CN102378910A - 利用液体衰减反转恢复（flair）的双对比度mr成像 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对置于MR设备(1)的检查体积内的患者的身体(10)的至少一部分进行MR成像的方法。在高主磁场强度(＞3Tesla)下高分辨率三维FLAIR图像以及T2-加权图像的采集导致不可接受的长扫描时间。本发明预期一种新的改进的MR成像方法，其克服了这一问题。本发明的方法包括以下步骤：使所述身体(10)的所述部分经受第一成像序列(S1)以便采集第一信号数据集；紧接着所述第一成像序列(S1)使所述身体(10)的所述部分经受反转所述部分内的纵向磁化的反转RF脉冲；在反转延迟时间段(TI)后使所述身体(10)的所述部分经受第二成像序列(S2)以便采集第二信号数据集；分别根据所述第一和第二信号数据集重建第一和第二MR图像。

Description

利用液体衰减反转恢复(FLAIR)的双对比度MR成像
技术领域
本发明涉及磁共振(MR)成像领域。本发明涉及一种置于MR设备的检查体积内的患者身体的至少一部分的MR成像方法。本发明还涉及一种MR设备和在MR设备上运行的计算机程序。
背景技术
利用磁场和核自旋之间的相互作用来形成二维或三维图像的图像形成MR方法在现今被广泛使用，特别是在医学诊断领域，因为对于软组织成像来说它们在很多方面优于其他成像方法，不需要电离辐射并且通常是无创的。
根据一般的MR方法，要检查的患者的身体被布置于强均匀磁场中，该磁场的方向同时定义出测量所基于的坐标系的轴线(通常为z轴)。该磁场为个体核自旋产生不同的能级，这取决于可以通过施加具有预定义频率(所谓Larmor频率或MR频率)的电磁交变场(RF场)而激励(自旋共振)的磁场强度。从宏观角度来看，个体核自旋的分布产生总体磁化，该磁化可以通过施加具有适当频率的电磁脉冲(RF脉冲)而偏离平衡状态，同时该磁场垂直于z轴延伸，从而该磁化围绕z轴执行进动。该进动描述出锥表面，其孔径角被称为翻转角。翻转角的量级取决于所施加的电磁脉冲的强度和持续时间。在所谓90°脉冲的情况下，自旋被从z轴偏转到横平面(翻转角90°)。
在RF脉冲终止后，该磁化弛豫回到原始平衡状态，其中z方向的磁化以第一时间常数T1(自旋晶格或纵向弛豫时间)再次建立，并且垂直于z方向的方向上的磁化以第二时间常数T2(自旋-自旋或横向弛豫时间)弛豫。磁化的变化可以通过接收RF线圈来检测，这些RF线圈被布置并定向在MR设备的检查体积内以使得在垂直于z轴的方向上测量磁化的变化。伴随横向磁化的衰减，在施加例如90°脉冲之后，核自旋(由局部磁场不均匀性感生)从具有相同相位的有序状态转变到所有相位角均匀分布(失相)的状态。该失相可以通过重聚焦脉冲(例如180°脉冲)来补偿。这在接收线圈中产生回波信号(自旋回波)。
为了实现身体中的空间分辨率，沿着三个主轴延伸的线性磁场梯度被叠加到均匀磁场上，从而导致自旋共振频率的线性空间依赖性。于是在接收线圈中拾取的信号包含不同频率的分量，这些分量可以与身体中的不同位置相关联。通过接收线圈获得的信号对应于空间频率域并且被称为k-空间数据。该k-空间数据通常包括以不同相位编码采集的多条线。通过收集多个样本来数字化每条线。通过Fourier变换来将一组k-空间数据转换成MR图像。
液体衰减反转恢复(FLAIR)是一种受欢迎的MR成像技术，其被用于抑制来自MR设备的操作者希望可视化的组织附近或周围的液体的不期望信号。已经发现其在脑成像和脊髓成像中是特别有用的，其中脑组织(灰质和白质)或脊髓组织是感兴趣的且来自周围脑脊髓液(CSF)的MR信号是不期望的。FLAIR脉冲序列通常被用于提供位于CSF附近的组织区域中的病变的改进的显著性。
