CN103635824A - 使用谱模型分离不同化学物类的mri - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对具有不同MR谱的至少两种化学物类进行MR成像的方法。所述方法包括如下步骤：通过使身体（10）的一部分经受RF脉冲和切换的磁场梯度的成像序列，生成所述化学物类的MR信号，所述成像序列是由一组成像参数（TR，α，TE）确定的；采集所述MR信号；确定所述化学物类中的至少一种的谱模型，所述谱模型与所述一组成像参数（TR，α，TE）相关联；基于所述谱模型分离所述至少两种化学物类对所采集的MR信号的信号贡献；并且根据所述化学物类之一的信号贡献计算MR图像。此外，本发明涉及一种MR设备（1）以及一种用于MR设备（1）的计算机程序。

Description

使用谱模型分离不同化学物类的MRI

技术领域

本发明涉及磁共振（MR）成像领域。本发明涉及对具有不同MR谱的至少两种化学物类进行MR成像的方法。本发明还涉及一种MR设备和一种运行于MR设备上的计算机程序。

背景技术

当前，尤其是在医疗诊断领域中广泛使用了MR成像方法，该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。

根据一般的MR方法，待检查的患者的身体被布置在强均匀磁场B₀中，磁场的方向同时定义测量所基于的坐标系的轴（通常为z轴）。磁场针对依赖于磁场强度的个体核自旋产生不同的能级，个体核自旋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，同时磁场B₀垂直于z轴延伸，使得磁化绕z轴进行进动。进动运动描绘出锥形表面，其孔径角称为翻转角。翻转角的大小依赖于所施加的电磁脉冲的强度和持续时间。在所谓的90°脉冲的情况中，自旋从z轴偏斜到横平面（翻转角90°）。

在终止RF脉冲之后，磁化弛豫回原始平衡状态，在该状态中再次以第一时间常数T₁（自旋晶格或纵向弛豫时间）建立z方向的磁化，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-自旋或横弛豫时间）弛豫。能够借助接收RF线圈探测磁化的变化，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的变化。在施加例如90°脉冲之后，横向磁化的衰减伴随着（局部磁场不均匀诱发的）核自旋从具有相同相位的有序状态到所有相位角均匀分布的状态的转变（移相）。能够借助重新聚焦脉冲（例如180°脉冲）补偿移相。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B₀上叠加沿三个主轴延伸的线性磁场梯度，导致自旋共振频率的线性空间依赖性。之后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分量。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。借助傅里叶变换将一组k空间数据转换为MR图像。

在MR成像中，常常期望获得关于不同化学物类，例如水和脂肪，对总信号的相对贡献的信息，以抑制它们中的一些的贡献，或者独立或联合地分析它们所有的贡献。如果组合在不同回波时间处采集的来自两个或更多对应回波的信息，则能够计算这些贡献。可以将这视为化学位移编码，其中，额外的维度，即化学位移维度，被定义，并通过在稍微不同的回波时间处采集一对图像被编码。尤其对于水-脂肪分离而言，这些类型的试验常常被称为Dixon型测量。借助Dixon成像或Dixon水/脂肪成像，能够通过计算在不同回波时间处采集的来自两个或更多对应回波的水和脂肪的贡献，来获得水-脂肪的分离。通常，这样的分离是可能的，因为脂肪和水中的氢已知具有进动频率差异。在其最简单的形式中，通过“同相”和“异相”数据集的相加或相减，生成水和脂肪图像，但是这种方法对主场非均匀性相当敏感。然而，这种基于化学编码的不同物类的分离不仅限于水/脂肪物类。也能够预见到具有其他化学位移的其他物类。

在将脂肪谱的复杂模型并入水-脂肪分离过程的情况下，可以获得水图像中没有残余脂肪信号的高质量水-脂肪分离。例如，在Yu H，Shimakawa A，McKenzie CA、Brodsky E，Brittain JH，Reeder SB的文章《Multi-echo water-fatseparation and simultaneous R2^*estimation with multi-frequency fat spectrummodeling》（Magn Reson Med2008；60：第1122-1134页）中的三点Dixon方法中已经论证了这一点。

