CN103156609B - 使用磁共振波谱系统的化学平衡比的测量 - Google Patents

使用磁共振波谱系统的化学平衡比的测量 Download PDF

Info

Publication number
CN103156609B
CN103156609B CN201210553117.3A CN201210553117A CN103156609B CN 103156609 B CN103156609 B CN 103156609B CN 201210553117 A CN201210553117 A CN 201210553117A CN 103156609 B CN103156609 B CN 103156609B
Authority
CN
China
Prior art keywords
chemical species
pulse
driving pulse
tip angle
generate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201210553117.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103156609A (zh
Inventor
A.P-F.陈
R.E.赫德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of CN103156609A publication Critical patent/CN103156609A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103156609B publication Critical patent/CN103156609B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48—NMR imaging systems
    • G01R33/483—NMR imaging systems with selection of signals or spectra from particular regions of the volume, e.g. in vivo spectroscopy
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/055—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves  involving electronic [EMR] or nuclear [NMR] magnetic resonance, e.g. magnetic resonance imaging
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/14539—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue for measuring pH
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/46—NMR spectroscopy
    • G01R33/4608—RF excitation sequences for enhanced detection, e.g. NOE, polarisation transfer, selection of a coherence transfer pathway
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48—NMR imaging systems
    • G01R33/4804—Spatially selective measurement of temperature or pH
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48—NMR imaging systems
    • G01R33/483—NMR imaging systems with selection of signals or spectra from particular regions of the volume, e.g. in vivo spectroscopy
    • G01R33/485—NMR imaging systems with selection of signals or spectra from particular regions of the volume, e.g. in vivo spectroscopy based on chemical shift information [CSI] or spectroscopic imaging, e.g. to acquire the spatial distributions of metabolites

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Abstract

一种使用磁共振波谱系统的化学平衡比的测量。本发明论述选择性RF激励的使用。波谱选择性大顶锥角RF脉冲用于检测来自第一化学物种的弱信号。非选择性小顶锥角脉冲用于测量来自与第一化学物种交换的第二化学物种的信号。所获取共振数据供给可用于测量交换中的波谱上不同的物种的比率。

