CN101416068A - 波谱磁共振成像 - Google Patents
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Abstract
MRI设备，其被配置为：a)通过使用多个时间编码回波时间值对身体(7)的至少一部分施加MR成像脉冲序列，从具有两条或多条波谱线的核自旋素产生一系列MR回波信号；b)获取MR回波信号，用于从中重建一系列时间编码的MR图像，每个时间编码的MR图像与一个时间编码回波时间值相关联；c)将所述一系列时间编码后的MR图像在逐个像素或者逐个体素的基础上变换成一系列波谱域MR图像；d)并且叠加所述MR图像，以获得最终图像，该设备进一步被配置为：在步骤a)中应用时间编码方案，以使得所述核自旋素的每条波谱线都被唯一性地映射到所述一系列波谱域MR图像之中的一个MR图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种对放在检查容积中的身体进行磁共振成像的设备。
此外，本发明涉及一种MR成像方法以及涉及一种用于MR设备的计算机程序。
背景技术
在磁共振成像(MRI)中，将包括RF脉冲的脉冲序列和经转换的磁场梯度施加于放置在MR设备的检查容积中均匀磁场内的对象(病人)。通过这种方式，产生了相位编码的磁共振信号，借助于RF接收天线对其进行扫描，以便从对象获得信息并且重建其图像。自从其发展伊始，临床相关领域的MRI应用数目得以巨幅增长。可以将MRI应用到身体的几乎每个部分，可以将其用于获得有关人体多个重要功能的信息。在MRI扫描期间采用的脉冲序列在确定重建图像的特征方面起关键作用，这些特征诸如对象中的定位和定向、维度、分辨率、信噪比、对比度、运动灵敏度等等。MRI设备的操作员必须选择适当的序列，并且必须针对相关应用调整并优化其参数。
最近几年所谓分子成像及诊断(MID)快速发展。有些时候将MID定义为采用特定分子进行图像对比以及诊断。该定义指的是：人体对象中细胞的活体测量和表征以及分子级的处理；分析生物分子以屏幕显示、诊断以及监视人体健康状态；以及对潜在风险的评估。分子成像的重要前提条件是对分子对象以及基因表达的成像能力。
此时，MR成像已被认为是分子成像方面最有希望的形式之一。因此，在MID对于屏幕显示、靶向给药以及治疗评价的临床使用中，MR成像有望扮演重要角色。最近，高敏感度造影剂的使用使对分子对象及基因表示的MR成像成为可能。如上所述，MRI可以以不错的空间分辨率来显现解剖结构，可以将其用于所有的人体区域，并且将会实现可再生且定量的成像。也可以将其用于血管内以及针孔图像引导式给药。MR可以部分地确定分子信息，例如通过波谱进行确定。
在该上下文中，主要是要注意到，特别是19F MRI在MID领域以及药物研究中具有很高潜力。19F MRI允许对纳米粒子以及氟化(抗癌)药物的直接定量，其中可以将这些纳米粒子用作MID中的造影剂。然而，由具有约100ppm位移范围的19F核自旋的多线波谱所引起的强的化学位移失真常会使19F MRI及造影剂定量变得复杂。该问题同样也出现在类似31P或23Na的其它核的MRI中。有很多本领域内已知的方法来对付这些问题，诸如线饱和或线选择方法、化学位移编码技术或特定的去卷积和迭代重建方法。但这些已知方法通常都会导致SNR(信噪比)显著降低、成像时间显著提高和/或在图像重建期间需要进行复杂且潜在不稳定的计算。
