CN104471420B - 用于磁共振流变特性的振荡施加装置 - Google Patents

用于磁共振流变特性的振荡施加装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及磁共振(MR)成像领域。其涉及用于MR流变特性的振荡施加装置。本发明的一个目的是提供一种不存在与某些身体区域的可用性有关的限制的振荡施加装置。根据本发明，所述振荡施加装置包括至少一个换能器，其以给定频率产生往复运动；以及束带(19)，其机械联接至所述换能器，所述束带(19)被设计成缠绕在患者身体(10)周围。此外，本发明涉及一种MR装置(1)和一种MR成像方法。

Description

用于磁共振流变特性的振荡施加装置
发明领域
本发明涉及磁共振(MR)成像领域。其涉及用于MR流变特性的振荡施加装置。此外，本发明涉及一种MR装置和一种MR成像方法。
背景技术
利用了磁场与核自旋之间的交互作用以便形成二维或三维图像的成像MR方法现在已得到广泛应用，尤其是在医学诊断领域，因为对于软组织成像来说，这些方法在许多方面均优于其它成像方法，无需离子辐射且通常无创伤。
根据所述MR方法，大体而言，要检查的患者身体被布置在强大均匀的磁场中，所述磁场的方向同时限定了该测量所基于的同坐标系统的一个轴(通常为z轴)。所述磁场取决于磁场强度而针对单独的核自旋产生不同的能量水平，这可以通过施加具有限定频率(所谓的拉摩(Larmor)频率，或MR频率)的电磁交替场(RF场)来激发(自旋振荡)。从宏观角度，单独核自旋的分布产生了总磁化作用，所述磁化作用可通过施加具有适当频率(RF脉冲)的电磁脉冲而偏离平衡状态，同时RF脉冲的磁场垂直于z轴延伸，使得所述磁化作用围绕z轴执行进动。磁化作用的这一运动描述了一个锥表面，其孔径角称为翻转角(flip angle)。翻转角的幅度取决于所施加的电磁脉冲的强度和持续时间。在所谓的90°脉冲的情况下，自旋从z轴偏转到横向平面(翻转角为90°)。RF脉冲经由MR装置的RF线圈布置而朝向患者身体辐射。所述RF线圈布置通常环绕着患者身体所置的检查区。
在RF脉冲结束之后，磁化作用往回松弛至原始平衡状态，其中沿z方向的磁化作用在第一时间常数T1(自旋点阵或纵向松弛时间)再次累积，且沿垂直于z方向的方向的磁化作用在第二时间常数T2(自旋-自旋或横向松弛时间)松弛。磁化作用的变化可以借助接收RF天线或线圈来检测，所述天线或线圈布置和定向于MR装置的检查区内，以使得沿垂直于z轴的方向测量所述磁化作用的变化。所述横向磁化作用的衰减是在施加(例如)90°脉冲之后通过核自旋(由局部磁场不均匀性引起)从具有同一相位的有序状态转变为其中所有相位角均一致地分布(移相)的状态而实现的。所述移相可以借助重新聚焦的脉冲(例如，180°脉冲)来补偿。这在接收线圈中产生了回声信号(自旋回声)。
为了实现身体内的空间分辨率，沿着三个主轴线延伸的线性磁场梯度叠加在均匀的磁场上，导致自旋振荡频率的线性空间相依性。在接收线圈中获取的信号则含有不同频率的组分，所述频率可以与身体内的不同部位相关联。经由接收RF天线或线圈获得的信号数据对应于空间频率域且称为k空间数据。所述k空间数据通常包含借助不同相位编码而采集的多个行。每一行均通过收集多个样本而数字化。一组k空间数据通过傅立叶变换或者通过其它本身已知的重构技术而转换成MR图像。