Description

使用磁共振波谱系统的化学平衡比的测量
技术领域
本公开涉及磁共振(MR)波谱用于测量化学性质或相对浓度。
背景技术
磁共振波谱(MRS)和磁共振成像(MRSI)技术是医疗诊断和医疗诊断成像领域中已知的。磁共振(MR)手段使受检者经受易受一个或多个射频(RF)脉冲的扰动的均匀磁场。具体来说，均匀磁场使对象中的响应物质（responsive material）的自旋均匀，使得自旋有效地对齐。然后可施加激励RF脉冲，以便通过定向地使自旋倾斜到横断均匀磁场的平面中使响应物质的自旋同步。在去除激励RF脉冲时，自旋与均匀磁场重新对齐，并且在该过程中发射共振信号。可归因于各核素的这些共振信号的差由成像系统使用MRS系统来检测，提供与被分析化学物种有关的有用信息。
具体来说，当响应物质(例如氢(H)或碳-13(13C)原子)是分子的成分时，分子的电子云影响响应物质所遇到的磁场强度。有效磁场强度的变化引起对响应物质的旋进频率（precession frequency）或自旋的小变化。旋进频率的这种变化表示为允许包含响应物质的不同分子相互区分的化学位移（chemical shift）。例如，这种化学位移可允许识别体内的不同化学品并且确定这类化学品的浓度。
发明内容
本公开包括用于生成平衡交换（equilibrium exchange）中的两种或更多化学物种的磁共振数据的实施例。例如，在一个实施例中，提供一种用于测量交换中的两种或更多波谱上不同的化学物种的比率的方法。按照这种方法，生成第一顶锥角（tip angle）为30°或更大的波谱选择性RF激励脉冲，以便有选择地激励第一化学物种。在第一化学物种与第二化学物种之间的平衡条件下，生成第二顶锥角小于30°的非选择性RF激励脉冲，以便至少激励第二化学物种。生成波谱选择性RF激励脉冲和生成非选择性RF激励脉冲的步骤重复进行设定的重复次数。交换中的第一化学物种与第二化学物种的比率基于第一顶锥角和第二顶锥角的差别效应（differential effect）来得到。
在另一个实施例中，提供一种物理上编码一个或多个可执行例程的存储器结构。在被运行时，例程使动作被执行，包括：生成第一顶锥角为30°或更大的波谱选择性RF激励脉冲，以便有选择地激励第一化学物种；在第一化学物种与第二化学物种之间的平衡条件下，生成第二顶锥角小于30°的非选择性RF激励脉冲，以便至少激励第二化学物种；将生成波谱选择性RF激励脉冲和生成非选择性RF激励脉冲的步骤重复进行设定的重复次数；以及基于第一顶锥角和第二顶锥角的差别效应来得到交换中的第一化学物种和第二化学物种的比率。
在另一个实施例中，提供一种磁共振波谱系统。磁共振波谱系统至少包括：主磁场线圈，配置成在体积中生成主磁场；射频(RF)线圈，配置成生成RF脉冲；以及一个或多个控制电路，用于控制主磁场线圈和RF线圈的操作。磁共振波谱系统还包括存储器，存储将要由一个或多个控制电路来运行以用于实现脉冲序列的指令。脉冲序列在被运行时造成：生成第一顶锥角为30°或更大的波谱选择性RF激励脉冲，以便有选择地激励第一化学物种；在第一化学物种与第二化学物种之间的平衡条件下，生成第二顶锥角小于30°的非选择性RF激励脉冲，以便至少激励第二化学物种；将生成波谱选择性RF激励脉冲和生成非选择性RF激励脉冲的动作重复进行设定的重复次数。
附图说明
通过参照附图阅读以下详细描述，将会更好地了解本公开的这些及其它特征、方面和优点，附图中，相似标号通篇表示相似部件，其中：
图1是本文所述的配置成执行数据获取的磁共振波谱成像系统的一个实施例的示意图；
图2示出使用常规方式所得到的H13CO3 -和13CO2的共振数据；
图3示出按照本发明、用于施加交织脉冲（interleaved pulse）序列并且随后获取和使用所产生共振数据的控制步骤或逻辑的流程图；
图4示出按照本公开、使用RF脉冲的交织集合体外（in vitro）得到的共振数据；
图5示出按照本公开、基于使用交织RF脉冲所得到的共振数据的所计算pH；以及
图6示出按照本公开、使用RF脉冲的交织集合体内（in vivo）得到的共振数据。
具体实施方式
本文所述的实施例可由诸如磁共振波谱(MRS)或磁共振波谱成像(MRSI)系统之类的适当磁共振(MR)系统来执行。如本文所述，由这类磁共振系统所构成的一种用途是通过测量13C碳酸氢盐/13CO2的比率来测量患者(或其它适当活体)体内的局部环境(例如心脏环境或者在可疑肿瘤中)的pH。通过使用磁共振手段，可无创地在体内获得pH信息。由于pH的变化与许多疾病或者其它感兴趣状况关联，pH信息在临床或诊断情况中会是特别关注的。
