CN102782518A - 磁共振弹性成像 - Google Patents

Abstract

一种磁共振弹性成像方法包括向待检查的对象以振动周期（T）施加机械振动，以在所述对象体内生成机械波。以重复时间T_R发出运动敏感的磁共振采集序列，以从所述对象采集磁共振信号。这种采集序列包括在个体重复时间之内施加一个或多个相位编码步骤。所述重复时间乘以在一个重复时间之内的相位编码的数量不等于所述相位周期的整数倍。由此，从在由所述机械振动的所述相位和所述相位编码展成的样本空间中收集的磁共振信号重建波型的磁共振图像。

Description

磁共振弹性成像

技术领域

本发明涉及一种磁共振弹性成像方法，其包括向待检查的对象以振动周期（T）施加机械振动以在对象体内生成机械波，以及以重复时间TR施加运动敏感的磁共振采集序列以从对象采集磁共振信号。

背景技术

从美国专利US 5592085已知这样的磁共振弹性成像方法。在已知的磁共振弹性成像方法中，向被检查的对象施加振动应力。交变磁梯度场与NMR成像序列中所采用的施加的应力同时以测量跨整个视场的自旋运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁共振弹性成像（MRE）方法，其使得信号采集的重复时间受到更少的约束。

这一目的是通过本发明的MRE方法实现的，所述方法包括：

-向待检查的对象以振动周期（T）施加机械振动，以在对象体内生成机械波，

-以重复时间T_R施加运动敏感的磁共振采集序列，以从对象采集磁共振信号，

-采集序列包括在个体重复时间之内施加一个或多个相位编码步骤（step），其中，

-重复时间乘以在一个重复时间之内的相位编码的数量不等于振动周期的整数倍，并且

-从磁共振信号来重建波型（pattern）的磁共振图像，所述磁共振信号是在由机械振动的相位和相位编码展成的样本空间中收集的。

因为采集序列的重复时间不受限于振动周期的整数倍，重复时间能够被缩短，例如缩短到大约10ms的值，或者甚至短至2ms。由此，本发明使得MRE能够利用场-回波序列来执行。在振动被施加至患者的身体以生成机械剪切波期间，采集磁共振信号。对于每种相位编码分布特性（profile),具有相同相位编码和一定范围的读取（或频率）编码的磁共振信号，记录机械振动的相位。由此，本发明的方法在由机械振动和相位编码展成的样本空间中收集磁共振信号。这允许重建由于机械振动产生的波型。

参考在从属权利要求中限定的实施例，将进一步阐述本发明的这些和其他方面。

在本发明的一个方面中，采集所收集的磁共振信号，使得对于各个相位编码值（步骤），采集磁共振信号，其具有机械振动的相位的若干值。特别地，显然从针对个体相位编码的机械振动的相位的三个值，能够提取具有机械振动的振动周期的正弦波的DC分量和相位与幅度。然后针对若干相位编码导出这些值。对于针对机械振动的相位的三个或更多个值的k空间中的k_y和/或k_z方向的每个相位编码步骤，在样本空间中采集和收集磁共振信号。机械振动的相位的三个值允许在有疑问的相位编码处提取具有机械振动的振动周期的正弦波的DC分量和相位与幅度。当针对机械振动的相位的多于三个值来采集磁共振信号时，那么能够更为精确的重建组织中的机械振动。另一方面，当针对相位的多个值采集磁共振信号时，需要更长的时间来采集所有磁共振信号。对于来自针对所述相位编码步骤的所收集的磁共振信号的相位编码值中的每个，导出针对机械波的相位的DC分量、动态幅度的值。动态幅度是表示对象体内的机械波的正弦波的变化的范围。因此，根据相位编码和机械波的相位从组织的机械振动的相位和动态幅度产生波型的磁共振图像。仅需要DC分量以提取动态幅度，从所述动态幅度本身足以重建波型。根据所述DC分量，重建解剖区域的图像，波型在所 述解剖区域中传播。因此，本发明的这一方面允许在图像中显示波型，其还表示静态解剖结构。

这种方法依赖于已知机械波的频率。在实践中，穿过对象（例如待检查的患者）的组织的机械波的频率等于所施加的机械振动的频率。此外，机械波在实践中由正弦波非常好地近似。然后，通过对所采集的数据的傅里叶变换对波型进行重建。当采用k空间中的笛卡尔扫描模式时，相位编码可以在k空间中的一个方向（k_y）或两个方向（k_y和k_z）。本发明还可以利用用于扫描k空间的其他方法来实施，诸如使用k空间中的径向或螺旋扫描轨线。通常，通过施加时域相位编码梯度场来施予相位编码。因为实际针对机械振动的相位的大量的值采集磁共振信号，以高的准确度重建波型。

