CN104412118A - 改进的磁共振采集的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供使用一体式磁共振采集同时测量物理属性R₁和R₂弛豫速率、质子密度和表观扩散系数的磁共振成像的方法和装置。

Description

改进的磁共振采集的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于改进磁共振采集的方法、系统和计算机程序产品。特别是，本发明涉及用于使用一体式(single)磁共振采集来同时测量物理属性R₁和R₂弛豫速率、质子密度和表观扩散系数的方法、系统和计算机程序产品。

背景技术

磁共振成像(MRI)可以产生在任何平面(包括斜面)的横截面图像。医疗MRI大部分经常依赖于在水和脂肪中的激发的氢原子核(质子)的弛豫属性。当成像的对象被置于强的均匀磁场时，组织内具有非整数自旋数的原子核的自旋或者平行于磁场或者反平行而对齐。MRI扫描的输出结果是MRI对比图像或者一系列MRI对比图像。

为了理解MRI对比，对在RF激发后建立平衡的弛豫处理中所涉及的时间常数具有一些理解是非常重要的。因为被激发的质子弛豫和重新排列，它们以被记录来提供关于它们的环境的信息的速率来放射能量。利用磁场的质子自旋的重新排列被称为纵向弛豫，并且一定百分比的组织核对齐所需要的速率(通常大约1s^-1)被称为“R₁弛豫速率”或者R₁。T2加权的成像依赖于跟随横向能量脉冲的应用的自旋的局部散相；横向弛豫速率(对于组织通常>10s^-1)被称为“R₂弛豫速率”或者R₂。这些弛豫速率也被表达为弛豫时间T₁(＝1/R₁)和T₂(＝1/R₂)。总的信号依赖质子的数量或者质子密度PD。由于质子的随机运动(能够通过大的双极梯度的应用增强的过程)减少了总的信号；运动质子获取导致另外的信号损失的相位差。信号损失指示水分子的扩散并且可以被测量作为表观扩散系数ADC。在其中发生扩散的方向的测量结果被称为部分各向异性FA。在扫描器控制台，所有可利用的参数，例如回波时间TE、重复时间TR、翻转角α和准备脉冲和梯度(以及更多)的应用，被设置为特定值。每一特定组的参数产生了依赖于被测量的组织的特征的作为结果的图像中的特定信号强度。

通常MR图像在本质上是定性的：绝对图像信号强度没有任何意义，被解释的是信号强度差、对比度。这导致图像的主观解读、固有的不准确性和用户依赖性。另一方面，MR量化的目标是绝对标度上的物理属性的测量结果。这提供了目标测量和自动组织识别的稳定的基础。例子是对随后的痴呆症的脑容量、肿瘤学的肿瘤量和多发性硬化的病变负载的测量。

存在对MR成像的改进的持续需求。因而提供用于获取对物理属性例如R₁、R₂、PD和ADC的测量的改进的和更快的方法是令人渴望的。

发明内容

本发明的目的是提供克服上述指出的至少部分问题的方法和设备。

该目的和潜在的其他目的通过在所附权利要求中陈述的方法和设备获得。

根据本文描述的实施方式，提供一种使用一体式磁共振采集估计R₁和R₂弛豫时间、质子密度PD的方法。根据一些实施方式，使用提供的一体式磁共振采集还可以估计表观扩散系数ADC。根据依赖于如何进行设置的一些实施方式，可以同时估计R₁-R₂-PD或者R₁-R₂-PD-ADC。

