CN111803068A - 一种基于虚拟磁共振弹性成像的无创评估肝纤维化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于虚拟磁共振弹性成像的无创评估肝纤维化的方法，所述方法包括以下步骤：通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，再按照函数关系式求得剪切模量，所述函数关系式为sADC＝‑7.4315×10‑1μMRE+1.1×10‑1或sADC＝‑7.2135×10‑1μMRE+9.8207×10‑1。本发明的方法可成为磁共振弹性成像检测肝纤维化的替代技术，且无需激发装置和特定的后处理软件，有助于我国临床肝纤维化检测的普及和检测水平的提升。
Description
技术领域
本发明涉及病理诊断领域，具体地说，是一种基于虚拟磁共振弹性成像的无创评估肝纤维化的方法。
背景技术
肝纤维化是各种慢性肝脏损害所致细胞外基质(即胶原、糖蛋白和蛋白多糖等)在肝组织内弥漫性过度沉积与异常分布，导致肝脏结构或(和)功能异常的病理变化，在结构上表现为肝窦毛细血管化与肝小叶内以及汇管区纤维化，在功能上表现为肝功能减退和门静脉高压等。肝纤维化是肝脏应对慢性肝损伤的病理性修复愈合反应。当肝内弥漫性纤维组织增生、肝细胞结节性再生、假小叶形成，即发展到肝硬化阶段。因此，肝纤维化是慢性肝病向肝硬化发展的必经途径和共有病理改变，是影响慢性肝病预后的重要环节。研究发现肝纤维化病理改变可以逆转，即使较严重的肝纤维化通过有效的治疗也可以得到缓解，而肝硬化逆转困难。因此，在肝纤维化病变阶段早期诊断、精准评估和及时干预对于防止肝脏纤维化进一步发展成肝硬化具有重要的意义。但是，大多数慢性肝病导致的肝纤维化无特异性的临床症状，患者的各项体征和血液生化指标均不易被及时发现。目前，肝穿刺活检仍作为评价肝纤维化程度的金标准，但是肝穿刺活检作为一种侵入性的诊断方法，取材仅为肝脏组织的1/150000，且肝内纤维化分布并不均匀，存在取样偏差，不能确定整个肝脏的纤维化程度，而且检查费用较高，还有出血等并发症，严重时可能危及生命。尽管一些血清学诊断模型和超声瞬时弹性成像等无创性检测方法目前在临床上应用较多，但是其在肝纤维化评估的准确性及成功率方面仍有待进一步改善。
磁共振弹性成像(magnetic resonance elastography，MRE)作为评估软组织硬度的成像技术于1995年产生。MRE是通过应用体外激发装置对兴趣组织施加剪切波，使剪切波在兴趣组织内连续动态传播而产生振幅，从而引起组织微小位移和形变。利用MRI脉冲序列对组织质点位移进行成像，得到相位图和波形图。利用处理软件将其转化成可以定量的彩色编码弹性图。通过勾画感兴趣区(Region of Interest，ROI)得到组织弹性值，从而定量分析兴趣组织的生物学特性。因此，MRE的完成需要具备：能产生剪切波的激励装置、相位位移MR成像序列、获得剪切波产生位移变化的磁共振图像、计算组织弹性的反演拟合算法、弹性图像分析系统。
MRE激励装置大多采用电磁驱动，控制器产生特定频率和幅度的剪切波信号，通常为50-1000Hz，使驱动器产生振动，将驱动器紧贴体表，使剪切波能够在组织中稳定传播，从而引起组织微小位移。MRE采集以梯度回波序列为基础，在X、Y或Z轴上施加与剪切波频率一致的运动敏感梯度(motion sensitiziong gradient，MSG)序列。MSG方向垂直于剪切波传播方向，平行于质点运动方向。当施加MSG时，剪切波导致质子自旋周期性移动，使得接收信号产生周期性相位位移，反映在相位图上，通过反演拟合算法获得组织MRI弹性图。剪切波的传播速度与组织硬度呈正相关，组织硬度越大则剪切波传播速度越快。因此，把剪切波速度与弹性模量关联，即可量化组织的剪切模量，从而评估组织硬度。MRE具有无创、重复性高、检测结果稳定、对操作者依赖性小、可提供肝脏全貌等优势，将成为一种前景广阔的诊断新方法，在慢性乙肝肝纤维化早期诊断、纤维化分期和治疗疗效评估中具有重要的价值。
然而，虽然MRE在评估肝脏硬度方面具有重要的地位，能够很准确的进行肝纤维化的分期，但是它仍然具有一些局限性。首先，对铁沉积患者，由于铁超负荷使局部磁场不均匀，质子快速去相位，造成信号缺失；其次，MRE成像需要专门的激发装置和后处理软件，患者检查前需要激发装置，且扫描中需要特殊的成像序列，也增加患者的检查时间；再者，目前通常应用飞利浦和GE等国外生产的弹性成像激励装置且价格昂贵，这是制约我国MRE应用于临床的重要原因，特别是一些基层医院，没有实力购买相关硬件及软件。
