核磁共振弹性成像技术在肝纤维化检测中的应用研究

论文摘要

核磁共振技术正在飞速发展成为医学和生物学等领域不可或缺的重要工具,MRI已经成为当今最普遍的临床医学诊断和功能成像工具之一。所有医学影像技术的本质是通过影像灰度或颜色的差别来反映不同组织或正常组织和病变组织之间的某种物理参数的差别,从而达到疾病诊断目的。目前能够已经实现临床应用的核磁共振所反映的物理参数主要有反映组织宏观参数的纵向弛豫时间（T1）、横向弛豫时间（T2）、质子密度等,以及能反映组织功能的灌注系数、扩散系数、血氧水平系数以及分子化学位移等。而用核磁共振技术检测组织弹性是近年来才提出来的一种新的成像检测手段。由于弹性具有组织间差异大,从1～108KPa不等,分辨率高,临床应用潜力巨大。采用影像技术检测弹性,既无创还可实现弹性的二维或三维分布,因此受到临床医生的极大青睐与期待。近年来国外有多家研究结构都在进行相关研究,但目前还未形成成熟的临床应用。本文针对弹性核磁共振成像技术的理论与技术进行了全面的研究,开发了核磁共振弹性图研究平台,并以肝纤维化（硬度）检测为目标,进行了相关实验效果的检验。论文的主要内容如下：1.核磁共振弹性成像理论研究首先介绍了核磁共振弹性成像技术的基本原理,相位图像的基本概念以及周期位移的相位检测原理。提出了进行弹性核磁共振研究的基本流程和主要研究内容,并简要说明了弹性核磁共振成像研究中涉及到的科学与关键技术问题。2.剪切波激励装置的开发剪切波是弹性核磁共振研究中的激励源,是技术关键之一。根据不同研究项目,需要开发频率、初相及幅值可调,与核磁共振成像系统兼容性好,又能接受序列门控的剪切波发生与激励装置。本文采用基于Mega16的AVR单片机实现正弦激励源的产生,经音频功放后通过电磁激励装置产生横波驱动,并采用碳纤维棒和推片实现剪切波的传播,并馈入受检组织。3.位移相位成像序列的设计与开发对质点周期位移进行相位检测是弹性核磁共振成像技术中的关键点之一。一般采用基本成像序列配合施加运动敏感梯度（MSG）来实现。但针对运动器官的弹性检测,需要具有速度快,消除背景相位噪声的功能。本文采用基本的FLASH+MSG序列来做为弹性成像序列,并采用了每两个TR周期内,分别一次正、负MSG来实现背景相位的消除。对于肝脏运动的抑制,采用扫描过程屏气来完成。4.组织生物力学模型的分析生物体组织生物力学模型分析的作用是将建立一个剪切波在组织内部的传播速度（或波长、频率）与组织弹性系数之间的物理模型。对于一个复杂的生物体内部组织而言,建立这样的模型无疑非常困难。本文从基础的弹性力学理论出发,针对各向同性、小形变、不受外力,并忽略黏性的影响下,得出了剪切波在组织中的传播波长,剪切波频率与组织弹性系数之间的关系。为后续计算弹性奠定基础。5.弹性拟合算法的研究与实现弹性成像序列将剪切波在组织内的传播形成的质点周期位移,检测形成相位图像。根据生物弹性力学模型建模的结果,采用相关拟合算法将相位图转换成弹性图。本文研究了局域频率估算（LFE）弹性图拟合的算法原理,采用双带宽高斯滤波器来实现,并应用Matlab进行了仿真。6.实验效果应用前述的研究内容,分别在临床1.5T和3.0T核磁共振成像系统上搭建了弹性核磁共振成像研究平台,并进行了琼脂糖体模实验,离体猪肝实验和志愿者在体肝脏实验,对实验结果以及实验细节进行了分析和讨论。为后期进行肝纤维化患者实验和纤维化分级奠定基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 0.1 核磁共振成像技术发展简史及热点
• 0.2 核磁共振弹性成像医学应用分类
• 0.3 本研究工作的意义
• 0.4 国内外研究现状
• 0.5 本论文主要研究内容
• 参考文献
• 第一章 核磁共振弹性成像技术原理
• 1.1 核磁共振相位检测
• 1.1.1 流动位移的相位检测
• 1.1.2 周期位移的相位检测
• 1.2 组织弹性检测
• 1.3 弹性成像基本原理
• 1.4 研究方案与研究内容
• 1.4.1 研究方案
• 1.4.2 主要研究内容
• 1.5 主要需解决的科学与技术问题
• 1.5.1 生物力学分析建模
• 1.5.2 剪切波产生与激励技术
• 1.5.3 质点位移相位图像获取技术
• 1.5.4 弹性图拟合反演算法
• 参考文献
• 第二章 剪切波激励装置开发
• 2.1 剪切波激励装置框图
• 2.2 剪切波信号源
• 2.2.1 单片机模块
• 2.2.2 D/A转换与电压运算
• 2.3 功率放大
• 2.4 电磁激励装置
• 2.5 电磁屏蔽与兼容性
• 2.6 总结
• 参考文献
• 第三章 相位位移成像序列
• 3.1 相位位移序列的考虑因素
• 3.2 序列形式
• 3.3 与其他小组采用序列的差异
• 3.4 总结
• 参考文献
• 第四章 体模实验效果与分析
• 4.1 体模实验平台
• 4.2 背景相位的研究
• 4.3 剪切波的传播与剪切弹性系数
• 4.3.1 均质体模实验效果
• 4.3.2 双层体模实验效果
• 4.4 振动幅度对图像的影响
• 4.5 剪切波动态传播过程与反射效应
• 4.6 结论
• 参考文献
• 第五章 弹性拟合算法研究与实现
• 5.1 生物组织弹性力学模型分析
• 5.2 局域频率估算拟合算法研究与实现
• 5.2.1 LFE算法原理
• 5.2.2 理想模拟信号的LFE算法实现
• 5.2.3 信号衰减的处理
• 5.2.4 降噪
• 5.3 算法效果与分析
• 5.4 拟合结果分析
• 5.5 讨论
• 5.5.1 边界过渡效应
• 5.5.2 原始数据的干扰对结果的影响
• 5.5.3 边缘效应
• 参考文献
• 第六章 离体肝脏与志愿者在体肝脏实验
• 6.1 动物离体实验结果
• 6.1.1 动物肝脏的的实验效果图
• 6.1.2 动物肝脏的弹性结算结果
• 6.2 志愿者肝脏弹性图实验
• 6.2.1 在体肝脏成像相关细节的考虑
• 6.2.2 未加呼吸运动抑制扫描的图像
• 参考文献
• 结论与展望
• 致谢
• 博士期间发表的论文和申请的发明专利