CN101636663B - 磁共振设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于对置于检查体积中的身体(7)进行磁共振成像的设备。设备(1)包括：用于在检查体积中建立基本均匀的主磁场的装置(2)；用于生成叠加在主磁场上的交换磁场梯度的装置(3，4，5)；用于向身体(7)放射RF脉冲的装置(6)；用于控制磁场梯度和RF脉冲的生成的控制装置(12)；用于接收并采样磁共振信号的装置(10)；以及用于根据信号样本形成MR图像的重构装置(14)。根据本发明，该设备(1)布置为：a)通过使得至少一部分身体(7)经历MR成像脉冲序列来根据第一核自旋核素生成一系列MR自旋回波信号，该MR成像脉冲序列包括空间非选择性激励RF脉冲、多个重新聚焦的RF脉冲和多个相位编码交换磁场梯度；b)在不应用频率编码磁场梯度的情况下获取MR自旋回波信号；c)根据所获取的MR自旋回波信号重构MR图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于对置于检查体积中的身体进行磁共振成像的设备。
背景技术
而且，本发明涉及一种用于MR成像的方法和用于MR设备的计算机程序。
在磁共振成像(MRI)中，包括RF脉冲和交换磁场梯度的脉冲序列应用于置于MR设备的检查体积内均匀磁场中的对象(患者)。以此方式，生成相位和频率编码的磁共振信号，该信号借助于RF接收天线来扫描，以便获得来自对象的信息并且重构其图像。自从它最初发展以来，MRI的临床有关应用领域的数量已经大大地增加。MRI可以应用于身体的几乎每个部分，且其可以用来获得关于人体大量重要器官活动的信息。在MRI扫描期间所应用的脉冲序列在确定重构图像的特性(比如，对象中的位置和方向、尺寸、分辨率、信噪比、对比度、运动的灵敏度、等等)方面起着重要作用。MRI设备的操作员必须选择合适的序列，并且必须针对相应的应用调节和最优化其参数。
最近几年，所谓的分子成像和诊断学(MID)迅速发展。MID有时限定为利用用于图像对比度和用于诊断的特定分子。该限定涉及体内测量和人类主体中细胞和分子水平处理的表征，并且涉及对生物分子进行分析，以甄别(screen)、诊断和监控人类健康状况，并评估潜在危险。分子成像的重要先决条件是对特定分子靶点的成像能力。
当前，MR成像被认为是分子成像中最有前途的方式之一。因此，MR成像预期在用于甄别、目标药物输送和治疗评价的MID的临床使用中起重要作用。高灵敏度的造影剂近来已经用来允许分子靶点和基因表达的MR成像。如上所述，MRI可以呈现具有良好空间分辨率的解剖体；可适用于所有身体区域；并且将允许可再生的和定量的成像。它也可以用于血管内的和针状图像引导的药物输送。MR还可以例如通过光谱学部分地评估分子信息。
在本文中，重要的是注意：特别地，19F MRI在MID领域具有很高的潜力，并且在药物研究上也具有很高的潜力。19F MRI允许纳米粒子的直接定量，该纳米粒子可以用作MID中的造影剂。这些纳米粒子包括基于19F的分子，比如，PFOB(全氟辛基溴化物)。这些粒子涂覆有功能化的保护和稳定性脂质层。根据脂质层上的功能组，纳米粒子将与针对疾病的蛋白质标记(marker)结合，并且在患者身体内疾病发展所在部位处积聚。这些积聚的纳米粒子将在对应的19F MR图像中显示为亮点。为了在身体内精确检测并定位疾病，要求精确确定由所积聚的纳米粒子所产生的亮点的位置。
然而，19F MRI和造影剂的量经常由强化学位移伪影变得复杂，所述化学位移伪影由具有大约100ppm位移范围的19F核自旋的多线光谱诱引。该问题同样出现在其他核(如31P或13C)的MRI中。在本领域中存在许多公知的方法来处理这些问题，比如，线饱和或线选择方法、化学位移编码技术或某些去卷积和迭代重构方法。但是这些公知的方法典型地导致明显降低的SNR(信噪比)、明显增加的成像时间，和/或在图像重构期间需要复杂的且潜在不稳定的计算。
