CN103477239A - 使用apt/cest的运动触发的mr成像 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对身体（10）的运动部分进行MR成像的方法，所述方法包括如下步骤：检测来自所述身体（10）的运动信号（MS），同时使所述身体（10）的所述部分连续经受一个或多个准备RF脉冲；使所述身体（10）的所述部分经受包括至少一个激励RF脉冲的成像序列和切换的磁场梯度，其中，所述成像序列由检测到的运动信号（MS）触发；采集来自所述身体（10）的所述部分的MR信号；并且从所采集的MR信号重建MR图像。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振（MR）成像领域。其涉及一种对身体的运动部分进行MR成像的方法。本发明还涉及一种MR设备和一种用于MR设备的计算机程序。
当前，尤其是在医疗诊断领域中广泛使用图像形成MR方法，图像形成MR方法利用磁场和核自旋之间的相互作用，以便形成二维或三维图像，因为对于软组织成像，它们在很多方面优于其他成像方法，它们不需要电离辐射，且通常是无创的。
背景技术
根据一般的MR方法，待检查患者的身体被布置在强均匀磁场中，磁场的方向同时定义了测量所基于的坐标系的轴（通常为z轴）。磁场依赖于磁场强度针对个体核自旋产生不同的能级，不同的能级能够通过施加定义频率（所谓的拉莫尔频率或MR频率）的交变电磁场（RF场）被激励（自旋共振）。从宏观角度讲，个体核自旋的分布产生总体磁化，通过施加适当频率的电磁脉冲（RF脉冲）能够使总体磁化偏离平衡状态，同时RF脉冲的磁场垂直于z轴延伸，从而使得磁化绕z轴进行进动。磁化的这种运动描绘出锥形表面，锥形的孔径角称为翻转角。翻转角的大小依赖于所施加电磁脉冲的强度和持续时间。在所谓的90°脉冲的情况下，自旋从z轴偏斜到横平面（翻转角90°）。经由MR设备的RF线圈装置向患者的身体辐射RF脉冲。RF线圈装置通常环绕患者的身体所在的检查体积。
在终止RF脉冲之后，磁化弛豫回初始平衡状态，在平衡状态中，z方向的磁化再次以第一时间常数T1（自旋点阵或纵向弛豫时间）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。能够借助接收RF线圈检测磁化的变化，接收RF线圈以这样的方式被布置并取向在MR设备的检查体积之内，即在垂直于z轴的方向上测量磁化变化。在施加例如90°脉冲之后，横向磁化的衰减伴随着（局部磁场不均匀性诱导的）核自旋从具有相同相位的有序状态到所有相角均匀分布（失相）的状态的转变。能够借助重新聚焦脉冲（例如180°脉冲）补偿失相。这样在接收线圈中产生回波信号（自旋回波）。
为了在身体中实现空间分辨，在均匀磁场上叠加沿三个主轴延伸的线性磁场梯度，从而导致自旋共振频率的线性空间依赖性。那么接收线圈拾取的信号包含能够与身体中不同位置相关联的不同频率成分。经由接收线圈获得的信号数据对应于空间频率域，并被称为k空间数据。k空间数据通常包括利用不同相位编码采集的多条线。通过收集多个样本对每条线进行数字化。借助傅里叶变换将k空间数据的集合转换为MR图像。
在一些医疗应用中，不同组织之间MR信号强度与标准MR方案的差异，即对比度可能不足以获得令人满意的临床信息。在这种情况下，应用对比度增强技术，对比度增强技术依赖于例如高级MR序列或诸如顺磁性药剂（Gd-DTPA/DOTA）的MR造影剂，或两者的组合。
在使用或不使用造影剂的多个重要的MR应用中，高级对比度增强MR技术是有利的，其采用长的和/或重复施加的准备RF脉冲，例如，以用于饱和转移、杂核或同核极化转移、质子去耦或自旋锁定。
