CN100466969C - 使用磁化传递磁共振成像量化血量 - Google Patents

Abstract

一种通过磁化传递(MT)成像实质中的血量的磁共振方法包括：确定实质的MT效应；确定组织的MT效应；和使用实质的MT效应和组织的MT效应之间的差异量化实质血量。在一个实施方式中，实质血量通过下式量化：MTR_par＝MTR_tissue(1-BV/V_par)，其中MTR_par是实质的磁化传递率，MTR_tissue是组织的磁化传递率，BV是血量，和V_par是总实质水容量。

Description

使用磁化传递磁共振成像量化血量

技术领域

以下涉及用于量化血量的无创性技术。它特别应用于通过磁共振成像技术来量化微脉管血量。

背景技术

按照惯例，使用有创和无创性技术来测量血量。有创技术包括正电子发射体层摄影(PET)，动态对比磁共振成像(DCMRI)，动态敏感度对比MRI(DSC MRI)，近红外光谱法(NIRS)，和光学成像。典型的PET技术基于放射性化合物的引入，例如通过一条动脉管路，或者基于C-11或O-15一氧化碳的吸入。MRI技术通常利用外源性造影剂(例如钆-二乙烯五胺乙酸(Gadolinium diethylenetriamine pentacetic acid Gd-DTPA)，单晶氧化铁纳米微粒MION)，以及用于造影剂注射/输注的静脉导管。

一种无创性方法使用血液信号的置零(nulling)来测量血量改变。该方法被称为脉管空间占用(vascular space occupancy VASO)。VASO技术平衡血液和组织之间的纵向弛豫时间T₁的差异，并且使用合适的反向恢复时间分出血液贡献至实质磁共振(MR)信号。另一无创性方法是血氧水平依赖(BOLD)功能性MRI(fMRI)。BOLD fMRI取决于血量，血液弛豫时间R₂等，并且原则上可以用于确定血量。例如，BOLD fMRI潜在地可以用于通过涉及低氧、高碳酸血症等确定的程序测量血量。然而，BOLD效应取决于许多生理参数，这些参数提供对许多内在假设和校准敏感的导出血量改变。

鉴于传统血量量化技术的前述缺陷，对改进的无创性血量量化技术存在未解决的需要。

发明内容

一种用于通过磁化传递(MT)效应实质中血量成像的磁共振方法，包括确定实质的MT效应，由纯组织和微脉管血液组成，确定纯组织中的MT效应，和基于实质的MT效应和组织的MT效应之间的差异量化实质血量。

一个优点包括确定血量。

另一优点在于通过磁化传递率(MTRs)确定实质血量。

另一优点在于通过MRI扫描确定血量。

另一优点在于不使用造影剂计算血量。

另一优点在于使用有限假设计算血量。

另一优点在于定量地和无创性地测量血量。

仍有进一步的优点，对本领域的普通技术人员来说，依据阅读和理解优选实施方式的具体描述将是很明显的。

附图说明

附图仅仅是为了示出工作实施方式的目的，并且不应当被理解成限制本发明。

图1示出了典型的磁共振成像扫描器，用于促进通过磁化传递(MT)性质确定血量的。

图2示出了通过MT效应确定血量的方法。

图3示出了通过磁化传递率(MTRs)确定血量的方法。

图4示出了通过生理干扰确定血量效应的方法。

图5示出了在不同动脉PCO₂含量下的窄饱和偏移频率范围的z光谱。

图6示出了在不同动脉PCO₂含量下的宽饱和偏移频率范围的z光谱。

图7示出了在缺乏射频(RF)辐射的情况下，信号强度对动脉PCO₂改变的信号强度BOLD型响应。

图8-10示出了在存在RF辐射的情况下，对动脉PCO₂改变的信号强度BOLD型响应。

图11-16示出了作为动脉PCO₂值的函数，被规范化为相应不饱和情况的基于MT的信号强度。

图17-23示出了BOLD型信号强度的在若干饱和偏移的动脉PCO₂依赖度，该依赖度被规范化关于血碳酸正常。

图24-27示出了作为动脉PCO₂含量的函数，基于MT的信号强度的在四个大偏移处的结果。

图28-31示出了作为动脉PCO₂含量的函数，基于BOLD的信号强度的在四个大偏移处的结果。

具体实施方式

图1示出了典型的磁共振成像扫描器2，用于促进通过磁化传递(MT)性质确定血量。通过结合传统的MRI扫描技术，并使用组织信号基于MT的大幅降低，能够获得绝对的血量图，该组织信号是关于血液信号的，用于在所有组织中无创性地确定绝对的和相对的血量效应。

扫描器2包括扫描器外壳4。主体6(或其他主体)至少部分地布置在外壳4的孔8内用于一个或多个扫描程序。磁体10位于扫描器外壳4中。典型地，磁体10是由低温护罩(cryoshrouding)12围绕的超导永磁体。然而，也可以利用其他已知的磁体。磁体10在主体6中产生磁场(B0)。典型的磁场强度大约为0.5特斯拉，1.0特斯拉，1.5特斯拉，3特斯拉或以上(例如大约7特斯拉)。

磁场梯度线圈14被布置在外壳4之中和/或之上，从而将选择磁场梯度叠加在B₀上。磁场梯度线圈14典型地包括用于产生正交磁场梯度的线圈。例如，这些线圈可以在笛卡尔平面中产生梯度，例如x，y和/或z梯度。一个或多个射频(RF)线圈位于扫描器2的孔中以发射射频激发脉冲(B₁)和测量磁共振信号。如图所示，整体线圈16围绕主体6在孔10中的部分，并且任选地，头RF线圈18围绕主体6的头部。

