本文關(guān)鍵詞：體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)成像人體組織多成分灌注建模研究

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【摘要】：從生理學(xué)角度,灌注是指組織或器官內(nèi)的血液循環(huán),具體而言,是指血液在微血管網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的流動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì),人體絕大多數(shù)的疾病都是由組織灌注異常直接或間接導(dǎo)致的。然而,目前在臨床上應(yīng)用最為廣泛的幾類組織灌注成像技術(shù),嚴(yán)格意義上講,均屬于有創(chuàng)檢測手段,而且部分成像技術(shù)還需要放射性物質(zhì)介入。這使得體質(zhì)較為虛弱的患者無法承受該類成像技術(shù)的檢測,由此錯(cuò)過了最佳治療期。為解決這一問題,Le Bihan等科學(xué)家提出了體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(Intravoxel Incoherent Motion,IVIM)成像技術(shù)。該技術(shù)無需向人體內(nèi)注射顯像劑或?qū)Ρ葎?屬于真正意義上的無創(chuàng)檢測手段,并且IVIM成像技術(shù)的圖像分辨率高、成像過程無放射性物質(zhì)介入。但是經(jīng)典IVIM成像技術(shù)無法測量多成分組織灌注。這嚴(yán)重阻礙了IVIM成像技術(shù)的臨床推廣。本課題基于IVIM成像技術(shù)測量多成分組織灌注這一主題,以實(shí)現(xiàn)組織灌注精確測量為出發(fā)點(diǎn),建立能夠準(zhǔn)確描述多成分組織灌注特征和復(fù)雜微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)灌注特征的新IVIM模型。多成分組織灌注的模型描述是精確測量組織灌注的基礎(chǔ),其準(zhǔn)確性直接影響IVIM成像技術(shù)檢測結(jié)果的可信度。由于描述多成分灌注不可避免地需要建立更加復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,所以將新模型中未知參數(shù)的數(shù)量控制在合理的范圍內(nèi),對(duì)基于新模型的IVIM成像技術(shù)能否應(yīng)用于臨床至關(guān)重要。此外,對(duì)復(fù)雜微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)灌注的模型描述也是提高IVIM成像技術(shù)測量結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。復(fù)雜微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)灌注,在廣義上講,也屬于多成分組織灌注。然而,其獨(dú)特之處在于部分血管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為特殊。因此,如何恰當(dāng)描述不同結(jié)構(gòu)的微血管網(wǎng)絡(luò)是建立復(fù)雜微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)灌注數(shù)學(xué)模型的難點(diǎn)。本課題針對(duì)現(xiàn)有模型在描述多成分組織灌注和復(fù)雜微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)灌注中存在的不足展開研究,并提出相應(yīng)的解決方案。本文主要研究工作如下:(1)研究組織的多成分灌注究竟會(huì)對(duì)雙指數(shù)IVIM模型的參數(shù)估計(jì)產(chǎn)生怎樣的影響以及影響的程度。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示,灌注成分的數(shù)量越多或者灌注成分之間的差異越大,IVIM參數(shù)的方差越大�；谡鎸�(shí)人體腹腔器官DW(Diffusion-Weighted)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,多成分灌注特征最明顯的肝臟,其IVIM參數(shù)的方差最大。此外,偽擴(kuò)散系數(shù)受多成分灌注的影響最顯著。(2)針對(duì)雙指數(shù)IVIM模型無法描述多成分組織灌注特征的問題,提出一種用于描述組織多成分灌注特征的自適應(yīng)多指數(shù)IVIM模型。該模型利用組織中灌注能力較強(qiáng)的成分對(duì)高b值擴(kuò)散加權(quán)(Diffusion-Weighted,DW)衰減信號(hào)貢獻(xiàn)幾乎為零的特點(diǎn),在不斷增加IVIM模型中指數(shù)表達(dá)式數(shù)量的同時(shí),不斷向低b值側(cè)拓展擬合的b值范圍,并最終確定模型中指數(shù)表達(dá)式的數(shù)量。定性和定量實(shí)驗(yàn)評(píng)估的結(jié)果顯示自適應(yīng)多指數(shù)IVIM模型能夠在一定程度上反映組織的多成分灌注特征,并且能夠更加準(zhǔn)確地描述多成分組織灌注產(chǎn)生的DW衰減信號(hào)。(3)針對(duì)自適應(yīng)多指數(shù)IVIM模型對(duì)b值采樣及對(duì)DW信號(hào)信噪比依賴程度較高的問題,提出一種泛化IVIM模型。該模型利用一個(gè)連續(xù)的偽擴(kuò)散變量代替多指數(shù)IVIM模型中一系列離散的偽擴(kuò)散系數(shù),并基于該連續(xù)的偽擴(kuò)散變量構(gòu)建了一個(gè)連續(xù)的灌注容積分?jǐn)?shù)密度函數(shù)。該函數(shù)可以取代多指數(shù)模型中一系列離散的指數(shù)表達(dá)式,實(shí)現(xiàn)對(duì)組織多成分灌注特征的描述。通過對(duì)灌注容積分?jǐn)?shù)密度函數(shù)的實(shí)例化,可以構(gòu)建肝臟的泛化IVIM模型。基于流補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,肝臟的泛化IVIM模型不僅能夠反映真實(shí)肝組織灌注多樣性的變化,而且能夠更加準(zhǔn)確地描述肝組織DW信號(hào)的衰減趨勢。此外,肝臟泛化IVIM模型降低了對(duì)b值采樣和對(duì)DW信號(hào)信噪比的依賴。(4)針對(duì)現(xiàn)有模型無法準(zhǔn)確描述心肌組織復(fù)雜微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)灌注的問題,提出一種體素內(nèi)偏相干與不相干運(yùn)動(dòng)(Intravoxel Partially Coherent and Incoherent Motion,IVPCIM)模型。