有鉴于此，并且参照图1，磁共振波谱系统10示意地示为包括扫描仪12、扫描仪控制电路14和系统控制电路16。在所示实施例中，MRS系统10一般配置成执行波谱成像，其中得到空间和时间解析波谱数据。系统10还包括诸如图片存档和通信系统(PACS)18之类的远程访问和存储系统或装置或者诸如远程放射设备之类的其它装置或者与其通信，使得由系统10所获取的数据可在现场或不在现场访问。这样，可获取所获取的数据，之后接着在现场或不在现场处理和评估。虽然MRS系统10可包括任何适当扫描仪或探测器，但是在所示实施例中，系统10包括全身扫描仪12，全身扫描仪12具有通过其中形成膛22的壳体20。台架24可活动地进入膛22，以便准许患者26定位在其中以供对患者体内的所选解剖构造进行成像。适当系统10的一个示例是配备有多核波谱(MNS)硬件包的3T GE MR750扫描仪(两者均可从GE Healthcare(Waukesha，WI)获得)。
扫描仪12包括一系列关联线圈，用于产生受控磁场并且用于探测来自被成像受检者的解剖构造内的一个或多个旋磁物质的放射。提供主磁场线圈28以用于生成与膛22大体对齐的主磁场。在空间解析所获取信号的扫描仪12中(即，在波谱成像系统中)，存在一系列梯度线圈30、32和34，它们准许在检查序列期间生成受控梯度磁场。提供射频(RF)线圈36以用于生成射频脉冲，供激励旋磁物质，例如用于自旋扰动或切片选择。独立接收线圈或相同RF线圈36可在检查序列期间接收来自旋磁物质的磁共振信号。
扫描仪12的各种线圈由外部电路来控制，以便生成预期磁场和脉冲，并且按照受控方式读取来自旋磁物质的放射。在所示实施例中，提供主电源38以用于为主磁场线圈28供电。提供驱动器电路40以用于在梯度磁场线圈30、32和34存在时对这类线圈施以脉冲。这种驱动器电路40通常包括用于例如按照扫描仪控制电路14所输出的数字化脉冲序列来向线圈提供电流的放大和控制电路。提供另一控制电路42以用于调节RF线圈36的操作。控制电路42通常将包括用于在有源和无源操作模式之间进行交替的切换装置，其中RF线圈分别传送和接收信号。控制电路42还包括用于生成RF脉冲并且用于处理所接收磁共振信号的放大电路。按照本公开，控制电路可操作RF线圈36，以使得生成交织脉冲或者同时生成差别地刺激(即，倾斜)两个或更多不同目标物质的脉冲。
扫描仪控制电路14包括接口电路44，接口电路44输出用于驱动梯度磁场线圈30、32、34和RF线圈36以及用于接收表示检查序列中产生的磁共振信号的数据的信号。接口电路44耦合到控制电路46。控制电路46运行用于基于经由系统控制电路16而选的所定义规程（protocol）来驱动电路42和电路40的命令。控制电路46还用于接收磁共振信号，并且在将数据传送给系统控制电路16之前执行后续处理。扫描仪控制电路14还包括在操作期间存储配置参数、脉冲序列描述、检查结果等的一个或多个存储器结构或电路48。接口电路50耦合到控制电路46以用于在扫描仪控制电路14与系统控制电路16之间交换数据。这类数据通常将包括待执行的特定检查序列(例如用于生成交织或同时RF脉冲的检查序列或例程，如本文所述)的选择、这些序列的配置参数以及可采取原始或经处理的形式传送自扫描仪控制电路14以供后续处理、存储、传送和显示的所获取数据(例如欠采样数据（undersampleddata）)。
系统控制电路16包括接口电路52，接口电路52从扫描仪控制电路14接收数据，并且向扫描仪控制电路14回送数据和命令。接口电路52耦合到控制电路54，控制电路54可包括多用途或专用计算机或工作站中的CPU。控制电路54耦合到存储器结构或电路56，以便存储用于MRS系统10的操作的编程代码，并且存储经处理的图像数据供以后重构、显示和传输。例如，编程代码可运行能够执行适合于稳健pH测量的交织RF脉冲信号的一个或多个算法，如本文所述。可提供附加接口电路58以用于与诸如远程访问和存储装置18之类的外部系统组件交换图像数据、配置参数等。最后，系统控制电路54可包括用于有助于操作员接口并且用于产生重构图像的硬拷贝的各种外围装置。在所示实施例中，这些外设包括打印机60、监视器62以及其中包括诸如键盘或鼠标之类的装置的用户接口64。
扫描仪12以及与其关联的控制电路46按照受控方式来产生磁场和射频脉冲，以便激励和编码患者26体内的特定旋磁物质。扫描仪12和控制电路46还感测从这类物质发出的信号，并且基于这些信号来执行计算，例如基于两个或更多目标物质的差别测量来确定生理定域pH测量（localized pH measurement）。应当注意，本文所述的MRS系统只作为适当系统的一个示例来提供，并且也可使用其它磁共振波谱系统类型。类似地，这类系统可通过其主磁体的强度来定级，并且可采用能够执行以下所述的数据获取和处理的任何适当定级的系统。