在MRI中，存在对MR图像中的信号强度有影响的三个主要的物理属性：纵向R₁弛豫速率(T₁弛豫时间的倒数)、横向R₂弛豫速率(T₂弛豫时间的倒数)和质子密度PD。利用定量MRI可以测量这三个属性。与导致具有相对图像强度标度的定性图像的传统的MR成像相比，定量MRI扫描可以导致以绝对标度测量物理属性例如R₁、R₂和PD。这些值独立于扫描器设置并且因此直接反应下面的组织。因而，每个组织类型具有其自身的R₁、R₂和PD的特征组合。例如，在脑中的白质的平均值大约是(R₁,R₂,PD)＝(1.7s^-1,14s^-1,64％)，对于灰质是(1.0s^-1,12s^-1,85％)，对于脑髓液是(0.24s^-1,1.5s^-1,100％)(参见例如Warntjes等人的“Rapid MagneticResonance Quantification on the Brain:Optimization for Clinical UsageMagnResonMed 2008；60:320-329)。ADC的通常的值分别是0.9、0.8和4.010^-3mm/s。在包括噪声测量和部分体积效果的多参数R₁-R₂-PD-ADC空间内的区域可以被指定为包含脑组织和CSF。这些值与例如肌肉或脂肪不同。

根据一些实施方式，MR属性对应于R₁和R₂弛豫速率或者质子密度或者弛豫时间中的至少一个，其中T₁＝1/R₁且T₂＝1/R₂。

根据本文描述的实施方式，提供使用一体式梯度回波采集方式同时估计多个物理参数的磁共振成像的方法。该方法包括获取至少三个并行的分段的梯度回波采集。将所述采集与R₁敏化阶段、R₂敏化阶段和延迟时间交错；以及根据所述至少三个采集产生对R₁和R₂弛豫速率和质子密度PD的测量。

根据一些实施方式，所述至少三个采集被执行两次，产生至少六个采集，其中将所述采集与至少两个R₁敏化阶段、R₂敏化阶段、扩散敏化阶段和延迟时间交错；并且其中根据所述至少六个采集产生对R₁和R₂弛豫速率、质子密度PD和表观扩散系数ADC的测量。

所述采集可以是扰相梯度采集，也称作快速场回波TFE。在可替换的实施方式中，所述采集可以是平衡稳定态自由进动采集(bSSFP)，也称为平衡快速场回波(bTEE)。在又一个实施方式中，所述采集是回波平面成像采集(EPI)。该采集方式还可以是TFE和EPI采集的结合。

另外，可以在二维2D切片上执行所述采集。在另一个实施方式中，在三维3D体积上执行所述采集。

根据一些实施方式，R₁敏化阶段包括90度RF饱和脉冲。根据另一个实施方式，所述R₁敏化阶段包括180度RF反向脉冲。根据一些实施方式，R₂敏化阶段包括90度RF脉冲、180度再聚焦脉冲和-90度RF脉冲。根据一些实施方式，所述R₂敏化阶段包括90度RF脉冲、多个180度再聚焦脉冲和-90度RF脉冲。

根据一些实施方式，扩散敏化阶段包括90度RF脉冲、180度再聚焦脉冲和-90度RF脉冲，其中所述180度再聚焦脉冲被梯度跨越(straddle)。

根据一些实施方式，使用在所述R₁敏化阶段之后的所有采集的图像信号强度来估计所述R₁弛豫速率。

根据一些实施方式，使用在所述R₂敏化阶段之前和之后的采集的图像信号强度来估计所述R₂弛豫速率。

根据一些实施方式，使用在所述R₁敏化阶段之前和之后的采集的图像信号强度来估计用于获取所述采集的扫描器的B₁场。

根据一些实施方式，使用在所述扩散敏化阶段之前和之后的以及在所述R₂敏化阶段之前和之后的采集的图像信号强度来估计ADC。

本发明还延伸到计算机化的成像系统，其被布置成执行本文描述的方法以及具有在其上存储计算机程序指令/软件分段的数字存储介质，当该计算机程序指令/软件分段被执行时促使计算机执行本文描述的方法。