在FLAIR被用于评估脑和脊髓中的异常的情况下，通常期望抑制图像中的CSF，从而使得靠近CSF的组织中的病变、肿瘤和水肿的对比度差异将被增强。反转恢复(IR)RF脉冲的施加和时机确定了在FLAIR采集过程中产生的对比度。施加空间选择性IR RF脉冲的FLAIR序列可能表现出由CSF运动产生的有问题的流入伪影。作为替代，开发了非选择性FLAIR。在非选择性FLAIR中，在启动实际成像序列之前施加激励整个区域的非选择性IR RF脉冲。具有不同弛豫特性的不同物质(组织类型)将根据IR脉冲与成像序列开始的时刻之间的反转延迟时间段的持续时间而产生不同水平的MR信号幅值，并且采集用于图像重建的信号数据集。为了抑制来自CSF的MR信号贡献，图像采集通常应该发生在CSF的纵向磁化的零交叉时刻。然而，在多切片FLAIR中，在整个图像切片中图像对比度经常不是一致的，其取决于IR脉冲与各个图像的采集之间的精确延迟。
具有非选择性反转的三维FLAIR的实现方式在本领域是已知的(参见例如US 6,486,667)，其中CSF-流入伪影和局部体积效应的问题已经被减少。这些已知技术的缺点在于它们在高达3Tesla的主场强下工作良好。在更高的场强下，例如7Tesla，由于比吸收率(SAR)约束、对磁化率的高敏感性、短T2*分量和RF不均匀性等因素，实现FLAIR就不太容易了。此外，灰质和白质的T1弛豫时间变长而CSF的T1较不依赖于磁场，这会引入来自灰质和白质的MR信号的更多T1-加权，由此折损期望的T2对比度。
FLAIR序列以及规则的T2-加权快速自旋回波(TSE)序列(即没有液体衰减)是神经放射学中的最重要的技术。然而，各向同性体素尺寸＜1mm情况下的已知三维TSE技术的缺点是长扫描时间。高并行成像因子(SENSE，SMASH，参见Pruessmann等人，“SENSE：Sensitivity Encoding for Fast MRI”，Magnetic Resonance in Medicine 1999，42(5)，1952-1962和Sodickson等人，“Simultaneous acquisition of spatial harmonics(SMASH)：Fast imaging withradiofrequency coil arrays”，Magnetic Resonance in Medicine 1997，38，591-603)已经被提议以加速图像采集，但是从同一患者采集高分辨率三维T2-加权图像和对应的FLAIR图像仍然导致不可接受的长扫描时间。
发明内容
本发明预期一种克服上述缺点和问题的新的改进的MR成像方法。
根据本发明，公开了一种对置于MR设备的检查体积内的患者的身体的至少一部分进行MR成像的方法。本发明的该方法包括以下步骤：
-使所述身体的所述部分经受第一成像序列以便采集第一信号数据集；
-紧接着第一成像序列使所述身体的所述部分经受反转所述部分内的纵向磁化的反转RF脉冲；
-在反转延迟时间段后使所述身体的所述部分经受第二成像序列以便采集第二信号数据集；
-分别根据第一和第二信号数据集重建第一和第二MR图像。
本发明的要点在于在单个常规三维FLAIR实验的扫描时间内产生两种图像，例如三维T2-加权图像(根据第一信号数据集重建)和FLAIR图像(根据第二信号数据集重建)。本发明的方法实际上是双对比度成像序列，其开始于规则的图像采集步骤(第一成像序列)，即没有液体衰减，随后紧接着的是IR RF脉冲，该脉冲反转在第一成像序列后存在的纵向磁化。然后在适当选定的反转延迟时间段之后在第二步骤中采集FLAIR图像。用于采集(无液体衰减的)T2-加权图像和FLAIR图像的总体时间不超过以常规方式仅采集FLAIR图像所需的时间。