上述MRS系统10可执行本文所述的数据获取技术，以及在一些实施例中可执行本文所述的数据处理技术。应当注意，在本文所述的数据获取之后，系统10可以简单地例如在存储器电路(例如存储器56)中存储所获取数据供以后本地和/或远程访问。因此，当本地和/或远程访问时，所获取数据可由专用或通用计算机中包含的一个或多个处理器来操纵。一个或多个处理器可访问所获取数据，并且运行适合于处理或分析数据的例程，如本文所述。
鉴于适当系统10的以上论述，下面论述这种基于MR的波谱系统用于计算定域pH测量。作为举例，在生理系统中，局部环境的pH能够基于Henderson-Hasselbach方程来计算：
(1)
使用感兴趣环境中的碳酸氢盐(HCO3 -)和二氧化碳(CO2)的所观测比。在这种生理环境中，HCO3 -与CO2的比率可通过碳酸酐酶的活性来建立和保持。在这种酶平衡下，[HCO3 -]/[CO2]的比率在正常生理pH(例如7.0至7.4的pH)可以是大约15比20，其中碳酸氢盐有利得在平衡时为大于10比1。
用于测量pH的某些方式利用能够在患者的感兴趣测量部位测量13C标记分子、例如超极化H13CO3 -和13CO2的测量浓度的磁共振波谱系统。这些分子能够从溶液中的静脉注射预极化H13CO3 -来得出，或者可在体内从预极化[1-13C]丙酮酸盐来生成，预极化[1-13C]丙酮酸盐通过丙酮酸盐脱氢酶的作用而分解为13CO2和H13CO3 -。系统中存在的碳酸酐酶则基于系统的pH来建立H13CO3 -和13CO2的平衡。
超极化H13CO3 -和13CO2的浓度可使用诸如上述系统10之类的MRS或MRSI系统在感兴趣定域部位来测量。来看图2，示出共振测量集合，其中使用在pH 7.4的常规小顶锥角RF激励脉冲(例如5°)并且以13CO3 -/13CO2的比率为大约20来生成。在这种测量规程中，可归因于13CO2共振80的测量信号因经历测量的13CO2的池（pool）的小尺寸以及用于得到时间和空间解析数据的RF激励脉冲的小顶锥角(例如5°-10°或者小于20°)其中之一或两者而对于稳健准确pH测量可能是不充分的。具体来说，常规小顶锥角RF脉冲可以是非选择性的，并且因此可同等地倾斜两个物种(例如H13CO3 -和13CO2)的自旋。但是，由于H13CO3 -和13CO2的相应池的大小的差异，对于H13CO3 -共振82比对于13CO2的较小池可观测到充分大的信号。在这种实现中对于13CO2所观测到的潜在小信噪比可妨碍感兴趣局部环境中的pH的准确稳健测量。
有鉴于此，并且按照本方式，可采用差别地激励(例如倾斜)经历测量的相应物种的交织RF激励脉冲序列。例如，如图3的流程图100所示，可生成引起被暴露物种的小顶锥角(例如5°-30°)的RF激励脉冲102的第一集合(框104)。在这个示例所述的一个实现中，RF激励脉冲的第一集合可以是波谱非选择性的，但是在其它实现中，RF脉冲对一个或多个感兴趣化学物种可以是波谱选择性的。例如，在一个实现中，非选择性RF激励脉冲102各可以是200 μs强脉冲。在本文所述的pH测量情况中，脉冲102的第一集合使更主流物种H13CO3 -以及其它物种倾斜小顶锥角。共振数据读出(框106)可在各脉冲之后发起，以便生成与非选择性脉冲所激励的物种对应的共振数据108。
在小顶锥角RF脉冲102的生成之间，生成作为波谱选择性的并且引起波谱选择物种中的大顶锥角(例如大约40°或更大)的RF激励脉冲112的第二集合(框110)。例如，在本文所述的pH测量情况中，脉冲112的第二集合使13CO2倾斜大顶锥角。获取波谱选择物种的所产生的共振数据116(框114)。在一个这种实施例中，波谱选择性RF脉冲112是10 ms高斯型脉冲，例如设计成具有150 Hz通带(95%)和10-4阻带(自通带中心的400Hz)的10 ms波谱选择性RF脉冲。在这种实施例中，交织RF激励脉冲112的较大顶锥角增强13CO2灵敏度(即，产生13CO2共振的更大信噪)，而交织脉冲的波谱选择性防止H13CO3 -池的饱和。虽然前面的示例描述独立和离散交织脉冲的使用，但是在其它实施例中，小顶锥角RF脉冲102和波谱选择性RF脉冲112可使用多频带RF脉冲同时生成。
对于针对pH测量的体内实现，可以理解，在获取期间，因交织RF脉冲之间的顶锥角差而使13HCO3 -和13CO2池饱和不同的量。但是，在碳酸酐酶存在的情况下，在共振数据的获取之间、即在获取下一时间点或k空间点之前，恢复13HCO3 -和13CO2平衡。因此，尽管这种差别饱和，也仍然能够获取稳定的时间解析pH测量或准确pH图。也就是说，在通过碳酸酐酶活性所调和的平衡状态中，通过选择性CO2磁化对组合13HCO3 -和13CO2池的磁化的饱和，因表示小于总13C池的10%的13CO2而较小。因此，基本上不会影响13HCO3 -的信噪比。
