利用k空间读出技术实现的空间分辨扩散孔成像

《Magnetic Resonance Imaging》：Spatially resolved diffusion pore imaging using k-space readout

扩散孔隙成像（DPI）结合二维q和k空间数据采集，实现非均匀材料（如生物组织）中孔隙形状的空间分辨重建。通过相位参考校正技术消除残余相位干扰，验证了15μm和20μm毛细管 phantom的孔隙尺寸。方法创新性地将长窄梯度脉冲序列整合到常规自旋回波序列，通过二维q-k空间联合成像提升分辨率，为生物组织微结构研究提供新工具。

　　核磁共振扩散成像技术是研究材料或组织内部结构的强大工具。扩散孔隙成像（DPI）可以提供关于含有扩散物质的孔隙几何形状的信息。该技术能够生成成像体积中孔隙的平均图像，并且可以在比传统磁共振成像更小的尺度上进行测量。在涉及非均质材料，如生物组织或异质多孔介质的应用中，结合第二个空间编码步骤是区分不同测量体积区域中孔隙形状的关键。本文中，我们介绍了在Bruker 9.4特斯拉的小动物扫描仪上，结合二维q空间和二维k空间采集技术，重建每个k空间成像体素中的二维孔隙空间函数。传统的长窄序列方案被扩展，加入了常规的k空间成像读出步骤，以同时填充k空间和q空间。我们采用了一种常规的自旋回波方法，只使用一个重聚焦脉冲。通过从两个不同的感兴趣区域中提取数据，我们能够估计一个phantom中直径为15微米和20微米的毛细血管的大小。这些测量结果来源于孔隙空间函数的一维和二维投影。使用多重相关函数方法的模拟结果与实际测量的一维孔隙空间函数表现出良好的一致性。通过在无结构的油phantom中进行相位参考测量，我们修正了测量数据中的残留相位。

这项研究通过将二维q空间和二维k空间采集方法相结合，成功实现了对特定感兴趣区域孔隙形状的重建，展示了DPI在非侵入性探索细胞结构方面的潜力。在本研究中，我们能够在单次DPI测量中揭示单个体素中孔隙分布的平均形状，为预临床磁共振扫描仪上的应用提供了新的可能性。通过这种技术，可以对孔隙的大小和形状进行更精确的分析，这在传统MRI中是难以实现的，因为其通常无法提供足够高的分辨率以区分复杂的孔隙结构。本文的研究为未来在生物组织和多孔材料中的应用奠定了基础，同时为进一步的实验设计和参数优化提供了方向。

为了实现这种结合，我们使用了一种常规的自旋回波成像序列，并在其中引入了长窄梯度脉冲方案。这一方案的关键在于其梯度脉冲的持续时间选择，其中长梯度脉冲具有较长的持续时间，而短梯度脉冲则具有较短的持续时间。通过这种方式，我们能够在保留相位信息的同时，实现对孔隙结构的精确重建。此外，为了提高信号质量，我们采用了相位参考测量技术，该技术通过在无结构的油phantom中进行测量，修正了残留的相位误差。这一方法在实际应用中具有重要意义，因为它能够有效提升图像的信噪比，同时确保孔隙形状的准确性。

在实验设计中，我们使用了两个包含玻璃毛细血管的phantom，每个phantom的长度为20毫米，分别代表了直径为15微米和20微米的孔隙结构。这些毛细血管被真空填充，以确保其内部充满去离子水。通过这种方式，我们能够模拟真实孔隙的扩散行为，并进一步分析其结构特征。实验过程中，我们通过选择不同的梯度方向和强度，获得了不同孔隙结构的信号，并利用傅里叶变换和逆Radon变换技术重建了孔隙空间函数。通过这种方式，我们能够获得孔隙形状的二维图像，并验证其与实际孔隙结构的一致性。

在实际应用中，DPI技术的实现依赖于高梯度系统和精确的信号处理方法。例如，在使用9.4特斯拉的小动物扫描仪时，我们发现通过调整梯度脉冲的持续时间和强度，可以显著提高孔隙结构的重建质量。此外，为了减少噪声干扰，我们采用了信号平均的方法，并通过多次重复测量来提高信噪比。这种方法特别适用于孔隙结构较小的情况，因为小孔隙需要更高的q值范围以实现足够的分辨率。

实验结果表明，DPI能够有效揭示不同孔隙结构的形状和尺寸。对于直径为15微米和20微米的毛细血管，我们分别在两个不同的感兴趣区域中获得了相应的孔隙空间函数，并通过信号的实部和虚部分析验证了其准确性。这些结果与模拟预测的孔隙形状高度一致，说明该技术在实际应用中的可行性。此外，我们还发现，在某些情况下，残留相位的存在可能会影响孔隙空间函数的重建质量，因此引入相位参考测量对于消除这些误差至关重要。

通过将二维q空间和二维k空间采集方法结合，我们实现了对孔隙空间函数的精确重建。这种方法不仅提高了孔隙结构的分辨率，还使得在非均质样本中区分不同区域的孔隙形状成为可能。在实际应用中，这种技术可以用于研究细胞结构或组织中的微孔结构，从而提供更加详细的生物信息。此外，由于该方法依赖于高梯度系统和精确的信号处理，它在高场磁共振扫描仪上具有更大的应用潜力，特别是在需要高分辨率和高信噪比的情况下。

在实验过程中，我们发现孔隙空间函数的重建受到多个因素的影响，包括梯度脉冲的持续时间、梯度强度以及信号的平均次数。为了减少噪声，我们采用了较高的平均次数，同时优化了梯度脉冲的参数设置。然而，这种方法仍然存在一些局限性，例如在孔隙边缘可能会出现模糊效应，这是因为梯度脉冲的有限持续时间和强度。此外，孔隙的边缘增强效应可能导致孔隙空间函数的低估，这需要进一步优化实验条件以减少误差。

在实际应用中，DPI技术的推广需要考虑硬件和软件的兼容性。例如，为了提高信噪比和分辨率，需要使用更高性能的梯度系统和更精确的信号处理算法。此外，为了适应不同的应用场景，如人体体内成像，还需要进一步优化梯度脉冲的设计，以减少对周围组织的干扰。通过这些改进，DPI技术有望在生物医学研究和临床应用中发挥更大的作用。

总的来说，DPI技术为研究材料和生物组织的微结构提供了新的视角。通过结合二维q空间和二维k空间采集方法，我们能够实现对孔隙形状和大小的精确测量，并在单次实验中揭示不同区域的孔隙分布。这种方法不仅提高了成像的分辨率，还增强了对孔隙结构的可视化能力，为未来的生物医学研究和临床诊断提供了新的工具。通过不断优化实验条件和技术参数，DPI有望在更多领域得到应用，包括细胞生物学、病理学和医学影像学等。