本文描述的方法的优点的其中一个是在非常短的时间内利用一体式序列可以以绝对标度测量病人的物理属性。

附图说明

下面将通过非限制性例子且参考附图更加详细地描述本发明，其中：

图1是MR系统的示意图，

图2是具有R₁敏化阶段、R₂敏化阶段和一体式采集的MR序列的示意图，其中并行采集5个成像体积。

图3是两个不同R₂敏化阶段(a和b)以及扩散敏化阶段(c)的示意图。

图4a和4b是示出估计例如R₁、R₂、PD和ADC的物理属性时执行的一些步骤的流程图。

具体实施方式

在下面的说明中，出于解释和非限制的目的，阐述具体细节例如特定架构、接口、技术等。但是，对本领域技术人员来说明显的是，可以用不背离这些具体细节的其他实施方式来实现描述的技术。也就是说，虽然本文没有明确地描述或示出，但是本领域技术人员可以设计体现所描述的技术的原理的各种布置。在一些例子中，省略了已知的设备、电路和方法的详细描述，以便不使不必要的细节模糊本发明的描述。本文描述原理、方面和实施方式的所有的陈述以及其具体示例都旨在包含其结构和功能的等效物。另外，其旨在这样的等效物包括当前已知的等效物以及未来开发的等效物，即被开发来执行相同功能的任何元件，而不考虑结构。

因而，例如，本领域技术人员应当理解，本文的框图表示体现该技术的原理的示意性电路的概念视图。类似地，应当理解，描述的各种处理可以大体上以计算机可读介质的形式表现并且可以通过计算机或处理器执行。

通过使用专用硬件以及能够执行软件的硬件可以提供包括功能说明的各种元件的功能。当使用计算机处理器时，可以通过单个专用处理器、通过单个共享处理器、或者通过多个单独的处理器(其中一些是共享的或分布式的)提供这些功能。进一步地，本文描述的控制器可以包括但不限制数字信号处理器(DSP)硬件、ASIC硬件、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和/或其他储存器介质。

在图1中，描述MRI系统100的建立的总体视图。系统100包括MR扫描器101。MR扫描器可操作地通过扫描有生命的对象的方式产生MRI数据。MR扫描器还连接用于处理通过扫描器101产生的数据的计算机103。该计算机包括与存储器耦合的中央处理单元和用于接收和输出数据和信息的许多输入和输出端口。计算机103从一个或若干个总体上由输入设备105表示的输入设备接收输入命令。输入设备可以是计算机鼠标、键盘、轨迹球或任何其它输入设备中的一种或多种。计算机103还连接用于将被处理的扫描数据可视化为对比图像的屏幕107。特别地，计算机103可以包括被布置来执行本文描述的方法的控制器单元/成像电路。

在MRI中存在对在MR图像中的信号强度有影响的三个主要物理属性：纵向R₁弛豫速率(T₁弛豫时间的倒数)、横向R₂弛豫速率(T₂弛豫时间的倒数)和质子密度PD。通过应用大的双极梯度可以获得第四个物理属性：扩散。任何运动自旋将会获取由于梯度产生的相差，其导致信号损失。因此高扩散与高信号损失关联。可以利用定量MRI以绝对标度测量这四个属性。每个组织具有其自身的R₁、R₂和PD的特征组合。例如，在脑中的白质的平均值大约是(R₁,R₂,PD)＝(1.7s^-1,14s^-1,64％)，对于灰质是(1.0s^-1,12s^-1,85％)，对于脑髓液是(0.24s^-1,1.5s^-1,100％)(参见例如Warntjes等人的Rapid Magnetic Resonance Quantification on the Brain:Optimizationfor Clinical UsageMagn Reson Med 2008；60:320-329)。ADC的典型值分别是0.9、0.8和4.010^-3mm/s。在包括噪声测量和部分体积效果的多参数R₁-R₂-PD-ADC空间内的区域可以被指定来包含脑组织和CSF。例如，这些值对于肌肉或脂肪不同。

使用分段梯度回波序列探测MR量化序列的信号强度，其中多个图像被并行采集。采集可以是任何梯度回波方式，例如扰相梯度采集(也称作快速场回波TFE)、平衡稳定态自由进动采集(bSSFP，也称为平衡快速场回波bTEE)、回波平面成像采集(EPI)或者TFE和EPI采集的结合。对于分段采集，每重复时间TR只执行部分采集。通过重复TR直到完成采集来获得完全采集。然后通过对小段的分离的图像的连续测量可以并行采集图像。

