一种用于人体糖原磁共振成像的系统、方法及可读介质技术方案

本发明专利技术公开一种用于人体糖原磁共振成像的系统、方法及可读介质。该系统包括数据处理器，其被配置为根据每个体素中的水质子信号强度测量值，生成糖原中的脂肪族质子与成像体积中的自由水质子的中继核奥氏效应(rNOE)交换过程的水质子信号强度图；以及利用对所述rNOE交换过程的水质子信号强度测量的校准，得到成像体积中糖原分子的浓度图。本发明专利技术借助于糖原的glycoNOE，利用糖原和水的磁耦合对糖原进行特异性高灵敏度成像，实现对人体组织中糖原的无创定量与高时空分辨率成像。无创定量与高时空分辨率成像。无创定量与高时空分辨率成像。

【技术实现步骤摘要】
一种用于人体糖原磁共振成像的系统、方法及可读介质


[0001]本专利技术涉及医学成像领域，尤其涉及一种用于人体糖原磁共振成像的系统、方法及可读介质。

技术介绍

[0002]糖原作为哺乳动物细胞中储存葡萄糖的主要形式，在维持血浆葡萄糖水平和为细胞活动以及运动功能提供燃料方面发挥着重要作用。在人体中，大部分(高达90％)吸收的葡萄糖以肌肉糖原的形式沉积，正常浓度约为80mM(葡萄糖单位)，而更高浓度(200～500mM)的糖原储存在肝脏中。众所周知，人体的糖原代谢与动物有很大不同。为了详细了解人体糖原代谢，以及对相关疾病进行潜在的临床评估，需要一种非侵入性的方法来直接观察人类糖原代谢。
[0003]虽然血糖水平可以容易地测量并用作诊断生物标志物，但组织糖原浓度的精确非侵入性测量本身具有挑战性，但对于基础科学和临床应用具有相当大的兴趣。由于糖原被限制在细胞内的位置，肝糖原含量的可靠测量一直是有问题的。组织活检后糖原的生化测定是最古老的测量方法，但其侵入性以及肝脏内区域差异的可能性，限制了这种方法的临床应用。
[0004]对于人体糖原成像方法，最常用的是使用
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C磁共振波谱(MRS)检测体内糖原的方法，极大地促进了对动物和人类的糖原代谢的定量了解。大约35年前就证明了用
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C NMR光谱非侵入性测量肝脏和肌肉中糖原的能力。对I型和II型糖尿病患者的大量后续研究对糖尿病状态下肌肉和肝糖原代谢的失调产生了有价值的见解。尽管取得了这些进展，但由于
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C核的低天然丰度和低回旋磁比，以及通常需要的
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C标记同位素的成本，体内
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CNMR波谱学仍然受到其固有的低信噪比(SNR)的阻碍。此外，绝大多数临床MRI扫描仪缺乏
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C检测能力，该技术的临床应用可能仅限于研究领域。
[0005]因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

[0006]专利技术人发现，现有检测人体内糖原的方法主要存在以下两方面的问题：
[0007]一方面，由于
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C MRS的检测灵敏度较低，总糖原水平的测量通常在自然丰度(1.1％)下以低时间和空间分辨率在大体积中进行。
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C测量的额外硬件要求也进一步限制了广泛的应用。因此，仍然需要一种灵敏度更高、能够快速和局部检测人体内糖原的方法。
[0008]另一方面，饱和转移(ST)或化学交换饱和转移(CEST)MRI作为一种新兴方法出现，成功实现对几种代谢物的高分辨率检测，包括糖原、肌酸(Cr)和磷酸肌酸(PCr)。在CEST MRI中，Z谱(类似于1H MR谱)显示了不同来源的分子的增强，包括与水交换质子的分子(例如，
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NH,
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NH2,
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OH利用通过羟基质子与水交换的信号增强)，糖原CEST(glycoCEST)实验以前已经被探索过，但羟基质子的快速交换性质给在频谱中正确提取糖原CEST信号带来了巨大挑战。在ST实验中提出了一种通过rNOE机制(glycoNOE)的糖原成像方法，并成功应用于
小鼠肝脏糖原的体内测绘。然而，使用glycoNOE MRI探测糖原在人体中仍然缺乏验证。
[0009]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的主要目的是验证glycoNOE在人体中的可见性，这对高分辨率、特异性探测糖原在临床方面应用大有帮助。本专利技术研究发现在5T下获得的人小腿肌肉的Z谱时，很明显糖原(在远离水的
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1ppm处)和磷酸肌酸(PCr，在+1.95ppm和+2.5ppm处)都是可见的。因此，研究了人类小腿肌肉中糖原NOE以及PCr
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CEST信号的定量和绘图。这为在高空间和时间分辨率下无创地研究人类能量代谢(糖原和PCr)提供了机会。
[0010]本专利技术的技术方案如下：
[0011]本专利技术的第一方面，提供一种用于人体糖原磁共振成像的系统，如图1所示，其中，包括：
[0012]主磁铁1，被配置为在成像体积上提供足够均匀的磁场；
[0013]磁梯度线圈2，被配置为在磁场中产生空间编码；
[0014]射频线圈3，被配置为在成像体积内的多个体素中的每个体素上获取一个或多个水质子信号强度测量值，其中所述水质子信号强度测量值是在一个或多个辐照频率下在每个体素上获取的，所述辐照频率比与自由水质子相关的基线频率低百万分之一(ppm)；
[0015]及数据处理器4，被配置为根据每个体素中的水质子信号强度测量值，生成糖原中的脂肪族质子与成像体积中的自由水质子的中继核奥氏效应(rNOE)交换过程的水质子信号强度图；以及利用对所述rNOE交换过程的水质子信号强度测量的校准，得到成像体积中糖原的浓度图。
[0016]进一步地，所述水质子信号强度测量值是在使用磁标记脉冲序列照射成像体积后获得的。
[0017]更进一步地，所述磁标记脉冲序列是饱和转移脉冲序列、反转脉冲序列和激发脉冲序列中的一种。
[0018]进一步地，所述数据处理器被进一步配置为基于与通过rNOE过程将脂肪族质子磁化转移到自由水相关的多个共振产生水质子信号强度图。
[0019]进一步地，所述成像体积包括肿瘤、大脑、心脏、肝脏和骨骼肌中的至少一个。
[0020]进一步地，所述一个或多个水质子信号强度测量值是多个信号强度测量，包括以一个或多个额外辐照频率下在每个体素中获得的一个或多个水质子信号强度测量值，所述额外辐照频率低于与自由水质子相关的基线频率；
[0021]其中，数据处理器被进一步配置为基于混合直接水饱和度和磁化转移对比度(MTC)背景来校正多个水质子信号强度测量。
[0022]进一步地，糖原分子的浓度图对每个体素内的糖原分子的浓度敏感。
[0023]进一步地，水质子信号强度的测量是在向成像体积施用外源分子之前、期间或之后获得的；其中，射频线圈被进一步配置为在施用外源分子后，在成像体积内的多个体素中的每个体素上获取一个或多个水质子信号强度测量值，以及数据处理器被进一步配置为生成成像体积内糖原的一系列浓度图，所述一系列浓度图描述了由于施用外源糖原而导致成像体积内糖原浓度的时间变化的特征。
[0024]进一步地，外源分子的施用包括注射同位素标记的或非标记的药剂，药剂包括多糖分子或可在人体内代谢或转化为糖原。
[0025]进一步地，水质子信号强度的测量是在对成像体积内的人体内源性糖原进行干预
之前获得的；射频线圈被进一步配置为在干预之后，在成像体积内的多个体素中的每个体素获得一个或多个水质子信号强度测量值，以及数据处理器被进一步配置为生成成像体积中糖原的一系列浓度图，所述一系列浓度图描述了由于干预而导致的成像体积中糖原浓度的时间变化。
[0026]进一步地，糖原浓度的变化包括糖原浓度的实质变化和由于同位素标记、化学分子标记效应引起的糖原中H质子浓度的等效变化。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于人体糖原磁共振成像的系统，其特征在于，包括：主磁铁，被配置为在成像体积上提供磁场；磁梯度线圈，被配置为在磁场中产生空间编码；射频线圈，被配置为在成像体积内的多个体素中的每个体素上获取一个或多个水质子信号强度测量值，其中所述水质子信号强度测量值是在一个或多个辐照频率下在每个体素上获取的，所述辐照频率低于与自由水质子相关的基线频率；及数据处理器，被配置为根据每个体素中的水质子信号强度测量值，生成糖原中的脂肪族质子与成像体积中的自由水质子的中继核奥氏效应交换过程的水质子信号强度图，所述中继核奥氏效应记为rNOE；以及利用对所述rNOE交换过程的水质子信号强度测量的校准，得到成像体积中糖原分子的浓度图。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水质子信号强度测量值是在使用磁标记脉冲序列照射成像体积后获得的。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述磁标记脉冲序列是饱和转移脉冲序列、反转脉冲序列和激发脉冲序列中的一种。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理器被进一步配置为基于与通过rNOE过程将脂肪族质子磁化转移到自由水相关的多个共振产生水质子信号强度图。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述成像体积包括肿瘤、大脑、心脏、肝脏和骨骼肌中的至少一个。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述一个或多个水质子信号强度测量值是多个信号强度测量，包括以一个或多个额外辐照频率下在每个体素中获得的一个或多个水质子信号强度测量值，所述额外辐照频率低于与自由水质子相关的基线频率；其中，数据处理器被进一步配置为基于混合直接水饱和度和磁化转移对比度背景来校正多个水质子信号强度测量。7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，糖原分子的浓度图对每个体素内的糖原分子的浓度敏感。8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，水质子信号强度的测量是在向成像体积施用外源分子之前、期间或之后获得的；其中，射频线圈被进一步配置为在施用外源分子后，在成像体积内的多个体素中的每个体素上获取一个或多个水质子信号强度测量值，以及数据处理器被进一步配置为生成成像体积内糖原的一系列浓度图，所述一系列浓度图描述了由于施用外源糖原而导致成像体积内糖原浓度的时间变化的特征。9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，外源分子的施用包括注射同位素标记的或非标记的药剂，药剂包括多糖分子或可在人体内代谢或转化为糖原。10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，水质子信号强度的测量是在对成像体积内的人体内源性糖原进行干预之前获得的；射频线圈被进一步配置为在干预之后，在成像体积内的多个体素中的每个体素获得一个或多个水质子信号强度测量值，以及数据处理器被进一步配置为生成成像体积中糖原的一系列浓度图，所述一系列浓度图描述了由于干预而导致的成像体积中糖原浓度的时间变化。11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述干预措施包括给药或化学合成物、手术、运动方案、食物的摄入和禁食方案中的一种。
12.一种利用如权利要求1
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11任一项所述的系统进行人体糖原磁共振成像的方法，其特征在于，包括步骤：确定糖原信号与糖原浓度的线性关系；基于ST MRI利用glycoNOE对人体糖原进行磁共振成像，采集完整或者部分Z
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谱数据；分析Z
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谱数据，从Z谱中提取并定量糖原信号；并利用糖原信号与糖原浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：周洋，马雨轩，邹超，郑海荣，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：