用于对比度增强和MR检测灵敏度（在数量级上）提高的特别有前景的方式是基于“化学交换饱和转移”（CEST）的已知方法，如Balaban等人最初描述的（参见例如US6962769B1）。利用这种CEST技术，在存在造影剂的情况下通过改变水质子信号的强度获得图像对比度，造影剂具有在与主要水共振频率稍微不同的频率处共振的快速弛豫质子池。这是通过选择性地使可交换质子池的核磁化强度饱和来实现的，可交换质子池在与水质子共振不同的频率处共振。能够由外源性CEST造影剂（例如DIACEST、PARACEST或LIPOCEST药剂）提供可交换质子，但也能够在生物组织（例如，蛋白质和肽中的内源性酰胺质子或葡萄糖中的质子，这在原始Balaban方法中未覆盖）中发现。为此目的，使用与可交换质子的MR频率匹配的频率选择性准备RF脉冲。随后通过与水质子的化学交换或偶极子耦合将可交换质子的MR信号的饱和转移到被检查患者身体之内的附近水质子的MR信号，由此减小水质子MR信号。可交换质子在MR频率处的选择性饱和因此在质子密度加权的MR图像中引起负对比度。内源性可交换质子的酰胺质子转移（APT）MR成像允许在分子水平上对病理过程进行高灵敏度且特异的检测，例如检测恶性肿瘤组织中增高的蛋白质浓度。APT信号还灵敏地报告局部变化的pH水平，因为交换率是依赖于pH的，这例如能够用于表征缺血性脑卒中。CEST造影剂具有优于基于T1和T2的MR造影剂的若干重要优点。CEST造影剂允许通过使用单一化合物或承载可交换质子的化合物的混合物进行复用，各化合物能够在多频CEST MR检查中被独立处理。分子成像对此尤其感兴趣，其中多种生物标志物可以与若干独特的CEST频率相关联。此外，能够借助频率选择性准备RF脉冲随意打开和关闭APT/CEST MR成像中的MR对比度。可调节的对比度增强在很多应用中是高度有利的，例如，当造影剂在被检查身体的患病组织中的选择性吸收缓慢时。
所有已知APT/CEST MR成像技术中的问题都在于，在实际采集图像数据之前的选择性饱和花费相当长时间。可交换质子饱和的建立是一个相对缓慢的过程（特性时间尺度约为一秒）。因此，APT/CEST测量的期望饱和时间通常为2-5秒。之后，紧跟着饱和期，包括（切片选择性）激励RF脉冲的成像序列通常被施加以用于激励自由水核磁化，并且一个或多个MR信号被记录为例如梯度回波或自旋回波。采集用于成像的个体MR信号通常要花费几毫秒直到几百毫秒，其中，完整k空间被采集为这些短信号采集的集合。
此外，在R.S.Balaban等人的文章《Magnetisation transfer contrast in MRimaging of the heart》（Radiology180（1991），第671-675页）中，针对MTF转移，提出磁共振信号的门控采集。在脉冲间延迟期间施加非共振辐照。
在用于受运动影响的身体区域（例如，诸如肝脏、前列腺和肾脏的腹部器官）的MR检查的临床应用中，应当将APT/CEST MR成像与运动检测组合，以在定义的运动状态中采集MR信号。例如，腹部器官的MR成像受到呼吸运动的影响。因此，应当将APT/CEST MR成像与呼吸触发组合，以在定义的呼吸相位（例如完整呼气）中采集MR信号。通过检测到的运动信号触发成像序列以采集MR信号是现有技术中已知的。然而，对于ATP/CEST MR成像而言，常规的运动触发是不合适的且效率低的，在常规运动触发中，一旦有相应的触发信号就启动成像序列。运动相位将一直变化，直到MR信号采集开始几秒之后，因为，例如人的呼吸间隔（量值为3-5秒）覆盖的时间尺度类似于实际MR信号采集之前选择性饱和的持续时间。此外，在所述范例中，等候指示期望的呼吸相位的触发信号将花费一个完整的呼吸周期，这会影响扫描效率。
直到现今，现有技术中没有描述过APT/CEST MR成像与运动触发的有效组合。
从上文容易认识到，需要一种改进的MR成像技术。因此本发明的目的是提供一种MR成像方法和MR设备，其能够使用APT/CEST实现运动身体部分的高质量MR成像。
发明内容
根据本发明，公开了一种对身体的运动部分进行MR成像的方法。所述方法包括如下步骤：