US 5,528,145公开了一种高速波谱MRI方法。在该已知方法中，借助于使用具有一系列等距离的回波时间值的时间编码方案的成像序列，来产生并获取磁共振信号。结果，为重建图像的每个像素或体素获得化学位移波谱。将已知方法的测量带宽选为小于要成像的核素的波谱中两条线之间的最大频率差。为了减少成像时间，利用了混叠效应。此外，通过已知技术能够独立设定空间分辨率和波谱带宽。
涉及波谱的已知方法提供了每个体素或像素位置的全部波谱信息，但没有提供上述与具有强化学位移的核的MRI相关的MID特有问题的相关解决方案。在MID中，通常需要一幅单独的自旋密度图像来确定局部造影剂浓度。在使用MRI的一种典型MID应用中，不是预先已知了所用造影剂的波谱并且该波谱在所有生物有关环境中都不变，就是预先已知了化学位移变化的范围(例如，在预定生理活动情况下一条线出现或消失)。与已知方法相比，为了能定量地确定被检查体内造影剂的分布，MID应用要求最优的SNR。
因此，很容易就能认识到需要有一种用于磁共振成像的改进设备，其提供了用于确定造影剂分布的最大SNR并且在时间上是高效的。因此，本发明的一个目标是提供一种能以显著减少由强化学位移失真造成的复杂度进行成像的MR设备。本发明的另一个目标是提供一种MR设备，其能够有力克服可能的类似B0不均匀的系统不完整性。
发明内容
根据本发明，公开了一种用于对放在检查容积中的身体进行磁共振成像的MR设备，其包括：用于在检查容积中建立基本上均匀的主磁场的装置；用于产生叠加在主磁场上的经转换的磁场梯度的装置；用于向该身体进行RF脉冲辐射的装置；用于控制磁场梯度以及RF脉冲生成的控制装置；用于接收并对磁共振信号进行采样的装置；以及用于从信号采样形成MR图像的重建装置。根据本发明，该设备被设置为：
a)通过使用多个时间编码回波时间值(time-encoding echo time value)对该身体的至少一部分施加MR成像脉冲序列，从具有两个或多个波谱线的核自旋素(nuclear spin species)中产生一系列MR回波信号；
b)获取MR回波信号，以便从中重建一系列时间编码的MR图像，每个时间编码的MR图像与一个时间编码回波时间值相关联，
c)叠加MR图像，以获得最终图像。
本发明的MR设备被设置为使用特定数量的时间编码回波时间值获取一系列MR图像。对于图像获取来说，可以在多次独立扫描中记录时间编码的MR信号，或者可以使用回波平面(EPI)序列的多个回波。本发明的一个重要特点是：例如通过计算每个像素或体素的复合总和(complex sum)，对来自该图像序列的相应MR图像进行叠加。通过这种方式，使得SNR最大化，这是因为各核自旋素的所有波谱线都是同时成像的并对最终图像产生贡献。最终MR图像的图像强度实现了对在所检查身体内的造影剂分布的可靠确定。
优选地，在步骤c)之前将时间编码的图像在每个像素或体素的时间编码方向上变换为波谱域中的一系列MR图像(例如，借助于常规的傅立叶变换)。通过这种方式，可以实现所成像的核自旋素的不同波谱分量的分离。这就有可能在在步骤a)中应用时间编码方案，以使得核自旋素的每条波谱线都被唯一性地映射到所述一系列波谱域MR图像之中的一个MR图像。结果产生的图像数据集包含用于所成像的核自旋素的所有相应波谱线的独立MR图像。每个中间波谱域MR图像都根据各自的化学位移值，在所应用的成像脉冲序列的频率编码方向中呈现位置位移。通过在步骤c)的叠加之前在相应的方向中进行每个波谱域MR图像的平移，可以补偿该位移。该平移距离与所成像的核自旋素的(已知)波谱的各个波谱线的频率成正比。结果，在对波谱域图像进行叠加之后，在最终图像中不存在位移失真。在图像的复合叠加之前，可以使用来自MR系统以前的频率响应校准测量进行相位校正。