MR流变特性现在已作为一种有前景的技术而变得众所周知，用于收集关于单独通过传统MR成像无法获取的组织特性的有利于诊断的额外信息。MR流变特性利用了以下事实：受检对象的MR图像中的MR信号相位在作用于受检对象的机械振荡影响下发生改变。这一改变的程度取决于由机械振荡引起的组织的局部偏转。关于组织的机械参数的信息(例如，关于粘度或弹性)可因此从MR相位图像中导出，所述MR相位图像是在机械振荡正作用于受检对象时从所述对象处采集的。在这一上下文中，MR相位图像是指重新产生核磁化的相位空间分布的MR图像。
所提及的可经由MR流变特性获取的机械参数(例如组织粘度或弹性)可以另外仅借助活组织检查和/或组织学而侵入式地确定。另一方面，已知这些参数直接关联至(例如)肝脏、乳房或脑组织中的硬化或癌变。已证明，MR流变特性尤其有利于诊断肝硬化和确定肝硬化的阶段。此外，MR流变特性已被证明为有利于诊断乳腺癌。已报道了用于借助MR流变特性来检查脑部退化疾病的初步应用。
在典型的MR流变特性设置中，提供至少一个换能器，所述换能器以给定频率产生往复运动。所述换能器激发患者体内组织的机械振荡。此外，提供适当的RF线圈布置，以产生具有解剖学背景的MR图像。基本上，所述换能器激发在身体组织内传播的机械波，其中所述传播方向垂直于所述换能器所附接的身体表面。一个重要的先决条件是换能器与患者身体的良好机械联接。
例如，根据US 6,833,703B2已知一种可用于MR流变特性的振荡施加装置。这种已知的施加装置被设计成一种用于MR流变特性的乳房X光摄影附件，其能够产生沿待检患者乳房的纵向方向延伸的纵向振荡。所述已知的施加装置集成到MR装置的患者台面中，且提供换能器与身体的良好联接。
用于MR流变特性的振荡施加装置的已知设计的一个缺陷是，施加装置在患者身体上的定位不可能适用于所有需要的成像位置。另一个问题是，基于电磁驱动器(例如电动马达或线性电磁振荡器)的换能器与主磁场B0交互作用。因此，此类换能器可以仅以下述方式定位于MR装置的检查区内，即由电磁驱动器产生的磁场垂直于主磁场B0的场线定向。这约束了振荡施加装置的放置，且因此约束了MR流变特性针对特定身体区域的施加。
Magn.Res.Im.30(2011)128-132中的由U.Motosugi等人著写的论文“Effects ofgadoxetic acid on liver elasticity measurement by usiing magnetic resonanceelastography”提及了使用附接到弹性束带的无源驱动器，以将振动传递到患者胸部和肝脏。
从上文中容易认识到，需要一种改善的用于MR流变特性的振荡施加装置。
发明内容
根据本发明，公开了一种用于MR流变特性的振荡施加装置。本发明的振荡施加装置包括：
-至少一个换能器，其以给定频率产生往复运动；
-机械联接至所述换能器的束带，其被设计成缠绕在患者身体周围且多个换能器中的每一个都沿着束带的纵向延伸方向在不同位置处联接至所述束带。
根据本发明，所述束带机械联接至所述换能器，使得在将所述束带缠绕在所述患者身体周围时，所述换能器借助所述束带被保持于患者身体上的适当位置处。所述束带本身提供了换能器与患者身体之间的机械联接。由所述换能器产生的往复运动经由所述束带作用于患者身体上。优选的是，所述束带是不可拉伸的，以便将机械振荡有效联接至身体中。根据本发明，不需要机械支撑件或者某些质量或重量的振荡施加装置。本发明的振荡施加装置可用于患者身体的几乎每个部分的MR流变特性检查。此外，MR流变特性检查的工作流程可以通过使用本发明的振荡施加装置来改善，因为本发明使得能够在准备期间，也就是说，在将患者置于MR装置的检查区内供用于MR信号采集之前，将所述振荡施加装置相对于患者固定。