根据一些实施方式，当交错特定敏化阶段和时间延迟以便同时测量多个物理参数时并行采集多个成像体积。

根据一个实施方式，为了测量R₁，需要R₁敏化阶段以及随后的两个或多于两个采集。R₁敏化阶段可以例如包括90度RF饱和脉冲来设置纵向Mz磁化强度为零。在可替换的实现中，R₁敏化阶段可以包括180度RF反向脉冲来反转纵向Mz磁化。为了测量R₂，需要R₂敏化阶段，跨越2个采集。R₂敏化阶段可以例如包括90度RF脉冲、一个或多个180度RF再聚焦脉冲和-90度RF脉冲来利用R₂弛豫敏化纵向Mz磁场。对于ADC，需要扩散敏化阶段，跨越两个采集。扩散敏化阶段与R₂敏化阶段类似，其中180度再聚焦脉冲被梯度跨越。特别地，通过大梯度可以跨越再聚焦脉冲，以便在梯度(第零阶)下的区域促使自旋的(显著的)相位变化。

图2中示例出用于执行R₁、R₂和PD的联合测量的示例方法。通过将它们划分为段并行执行五个采集，其中每个段通过图4a的示例内核来运行。对各个段重复该内核直到完成采集。根据图2的示例实施方式的内核包括第一采集Acq1，其后应用R₂敏化阶段P_R2，跟随第二采集Acq2和R₁敏化阶段P_R1。最后执行具有延迟时间的第三采集。随后的采集可以以三次(Acq3a、Acq3b和Acq3c)的例子重复。

假定采集对磁化没有影响，那么使用在R₁敏化阶段P_R1之后的4次采集Acq3a、Acq3b、Acq3c和Acq1的例子中的信号强度可以得到R1和PD，其中各个采集i的磁化强度M_i如下随着P_R1后的延迟时间t_i的增加而增加：

$R_1=\frac{-t_i}{\ln ((M_0-M_i)/M_0)}$

质子密度PD与M₀成比例。由于存在两个变量，所以必须在P_R1后的2个不同的延迟时间t_i采集至少2个采集i(即至少Acq3a和Acq1)。

MR扫描器可以具有不均匀的B₁场，其可以使用在R₁敏化阶段P_R1之后和之前(在示例Acq3和Acq2中)的信号强度的比来测量：

B₁＝acos(M_post-PR1/M_pre-PR1)

使用在R₂敏化阶段P_R2之前和之后(在示例Acq1和Acq2中)的信号强度的比可以得到R2：

$R_2=\frac{\ln (M_{\mathrm{pre}-\mathrm{PR}2}/M_{\mathrm{post}-\mathrm{PR}2})}{{\mathrm{\ΔT}}_E}$

在图3a和3b中，显示了具有90度RF脉冲、一个或多个180度再聚焦脉冲和-90度RF脉冲的R₂敏化阶段的两个例子。时间ΔTE对应于在两个90度RF脉冲之间的时间差。对于结合的R₁、R₂和PD测量的采集的最小数是3(Acq1、Acq2和Acq3a)。

对于R₁、R₂、PD和ADC的结合的测量，需要更长的内核，如图4a加图4b示例。这里，图2的例子必须重复两次，其中在一个例子中使用R₂敏化阶段P_R2(如在图3b缩略地示出的)，并且在一个例子中，利用扩散敏化阶段P_diff替换P_R2(如在图3c中缩略地示出的)。由扩散产生的延迟速率ACD可以按照如下公式计算：

$\mathrm{ADC}=\frac{\ln (M_{\mathrm{pre}-\mathrm{Pdiff}}/M_{\mathrm{post}-\mathrm{Pdiff}})}{{\mathrm{\ΔT}}_E}-\frac{\ln (M_{\mathrm{pre}-\mathrm{PR}2}/M_{\mathrm{post}-\mathrm{PR}2})}{{\mathrm{\ΔT}}_E}$