回到图3，RF脉冲102和波谱选择性RF脉冲112的交织生成可继续进行到确定扫描规程完成为止(框118)。这样，可收集相应的第一和第二感兴趣物种的共振数据108、116的多个交织集合。共振数据108、116的重复测量的获取可允许较弱信号的信号求平均，或者可允许得到相应物种的化学交换率的时间解析测量或空间编码。
按照上述方式所收集的MRS数据随后可例如使用SAGE™软件(GE Healthcare)来处理。在一个体外实现中，超极化13C仿真数据（phantom data）可在FFT之前由5 Hz高斯滤波器在时域来变换（apodize）。在一个体内实现中，13C数据可由10 Hz高斯滤波器来变换。峰值高度可从超极化H13CO3 -/13CO2仿真波谱和体内波谱来测量，并且这个共振数据可用于计算感兴趣诊断参数，例如计算(框120)患者体内的感兴趣局部pH 122。
鉴于前面所述，并且来看图4和图6，示出按照本方式所获取的共振数据的相应体外和体内示例。
示例1 – 体外测量。对于当前体外和体内示例，所有研究均使用配备有多核波谱(MNS)硬件包的3 T GE MR750扫描仪(GE Healthcare(Waukesha，WI))来执行。具有8 cm内径的微带双调谐1H-13C体积线圈用于仿真测量(Magvale(San Francisco，CA))。HyperSenseDNP极化器(Oxford Instruments(Abingdon，UK))用于使用已知极化方式以3.35 T和1.4 K来极化基底。钠13C-碳酸氢盐(Isotec(Miamisburg，OH))在具有OX063三苯甲基自由基(Oxford Instruments)的甘油中制备。纯[1,2-13C2]丙酮酸(Isotec)掺杂有15 mM的OX063三苯甲基自由基(Oxford Instruments)和1 mM Gd螯合物(Prohance®，BraccoInternational)。
对于13C-碳酸氢盐仿真测量，将~30 μl的13C钠碳酸氢钠/甘油混合物极化~80分钟，并且使用4 ml的去离子水/EDTA(100 mg/L)来溶解。紧接溶解之后，将13C碳酸氢盐溶液与包含6 μg的碳酸酐酶(Isozyme II，来自牛红细胞，≥ 3000 W-A单位/毫克的蛋白质，Sigma Aldridge(St.Louis，MO))的4 ml的500 mM磷酸钠缓冲剂(pH 7.25)相混合。在各仿真实验中则使用大约5 ml的这种最终混合物。
对于数据获取，脉冲获取脉冲序列修改为允许激励RF脉冲的切换（toggling）。设计成具有150 Hz通带(95%)和10-4阻带(自通带中心的400 Hz)的10 ms波谱选择性RF脉冲与瞬态（transient）之间的200 μs强脉冲进行交织。读出(10000 Hz/4096 pts)紧接各RF脉冲之后开始。在将溶液中的预极化H13CO3 -放入RF线圈内部(n=4，TR=2 s，96个瞬态)之后，使用交织RF脉冲方案来获取动态磁共振波谱(MRS)数据。RF发射器当使用选择性RF脉冲时在13CO2共振上居中，并且它当使用强脉冲时在H13CO3 -与13CO2之间居中。选择性脉冲和强脉冲的标称顶锥角分别设置成40°和10°。应用Henderson-Hasselbalch方程，以便使用6.15的pKa值来估计溶液中的pH。当来自选择性RF脉冲的13CO2信号用于计算pH时，执行顶锥角和回波时间(使用5 ms的有效回波时间)校正；还对H13CO3 -信号进行T1校正(以便考虑测量H13CO3 -信号的瞬态与测量选择性13CO2信号的下一瞬态之间的H13CO3 -的极化衰退)。回波时间校正使用T2*基于波谱中测量的13CO2的线宽进行。H13CO3 - T1从仅使用强脉冲的实验来估计。
鉴于上述方法，图4中示出在这种体外实现中获取的共振数据的图形图示。如图4所示，所获取共振数据130的第一集合对应于响应非选择性小顶锥角(例如5°-30°)RF激励脉冲102、即200 μs强脉冲而读出的共振数据。如样本共振数据所示，共振数据130的第一集合包括H13CO3 -的共振(共振82)以及与13CO2对应的痕量共振（trace resonance）80。与响应非选择性RF脉冲而读出的数据所交织的是响应波谱选择性大顶锥角(例如30°-90°)RF激励脉冲112、即10 ms波谱选择性脉冲而读出的第二共振数据集132。共振数据132的第二集合包括与13CO2对应的共振数据80，但是提供比对于非选择性获取所观测的要好的13CO2共振数据的信噪比。