根据本发明，所述至少一个换能器以给定频率产生往复运动。这包括了下述可能性，即通过换能器产生具有包括不同频率组分的频谱的往复运动。
根据本发明的优选实施例，所述束带的宽度沿着其长度发生变化。以此方式，所述束带可以以目标方式成形，以便控制施加在身体表面上的压力。这可以用于实现所需的组织振荡，或者保护敏感的身体部分。
在已知的设计中(US 6,833,703B2，见上文)，产生了垂直于身体表面的往复运动。产生平行于身体表面的运动的振荡施加装置需要一定量的粘附力，其并非总是给定的。根据本发明所提议的束带可用于将换能器的平行振荡转换成垂直于患者身体表面的至少一部分的运动。这允许在设计振荡施加装置时更多的自由度。施加装置的尺寸对于工作流程和患者舒适度而言至关重要。在将所述束带的端部附接至换能器的振荡部分时(也就是说，周期性地改变其沿着身体表面的距离)，所述束带将振荡转换成向内/向外方向的运动，因为形成闭合环路的束带周长的改变会导致半径的对应改变。
根据可能的变化形式，由换能器产生的往复运动平行于束带的纵向轴线且与身体表面相切地进行。在可供选择的变化形式中，由换能器产生的往复运动正交于束带的纵向轴线且垂直于身体表面进行。以此方式，可能产生在身体组织内传播的主要为纵向或横向的机械波。因此，变得可能研究具有张量(tensor)属性的机械参数。
根据本发明的另一优选实施例，所述振荡施加装置的至少一个换能器布置在附接到所述束带的振荡器外壳中。所述外壳封闭和保护换能器的部件。此外，所述外壳可以用作将换能器联接至所述束带的机械联接装置的一部分。
根据本发明，多个换能器在沿着束带的纵向延伸方向的不同位置处联接到所述束带。所述不同的换能器可以被单独地驱动以实现在身体组织内传播的机械波的复杂模式。为此，由每一换能器产生的往复运动应具有单独可控的振幅、频率和相位。所述振幅可以通过单独波的建设性/破坏性叠加/干涉而得到局部优化。使用预设值作为开始值的迭代软件算法在准备期间运行。在MR序列期间，振幅、频率和相位可以由于人体的运动或其它原因而改变，这可能支持临床相关参数的重构。
此外，机械振荡可以施加于身体表面的不同位置处，而无需施加装置的重新定位。
根据本发明的另一优选实施例，至少一个衬垫附接到所述束带，所述衬垫将被置于所述束带和患者身体之间。所述衬垫用于控制在所述衬垫位置处施加到身体表面上的压力。在某些身体位置处可使用较柔性的衬垫以避免机械联接。在某些身体位置处可使用不太柔性的衬垫以将机械振荡的施加聚焦。以此方式，可以控制换能器和身体之间的最强机械联接的位置。在需要最强的力/运动的位置处无需放置振荡器本身。而是可使用衬垫以使所述力聚焦。所述束带将所述力/运动从换能器传递至聚焦衬垫。
根据本发明的另一优选实施例，所述换能器包括驱动器和传动元件，所述驱动器经由所述传动元件联接至所述束带。所述传动元件可以是Bowden线缆或柔性轴。所述传动元件将驱动器的驱动力传递至所述束带，其中所述传动线的长度仅由传动元件的摩擦力和损耗限定。本发明的此实施例具有以下优势：驱动器可以是电动马达或线性电磁驱动器(例如，包括线圈和永磁体，如同在传统的扬声器设计中)，其可以位于所使用MR装置的检查区之外。以此方式，避免了驱动器磁场与MR装置的主磁场B0之间的非期望交互作用。所述驱动器可以定位于距MR装置主磁体的等中心一米或更远的距离处。
本发明不仅涉及一种振荡施加装置，且还涉及一种MR成像装置。所述装置包括：
-至少一个主磁体线圈，用于在检查区内产生均匀、稳定的主磁场，
-多个梯度线圈，用于在所述检查区内的不同空间方向上产生开关磁场梯度(switched magnetic field gradient)，