肝纤维化主要表现为胶原为主的细胞外基质过量沉积，从而使质子明显减少，并被紧紧束缚在一起，导致水分子的弥散运动减弱。扩散加权成像(diffusion-weightedimaging，DWI)可以在微观水平显示组织结构特征，因为水的扩散受到诸如纤维或细胞膜的组织成分的阻碍。DWI被用于各种生理或病理条件，其中表观扩散系数值(apparentdiffusion coefficient，ADC)是DWI最常用的量化指标，其大小用于反映组织内水分子运动的快慢，弥散速度快的组织ADC值高。肝纤维化组织内的水分子受细胞膜及其内外间隔等扩散障碍的限制，实际组织内水分子的扩散比自由水的扩散要复杂，组织内的水分子扩散位移偏离高斯分布。虚拟磁共振弹性成像基于双指数模型，旨在将生物组织内水分子扩散的布朗运动与非布朗运动的微循环灌注相关的扩散区分开来，采用多个b值分析对组织内水分子的随机运动和血液在毛细血管网中的流动进行同时测量，在反映组织内水分子扩散特性的同时还能提示微循环灌注信息。由于肝纤维化的形态学改变之前，肝组织内的水分子弥散、微循环灌注已经发生改变，因此基于DWI的虚拟磁共振弹性成像为无创诊断肝纤维化提供了一种新的手段，且敏感性可能更高，或可成为标准磁共振弹性成像的替代技术。
文献(刘莹，石喻，于兵，等.磁共振弹性成像与DWI诊断肝纤维化分期[J].中国医学影像技术，2016，032(009)：1386-1390.)探讨了MRE与DWI诊断慢性肝病肝纤维化分期的价值，具体对37例慢性肝病患者均进行MRE与DWI检查，分别测量肝组织弹性值与ADC值，分析了各测量者测得的弹性值、ADC值的一致性。
然而，目前未见如本发明的基于DWI直接准确评估得到肝脏组织弹性值以评估肝纤维化程度的方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种基于虚拟磁共振弹性成像的无创评估肝纤维化的方法。
本发明的再一目的是，提供一种非诊断和治疗目的地基于虚拟磁共振弹性成像获得肝脏组织剪切模量的方法。
为实现上述第一个目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于虚拟磁共振弹性成像的无创评估肝纤维化的方法，包括以下步骤：通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，再按照函数关系式求得剪切模量，所述函数关系式为sADC＝-7.4315×10-5μMRE+1.1×10-3或sADC＝-7.2135×10-5μMRE+9.8207×10-4。
作为本发明的一个优选例，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，其中扩散敏感梯度因子b值设定为200，500s/mm2，所述函数关系式为sADC＝-7.4315×10-5μMRE+1.1×10-3。
更优选地，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，具体采用单次激发自旋回波平面序列扫描，扩散敏感梯度因子b值设定为200，500s/mm2，TR/TE＝4000/56.6ms，FOV＝400×400mm2，层厚4mm，矩阵100×100；所述位移表观扩散系数的计算公式为：sADC＝In(SLKb/SHKb)/(HKb-LKb)，其中sADC表示位移表观扩散系数，LKb表示低关键b值，HKb表示高关键b值。
作为本发明的另一优选例，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，其中扩散敏感梯度因子b值设定为200，800s/mm2，所述函数关系式为sADC＝-7.2135×10-5μMRE+9.8207×10-4。
更优选地，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，具体采用单次激发自旋回波平面序列扫描，扩散敏感梯度因子b值设定为200，800s/mm2，TR/TE＝4000/56.6ms，FOV＝400×400mm2，层厚4mm，矩阵100×100；所述位移表观扩散系数的计算公式为：sADC＝In(SLKb/SHKb)/(HKb-LKb)，其中sADC表示位移表观扩散系数，LKb表示低关键b值，HKb表示高关键b值。