涉及光谱学的MRI的所谓的涡轮光谱学成像(TSI)方法在本领域中是公知的(参见Jeff H.Duyn等人在Magnetic Resonance inMedicine，Volume 30，Issue4，1993，第409-414页)。
Dydak U等人在(“MR Spectroscopy and SpectroscopicImaging：Companing 3.0T versus 1.5T”，Neuroimaging Clinics ofNorth America vol 16，第269-283页)中描述了将已知的TS I技术应用到具有三维相位编码的三维情况。该方法依赖于在所有三个空间维度中传感器(SENSE)加速度，以便将获取时间保持在可容许的极限内。
从公布“Spectroscopy Application Guide for Gyoscan ACS-NTRelease 6”(Philips Medical Systems(飞利浦医疗系统)，荷兰B.V，2001年，第38页和98-102页)已知的是，应用具有完全体积选择的TSI，即，不需要空间选择性地初始RF激励所检查的核核素。
这些公知的方法提供了每个体素或像素位置的全光谱信息，但是没有提供关于与具有强化学位移的核MRI相关的、上述MID特定问题的令人满意的解决方案。在MID中，单个自旋密度图像典型地要求评估局部造影剂浓度。对于MID应用，要求最合适的SNR，以便实现对所检查的身体中造影剂分布的准确评估。在MID中，高SNR是至关重要的，因为SNR确定MR图像的分辨率(体素大小)。另一方面，粒子的大小和将要使用的造影剂的量依赖于SNR。较小的粒子和高空间分辨率使得检测损伤(lesion)能够较小，即，由较小的结构扩散进入或由较小的结构吸收。而且，更少量的造影剂不仅降低了检查过程的成本，而且使得与将非生理学物质引入到人体中相关联的风险最小化。
因此，容易理解，需要一种用于磁共振成像的改进的设备，其提供最大的SNR，用于精确评估造影剂分布。因此，本发明的目的是，提供一种MR设备，其实现了具有由于强化学位移伪影而明显降低的复杂性的成像。本发明的另一个目的是提供一种MR设备，其准许将扫描时间(即，获取用于完全的MR图像的MR信号所要求的时间)保持在可接受的极限内。
发明内容
根据本发明，公开了一种用于对置于检查体积中的身体进行磁共振成像的MR设备，该MR设备包括：用于在检查体积中建立基本均匀的主磁场的装置；用于生成叠加在主磁场上的交换磁场梯度的装置；用于向身体放射RF脉冲的装置；用于控制磁场梯度和RF脉冲的生成的控制装置；用于接收并采样磁共振信号的装置；以及用于根据信号样本形成MR图像的重构装置。根据本发明，设备布置为：
a)通过使得至少一部分身体经历MR成像脉冲序列来根据第一核自旋核素(species)生成一系列MR自旋回波信号，该MR成像脉冲序列包括：空间非选择性激励RF脉冲、多个重新聚焦(refocus)的RF脉冲和多个相位编码交换磁场梯度；
b)在不应用频率编码磁场梯度的情况下获取MR自旋回波信号；
c)根据所获取的MR自旋回波信号重构MR图像，其中，所重构的MR图像是一部分身体的投影图像，并且其中，设备进一步布置为：通过将具有不同投影方向的至少两个投影图像相结合来确定包括第一核自旋核素的造影剂的累积部位的空间位置。
本发明的MR设备布置为：通过应用一系列重新聚焦的RF脉冲来生成MR自旋回波信号。以此方式来补偿由所检查的核自旋核素的强化学位移所产生的信号移相。而且，在不应用切面选择和频率编码磁场梯度的情况下获取MR自旋回波信号。取而代之，完全的三维体积被激励，并且根据本发明，k-空间借助于相位编码来单独地采样。因为在所应用的MR成像脉冲序列的激励阶段和读取阶段期间缺少磁场梯度，所以有效地避免了化学位移诱导的图像伪影，最显著地为所谓的由所测量自旋的不同共振线所产生的鬼像。这使得能够精确定位例如通过在疾病部位处累积包括所检查的核自旋核素的造影剂来产生的、重构MR图像内的亮点。而且，本发明有利地实现了极快的光谱学成像。连续扫描可以在短时间内执行，以使得高SNR可以通过信号平均化来实现。