在Eggers H，Brendel B，Duijndam A，Herigault G.的文章《Dual-echoDixon imaging with flexible choice of echo times》（Magn Reson Med2011；65：第96-107页）中已经论证了另一种使用脂肪谱的谱模型的高质量水-脂肪分离的方法，其考虑了双回波Dixon方法中的脂肪信号移相和衰变。

尤其是在时间关键性应用中，优选使用两点或三点方法尽可能地减少扫描时间。然而，它们通常通过单个主峰近似脂肪谱，因此通常无法提供有效率的脂肪抑制。这是因为已知脂肪包括多个谱峰。此外，在已知的方法中，脂肪抑制的质量常常欠佳，因为它们忽视了如下事实：脂肪对所采集MR信号的贡献随着所用成像序列的参数（例如重复时间TR、翻转角α、回波时间TE_i）以及成像序列的类型（例如，扰相梯度回波序列、快速自旋回波序列等）而显著变化。

发明内容

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方法，特别是在两点和三点Dixon方法中，尤其通过实现更好的脂肪抑制来提高图像质量。

根据本发明，公开了一种对具有不同MR谱的至少两种化学物类进行MR成像的方法。本发明的方法包括如下步骤：

-通过使身体的一部分经受RF脉冲和切换的磁场梯度的成像序列，生成所述化学物类的MR信号，所述成像序列是由一组成像参数确定的；

-采集所述MR信号；

-确定所述化学物类中的至少一种的谱模型，所述谱模型与所述一组成像参数相关联；

-基于所述谱模型分离所述至少两种化学物类对所采集的MR信号的信号贡献；并且

-根据所述化学物类中的至少一种的信号贡献计算MR图像。

根据本发明，采用复杂谱模型对不同化学物类进行信号分离。至于谱建模的细节，参见以上引用的文献。

应注意，根据本发明，能够例如通过多峰谱模型仅对化学物类中的一种的谱进行建模，而可以通过单峰谱模型对另一种化学物类简单建模。因此，实际上对所有化学物类建模，其中，仅模型中之一可以包括多峰谱模型。

此外，应注意，必须将术语“化学物类”广泛解释为具有MR性质的任何种类的化学物质或任何种类的原子核。在简单范例中，采集两种化学物类的MR信号，其中，化学物类是“化学成分”水和脂肪中的质子。在更复杂的范例中，多峰谱模型实际描述了以已知相对量出现的一组不同化学成分中的原子核。在这种情况下，使用两种或更多谱模型分离来自不同组化学成分的信号贡献。

本发明的本质特征是提供谱模型的“库”，其中，所述库包括与不同组成像参数和/或不同类型成像序列相关联的不同谱模型。通过这种方式，本发明考虑到，化学物类之一的谱（利用该谱其对所采集MR信号有贡献）会随着成像参数以及序列类型显著变化。通过考虑这种变化，本发明实现了特别高质量的（水-脂肪）分离。此外，本发明的方法允许高质量地估计主磁场的不均匀性。

所提到的谱模型的库可以包括多个与数据库中存储的不同组成像参数相关联的事先收集的谱模型。这一数据库之后可以充当在信号分离步骤中被访问的查找表。可以通过对所述库中存储的谱模型进行内插或外插，确定与实际用于生成MR信号的成像序列的一组成像参数相关联的谱模型。

本发明的重要优点是，能够在独立的方法步骤中（通常在实际图像采集程序之前），以比已知的所谓自动校准方式高得多的质量，采集不同化学物类的谱，所述自动校准方式仅仅依赖于针对谱建模可用的成像数据。之后谱建模能够基于这些事先收集的谱，这实现特别高质量的信号分离。另一个优点是，根据本发明，即使在回波数量减少到三个或两个的情况下，也能够使得复杂谱模型是可用的。在这种情况下，常规的自动校准方式不再能够提供高质量信号分离所需的关于不同化学物类的谱的类似信息。