該模型將雙指數(shù)IVIM模型與IVPCM(Intravoxel Partially Coherent Motion)模型相結(jié)合,描述了心肌組織中各向同性分布的小動(dòng)脈和小靜脈以及各向異性分布的毛細(xì)血管對(duì)DW信號(hào)衰減的貢獻(xiàn)�；谔摂M心肌微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型的仿真實(shí)驗(yàn)以及基于真實(shí)人體心臟數(shù)據(jù)的活體實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,IVPCIM模型能夠準(zhǔn)確且全面地反映心肌組織復(fù)雜微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)灌注特征,并且相比于雙指數(shù)IVIM模型和IVPCM模型,IVPCIM模型能夠更加準(zhǔn)確地描述心肌組織DW信號(hào)的衰減趨勢。
【關(guān)鍵詞】：多成分灌注 體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散加權(quán) 流補(bǔ)償技術(shù) 復(fù)雜微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)灌注
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：R445;TP391.41
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 緒論14-35
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義14-15
• 1.2 傳統(tǒng)的灌注成像技術(shù)及其研究現(xiàn)狀15-21
• 1.2.1 灌注的生理學(xué)及影像學(xué)描述16
• 1.2.2 侵入式灌注成像技術(shù)16-19
• 1.2.3 非侵入式灌注成像技術(shù)19-21
• 1.3 體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(IVIM)成像技術(shù)及其研究現(xiàn)狀21-31
• 1.3.1 擴(kuò)散加權(quán)磁共振成像原理21-25
• 1.3.2 IVIM成像原理25-27
• 1.3.3 與傳統(tǒng)灌注成像技術(shù)的比較27-28
• 1.3.4 IVIM成像技術(shù)研究現(xiàn)狀28-31
• 1.4 本領(lǐng)域存在的問題31-33
• 1.5 課題來源及主要研究內(nèi)容33-35
• 第2章 組織的多成分灌注對(duì)雙指數(shù)IVIM模型參數(shù)估計(jì)的影響35-55
• 2.1 引言35
• 2.2 多成分灌注概述35-40
• 2.2.1 多成分灌注的生理學(xué)描述36
• 2.2.2 多成分灌注對(duì)DW信號(hào)衰減貢獻(xiàn)的分析36-40
• 2.3 數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)40-47
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)40-41
• 2.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析41-47
• 2.4 活體腹部器官實(shí)驗(yàn)47-54
• 2.4.1 流補(bǔ)償擴(kuò)散磁共振成像技術(shù)介紹47-48
• 2.4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)48-50
• 2.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析50-54
• 2.5 本章小結(jié)54-55
• 第3章 多成分組織灌注的自適應(yīng)多指數(shù)IVIM模型55-66
• 3.1 引言55
• 3.2 自適應(yīng)多指數(shù)IVIM模型的建立55-60
• 3.2.1 建模流程55-58
• 3.2.2 腹腔器官的數(shù)據(jù)采集58-59
• 3.2.3 腹腔器官的自適應(yīng)多指數(shù)IVIM模型59-60
• 3.3 自適應(yīng)多指數(shù)IVIM模型的評(píng)估60-65
• 3.3.1 定性評(píng)估60-63
• 3.3.2 定量評(píng)估63-65
• 3.4 本章小結(jié)65-66
• 第4章 肝組織灌注的泛化IVIM模型66-78
• 4.1 引言66-67
• 4.2 肝臟的泛化IVIM模型67-69
• 4.2.1 多指數(shù)IVIM模型的泛化67-68
• 4.2.2 泛化IVIM模型的肝組織實(shí)例化68-69
• 4.3 肝臟泛化IVIM模型的評(píng)估69-77
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及評(píng)估方法69-70
• 4.3.2 評(píng)估結(jié)果及分析70-77
• 4.4 本章小結(jié)77-78
• 第5章 復(fù)雜組織灌注的體素內(nèi)偏相干與不相干運(yùn)動(dòng)模型78-103
• 5.1 引言78-79
• 5.2 IVPCIM模型79-83
• 5.2.1 IVPCIM模型的建立79-82
• 5.2.2 IVPCIM模型的求解82-83
• 5.3 建模與仿真實(shí)驗(yàn)83-98
• 5.3.1 建立虛擬心肌微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型83-92
• 5.3.2 仿真心肌組織的DW衰減信號(hào)92-93
• 5.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析93-98
• 5.4 真實(shí)人體心臟實(shí)驗(yàn)98-102
• 5.4.1 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理98-99
• 5.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析99-102
• 5.5 本章小結(jié)102-103
• 結(jié)論103-107
• 參考文獻(xiàn)107-123
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果123-125
• 致謝125-126
• 個(gè)人簡歷126

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