-检测来自所述身体的运动信号，同时使所述身体的所述部分连续经受一个或多个准备RF脉冲；
-使所述身体的所述部分经受包括至少一个激励RF脉冲的成像序列和切换的磁场梯度，其中，所述成像序列由检测到的运动信号触发；
-采集来自所述身体的所述部分的MR信号；并且
-从所采集的MR信号重建MR图像。
本发明提出在身体的检查部分的任何运动相位期间连续施加准备RF脉冲，同时仅在一种预定义运动状态（例如完整呼气）中执行MR信号采集。在基于检测到的运动信号识别了给定运动状态的时刻，触发所述成像序列。该运动信号表示身体的被检查部分的运动的运动相位。本发明的方法能够实现例如腹部的运动触发的APT/CEST MR成像。本发明的方法特征在于优越的扫描时间效率和鲁棒性，这是因为连续辐射准备RF脉冲。亦即，在被检查部分发生运动时，以连续系列的方式施加准备RF脉冲。能够在基于检测到的运动信号识别了期望运动状态之后立即开始实际MR信号采集。或者，能够在预定时间延迟之后触发实际MR信号采集，从而应用MR信号采集的预期初始化。能够基于诸如呼吸运动或心脏运动的当下重复运动的类型，设置预定时间延迟。本发明的方法提供了准确的运动补偿。因此能够获得没有运动伪影的高质量MR成像。
根据本发明的优选实施例，经由运动传感器检测所述运动信号。良好适用于根据本发明的应用的运动传感器是现有技术中已知的。例如，WO2006/099011A1公开了一种用于MR成像的无线膛内患者监测器，其实现了在MR信号采集期间检测呼吸相位。
在本发明的可能实施例中，在运动信号的多个周期上扩展连续施加的准备RF脉冲。因此，仅在每第二次、每第三次（每第N次）发生预定义运动状态时执行MR数据采集。在准备需要长于单一运动周期（例如心脏或呼吸周期）的典型持续时间的时段的情况下，这是有利的。
能够将本发明的方式有利地结合不同类型的准备RF脉冲使用。本发明方法的准备RF脉冲可以是，例如用于使核磁化饱和的饱和RF脉冲，或用于测量Tlρ的自旋锁定RF脉冲，或用于在不同核自旋之间转移磁化核以进行奥佛豪塞增强（NOE）MR成像的同核或异核极化转移RF脉冲，或多核MR成像中的质子去耦RF脉冲。具体而言，本发明方法的准备RF脉冲能够是频率选择性饱和RF脉冲，其用于使可交换池的质子的核磁化饱和，所述可交换池属于内源性分子或CEST造影剂。
APT/CEST MR成像特别受到被检查患者的组织中热沉积（SAR）的安全规程的约束，因为饱和期间长时间强大RF辐照导致相当大的SAR贡献。根据本发明的优选实施例，监测连续辐射的准备RF脉冲的数量和/或持续时间，一旦两个连续成像序列之间的所监测的数量和/或持续时间超过预定义极限就中断准备RF脉冲的辐射。本发明的本实施例确保了SAR安全操作。预定义极限确定了重复辐射准备RF脉冲的时段。如果如基于运动信号识别的真实运动时段超过极限，则自动关闭准备RF脉冲。任选地，能够通知所用MR设备的操作者。
能够借助一种MR设备执行至此描述的本发明方法，该MR设备包括：用于在检查体积之内生成均匀稳定磁场的至少一个主磁体线圈；用于在检查体积之内生成不同空间方向上的切换的磁场梯度的多个梯度线圈；用于在检查体积之内生成RF脉冲和/或用于接收来自定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；对身体的运动部分的运动敏感的运动传感器；用于控制RF脉冲和切换的磁场梯度的时序的控制单元；以及用于从所接收的MR信号重建MR图像的重建单元。优选通过MR设备的控制单元的对应程序来实施本发明的方法。
能够在当前临床使用的大多数MR设备中有利地执行本发明的方法。为此目的，仅需要利用控制MR设备的计算机程序，从而使其执行本发明的上述方法步骤。计算机程序可以存在于数据载体上，或存在于数据网络中以便被下载以安装在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。然而应理解，附图被设计为仅出于说明的目的，而并不作为本发明限制的定义。在附图中：