根据本发明，仅仅在一个或两个空间方向上使用相位编码来获取MR自旋回波信号。因此，所重构的MR图像是患者身体被检查(三维的)部分的(一维或二维的)投影图像。包括所测量的核自旋核素的造影剂的累积部位的空间位置通过将使用不同的(优选地为垂直的)投影方向连续地获取的至少两个投影图像相组合来确定。这种方法的优点在于，与累积部位的位置有关的信息可以仅仅通过两个或三个连续的扫描来研究，并且因此在非常短的获取时间内。
本发明的设备可以进一步布置为：在步骤a)(参见上文)中应用相位编码方案，从而使得沿着多个径向方向对k-空间进行采样。这是有利的，因为对于这种径向采样方案，SNR的明显提高是固有的。在径向编码的情况下，k-空间的中心区被重复扫描，同时减少的采样密度应用在k-空间的外围区域中。k-空间的中心区域包括强度信息，而k-空间的外围区域包括所谓的高频成分，即，确定最终MR图像分辨率的信息。借助于径向采样方案，k-空间的中心区域通常被过采样，而外围区域可能仅仅被部分采样。所得的图像具有很高的SNR，并且因此具有改进的灵敏度。只要对例如由造影剂的累积所产生的亮点位置的确定足够准确，分辨率的微小降低或者，换句话说，重构图像中的少许模糊可以容忍。改进的SNR是本发明的技术的主要益处，因为所要求的粒子大小以及所使用的造影剂的量可以明显减少。
在本发明的实际实施例中，所测量的第一自旋核素具有化学位移光谱。本发明有利地能够通过计算所获取的MR自旋回波信号的傅立叶(Fourier)变换来简单地实现光谱学成像。这可以用来针对具有不同化学光谱的自旋选择性地重构MR图像。可以使用具有可辨识的化学位移光谱的多个造影剂，比如，PFOB和冠醚(CE)。不同的造影剂可以针对不同的疾病，或者例如针对疾病的不同阶段有利地功能化。以此方式，可以在单个检查内研究(investigate)患者是否具有例如癌症以及患者是否处于癌症的早期或晚期阶段。这些结果可以直接用来选择合适的治疗措施。而且，本发明的设备可以布置为：针对化学位移光谱中预定的光谱位置重构MR图像。相应的光谱位置可以预先确定，以便获得独有地显示特定化学成分分布的图像。可替代地，设备可以布置为：针对化学位移光谱的整体强度重构MR图像。在这种情况下，本发明的成像技术在不同的光谱位置之间没有区别。完全的化学位移光谱的整体强度对重构图像的像素或体素值有贡献，从而使得SNR最优化。
根据优选实施例，根据本发明所测量的第一核自旋核素可以是19F。19F的核自旋使得所应用的造影剂在MR图像中可见。众所周知，与19F相关联的主要复杂性是大部分全氟化物展现出宽化学位移光谱。应用在常规的MR成像序列中的频率编码读取梯度针对化学位移光谱的每个光谱线在图像中生成响应。因此，源于所使用造影剂的累积部位的多个图像特征在MR图像中的不同位置显现。在MR图像中该多样性妨碍了对图像的准确的诊断解释。由19F化学位移光谱所产生的这种问题通过包含没有频率编码梯度的光谱学读取方案和切面选择磁场梯度的消除的本发明来克服。19F MR图像可以根据本发明来获取，作为二维投影图像或作为完全采样的三维体积图像。
本发明的成像技术涉及已知的TSI获取方案(参见上文)。在TSI测量中，总扫描时间由采样特性确定，因此由采样频率和采样步的持续时间来确定。这些参数依赖于期望的光谱分辨率和带宽。对于1H措施，所要求的带宽为大约1500Hz，以便覆盖包括在不同类型的组织(比如，脂肪、水等)中的氢核的整个光谱。所要求的分辨率是大约5-7Hz，其为1H光谱中共振线的典型宽度。因此，当考虑2000Hz的带宽时，将要求128ms的采样时间。1H的横向弛豫时间T2典型地在500ms的范围内，从而使得可以在MR成像脉冲序列的单次激发中生成并获取的回波的最大数量为大约6。因此，获取包括32x32相位编码步的k-空间网格花费大约5-6分钟。对于19F，情况十分不同。对于19F的措施，所要求的带宽为大约15Hz，并且所需的分辨率为大约200Hz。弛豫时间T2在100ms的范围内。因此，当考虑32kHz的带宽(为安全起见)时，将要求仅仅4ms的采样时间。在这些情况下，可以在MR成像脉冲序列的单次激发中获取16个回波。因此，填充包括32x32相位编码步的k-空间网格所要求的时间将花费不超过10秒。这比1H成像快得多。
