CN107110938A - 使用具有额外180度rf脉冲的自旋回波脉冲序列的磁共振指纹 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于根据磁共振指纹技术从测量区(108)内的对象(118)采集磁共振数据的磁共振系统(100)。脉冲序列包括一连串脉冲序列重复(302、304)。每个脉冲序列重复具有从重复时间的分布选择的重复时间。每个脉冲序列重复包括从射频脉冲的分布选择的射频脉冲(306)。射频脉冲的分布使得磁自旋旋转到翻转角的分布，并且每个脉冲序列重复包括在从采样时间的分布选择的采样时间处的采样事件(310)。脉冲序列的每个脉冲序列重复包括在射频脉冲与采样事件之间的第一时间中点处执行的第一180度RF脉冲(308)，以将磁共振信号重聚焦。脉冲序列的每个脉冲序列重复包括在采样事件与接下来的脉冲重复的开始之间的第二时间中点处执行的第二180度RF脉冲(309)。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振成像，尤其是用于执行磁共振指纹(magnetic resonancefingerprinting)的技术。
背景技术
磁共振(MR)指纹是一种新技术，其中，应用在时间上分布的多个RF脉冲，使得它们导致来自不同材料或组织的信号对测量的MR信号具有独特的贡献。将来自一组物质或固定数量的物质的预先计算的信号贡献的限制的词典与测量的MR信号进行比较，并且可以确定在单个体素内的组分。例如，如果已知体素仅含有水、脂肪和肌肉组织，则仅需考虑来自这三种材料的贡献，并且仅需要几个RF脉冲来精确地确定体素的组分。
Ma等人的期刊文章“Magnetic Resonance Fingerprinting,”Nature,Vol.495,pp.187 to 193,doi:10.1038/nature11971中介绍了磁共振指纹技术。美国专利申请US2013/0271132 A1和US 2013/0265047 A1中也描述了磁性指纹技术。
发明内容
本发明在独立权利要求中提供了磁共振成像系统、计算机程序产品和方法。在从属权利要求中给出了实施例。
Ma等人的Nature文章介绍了磁共振指纹的基本思想和用于描述这种技术的术语，例如词典(dictionary)，其在本文中被称为“预先计算的磁共振指纹词典”、“磁共振指纹词典”和“词典”。
如本领域的技术人员将认识到的，本发明的各个方面可以实现为装置、方法或计算机程序产品。相应地，本发明的各个方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或组合软件和硬件方面的实施例(在本文中总体上全部可以被称为“电路”、“模块”或“系统”)的形式。此外，本发明的各个方面可以采取实现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，所述一个或多个计算机可读介质具有实现在其上的计算机可执行代码。
可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。所述计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。本文使用的“计算机可读存储介质”涵盖任何可以存储可由计算设备的处理器执行的指令的有形存储介质。可以将计算机可读存储介质称为计算机可读非暂态存储介质。也可以将计算机可读存储介质称为有形计算机可读介质。在一些实施例中，计算机可读存储介质还可以能够存储可以由计算设备的处理器访问的数据。计算机可读存储介质的范例包括但不限于：软盘、磁硬盘驱动器、固态硬盘、闪速存储器、USB拇指驱动器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘、磁光盘以及处理器的寄存器文件。光盘的范例包括压缩盘(CD)和数字通用盘(DVD)，例如，CD-ROM、CD-RW、CD-R、DVD-ROM、DVD-RW或DVD-R盘。术语计算机可读存储介质还指能够经由网络或通信链路由计算机设备访问的各种类型的记录介质。例如，可以在调制调解器、因特网或局域网上检索数据。可以使用任何适当介质发送实现在计算机可读介质上的计算机可执行代码，所述任何适当介质包括但不限于无线的、有线的、光纤线缆的、RF等或者前面的任何合适的组合。
计算机可读信号介质可以包括具有实现在其中的计算机可执行代码的传播的数据信号，例如，在基带中或作为载波的部分。这样的传播的信号可以采取任何各种形式，包括但不限于电磁的、光学的或它们的任何合适的组合。计算机可读信号介质可以是这样的任何计算机可读介质：不是计算机可读存储介质，并且能够传达、传播或传输由指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合使用的程序。