在该上下文中，必须注意，本发明的另一个重要方面是对于MR设备主磁场不均匀性的鲁棒性。通过波谱分量的以像素或体素为单位的分离来实现该鲁棒性。即使在很强的局部不均匀性的情况下，在波谱域MR图像上的、所成像的核自旋素的已知波谱的波谱线的分布也允许确定局部偏共振。通过在时间编码方向中的相应移位，可以补偿该偏共振。
在本发明的应用实施例中，使用多个等距离的时间编码回波时间值，来生成所述一系列时间编码的MR图像。优选地，应用快速傅立叶变换来生成波谱域的中间图像序列。优选的，可以选择时间编码增量，以使得该获取中的波谱宽度小于核自旋素的波谱线之间的最大频率差。以这种方式，通过利用混淆效应，最小化对于覆盖全部化学位移范围所必需的编码步骤的数目。根据本发明，通常被认为在光谱成像中有害的混淆现象有助于减少扫描时间。结果，本发明在最小扫描时间上提供了最佳SNR，并且还提供了对化学移位失真的有效移除。为了确保将核自旋素的波谱线无重叠地映射到所述一系列中间波谱域MR图像，时间编码增量的数量应该大于或者至少等于已知波谱中波谱线的数量。
还可以将本发明的设备进一步配置为从所获取的MR回波信号中计算核自旋素化学位移波谱中的变化。以这种方式，为了分子成像的目的，例如，为了对如同波谱中已知在特定生理事件情况下出现或消失的线的化学移位变化进行追踪，可以从所成像的核自旋素获得波谱信息。
本发明不仅涉及设备，还涉及用于对放置在MR设备检查容积中的身体的至少一部分进行磁共振成像的方法。该方法包括下列步骤：
a)通过使用多个时间编码回波时间值对该身体的至少一部分施加MR成像脉冲序列，从具有两个或多个波谱线的核自旋素(nuclear spin species)中产生一系列MR信号；
b)获取MR回波信号，以便从中重建一系列时间编码的MR图像，每个时间编码的MR图像与一个时间编码回波时间值相关联，
c)叠加MR图像，以获得最终图像。
可以在当前磁共振扫描仪的控制的临床应用中的任何公共计算机硬件上有利地实现适合于执行本发明的成像过程的计算机程序。可以在诸如CD-ROM或磁盘的合适的数据载体上提供该计算机程序。可替换地，用户还可以从因特网服务器下载该计算机程序。
附图说明
附图公开了本发明的优选实施例。然而，应该理解，附图仅仅为了举例说明而不是作为定义本发明的限制而设计的。在附图中：
图1示出了根据本发明的MR扫描仪；
图2示出了本发明的方法的流程图；
图3示出了对本发明方法的编码方案进行说明的图。
具体实施方式
在图1中，将根据本发明的MR成像设备表示为方框图。设备1包括用于生成稳定和均匀的主磁场的一组主磁线圈2，以及用于添加具有可控制强度并且在所选择的方向中具有梯度的附加磁场的3组梯度线圈3、4和5。按照惯例，将主磁场的方向标记为z方向，与其垂直的两个方向是x和y方向。经由电源11给梯度线圈3、4和5通电。成像设备1还包括用于将射频(RF)脉冲发射到身体7的RF发送天线6。为了生成并且对RF脉冲进行调制，将天线6耦合到调制器9。同时提供的是用于接收MR信号的接收机，该接收机可以与发射天线6是同一个或者是独立的。如图1中所示，如果发射天线6和接收机在物理上是同一个天线，那么就配置发送-接收开关8，以便将所接收的信号与将要发射的脉冲分离。将所接收的MR信号输入解调器10。通过控制系统12对用于梯度线圈3、4和5的发送-接收开关8、调制器9和电源11进行控制。控制系统12对馈送到天线6的RF信号的相位和幅度进行控制。控制系统12通常是具有存储器和程序控制的微计算机。为了将所接收的信号转换成例如可以在视觉显示单元15上可视的图像，将解调器10耦合到诸如计算机的重建装置14。对于本发明的实际实现，MR设备1包括用于执行上述方法的程序。