-至少一个RF线圈，用于在所述检查区内以MR共振频率产生RF脉冲，和/或用于从定位于所述检查区内的患者身体接收MR信号，
-控制单元，用于控制RF脉冲和开关磁场梯度的时间连续性，
-重构单元，用于根据所述接收的MR信号来重构MR图像；
-上文指定的类型的振荡施加装置。
根据本发明的所述振荡施加装置可以有利地结合当前正在临床实践中使用的多数MR成像装置来使用，其中所述振荡施加装置的束带缠绕在待检的所述患者的某部分周围。
此外，本发明涉及对置于MR装置检查区内的磁场中的身体的至少一部分进行MR成像的方法。所述方法包括以下步骤：
-借助上文所指定类型的振荡施加装置使所述身体的所述部分经受振荡机械激发，其中所述振荡施加装置的所述束带缠绕在所述身体的所述部分周围；
-使所述身体的所述部分经受包括一个或多个RF脉冲和开关磁场梯度的成像序列，由此从所述身体的所述部分采集MR信号；
-根据所述所采集MR信号导出反映所述身体组织的弹性和/或粘度的空间分辨参数(spatially resolved parameter)。
附图说明
所附的图公开了本发明的优选实施例。然而，应当理解，这些附图仅出于例示的目的而设计，并不旨在作为对本发明的限制的限定。在下图中：
图1示意性地示出了根据本发明的MR装置；
图2示出了借助根据本发明的振荡施加装置的振荡激发；
图3示出了根据本发明的具有变化的束带宽度的振荡施加装置；
图4示出了根据本发明的具有集成衬垫的振荡施加装置；
图5示出了根据本发明的具有Bowden线缆作为传动元件的振荡施加装置。
具体实施方式
参照图1，其示出了MR成像装置1。所述装置包括超导性或电阻性主磁体线圈2，使得沿着穿过检查区的z轴形成基本上均匀、随时间恒定的主磁场。
磁共振产生和操控系统施加一系列RF脉冲和开关磁场梯度，以便倒置或激发核磁自旋、引起磁共振、使磁共振重新聚焦、操控磁共振、以空间方式和其它方式对磁共振编码、使自旋饱和以及诸如此类，以执行MR成像。
更具体地，梯度脉冲放大器3将电流脉冲沿着检查区的x轴、y轴和z轴施加到整个身体(whole-body)式梯度线圈4、5和6中的选定线圈。数字的RF频率发射器7将RF脉冲或脉冲包经由发送/接收开关8发射至整个身体体积的RF线圈9，以便将RF脉冲发射至检查区内。典型的MR成像序列由一组短持续时间的RF脉冲片段组成，其彼此合在一起且与任何施加的磁场梯度一起实现核磁共振的选定操控。所述RF脉冲用于饱和、激发共振、倒置磁化作用、重新聚焦共振、或操控共振以及选择定位于检查区中的身体10的一部分。所述MR信号也由整个身体体积的RF线圈9获取。
为了产生身体10的有限区域的MR图像，将一组局部阵列RF线圈11、12、13连续放置至出于成像目的而选择的区域。阵列线圈11、12、13可以用于并行成像，以接收由身体-线圈RF发射引起的MR信号。
所得MR信号由整个身体体积的RF线圈9和/或阵列RF线圈11、12、13获取，并由优选地包含前置放大器(未示出)的接收器14解调。接收器14经由发送/接收开关8连接至RF线圈9、11、12和13。
主计算机15控制梯度脉冲放大器3和发射器7，以产生多个MR成像序列中的任意个，例如回声平面成像(EPI)、回声立体成像、梯度和自旋回声成像、快速自旋回声成像和诸如此类。针对选定的序列，接收器14跟随每一RF激发脉冲而快速连续地接收单个或多个MR数据行。数据采集系统16执行所接收信号的模拟转数字转换，并将每个MR数据行转换成适合于进一步处理的数字格式。在现代MR装置中，数据采集系统16是单独的计算机，其专门用于原始图像数据的采集。