“计算机存储器”或“存储器”是计算机可读存储介质的范例。计算机存储器是任何可由处理器直接访问的存储器。“计算机存储设备”或“存储设备”是计算机可读存储介质的另外的范例。计算机存储设备是任何非易失性计算机可读存储介质。在一些实施例中，计算机存储设备也可以是计算机存储器，或者反之亦然。
如本文中所使用的“处理器”涵盖能够执行程序或机器可执行指令或计算机可执行代码的电子部件。对包括“处理器”的计算设备的引用应当被解读为能够包含多于一个的处理器或处理核。所述处理器可以例如是多核处理器。处理器也可以指在单个计算机系统之内的或分布在多个计算机系统之间的处理器的集合。术语计算设备也应当被解读为能够指每个包括一个或多个处理器的计算设备的集合或网络。计算机可执行代码可以由可以在相同的计算设备之内或甚至可以分布在多个计算设备之间的多个处理器来执行。
计算机可执行代码可以包括令处理器执行本发明的方面的机器可执行指令或程序。用于执行针对本发明的方面的操作的计算机可执行代码可以以一个或多个编程语言的任何组合来编写并且被编译为机器可执行指令，所述一个或多个编程语言包括诸如Java、Smalltalk、C++等的面向对象的编程语言以及诸如“C”编程语言或相似编程语言的常规过程性编程语言。在一些实例中，所述计算机可执行代码可以采取高级语言的形式或者采取预编译的形式并且结合在工作时生成机器可执行指令的解读器一起被使用。
所述计算机可执行代码可以完全在用户的计算机上、部分在用户的计算机上(作为独立的软件包)、部分在用户的计算机上并且部分在远程计算机上、或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情形下，所述远程计算机可以通过包括局域网(LAN)或广域网(WAN)的任何类型的网络连接到用户的计算机，或者可以(例如，通过使用因特网服务提供商的因特网)对外部计算机进行连接。
参考根据本发明的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图、图示和/或方框图来描述本发明的方面。应理解，当可应用时，能够通过采取计算机可执行代码的形式的计算机程序指令来实施流程图、图示和/或方框图的方框的每个方框或部分。还应理解，当互不排斥时，可以组合不同流程图、图示和/或方框图中的方框的组合。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或产生机器的其他可编程数据处理装置的处理器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实施在流程图和/或一个或多个方框图框中指定的功能/动作的单元。
这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，所述计算机可读介质能够指引计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定的方式来工作，使得在计算机可读介质中存储的指令产生包括实施在流程图和/或一个或多个方框图框中指定的功能/动作的指令的制品。
所述计算机程序指令还可以加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以令在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列操作步骤，从而产生计算机实施的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于在流程图和/或一个或多个方框图框中指定的功能/动作的过程。
如本文所使用的“用户接口”是允许用户或操作人员与计算机或计算机系统交互的接口。“用户接口”还可以被称为“人机接口设备”。用户接口可以向操作人员提供信息或数据和/或从操作人员接收信息或数据。用户接口可以使得来自操作人员的输入能够被计算机接收并且可以从计算机向用户提供输出。换言之，所述用户接口可以允许操作人员控制或操控计算机，并且所述接口可以允许计算机指示操作人员的控制或操控的效应。显示器或图形用户接口上的数据或信息的显示是向操作人员提供信息的范例。通过键盘、鼠标、轨迹球、触摸板、指点杆、图形输入板、操纵杆、游戏手柄、摄像头、耳机、踏板、有线手套、遥控器和加速度计对数据的接收全都是实现对来自操作人员的信息或数据的接收的用户接口部件的全部范例。