根据本发明的可能实施例，可以通过对各自谱和/或对相关成像参数的影响进行分析模拟，提供与不同组成像参数相关联的谱模型。

每个谱模型都可以包括一个或多个谱峰的共振频率和幅度、相位值和/或弛豫时间值。谱峰的幅度确定了化学物类在不同相关共振频率处的相对信号贡献。相位描述了在给定回波时间处的谱峰与例如水质子之间的移相角。可以包括弛豫时间以描述具有回波时间的指数信号衰变。权重（即谱峰的幅度）和相位依赖于成像参数。因此，根据本发明，提供了针对不同组成像参数的权重和相位。

成像参数包括用于生成MR信号的成像序列的重复时间、翻转角和/或至少一个回波时间。

能够借助一种MR设备至此描述的本发明的方法，所述MR设备包括用于在检查体积之内生成均匀稳定磁场B₀的至少一个主磁体线圈，用于在所述检查体积之内的不同空间方向上生成切换的磁场梯度的多个梯度线圈，用于在所述检查体积之内生成RF脉冲和/或用于接收来自位于所述检查体积之内的患者的身体的MR信号的至少一个RF线圈，用于控制RF脉冲和切换的磁场梯度的时间接连的控制单元，以及重建单元。能够通过MR设备的重建单元和/或控制单元的对应编程设计来实施本发明的方法。

能够在当前临床使用中的大多数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，使得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并安装在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示出了用于执行本发明方法的MR设备；

图2示意性示出了在变化的成像参数下获得的脂肪MR谱；

图3图示了根据本发明的在数据库存储为二维阵列的脂肪谱的库；

图4图示了根据本发明的在数据库存储为三维阵列的脂肪谱的库。

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，使得沿着通过检查体积的z轴产生基本均匀，时间上恒定的主磁场B₀。该设备还包括一组（一阶、二阶，以及适当时候的三阶）匀场线圈2'，其中，通过该组2'的个体匀场线圈的电流是可控的，以便使检查体积之内的B₀偏差最小化。

磁共振生成和操控系统施加一系列RF脉冲和切换的磁场梯度，以反转或激励核磁自旋，诱发磁共振，重新聚焦磁共振，操控磁共振，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沿着检查体积的x、y和z轴向全身梯度线圈4、5和6中所选的线圈施加电流脉冲。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成像序列包括一群短持续时间的RF脉冲段，所述一群短持续时间的RF脉冲段连同任何施加的磁场梯度一起，实现了核磁共振的选定操控。RF脉冲用于饱和、激励共振，反转磁化，重新聚焦共振，或操控共振并选择位于检查体积中的身体10的一部分。MR信号还由身体RF线圈9拾取。

为了借助平行成像来生成身体10的有限区域的MR图像，邻接选定用于成像的区域放置一组局部阵列RF线圈11、12、13。阵列线圈11、12、13能够用于接收由身体线圈RF发射诱发的MR信号。

所得的MR信号由身体RF线圈9和/或阵列RF线圈11、12、13拾取并由接收器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控制匀场线圈2'以及梯度脉冲放大器3和发射器7，以生成多种MR成像序列中的任一种，所述多种MR成像序列例如为回波平面成像（EPI）、回波体积成像、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接收每个RF激励脉冲之后快速相继的单个或多个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SMASH。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，在所述图像存储器中，可以经由例如视频监视器18访问图像，以将图像表示的切片、投影或其他部分转换成用于可视化的适当格式，视频监视器18提供了所得MR图像的人类可读显示。

图2示意性图示了在变化的成像参数（重复时间TR、翻转角α、回波时间TE）下收集的脂肪质子的MR谱。在图2中能够看出，权重，即不同谱峰的幅度随着成像参数显著变化。根据本发明，通过基于与实际用于MR信号采集的一组成像参数相关联的（例如脂肪质子的）谱模型在两点或多点Dixon技术中执行信号分离，考虑了这种变化。