为了数据获得，RF源2通过RF转换开关22耦合到线圈16和/或18；从而将射频激发脉冲发射到成像区域中。RF转换开关22通过MR信号感测电路(未示出)接收来自主体6的MR信号。磁场梯度控制器24操作磁场梯度线圈14以在空间上编码该磁共振。例如，在RF激发期间施加的一维磁场梯度产生切片选择性的激发；在磁共振的激发和读出之间施加的磁场梯度提供相位编码；并且在磁共振的读出期间施加的磁场梯度提供频率编码。磁共振成像脉冲序列可以被配置成产生笛卡尔、径向、螺旋或其他空间编码。

在读出相位期间，转换开关22从线圈16和/或18与RF源20断开连接，并且将RF接收器24连接到线圈16和/或18，从而从主体6获得空间编码磁共振。被获得的磁共振存储在数据缓冲器26中，并且随后由处理部件28处理以产生一个或多个图像。无MT的传统图像存储在存储部件30中。带有MT预备序列的图像存储在存储部件30中。任选地，也可以产生和存储带有不同程度MT或不同组织/血液相对贡献的附加图像。处理部件28利用各种重建算法，这些算法适当地编码空间编码磁共振。例如，如果利用笛卡尔编码，典型地使用两维或三维快速傅立叶变换(FFT)重建算法。

血量处理器32分析带有不同MT编码或不同相对组织/血液贡献的图像的相应体素(voxel)，并且产生每个的血量值。全体地，每个体素的血量值构成血量图像。重建图像被显示在用户界面34或另一显示设备上，被打印，在网络(例如因特网，局域网(LAN)...)上被传送，被存储在存储介质中，和/或另外被使用。用户界面34也允许操作者通过将指令传送到扫描控制器36，来控制该磁共振成像扫描器2。

MRI扫描器2也用于方便从通过主体6的MRI扫描收集的数据确定血量。对于这样的程序，用户配置MRI扫描协议以引起磁化传递(MT)效应。该配置包括设置扫描器2以在主体6的扫描期间施加预备RF脉冲。用户通过选择选项和输入参数值或装载系统设定参数通过用户界面34来配置扫描程序。

作为脉冲的结果，MR信号被减小了。特别地，与主体6的相对固体组分有关的MR信号被MT脉冲减小的程度，大于与主体6的较少固体组分有关的MR信号。结果，与组织有关的MT效应远远大于与血液有关的MT效应。微脉管血液的容量从组织和血液上的共同MT效应以及单独组织上的MT效应的测量导出。血液和组织两者上的MT效应可以通过传统的MRI扫描技术获得。仅仅组织上的MT效应可以通过血液置零技术获得，例如VASO方法。MT效应可以通过改变脉冲数量，脉冲的长度和/或强度，或脉冲的偏移而改变。

通过用户界面34，用户通过将控制信号发送到扫描控制器36开始扫描。主体6被扫描，并且数据如上面所总结的那样被收集，并且在下面更具体地被描述。血量处理器32接收和处理MR信号。在合成图像(resultantimages)中，每个体素与代表其血液含量的灰度级有关。

在一个例子中，血量处理器32基于实质和组织的MT效应确定血量。使用该方法，处理部件32通过实质的MR信号，确定实质的MT性质，一个实质的MR信号是在存在偏共振RF辐射的情况下获得的，一个实质MR信号是在缺乏偏共振RF辐射的情况下获得的。血量处理器32通过组织的MR信号，确定组织的MT性质，一个组织的MR信号是在存在偏共振RF辐射的情况下获得的，和一个组织的MR信号是在缺乏偏共振RF辐射的情况下获得的。血量处理器32通过实质的MT性质和组织的MT性质之间的差异来量化实质血量。附加地和备选地，处理部件32确定实质中的血量效应和组织中的血量效应，并且从那里量化血量改变效应。结果血量和/或血量改变效应在用户界面34上被显示给用户，被存储在存储部件30中，和/或另外被使用。

例如通过在存在偏共振RF辐射的情况下获得的血液MR信号，和在缺乏偏共振RF辐射的情况下获得的血液MR信号，处理部件32另外确定血液的MT性质。血量处理器32基于实质、组织和血液的MT性质来量化实质血量。处理部件32也可以确定血液中的血量效应，和从实质、组织和血液中的血量效应来量化血量改变效应。结果血量和/或血量改变效应在用户界面34上被显示给用户，被存储在存储部件30中，和/或另外被使用。

在另一例子中，血量处理器32通过磁化传递率(MTRs)确定血量。血量处理器32通过各种算法计算血量。合适的算法包括如下:V_par(1-MTR_par/MTR_tissue)，其中V_par是总实质水容量，MTR_par是实质的磁化传递率，MTR_tissue是组织的磁化传递率。血量处理器32将MTR_par计算为:在存在偏共振RF辐射的情况下实质的MR信号与在缺乏偏共振RF辐射的情况下实质的MR信号的比率。类似地，血量处理器32将MTR_tissue计算为在存在偏共振RF辐射的情况下组织的MR信号与在缺乏偏共振RF辐射的情况下组织的MR信号的比率。典型地，相同的偏共振RF辐射频率、功率、脉冲长度和脉冲数量用于确定MTR_par和MTR_tissue两者。结果血量在用户界面34上被显示给用户，被存储在存储器中，和/或另外被使用。