如本文所使用的“硬件接口”涵盖使得计算机系统的处理器能够与外部计算设备和/或装置交互和/或控制外部计算设备和/或装置的接口。硬件接口可以允许处理器将控制信号或指令发送到外部计算设备和/或装置。硬件接口也可以使得处理器能够与外部计算设备和/或装置交换数据。硬件接口的范例包括但不限于：通用串行总线、IEEE 1394端口、并行端口、IEEE 1284端口、串行端口、RS-232端口、IEEE-488端口、蓝牙连接、无线局域网连接、TCP/IP连接、以太网连接、控制电压接口、MIDI接口、模拟输入接口以及数字输入接口。
如本文所使用的“显示器”或“显示设备”涵盖适于显示图像或数据的输出设备或用户接口。显示器可以输出视觉、音频和/或触觉数据。显示器的范例包括但不限于：计算机监视器、电视屏幕、触摸屏、触觉电子显示器、盲文屏幕、阴极射线管(CRT)、存储管、双稳态显示器、电子纸、矢量显示器、平板显示器、真空荧光显示器(VF)、发光二极管(LED)显示器、电致发光显示器(ELD)、等离子体显示板(PDP)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管显示器(OLED)、投影仪和头戴式显示器。
磁共振(MR)数据在本文中被定义为在磁共振成像扫描期间由磁共振装置的天线所记录的由原子自旋发射的射频信号的测量结果。磁共振数据是医学图像数据的范例。磁共振成像(MRI)图像在本文中被定义为磁共振成像数据内包含的解剖数据的经重建的二维或三维可视化。能够使用计算机来执行这一可视化。
在一个方面中，本发明提供一种用于从测量区内的对象采集磁共振数据的磁共振成像系统。该磁共振系统包括用于存储机器可执行指令的存储器。该存储器还存储脉冲序列指令。该脉冲序列指令包含用于运行所谓的脉冲序列的指令。如本文所使用的脉冲序列涵盖令磁共振成像系统执行磁共振技术的一组指令或控制命令。该脉冲序列指令包括一连串脉冲序列重复。脉冲序列重复中的每个具有从重复时间的分布选择的重复时间。每个脉冲序列重复包括从射频脉冲的分布选择的射频脉冲。射频脉冲的分布可以被用于令磁共振自旋通过不同翻转角的分布而旋转。例如，不同的射频脉冲可以使用不同的幅度、持续时间或形状来使特定的磁自旋旋转特定的或不同的翻转角。不同的射频脉冲能够对不同类型的磁自旋具有不同的效应，并令其通过不同的翻转角分布来旋转。
每个脉冲序列重复还包括其中磁共振信号在脉冲序列重复的结束之前的采样时间处针对预定持续时间被采样的采样事件。采样时间是从采样时间的分布选择的。磁共振数据是在该采样事件期间获取的。脉冲序列指令的每个脉冲序列重复包括在射频脉冲与采样事件之间的第一时间中点处执行的第一180°射频脉冲，以将磁共振信号重聚焦。脉冲序列指令的每个脉冲序列重复包括在采样事件与接下来的脉冲重复的开始之间的第二时间中点处执行的第二180°射频脉冲。
使用两个180°射频脉冲的益处可能在于这可以减少在测量区中使用的磁场中的不均匀性的效应。
磁共振系统还包括用于控制磁共振系统的处理器。对机器可执行指令的执行令处理器通过利用脉冲序列指令控制磁共振系统来采集磁共振数据。对机器可执行指令的运行还令处理器通过将磁共振数据与磁共振指纹词典进行比较来计算预定物质的集合中的每个预定物质的丰度。该磁共振指纹词典包含响应于用于预定物质的集合的脉冲序列指令的运行而计算的磁共振信号的列表。
当运行脉冲序列指令时，逐个运行脉冲序列重复。这导致在采样时间期间针对每个脉冲序列重复采集数据。磁共振指纹词典包含针对特定物质的预期磁共振信号。采样时间中的全部中的实际测量的磁共振信号是来自不同物质的磁共振信号的组合。在磁共振指纹技术中考虑了不同物质的可能组分。将针对每种物质的可能指纹与实际测量的物质进行比较，并且可以使用磁共振指纹词典对物质的组分进行去卷积。
总的来说，磁共振指纹技术可用于利用被采集的减少量的数据或磁共振数据来确定对象的组分。这能够使该技术比常规磁共振技术更快。使用两个180°射频脉冲使得该技术更准确，并且可以减少需要采集的数据量。通常，当计算磁共振指纹词典时，需要考虑磁场的不均匀性。如果体素尺寸与空间场变化相比较是小的，则包括针对大量不同磁场的计算的信号响应的词典可以提供足够好的匹配。较大的体素尺寸能够导致针对预定物质的集合中的每个预定物质基本上模糊的指纹。使用两个180°射频脉冲可以简化磁共振指纹词典的计算，并且可以使结果更准确。
在另一个实施例中，脉冲序列指令令磁共振成像系统根据磁共振指纹技术采集磁共振数据。脉冲序列指令可以包含用于每个脉冲重复以变化的重复时间、变化的翻转角和变化的测量时间来执行磁共振数据的测量的指令。这可以提供脉冲时间的有用分布，其提供良好的采样并且允许不同成分与磁共振指纹词典的匹配。
RF脉冲的(翻转角)的序列、重复时间等可以是随机的或伪随机的。在RF脉冲的伪随机序列或从可能的RF脉冲的分布选择的RF脉冲中，RF脉冲的序列可以被选择为使得其最大化其编码功率以实现不同物类的潜在MR响应之间的最高分集(diversity)。一个要点是脉冲序列包括重复时间和翻转角的范围，而不是单个值。这可以以所得到的磁共振信号对于不同组织和类似指纹而言不同的方式来选择。