为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案为：
一种非诊断和治疗目的地基于虚拟磁共振弹性成像获得肝脏组织剪切模量的方法，包括以下步骤：通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，再按照函数关系式求得剪切模量，所述函数关系式为sADC＝-7.4315×10-5μMRE+1.1×10-3或sADC＝-7.2135×10-5μMRE+9.8207×10-4。
作为本发明的一个优选例，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，其中扩散敏感梯度因子b值设定为200，500s/mm2，所述函数关系式为sADC＝-7.4315×10-5μMRE+1.1×10-3。
更优选地，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，具体采用单次激发自旋回波平面序列扫描，扩散敏感梯度因子b值设定为200，500s/mm2，TR/TE＝4000/56.6ms，FOV＝400×400mm2，层厚4mm，矩阵100×100；所述位移表观扩散系数的计算公式为：sADC＝In(SLKb/SHKb)/(HKb-LKb)，其中sADC表示位移表观扩散系数，LKb表示低关键b值，HKb表示高关键b值。
作为本发明的另一优选例，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，其中扩散敏感梯度因子b值设定为200，800s/mm2，所述函数关系式为sADC＝-7.2135×10-5μMRE+9.8207×10-4。
更优选地，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，具体采用单次激发自旋回波平面序列扫描，扩散敏感梯度因子b值设定为200，800s/mm2，TR/TE＝4000/56.6ms，FOV＝400×400mm2，层厚4mm，矩阵100×100；所述位移表观扩散系数的计算公式为：sADC＝In(SLKb/SHKb)/(HKb-LKb)，其中sADC表示位移表观扩散系数，LKb表示低关键b值，HKb表示高关键b值。
本发明优点在于：
本发明发现DWI和标准MRE具有很强的相关性，提供了具体的通过DWI检查结果直接评估剪切模量μmre的步骤和函数关系式。本发明的方法可成为MRE检测肝纤维化的替代技术。常规MRE需要应用飞利浦和GE等国外生产的弹性成像激励装置，价格昂贵，这是制约我国MRE应用于临床的重要原因，而本发明的方法应用的是国产MRI系统，所需装置更加简单，不需要激发装置和特定的后处理软件，有助于我国临床肝纤维化检测的普及和检测水平的提升。
附图说明
附图1：磁共振弹性成像检测肝纤维化的示意图。
附图2：正常志愿者肝脏磁共振弹性成像弹性图。
附图3：肝纤维化患者肝脏磁共振弹性成像弹性图。
附图4：实施例1中虚拟磁共振弹性成像与标准磁共振弹性成像剪切模量之间的相关性。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
实施例1
我们首先通过多b值的DWI得到位移表观扩散系数(shifted apparent diffusioncoefficient，sADC)值，同时通过常规MRE得到肝脏的剪切模量μmre，再确定哪两个关键b值组合计算得到的sADC与MRE剪切模量μmre有最高的相关性，确定sADC和μmre之间的函数关系，根据该函数关系式则可以通过DWI的sADC值直接计算得到肝脏的剪切模量μmre，并且保证很高的准确度。
1、DWI检查，具体如下：
MRI系统：上海联影医疗科技有限公司uMR 780。
检查前嘱患者禁食、禁水4-6小时，检查前训练受检者均匀呼吸及屏气。线圈选择32通道体部相控阵表面线圈，体表定位标记为剑突，扫描范围自膈顶至肝下缘，扫描时首先进行快速三平面定位。
扫描采用单次激发自旋回波平面序列(EPI)，扩散敏感梯度因子b值共设定11个(0，20，40，80，120，160，200，500，800，1200，1500s/mm2)，TR/TE＝4000/56.6ms，FOV＝400×400mm2，层厚4mm，矩阵100×100。呼气末屏气状态下采集。应用上海联影医疗科技有限公司的图像后处理工作站进行图像重建，由1名具有5年腹部诊断经验的放射科医师和联影高级工程师共同完成。勾画感兴趣区，得到sADC值。其中，sADC通过使用能够反映高斯和非高斯运动的两个关键b值(低关键b值(LKb)和高关键b值(HKb))计算得到，具体公式为：sADC＝In(SLKb/SHKb)/(HKb-LKb)。
