用于量化微觀擴散各向異性的分析的制作方法
【專利摘要】本發明描述了一種通過分析利用兩個不同的梯度調制方案獲得的回波衰減曲線來量化材料中的微觀擴散各向異性和/或平均擴散率的方法，其中，一個梯度調制方案基于各向同性擴散加權，而另一個梯度調制方案基于非各向同性擴散加權，并且其中，所述方法包括通過比較兩個獲得的回波衰減曲線的信號衰落進行分析。
【專利說明】用于量化微觀擴散各向異性的分析
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于通過磁共振成像或核磁共振光譜來量化材料中的微觀擴散 各向異性的方法。
【背景技術】
[0002] 使用NMR(核磁共振）測量的分子自擴散（Callaghan在2011年發表的 "Translational Dynamics&Magnetic Resonance"（牛津，牛津大學出版社）；Price 在 2009年發表的"NMR Studies of Translational Motion"（劍橋，劍橋大學出版社））用 于非侵入式研究各種材料的充水孔隙的形態學，例如，巖石（HUrlimarm等人于1994年 在 J Magn Reson A 111，169_178 上發表的"Restricted diffusion in sedimentary rocks,Determination of surface-area-t〇-volume ratio and surface relaxivity"）、 乳劑（Topgaard 等人于 2002 年在 J Magn Reson 156,195-201 上發表的 "Restricted self-diffusion of water in a highly concentrated W/0 emulsion studied using modulated gradient spin-echo NMR"）以及干釀（Mariette 等人于 2002 年在 J Agric Food Chem50,4295_4302 上發表的 ulH NMR diffusometry study of water in casein dispersions and gels，'）。
[0003] 孔結構的各向異性使得水自擴散各向異性，該事實在于，其用于大腦白質中的神 經纖維定向的三維映射，其中纖維在宏觀長度尺度上具有優先方向（Basser等人于1994年 在 Biophys J 66, 259-267 上發表的"MR diffusion tensor spectroscopy and imaging"； Beaulieu 于 2002 年在 NMR Biomed 15,435_455 上發表的"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 上發表的 "Anisotropy in diffusion-weighted MRI "）。 宏觀擴散各向異性的程度通常通過無量綱分數的各向異性指數（Basser和Pierpaoli于 1996 年在 J Magn Reson B 111，209-219 上發表的"Microstructural and physiological features of tissues elucidated by quantitative-diffusion-tensor MRI，'）來量化。
[0004] 并且，可使用擴散NMR來檢測整體各向同性材料中的微觀各向異性，最初通過從 傳統的單PGSE (脈沖梯度自旋回波）技術（Callaghan和S0dermail于1983年在J Phys Chem 87,1737-1744 上發表的 "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 上發表的"Self-diffusion in tw〇-and three-dimensional powders of anisotropic domains:An NMR study of the diffusion of water in cellulose and starch"）的回波衰減中觀察到的特征曲線 來實現，而最近則通過使用雙PGSE方法，其中在兩個單獨時間段上NMR信號進行位移編 碼（Mitra 于 1995 年在 Phys Rev B 51，15074-15078 上發表的 "Multiple wave-vector extension of the NMR pulsed-field-gradient spin-echo diffusion measurement"）來 實現。可通過以下方式推斷出微觀各向異性的存在：通過比較獲得的回波衰減數據和共線 正交位移編碼（Callaghan和 Komlosh 于 2002 年在Magn Reson Chem 40，S15_S19 上發表的 "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 上發表的 "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 發表的 "Observation of microscopic diffusion anisotropy in the spinal cord using double-pulsed gradient spin echo MRI"），通過在改變位移編碼的方向之間的 角度時觀察到的特征信號調制（Mitra于1995年在Phys Rev