根据本发明的优选实施例，所述身体的被检查部分包括具有不同纵向弛豫时间的至少两种物质(例如脑组织和CSF)，反转延迟时间段被选择为使得至少一种物质(例如CSF)的纵向磁化在第二成像序列开始时基本为零。这对应于通用FLAIR方法。
此外，这些物质也可以具有不同的横向弛豫时间。在这种情况下，第一成像序列的持续时间可以被选择为使得至少一种物质(例如脑组织)的横向磁化在第一成像序列结束时基本为零，同时至少另一种物质(例如CSF)的横向磁化不同于零。可以借助于驱动平衡(DRIVE)脉冲而将CSF的剩余横向磁化在第一成像序列结束时转换成纵向磁化，即紧接着照射IRRF脉冲之前。短T2分量(例如脑组织)将不对DRIVE脉冲后的纵向磁化作出贡献。在这一实施例中，本发明的第一成像序列具有使短T2分量饱和的磁化预备序列的效果。与常规FLAIR相对比，根据本发明，短T2物质(例如脑组织)的纵向磁化的恢复因此在照射IR RF脉冲之后从零开始。这对高主场强(例如7Tesla)下第二成像步骤中的T2对比度具有正面影响，其中脑组织的纵向弛豫时间被显著增加(导致CSF与脑组织之间的纵向弛豫时间差的对应减小)。与常规FLAIR成像相比，由本发明的方法可以预期使信噪比(SNR)增加20-40％且同时增加灰质和白质之间的对比度噪声比(CNR)。
根据本发明的又一优选实施例，反转RF脉冲是空间非选择性绝热反转脉冲。如上所述，以此方式可以避免不期望的CSF流入效应。此外，该绝热IR RF脉冲是有利的，因为它对B1不均匀性不敏感，而B1不均匀性是高主磁场强度下存在的问题。
至此所描述的本发明的方法可以通过MR设备来执行，该MR设备包括用于在检查体积内生成均匀稳定磁场的至少一个主磁体线圈、用于在检查体积内的不同空间方向上生成切换磁场梯度的多个梯度线圈、用于在检查体积内生成RF脉冲和/或用于接收来自位于检查体积中的患者的身体的MR信号的至少一个RF线圈、用于控制RF脉冲和切换磁场梯度的时间连续性的控制单元、重建单元以及可视化单元。本发明的方法是通过MR设备的重建单元、可视化单元和/或控制单元的对应编程来实现的。
本发明的方法可以有利地在当前临床使用的大多数MR设备中执行。为此目的，仅需要利用控制MR设备的计算机程序来执行本发明的上述方法步骤。该计算机程序可以存在于数据载体上或存在于数据网络中，从而可以被下载以用于安装在MR设备的控制单元中。
附图说明
附图公开了本发明的优选实施例。然而，应该理解附图被设计为仅用于图示说明的目的而不是对本发明的范围进行限定。在附图中：
图1示出了用于执行本发明的方法的MR设备；
图2示出了根据本发明的成像序列的图以及示出在反转延迟时间段内纵向磁化的恢复的图。
具体实施方式
根据图1，显示出一种MR设备1。该设备包括超导或阻性主磁体线圈2，从而沿着穿过检查体积的z轴创建基本均匀的时间上恒定的主磁场。
磁共振生成和操纵系统施加一系列RF脉冲和切换磁场梯度以反转或激励核磁自旋、感生磁共振、重聚焦磁共振、操纵磁共振、在空间上或以其他方式编码磁共振、使自旋饱和等以执行MR成像。
更具体地，梯度脉冲放大器3沿着检查体积的x、y和z轴将电流脉冲施加到全身梯度线圈4、5和6中的选定者上。数字RF频率发射器7通过发送/接收开关8将RF脉冲或脉冲包发射到全身体积RF线圈9以将RF脉冲发射到检查体积内。典型的MR成像序列是由短持续时间的RF脉冲片段包构成的，这些RF脉冲片段彼此组合在一起并且结合任何施加的磁场梯度来实现对核磁共振的选定操纵。RF脉冲被用于饱和、激励共振、反转磁化、重聚焦共振或操纵共振并且选择位于检查体积中的身体10的一部分。MR信号也被全身体积RF线圈9拾取。