k空间采样可以变化。例如，在一个维度上的均匀k空间采样，在一个维度上的不均匀k空间采样，以及在一个维度上的随机k空间采样。当使用一维切片选择时，例如在没有x和y梯度的情况下的z切片选择和采样(即一次一整个z切片)，可以说，仅对k空间中的单个点(原点)采样。可以在同样没有x和y梯度的情况下使用不用于切片选择但用于在z方向上对k空间进行采样的z梯度。在这种情况下，k空间可以是一维的，并且可以使用k空间中的均匀或不均匀点分布来执行采样。在另一个实施例中，脉冲序列包括一连串脉冲重复。这一连串脉冲重复中的每个脉冲重复具有随机分布、来自持续时间的分布的预选的持续时间或者伪随机持续时间。可以从该分布中选择该预选的持续时间，使得所得到的一连串RF脉冲看起来是随机的或伪随机的，但是也可以进行选择以优化其他性质。例如，如上所述，可以选择RF脉冲，使得它们将序列的编码功率最大化，以在针对不同物类的潜在MR响应之间实现最高的分集。
在另一个实施例中，磁共振系统是NMR光谱仪。
在另一个实施例中，磁共振系统是磁共振成像系统。
在另一个实施例中，测量区是成像区。
在另一个实施例中，磁共振成像系统还包括用于在成像区内生成磁场的磁体。磁共振成像系统还包括磁场梯度系统，用于在成像区内生成梯度磁场以对磁共振数据进行空间编码。主磁场常常也被称为B0磁场。脉冲序列指令还包括控制磁场梯度系统以在采集磁共振数据期间执行磁共振数据的空间编码的指令。该空间编码将磁共振数据划分成离散体素。该实施例可以是有益的，因为其可以提供用于更快速地确定对象的空间结果组分的单元。
在另一个实施例中，磁共振系统还包括用于在测量区内生成主磁场的磁体。
在另一个实施例中，机器可执行指令的运行还令处理器通过利用针对离散体素中的每个的Bloch方程将预定物质中的每各建模为单个自旋来计算磁共振指纹词典。例如，在离散体素中的每个中，假设的自旋可以使用Bloch方程以及使用脉冲序列指令的磁共振系统的仿真来建模。在采样时间中的每个处计算的磁共振数据然后是针对被建模的特定类型自旋的磁共振指纹词典。对于其中测量区仅被划分成单个体素的情况，这将工作特别良好。其也适于没有用于空间编码的梯度磁场的情况。例如，该磁共振系统可以是用于对样品进行化学分析的所谓的NMR系统。
在另一个实施例中，该方法还包括通过使用针对离散体素中的每个的Bloch方程将预定物质中的每个建模为在5与1个自旋之间来计算磁共振指纹词典。
在另一个实施例中，该方法还包括通过利用针对离散体素中的每个的Bloch方程对预定物质中的每个进行建模来计算磁共振指纹词典。
在另一个实施例中，空间编码是一维的。离散体素是离散切片的集合。该方法还包括将磁共振数据划分成切片的集合的步骤。通过将针对切片的集合中的每个切片的磁共振词典与磁共振指纹词典进行比较来计算在切片的集合中的每个切片中的预定切片的集合中的每个切片的丰度。
在另一个实施例中，通过控制磁场梯度系统在脉冲序列的运行期间在仅一个预定方向上产生磁场梯度来执行空间编码。这能够导致在仅一个方向上逐个切片对磁共振数据进行编码。然后这可以用于制作所谓的磁共振指纹图。在磁共振指纹图中，沿着一维延伸计算预定物质的集合中的每个预定物质的丰度。
在另一个实施例中，通过控制磁场梯度系统在采样时间期间至少部分地产生一维读出梯度来执行空间编码。例如，这可以用于沿作为位置的函数的维度生成物质中的每个的分布。这也可用于生成磁共振指纹图。
在另一个实施例中，空间编码是三维的。通过控制磁场梯度系统在采样时间内至少部分地产生三维梯度来执行空间编码。这可能是有益的，因为可以以空间上分辨的方式为对象确定预定物质中的每个的三维分布。
在另一个实施例中，空间编码被执行为多切片编码。通过控制磁场梯度系统在射频脉冲期间产生切片选择梯度来执行空间编码。还可以通过控制磁场梯度系统在第一180°射频脉冲期间产生相位或切片选择梯度来执行空间编码。还通过控制磁场梯度系统在采样时间期间产生读出梯度来执行空间编码。
在另一个实施例中，空间编码被执行为非笛卡尔空间编码。通过控制磁场梯度系统在以非笛卡尔顺序对k-空间进行采样的采样事件期间产生读出梯度来执行空间编码。
在另一个实施例中，通过将针对离散体素中的每个的磁共振数据与预先计算的磁共振指纹词典进行比较来计算离散体素中的每个内的预定组织类型中的每个的丰度是通过以下步骤执行的。首先是通过将磁共振数据的每个磁共振信号表达为来自预定物质的集合中的每个预定物质的信号的线性组合。下一步骤是通过使用最小化技术求解该线性组合来确定预定物质的集合中的每个预定物质的丰度。
在另一个实施例中，可以修改最小二乘法以使得特定物质的负值被拒绝。
