2026.2.11
本文介绍了SpinDoctor-IVIM，一个通过新有限元求解器模拟广义Bloch-Torrey偏微分方程的虚拟IVIM成像工具，该工具结合了血流模拟，能够更真实地考虑血管内扩散和血管内外空间渗透性，从而加速IVIM成像生物标志物的发现和方法优化。
Title题目
01
SpinDoctor-IVIM: A virtual imaging framework for intravoxel incoherent motion MRI
SpinDoctor-IVIM: 一种用于体素内非相干运动MRI的虚拟成像框架
文献速递介绍
02
体素内非相干运动（IVIM）成像是评估组织血流灌注的扩散磁共振成像（dMRI）技术，其信号衰减源于微血管网络中的血液流动，形成伪扩散过程。尽管IVIM在临床应用中前景广阔，但其信噪比低，且伪扩散、灌注分数和组织扩散等参数与微血管生物物理特征和成像协议之间的确切关系仍不明确。传统的IVIM模拟方法存在局限性，如忽略血管内水分子扩散、血管内外渗透性影响以及不真实的血流模拟，阻碍了对IVIM信号的深入理解。为了克服这些限制，本文提出了一个虚拟IVIM成像框架，旨在通过解决广义Bloch-Torrey偏微分方程来更准确地模拟IVIM成像。
Aastract摘要
02
体素内非相干运动（IVIM）成像在临床MRI中日益重要，它提供的组织灌注和扩散信息有助于疾病诊断、患者康复监测和治疗效果评估。目前，基于IVIM成像的生物标志物发现依赖于漫长的临床前和临床验证途径，以将图像中的可观察标记与潜在的病理生理机制联系起来。为加速这一过程，本文提出虚拟IVIM成像方法。该方法提供了一个高效的虚拟成像工具，用于设计、评估和优化IVIM成像的新方法。本研究通过一个新的有限元求解器SpinDoctor-IVIM开发了虚拟IVIM成像，该求解器扩展了扩散MRI模拟工具SpinDoctor，通过求解广义Bloch-Torrey偏微分方程来模拟IVIM成像信号。SpinDoctor-IVIM的输入速度是使用已建立的格子玻尔兹曼血流模拟器HemeLB计算的。与以往方法不同的是，SpinDoctor-IVIM在血流模拟中考虑了容积微血管系统，包含了血管内空间的扩散现象，并考虑了血管内和血管外空间之间的渗透性。这些新特性通过在真实微血管模型上的模拟得到了验证和阐释。
Method方法
03
本文开发了SpinDoctor-IVIM，扩展了现有的SpinDoctor工具，使其能够通过求解广义Bloch-Torrey（gBT）偏微分方程来模拟IVIM成像信号，该方程考虑了自旋速度、扩散和弛豫。血流速度输入来自HemeLB模拟器，该模拟器能计算微血管内的局部血流速度，且两个工具均考虑了微血管的完整三维体积。gBT方程的空间离散化采用有限元方法（FEM），引入了描述自旋速度影响的阻尼矩阵。针对HemeLB的格子离散化与SpinDoctor-IVIM的四面体网格之间的速度插值，采用刚性变换对网格进行配准。为模拟渗透性影响，微血管被包围在血管外空间中，并通过排除边界附近的信号来消除边界效应。此外，通过设置感兴趣区域（ROI）并初始化非感兴趣区域为零磁化，以避免模拟中出口边界的弹性反射对信号的影响。通过与COMSOL软件在圆柱结构上的模拟结果进行比较，验证了SpinDoctor-IVIM的精度和可靠性。
Discussion讨论
04
SpinDoctor-IVIM作为一种新颖的虚拟IVIM成像工具，通过新颖的有限元求解器和HemeLB血流模拟，实现了更真实和全面的IVIM成像模拟。研究强调了血管内扩散率（Db）对IVIM成像信号的显著影响，以及将其纳入模拟的重要性，这与广义Bloch-Torrey方程中的对流-扩散项理论上是一致的。该工具还首次揭示了血管渗透性（P）对模拟IVIM信号的影响，这是传统方法无法实现的。此外，其基于更真实的血流模拟，提高了结果的可靠性，并有助于局部探索血流参数与IVIM成像参数间的关系。研究的局限性包括微血管几何结构简单、尺寸小，限制了血流速度和扩散编码时间的范围，且血管T2值未充分考虑红细胞压积和氧合水平对不同血管类型的影响。