为了通过并行成像生成身体10的有限区域的MR图像，一组局部阵列RF线圈11、12、13邻近被选择用于成像的区域放置。阵列线圈11、12、13可以被用于接收由身体线圈RF发射感生的MR信号。
由全身体积RF线圈9和/或阵列RF线圈11、12、13拾取的最终MR信号被优选包括前置放大器(未示出)的接收器14解调。接收器14经由发送/接收开关8连接到RF线圈9、11、12和13。
主计算机15控制梯度脉冲放大器3和发射器7以生成例如快速自旋回波(TSE)成像等的多个MR成像序列中的任意者。对于选定的序列，接收器14接收紧接着每个RF激励脉冲的单个或多个MR数据线。数据采集系统16执行所接收的信号的模数转换并且将每个MR数据线转换成适于进一步处理的数字格式。在现代MR设备中，数据采集系统16是专用于采集原始图像数据的分离的计算机。
最后，由施加Fourier变换或诸如SENSE或SMASH的其他适当重建算法的重建处理器17将数字原始图像数据重建成图像表示。MR图像可以表示穿过患者的平面切片、平行平面切片阵列、三维体积等。然后该图像被存储在图像存储器中，在这里它可以被访问以便将切片、投影或图像表示的其他部分转换成用于例如经由视频监视器18进行可视化的适当格式，该视频监视器18提供最终MR图像的人类可读显示。
继续参考图1并且进一步参考图2，解释本发明的双对比度成像方法的实施例，其被用于脑成像。上部图所示的序列开始于经由体积RF线圈9生成的用于激励磁化的90°RF脉冲，接着是在其期间采集第一信号数据集的第一成像序列S1。序列S1是具有高级重聚焦脉冲角扫掠的三维TSE读出(参见Hennig等人，“Multi Echo Sequences with Variable Refocusing FlipAngles：Optimization of Signal Behavior Using Smooth Transitions BetweenPseudo Steady States(TRAPS)”，Magnetic Resonance in Medicine 2003，49，527-535)。根据该第一信号数据集重建T2-加权的图像。在第一成像读出S1结束时照射-90°DRIVE脉冲，以便将CSF的剩余横向磁化重置回到纵轴。短T2分量(灰质和白质)的极少横向磁化在序列S1结束时剩余，以便被DRIVE脉冲变换成纵向磁化。因此包含初始90°RF脉冲、TSE读出S1和DRIVE脉冲的该序列表现为像是这些分量的饱和预备。在DRIVE脉冲之后立即生成非选择性绝热180°反转脉冲。该180°反转脉冲被优化以满足各个主磁场强度下的绝热条件。图2中的下部图显示出在180°反转脉冲之后的反转延迟时间段内随时间t变化的CSF与灰质及白质(GM、WM)的纵向磁化Mz的恢复。CSF的磁化开始于大的负值，而GM和WM的纵向磁化紧接着180°反转脉冲之后基本为零。在反转延迟时间段TI之后，即当CSF的纵向磁化基本为零且GM和WM的纵向磁化已经恢复到基本正值时，照射第二90°激励脉冲。第二90°激励脉冲之后是在其期间采集第二信号数据集的第二三维TSE读出S2。根据该第二信号数据集重建FLAIR图像。
图2中所示的序列可以被用于具有第一读出S1中的T2-加权和第二读出S2中的FLAIR对比度的双对比度三维TSE成像。总体采集时间基本不超过常规FLAIR成像实验的采集时间。所示的序列的进一步优势在于其由于第一读出S1之后的短T2分量的饱和而产生第二读出S2中改进的SNR和CNR。然而，必须注意，本发明的双对比度方法也可以应用于二维和多切片应用，毕竟全三维检查有可能导致不容许的长采集时间。

Claims (10)

1.一种对置于MR设备(1)的检查体积内的患者的身体(10)的至少一部分进行MR成像的方法，所述方法包括以下步骤：
