细胞水平上的核磁共振成像新对比度机制的研究及应用

MRI contrast between the lesion tissue and normal tissue is significant for the disease diagnosis. Many lesions are firstly originated from the alteration on the molecular and cellular level, which is hardly accessible for modern MRI techniques. It has been shown that intermolecular multiple quantum coherences (iMQCs) can provide the special contrast mechanism for detection of cellular metabolic difference and fiber anisotropy. Based on our previous studies on iMQCs, research work in this project will be implemented as following. (1) Further research for the physical mechanism of iMQC-based MRI contrast and its corresponding influence factors. (2) Combined with the fast spatial-encoding techniques, MRI pulse sequence based on the new iMQC-based contrast mechanism will be propos, which is based on the complete theoretical deduction and the established signal evaluation model. (3) Optimization for the designed MRI sequence by the combination of computer simulation and experimentation. Finally, the new developed method will be performed on tumor and fatty liver of rat. We believe that a new iMQC-based MRI contrast method will be developed in this research project, which will be helpful for the iMQC application on molecular imaging and biomedical fields.

病变组织与正常组织在医学影像中所体现的对比度差异是疾病诊断的重要依据，许多组织的病变往往最先体现在分子和细胞水平上的细微结构变化，而现有的医学影像技术往往很难获得这一尺度的对比度差异。分子间多量子相干(iMQC)已被公认为能够提供基于细胞代谢成分差异和纤维束各向异性等的核磁共振成像新对比度。本课题拟在我们已有的较好研究基础上开展如下研究：(1)深入了解基于iMQC的MRI新对比度形成的物理机制以及影响该新对比度的关键因素；(2)通过完整的理论推导和计算机仿真，建立相应的信号演化模型，提出一种无造影剂灌注能在细胞水平上获得全新MRI对比度差异的快速成像序列，并编写相应的信号和图像处理软件；(3)利用计算机模拟结合实验对所设计的方法进行验证优化，并将其应用于大鼠活体肿瘤及脂肪肝等疾病的检测。该项目的研究将建立一种基于iMQC的新的MRI对比度成像方法，促进iMQC在分子影像和生物医学中的应用。

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)中病变组织和正常组织的对比度差异是疾病诊断的重要依据。许多组织病变往往最先表现在细胞水平尺度上的结构变化，由于对比度和分辨率的限制，常规MRI技术往往无法直接获得细胞水平尺度的对比度信息。分子间多量子相干(intermolecular Multiple Quantum Coherence, iMQC)由于其特殊的信号来源，能为MRI检测提供细胞水平尺度的对比度信息。本课题开展了基于iMQC信号在细胞水平尺度上获得新对比度MRI成像方法的研究。在本项目的支持下，我们通过数学建模、模拟优化以及相关实验系统定量地研究了iMQC信号特性及其对比度形成机制，包括弛豫效应、扩散效应、偶极相关距离和磁化率变化尺度相互作用下对比度机制的信号表征。在完整理论推导和信号演化模型的基础上，将脉冲梯度场及选择激发脉冲与Dixon水脂分离等NMR新技术有机结合，建立和发展利用iMQC信号在细胞水平尺度上获得新对比度成像的实验方法。研究时空编码、快速自旋回波等快速信号采样技术，根据iMQC成像信号演化特点开发出适用于快速采集iMQC新对比度信号的方法，建立相应的信号处理算法和软件。我们还研究了化学位移、标量偶合、辐射阻尼、远程偶极作用等因素对iMQC成像信号强度的影响，建立了iMQC成像信号与这些因素的内在联系，为实验脉冲序列优化获得最佳对比度信号提供了依据。我们将所建立的方法应用于生物组织体系的细胞水平对比度成像的检测，如老鼠棕色脂肪成像检测的研究。同时我们还结合波谱技术，将iMQC信号以谱图形式显示，有效地区分不同成像对比度区域代谢物特征。在基于iMQC信号演化基础上我们建立了一种能在细胞水平尺度上获得新对比度差异的MRI方法，辅以快速采样和波谱技术能够应用于生物活体组织的研究，促进了iMQC在分子影像和生物医学中的医用。.在本基金项目的资助下，我们发表了8篇SCI收录的论文、另外还有1篇SCI论文已被接受，即将出版；我们申请6项发明专利（目前已授权1项，已公开还未授权5项）。本项目的成果超过了预期的研究目标。