来看图5，示出使用如上所述所得到的体外13CO2测量所计算的两个独立pH测量的图表138。使用仅采用非选择性RF脉冲所生成的13CO2测量来计算第一测量140，而使用采用13CO2选择性RF脉冲所生成的13CO2测量来计算第二测量142。在计算中使用峰值共振测量高度，并且对于来自交织获取的数据执行顶锥角(T1, T2*)校正。如图表138所证明，使用采用13CO2选择性RF脉冲所生成的13CO2测量所计算的第二测量142随时间是稳定的。在这个示例中，第二测量142对应于7.38至7.43的范围中的pH测量，这一般与pH计所测量的7.35的ph一致。
示例2 – 体内测量。在对猪所执行的体内测量集合中，定制构建（custom build）13C传送/接收具有1H阻塞（blocking）的表面线圈，并且采用5”的直径。对于所采用的注入液（infusate），将105 μl的[1,2-13C2]丙酮酸/三苯甲基混合物极化~60分钟，然后采用~6 ml的100 mM TRIS/250 mM NaOH溶液来溶解，从而给出250 mM的标称丙酮酸盐浓度和7.4的pH。这个丙酮酸盐溶液采用生理盐水来稀释，以便使总容积增至三倍，并且在各实验中将15ml的稀释丙酮酸盐溶液注入动物体内。
将13C表面线圈放置在猪的胸部之上，并且它在心脏之上的定位通过提供放置在线圈上的图卡（fiduciary marker）的可视化的3平面1H定位图像（scout image）(使用体线圈所获取)来确认。使用示例1所述的13C碳酸氢盐仿真实验中使用的相同脉冲序列和交织RF脉冲方案从3个动物(~20 kg)来获取心脏门控（cardiac gated）动态MRS数据。在与15 ml的溶液(大约0.06 mmol/kg的剂量)中的预极化[1,2-13C2]丙酮酸盐的~15 s注入的开始的相同时间开始数据获取。数据获取经过心脏门控，使得每隔2 R-R间隔来执行一个瞬态(每隔4R-R一个完整RF交织循环)，从而产生取决于心率的大约1-1.3 s的TR。
鉴于上述方法，图6中示出在这种体内实现中获取的共振数据的图形图示。如图6所示，所获取共振数据152的第一集合对应于响应非选择性小顶锥角(例如10°)RF激励脉冲102、即200 μs强脉冲而读出的共振数据。如样本共振数据所示，共振数据152的第一集合包括[1-13C2]丙酮酸盐(共振150)、H13CO3 -(共振82)的共振以及与13CO2对应的痕量共振80。与响应非选择性RF脉冲而读出的数据所交织的是响应波谱选择性大顶锥角(例如40°)RF激励脉冲112、即10 ms波谱选择性脉冲而读出的第二共振数据集154。共振数据154的第二集合包括与13CO2对应的共振数据80，但是提供比对于非选择性获取所观测的要好的13CO2共振数据的信噪比。
本公开的技术效果包括磁共振波谱中的交织RF脉冲序列的使用，其中非选择性小顶锥角RF脉冲与波谱选择性大顶锥角RF脉冲交织。这种交织脉冲序列的使用的技术效果是获取共振数据的两个集合，其中之一是具有较弱信号的所选物种特定的，以使得生成那个所选物种的具有比响应非选择性RF脉冲而生成的共振数据中所观测的要高的信噪比的共振数据。本公开的另一个技术效果是改进生理环境内的定域pH的无创测量。
本书面描述使用示例来公开本发明，其中包括最佳模式，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则它们意在落入权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种用于测量交换中的两个或更多波谱上不同的化学物种的比率的方法，所述方法包括下列步骤：
生成有选择地激励第一化学物种的第一RF激励脉冲，其中第一顶锥角相对于第二顶锥角增加所述第一化学物种的信噪比；
基于响应所述第一RF激励脉冲而生成的共振信号来量化所述第一化学物种；
在所述第一化学物种与第二化学物种之间的平衡条件下，以所述第二顶锥角来生成至少激励所述第二化学物种的第二RF激励脉冲，其中所述第二顶锥角基本保存所述第一化学物种和所述第二化学物种的总交换池；
基于响应所述第二RF激励脉冲而生成的共振信号来量化所述第二化学物种；
将生成所述第一RF激励脉冲、量化所述第一化学物种、生成所述第二RF激励脉冲并且量化所述第二化学物种的步骤重复进行设定的重复次数；以及
得到交换中的所述第一化学物种与所述第二化学物种的比率，校正所述第一顶锥角和所述第二顶锥角的差别效应。
2.如权利要求1所述的方法，其中，交织生成所述第一RF激励脉冲和生成所述第二RF激励脉冲的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其中，使用多频带RF脉冲同时执行生成所述第一RF激励脉冲和生成所述第二RF激励脉冲的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，包括基于所述比率来确定pH的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其中，重复步骤对于对所述第一化学物种所获取的共振信号求平均。