图2将本发明的方法说明为流程图。在第一步骤16中，确定用于从核自旋素获取时间编码的MR图像的最佳波谱分辨率和带宽，该核自旋素具有已知的多线波谱(例如，包含19F、31P或23Na的造影剂的波谱)。以由回波时间增量ΔTE所分离的N个等距离的回波时间值取得一系列N个时间编码的图像。由BW＝1/ΔTE给出波谱带宽BW，而通过Δf＝1/(NΔTE)确定波谱分辨率Δf。对于所成像的核自旋素的已知MR波谱，如在图3中所说明的，可以将波谱分辨率Δf和带宽BW确定为使得每条共振线与该获取中的N个波谱窗之一相符合。根据本发明，可以选择时间编码增量ΔTE，以使得该获取中的波谱带宽BW小于波谱线之间的最大频率差。在该情况下，出现混淆现象，并且在带宽BW之外的化学移位分量δi(i＝1，2，3，...，8)折进(fold back)编码的波谱区域内。在步骤16中对波谱分辨率进行调整，以使得将这些波谱线中的每一条投影到空的波谱窗Wi而不覆盖其它波谱分量δi。在扫描时间的理想情况下，回波时间增量的数量N等于共振线的数量。因此，不获取仅包含噪声但不包含信号的波谱窗Wi，因此提供了最佳编码方案。必须注意，只要波谱窗Wi的宽度Δf超过各个波谱分量的线宽，在长时间编码回波时间上的T2或T2 *放松(relaxation)就是无害的。由1/(2πT2(*))给出了线宽(假定是Lorentz线型)。在步骤17中，使用在步骤16中确定的时间编码方案，进行一系列N个时间编码的MR图像的实际获取和重建。对于图像获取而言，在多次独立扫描中记录一系列时间编码的MR回波信号，或者使用回波平面(EPI)序列的多个等距离回波。同样，在步骤17中，在时间编码方向上对图像数据集执行以像素为单位的傅立叶变换。结果所得的数据集包含了用于所成像的核素的波谱中每条线的单独的MR图像。这些图像中的每个都呈现出了沿着所采用的成像脉冲序列的频率编码方向的、位置上的位移。在步骤18中，通过每个图像在相应方向上的子像素平移(例如，通过应用傅立叶移位理论)对该化学移位进行补偿。由Δ[像素]＝δi/PBW给出该平移距离Δ，其中，PBW是该图像获取中的像素带宽。在用于对准的步骤18之后，由于由MR成像系统的频率响应和成像脉冲序列参数所给出的相位差异，所以必须在步骤19中对图像进行重新定相。对于给定的MR装置和成像序列，在校准扫描中确定用于相位校正的参数。最后，在步骤20中，通过为每个像素或体素计算复合总和，来插入中间的对准的MR图像。在结果所得的最终图像中，对来自所有波谱线的信号贡献求和，以使得SNR最大化。最终图像中的强度分布使得能够对所检查身体中所成像的核自旋素的分布进行定量评估，这是例如用于MID中相应造影剂的定量的重要先决条件。
Claims (16)
1、一种用于对放置在检查容积中的身体(7)进行磁共振成像的设备，所述设备(1)包括：
用于在所述检查容积内建立基本均匀的主磁场的模块(2)；
用于生成叠加到所述主磁场上的经转换的磁场梯度的模块(3，4，5)；
用于向所述身体(7)辐射RF脉冲的模块(6)；
用于对所述磁场梯度和所述RF脉冲的生成进行控制的控制模块(12)；
用于对磁共振信号进行接收和采样的模块(10)；以及
用于从所述信号采样中形成MR图像的重建模块(14)；
所述设备(1)被配置为：
a)通过使用多个时间编码回波时间值对所述身体(7)的至少一部分施加MR成像脉冲序列，从具有两条或多条波谱线的核自旋素产生一系列MR回波信号；
b)获取所述MR回波信号，用于从中重建一系列时间编码的MR图像，每个时间编码的MR图像与一个所述时间编码回波时间值相关联；