最终，数字原始图像数据被施加适当的重构算法的重构处理器17重构成图像表示。所述MR图像可以表示穿过患者的平面切片、平行平面切片的阵列、三维体积或诸如此类。然后将所述图像存储在图像存储器中，可访问所述图像以便将所述图像表示的切片、凸起(projection)或其它部分转换成适当格式供用于可视化，例如经由提供了所得MR图像的人类可读显示的视频监视器18。
根据本发明，MR装置1还包括用于MR流变特性的振荡施加装置。在本发明的可能实施例中，振荡施加装置的操作可以是基于电-机式转换器的，所述电-机式转换器将电信号转换成机械振荡，例如通过与主磁场B0交互作用。
所述振荡施加装置包括缠绕在患者身体10周围的束带19。以给定频率产生往复运动的换能器是所述振荡施加装置的一部分。所述换能器包括驱动器20和传动元件21，驱动器20经由所述传动元件联接至束带19。由MR装置1的主计算机15控制的驱动器20位于MR装置1的检查区之外，使得由驱动器20产生的磁场不会与主磁体线圈2产生的主磁场发生干扰。
借助所述振荡施加装置，身体10的被束带19缠绕在周围的部分在MR信号采集期间受到振荡机械激发。借助重构处理器17从所采集的MR信号导出反映身体10的组织的弹性和/或粘度的空间分辨参数。
在图2中，示出了借助根据本发明的振荡施加装置进行的振荡激发。在所示实施例中，振荡施加装置的换能器布置于附接到束带19的振荡器外壳22中。图2示出了患者身体10的被束带19缠绕在周围的部分的剖视图。在图2中的左图中，由换能器产生的往复运动(由箭头指示)平行于束带19的纵向轴线且与身体10表面相切地进行。在图2的右图中所示的实施例中，由换能器产生的往复运动正交于束带19的纵向轴线且垂直于身体10表面进行。
图3示出了可如何以目标方式控制沿着束带19施加到身体表面上的力。在所示实施例中，束带19具有较宽部分23。较宽部分23的效应是，施加到患者身体表面上的压力在相应位置减小。相反地，在具有减小宽度的部分24中，在患者身体表面上施加了增加的压力。在实践中，束带的成形将取决于相应的流变特性应用和患者的解剖结构。沿着其长度具有变化宽度的单独成形的束带可用于在患者身体组织内实现给定的振荡模式或用于保护敏感的身体区域。在束带19的部分25中，设置一个间隙26。间隙26可以用于实现出于介入目的而接近患者身体。
图4示出了本发明的一个实施例，其中设置了衬垫27。衬垫27用于控制由振荡施加装置施加在患者身体10上的压力。具有极高柔性的衬垫可联接至束带19，用于避免在衬垫27接触身体10表面的位置处的机械联接。在相应身体位置处可使用不太柔性的衬垫以使压力聚焦。
图5示出了结合本发明的束带设计良好运作的振荡施加装置的设计。将Bowden线缆用作传动元件21(见图1)。所述Bowden线缆的护套28牢固地连接至刚性外壳29。所述Bowden线缆的细丝30附接至束带19的端部31。束带19的端部31可相对于外壳29移动。束带19的另一端部32牢固地附接至外壳29。沿着Bowden线缆的延伸方向在箭头34指示的方向上的往复振荡线性运动是借助驱动器20产生的(见图1)。此运动经由细丝30传递至束带19的端部31。将对应的力施加到束带19所缠绕的患者身体10上。由可压缩的身体组织产生回复力，使得最终在患者身体10内激发所期望的振荡。可选地，可在束带19的端部31与外壳29之间提供弹簧33，以便提供所述振荡力的偏压，或支持所述身体组织的回复力。