对于结合的R₁、R₂、PD和ADC的测量，最小采集数是6(Acq1、Acq2、Acq3a、Acq4、Acq5和Acq6a)。如果空间内的所有三个方向都必须探测扩散，图2中的例子必须重复4次。在这种情况下，应用一个P_R2，并且在三个不同方向x、y和z应用具有扩散梯度的三个P_diff，并且因此采集的最小数是12。

如果采集对磁化有影响，可以数字化计算在TR内的磁化强度演变，其中可以以时间步进Δt从前一个磁化强度M_n产生各个磁化强度M_n+1。在没有RF脉冲时，磁化强度是：

M_n+1＝M₀-(M₀-M_n)exp(-R₁Δt)

在有翻转角α的RF采集脉冲时，磁化强度是：

$M_{n+1}=M_0^{*}-(M_0^{*}-M_n)\exp (-R_1^{*}\mathrm{\Δt})$

其中，R₁*是有效观测的R1并且M₀*是有效观测的M₀：

$\frac{R_1}{R_1^{*}}=\frac{M_0^{*}}{M_0}=\frac{1-\exp (-R_1{T}_R)}{1-\cos \left(\mathrm{\α}\right)\exp (-R_1{T}_R)}$

例如，通过但不限于执行加载到计算机的数字储存介质上的合适的软件程序并且促使计算机执行上述步骤，可以在计算内实施结合图2和图3描述的所有步骤。该方法还可以使用合适的硬件实施，该硬件包括例如以查找表的形式与不同模型和存储器结合的合适的图像电路和控制器。

在图4a中，流程图示出当产生R₁、R₂和PD的测量时执行的一些示例步骤。首先在步骤401中，执行第一采集。接下来，在步骤403中，执行R₂敏化阶段。然后在步骤405中，执行第二采集。接下来，在步骤407，执行R₁敏化阶段。然后在步骤409中，存在等待时间。然后在步骤411中，执行第三采集。然后在步骤413，存在等待时间。最后在步骤415，基于三个采集产生R₁、R₂和PD的测量。

在图4a的示例实施方式中，次序是非常重要的但是项目是循环的，因而从哪个项目开始是不重要的。从R₁、R₂和PD的入队数据，从第一采集和第二采集计算R₂。从第一采集和第三采集计算R₁和PD。在图4a指示的可选步骤中，为了R₁和PD的更加稳定的计算，第三采集被重复一次或多次。

对许多分段同时产生R₁、R₂和PD测量可以使用的序列，下面提供伪代码的示例：

从段＝1到段数{

执行采集1

执行R₂敏化阶段

执行采集2

执行R₁敏化阶段

等待延迟时间

执行采集3

等待延迟时间

如果需要则重复采集3和延迟时间

}

在可替换的实施方式中，通过将一些其他步骤增加到图4a的步骤来产生结合的R₁、R₂、PD和ADC测量。在图4b中示出这样的其他的步骤。首先，执行图4a的步骤直到并且包括步骤413。在步骤413后可以执行在图4b中示出的随后的步骤。在步骤417中执行第四采集。接下来，在步骤419中，执行扩散敏化阶段。然后在步骤421中，执行第五采集。接下来，在步骤423中，执行R₁敏化阶段。然后在步骤425中存在等待时间。然后在步骤427中，执行第六采集。然后在步骤429中存在等待时间。最后在步骤431中，基于六个采集产生R₁、R₂、PD和ADC测量。根据一些实施方式，从第一和第二采集计算R₂，从第一、第三、第四和第六采集计算R₁和PD。在可替换的实施方式中，如在图4a和4b中指示的，为了R₁和PD的更加稳定的计算，重复采集三和/或六。可以使用第一、第二、第四和第五采集来计算ADC。

下面提供对许多分段同时产生R₁、R₂、PD和ADC可以使用的序列的伪代码的例子：

从段＝1到段数{

执行采集1

执行R₂敏化阶段

执行采集2

执行R₁敏化阶段

等待延迟时间

执行采集3

等待延迟时间

如果需要则重复采集3和延迟时间

执行采集4

执行扩散敏化阶段

执行采集5

执行R₁敏化阶段

等待延迟时间

执行采集6

等待延迟时间

如果需要则重复采集6和延迟时间

}

使用本文描述的方法和设备可以改进MRI扫描。特别地，在非常短的时间内利用一体式序列可以以绝对标度测量病人的物理属性。

Claims (21)