B 51，15074-15078上發表 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 上發表的 "Probing Microscopic Architecture of Opaque Heterogeneous Systems Using Double-Pulsed-Field-Gradient NMR" 和在 Magn Reson Med 65,1216-1227 上發 表的"Microscopic and Compartment Shape Anisotropies in Gray and White Matter Revealed by Angular Bipolar Double-PFG MR"），或者通過二維相關方法（Callaghan 和 Fur0 于 2004 年在 J Chem Phys 120,4032-4038 上發表的"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 上發表的 "A study of anisotropic water self-diffusion and defects in the lamellar mesophase"和在 Langmuir 22， 3999-4003 上發表的 "Orientational anisotropy in polydomain lamellar phase of a lyotropic liquid crystal，'）。
[0005] 在典型的擴散磁共振成像（MRI)實驗中，只能檢測體素平均各向異性。在常規的 單PGSE技術中，通過特性回波衰減曲線進行整體各向同性材料中的微觀各向異性的檢測， 要求高的擴散加權，在臨床應用中通常不可行，并且對微觀各向異性具有非常低的靈敏度。 在這些實驗中，通過對回波衰減的可能的各向同性擴散貢獻（疊加到各向異性貢獻）進一 步妨礙關于微觀各向異性的信息。對微觀各向異性的低靈敏度也是雙PGSE實驗數據的分 析中的主要缺陷。
[0006] 本發明的技術對微觀各向異性不足夠靈敏，并非最適合臨床應用。因此需要適用 于臨床應用的檢測微觀各向異性的高靈敏度技術。此外，還需要一種魯棒且快速的數據分 析方法，其允許用于與其量化的簡單但精煉的參數相關聯的微觀各向異性的明確量化。本 發明的一個目的是提供一種新的分析方法，連同新的參數、微觀部分各向異性（μ FA)，提供 魯棒、快速且高靈敏度的裝置，用于量化微觀各向異性，其以同樣的方式適用于非臨床和臨 床應用。
【發明內容】
[0007] 以上所述目的是用以下方法實現的：通過分析利用兩個不同的梯度調制方案獲得 的回波衰減曲線，量化材料中的微觀擴散各向異性和/或平均擴散率，其中一個梯度調制 方案基于各向同性擴散加權，而另一個梯度調制方案基于非各向同性擴散加權，并且其中， 該方法包括通過比較兩個獲得的回波衰減曲線的信號衰弱進行分析。
[0008] 本分析對與各向同性擴散加權協議的特定選擇無關的微觀各向異性高度敏感。該 分析允許以相同方式應用于非臨床和臨床應用中的微觀各向異性的魯棒且快速的量化。
[0009] 該分析也可在應用時結合多維（2D、3D…）相關MR實驗來量化不同的擴散分量的 微觀各向異性。該分析也可以與其它NMR或MRI方法結合。因此，根據本發明的一個具體 實施例，該方法在NMR和/或MRI方法或實驗中進行，或結合另一 NMR或MRI方法進行。例 如，在附加的各向同性加權實驗中，該分析可以結合擴散張量和/或擴散峰度測量以提供 關于形態和微觀各向異性以及各向異性定向分散的附加信息。該分析可用來促進和加強體 內的擴散張量和擴散峰度測量的解釋。例如，通過將峰度歸于不同的各向同性和/或各向 異性擴散貢獻，該分析可以提供關于在峰度張量測量中檢測的各向異性的程度和多指數信 號衰弱的信息。微觀各向異性的變化有關的任何病理學的特征將受益于我們的方法引入的 改進。
[0010] 附圖簡述
[0011] 圖IA-C顯示出關于不同類型材料的各向同性（虛線）和非各向同性（實線）擴 散加權的信號衰弱相對于b的示意圖。插圖A描繪了在各向異性材料具有ID或2D曲線擴 散情況下的信號衰減曲線。該衰減曲線對于非各向同性擴散加權來說是多指數的，而其對 于各向同性擴散加權來說是單指數的。各向同性和非各向同性擴散加權的衰減曲線之間的 偏差提供各向異性測量。插圖B描繪了具有多個表觀擴散貢獻的各向同性材料的實例，針 對各向同性和非各向同性擴散加權產生相等且多指數的信號衰減曲線。插圖C描繪了具有 各向同性分量和各向異性分量的混合的材料的實例，針對各向同性和非各向同性擴散加權 兩者，其導致多指數信號衰弱，而各向同性和非各向同性擴散加權的衰減曲線之間的偏差 提供對各向異性的測量。
[0012] 圖2A-C顯示出關于不同類型材料的分析的實驗結果。所有插圖中均顯示出關于 各向同性（圓圈）和關于非各向同性（十字）擴散加權的實驗結果。實驗結果和分析顯示 了具有自由各向同性擴散（插圖A)的樣品、具有受限的各向同性擴散（插圖B)的樣品以 及具有高度各向異性（插圖C)的樣品。
[0013] 圖3A和3B顯示出用于調查作為擴散加權b的范圍的函數的系統偏差和精度的 蒙特卡洛（(Monte-Carlo))誤差分析，其用于根據所公開的分析法估算微觀各向異性的程 度。
[0014] 根據本發明的分析方法的背景。