2、MRE检查，具体如下：
MRI系统(图1)：上海联影医疗科技有限公司uMR 780；多功能便携式磁共振弹性成像激发装置为自制，其中激发装置由电磁驱动方式产生剪切波，包括控制器和驱动器两部分，将控制器放在扫描间外部，用于产生低频剪切波，驱动器通过塑料连接管穿过墙壁进入扫描间，前端采用定制的圆形硅胶材料可充分贴合人体胸腹壁，在保证舒适的前提下将产生均匀柔和的剪切波。
检查前嘱患者禁食、禁水4-6小时，检查前训练受检者均匀呼吸及屏气。线圈选择32通道体部相控阵表面线圈，体表定位标记为剑突，扫描范围自膈顶至肝下缘，扫描时首先进行快速三平面定位。
受检患者仰卧位，将被动刺激装置前端中心放在患者右上腹部肝穿刺活检定位平面(约平腋前线第8-9肋间)，用腹带固定，振动频率为60Hz，振幅50％，采集头足方向。梯度回波序列(GRE)扫描参数：TR/TE＝50ms/20ms，FOV400×400mm2，扫描矩阵256×80。整个序列包括4次屏气过程，每次14s，扫描一层，层厚约8mm，均在呼气末屏气状态下进行数据采集。受检者采集一层可得到相应幅度图和波形图，如波形不清晰，则进行重复扫描。采用Matlab2019b处理软件进行图像后处理，由2名具有5年腹部诊断经验的放射科医师经培训后勾画感兴趣区，尽量避开较大血管，所得值即为肝脏弹性值(即剪切模量)。
图2示出了正常志愿者肝脏磁共振弹性成像弹性图，其中弹性值为2.5kPa。图3示出了肝纤维化患者肝脏磁共振弹性成像弹性图，其中弹性值为2.81kPa、3.11kPa、3.78kPa。
3、确定sADC和μmre之间的函数关系
通过DWI检查得到的sADC值来评估肝脏的μmre值，与MRE检查得到μmre值进行比对，确定哪两个关键b值组合计算得到的sADC与MRE剪切模量μmre有最高的相关性，确定sADC和μmre之间的函数关系。再通过正常志愿者和5名肝纤维化病人的数据验证上述函数关系的有效性。结果见图4，可见MRE剪切模量μmre与标准ADC 200-500(R2＝0.865，P<0.001)和ADC 200-800(R2＝0.631，P<0.001)具有很强的相关性，使用这两个函数可以通过DWI检测得到较为准确的肝脏的μmre值。最后，可以使用Matlab 2020生成肝脏虚拟弹性图。
实施例2
本实施例提供一种基于虚拟磁共振弹性成像的无创评估肝纤维化的方法，所述方法包括以下步骤：
1、对待检查的个体行DWI检查：
MRI系统：上海联影医疗科技有限公司uMR 780。
检查前嘱患者禁食、禁水4-6小时，检查前训练受检者均匀呼吸及屏气。线圈选择32通道体部相控阵表面线圈，体表定位标记为剑突，扫描范围自膈顶至肝下缘，扫描时首先进行快速三平面定位。
扫描采用单次激发自旋回波平面序列(EPI)，扩散敏感梯度因子b值设定为200，500s/mm2，TR/TE＝4000/56.6ms，FOV＝400×400mm2，层厚4mm，矩阵100×100。呼气末屏气状态下采集。应用上海联影医疗科技有限公司的图像后处理工作站进行图像重建，由1名具有5年腹部诊断经验的放射科医师和联影高级工程师共同完成。勾画感兴趣区，得到sADC值。其中，sADC通过使用能够反映高斯和非高斯运动的两个关键b值(低关键b值(LKb)和高关键b值(HKb))计算得到，具体公式为：sADC＝In(SLKb/SHKb)/(HKb-LKb)。
2、计算得到肝脏的μmre值：
根据函数公式sADC＝-7.4315×10-5μMRE+1.1×10-3，代入DWI检查得到的sADC值，计算得到肝脏的剪切模量μmre。
实施例3
本实施例提供另一种基于虚拟磁共振弹性成像的无创评估肝纤维化的方法，所述方法包括以下步骤：
1、对待检查的个体行DWI检查：
MRI系统：上海联影医疗科技有限公司uMR 780。
检查前嘱患者禁食、禁水4-6小时，检查前训练受检者均匀呼吸及屏气。线圈选择32通道体部相控阵表面线圈，体表定位标记为剑突，扫描范围自膈顶至肝下缘，扫描时首先进行快速三平面定位。