在本发明的备选方面中，针对机械振动的相位的有限数量（至少三个）的值，实际采集磁共振信号。针对机械振动的相位的额外的值，从所测量的磁共振信号对（读取编码的）磁共振信号的值进行内插。通过这种方式，获得一系列数据，其对应于机械振动的相位的连续值。针对相位编码的若干值重复这一流程。从整个数据集，能够重建波型。这种内插方法要求较少的实际要采集的磁共振信号，从而缩短采集时间。

在本发明的另一方面中，在若干不同的振动频率下同时生成机械振动。在本发明的这一方面中，由若干致动器生成机械振动，其共同产生宽的空间区域，其中，在待检查的对象体内生成机械波。亦即，每个致动器都在区域中生成机械波，并且各个致动器生成机械波的区域共同形成宽的空间区域。优选地，以不同的频率操作相应的致动器。通过这种方式，避免了由不同致动器生成的机械波的相互干扰。特别地，不同的致动器使用不同的频率避免了来自致动器的破坏性干扰的贡献，所述破坏性干扰不产生信号。当采用若干（N个）振动频率时，那么对于机械振动的相位的2N+1个值，每个相位编码步骤都需要磁共振信号。这使得能够紧接着DC偏移，在振动频率中的每个处提取机械振动的相位的动态幅度和相位。

特别地，通过相对于对象，即待检查的患者，在不同位置放置以不同频率产生机械振动的致动器来加宽生成机械振动的空间区域。

本发明还涉及一种根据权利要求6所述的磁共振检查系统。本发明的磁共振检查系统包括致动器，致动器向对象，特别是向待检查患者的身体，施加机械振动，以在对象体内引起机械波。所述磁共振检查系统配备有RF激励系统，以施加RF脉冲来激励对象体内的自旋。还可以施加RF脉冲以重新聚焦和/或反转所激励的自旋。梯度系统包括梯度线圈，用于为磁共振信号的空间编码施加时域磁梯度场（梯度脉冲）。所述梯度系统还生成运动敏感梯度脉冲。RF激励系统和梯度系统共同操作以生成运动敏感的磁共振采集序列，从而生成来自对象的磁共振信号。RF激励系统包括RF天线，例如为RF线圈的形式。梯度系统包括梯度线圈和梯度放大器。梯度放大器将电流馈送至梯度线圈，其生成梯度磁场。这些RF线圈常常以激励模式以及以接收器模式工作。因此RF线圈常常由RF激励系统和RF接收器系统共享。RF接收器系统因此包括RF接收器天线，即，RF接收器线圈，或者以接收模式工作的RF线圈。RF接收器系统还包括电子（数字）接收器系统以接收磁共振信号，所述磁共振信号是由RF接收器天线拾取的。所述接收器系统还处理磁共振信号以使磁共振信号能够应用于重建器。所述重建器例如通过快速傅里叶变换从磁共振信号重建磁共振图像。RF激励系统、RF接收器系统、重建器和致动器受到控制单元的控制，控制单元常常为数字主计算机的形式。根据本发明，控制单元控制磁共振信号的这些分量以执行本发明的方法。特别地，控制单元进行布置以设置机械振动的重复时间，设置运动敏感的磁共振采集序列的重复时间乘以相位编码步骤的数量不等于振动周期的整数倍。此外，控制单元令RF接收器系统在由机械振动的相位和相位编码展成的样本空间中收集磁共振信号。最后，重建器从所收集的磁共振信号重建待检查的对象体内的机械波的磁共振图像。

本发明还涉及一种根据权利要求7所述的计算机程序。本发明的计算机程序能够在诸如CD-rom盘或USB记忆棒的数据载体上提供，或者本发明的计算机程序能够从诸如万维网的数据网络下载。当被安装到包含在磁共振成像系统中的计算机中时，使得所述磁共振成像系统能够根据本发明来工作并且使得磁共振检查系统能够以短的重复时间执行磁共振弹性成像。

