胎儿心脏大血管畸形的三维高分辨磁共振成像方法研究

Fetal cardiovascular malformation (FCM) is a complicated disease that has very poor prognosis. However, current technologies for the FCM examination cannot provide accurate diagnosis information. To address this issue, a three-dimension (3D) Magnetic Resonance Imaging (MRI) approach is proposed in this project, which will be focused on how to solve the slow MRI speed and motion artifact problems as well as how to meet the fetal MRI criteria, such as low specific absorption rate (SAR) and contrast agent free. The research includes: (1) a novel sparse sampling model is proposed to accelerate the MRI speed and reduce the SAR for fetal cardiovascular MRI; (2) a novel self-gating scheme with two direction navigators is also proposed for accurate motion corrections; (3) a novel sequence base on the balanced Steady State Free Precession (bSSFP) is introduced to realize sufficient signal to noise ratio (SNR) and contrast to noise ratio (CNR) for the sparse sampling model and self-gating scheme under the condition of contrast agent free. Based on the proposed approaches, a 3D high resolution MRI method for FCM examination will be realized. The launch of the project will provide a powerful tool for accurate diagnosis of fetal cardiovascular malformation and solve some difficult problems in the MRI field, which will have great impacts on both social and scientific fields.

胎儿心脏大血管畸形病情复杂、预后极差，而现有检查手段很难提供精确的影像学诊断信息。针对这一问题，本项目提出一种适合于胎儿心脏大血管畸形精确检查的三维高分辨磁共振成像方法，解决其中磁共振成像速度慢和容易产生运动伪影的瓶颈问题，并满足胎儿磁共振检查所必须的低SAR值、不使用造影剂等特殊要求。研究内容包括：（1）建立适合胎儿心脏大血管畸形检查的稀疏成像新模型，大幅降低成像所需数据量，以加快磁共振成像速度并降低SAR值；（2）发展基于两个方向运动导航的自门控新方法，准确获取运动信息，实现运动伪影校正；（3）开发满足稀疏成像模型和自门控方法要求的平衡稳态自由进动新序列，在不使用造影剂情况下保证图像对比度和信噪比，最终实现胎儿心脏大血管三维高分辨磁共振成像。本项目的实施，不仅有望为胎儿心脏大血管畸形提供一种有效的检查手段，而且可以为解决磁共振领域一些共性和难点问题提供基础，具有重要社会意义和科学价值。

项目背景及科学意义：胎儿心脏大血管畸形居各类先天性畸形的首位，它是指在胚胎发育时期心脏及大血管组织发育异常而导致出生时即存在心脏、大血管结构及功能异常。如果能在产前及早确诊胎儿心脏大血管结构发育异常，即可在产前或产后进行及时临床干预，这对降低畸形儿的出生率、死亡率以及对我国的优生优育政策都至关重要。产前超声是检查胎儿生长发育是否存在异常的首选方法，但在诊断胎儿心脏大血管畸形方面还存在难以克服的缺陷。针对这一问题，本项目开展胎儿心脏大血管畸形检查的三维高分辨MRI方法，重点解决其中成像速度慢和容易产生运动伪影的关键问题，并满足胎儿MRI检查所必须的低SAR值和不使用造影剂的特殊要求。.项目的主要研究内容和重要结果包括：① 提出基于Fibonacci数列的类黄金角度的Stack-of-stars轨迹bSSFP序列，实现无心电门控和自由呼吸状态下的心脏数据采集和成像，并有效避免bSSFP序列产生严重的涡流伪影；② 根据不同运动信号的频率特性不同的特点，开发出可挖掘呼吸运动和心脏跳动的算法，提取到扫描对象的运动信息，实现对采集数据的重排和图像重建；③ 整合所开发的成像序列和图像重建方法，搭建出基于Gadgetron构架的图像重建平台；④ 开发出三维超分辨图像重建方法，获得胎儿心血管的三维重建图像，重建的图像分辨率为0.75×0.75×0.75mm3，与原始二维图像的分辨率1.3×1.3×3.0mm3相比，成像分辨率大幅提高；⑤ 已开展方法的初步临床测试和评估工作，初步研究结果表明所提出的序列和图像重建方法在临床实际中具有一定的应用价值；.取得的主要成果及关键数据包括：① 在国际权威期刊IEEE Transactions on Medical Imaging、Magnetic Resonance In Medicine等共发表SCI论文16篇；② 申请专利5项，其中已获得授权4项；③ 培养硕士研究生4名，博士研究生1名。

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