6.如权利要求1所述的方法，其中，重复步骤提供所述第一化学物种与所述第二化学物种之间的交换比率的时间解析测量或空间编码。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一顶锥角具有30°或更大的第一顶锥角。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二顶锥角基本保存所述第一化学物种和所述第二化学物种的总交换池，并且具有小于30°的第二顶锥角。
9.一种磁共振装置，包括：
用于生成有选择地激励第一化学物种的第一RF激励脉冲的装置，其中第一顶锥角相对于第二顶锥角增加所述第一化学物种的信噪比；
用于基于响应所述第一RF激励脉冲而生成的共振信号来量化所述第一化学物种的装置；
用于在所述第一化学物种与第二化学物种之间的平衡条件下，以所述第二顶锥角来生成至少 激励所述第二化学物种的第二RF激励脉冲的装置，其中所述第二顶锥角基本保存所述第一化学物种和所述第二化学物种的总交换池；
用于基于响应所述第二RF激励脉冲而生成的共振信号来量化所述第二化学物种的装置；
用于将生成所述第一RF激励脉冲、量化所述第一化学物种、生成所述第二RF激励脉冲并且量化所述第二化学物种的步骤重复进行设定的重复次数的装置；以及
用于得到交换中的所述第一化学物种与所述第二化学物种的比率，校正所述第一顶锥角和所述第二顶锥角的差别效应的装置。
10.如权利要求9所述的磁共振装置，还包括：用于交织所述第一RF激励脉冲和所述第二RF激励脉冲的装置。
11.如权利要求9所述的磁共振装置，还包括：用于使用多频带RF脉冲同时生成所述第一RF激励脉冲和所述第二RF激励脉冲的装置。
12.如权利要求9所述的磁共振装置，还包括：
用于基于所述比率来确定pH的装置。
13.如权利要求9所述的磁共振装置，还包括：用于重复动作对于对所述第一化学物种所获取的共振信号求平均的装置。
14.如权利要求9所述的磁共振装置，还包括：用于重复动作提供所述第一化学物种与所述第二化学物种之间的交换比率的时间或空间解析测量的装置。
15.一种磁共振波谱系统，包括：
主磁场线圈，配置成生成体积中的主磁场；
射频(RF)线圈，配置成生成RF脉冲；
一个或多个控制电路，用于控制所述主磁场线圈和所述RF线圈的操作；
存储指令的存储器，
所述一个或多个控制电路运行所述指令以用于实现脉冲序列，其中所述脉冲序列在被运行时造成：生成有选择地激励第一化学物种并且具有相对于第二顶锥角来增加所述第一化学物种的信噪比的第一RF激励脉冲；在所述第一化学物种与第二化学物种之间的平衡条件下，以所述第二顶锥角来生成至少激励所述第二化学物种的第二RF激励脉冲；将生成所述第一RF激励脉冲和生成所述第二RF激励脉冲的动作重复进行设定的重复次数。
16.如权利要求15所述的磁共振波谱系统，其中，所述RF线圈还配置成用作检测响应所述RF脉冲而生成的共振信号的接收线圈。
17.如权利要求15所述的磁共振波谱系统，包括检测响应所述RF脉冲而生成的共振信号的 独立接收线圈。
18.如权利要求15所述的磁共振波谱系统，其中，交织所述第一RF激励脉冲和所述第二RF激励脉冲。
19.如权利要求15所述的磁共振波谱系统，其中，使用多频带RF脉冲同时生成所述第一RF激励脉冲和所述第二RF激励脉冲。
20.如权利要求15所述的磁共振波谱系统，其中，所述一个或多个控制电路运行所述指令以用于基于第一顶锥角和所述第二顶锥角的差别效应来确定交换中的所述第一化学物种和所述第二化学物种的比率。
CN201210553117.3A 2011-12-19 2012-12-19 使用磁共振波谱系统的化学平衡比的测量 Active CN103156609B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/330451 2011-12-19
US13/330,451 2011-12-19
US13/330,451 US8933697B2 (en) 2011-12-19 2011-12-19 Measurement of chemical equilibrium ratio using a magnetic resonance spectroscopy system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103156609A CN103156609A (zh) 2013-06-19
CN103156609B true CN103156609B (zh) 2016-08-17