本发明的设备可以进一步布置为：利用从第二核自旋核素获取的MR图像记录在步骤c)(参见上文)中重构的MR图像。例如通过记录将造影剂的累积部位显示为亮点的19F图像和常规1H图像，所检测的损伤的解剖内容可以直接可视化。
本发明不仅涉及设备，还涉及一种用于对置于MR设备的检查体积中的至少一部分身体进行磁共振成像的方法。方法包括以下步骤：
a)通过使得至少一部分身体经历MR成像脉冲序列来根据第一核自旋核素生成一系列MR自旋回波信号，该MR成像脉冲序列包括：空间非选择性激励RF脉冲、多个重新聚焦的RF脉冲和多个相位编码交换磁场梯度；
b)在不应用频率编码磁场梯度的情况下获取MR自旋回波信号；
c)根据所获取的MR自旋回波信号重构MR图像，其中，所重构的MR图像是一部分身体的投影图像，并且其中，方法进一步包括以下步骤：通过将具有不同投影方向的至少两个投影图像相结合来确定包括第一核自旋核素的造影剂的累积部位的空间位置。
一种适用于实施本发明的成像过程的计算机程序可以有利地在目前在临床上用于控制磁共振扫描器的任何常见的计算机硬件上实现。计算机程序可以设置在合适的数据载体(比如，CD-ROM或磁盘)上。可替代地，计算机程序也可以由用户从因特网服务器下载。
附图说明
附图公开了本发明的优选实施例。然而，应当理解，这些附图设计仅仅用于说明的目的而不是作为本发明的限定。在附图中，
图1示出了根据本发明的MR扫描器；
图2说明了根据第一实施例(笛卡尔采样方案)的本发明的MR成像脉冲序列；
图3说明了根据第二实施例(径向采样方案)的本发明的MR成像脉冲序列。
具体实施方式
在图1中，根据本发明的MR成像设备1示为框图。设备1包括：用于生成固定且均匀的主磁场的一组主磁线圈2和用于叠加具有可控强度的附加磁场并且在选定的方向上具有梯度的三组梯度线圈3、4和5。常规地，主磁场的方向标记为z方向，两个方向(x方向和y方向)与其垂直。梯度线圈3、4和5经由电源11供电。成像设备1进一步包括用于将射频(RF)脉冲发射到身体7的RF发射天线6。天线6耦合到用于生成并调制RF脉冲的调制器9。还提供了用于接收MR信号的接收器，接收器可以与发射天线6是同一个或可以是独立的。如图1所示，如果发射天线6和接收器是物理上相同的天线，发送-接收开关8布置为分离接收到的信号与将要发射的信号。接收到的MR信号输入解调器10。发送-接收开关8、调制器9和用于梯度线圈3、4及5的电源11由控制系统12控制。控制系统12控制传播到天线6的RF信号的相位和振幅。控制系统12通常是具有存储器和程序控制的微型计算机。解调器10耦合到用于将所接收到的信号转换为可以例如在可视显示单元15上看得见的图像的重构装置14(例如，计算机)。对于本发明的实际的实现方式，MR设备1包括用于实施上述成像过程的程序设计。
图2a和3a说明了根据由本发明提出的成像序列，生成和获取MR自旋回波信号。空间非选择性的RF脉冲20应用于激励所测量的自旋核素。在每个激励脉冲20之后，应用多个重新聚焦的RF脉冲21，以使得生成对应数量的MR自旋回波信号22。在不应用频率编码或“读取”磁场梯度的情况下获得MR自旋回波信号22，以便避免由于化学位移效应所产生的重像。k-空间通过分别在x方向和y方向使用相位编码的交换磁场梯度GX和GY来采样。在每个相位编码梯度之后，应用反绕(rewinding)梯度(即，在相反的方向上相等强度的梯度)，以便在应用下一个重新聚焦的RF脉冲21之前消除相位编码梯度的影响。