Conclusion结论
05
本文引入了SpinDoctor-IVIM，一个在IVIM成像领域取得显著进展的虚拟成像工具。它利用创新的有限元求解器并与HemeLB血流模拟集成，实现了IVIM成像新方法的高效设计、评估和优化。SpinDoctor-IVIM独特性地考虑了血流模拟中的容积微血管结构、血管内空间的扩散现象以及血管内和血管外空间之间的渗透性。该虚拟IVIM成像方法为加速IVIM相关定量模型的验证提供了一条有前景的途径，通过弥合图像中可观察标记与潜在病理生理机制之间的鸿沟，并可为IVIM采集参数提供建议，从而推动临床MRI的进步，并增强对组织灌注和扩散动力学的理解。
Results结果
06
研究通过原型实验展示了SpinDoctor-IVIM在IVIM成像研究中的应用。在模拟的弹道流态下，评估了血流压力（血流速度）、血管内扩散率（Db）和血管渗透性（P）变化对模拟IVIM成像信号及拟合模型参数（伪扩散系数D*、真实扩散系数D、灌注分数f和估计速度ve）的影响。结果显示，血管内扩散率Db对IVIM成像信号有显著影响，其排除会改变D的估计趋势。渗透性P的增加也会导致信号衰减增加。血流速度v的增加则会加速IVIM成像信号的衰减。纳入Db会降低D*的估计值，增加D的估计值；D*随v增加而增加，随P增加而减少。f的估计值随v、Db和P的增加而增加，其中弹道模型对血管体积分数估计最接近真实值。ve的估计值在纳入Db时会减少，但随v增加而增加，随P增加而减少。
Figure图
07
图1.IVIM模型。(a) 示意图，展示了水分子在血管内空间（红色所示）和血管外空间（蓝色所示）内的过渡运动和布朗运动。(b) 基于水分子布朗运动（扩散）和过渡运动（伪扩散）的观测dMRI信号衰减比较。伪扩散导致信号衰减比扩散快得多，因此仅在低b值时观察到。图像经许可复制（Jerome et al., 2021）。
图2. 所提出的虚拟IVIM成像集成工具的示意图。
图3.格子与四面体相对位置示意图。
图4.网格生成与配准。(a) 从HemeLB的输入表面网格生成用作SpinDoctor IVIM输入的四面体网格；(b) 四面体网格与HemeLB输出格子之间的配准。
图5.被血管外空间（蓝色）包围的小鼠视网膜血管丛子集（红色）。
图6.通过设置出口边界附近max{v(r,t)}×Te区域的初始磁化强度为零，以排除出口边界对模拟IVIM成像信号的影响。在模拟结束时，该区域的磁化强度不计入最终信号计算。
图7.不同ROI，即max{v(r,t)}×Te，以及每个ROI中的最大速度max{v(r,t)}对归一化IVIM成像信号的影响。
图8.SpinDoctor-IVIM与COMSOL模拟的半径5微米、长度100微米圆柱体磁化强度比较：(a) 平均磁化强度幅值，(b) 归一化磁化强度幅值差异。
图9.SpinDoctor-IVIM与COMSOL模拟的半径5微米、长度100微米圆柱体信号强度比较：(a) 归一化信号，(b) 归一化信号差异。下标 ‘s’ 和 ‘c’ 分别表示SpinDoctor-IVIM和COMSOL的信号。
图10.(a) ROI中血管段的分布，平均长度为60.28微米，中位数为43微米；(b) vmax=0.01 ms-1时速度幅值的分布，平均值为450微米/秒，中位数为96.7微秒；© vmax=0.02 ms-1时速度幅值的分布，平均值为900微米/秒，中位数为193.45微秒。
图11.改变Db和P对 (a) 血管内和血管外空间共同产生的IVIM成像信号（速度0.01 m s-1），(b) 仅血管内空间产生的IVIM成像信号（速度0.01 m s-1），© 血管内和血管外空间共同产生的IVIM成像信号（速度0.02 m s-1），以及 (d) 仅血管内空间产生的IVIM成像信号（速度0.02 m s-1）的影响。
图12.在不同v、Db和P下，使用不同模型估计的D*值。
图13.在不同v、Db和P下，使用不同模型估计的D值。
图14在不同v、Db和P下，使用不同模型估计的f值。
图15在不同v、Db和P下，使用不同模型估计的ve值。