1.一种磁共振成像的方法，其使用一体式梯度回波采集方式同时估计多个物理参数，所述方法包括：

获取(401、405、411)至少三个并行的分段的梯度回波采集；

将所述分段的梯度回波采集与R₁敏化阶段、R₂敏化阶段和延迟时间交错(403、407、409)；以及

从所述至少三个采集产生(415)对R₁和R₂弛豫速率和质子密度PD的测量。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述至少三个采集被执行两次，产生至少六个采集；将所述采集与至少两个R₁敏化阶段、R₂敏化阶段、扩散敏化阶段和延迟时间交错；以及从所述至少六个采集中产生对R₁和R₂弛豫速率、PD和表观扩散系数ADC的测量。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述采集是扰相梯度采集。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述采集是平衡稳定态自由进动采集bSSFP。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中所述采集是回波平面成像采集EPI。

6.如权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中在二维2D切片上执行所述采集。

7.如权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中在三维3D体积上执行所述采集。

8.如权利要求1-7中的任一项所述的方法，其中所述R₁敏化阶段包括90度RF饱和脉冲。

9.如权利要求1-7中的任一项所述的方法，其中所述R₁敏化阶段包括180度RF反向脉冲。

10.如权利要求1-9中的任一项所述的方法，其中所述R₂敏化阶段包括90度RF脉冲、180度再聚焦脉冲和-90度RF脉冲。

11.如权利要求1-9中的任一项所述的方法，其中所述R₂敏化阶段包括90度RF脉冲、多个180度再聚焦脉冲和-90度RF脉冲。

12.如权利要求2-11中的任一项所述的方法，其中所述扩散敏化阶段包括90度RF脉冲、180度再聚焦脉冲和-90度RF脉冲；并且所述180度再聚焦脉冲被梯度跨越。

13.如权利要求1-12中的任一项所述的方法，其中使用在所述R₁敏化阶段之后的所有采集的图像信号强度来估计R₁弛豫速率。

14.如权利要求1-13中的任一项所述的方法，其中使用在所述R₂敏化阶段之前和之后的采集的图像信号强度来估计R₂弛豫速率。

15.如权利要求1-14中的任一项所述的方法，其中使用在所述R₁敏化阶段之前和之后的采集的图像信号强度来估计用于获取所述采集的扫描器的B₁场。

16.如权利要求2-15中的任一项所述的方法，其中使用在所述扩散敏化阶段之前和之后的以及在所述R₂敏化阶段之前和之后的采集的图像信号强度来估计所述ADC。

17.一种磁共振成像设备(100)，其用于使用一体式梯度回波采集方式同时估计多个物理参数，所述设备被配置成：

获取至少三个并行的、分段的梯度回波采集；以及

将所述分段的梯度回波采集与R₁敏化阶段、R₂敏化阶段和延迟时间交错。

18.如权利要求17所述的设备，其中所述设备还配置成从所述至少三个采集产生对R₁和R₂弛豫速率和质子密度PD的测量。

19.如权利要求17或18所述的设备，其中所述设备被配置成两次执行所述至少三个采集，从而产生至少六个采集；并且将所述采集与至少两个R₁敏化阶段、R₂敏化阶段、扩散敏化阶段和延迟时间交错。

20.如权利要求19所述的设备，其中所述设备还被配置成从所述至少六个采集中产生对R₁和R₂弛豫速率、PD和表观扩散系数ADC的测量。

21.一种非暂时性数字储存介质，其具有在其上存储的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被计算机执行时，促使所述计算机执行下述操作：

获取至少三个并行的分段的梯度回波采集；

将所述分段的梯度回波采集与R₁敏化阶段、R₂敏化阶段和延迟时间交错；以及

从所述至少三个采集产生对R₁和R₂弛豫速率和质子密度PD的测量。