一种基于129Xe磁共振的肺部生理功能测量方法

技术领域

本发明涉及气体磁共振技术领域，具体涉及一种基于

背景技术

目前，传统的临床肺部评估技术在测量肺部生理功能方面存在一些限制。传统的肺功能测试只能提供粗略的全局肺功能信息，无法获得肺泡和肺血管尺度上的详细信息。CT虽能提供肺部的结构信息，但因涉及电离辐射且不提供功能数据而受限。另外，核医学技术因使用放射性物质，不宜作为常规肺部检测方法。相较之下，MRI无电离辐射或放射性，可以对人体组织的结构和功能进行评估。但是临床MRI以水质子为信号观测核，而肺部主要由空腔组成，含水量少，因此传统MRI技术在肺部生理功能评估上面临挑战。

超极化技术，如自旋交换光泵，可以显著提高惰性气体(如

然而，CSSR技术也存在一些限制和缺点，例如：(1)需要采集多个交换时间点的磁共振波谱数据，导致采样时间较长，难以获得具体的局部气血交换功能信息；(2)心脏运动会导致溶解态

现有的研究表明，溶解态

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种基于

本发明的上述目的通过以下技术手段实现：

一种基于

步骤1、利用高选择性-动态交换采样序列采集超极化

步骤2、从步骤1中采集的超极化

步骤3、建立肺部生理功能参数的公式，再根据步骤2得到的超极化

如上所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1、受试者平躺于磁共振扫描床上，佩戴肺部

步骤1.2、高选择性-动态交换采样序列将溶解态

高选择性-动态交换采样序列中设置的交换时间使得

如上所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、通过分峰拟合从步骤1中采集到的超极化

式中，

步骤2.2、对步骤2.1中得到的红细胞RBC信号的信号强度与时间的关系M

使用单指数函数exp(-t/T1

步骤2.3、将所有时间点下的M

如上所述步骤3中红细胞比容HCT基于以下公式计算：

λ

如上所述步骤3中气血交换膜厚度/肺间隔厚度

λ

如上所述步骤3中肺部血液驻留时间t

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明使用高选择性-动态交换采样序列动态采集超极化

2、提高信噪比：本发明使用足够长的交换时间，以使

3、优化的肺部的气血交换模型：本发明基于心脏运动导致的超极化

附图说明：

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的实施例1中步骤1的高选择性-动态交换采样序列的示意图(其中，RF表示射频脉冲，90°@dissove表示对溶解态

图3为本发明的实施例1中步骤2的红细胞RBC信号的信号强度以及与进行表观T1弛豫时间校正后的红细胞RBC信号的信号强度与时间的关系M

图4为本发明的实施例1中步骤2的使用正弦函数

图5为本发明的实施例1中步骤3的肺部的气血交换模型的示意图(其中，Tissue表示由肺组织构成的气血交换膜，其厚度为δ，RBC和Plasma分别表示肺血管内的红细胞和血浆，气血交换膜与肺血管共同构成肺间隔，厚度为d)。

具体实施方式：

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种基于

步骤1、利用高选择性-动态交换采样序列(即时间上的动态，连续监测2-3个完整的心动周期(即心脏跳动一次的时间间隔)，观测溶解态

步骤1.1、受试者平躺于磁共振扫描床上，佩戴肺部

步骤1.2、高选择性-动态交换采样序列将溶解态

两次射频脉冲间隔的时间称作交换时间，高选择性-动态交换采样序列设置有足够的交换时间使

当受试者为大鼠时，采用以下参数：交换时间设置为50ms，射频脉冲的频率中心设置为205ppm，射频脉冲的翻转角设置为90°，采样带宽设置为600ppm，采样点数设置为1024点，重复次数设置为50；对于人类受试者，使用以下参数：交换时间设置为150ms，射频脉冲的频率中心设置为208ppm，射频脉冲的翻转角设置为90°，采样带宽设置为600ppm，采样点数设置为1024点，重复次数设置为20次。对于其他动物，需要根据物种的心率、

步骤2、从步骤1中采集的超极化

步骤2.1、通过分峰拟合从步骤1中采集到的超极化

式中，M

步骤2.2、对步骤2.1中得到的红细胞RBC信号的信号强度与时间的关系M

使用单指数函数(exp(-t/T1

式中，M

步骤2.3、将所有时间点下的M

步骤3、基于本发明提出的气血交换模型建立肺部生理功能参数的公式，再根据步骤2得到的超极化

本发明提出的气血交换模型为：气血交换区域包括肺组织和肺血管，肺血管包括血浆和红细胞，气血交换区域的厚度为d，肺组织的厚度为δ，肺血管的厚度为d-2δ。

步骤3.1、提取红细胞比容HCT，具体过程如下：

红细胞比容HCT基于以下公式计算：

式中，V

在受试者吸入超极化

M＝kλV (6)

式中，M表示溶解在肺泡壁、或血浆、或红细胞中的

式中，M

肺泡壁的体积V

式中，M

血浆的体积V

式中，M

将公式(7)和公式(9)代入后公式(5)，得到：

考虑到心脏运动对肺血管内的红细胞比容HCT影响较小，加上血液动力学的相对稳定性，在心脏的一个运动周期中，泵入肺血管的新鲜血液在成分上与肺血管内现存血液基本相同。因此，可以用由于心脏运动泵入肺血管的新鲜血液的红细胞比容HCT

式中，M

此外，因为肺组织和血浆TP信号中

式中，M

步骤3.2、提取气血交换膜厚度/组织间隔厚度

根据本发明提出的气血交换模型(如图5所示)，气血交换膜厚度/组织间隔厚度

结合公式(7)、公式(8)、以及公式(9)，可以得到：

又因为采集到的肺组织和血浆TP信号包括血浆信号和肺组织信号(即肺组织中的

结合公式(5)、公式(7)、以及公式(9)，将M

使用步骤2.2中进行表观T1弛豫时间校正后的红细胞RBC信号的信号强度与时间的关系M

λ

步骤3.3、提取肺部血液驻留时间t

肺部血液驻留时间t

t

其中，V

式中，f(t)表示肺血管内红细胞流速随时间t变化的函数，f(t)基于以下公式：

式中，v表示不考虑心脏运动下的肺血管内的红细胞基础流速，v

肺血管内红细胞流速随时间t变化的函数f(t)的波形为类似正弦函数的波形，为了简化模型，这里假定肺血流的最低速度为0，则肺血管内红细胞流速随时间t变化的函数f(t)的波谷为0，即v-v

本发明的观测时间大于等于2-3个心动周期，观测时间t较长，可以用0～t时间段的肺部血液驻留时间t

接下来需要将v

不考虑心脏运动的情况下，进入肺血管的红细胞的流速v

v

但是由于心脏运动导致v

对V

又因为：

V

式中，V

结合公式(22)、公式(25)、以及公式(26)，可以得到：

式中的V

将公式(28)和公式(29)代入公式(27)，得到：

式中，M

一种基于

第一参数计算模块，用于实施上述步骤2：从采集的超极化

第二参数计算模块，用于实施上述步骤3：建立肺部生理功能参数的公式，再根据超极化

一种终端，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行步骤2和步骤3。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现步骤2和步骤3。

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。