在另一个实施例中，指令的运行还令处理器重复对至少一个校准体模的磁共振数据的测量。所述至少一个校准体模包括预定物质的集合中的至少一个预定物质的已知体积。
当与沿着一个维度测量磁共振数据的系统一起使用时，校准体模中的每个可以具有校准轴。在这种情况下，当校准轴与预定方向对齐时，至少一个校准体模包括预定物质的集合中的至少一个预定物质的已知体积。在其他情况下，例如当校准体模被用在其中进行三维或二维成像的系统中时，预定物质可以在校准体模内以已知浓度均匀分布。
在另一方面中，本发明提供一种包括由控制磁共振系统的处理器运行的机器可执行指令和脉冲序列指令的计算机程序产品。该磁共振系统可以用于从测量区内的对象采集磁共振数据。脉冲序列指令使得磁共振系统根据磁共振指纹技术采集磁共振数据。脉冲序列指令包括一连串脉冲序列重复。每个脉冲序列重复具有从重复时间的分布选择的重复时间。每个脉冲序列重复包括从射频脉冲的分布选择的射频脉冲。
射频脉冲的分布使得磁自旋通过翻转角的分布而旋转。每个脉冲序列重复包括其中磁共振信号在脉冲序列重复的结束之前的采样时间处针对预定持续时间被采样的采样事件。采样时间是从采样时间的分布选择的。磁共振数据是在采样事件期间采集的。脉冲序列指令的每个脉冲序列重复包括在射频脉冲和采样事件之间的第一时间中点处执行的第一180°射频脉冲，以重聚焦磁共振信号。脉冲序列指令的每个脉冲序列重复包括在采样事件和接下来的脉冲重复的开始之间的第二时间中点处执行的第二180°射频脉冲。
对机器可执行指令的运行令处理器通过使用或利用脉冲序列指令控制磁共振系统来采集磁共振数据。对机器可执行指令的运行还令处理器通过将磁共振数据与磁共振指纹词典进行比较来计算预定物质的集合中的每个预定物质的丰度。磁共振指纹词典包含响应于用于预定物质的集合的脉冲序列指令的运行而计算的磁共振信号的列表。
在另一方面中，本发明提供了一种操作用于从测量区中的对象采集磁共振数据的磁共振系统的方法。该磁共振系统包括用于存储脉冲序列指令的存储器。脉冲序列指令令磁共振系统根据磁共振指纹技术采集磁共振数据。脉冲序列指令包括一连串脉冲序列重复。每个脉冲序列重复具有从重复时间的分布选择的重复时间。每个脉冲序列重复包括从射频脉冲的分布选择的射频脉冲。
射频脉冲的分布使得磁自旋通过翻转角的分布而旋转。每个脉冲序列重复包括其中磁共振信号在脉冲序列重复的结束之前的采样时间处针对预定持续时间被采样的采样事件。该采样时间是从采样时间的分布选择的。该磁共振数据是在该采样事件期间采集的。脉冲序列指令的每个脉冲序列重复包括在射频脉冲与采样事件之间的第一时间中点处执行的第一180°射频脉冲，以重聚焦磁共振信号。脉冲序列指令的每个脉冲序列重复包括在采样事件与接下来的脉冲重复的开始之间的第二时间中点处执行的第二180°射频脉冲。
该方法包括通过利用脉冲序列指令控制磁共振成像系统来采集磁共振数据的步骤。该方法还包括通过将磁共振数据与磁共振指纹词典进行比较来计算预定物质的集合中的每个预定物质的丰度的步骤。该磁共振指纹词典包含响应于预定物质的集合的脉冲序列指令的运行而计算的磁共振信号列表。
应当理解,可以组合本发明的上述实施例中的一个或多个，只要组合的实施例不是相互排斥的。
附图说明
在下文中将仅通过范例，并且参考附图描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1图示了磁共振成像系统的范例；
图2图示了操作图1的磁共振成像系统的方法；
图3示出了脉冲序列的范例；并且
图4示出了脉冲序列的另一范例。
附图标记列表
100 磁共振系统
104 磁体
106 磁体的膛
108 测量区或成像区
110 磁场梯度线圈
112 磁场梯度线圈电源
114 射频线圈
116 收发器
118 对象
120 对象支撑体
122 致动器
124 预定方向
125 切片
126 计算机系统
128 硬件接口
130 处理器
132 用户接口
134 计算机存储设备
136 计算机存储器
140 脉冲序列指令
142 磁共振数据
144 磁共振指纹词典
146 磁共振图像
150 控制模块
152 磁共振指纹词典生成模块
154 图像重建模块
300 脉冲序列指令
302 第一脉冲序列重复
304 第二脉冲序列重复
306 RF脉冲
308 第一180度重聚焦脉冲
309 第二180度重聚焦脉冲
310 测量结果或射频信号
400 脉冲序列
402 RF脉冲时间线
402 磁场梯度时间线
404 读出时间线
408 时间段A
410 时间段B
412 时间段C
具体实施方式
在这些附图中相似编号的元件或为等价元件或执行相同的功能。如果功能等价，则先前已经论述的元件将不必要在后面的附图中论述。