图2和3中分别示出了k-空间采样的不同的二维方案。图2b和3b示意性说明了由图2a和3a示出的所应用相位编码梯度GX和GY产生的k-空间轨迹A、B和C。图2中示出笛卡尔采样方案，而图3中示出径向采样方案。图2a和3a中的每一个分别示出包括四个自旋回波的三个回波链A、B和C的生成。如图2b所示，每个k-空间轨迹A、B和C从k-空间的水平中心线开始并且沿着正kx方向或负kx方向垂直于k-空间的水平中心线行进。k-空间通过沿着ky方向逐渐增加地沿着ky方向移位每个轨迹的开始点来填充，从而使得网格的每一个点被采样一次。相反地，在图3b中，每个轨迹A、B和C从k-空间的中心点开始并且沿着径向轨迹行进。k-空间通过在kx-ky平面中逐渐增加k-空间轨迹的角方向来填充。k-空间轨迹沿着径向方向行进。然而，k-空间中的采样点分布在矩形网格上，如图3b中所示。以此方式，MR图像可以借助于二维傅立叶变换来容易地重构。图3b中所示的径向k-空间采样的角分辨率确定了所获取的k-空间轨迹的数量，或者换句话说，所应用的径向采样方案的k-空间填充因数。当根据本发明选择足够高的填充因数(其不导致无法忍受的扫描时间)时，改进了SNR并且实现了k-空间的完全覆盖。实验已经表明，当以高重复速率应用本发明的成像序列时，径向采样方案比笛卡尔方案更不容易成像伪影。上述两个k-空间采样方案也可以借助于多点序列来应用。在这种情况下，生成一个以上的回波链，以采样一个径向或笛卡尔轨迹A、B或C。该方法的优点在于，甚至在非常快的T2弛豫的情况下可以获得高空间分辨率。
因为根据本发明应用空间非选择性激励RF脉冲20，以便避免化学位移诱导的伪影，所以根据如图2和3所示的、所获取的回波信号来重构的MR图像是由检查所覆盖的三维体积的二维投影图像。三维图像可以通过将使用不同的(垂直的)投影方向所获取的MR图像相结合来获得。
Claims (7)
1.用于对置于检查体积中的身体(7)进行磁共振成像的设备，该设备(1)包括：
用于在检查体积中建立基本均匀的主磁场的装置(2)；
用于生成叠加在主磁场上的交换磁场梯度的装置(3，4，5)；
用于向身体(7)放射RF脉冲的装置(6)；
用于控制磁场梯度和RF脉冲的生成的控制装置(12)；
用于接收并采样磁共振信号的装置(10)；以及
用于根据信号样本形成MR图像的重构装置(14)，
该设备(1)布置为：
a)通过使得至少一部分身体(7)经历MR成像脉冲序列来根据第一核自旋核素生成一系列MR自旋回波信号，该MR成像脉冲序列包括：空间非选择性激励RF脉冲、多个重新聚焦的RF脉冲和多个相位编码交换磁场梯度；
b)在不应用频率编码磁场梯度的情况下获取MR自旋回波信号；
c)根据所获取的MR自旋回波信号重构MR图像，
其中所重构的MR图像是所述部分身体(7)的投影图像，并且其中所述设备进一步布置为：通过将具有不同投影方向的至少两个投影图像相结合来确定包括第一核自旋核素的造影剂的累积部位的空间位置。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述设备进一步布置为：在步骤a)中应用相位编码方案，以使得沿着多个径向方向对k-空间进行采样。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述第一核自旋核素具有化学位移光谱。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述设备布置为：针对化学位移光谱中的预定光谱位置和/或针对化学位移光谱的整体强度，重构MR图像。
5.如权利要求3或4所述的设备，其中第一核自旋核素是19F。
6.如权利要求3或4所述的设备，其中所述设备进一步布置为：针对具有不同化学位移光谱的所述第一核自旋核素选择性地重构MR图像。
7.如权利要求1，2，3或4所述的设备，其中所述设备进一步布置为：将在步骤c)中重构的MR图像与从第二核自旋核素获取的MR图像配准。
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