血液的磁化传递率MTR_blood也被确定。血量处理器32将MTR_blood计算为在存在偏共振RF辐射的情况下血液的MR信号与在缺乏偏共振RF辐射的情况下血液的MR信号的比率。血量处理器32基于MTR_par，MTR_tissue和MTR_blood计算血量。例如，至少部分基于下列量化血量:

MTR_par＝MTR_tissue-(MTR_tissue-MTR_blood)(BV/V_par)。典型地，用于确定MTR_par和MTR_tissue的偏共振RF辐射频率、功率、脉冲长度和脉冲数量也用于确定MTR_blood。

在又一例子中，血量处理器32基于在有和无影响血量的生理干扰的情况下获得的数据确定实质中的血量改变效应。可以在无任何干扰的情况下执行扫描程序以通过无干扰的MT效应获得数据。也可以在有干扰的情况下执行扫描程序以通过有干扰的MT效应获得数据。血量处理器32计算有和无干扰的数据之间的差异，并且通过MT效应的改变量化血量改变效应。合适的干扰包括CO₂呼吸，屏气，换气过度，脑激活，吸入和/或摄取适当的化学品，和/或影响血量的其他干扰。备选地，光谱装置或类似装置可以用于基于在有和无这种干扰的情况下获得的数据来确定血量。

血量处理器32也确定实质中的血量改变效应。例如，血量处理器32在存在偏共振射频(RF)辐射的情况下获得实质的MR信号，并且在缺乏偏RF辐射的情况下获得实质的MR信号。血量处理器32然后基于MR实质信号确定实质的MT。

通过成像技术，例如自旋回波，梯度回波，和/或受激回波来获得MR信号，该MR信号通过处理部件32使用从而量化血量和/或测量MT效应中的改变。

图2示出了通过MT效应确定血量(绝对和相对)的方法38。引起MT效应的合适技术(例如MRI，光谱法...)用于确定实质的MT性质。这样一种技术包括在存在和缺乏偏共振RF辐射的情况下获得每个体素的磁共振(MR)信号。在参考数字40处，获得存在偏共振RF辐射中的一个实质MR信号。在42处，获得缺乏偏共振RF辐射中的一个实质MR信号。

引起MT效应的合适技术用于确定组织(例如纯血管外组织)的性质。在参考数字44处，执行血液置零MR脉冲序列或另一种血液置零方法(例如使用造影剂)。在46处，在存在偏共振RF辐射的情况下获得组织的MR信号。在48处，在缺乏偏共振RF辐射的情况下获得组织的MR信号。血液置零MR脉冲序列包括从血液去除MRI信号的任何MRI方法或其他方法。例子包括但不限于下列中的至少一个:施加180度反向RF脉冲，之后是特定反向恢复时间，在特定磁场强度下，基于血水的校正T1，所述特定反向恢复时间能够使血液磁共振信号置零；在获得之前的磁化演化期间，施加强的相干的基于流动的和非相干的基于扩散的去相位梯度；在流入到关心的切片中之前激发和血液中去相位水质子；和加入试剂(例如松弛剂)以去除血液的水信号。

在参考数字50处，基于实质的MT性质和组织的MT的性质来量化实质血量。例如，可以从实质的MR信号和组织的MR信号之间的差异计算实质血量。该血量表示微脉管血量。

在备选实施方式中，血液中的MT效应也被获得。用于确定血液中的MT效应的合适技术包括，在存在偏共振RF辐射的情况下获得血液的MR信号，和在缺乏偏共振RF辐射的情况下获得血液的MR信号。MR信号是体内隔离血液信号和来自保持在生理条件下的血液模型的血液信号中的一种。然后基于实质的MT性质、组织的MT性质和血液的MT性质量化实质血量。

图3示出了通过磁化传递率(MTRs)确定血量(绝对和相对)的方法52。在54处，确定实质的磁化传递率MTR_par。用于确定MTR_par的合适技术包括:在存在偏共振RF辐射的情况下获得实质的MR信号；在缺乏偏共振RF辐射的情况下获得实质的MR信号；和将实质的MTR计算为:在存在偏共振RF辐射的情况下实质的MR信号与在缺乏偏共振RF辐射的情况下实质的MR信号的比率。

在参考数字56，确定组织的磁化传递率MTR_tissue。用于确定MTR_tissue的合适方法包括:执行血液置零MR脉冲序列或使MR血液信号置零的任何其他方法；在存在偏共振RF辐射的情况下获得组织的MR信号；在缺乏偏共振RF辐射的情况下获得组织的MR信号；和将组织的MTR计算为在存在偏共振RF辐射的情况下组织的MR信号与在缺乏偏共振RF辐射的情况下组织的MR信号的比率。典型地，相同功率、长度和脉冲数量的相同偏共振RF辐射频率用于确定MTR_par和MTR_tissue两者。血液置零MR脉冲序列包括任何MRI方法或其他方法，以如前所述从血液去除MRI信号。

在参考数字58，基于MTR_par和MTR_tissue之间的关系来量化实质血量。例如，可以至少部分基于下列来量化血量:BV＝V_par(1-MTR_par/MTR_tissue)，其中V_par是总实质水容量。可以备选地通过作为射频功率、偏移、角度、相位和长度和/或脉冲数量中的至少一个的函数改变组织和/或实质的MTR而获得血量。

也可以获得血液的磁化传递率MTR_blood。用于确定MTR_blood的合适技术包括在存在偏共振RF辐射的情况下获得血液的MR信号；在缺乏偏共振RF辐射的情况下获得血液的MR信号；和使用在存在偏共振RF辐射的情况下血液的MR信号和在缺乏偏共振RF辐射的情况下血液的MR信号计算血液的MTR。基于MTR_par，MTR_tissue和MTR_blood来量化实质血量。例如可以至少部分基于下列量化血量:

MTR_par＝MTR_tissue-(MTR_tissue-MTR_blood)(BV/V_par)。

图4示出了通过引入或抑制影响血量的生理干扰确定血量改变的方法60。合适的干扰包括CO₂呼吸，屏气，换气过度，脑激活，吸入和/或摄入适当的化学品，和/或影响血量的其他干扰。在参考数字62，获得与无干扰的MT效应有关的信号。在64，获得与有干扰的MT效应有关的信号。在66，计算表示无干扰和有干扰的MT效应的改变的信号之间的改变。用于确定实质中的血量改变效应的合适技术包括在存在偏共振射频(RF)辐射的情况下获得实质的MR信号，在缺乏偏RF辐射的情况下获得实质的MR信号，和基于MR实质信号确定实质的MT。在参考数字68，所述改变用于量化实质中的血量改变效应。MRI系统、光谱装置或类似装置用于执行这些行动和确定实质中的血量改变效应。

以下描述导出模型的典型技术，该模型作为组织中的MT信号衰减和实质中的MT信号衰减的函数计算血量。应当理解的是以下被提供是为了说明而不是限制。本领域的技术人员将认识到其他技术可以用于导出作为组织、实质、血液等中的MT信号衰减的函数计算血量的一个或多个其他模型。

实质是身体中器官的功能部分(例如基本和特殊组织)。作为例子，肾的肾单位和肺的肺泡是实质。实质由微血管和血管外组织组成。微脉管系统包括微动脉，毛细血管和小静脉，它们全部确定总血量。例如，可以通过BV＝∑_iBV_i计算总血量，其中血量在微动脉、毛细血管和小静脉血液上被求和(例如i＝微动脉、毛细血管和小静脉血液)。血管外组织由许多部分组成，包括组织水和半固态大分子。大分子具有数十kHz的光谱宽度。

通过由偏共振射频(RF)场使宽大分子相(broad macromolecular phase)饱和，组织水的磁共振(MR)信号由于饱和从质子的半固态池传递到水质子而减小。该传递被称为磁化传递(MT)效应并且通常由磁化传递率MTR＝1-S_sat/S_unsat来描述，其中S_sat是饱和(有RF辐射)成像信号强度，S_unsat是不饱和(无RF辐射)成像信号强度。由于血液较少被偏共振辐射干扰，因此微脉管血液水对总的实质MR信号的信号贡献将增加，这取决于偏共振辐射功率、偏移、相位、长度、角度、脉冲数量以及其他MR和组织参数。可以通过改变这些参数中的至少一个来测量血量。

使用MRI，水的测量信号强度反映多部分体素中的生理改变效应。每个体素部分(例如组织，血液...)具有单个组织松弛和MT参数，并且每个部分的相对贡献取决于体素的尺寸和位置以及该MRI获得参数。对于同种输注组织，例如实质，作为回波时间(TE)的函数的规范化成像信号强度(S_par)是由方程1表达的多指数衰变过程:

$S_{\mathrm{par}}=x_{\mathrm{tissue}}{S}_{\mathrm{tissue}}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{blood},i}{S}_{\mathrm{blood},i},$

$=x_{\mathrm{tissue}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{tissue}}{e}^{-R_{2,\mathrm{tissue}}\mathrm{TE}}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{blood},i}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{blood},i}{e}^{-R_{2,\mathrm{blood},i}\mathrm{TE}},---1$

其中x_tissue是组织的水分数，S_tissue是组织的成像信号强度，x_blood是血液的水分数，S_blood是血液的成像信号强度，η_tissue是倍增因数或系数，R₂是横向松弛率，TE是回波时间，i是表示特定血液隔室的变量。血液隔室的总和在微动脉、毛细血管和小静脉血液上求和(例如i＝微动脉、毛细血管和小静脉)。血液水分数反映血量与实质体积的比率BV_i/V_par。在生理干扰期间的总水含量是 $x_{\mathrm{tissue}}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{blood},i},$ 其等于1。

由于在每次扫描结束时基本完全松弛(其中TR远远大于T₁)，无MT的或不饱和的90-180度自旋回波(SE)获得序列(S_par，unsat)由方程2表达:

$S_{\mathrm{par},\mathrm{unsat}}=x_{\mathrm{tissue}}{e}^{-R_{2,\mathrm{tissue}}\mathrm{TE}}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{blood},i}{e}^{-R_{2,\mathrm{blood},i}\mathrm{TE}},---2$

并且有MT的或饱和的90-180度SE获得序列(S_par，sat)由方程3表达:

$S_{\mathrm{par},\mathrm{sat}}=x_{\mathrm{tissue}}(1-{\mathrm{MTR}}_{\mathrm{tissue}})e^{-R_{2,\mathrm{tissue}}\mathrm{TE}}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{blood},i}(1-{\mathrm{MTR}}_{\mathrm{blood},i})e^{-R_{2,\mathrm{blood},i}\mathrm{TE}},---3$

其中(1-MTR_tissue)是组织中的传统MT信号衰减，并且(1-MTR_blood)是血液中的传统MT信号衰减。由于血液上的可忽略MT效应(例如当RF辐射远离水共振时)，方程3由方程4表达:

$S_{\mathrm{par},\mathrm{sat}}=x_{\mathrm{tissue}}(1-{\mathrm{MTR}}_{\mathrm{tissue}})e^{-R_{2,\mathrm{tissue}}\mathrm{TE}}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{blood},i}{e}^{-R_{2,\mathrm{blood},i}\mathrm{TE}}$