-使所述身体(10)的所述部分经受第一成像序列(S1)以便采集第一信号数据集；
-紧接着所述第一成像序列(S1)使所述身体(10)的所述部分经受反转所述部分内的纵向磁化的反转RF脉冲；
-在反转延迟时间段(TI)后使所述身体(10)的所述部分经受第二成像序列(S2)以便采集第二信号数据集；
-分别根据所述第一和第二信号数据集重建第一和第二MR图像。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一信号数据集是T2-加权的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述身体(10)的所述部分包括具有不同纵向弛豫时间的至少两种物质，所述反转延迟时间段(TI)被选择为使得所述物质中的至少一种的纵向磁化在所述第二成像序列开始时基本为零。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述物质还具有不同的横向弛豫时间，所述第一成像序列(S1)的持续时间被选择为使得所述物质中的至少一种的横向磁化在所述第一成像序列(S1)结束时基本为零，同时至少另一种物质的横向磁化不同于零。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，在所述第一成像序列(S1)结束时施加驱动平衡RF脉冲。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述第一和第二成像序列(S1，S2)是快速自旋回波序列。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述反转RF脉冲是空间非选择性绝热反转脉冲。
8.一种用于执行如权利要求1-7所述的方法的MR设备，所述MR设备(1)包括用于在检查体积内生成均匀稳定磁场的至少一个主磁体线圈(2)、用于在所述检查体积内的不同空间方向上生成切换磁场梯度的多个梯度线圈(4，5，6)、用于在所述检查体积内生成RF脉冲和/或用于接收来自位于所述检查体积中的患者的身体(10)的MR信号的至少一个RF线圈(9)、用于控制RF脉冲和切换磁场梯度的时间连续性的控制单元(15)，以及重建单元(17)，其中，所述MR设备(1)被布置为执行以下步骤：
-使所述身体(10)的所述部分经受第一成像序列(S1)以便采集第一信号数据集，所述第一成像序列(S1)包括经由所述RF线圈(9)生成的RF脉冲以及经由所述梯度线圈(4，5，6)生成的切换磁场梯度；
-紧接着所述第一成像序列(S1)使所述身体(10)的所述部分经受经由所述RF线圈(9)生成的反转所述部分内的纵向磁化的反转RF脉冲；
-在反转延迟时间段(TI)后使所述身体(10)的所述部分经受第二成像序列(S2)以便采集第二信号数据集，所述第二成像序列(S2)包括经由所述RF线圈(9)生成的RF脉冲以及经由所述梯度线圈(4，5，6)生成的切换磁场梯度；
-借助所述重建单元(17)分别根据所述第一和第二信号数据集重建第一和第二MR图像。
9.如权利要求8所述的MR设备，其还包括一组阵列式RF线圈(11，12，13)，用于并行接收来自所述身体(10)的MR信号。
10.一种在MR设备上运行的计算机程序，所述计算机程序包括用于以下操作的指令：
-生成第一成像序列(S1)以便采集第一信号数据集；
-紧接着所述第一成像序列(S1)生成反转RF脉冲；
-在反转延迟时间段(TI)后生成第二成像序列(S2)以便采集第二信号数据集；
-分别根据所述第一和第二信号数据集重建第一和第二MR图像。
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