基于自旋鎖定技術(shù)探測(cè)震蕩磁場(chǎng)的磁共振成像方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁共振成像領(lǐng)域，涉及基于自旋鎖定技術(shù)探測(cè)震蕩磁場(chǎng)的磁共振成像方法及應(yīng)用，尤其涉及神經(jīng)元電流磁共振成像的磁共振方法應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]基于血氧水平依賴(Blood-Oxygen-Level-Dependence，BOLD)的功能磁共振成像(funct1nal Magnetic Resonance Imaging, fMRI)方法自 1992 年 Ogawa 等小組在人體上成功后得到了空前的發(fā)展。BOLD fMRI現(xiàn)在已經(jīng)成為認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中重要的研宄手段。然而，BOLD原理主要基于血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)基礎(chǔ)上的脫氧血紅蛋白磁化性質(zhì)的改變，而在活體中血液動(dòng)力響應(yīng)本身是一個(gè)非常緩慢的過程(Is量級(jí))，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于神經(jīng)系統(tǒng)的反應(yīng)速度(10ms量級(jí))，所以BOLD fMRI探測(cè)神經(jīng)活動(dòng)在時(shí)間分辨上具有比較大的缺陷；同時(shí)，BOLD fMRI成像的對(duì)比度產(chǎn)生于血管而非神經(jīng)元本身興奮的位置，在空間上也有一定的偏差。因此，盡管BOLD fMRI能夠反映神經(jīng)系統(tǒng)變化導(dǎo)致的磁共振信號(hào)變化，但是其固有的時(shí)間分辨和空間分辨上的缺陷限制了人類對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)功能的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。
[0003]神經(jīng)元電流磁共振成像(neuronal currents MRI，ncMRI)是在磁共振成像上能夠彌補(bǔ)BOLD fMRI缺陷的非常具有潛力的技術(shù)。用磁共振對(duì)神經(jīng)元電流進(jìn)行成像的基本原理是，神經(jīng)系統(tǒng)興奮時(shí)候的電活動(dòng)會(huì)引起局部磁場(chǎng)的微小變化，這個(gè)微小變化的磁場(chǎng)會(huì)引起周圍質(zhì)子自旋進(jìn)動(dòng)頻率的改變，從而在興奮的神經(jīng)元周圍的引起宏觀磁化矢量的減小或偏轉(zhuǎn)。
[0004]傳統(tǒng)的ncMRI方法主要是用梯度自旋平面回波(Gradient Echo - Echo PlanarImaging, GE-EPI)為主的快成像技術(shù)探測(cè)回波時(shí)間(Echo Time, TE)內(nèi)基于磁化率對(duì)比產(chǎn)生的磁化矢量的減小以及相位的偏轉(zhuǎn)或減小。但是，這樣的探測(cè)方法一直沒有得到一致的陽(yáng)性結(jié)果。其主要原因除了神經(jīng)元放電引起的磁場(chǎng)對(duì)比與BOLD磁場(chǎng)變化更小外，還有:1)成像時(shí)間內(nèi)BOLD信號(hào)的干擾；2)成像的TE內(nèi)神經(jīng)元放電極性的改變帶來(lái)時(shí)間上的信號(hào)相互抵消；3)神經(jīng)元的空間排布上造成不同的神經(jīng)元集體放電相互抵消。而前兩個(gè)原因是GE-EPI技術(shù)本身無(wú)法克服的。
[0005]因此，需要一種新的探測(cè)神經(jīng)元電流磁場(chǎng)的方法來(lái)提高探測(cè)的靈敏度，主要在排除BOLD信號(hào)干擾和減小信號(hào)在時(shí)間上的抵消上針對(duì)傳統(tǒng)的ncMRI方法有所突破。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提供了一種基于自旋鎖定技術(shù)探測(cè)震蕩磁場(chǎng)的磁共振成像方法及應(yīng)用，將在自旋鎖定(Spin-lock，SL)期間產(chǎn)生的正弦式振蕩微小磁場(chǎng)作為激發(fā)脈沖，引起磁化矢量在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系橫平面上發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生對(duì)比信號(hào)。由此原理，我們將本項(xiàng)技術(shù)命名為自旋鎖定下震蕩激發(fā)(Spin-Locked OscillatoryExcitat1n, SLOE)。該微小震蕩磁場(chǎng)的大小可以接近于神經(jīng)元放電產(chǎn)生的磁場(chǎng)量級(jí)(大約10,特斯拉)，因此本方法尤其適用于探測(cè)神經(jīng)元活動(dòng)產(chǎn)生的微小震蕩磁場(chǎng)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]基于自旋鎖定技術(shù)探測(cè)震蕩磁場(chǎng)的磁共振成像方法，基于自旋鎖定下的震蕩激發(fā)序列實(shí)現(xiàn)，所述自旋鎖定下的震蕩激發(fā)序列包括自旋鎖定準(zhǔn)備脈沖序列和平面回波采集脈沖序列，所述自旋鎖定準(zhǔn)備脈沖序列包括兩個(gè)90°硬脈沖、一個(gè)180°硬脈沖和兩個(gè)自旋鎖定硬脈沖，該方法具體包括以下步驟:
[0009](I)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，用一個(gè)90°硬脈沖將全空間的磁化矢量激發(fā)到橫平面，隨后沿著磁化矢量方向施加一個(gè)自旋鎖定硬脈沖，保持在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中靜止。
[0010](2)在自旋鎖定時(shí)間的一半處施加一個(gè)180°硬脈沖，緊接著施加另外一半自旋鎖定時(shí)間長(zhǎng)度的、沿相反相位方向的、相同幅度的自旋鎖定硬脈沖，自旋鎖定后沿磁化矢量方向施加一個(gè)90°硬脈沖將磁化矢量翻轉(zhuǎn)到縱軸主磁場(chǎng)方向。
[0011](3)自旋鎖定準(zhǔn)備脈沖完成后，不施加任何其他激發(fā)脈沖，直接通過平面回波序列采集磁共振信號(hào)。
[0012]優(yōu)選地，所述90°硬脈沖、180°硬脈沖和自旋鎖定硬脈沖都使用矩形硬脈沖，其中兩個(gè)90°硬脈沖和一個(gè)180°硬脈沖保證作用時(shí)間盡量地短；兩個(gè)自旋鎖定硬脈沖(Ba)的作用時(shí)間各自為自旋鎖定時(shí)間(Spin-Lock Time, TSL)的一半。
[0013]進(jìn)一步地，自旋鎖定硬脈沖的幅度由公式Ba= f/γ確定，其中f為預(yù)期鎖定的震蕩磁場(chǎng)的頻率，單位為Hz ； γ為氫核的旋磁比常數(shù)。
[0014]進(jìn)一步地，為了獲得最佳的對(duì)比度，最優(yōu)化TSL的選擇依賴于成像物體在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的弛豫常數(shù)，該弛豫常數(shù)可以由計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到。
[0015]優(yōu)選地，平面回波采集序列使用自旋回波平面回波(Spin Echo - Echo PlanarImaging，SE-EPI)采集序列，通過SE-EPI的180°翻轉(zhuǎn)脈沖進(jìn)行選層操作，采用一個(gè)“三明治”形式的選層梯度將非選定層面的信號(hào)全部散相，從而得到感興趣層面的信號(hào)，進(jìn)而重建出感興趣層面圖像。
[0016]優(yōu)選地，本發(fā)明采用區(qū)塊設(shè)計(jì)(Block Design)模式實(shí)現(xiàn)磁共振成像，通過檢驗(yàn)待測(cè)量物體在通電流的區(qū)塊(block)與不通電流的block之間信號(hào)時(shí)間序列上的變化實(shí)現(xiàn)。
[0017]進(jìn)一步地，如果能精準(zhǔn)地控制每次掃描的自旋鎖定開始時(shí)正弦振蕩的初始相位且電流只在TSL期間處于打開狀態(tài)，通電狀態(tài)相對(duì)于不通電的控制狀態(tài)信號(hào)幅度會(huì)增強(qiáng)，通過檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法檢驗(yàn)信號(hào)增強(qiáng)的激活區(qū)域。
[0018]進(jìn)一步地，對(duì)于每次掃描震蕩電流的相位無(wú)法準(zhǔn)確控制的且通電block下電流處于一直打開的情況，則根據(jù)震蕩電流的頻率選擇與鎖定的震蕩磁場(chǎng)周期錯(cuò)開的重復(fù)時(shí)間(repetit1n time, TR)，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)磁共振信號(hào)由于每次掃描的震蕩電流相位的不同而產(chǎn)生的信號(hào)時(shí)間序列上的波動(dòng)性。
[0019]進(jìn)一步地，對(duì)于上述情況本發(fā)明采用以下統(tǒng)計(jì)方法檢驗(yàn)信號(hào)時(shí)間序列上的波動(dòng)性:將原始數(shù)據(jù)每一個(gè)體素的時(shí)間序列去線性漂移(或高通濾波)后，求得每一個(gè)block時(shí)間段信號(hào)的平均值，然后將每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的信號(hào)減去均值后取絕對(duì)值，然后將兩種狀態(tài)的時(shí)間點(diǎn)信號(hào)各自歸類，對(duì)兩種狀態(tài)上述步驟相減后的絕對(duì)值信號(hào)做雙樣本t檢驗(yàn)得到顯著激活的體素。