扫描采用单次激发自旋回波平面序列(EPI)，扩散敏感梯度因子b值设定为200，800s/mm2，TR/TE＝4000/56.6ms，FOV＝400×400mm2，层厚4mm，矩阵100×100。呼气末屏气状态下采集。应用上海联影医疗科技有限公司的图像后处理工作站进行图像重建，由1名具有5年腹部诊断经验的放射科医师和联影高级工程师共同完成。勾画感兴趣区，得到sADC值。其中，sADC通过使用能够反映高斯和非高斯运动的两个关键b值(低关键b值(LKb)和高关键b值(HKb))计算得到，具体公式为：sADC＝In(SLKb/SHKb)/(HKb-LKb)。
2、计算得到肝脏的μmre值：
根据函数公式sADC＝-7.2135×10-5μMRE+9.8207×10-4，代入DWI检查得到的sADC值，计算得到肝脏的剪切模量μmre。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于虚拟磁共振弹性成像的无创评估肝纤维化的方法，其特征在于，包括以下步骤：通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，再按照函数关系式求得剪切模量，所述函数关系式为
或
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，其中扩散敏感梯度因子b值设定为200，500s/mm2，所述函数关系式为
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，具体采用单次激发自旋回波平面序列扫描，扩散敏感梯度因子b值设定为200，500s/mm2，TR/TE＝4000/56.6ms，FOV＝400×400mm2，层厚4mm，矩阵100×100；所述位移表观扩散系数的计算公式为：sADC＝In(SLKb/SHKb)/(HKb-LKb)，其中sADC表示位移表观扩散系数，LKb表示低关键b值，HKb表示高关键b值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，其中扩散敏感梯度因子b值设定为200，800s/mm2，所述函数关系式为
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，具体采用单次激发自旋回波平面序列扫描，扩散敏感梯度因子b值设定为200，800s/mm2，TR/TE＝4000/56.6ms，FOV＝400×400mm2，层厚4mm，矩阵100×100；所述位移表观扩散系数的计算公式为：sADC＝In(SLKb/SHKb)/(HKb-LKb)，其中sADC表示位移表观扩散系数，LKb表示低关键b值，HKb表示高关键b值。
6.一种非诊断和治疗目的地基于虚拟磁共振弹性成像获得肝脏组织剪切模量的方法，其特征在于，包括以下步骤：通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，再按照函数关系式求得剪切模量，所述函数关系式为
或
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，其中扩散敏感梯度因子b值设定为200，500s/mm2，所述函数关系式为
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，具体采用单次激发自旋回波平面序列扫描，扩散敏感梯度因子b值设定为200，500s/mm2，TR/TE＝4000/56.6ms，FOV＝400×400mm2，层厚4mm，矩阵100×100；所述位移表观扩散系数的计算公式为：sADC＝In(SLKb/SHKb)/(HKb-LKb)，其中sADC表示位移表观扩散系数，LKb表示低关键b值，HKb表示高关键b值。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，其中扩散敏感梯度因子b值设定为200，800s/mm2，所述函数关系式为
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述通过扩散加权成像得到位移表观扩散系数，具体采用单次激发自旋回波平面序列扫描，扩散敏感梯度因子b值设定为200，800s/mm2，TR/TE＝4000/56.6ms，FOV＝400×400mm2，层厚4mm，矩阵100×100；所述位移表观扩散系数的计算公式为：sADC＝In(SLKb/SHKb)/(HKb-LKb)，其中sADC表示位移表观扩散系数，LKb表示低关键b值，HKb表示高关键b值。
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