参考下文所描述的实施例以及参考附图，本发明的这些和其他方面将得以阐述。

附图说明

在附图中：

图1示意性示出了其中使用了本发明的磁共振成像系统；以及

图2示出了在样本空间中对所采集的数据的采样的范例。

具体实施方式

图1示意性示出了其中使用了本发明的磁共振成像系统。所述磁共振成像系统包括一组主线圈10，从而生成稳定、均匀的磁场。以某种方式构造主线圈，例如使得它们围绕隧道形状的检查空间。待检查的患者被置于患者支撑物上，所述患者支撑物滑动到这一隧道形状的检查空间中。所述磁共振成像系统还包括若干梯度线圈11、12，从而特别是在各个方向以时域梯度的形式，生成磁场梯度空间变化，以将其叠加到均匀磁场上。梯度线圈11、12被连接到梯度控制器21，其包括一个或多个梯度放大器和能控制的功率提供单元。梯度线圈11、12通过借助功率提供单元21施加电流来供能；对此，功率提供单元与将电流施加至梯度线圈的电子梯度放大电路匹配，以便生成适当时域形状的梯度脉冲（也称为“梯度波形”）。梯度的强度、方向和持续时间受到功率提供单元的控制器的控制。所述磁共振成像系统还包括分别用于生成RF激励脉冲以及用于拾取磁共振信号的发射和接收线圈13、16。发射线圈13优选被构造为体线圈13，从而围绕待检查对象（或一部分）。体线圈通常以某种方式被布置在磁共振成像系统中，使得当待检查的患者30被布置在磁共振成像系统中时，他或她被体线圈13围绕。体线圈13充当用于发射RF激励脉冲和RF重聚焦脉冲的发射天线。优选地，体线圈13包括所发射的RF脉冲（RFS）的空间均匀的强度分布。相同的线圈或天线通常交替用作发射线圈和接收线圈。此外，发射和接收线圈通常被成形为线圈，但发射和接收线圈充当用于电磁信号的发射和接收天线的其他几何结构也是可行的。发射和接收线圈13被连接到电子发射和接收电路15。

应当注意到，备选地，能够使用分离的接收和/或发射线圈16。例如，表面线圈16能够用作接收和/或发射线圈。这样的表面线圈在比较而言较小的体积中具有高的灵敏度。所述接收线圈，诸如表面线圈，被连接到解调器（DMD）24，并且借助解调器24对所接收的磁共振信号（MS）进行解调。经解调的磁共振信号（DMS）被应用于重建单元。所述接收线圈被连接到前置放大器23。前置放大器23放大由接收线圈16接收的RF共振信号（MS）并且将经放大的RF共振信号应用于解调器24。解调器24对经放大的RF共振信号进行解调。经解调的共振信号包含关于在待检查对象的部分中的局部自旋密度的实际信息。此外，发射和接收线圈15被连接到调制器（MOD）22。调制器22与发射和接收电路15激活发射线圈13，从而发射RF激励和重聚焦脉冲。具体而言，表面接收线圈16通过无线链接的方式与发射和接收电路耦合。由表面线圈16接收的磁共振信号数据被传送至发射和接收电路15，并通过无线链接将控制信号发送至表面线圈（例如，以对表面线圈进行调谐和去谐）。

重建单元从经解调的磁共振信号（DMS）导出一个或多个图像信号，所述图像信号表示待检查对象的被成像部分的图像信息。或者，经放大的磁（RF）共振信号由AD采样单元进行采样，AD采样单元然后将经数字化采样的信号应用于重建器。重建单元（REC）25在实践中优选被构造为数字图像处理单元25，其被编程以便从经解调的磁共振信号导出表示待成像对象的部分的图像信息的图像信号。所述信号输出到重建监视器26，从而所述监视器能够显示磁共振图像。或者，能够将来自重建单元25的信号存储在缓存器单元27中，同时等待进一步处理。

根据本发明的磁共振成像系统还配备有控制单元20，例如为包括（微）处理器的计算机的形式。控制单元20控制RF激励的执行以及时域梯度场的施加。对此，将根据本发明的计算机程序加载到例如控制单元20和重建单元25中。

图1中所示的磁共振检查系统尤其被配置成执行磁共振弹性成像（MRE）。所述磁共振检查系统配备有致动器41，其将机械振动施加至待检查患者的身体，从而在患者的身体内生成机械波。图1中所示的实施例具有工作在不同振动频率下的两个致动器41。这两个致动器生成向其中生成机械波的宽的空间区域。因为每个致动器工作于其自身窄的数百赫兹的区域频带内，避免了在宽的空间区域中的破坏性干扰。此外，控制单元20包括MRE模块42，其控制磁共振检查系统的各MRE方面。特别地，MRE模块42控制致动器41。MRE模块42还与重建器23耦合以将施加至患者的身体的机械振动的相位应用于重建器。重建器接收如所解释的（经解调的）磁共振信号以及机械振动的相位。根据本发明的这一实施方案，重建器被编程以针对机械振动的相位的各个值采集针对每个相位编码步骤的磁共振信号。此外，重建器包括算术函数以计算在患者身体内生成的机械波的DC分量、动态幅度与相位。MRE模块42还传输每个致动器41的振动的频率。这一频率由重建器考虑以重建患者身体中的波型。