$=(1-{\mathrm{MTR}}_{\mathrm{tissue}})(x_{\mathrm{tissue}}{e}^{-R_{2,\mathrm{tissue}}\mathrm{TE}}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{blood},i}{e}^{-R_{2,\mathrm{blood},i}\mathrm{TE}})---4$

$+{\mathrm{MTR}}_{\mathrm{tissue}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{blood},i}{e}^{-R_{2,\mathrm{blood},i}\mathrm{TE}}.$

实质的z光谱(被规范化为相应不饱和情况的信号强度)由方程5表达:

$\frac{S_{\mathrm{par},\mathrm{sat}}}{S_{\mathrm{par},\mathrm{nusat}}}=(1-{\mathrm{MTR}}_{\mathrm{par}})$

$=(1-{\mathrm{MTR}}_{\mathrm{tissue}})+{\mathrm{MTR}}_{\mathrm{tissue}}\frac{\mathrm{\Σ}{x}_{\mathrm{blood},i}{e}^{-R_{2,\mathrm{blood},i}\mathrm{TE}}}{x_{\mathrm{tissue}}{e}^{-R_{2,\mathrm{tissue}}\mathrm{TE}}+\mathrm{\Σ}{x}_{\mathrm{blood},i}{e}^{-R_{2,\mathrm{blood},i}\mathrm{TE}}}.---5$

其中(1-MTR_par)是实质中的MT信号衰减。方程5的第二项描述由增加的血液信号贡献导致的MR效应的明显减小(例如减小的MTR_par)。

方程5表示当施加射频时对信号增加的血量贡献。实现绝对量化的一种方法是假设血液中可忽略的MT效应或通过用体外技术测量血液MT，例如使用生理血液模型和其他血液松弛测量来说明有限的MT效应。当忽略血液MT时，使用长重复时间(TR)和很短的回波时间(TE)，利用实质选择法(例如通过使用足够高的空间分辨率或通过使用生理范例和实质功能MRI法)，方程5简化为方程6:

(1-MTR_par)＝(1-MTR_tissue)+MTR_tissue(BV/V_par)，          6

其中BV是血量，V_par是总实质水容量。方程6的参数和/或变量可以被重排以产生方程7:

MTR_par＝MTR_tissue(1-BV/V_par).                          7

或方程8:

BV＝V_par(1-MTR_par/MTR_tissue).                          8

方程7和方程8两者都表明可以通过MTR_par和MTR_tissue测量量化血量。通过传统的MT技术测量MTR_par，并且通过诸如VASO法这样的血液置零技术或诸如使用用于流动和/或扩散置零的梯度这样的其他技术测量MTR_tissue。备选地可以使用使血液水的MRI信号置零的其他MRI和/或化学/医学方法。在更长的回波时间，使用有和无血液置零的方法测量组织和实质的横向松弛率。

MT和BOLD之间的相互作用提供了一种在体内测量脑血量(CBV)的新颖方法。例如当TE比较短时，方程7和8分别由9和10表达:

MTR_par＝MTR_tissue(1-CBV/V_par)，and             9

CBV＝V_par(1-MTR_par/MTR_tissue)，                10

其中CBV是脑血量。这也可以在除了脑之外的组织中进行(例如心脏等，在那里它可以是心肌血量(BV))。

以下进一步在BOLD型方法中量化生理调节效应。关于正常生理状态定义相对信号强度，并且假设在基于血液的生理改变期间不变的组织MTR，实质的信号强度的比率可以由方程11表达:

$\frac{S_{\mathrm{par},\mathrm{sat}}}{S_{\mathrm{par},\mathrm{sat}}^{\mathrm{norm}}}=(1-{\mathrm{MTR}}_{\mathrm{tissue}})\frac{x_{\mathrm{tissue}}{e}^{-R_{2,\mathrm{tissue}}\mathrm{TE}}+\mathrm{\Σ}{x}_{\mathrm{blood},i}{e}^{-R_{1,\mathrm{blood},i}\mathrm{TE}}}{x_{\mathrm{tissue}}^{\mathrm{norm}}(1-{\mathrm{MTR}}_{\mathrm{tissue}})e^{-R_{2,\mathrm{tissue}}^{\mathrm{norm}}\mathrm{TE}}+\mathrm{\Σ}{x}_{\mathrm{blood},i}^{\mathrm{norm}}{e}^{-R_{2,\mathrm{blood},i}^{\mathrm{norm}}\mathrm{TE}}}$

$+{\mathrm{MTR}}_{\mathrm{tissue}}\frac{\mathrm{\Σ}{x}_{\mathrm{blood},i}{e}^{-R_{2,\mathrm{blood},i}\mathrm{TE}}}{x_{\mathrm{tissue}}^{\mathrm{norm}}(1-{\mathrm{MTR}}_{\mathrm{tissue}})e^{-R_{2,\mathrm{tissue}}^{\mathrm{norm}}\mathrm{TE}}+\mathrm{\Σ}{x}_{\mathrm{blood},i}^{\mathrm{norm}}{e}^{-R_{2,\mathrm{blood},i}^{\mathrm{norm}}\mathrm{TE}}}.---11$

当被施加以量化BOLD效应时，方程11中的第一项非常类似于(稍小于)传统的SE BOLD效应，并且第二部分描述RF饱和所引起的BOLD增强。在缺乏RF辐射的情况下，MTR_tissue＝0，并且仅仅第一项保留。

如方程12中所示:

$\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{par},\mathrm{sat}}}{S_{\mathrm{par},\mathrm{sat}}^{\mathrm{norm}}}=\frac{(1-{\mathrm{MTR}}_{\mathrm{tissue}})(x_{\mathrm{tissue}}{e}^{-R_{2,\mathrm{tissue}}\mathrm{TE}}-x_{\mathrm{tissue}}^{\mathrm{norm}}{e}^{-R_{2,\mathrm{tissue}}^{\mathrm{norm}}\mathrm{TE}})+\mathrm{\Σ}(x_{\mathrm{blood},i}{e}^{-R_{2,\mathrm{blood},i}\mathrm{TE}}-x_{\mathrm{blood},i}^{\mathrm{norm}}{e}^{-R_{2,\mathrm{blood},i}^{\mathrm{norm}}\mathrm{TE}})}{x_{\mathrm{tissue}}^{\mathrm{norm}}(1-{\mathrm{MTR}}_{\mathrm{tissue}})e^{-R_{2,\mathrm{tissue}}^{\mathrm{norm}}\mathrm{TE}}+\mathrm{\Σ}{x}_{\mathrm{blood},i}^{\mathrm{norm}}{e}^{-R_{2,\mathrm{blood},i}^{\mathrm{norm}}\mathrm{TE}}},---12$

(MT BOLD加上传统的SE BOLD)对生理改变(更大效应)的敏感程度比S_par，sat/S_par，unsat(仅有MT BOLD)更大。在饱和期间之后BOLD信号改变。饱和之后的组织贡献(第一项)总是小于，或近似等于实质中的标准组织BOLD效应，而血液BOLD贡献总是增加(如果MTR_tissue稍大于50％则大约加倍)。方程12表示MT和BOLD实验的混合可以提供关于血量以及对BOLD效应的血管内贡献的新信息。

图5-6示出了证明这里所述的原理的实验结果。图5和6显示了脑中获得的z光谱(S_par，sat/S_par，unsat)，作为用于典型老鼠的七个动脉PCO₂水平处窄(图5)和宽(图6)饱和偏移频率的函数。用大约2μT的低RF功率生成数据。信号强度被规范化为相应的不饱和情况。实质的测量信号强度增加并且MTR随着动脉PCO₂的增加而减小。在3.5和5ppm的偏移处分别保留大约35％和45％的信号。z光谱表示PCO₂依赖度并且关于水共振稍微不对称，中心频率在高磁场(低频率)范围内。

图7-10显示了老鼠在缺乏(图7)和存在(图8-10)RF辐射的情况下信号强度对动脉PCO₂改变的BOLD型响应。动脉PCO₂含量分别为25.2，43.6，53.7，34.3，80.7，125.0，和49.7mmHg。信号强度被规范化为第四种生理状态(P_aCO₂＝34.3mmHg，pH_a＝7.434)。当使用BOLD型方法并且将所有偏移和不饱和情况的信号强度规范化为一个选择的血碳酸正常水平

信号强度具有类似的幅度范围。在PCO₂100mmHg的改变处，不饱和、无辐射信号强度(标准SE BOLD效应)中存在大约7％的改变，但是在偏共振RF辐射(组合的MT BOLD和标准SE BOLD效应)下信号强度的增加幅度高达大约15％。这是由于血液信号的贡献增强。

图11-16显示了作为六只老鼠的动脉PCO₂值的函数被规范化为相应不饱和情况的基于MT的信号强度，图17-23描述了关于血碳酸正常被规范化的BOLD型信号强度

在若干饱和偏移处的动脉PCO₂依赖度。所有图中的实线是用理论拟合的结果。使用S_par，sat/S_par，unsat-P_aCO₂数据和CBV_norm＝4.6ml血液/100g脑，拟合的(1-MTR_tissue)在5，3.5，-3.5，和-5ppm的偏移处分别为0.418，0.334，0.326，和0.387。基于这些拟合的(1-MTR_tissue)值，然后从-P_aCO₂数据获得CBV_norm＝3.9ml血液/100g脑。假设在饱和时可忽略的血液信号强度衰减。

虚线对应于近似线性拟合。表1列出了这些偏移的拟合斜率值，表明了正负偏移侧具有非常类似的P_aCO₂依赖度。对于100mmHg的动脉PCO₂增加，S_par，sat/S_par，unsat增加大约2-3％，而

增加大约11-15％。MT调节BOLD效应的斜率值大约比对应于共同SE BOLD效应的不饱和信号强度的那些值大两倍。

表1.作为六只老鼠的动脉PCO₂的函数线性拟合到百分比信号强度(规范化为不饱和情况和每个动物的血碳酸正常状态)的斜率值。单位是％/mmHg。

每个老鼠的参考状态在表2中。每个老鼠有3或4个血碳酸正常状态。根据P_aCO₂(～35mmHg)和pH_a(～7.4)选择参考状态。当两个或以上状态满足标准时选择第一状态。

表2.六只老鼠的选择参考状态的生理参数。

即使使用相对弱的RF辐射，直接饱和效应基本上在4.7ppm的水峰左右，其在偏移增加时逐渐减小。获得六只动物中的两只的若干附加的大偏移以显示在更宽偏移的效应。图24-31显示了作为动脉PCO₂水平的函数基于BOLD信号强度的结果。特别地，图24-27对应于不饱和情况，图28-31对应于两只老鼠在四个大偏移下作为动脉PCO₂值的函数的一种血碳酸正常状态。参考状态在表1中。

已经参考优选实施方式描述了本发明。他人可以依据阅读和理解前面的具体描述进行改进和变化。本发明意图是被理解成包括在后附权利要求及其等效替换的范围内的所有这样的改进和变化。

Claims (37)