图1示出了根据本发明的MR设备；
图2示出了时序图，其图示了本发明的方法步骤。
具体实施方式
参考图1，示出了MR设备1。该设备包括超导或常导主磁体线圈2，从而沿通过检查体积的z轴生成基本均匀的、时间上恒定的主磁场B0。该设备还包括（一阶、二阶，以及适当时候的三阶）匀场线圈的集合2'，其中，通过集合2'的个体匀场线圈的电流是可控的，以用于将检查体积之内的B0偏差最小化。
磁共振发生和操纵系统施加一系列RF脉冲和切换的磁场梯度，以反转或激励核磁自旋，诱导磁共振，对磁共振重新聚焦，操纵磁共振，对磁共振进行空间和其他编码，使自旋饱和等，以执行MR成像。
更具体而言，梯度脉冲放大器3施加电流脉冲以沿着检查体积的x、y和z轴选择全身梯度线圈4、5和6中的一些。数字RF频率发射器7经由发送/接收开关8向身体RF线圈9发射RF脉冲或脉冲群，以向检查体积中发射RF脉冲。典型的MR成像序列包括一组短持续时间的RF脉冲段，所述RF脉冲段与任何施加的磁场梯度组合，以联合实现核磁共振的选定操纵。RF脉冲用于饱和、激励共振，反转磁化，对共振重新聚焦或操纵共振并选择定位于检查体积中的身体10的一部分。还由身体RF线圈9或/和多个局部RF接收器阵列线圈11、12、13拾取MR信号。
为了借助并行成像生成身体10有限区域的MR图像，将一组局部阵列RF线圈11、12、13置于与成像的选定区域相邻。阵列线圈11、12、13能够用于接收由身体线圈RF发射诱导的MR信号。
所得的MR信号被身体RF线圈9和/或阵列RF线圈11、12、13拾取并被接收器14解调，接收器14优选包括前置放大器（未示出）。接收器设备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控制通过匀场线圈2'以及梯度脉冲放大器3和发射器7的电流，以生成多个MR成像序列中的任意，MR成像序列例如回波平面成像（EPI）、梯度和自旋回波成像、快速自旋回波成像等。对于选定的序列，接收器14在每个RF激励脉冲之后以快速连续的方式接收来自所有工作的接收RF线圈的单一或多个MR数据线。数据采集系统16执行接收信号的模数转换，并将每个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独立计算机。
最后，通过重建处理器17将数字原始图像数据重建成图像表示，重建处理器17应用傅里叶变换或其他适当的重建算法，例如SENSE或GRAPPA等。MR图像可以表示通过患者的平面切片、平行平面切片的阵列、三维体积等。之后在图像存储器中存储图像，在那里可以访问图像，以将图像表示的切片、投影或其他部分转换成可视化的适当格式，例如经由视频监视器18，视频监视器18提供了所得MR图像的人类可读显示。
所描绘的MR设备1还包括连接到传感器元件的运动传感器19，运动传感器19位于检查体积之内的患者身体10上。运动传感器19检测运动信号，在所描绘的实施例中，所述运动信号指示患者的瞬间呼吸相位。
继续参考图1并进一步参考图2，图示了本发明的方法。图2示出了具有本发明的不同方法步骤的时序图。
在所描绘的实施例中，经由运动传感器19采集来自身体10的呼吸运动信号。由图2中由MS指代运动信号。
检测来自身体10的运动信号MS，同时被成像身体部分连续经受重复辐射的饱和RF脉冲，以根据APT/CEST技术使可交换质子池的核磁化饱和。一旦基于运动信号MS识别了完整呼气的运动状态，就触发包括至少一个激励RF脉冲的成像序列并在预定采集时段期间采集由成像序列生成的MR信号。由图2中的“sat”指代连续MR信号采集步骤之间施加的准备RF脉冲。由“采集”指代采集时段。
在连续MR信号采集步骤之间的时段中监测重复辐射的准备RF脉冲的数量N。一旦所监测的数量N超过预定义极限N最大，就自动中断准备RF脉冲的辐射。以这种方式，确保了关于RF热沉积（SAR）的安全操作。
