基于磁敏感定量成像检测帕金森MPTP小鼠模型脑铁沉积的研究

发布时间：2020-07-03 09:19

【摘要】：帕金森病(Parkinson's disease,PD)是一种常见于老年人的神经退行性疾病。数据显示,我国65岁以上人群患病率大约为1.7%。随着人口老龄化,该病的发病率不断增加,而该病目前尚未有明确的发病机制和有效的治疗方法。近些年,很多研究表明帕金森患者的黑质区域存在过量的铁沉积。磁共振成像技术中的磁敏感定量成像(Quantitative susceptibility mapping,QSM)在脑铁定量方面具有较高的准确性和敏感度,多项研究均通过该技术检测到帕金森患者黑质的磁化率显著高于健康组,但该技术在帕金森MPTP(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahy-dropyridine)小鼠模型的应用尚未有报导。本文将基于磁敏感定量成像,检测帕金森MPTP小鼠模型黑质和纹状体的脑铁沉积,为以后借助小鼠模型研究帕金森疾病提供一个可参考的量化指标。首先,本文提出一种定量磁敏感的重建方法——改进后的形态学相似性反演(Improved morphology enabled dipole inversion,iMEDI)。该方法除了在幅度图平滑区域加入总变分约束之外,还通过先验信息进一步约束磁化率图像的边缘区域。仿真数据、体模数据以及人脑数据的实验结果均表明,iMEDI能够有效地改善在组织边缘处的条形伪影和磁化率准确性,并且相比于MEDI方法,本文提出的方法的均方根误差(RMSE)和高频误差范数(HFEN)更低,结构相似性(SSIM)和线性回归分析的确定系数(R2)更高,得到的磁敏感定量图更接近于标准。其次,分别配制不同浓度超顺磁性氧化铁(Superparamagnetic iron oxide,SPIO)以及氯化铁(Ferric chloride)溶液,利用磁敏感定量成像技术对溶液浓度进行定量分析,得到磁化率的测量值与每种溶液浓度之间的确定系数R2均为0.98,表明磁敏感定量成像技术可以准确地定量分析出铁离子的含量。再将磁敏感定量成像技术应用到MPTP诱导的帕金森疾病小鼠模型,旨在研究该小鼠模型中黑质和纹状体的铁沉积变化。在活体实验中,MPTP模型组(n = 5)黑质的磁化率值为7.90±0.86ppb,对照组(n=5)的磁化率值为4.72±1.48ppb;MPTP模型组(n = 5)纹状体磁化率值为4.00±0.79ppb,对照组(n = 5)的磁化率值为2.38±0.44 ppb。在离体实验中,MPTP模型组(n = 5)黑质磁化率值为5.92±0.84 ppb,对照组(n = 5)的磁化率值为3.92±0.67ppb;MPTP模型组(n = 5)纹状体磁化率值为3.41±0.61ppb,对照组(n=5)的磁化率值为2.29±0.35ppb。活体和离体的磁敏感定量成像结果均表明MPTP模型组的黑质和纹状体磁化率值显著地(P0.05)高于对照组。同时,病理普鲁士蓝染色也证明了 MPTP模型组在黑质和纹状体的铁沉积高于对照组。另外,黑质和纹状体的磁化率值与行为学观察中小鼠在转棒上的停留时间呈强负相关。磁敏感定量成像可以准确地定量分析出铁离子的含量,磁化率值可能是一个研究帕金森疾病非常有潜力的生物学标记。
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;R742.5;R-332
【图文】：

流程图,磁敏感,成像技术,流程图

早在２１世纪初，就有学者提出磁敏感定量成像的想法利用相逡逑位信息提供一种能反映组织磁化率局部变化的新型对比度。近年来，随着算法逡逑技术的改进与完善，在一定程度上解决了磁敏感定量成像重建过程（图２－１）中逡逑的问题，目前磁敏感定量成像已经被广泛应用到与铁沉积相关的神经退行性疾逡逑病的临床研究中。本节简单介绍磁敏感定量成像每一步骤的基本原理。逡逑１７逡逑

相位,解缠,红色,相位解缠

因为是以２邋为周期的周期函数，当相位炉落在［－７Ｔ，７ｒ）范围之外，则会缠绕逡逑回［－７Ｔ，７ｒ）范围之内，导致相邻像素之间的相位数值会存在（ｎ为整数）逡逑的突变，如图２－２红色箭头处。因此需要进行相位解缠绕（Ｐｈａｓｅ邋ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ），逡逑基本公式如下：逡逑妒（ｒ）邋＝邋ｐｗ（ｒ）邋＋邋ｎ（ｒ）邋＊邋２ｔｔ逦（２－１８）逡逑其中ｒ表示任一空间位置，为缠绕相位，为解缠绕后的相位，正整数ｎ逡逑是基于相位的空间平滑性这一假设得到的，如何确定正整数ｎ是相位解缠绕的逡逑关键。目前相位解缠绕方法比较成熟，主要有几类［８２］：基于图像质量指导解缠逡逑绕、３Ｄ最优路径解缠绕、基于拉普拉斯算子（Ｌａｐｌａｃｉａｎ）的解缠绕。本文采取逡逑一种基于拉普拉斯算子的高效相位解缠绕的方法［８３］，基本公式如下：逡逑（ｐ邋＝邋ＦＴ－＾ＦＴ＾ｏｓｃｐＦＴ－＾ＦＴｉｓｉｎｑ））］逡逑—ｓｉｎ邋＜ｐ邋Ｆｒ－１［ｆｃ２Ｆ７（ｃｏｓ邋ｃｐ）］｝／ｋ２｝逡逑ＦＴ表示傅里叶变换，ＦＴ—１为傅里叶逆变换。基于拉普拉斯算子解缠绕得到逡逑的相位如图所示。逡逑２０逡逑

【参考文献】