1.一种通过磁化传递效应来量化实质中血量的磁共振方法，包括:

通过获得实质的饱和以及不饱和MR信号来确定实质中的磁化传递效应；

通过获得组织的饱和以及不饱和MR信号来确定组织中的磁化传递效应；

通过获得血液的饱和以及不饱和MR信号来确定血液中的磁化传递效应；和

基于实质的磁化传递效应、组织的磁化传递效应和血液的磁化传递效应的比较来量化实质血量。

2.根据权利要求1的方法，其中实质血量表示微脉管血量。

3.根据权利要求1的方法，其中确定实质的磁化传递包括:

在存在偏共振射频辐射的情况下获得第一实质MR信号；

在缺乏偏共振射频辐射的情况下获得第二实质MR信号；和

基于所述的第一和第二实质MR信号来确定实质的磁化传递。

4.根据权利要求1的方法，其中确定组织的磁化传递包括:

执行血液置零MR脉冲序列；

在存在偏共振射频辐射的情况下获得第一组织MR信号；

在缺乏偏共振射频辐射的情况下获得第二组织MR信号；和

基于所述的第一和第二组织MR信号来确定组织的磁化传递。

5.根据权利要求4的方法，其中执行血液置零MR脉冲序列包括:

施加180度反向射频脉冲，之后是反向恢复时间，该反向恢复时间在特定磁场强度下基于血液的水信号的校正T₁使血液MR信号置零。

6.根据权利要求1的方法，其中确定组织的磁化传递包括:

在获得组织MR信号之前的磁化演化期间，使用流动和/或扩散至零的梯度，

在流入到关心的切片中之前激发和去相位血液中的水质子，和

使血液MR信号置零；和

在存在偏共振射频辐射的情况下获得第一组织MR信号；

在缺乏偏共振射频辐射的情况下获得第二组织MR信号；和

基于所述的第一和第二组织MR信号来确定组织的磁化传递。

7.根据权利要求4的方法，其中执行血液置零MR脉冲序列包括:通过加入松弛剂以去除血液的水信号来使血液的一个MR信号置零。

8.根据权利要求1的方法，其中确定血液的磁化传递包括:

在存在偏共振射频辐射的情况下获得第一血液MR信号；

在缺乏偏共振射频辐射的情况下获得第二血液MR信号；和

基于所述的第一和第二血液MR信号确定血液的磁化传递。

9.根据权利要求8的方法，其中血液MR信号是下列中的一种:

体内隔离的血液MR信号，和

来自保持在生理条件下的血液模型的血液MR信号。

10.根据权利要求1的方法，进一步包括:

确定实质中的磁化传递率包括实质的饱和以及不饱和MR信号比；

确定组织中的磁化传递率包括组织的饱和以及不饱和MR信号比；和

基于实质的磁化传递率和组织的磁化传递率来量化实质血量。

11.根据权利要求10的方法，其中基于实质的磁化传递率和组织的磁化传递率来量化实质血量包括通过下式计算血量:

MTR_par＝MTR_tissue(1-BV/V_par)，

其中MTR_par是实质的磁化传递率，MTR_tissue是组织的磁化传递率，BV是血量，V_par是总实质水容量。

12.根据权利要求10的方法，其中量化实质血量包括确定实质的磁化传递率和组织的磁化传递率之间的差异。

13.根据权利要求10的方法，其中确定实质的磁化传递率包括:

在存在偏共振射频辐射的情况下获得实质的饱和MR信号；

在缺乏偏共振射频辐射的情况下获得实质的不饱和MR信号；和

使用在存在偏共振射频辐射的情况下获得的实质饱和MR信号和在缺乏偏共振射频辐射的情况下获得的实质不饱和MR信号来计算实质的磁化传递率。

14.根据权利要求10的方法，其中确定组织的磁化传递率包括:

执行血液置零MR脉冲序列；

在存在偏共振射频辐射的情况下获得组织的饱和MR信号；

在缺乏偏共振射频辐射的情况下获得组织的不饱和MR信号；和

使用在存在偏共振射频辐射的情况下获得的组织饱和MR信号和在缺乏偏共振射频辐射的情况下获得的组织不饱和MR信号来计算组织的磁化传递率。

15.根据权利要求14的方法，其中执行血液置零MR脉冲序列包括下列中的至少一个:

施加180度反向射频脉冲，之后是反向恢复时间，该反向恢复时间在特定磁场强度下基于血液中水信号的校正T₁使血液MR信号置零。

16.根据权利要求10的方法，其中确定组织的磁化传递率包括:

在获得组织MR信号之前的磁化演化期间，使用流动和/或扩散至零的梯度，

在流入到关心的切片中之前激发和去相位血液中的水质子，和

使血液的MR信号置零；和

在存在偏共振射频辐射的情况下获得组织的饱和MR信号；

在缺乏偏共振射频辐射的情况下获得组织的不饱和MR信号；和

使用在存在偏共振射频辐射的情况下获得的组织饱和MR信号和在缺乏偏共振射频辐射的情况下获得的组织不饱和MR信号来计算组织的磁化传递率。

17.根据权利要求14的方法，其中执行血液置零MR脉冲序列包括:通过加入松弛剂以去除血液的水信号来使血液的一个MR信号置零。

18.根据权利要求10的方法，进一步包含作为等效偏共振射频辐射频率的函数确定实质的磁化传递率和组织的磁化传递率。

19.根据权利要求10的方法，其中量化实质血量包括:通过改变射频功率、偏移、角度、长度、相位和脉冲数量中的至少一个来改变实质的磁化传递率和组织的磁化传递率中的一个或多个。