图1示出了具有磁体104的磁共振成像系统100的范例。磁体104是具有从其中穿过的膛106的超导圆柱型磁体104。使用不同类型的磁体也是可能的；例如也可以使用分裂式圆柱形磁体和所谓的开放式磁体两者。分裂式圆柱形磁体类似于标准圆柱形磁体，不同之处在于低温恒温器已经被分成两部分以允许进入磁体的等平面，这样的磁体可以例如与带电粒子束治疗结合使用。开放式磁体具有两个磁体部分，一个在另一个上方，其间具有足够大的空间以接收对象：两个部分区域的布置类似于亥姆霍兹线圈。开放式磁体是受欢迎的，因为对象较少受限制。在圆柱形磁体的低温恒温器内部有一组超导线圈。在圆柱形磁体104的膛106内，存在成像区108，其中，磁场足够强且均匀以执行磁共振成像。
在磁体的膛106内，还有一组磁场梯度线圈110，其用于采集磁共振数据以在空间上编码磁体104的成像区108内的磁自旋。磁场梯度线圈110连接到磁场梯度线圈电源112。磁场梯度线圈110旨在是代表性的。典型地，磁场梯度线圈110包含三组独立的线圈，用于在三个正交的空间方向上进行空间编码。磁场梯度电源向磁场梯度线圈提供电流。提供给磁场梯度线圈110的电流被控制为时间的函数并且可以被斜坡化或脉冲化。
与成像区108相邻的是射频线圈114，用于操纵成像区108内的磁自旋的取向并且用于从也在成像区108内的自旋接收无线电发送。射频天线可以包含多个线圈元件。射频天线也可以被称为信道或天线。射频线圈114连接到射频收发器116。射频线圈114和射频收发器116可以由独立的发射线圈和接收线圈以及独立的发射器和接收器代替。应理解，射频线圈114和射频收发器116是代表性的。射频线圈114也旨在表示专用发射天线和专用接收天线。类似地，收发器116也可以表示独立的发射器和接收器。射频线圈114也可以具有多个接收/发射元件，并且射频收发器116可以具有多个接收/发射信道。
对象支撑体120附接到能够移动通过成像区108的对象支撑体和对象118的任选致动器122。以这种方式，对象118的较大部分或整个对象118可以被成像。收发器116、磁场梯度线圈电源112和致动器122全部被看作连接到计算机系统126的硬件接口128。计算机存储设备134被示为包含用于执行磁共振指纹技术的脉冲序列指令140。
脉冲序列指令包括一连串脉冲序列重复。每个脉冲序列重复具有从重复时间的分布中选择的重复时间。每个脉冲序列重复包括从射频脉冲的分布中选择的射频脉冲。射频脉冲的分布可以用于使磁共振自旋旋转到不同翻转角的分布。例如，不同的射频脉冲可以使用不同的幅度、持续时间或形状来使特定的磁自旋旋转到特定的或不同的翻转角。不同的射频脉冲可能对不同类型的磁自旋具有不同的效应，并使它们旋转到不同的翻转角的分布。每个脉冲序列重复还包括其中磁共振信号在脉冲序列重复的结束之前的采样时间处针对预定持续时间被采样的采样事件。采样时间是从采样时间的分布中选择的。磁共振数据是在该采样事件期间采集的。脉冲序列指令的每个脉冲序列重复包括在射频脉冲和采样事件之间的第一时间中点处执行的第一180°射频脉冲，以重聚焦磁共振信号。脉冲序列指令的每个脉冲序列重复包括在所述采样事件和接下来的脉冲重复的开始之间的第二时间中点处执行的第二180°射频脉冲。计算机存储设备134还被示出为包含使用脉冲序列指令140控制磁共振成像系统100采集的磁共振数据142。计算机存储设备134还被示出为包含磁共振指纹词典144。计算机存储设备还被示出为包含使用磁共振数据142和磁共振指纹词典144重建的磁共振图像146。
计算机存储器136包含控制模块150，所述控制模块包含诸如操作系统或其他指令的代码，其使处理器130能够控制磁共振成像系统100的操作和功能。
计算机存储器136被还被示出为包含磁共振指纹识典生成模块152。识别生成模块152可以使用针对每个体素的Bloch方程来对一个或多个自旋建模以构建磁共振指纹词典144。计算机存储器136被还被示出为包含使用磁共振数据142和磁共振指纹词典144来重建磁共振图像146的图像重建模块。例如，磁共振图像146可以是对象118内的预定物质中的一种或多种的空间分布的绘制。
图1的范例可以被修改，使得磁共振成像系统或装置100等同于核磁共振(NMR)光谱仪。在没有梯度线圈110和梯度线圈电源112的情况下，装置100将在成像区108中执行0维测量。
图2示出了图示操作图1的磁共振成像系统100的方法的流程图。首先在步骤200中，通过利用脉冲序列指令140控制磁共振成像系统来采集磁共振数据142。接下来在步骤202中，通过将磁共振数据142与磁共振指纹词典144进行比较来计算预定物质的集合中的每个的丰度。例如，丰度可以被绘制或显示在磁共振图像146中。
磁共振(MR)指纹是一种新的非常有前景的技术，其用于通过将MR测量结果与多个预先计算的词典条目进行比较来确定组织类型。
