基于PET/MRI的肺部微结构与代谢动力学多参数定量方法早期评估吸烟所致肺损伤

China is a big smoking country, and smoking is closely related with the occurrence and development of lung diseases such as chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and lung cancer. At present, the clinical diagnostic techniques such as CT and pulmonary function tests are very difficult to quantitatively detect microstructural parameters of such as small airways and alveoli, and metabolic functions of lung tissues. Therefore, early diagnosis and clinical intervention for lung injury caused by smoking is very difficult. The applicant previously used the new MRI technology of hyperpolarized 129Xe to measure the apparent diffusion coefficients (ADCs) of 129Xe gas in the lung of rats. It was found that the ADCs were significantly different between the smoking rats and healthy rats, correlated with the histology results in vitro. On the basis, the project is to develop hyperpolarized 129Xe multi-b diffusion MRI technology, combined with glucose metabolism imaging based on the integrated PET/MRI, which is used to detect the lung microstructures and metabolic dynamics in rat model of different smoking durations with multi-parameters quantitative analysis. The targets are to establish a new method for early sensitive, non-invasive and visual assessment of smoking-induced lung injury, which can be used to explore the pulmonary changes about both microstructure and metabolic function, and finally provide the basis for early clinical intervention for lung injury caused by smoking.

我国是吸烟大国，吸烟与慢阻肺和肺癌等肺部疾病的发生发展紧密相关。目前临床的诊断技术如CT和肺功能测试，难以对小气道、肺泡等微结构参数和肺组织的代谢功能进行定量探测，因此，吸烟所致肺损伤的早期诊断和临床干预非常困难。申请人前期利用超极化129Xe的MRI新技术，测量了129Xe气体在大鼠肺部的表观扩散系数(ADC)，发现吸烟模型大鼠与健康大鼠的ADC值具有显著性差异，且ADC值与离体肺部组织学结果存在相关性。在此基础上，本项目拟基于一体化PET/MRI，发展超极化129Xe多b值扩散MRI技术，联合葡萄糖代谢显像，对不同吸烟时长模型大鼠的肺部微结构和代谢动力学功能进行同步多参数定量分析，以期建立一种评估吸烟引起肺损伤的灵敏、无创、可视化的早期评估新方法，探索吸烟导致肺部微结构和代谢功能的动态变化，为临床早期干预吸烟导致的肺损伤提供基础。

本项目针对目前缺少对吸烟引起的肺部损伤的早期诊断、准确定量评估方法，从而导致吸烟引起的肺损伤难以早期诊断和临床干预这一临床问题，拟开展肺部微结构和代谢功能的临床可视化评价探索的研究。主要研究内容包括发展超极化129Xe多b值肺部扩散MRI的新方法，结合肺部微结构的简化模型，实现对肺部微结构的定量测量，以及利用正电子发射断层成像(PET)对肺部的功能进行可视化功能学研究。目前，方法学上存在三个重要问题，首先是图像采集过程中克服呼吸运动伪影的问题；然后是肺部对FDG摄取较低，如何提高PET图像质量的问题，以及最后对于超极化129Xe的不可恢复的磁化矢量，如何进行最大化有效利用的问题。为了克服呼吸运动伪影，本项目中，对呼吸门控引导下的PET成像方法进行了探索，研究结果表明利用基于幅度的呼吸校正方法对于规律呼吸的情况下有较好的成像结果，而基于相位的呼吸校正方法比较适用于呼吸规律的情况，该部分成果以第一作者身份发表在了核医学国际专业期刊EJNMMI Physics上面。针对第二个问题，本项目中，采用噪声压制的贝叶斯多次迭代算法进行PET图像重建，结果表明该方法的结果比传统的OSEM重建的图像质量有很大提升，病灶的SUV值有显著性提高，该部分研究成果以第一作者身份已投稿EJNMMI期刊(IF>10)。针对第三个问题，采用变定角联合激发的模式，根据MRI序列中b值的个数来确定变角个数，且连续增大激发角，来克服超极化129Xe初始磁化矢量不一致的特点，提出并实现了变定角联合激发的超极化129Xe多b值扩散MRI对肺部微结构的探测新方法，从电脑模拟评价，模型评价，最后到活体大鼠肺部微结构测量评价，证实了该方法的可行性和优越性，实现了对肺部微结构的定量测试。该部分的研究成果目前已经以第一作者身份写成论文，在投稿中

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