在可供选择的实施例(未示出)中，可在外壳29内设置以不同方式布置的弹簧和杠杆，以便沿给定方向以给定振幅产生所期望的往复运动。
在另一实施例(未示出)中，传动元件21可以是弹性轴，其将旋转运动从驱动器20传递到束带19。可将偏心装置集成到外壳29中以便产生所需的振荡。

Claims (10)

1.一种用于MR流变特性的振荡施加装置，包括：
-多个换能器，所述换能器中的每一个都以给定频率产生往复运动；
-束带(19)，所述束带机械联接至所述换能器，所述束带(19)被设计成缠绕在患者的身体(10)周围，所述束带本身提供了所述换能器与所述患者的身体之间的机械联接，以便由所述换能器产生的往复运动经由所述束带作用于患者的身体上，且
-多个换能器中的每一个都沿着所述束带的纵向延伸方向在不同位置处联接至所述束带(19)；
其中，所述束带的宽度沿着其长度变化。
2.根据权利要求1所述的振荡施加装置，其特征在于，由所述换能器产生的所述往复运动平行于所述束带(19)的纵向延伸范围且与所述身体(10)的表面相切地进行。
3.根据权利要求1或2所述的振荡施加装置，其特征在于，由所述换能器产生的所述往复运动正交于所述束带(19)的纵向轴线且垂直于所述身体(10)的表面进行。
4.根据权利要求1或2所述的振荡施加装置，其特征在于，所述至少一个换能器布置于附接到所述束带(19)的振荡器外壳(22)中。
5.根据权利要求4所述的振荡施加装置，其特征在于，由每一换能器产生的所述往复运动具有可控的振幅和/或相位和/或频率。
6.根据权利要求1或2所述的振荡施加装置，其特征在于，至少一个衬垫(27)附接到所述束带(19)，所述衬垫(27)将被放置于所述束带(19)和患者的身体(10)之间。
7.根据权利要求1或2所述的振荡施加装置，其特征在于，所述换能器包括驱动器(20)和传动元件(21)，所述驱动器(20)经由所述传动元件联接至所述束带(19)。
8.根据权利要求7所述的振荡施加装置，其特征在于，所述传动元件(21)是Bowden线缆或将旋转运动从所述驱动器(20)传递到所述束带(19)的弹性轴。
9.一种MR装置，包括：
-至少一个主磁体线圈(2)，所述主磁体线圈用于在检查区内产生均匀、稳定的主磁场，
-多个梯度线圈(4、5、6)，所述梯度线圈用于在所述检查区内沿不同空间方向产生开关磁场梯度，
-至少一个RF线圈(9)，所述RF线圈用于在所述检查区内以MR共振频率产生RF脉冲，和/或用于从定位于所述检查区内的患者的身体(10)接收MR信号，
-控制单元(15)，为了MR流变特性，所述控制单元用于控制所述RF脉冲和所述开关磁场梯度的时间连续性，
-重构单元(17)，所述重构单元用于根据所接收的MR信号来重构MR图像；
-根据权利要求1-8中任一项所述的振荡施加装置，所述束带(19)被设计成缠绕在所述身体(10)的一部分周围。
10.一种对置于MR装置(1)检查区内的磁场中的身体(10)的至少一部分进行MR流变特性成像的方法，所述方法包括以下步骤：
-借助根据权利要求1-8中任一项所述的振荡施加装置使所述身体(10)的所述部分经受振荡机械激发，由所述换能器产生的所述往复运动经由所述束带作用于所述患者的身体上，所述束带(19)缠绕在所述身体(10)的所述部分周围；
-使所述身体(10)的所述部分经受包括一个或多个RF脉冲和开关磁场梯度的成像序列，由此从所述身体(10)的所述部分采集MR信号；
-根据所采集的MR信号导出反映所述身体(10)的组织的弹性和/或粘度的空间分辨参数。
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