[0015] 下面將公開一種用于各向同性擴散加權的可能的方法，作為根據本發明的分析方 法的背景。重要的是要理解，這僅僅是作為示例給出的，且作為各向同性擴散加權的背景。 根據本發明的分析方法當然不限于該途徑或方法。事實是，所有可能的擴散加權方法包括 用于各向同性擴散加權的一個部分（梯度調制方案）和用于非各向同性擴散加權的另一個 部分，這些所有可能的擴散加權方法是可能的起始點，因此是根據本發明的分析方法的預 執行方法。
[0016] 假設微觀各向異性系統中自旋擴散可局部地被視為高斯過程且因此全部由擴散 張量D (r)來描述，而用布洛赫-托里（Bloch-Torrey)方程給定在擴散編碼實驗期間的復 雜橫向磁化m(r，t)的演變。應注意，布洛赫-托里方程式適用于任意擴散編碼方案，例如， 脈沖梯度自旋回波（PGSE)、脈沖梯度受激回波（PGSTE)和其他調制梯度自旋回波（MGSE)方 案。假設自旋密度均勻并忽略弛豫，則通過下列方程式給出磁化演變：
【權利要求】
1. 一種用于量化材料中的微觀擴散各向異性和/或平均擴散率的方法，所述方法通過 分析利用兩個不同的梯度調制方案獲得的回波衰減曲線進行實施，其中，一個梯度調制方 案基于各向同性擴散加權，而另一個梯度調制方案基于非各向同性擴散加權，并且其中，所 述方法包括通過比較所述兩個獲得的回波衰減曲線的信號衰弱進行分析。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，利用基于各向同性擴散加權的梯度調制方案和 基于非各向同性擴散加權的梯度調制方案中的至少一個梯度調制方案獲得的回波衰減曲 線在多個編碼方向上進行平均。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其中，比較所述兩個獲得的回波衰減曲線的信號衰 弱包含分析所述兩個獲得的回波衰減曲線之間的比率和/或差值。
4. 根據權利要求1-3中任一項所述的方法，其中，所述方法在NMR和/或MRI方法或實 驗中執行，或與另一種NMR或MRI方法結合而執行。
5. 根據權利要求1-4中任一項所述的方法，其中，所述兩個獲得的回波衰減曲線（IogE 相對于b，其中E是回波幅度，b是擴散加權因子）在初始值、初始斜率或曲率方面進行比 較，和/或確定了所述兩個回波衰減曲線之間的比率，使得可確定微觀各向異性的程度。
6. 根據權利要求1-5中任一項所述的方法，其中，使用了擬合函數，其包括以下參數： 初始值、初始斜率和曲率（擴散系數的概率分布的第零中心矩、第一中心矩和第二中心 矩）、附加的擴散貢獻的分數（f)和/或附加貢獻的擴散率（D1)。
7. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，將利用所述基于各向同性擴散的梯 度調制方案獲得的回波衰減曲線假定為單指數。
8. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，微觀部分各向異性（μFA)根據擴散 分布的第二中心矩（μ，°和μ2)的平均擴散率（萬）和差值計算。
9. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述方法包括：通過使用伽馬分布 和其拉普拉斯變換的信號衰減，近似得出表觀擴散系數的分布。
10. 根據權利要求1-9中任一項所述的方法，其中，所述方法被執行使得平均擴散率被 約束為對于各向同性擴散加權數據和非各向同性擴散加權數據來說是等同的。
11. 根據權利要求1-9中任一項所述的方法，其中，所述方法被執行使得允許關于各向 同性擴散加權數據的平均擴散率不同于關于非各向同性擴散加權數據的平均擴散率。
12. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述各向同性擴散加權和所述非各 向同性擴散加權通過兩個不同的脈沖梯度自旋回波PGSE實現。
13. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述基于各向同性擴散加權的梯度 調制方案包括至少一種諧波調制梯度，其除去源自各向異性的IogE相對于b的曲率。
14. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述方法包括：產生關于所述非各 向同性擴散加權的IogE相對于b的最大曲率的單PGSE，以及用所述各向同性擴散加權的正 弦曲線各向同性梯度擴增的單PGSE。
15. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述方法允許確定具有各向異性擴 散和/或各向同性擴散的系統中的微觀各向異性的程度。
16. -種根據權利要求1-15中任一項所述的方法的用途，用于產生微觀部分各向異性 (μFA)的估計和量化微觀尺度上的各向異性的值。
17. -種根據權利要求1-15中任一項所述的方法的用途，其中，以下參數中的任何一 個用于在MRI中產生參數映射或用于產生MR圖像對比度，所述參數包括：微觀部分各向異 性（μFA)、平均擴散率（D)> 附加的擴散貢獻的分數（f)和/或附加貢獻的擴 散率（D1),或任何其它由μ2、μ2is°或平均擴散率計算的參數。
18. -種根據權利要求1-15中任一項所述的方法的用途，其中，微觀部分各向異性 (μFA)用于表征組織和/或診斷。
【文檔編號】G01N24/00GK104471426SQ201380023615
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年5月3日 優先權日:2012年5月4日
【發明者】丹尼爾·托普加德, 薩摩·拉西克, 馬庫斯·尼爾森 申請人:Cr發展公司