本发明建立在MR指纹结合复杂度降低的扫描仪的MR和专用序列及重建算法的思想基础上，以开辟非常有效的癌症筛选或定量大容量测量的新机会。
磁共振指纹具有很高的准确组织表征的潜力。然而，当前技术基于MR图像的逐体素分析，因此既耗时又昂贵。
一些范例可以提供一种有效地检测和量化特定组织类型的存在的方式，同时：
1.降低硬件成本和能耗
2.增加患者吞吐量
这可能实现早期癌症检测或身体脂肪定量的新应用。
范例可能具有以下特征中的一个或多个：
1.具有降低的硬件要求的MRI系统：低性能x线圈和y线圈是可能的；这些线圈甚至可以被完全省去(z梯度线圈可以被设计成非常有效)。
2.专用的图像采集序列，其用于独立于B0的磁共振指纹。
3.专用的重建算法，其确定不同组织类型的相对和绝对体积。
4.用于将发现可视化的显示设备。
代替于产生和分析基于体素的医学图像，此处描述的一些范例方法产生整个z切片的组织成分分析。在不采用平面(x、y)内梯度的情况下执行单个专用指纹测量(几秒的持续时间)。从所得到的信号自动确定整个切片的组织组分和组织成分的相对丰度。
要使用的MR序列优选满足两个要求：首先，它对组织特异性参数(例如，T1和T2值，其他也是可以想到的)是敏感的，以对感兴趣组织进行编码并且通过将测量信号与词典(MR指纹)进行匹配来允许定量组织表征。其次，信号独立于非组织特异性参数变化(例如，B0变化)，使得在整个切片上匹配组织成分是可能的。
图4示出了这种序列的一个范例，其对T1和T2敏感，但独立于B0变化。序列基于翻转角αi和延迟时间ti的随机或其他方式自由选择的列表。在具有翻转角α1的第一RF脉冲之后，回波在2t1的延迟之后产生并且信号(ADC1)被记录。具有长度2t1b的另一回波步骤确保在指纹序列的下一部分以翻转角α2和延迟t2开始之前再次消除失相(dephasing)。
测量点ADCi之后的额外回波可以被保持为尽可能短，其中，t1b＝t2b＝…。使用z梯度线圈为每个RF脉冲打开切片选择梯度。
图3示出了示范性脉冲序列300的一部分。脉冲序列300可用于生成或计算脉冲序列指令140。在该定时图中，示出了第一脉冲序列重复302，并示出了第二脉冲序列重复304。每个脉冲重复以射频脉冲306开始。脉冲重复的持续时间随脉冲重复的不同而变化。存在其中射频信号被测量的持续时间310。射频脉冲306与测量持续时间310之间的时间也随着特定射频脉冲306的幅度和/或形状而变化。该脉冲序列300还示出了每次重复302、304的两个180°重聚焦脉冲308、309。第一重聚焦脉冲308位于射频脉冲306与测量持续时间310之间的时间中点处。第二射频脉冲309位于测量持续时间310的中点和接下来的脉冲306的开始之间。第一重聚焦脉冲308使得在进行测量310时重聚焦射频信号。第二重聚焦脉冲309使得在接下来的脉冲304开始时重聚焦该信号。
如同在常规MRF序列中，每个采样点ADCi可以实际上包括k空间的多个采样的非常快速的系列。这可以是笛卡尔的、螺旋的或任何其他种类的k空间采样。
该序列背后的思想如下：重聚焦180度脉冲308、309确保在αi脉冲的时间处并且在采样ADCi的时间处所有自旋被重聚焦。因此，在αi脉冲和ADCi采样的时间点处消除了由B0变化引起的失相，致使测量信号独立于B0。另外，当不需要考虑失相效应时，信号的预先计算是简单的。在这种情况下，可以对单个自旋的行为进行建模，并且针对每个时间步长t1、t1b、t2、t2b等，自旋的演化可以通过时间常数T1和T2的简单函数来描述。
使用两个重聚焦脉冲308和309的效应是减小或最小化磁场中的任何不均匀性的效应。这可以减少最终磁共振指纹图中的信噪比，并且还使得更容易制作预先计算的磁共振指纹词典。如果没有这种补偿，可能需要在用于制作预先计算的磁共振指纹词典的计算中包括不均匀性的效应。
利用磁场梯度，图3中图示的脉冲序列300例如对于零维测量可以是有用的，其中，整个测量区或成像区具有立即全部采集的数据。例如，代替于磁共振成像系统，零维测量可用于NMR光谱仪。可以构造更复杂的脉冲序列，其包括用于执行空间编码的磁场梯度。
图4示出了脉冲序列400的另一范例。在该范例中，示出了三种不同的时间线。第一时间线402标注射频脉冲时间线。时间线404示出何时应用磁场梯度。被标注406的第三时间线示出何时实现测量结果310。在梯度时间线404上，标注有三种类型的框。标有A的框408，标有B的框410和标有C的框412。标有A的框408与射频脉冲306交叠。标有B的框与180°射频脉冲308、309交叠。标有C的框412与测量结果310交叠。框中的每个表示在其期间根据不同实施例的描述设置或变化磁场梯度的时间段。原则上，射频时间线402可以与大多数磁共振技术和k空间采样方案一起使用，从而使得能够使用各种磁共振模态或技术来应用磁共振指纹技术。