更一般而言，采用多个N个致动器。亦即，患者的身体被多个N个致动器环绕。这些致动器被编号为v＝1，...，N。

所有这些致动器诱发至身体内的颤动，每个致动器具有由w_v表示的稍微不同的颤动频率。

这些颤动中的每个，即机械振动，引起空间中每个位置的幅度的位移

和相位的位移

测量和重建的目的（下文将给出细节）是重建

和

测量被设计为针对k空间的每种“分布特性”采集多个测量结果，同时避免对于任何致动器频率的所有同时性，以及甚至可能由重复时间T_R中的一些随机值引起的所有同时性。“分布特性”代表k空间的任何预定的子集，但最通常地，这涉及一串常量k_y和k_z。简单起见，在头脑中利用“最为通用的”（即笛卡尔）方案来描述结果。将给定k_y和k_z的每种分布特性测量总共M次（实际上，针对每种分布特性有M种可能的不同，但在本文中这并非关键）。这些采集将发生在时间

其中，u＝1，...，M（倍数与任何任意选取的参考时刻相关）。优选地，M>2N+1。

重建的任务是根据在时间测量的具有相位编码k_y和k_z的分布特性中的所有数据，来计算

并且更为重要的是，计算

在空间中任何位置在任意时刻的位移是由所有致动器诱发的位移的加和给出的，即

所述位置对总信号的贡献可以被表示为：

其中，

表示磁化密度；

是表示静态信号对总信号的局部（取决于序列并且可能是不希望的）贡献的因子，而S是信号对速度的灵敏度（推测起来非常可预测的并且是常量）；这当然是序列的性质。

所测量的数据能够被表达为：

其中，F代表傅里叶变换。

为了对其进行进一步阐述，引入了若干速记标记：

$x_0\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right)=p\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right)\·a_0\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right)$

$w_{\mathrm{uv}+}=\frac{\exp \left({\mathrm{iw}}_v{t}_u\right)}{2i}$

$w_{\mathrm{uv}-}=\frac{\exp (-{\mathrm{iw}}_v{t}_u)}{2i}.$

另外，以指数扩展正弦，sin(a)=(exp(ia)-exp(-ia))/2i，我们获得：

$m_{k_y,k_z,u}\left(k_x\right)=F{\{x_0\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right)+\underset{v=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(w_{\mathrm{uv}+}{x}_{v+}\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right)+w_{\mathrm{uv}-}{x}_{v-}\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right))\}}_{k_y,k_z}\left(k_x\right).$

现在将ξ命名为x的傅里叶变换，例如，

由于傅里叶变换是线性的，我们还能够写出：

$m_u\left(k_x\right)={\mathrm{\ξ}}_0\left(k_x\right)+\underset{v=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(w_{\mathrm{uv}+}{\mathrm{\ξ}}_{v+}\left(k_x\right)+w_{\mathrm{uv}-}{\mathrm{\ξ}}_{v-}\left(k_x\right)).$

为了简练，已经省略了下标k_y、k_z。通过这种方式，每种分布特性的w_uv不同，但这不改变本公开。

我们从上文看到一组线性等式；一组具有2N+1个未知量的M个等式。这能够解出ξ。傅里叶变换在这里解出数据集

和

这些再次（回想这些缩写的意义）允许计算

和

的值。

这允许针对所测量空间之内的每个位置计算由任何致动器引起的颤动的幅度和相位。

在原理上，任何致动器的信息足以估计在任何位置处的组织的性质；然而，如果致动器远离考虑中的区域，这种计算的结果可能相当不准确。

如果我们分别使用每个致动器的数据来计算组织性质，我们能够稍后通过适当的加权来重新组合所述数据；“适当的”意味着，对于任何位置，我们将尤其考虑在所述位置产生最强颤动的那些致动器的数据。