[0020]本發(fā)明還提供了上述方法在探測(cè)神經(jīng)元放電磁場(chǎng)中的應(yīng)用。
[0021]本發(fā)明的有益效果如下:
[0022]本發(fā)明提供了一種基于自旋鎖定技術(shù)產(chǎn)生震蕩磁場(chǎng)的新序列，命名為SLOE。通過一種優(yōu)化的自選鎖定方法降低主磁場(chǎng)非均勻性和射頻場(chǎng)激發(fā)不均勻帶來(lái)的圖像質(zhì)量惡化，通過自旋鎖定期間震蕩磁場(chǎng)的直接激發(fā)信號(hào)獲得因電流磁場(chǎng)引起的對(duì)比信號(hào)。在SLOE序列中，通過改變鎖定場(chǎng)(BsJ的大小，能夠針對(duì)振蕩磁場(chǎng)的頻率進(jìn)行相應(yīng)的選頻操作。
[0023]同時(shí)，對(duì)于活體神經(jīng)元震蕩放電的情況，提出一套針對(duì)實(shí)際采集數(shù)據(jù)下的統(tǒng)計(jì)分析方法，采用檢驗(yàn)信號(hào)在時(shí)序上波動(dòng)性增強(qiáng)的檢驗(yàn)策略，解決了傳統(tǒng)ncMRI方法探測(cè)神經(jīng)元電流信號(hào)時(shí)間上信號(hào)正負(fù)抵消和BOLD效應(yīng)干擾等問題，大大提高了探測(cè)微小磁場(chǎng)引起的信號(hào)變化的靈敏度。該方法在模體的實(shí)驗(yàn)上被證明取得了顯著探測(cè)到0.1納特斯拉(0.1nT)量級(jí)震蕩磁場(chǎng)的靈敏度，已經(jīng)達(dá)到了前人研宄中理論估計(jì)的腦部活動(dòng)神經(jīng)元放電磁場(chǎng)在MRI探測(cè)的體素單元的強(qiáng)度范圍(0.1nT?InT)。因此，該方法有希望在活體上成功探測(cè)到震蕩的神經(jīng)元電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而推進(jìn)神經(jīng)元電流磁共振成像這一新的功能磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域的革命。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的SLOE磁共振序列時(shí)序示意圖；
[0025]圖2為在磁共振儀器上驗(yàn)證本發(fā)明靈敏度的模體系統(tǒng)搭建示意圖，其中一信號(hào)源，2一觸發(fā)彳目號(hào)，3一不波器，4一屏蔽板，5一低通濾波器，6一銅漆包線，7一NiCl2溶液，8一5OmL離心管；
[0026]圖3為根據(jù)發(fā)明在模體上得到一個(gè)典型體素中的信號(hào)強(qiáng)度變化的時(shí)序圖，分別有兩個(gè)通電流和兩個(gè)不通電流的區(qū)塊；
[0027]圖4為根據(jù)發(fā)明在模體上得到一個(gè)典型體素中的信號(hào)強(qiáng)度因電流引起波動(dòng)變大的時(shí)序圖，分別有兩個(gè)通電流和兩個(gè)不通電流的區(qū)塊；
[0028]圖5為根據(jù)發(fā)明在模體上得到的本發(fā)明靈敏度的結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]在下文的描述中，給出了大量具體的細(xì)節(jié)以便于本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明更為徹底的理解。應(yīng)該明白的是，本文公開的僅是具有代表性的一種較佳實(shí)施例。顯然，本發(fā)明并不局限于本文所描述的任何具體結(jié)構(gòu)、功能、器件和方法，也可以具有其他實(shí)施方式，或者是其他實(shí)施方式的組合。本發(fā)明中所描述的元素?cái)?shù)目也可以設(shè)想為多個(gè)，除非明確限制為單數(shù)。此外，為避免其他例與本發(fā)明發(fā)生混淆，對(duì)于本領(lǐng)域中眾所周知的一些技術(shù)特征和細(xì)節(jié)未進(jìn)行描述。
[0030]圖1為本發(fā)明的SLOE序列的示意圖。如圖1所示，SLOE序列由自旋鎖定準(zhǔn)備脈沖序列和平面回波采集脈沖序列組成，自旋鎖定準(zhǔn)備脈沖序列又由五個(gè)硬脈沖組成。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，假設(shè)一個(gè)初始90°硬脈沖施加在+X’軸方向?qū)⒋呕噶糠D(zhuǎn)到+y’軸上，隨后緊接著施加一個(gè)沿+y’軸自旋鎖定硬脈沖，并保持在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中靜止，在TSL/2的時(shí)刻施加一個(gè)沿+y’軸方向時(shí)間盡量短的180°硬脈沖，緊接著跟隨另外一半TSL時(shí)間長(zhǎng)度的、沿-y’軸方向的相同幅度的硬脈沖，自旋鎖定后沿+X’軸方向施加一個(gè)90°硬脈沖將磁化矢量翻轉(zhuǎn)回+z’軸。整個(gè)自旋鎖定準(zhǔn)備階段完成后，不施加任何其他激發(fā)脈沖，直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行自旋平面回波序