本发明的上述MR成像方法能够实现运动触发的APT/CEST应用，例如用于腹部的APT/CEST MR成像。本发明的方法特征在于优越的扫描时间效率和鲁棒性，这是因为在等候下一次触发事件的时段期间连续辐射准备RF脉冲。通过预定义运动状态实现准确的运动补偿，在预定义运动状态中，采集MR信号。通过避免准备RF脉冲的数量或持续时间超过预定极限，确保了SAR安全操作。
Claims (8)
1.一种对身体（10）的运动部分进行MR成像的方法，所述方法包括如下步骤：
-检测来自所述身体（10）的运动信号（MS），同时使所述身体（10）的所述部分连续经受一个或多个准备RF脉冲；
-使所述身体（10）的所述部分经受包括至少一个激励RF脉冲的成像序列和切换的磁场梯度，其中，所述成像序列由检测到的运动信号（MS）触发；
-采集来自所述身体（10）的所述部分的MR信号；并且
-从所采集的MR信号重建MR图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在基于所述运动信号（MS）识别了预定义运动状态的时刻，触发所述成像序列。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述运动信号经由运动传感器（19）来检测。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述准备RF脉冲为：
-饱和RF脉冲，其用于使核磁化饱和，或
-自旋锁定RF脉冲，或
-极化转移RF脉冲，其用于在不同核自旋之间转移磁化，或
-质子去耦RF脉冲。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述准备RF脉冲是频率选择性饱和RF脉冲，其用于使可交换内源性质子池或CEST造影剂的质子的核磁化饱和。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，对重复辐射的准备RF脉冲的数量（N）和/或持续时间进行监测，一旦两个连续成像序列之间的监测到的所述数量（N）和/或所述持续时间超过预定义极限（N最大）就中断准备所述RF脉冲的辐射。
7.一种MR设备，包括：
-用于在检查体积之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之内生成不同空间方向上的切换的磁场梯度的多个梯度线圈（4、5、6）；
-用于在所述检查体积之内生成RF脉冲和/或用于接收来自定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）；
-对所述身体（10）的运动部分的运动敏感的运动传感器（19）；
-用于控制RF脉冲和切换的磁场梯度的时序的控制单元（15）；以及
-用于从所接收的MR信号重建MR图像的重建单元（17），
其中，所述MR设备（1）被布置为执行以下步骤：
-经由所述运动传感器（19）检测来自所述身体（10）的运动信号（MS），同时使所述身体（10）的所述部分连续经受一个或多个准备RF脉冲；
-使所述身体（10）的所述部分经受包括至少一个激励RF脉冲的成像序列和切换的磁场梯度，其中，所述成像序列由检测到的运动信号（MS）触发；
-采集来自所述身体（10）的所述部分的MR信号；并且
-从所采集的MR信号重建MR图像。
8.一种运行于MR设备上的计算机程序，所述计算机程序包括用于如下操作的指令：
-采集运动信号（MS），同时连续生成一个或多个准备RF脉冲；
-生成包括至少一个激励RF脉冲的成像序列和切换的磁场梯度，其中，所述成像序列由所采集的运动信号（MS）触发；
-采集MR信号；并且
-从所采集的MR信号重建MR图像。
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