述基于各向同性扩散的梯 度调制方案获得的回波衰减曲线假定为单指数。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，微观部分各向异性（μFA)根据扩散 分布的第二中心矩（μ，°和μ2)的平均扩散率（万）和差值计算。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：通过使用伽马分布 和其拉普拉斯变换的信号衰减，近似得出表观扩散系数的分布。
10. 根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，所述方法被执行使得平均扩散率被 约束为对于各向同性扩散加权数据和非各向同性扩散加权数据来说是等同的。
11. 根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，所述方法被执行使得允许关于各向 同性扩散加权数据的平均扩散率不同于关于非各向同性扩散加权数据的平均扩散率。
12. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述各向同性扩散加权和所述非各 向同性扩散加权通过两个不同的脉冲梯度自旋回波PGSE实现。
13. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述基于各向同性扩散加权的梯度 调制方案包括至少一种谐波调制梯度，其除去源自各向异性的IogE相对于b的曲率。
14. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：产生关于所述非各 向同性扩散加权的IogE相对于b的最大曲率的单PGSE，以及用所述各向同性扩散加权的正 弦曲线各向同性梯度扩增的单PGSE。
15. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法允许确定具有各向异性扩 散和/或各向同性扩散的系统中的微观各向异性的程度。
16. -种根据权利要求1-15中任一项所述的方法的用途，用于产生微观部分各向异性 (μFA)的估计和量化微观尺度上的各向异性的值。
17. -种根据权利要求1-15中任一项所述的方法的用途，其中，以下参数中的任何一 个用于在MRI中产生参数映射或用于产生MR图像对比度，所述参数包括：微观部分各向异 性（μFA)、平均扩散率（D)> 附加的扩散贡献的分数（f)和/或附加贡献的扩 散率（D1),或任何其它由μ2、μ2is°或平均扩散率计算的参数。
18. -种根据权利要求1-15中任一项所述的方法的用途，其中，微观部分各向异性 (μFA)用于表征组织和/或诊断。
【文档编号】G01N24/00GK104471426SQ201380023615
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年5月3日 优先权日:2012年5月4日
【发明者】丹尼尔·托普加德, 萨摩·拉西克, 马库斯·尼尔森 申请人:Cr发展公司