图2示出了对在样本空间中采集的数据的采样的范例。如图2中所示，样本空间由机械振动的相位（“相位”）和相位编码方向（k_y）的轴展成。该范例仅示出了相位编码的十个值，但在实际当中，能够使用更大的数量，例如256个值。在所示的范例中，场回波采集序列的重复时间T_R为7.2ms，并且致动器工作于100Hz，即致动器具有10ms的周期。根据从致动器的启动开始所过去的时间来指定振动的相位，以10ms为模（振动的周期）。由此对于每条k_y线，沿相位轴接近7.2ms进行采样。由此测量在0ms、7.2ms、14.4-10=4.4ms、21.6-20=1.6ms以及28.8-20=8.8ms的位置处的k_y=0，1，2，3，4次采样。当针对30T_R（30*7.2=216ms）继续测量，形成如图2中所示的样本空间覆盖。应当注意到，本发明允许采集时间进一步减少。例如，当致动器工作于400Hz时，RF激励将持续大约0.9ms，并且读出将花费大约1ms，从而重复时间被缩短到大约小于2ms。如从图2中所见到的，对于ky的每个相位编码值，在样本空间中测量三个采样点。由此，在样本空间中布置磁共振信号。在这一范例中，在采集过程中对重新分组自动进行内插。或者，相位编码和致动器的相位可以分别进行记录/控制，并且样本空间中的磁共振信号，使得对于各个相位编码步骤（值），存在至少三个阶段的磁共振信号。然后，对于每个相位编码值ky，由算术函数基于由MRE模块42传输的致动器的频率来计算DC分量、相位和动态幅度。

Claims (7)

1.一种磁共振弹性成像方法，其包括：

-向待检查的对象以振动周期（T）施加机械振动，以在所述对象体内生成机械波；

-以重复时间T_R施加运动敏感的磁共振采集序列，以从所述对象采集磁共振信号；

-所述采集序列包括在个体重复时间之内施加一个或多个相位编码步骤；其中，

-所述重复时间乘以在一个重复时间之内的相位编码的数量不等于所述振动周期的整数倍，以及

-从所述磁共振信号来重建波型的磁共振图像，所述磁共振信号是在由所述机械振动的所述相位和所述相位编码展成的样本空间中收集的。

2.根据权利要求1所述的磁共振弹性成像方法，其中，

-对于每个相位编码，针对所述机械振动的所述相位的至少三个值采集磁共振信号，以及

-对于每个相位编码，导出所述机械波的DC分量、动态幅度和相位，以及

-从针对取决于相位编码值的所述动态幅度和所述相位的这些值，来重建所述对象体内的所述波型的图像。

3.根据权利要求2所述的磁共振弹性成像方法，其中，从所述DC分量来重建静态图像。

4.根据权利要求1所述的磁共振弹性成像方法，

-包括在由所述机械振动的所述相位和所述相位编码展成的所述样本空间中对磁共振信号进行内插，以及

-从所收集的磁共振信号以及经内插的磁共振信号来重建所述波型的磁共振图像。

5.根据权利要求1所述的磁共振弹性成像方法，其中，所述机械振动是以若干种振动频率同时生成的。

6.一种磁共振检查系统，其包括：

-致动器，其向待检查的对象施加机械振动并在所述对象体内生成机械波；

-RF激励系统和梯度系统，其施加运动敏感的磁共振采集序列；

-所述运动敏感的磁共振采集序列包括多个相位编码步骤；

-RF接收器系统，其接收在所述磁共振采集序列中生成的磁共振信号，

-重建器，其从所接收的磁共振信号来重建磁共振图像，所述磁共振信号是在由所述机械振动的所述相位和所述相位编码展成的样本空间中收集的；

-控制单元，其控制所述RF激励系统、梯度系统、所述致动器和所述重建器；

-所述控制单元被布置成设置所述机械振动的重复时间，设置所述运动敏感的磁共振采集序列的重复时间乘以相位编码步骤的数量不等于所述振动周期的整数倍；

-所述重建器被配置成从所收集的磁共振信号重建所述机械波的所述磁共振图像。

7.一种计算机程序，其包括用于执行如下操作的指令：

-向待检查的对象以振动周期（T）施加机械振动，以在所述对象体内生成机械波；

-以重复时间T_R施加运动敏感的磁共振采集序列，以从所述对象采集磁共振信号；

-所述采集序列包括在个体重复时间之内施加一个或多个相位编码步骤；其中

-所述重复时间乘以在一个重复时间之内的相位编码的数量不等于所述振动周期的整数倍；

-所采集的磁共振信号是；

-从所述磁共振信号来重建波型的磁共振图像，所述磁共振信号是在由所述机械振动的所述相位和所述相位编码展成的样本空间中收集的。

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