c)叠加所述MR图像，以获得最终图像。
2、如权利要求1所述的设备，其中，所述设备进一步被配置为：在步骤c)之前，将所述一系列时间编码的MR图像在逐个像素或者逐个体素的基础上变换成一系列波谱域MR图像。
3、如权利要求2所述的设备，其中，所述设备被配置为：在步骤a)中应用时间编码方案，以使得所述核自旋素的每条波谱线都被唯一性地映射到所述一系列波谱域MR图像之中的一个MR图像。
4、如权利要求2或3所述的设备，其中，所述设备进一步被配置为，在步骤c)中叠加之前，以与对应于各个所述波谱域MR图像的所述波谱线的频率成正比的平移距离对每个波谱域MR图像进行平移。
5、如权利要求1-4中的任何一个所述的设备，其中，所述设备进一步被配置为，使用多个等距离的时间编码回波时间值生成所述一序列时间编码的MR图像。
6、如权利要求5所述的设备，其中，所述设备进一步被配置为，计算时间编码增量，以使得所述获取中的波谱带宽小于所述核自旋素的所述波谱线之间的最大频率差。
7、如权利要求5或6所述的设备，其中，所述设备进一步被配置为应用大于或者等于所述核自旋素的波谱线的数量的多个时间编码增量。
8、如权利要求1至7中的任何一个所述的设备，其中，所述设备被配置为，根据所述所获取的MR回波信号来计算所述核自旋素的化学平移波谱中的变化。
9、用于对放置在MR设备的检查容积中的身体的至少一部分进行MR成像的方法，所述方法包括下列步骤：
a)通过使用多个时间编码回波时间值对所述身体(7)的至少一部分施加MR成像脉冲序列，从具有两条或多条波谱线的核自旋素产生一系列MR信号；
b)获取所述MR回波信号，用于从中重建一系列时间编码的MR图像，每个时间编码的MR图像与一个所述时间编码回波时间值相关联；
c)叠加所述MR图像，以获得最终图像。
10、如权利要求9所述的方法，其中，在步骤c)之前，将所述一系列时间编码的MR图像在逐个像素或者逐个体素的基础上变换成一系列波谱域MR图像。
11、如权利要求10所述的方法，其中，在步骤a)中应用时间编码方案，以使得所述核自旋素的每条波谱线都被唯一性地映射到所述一系列波谱域MR图像之中的一个MR图像。
12、如权利要求10或11所述的方法，其中，在步骤c)中叠加之前，以与对应于各个所述波谱域MR图像的所述波谱线的频率成正比的平移距离对每个波谱域MR图像进行平移。
13、如权利要求9-12中任一项所述的方法，其中，使用多个等距离的时间编码回波时间值生成所述一序列时间编码的MR图像，选择时间编码增量，使得：
所述获取中的带宽小于所述核自旋素的所述波谱线之间的最大频率差；以及
时间编码增量的数量大于或者等于所述核自旋素的波谱线的数量。
14、用于MR设备的计算机程序，包括用于下列操作的指令：
a)使用多个时间编码回波时间值生成MR成像脉冲序列；
b)获取时间编码的MR信号，用于从中重建一系列时间编码的MR图像，每个时间编码的MR图像与一个所述时间编码回波时间值相关联；
c)叠加所述MR图像，以获得最终图像。
15、如权利要求14所述的计算机程序，还包括用于下列操作的指令：在步骤c)之前将所述一系列时间编码的MR图像在逐个像素或者逐个体素的基础上变换成一系列波谱域MR图像。
16、如权利要求15所述的计算机程序，还包括用于下列操作的指令：在步骤c)中叠加之前，以与对应于各个所述波谱域MR图像的所述波谱线的频率成正比的平移距离对每个波谱域MR图像进行平移。
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