20.根据权利要求10的方法，进一步包括:

确定血液的磁化传递率包括实质的饱和以及不饱和MR信号比；和

基于实质的磁化传递率、组织的磁化传递率和血液的磁化传递率来量化实质血量。

21.根据权利要求20的方法，其中基于实质的磁化传递率、组织的磁化传递率和血液的磁化传递率量化实质血量包括通过下式计算血量:

MTR_par＝MTR_tissue-(MTR_tissue-MTR_blood)(BV/V_par)

其中MTR_par是实质的磁化传递率，MTR_tissue是组织的磁化传递率，MTR_blood是血液的磁化传递率，BV是血量，和V_par是总实质水容量。

22.根据权利要求20的方法，其中确定血液的磁化传递率包括:

在存在偏共振射频辐射的情况下获得血液的饱和MR信号；

在缺乏偏共振射频辐射的情况下获得血液的不饱和MR信号；和

使用在存在偏共振射频辐射的情况下获得的血液饱和MR信号和在缺乏偏共振射频辐射的情况下获得的血液不饱和MR信号来计算血液的磁化传递率。

23.根据权利要求20的方法，进一步包含作为等效偏共振射频辐射频率的函数确定实质的磁化传递率、组织的磁化传递率和血液的磁化传递率。

24.根据权利要求20的方法，其中量化实质血量包括:改变实质的磁化传递率、组织的磁化传递率和血液的磁化传递率中的一个或多个，作为射频功率、偏移、角度、长度、相位和脉冲数量中至少一个的函数。

25.一个磁共振装置包括:一个在检测区域中产生磁场的磁体(10)，一个将磁场梯度添加到所述磁场上的梯度线圈(14)，一个引入射频脉冲的射频线圈(16，18)以在扫描期间引起磁化传递效应，一个扫描控制器(36)和处理元件(32)，该磁共振装置配置成执行权利要求1的磁共振方法。

26.一种磁共振成像系统，包括:

在检查区中产生磁场的磁体(10)；

在磁场上叠加磁场梯度的梯度线圈(14)；

在扫描期间引入射频脉冲以引起磁化传递效应的射频线圈(16，18)；

控制梯度线圈(14)和射频线圈(16，18)以执行磁化传递成像序列的扫描控制器(36)；和

接收MR信号和基于MR信号量化血量的处理部件(32)，所述处理部件(32)被编程为:

确定实质中的磁化传递效应；

确定组织中的磁化传递效应；

确定血液中的磁化传递效应；和

基于实质的磁化传递效应、组织的磁化传递效应和血液的磁化传递效应量化实质血量。

27.根据权利要求26的磁共振成像系统，其中处理部件(32)被编程为:

确定实质中的磁化传递率包括:实质的饱和以及不饱和MR信号比；

确定组织中的磁化传递率包括:实质的饱和以及不饱和MR信号比；

和

基于实质的磁化传递率和组织的磁化传递率来量化实质血量。

28.根据权利要求27的磁共振成像系统，其中处理部件(32)基于以下算法量化血量:

MTR_par＝MTR_tissue(1-BV/V_par)，

其中MTR_par是实质的磁化传递率，MTR_tissue是组织的磁化传递率，BV是血量，和V_par是总实质水容量。

29.根据权利要求27的磁共振成像系统，其中处理部件(32)进一步被编程为:

确定血液的磁化传递率包括:实质的饱和以及不饱和MR信号比；和

基于实质的磁化传递率、组织的磁化传递率和血液的磁化传递率来量化实质血量。

30.根据权利要求29的磁共振成像系统，其中处理部件(32)基于以下算法量化血量:

MTR_par＝MTR_tissue-(MTR_tissue-MTR_blood)(BV/V_par)，

其中MTR_par是实质的磁化传递率，MTR_tissue是组织的磁化传递率，MTR_blood是血液的磁化传递率，BV是血量，和V_par是总实质水容量。

31.根据权利要求26的磁共振成像系统，其中处理部件(32)为可忽略或不可忽略的血液中的磁化传递效应量化血量。

32.根据权利要求26的磁共振成像系统，其中处理部件(32)基于从成像技术获得的MR信号量化血量，该成像技术包括下列中的一个或多个:自旋回波，梯度回波，和受激回波。

33.权利要求1的方法进一步包括:

确定实质、组织和血液中的磁化传递效应，其不具有影响血量的干扰；

确定实质、组织和血液中的磁化传递效应，其具有影响血量的干扰；和

使用实质、组织和血液中不具有干扰的磁化传递效应和实质、组织和血液中具有干扰的磁化传递效应之间的差异，来计算由干扰引起的血量改变。

34.根据权利要求33的方法，进一步包括通过下列中的至少一个引入干扰:CO₂呼吸，屏气，换气过度，脑激活，吸入化学品，和摄入的化学品。

35.根据权利要求33的方法，其中确定实质中的磁化传递效应包括:

在存在偏共振射频辐射的情况下获得第一实质MR信号；

在缺乏偏共振射频辐射的情况下获得第二实质MR信号；和

基于所述的第一和第二实质MR信号来确定实质的磁化传递。

36.一个磁共振装置包括:在检测区域中产生磁场的磁体(10)，一个将磁场梯度添加到所述磁场上的梯度线圈(14)，一个引入射频脉冲的射频线圈(16，18)以在扫描期间引起磁化传递效应，一个扫描控制器(36)和处理元件(32)，该磁共振装置配置成执行权利要求33的磁共振方法。

37.根据权利要求26的磁共振成像系统，其中接收MR信号的处理部件(32)基于MR信号量化血量改变。

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