根据本发明的第一实践实施例，针对具有给定重复时间TR和给定翻转角α的MR信号采集，执行化学位移编码的三维梯度回波成像。在RF扰相方案中生成梯度回波，以实现T₁加权。使用已经事先收集的，从而构成先验知识的脂肪的谱模型的库。所述库包括个体谱峰的幅度、它们各自的相位和T₂值。所述库包含针对不同组成像参数TR和α的谱模型，从而形成如图3所示的矩阵。当针对特定的TR和α组合检索个体谱峰的幅度、相位和T₂值时，可以应用内插或外插。或者，可以根据需要执行并评估成像参数对脂肪谱影响的分析建模。对于具有不良切片选择性从而导致切片间的翻转角α变化的二维梯度回波成像，可以收集图3中所示的另一矩阵，以便适当反映在这些条件下脂肪谱的变化。

在另一可能性实施例中，以给定的重复时间TR、回波间时间TE_i和重新聚焦角度α执行化学位移编码的二维多次拍摄的快速自旋回波成像。成像序列的重新聚焦RF脉冲的快速重复能够改变J调制的效果，从而导致脂肪谱，即T₂值，以及信号振幅中的显著差异。使用小于180°的重新聚焦角进一步导致以不同方式暴露于T₁和T₂弛豫的不同相干性通路的混合。这导致信号寿命的明显增加。因此，在本实施例中，如图4中所示的谱模型的三维矩阵是适当的。

Claims (10)

1.一种对具有不同MR谱的至少两种化学物类进行MR成像的方法，所述方法包括如下步骤：

-通过使身体（10）的一部分经受RF脉冲和切换的磁场梯度的成像序列，生成所述化学物类的MR信号，所述成像序列是由一组成像参数（TR，α，TE）确定的；

-采集所述MR信号；

-确定所述化学物类中的至少一种的谱模型，所述谱模型与所述成像序列的类型和/或所述一组成像参数（TR，α，TE）相关联；

-基于所述谱模型分离所述至少两种化学物类对所采集的MR信号的信号贡献；并且

-根据所述化学物类中的至少一种的信号贡献计算MR图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述谱模型包括共振频率和一个或多个谱峰的幅度、相位值和/或弛豫时间值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述一组成像参数（TR，α，TE）包括重复时间值、翻转角值和/或至少一个回波时间值。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述MR信号是借助两点或多点Dixon技术生成并采集的。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述成像序列是梯度回波型或自旋回波型序列。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，与不同组成像参数（TR，α，TE）相关联的谱模型被存储在数据库中。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，与用于MR信号生成的所述成像序列的所述一组成像参数（TR，α，TE）相关联的所述谱模型是通过对所述数据库中存储的所述谱模型进行内插或外插而确定的。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，与不同组成像参数（TR，α，TE）相关联的所述谱模型是以模拟的方式提供的。

9.一种用于执行根据权利要求1-8所述的方法的MR设备，所述MR设备（1）包括用于在检查体积之内生成均匀稳定的磁场B₀的至少一个主磁体线圈（2），用于在所述检查体积之内以不同空间方向生成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脉冲和切换的磁场梯度的时间接连的控制单元（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）的所述部分经受包括RF脉冲和切换的磁场梯度的成像序列，所述成像序列是由一组成像参数（TR，α，TE）确定的；

-采集具有不同MR谱的至少两种化学物类的MR信号；

-确定所述化学物类中的至少一种的谱模型，所述谱模型与所述成像序列的类型和/或所述一组成像参数（TR，α，TE）相关联；

-基于所述谱模型分离所述至少两种化学物类对所采集的MR信号的信号贡献；并且

根据所述化学物类之一的信号贡献计算MR图像。

10.一种运行于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：

-生成包括RF脉冲和切换的磁场梯度的成像序列，所述成像序列是由一组成像参数（TR，α，TE）确定的；

-采集具有不同MR谱的至少两种化学物类的MR信号；

-确定所述化学物类中的至少一种的谱模型，所述谱模型与所述成像序列的类型和/或所述一组成像参数（TR，α，TE）相关联；

-基于所述谱模型分离所述至少两种化学物类对所采集的MR信号的信号贡献；并且

-根据所述化学物类之一的信号贡献计算MR图像。

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