Family

ID=47351481

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210553117.3A Active CN103156609B (zh) 2011-12-19 2012-12-19 使用磁共振波谱系统的化学平衡比的测量

Country Status (7)

Country Link
US (1) US8933697B2 (zh)
EP (1) EP2606819B1 (zh)
JP (1) JP6195708B2 (zh)
KR (1) KR102040164B1 (zh)
CN (1) CN103156609B (zh)
AU (1) AU2012261640B2 (zh)
CA (1) CA2798001C (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8970217B1 (en) 2010-04-14 2015-03-03 Hypres, Inc. System and method for noise reduction in magnetic resonance imaging
KR101771220B1 (ko) 2016-05-02 2017-08-24 가천대학교 산학협력단 자기공명영상 시스템
MX2021010284A (es) * 2019-02-26 2021-12-10 Digital Blood Corp Sistema para examen no invasivo de parámetros del ambiente en sangre.
KR20200141114A (ko) * 2019-06-10 2020-12-18 삼성전자주식회사 케미컬들의 치환 감지 센서 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4769602A (en) * 1986-07-02 1988-09-06 Shell Oil Company Determining multiphase saturations by NMR imaging of multiple nuclides
US5064638A (en) * 1989-08-11 1991-11-12 Brigham & Women's Hospital Simultaneous multinuclear magnetic resonance imaging and spectroscopy
US5639906A (en) * 1994-10-11 1997-06-17 The United States Of America As Represented By The Department Of Health And Human Services Fluorescent and NMR sensitive pH indicators
ES2123449B1 (es) * 1997-03-06 1999-09-16 Univ Madrid Nac Educacion Procedimiento para la obtencion de imagenes y espectros del ph extracelular por resonancia magnetica con indicadores extrinsecos conteniendo 1h o 19f.
GB0009353D0 (en) * 2000-04-14 2000-05-31 Nycomed Imaging As Method
JP4733825B2 (ja) * 2000-10-30 2011-07-27 株式会社東芝 磁気共鳴イメージング装置及び磁気共鳴イメージング方法
CA2331116A1 (en) * 2001-01-15 2002-07-15 Chenomx, Inc. Compound identification and quantitation in liquid mixtures -- method and process using an automated nuclear magnetic resonance measurement system
US7179450B2 (en) 2001-09-20 2007-02-20 Medi-Physics, Inc. Methods for in vivo evaluation of pulmonary physiology and/or function using NMR signals of polarized Xe
JP3936347B2 (ja) * 2004-06-25 2007-06-27 株式会社東芝 磁気共鳴イメージング装置
DE102006032855A1 (de) * 2006-06-24 2007-12-27 Forschungszentrum Jülich GmbH Verfahren zur Untersuchung von Molekülen mittels NMR-Spektroskopie
US7719269B2 (en) * 2006-11-21 2010-05-18 General Electric Company System and method for fast MR imaging of metabolites at selective excitation frequencies
JP5398149B2 (ja) * 2007-03-27 2014-01-29 株式会社東芝 磁気共鳴イメージング装置
US20090060841A1 (en) * 2007-08-27 2009-03-05 Yi-Fen Yen Apparatus and method for combined use of variable flip angles and centric phase encoding in hyperpolarized 13c imaging
BRPI0816484A2 (pt) * 2007-09-07 2015-03-17 Ge Healthcare Ltd Método para determinar atividade de pdh por detecção por rm de 13c, meio de formação de imagem por rm, e, formação de imagem por rm
US7772844B2 (en) * 2008-01-30 2010-08-10 General Electric Company System and method for tissue specific MR imaging of metabolites using spectral-spatially formed stimulated echo
JP2011242295A (ja) * 2010-05-19 2011-12-01 Kyoto Univ 分光装置、測定装置、およびデータ処理方法

Also Published As

Publication number Publication date
CA2798001C (en) 2020-03-10
CN103156609A (zh) 2013-06-19
CA2798001A1 (en) 2013-06-19
JP6195708B2 (ja) 2017-09-13
KR20130070536A (ko) 2013-06-27
US20130154637A1 (en) 2013-06-20
EP2606819A1 (en) 2013-06-26
US8933697B2 (en) 2015-01-13
AU2012261640B2 (en) 2015-07-09
JP2013127464A (ja) 2013-06-27
AU2012261640A1 (en) 2013-07-04
KR102040164B1 (ko) 2019-11-04
EP2606819B1 (en) 2017-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6050126B2 (ja) 核スピン系の縦及び横緩和時間の同時及び動的決定
US10241178B2 (en) System and method for magnetic resonance fingerprinting at high field strengths
US11442127B2 (en) System and method for dynamic multiple contrast enhanced, magnetic resonance fingerprinting (DMCE-MRF)
US8369599B2 (en) Fast two-point mapping of the bound pool fraction and cross-relaxation rate constant for MRI
US10605877B2 (en) System and method for chemical exchange saturation transfer (CEST) magnetic resonance fingerprinting
US9351662B2 (en) MRI scanner that outputs bone strength indicators
CN103156609B (zh) 使用磁共振波谱系统的化学平衡比的测量
JP5212951B2 (ja) 磁気共鳴イメージング装置及びその作動方法、画像診断システム並びに診断方法
JP2000189401A (ja) 磁気共鳴により神経細胞の電気的活動を位置解析して測定するための方法および磁気共鳴トモグラフィ装置
CN108369266A (zh) 比率计量的脉冲cest成像
US10712419B2 (en) Selective size imaging using filters via diffusion times
Knight et al. A novel anthropomorphic flow phantom for the quantitative evaluation of prostate DCE-MRI acquisition techniques
US8952693B2 (en) Method for principal frequency magnetic resonance elastography inversion
US9750426B2 (en) System and method for assessing response to chemotherapy using magnetic resonance elastography
CN105785296A (zh) 一种基于1H-19F-23Na原子核的多通道三维核磁共振成像方法
Yon et al. Frequency-dependence in multidimensional diffusion-relaxation correlation MRI of the brain: overfitting or meaningful parameter?
JP7474498B2 (ja) 画像処理装置、画像処理方法、及びプログラム
US20210223338A1 (en) System and Method for Proton and Phosphorus Magnetic Resonance Imaging
US11181594B2 (en) System and method for locally correlated spectroscopy for assessing medical discorders
Gonzalez Dynamic Platform for Magnetic Resonance Imaging of Bioresponsive Contrast Agents
US6979999B2 (en) Method and system of mapping oxygen concentration across a region-of-interest
Kmiecik Quantitative lactate-specific magnetic resonance imaging and proton spectroscopy of muscle and brain

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant