摘要
人们生活水平的提升对疾病诊断的准确性提出了更高的要求。脑疾病以其复杂性、难治愈性，历来是人们关注的重点。磁共振成像技术(Magnetic Resonance Imaging，MRI)作为一种无创的医学影像检查手段，在临床脑疾病中有广泛应用，并逐渐成为脑血管、组织病变的诊断，以及微小神经核团定位的主要方法。在精准医疗理念的驱动下，人们对磁共振成像的要求逐步提升，这促使了磁共振向更高的场强上发展，以提高信噪比，进而提升对比度和分辨率。针对上述需求，本文的研究基于7T超高场，主要从以下三个方面展开:第一，为了给脑血管病的诊断提供无创的基于磁共振的血液动力学依据，探索利用非造影剂的动态血管成像(Non-contrast-enhanced Four-dimension Magnetic Angiography，NCE4D MRA)技术，在7T超高场下实现血流的动态显示，以及对动静脉畸形(Arteriovenous malformation，AVM)病人的供血动脉、病灶和引流静脉进行血流动态呈现。第二，为了对脑深部电刺激(Deep Brain Stimulation，DBS)治疗重度帕金森病的关键靶点脚桥核(Pedunculopontine Tegmental Nucleus，PPN)准确定位，尝试借助磁化矢量准备双梯度回波快速采集(Magnetization Prepared2Rapid Acquisition Gradient Echoes,MP2RAGE)序列的高对比度、图像均匀度高等优势，对常规磁共振下几乎不可见的PPN进行成像，同时对PPN周围主要的神经纤维结构进行重建，并根据两者的空间位置关系确定定位结果。第三，为了探究7T超高场下，利用磁敏感系数量化(Quantitative Susceptibility Mapping，QSM)方法对脑深部金属离子沉积较多的丘脑底核(Subthalamic Nuclei，STN)和苍白球内侧(Globus Pallidus，GPi)的成像效果，为非线性形态确定的偶极子求逆(Nonlinear Morphology-enabled Dipole Inversion，NMEDI)求解QSM建立了针对STN和GPi核团成像的最优规整化参数选择方法，进而提出了对不同场强下基于NMEDI QSM方法进行STN和GPi成像的统一比较框架。比较了不同场强、不同分辨率下，不同对比度对STN和苍白球内侧GPi的成像结果。证明了7T超高场，以及基于QSM方法对STN和GPi显示的优越性。 本研究主要进展如下: 1.NCE4D MRA利用7T超高场提升信噪比，延长组织T1弛豫时间、从而延长标记血液在血管的显示时间的特性，提升对远端血管内血流进行成像的效果。针对该方法所使用的分步扰相梯度回波(Segmented Spoiled Gradient Echo，SPGR)序列易产生饱和效应、近远端血管显示不均的问题，研究利用Bloch方程仿真和在体实验，确定了序列最优的激发翻转角，平衡了近远端血管的显示。针对标准正交k-空间填充的NCE4D MRA序列比较耗时的问题，本研究将常规MRI（3T及以下）下已有的三维具有黄金间隔角径向k-空间填充(3D Stack-of-stars Golden Angle Radial k-space Trajectory)方式的NCE4D MRA序列推广至7T超高场下，实现了与标准正交k-空间填充方式相比将近3倍的加速效果。研究利用7T超高场带来的远端血管显示的提升和序列的加速，相比3T的结果，首次实现了AVM患者供血动脉、病灶、尤其是引流静脉的动态显示，并且与作为“金标准”的数字剪影技术(Digital Subtraction Angiography，DSA)结果相一致。 2.针对PPN作为潜在的DBS手术靶点，却在常规磁共振下几乎不可见给DBS手术带来的挑战，本研究首先利用7T超高场下MP2RAGE序列两回波相除结果，以0.7mm各项同性的分辨率成功地对PPN进行成像。由于7T超高场带来的信噪比和对比度提升，PPN的边界得以清晰显示。根据成像的结果，本研究又对PPN上下端点在AC-PC和B-F坐标系的位置进行了测量，并与前人的研究结果进行了比较。其次，本研究也使用了3T磁共振系统，利用扩散谱成像(Diffusion Spectrum Imaging，DSI)序列采集和广义q-空间成像(General q-space Imaging，GQI)算法重构，对PPN周围主要的纤维结构进行了重建，并通过两步配准，建立了7T PPN成像与3T重建纤维之间的位置关系。PPN位置测量和PPN与重建纤维的空间关系，确认了PPN成像的结果，也提供了更为丰富的PPN空间信息。 3.STN和GPi是另两个常用DBS手术靶点，由于核团的金属离子的沉积，7T超高场下基于QSM方法的核团的成像为二者的定位提供了很有前景的结果。非线性形态确定的偶极子求逆(Nonlinear Morphology-enabled Dipole Inversion，NMEDI)方法，由于其对伪影的稳健性，是常用的QSM算法。NMEDI中的规整化参数(Regularization Parameter)影响着QSM的结果，但如何确定最优的规整化参数目前还没有定论。本研究中，介绍了一种确定NMEDI QSM算法最优规整化参数的方法，提供了比较不同场强下，利用QSM方法进行STN和GPi成像效果比较的统一框架。比较了不同场强、不同分辨率下几种对比度对STN和GPi成像的效果。结果显示，最优参数下基于NMEDI的QSM方法对STN和GPi核团能够清晰显示。7T下的成像在不同对比度上比3T有更加良好的对比度噪声比(Contrast to Noise Ratio，CNR)。基于QSM方法的成像，相比其他对比度拥有更加清晰的核团边界。 远端血管动态成像，AVM供血动脉、病灶和引流静脉的动态显示，常规磁共振下不可见的PPN核团的呈现，以及相比3T更加良好的STN和GPi核团与周围组织CNR，证明了7T超高场所带来的信噪比提升、内生对比度的改变，更加有利于对大脑血管、核团等结构的显示。同时，也凸显了7T超高场磁共振在临床疾病诊断上的潜在价值。
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