例如，如果在梯度时间线404期间应用恒定的磁场梯度，则沿着应用磁场梯度的方向的平板中将存在空间编码。在另一范例中，可以仅在框C412期间应用读出梯度。例如，可以应用一维或三维读出梯度以获得一维或三维磁共振指纹。在另一个范例中，可以使用多切片编码。可以在射频脉冲306期间的时间段A 408期间应用切片选择梯度。还可以通过控制磁场梯度系统在第一180°射频脉冲180期间产生相位或切片选择来执行空间编码。然后可以在时间段C 412期间应用读出梯度。使用图4所示的范例，个体技术人员可以看出时间线402中图示的基础射频脉冲可以如何以在一般意义上应用于大多数磁共振成像采样技术。
可以将测量的MR信号(所有ADCi值的列表)与要在体积中预期的T1和T2的所有组合的预先计算的词典进行比较。通过求解上述针对T1和T2的不同组合描述的指纹序列的Bloch方程来创建该词典。
为了确定整个切片的组织组分，信号被表达为N个词典条目的(复合)线性组合，
其中s是信号向量，而dk是词典条目。系数ak≥0由重建算法确定。这是通过求解最小二乘问题来实现的：
对于ak≥0，最小化‖Da-s‖2
其中，D是以词典条目dk为列的词典矩阵，而a是描述个体潜在的组织成分/组织类型对检测信号的贡献的系数的向量。
每个词典条目被分配给特定组织类型。因此，系数ak根据每个成分所涉及的“自旋数”产生针对不同组织成分的相对丰度的估计值。
在另一步骤中，如果不同组织类型的自旋密度是已知的，则这些相对“自旋数”可以是组织成分的相对体积或相对质量的转换的估计。
在一些范例中，系统不产生空间分辨图像。通过以切片选择的方式应用图4所示的RF脉冲，来在z方向(或其它单个方向)上实现仅空间分辨率。然而，对于每个切片，组织类型的组分被确定并且可以被可视化为数字、条形图等。在多切片扫描的情况下，不同成分的丰度可以被显示为z位置的函数。
在其他范例中，系统可以以这种方式被编程：使得如果发现特定类型的组织(例如，可疑肿块、潜在的肿瘤)，则会提醒操作者。其也可以以这种方式被编程：使得其显示指定组织的总体积/相对丰度，例如特定种类的转移酶或脂肪分数。
在一个范例中，MRI系统不包含x或y梯度线圈。仅提供z梯度线圈。
在一个范例中，MRI系统完全不包含梯度线圈。静态z梯度由具有不对称绕组的专用MR磁体提供。
在一个范例中，可以通过使用靠近身体表面放置的空间敏感的局部接收线圈来实现略高的空间分辨率，优选在平面内。
在一个范例中，执行多次测量，同时患者桌台自动逐步移动。以这种方式，身体的大部分或整个身体可以被扫描。
在另一个范例中，使用移动桌台技术，患者被移动通过敏感接收阵列(“洗车方法”)，以改进空间分辨率和SNR，并降低过多接收器的成本。
在一个范例中，使用已知物质的已知体积的量规测量被执行一次以确定将物质的体积/质量与通过测量确定的相对体积/质量的值链接的比例的因子。以这种方式，所有随后测量的相对体积/质量可以被转换为绝对组织体积/质量。
尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但这样的说明和描述被认为是说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于公开的实施例。
本领域技术人员通过研究附图、说明书和权利要求书，在实践要求保护的本发明时能够理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，量词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以满足权利要求中记载的若干项目的功能。在互不相同的从属权利要求中记载特定元件并不指示不能有利地使用这些元件的组合。计算机程序可以存储和/或分布在适当的介质上，所述介质例如是与其他硬件一起供应或作为其他硬件一部分供应的光学存储介质或固态介质，但计算机程序也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线的远程通信系统。权利要求书中的任何附图标记都不得被解释为对范围的限制。
Claims (14)
1.一种用于从测量区(108)内的对象(118)采集磁共振数据的磁共振系统(100)，其中，所述磁共振系统包括：
-存储器(134、136)，其用于存储机器可执行指令(150、152、154)和脉冲序列指令(140)，其中，所述脉冲序列指令令所述磁共振系统根据磁共振指纹技术来采集所述磁共振数据(142)，其中，所述脉冲序列指令包括一连串脉冲序列重复(302、304)，其中，每个脉冲序列重复具有从重复时间的分布选择的重复时间，其中，每个脉冲序列重复包括从射频脉冲的分布选择的射频脉冲(306)，其中，所述射频脉冲的分布使得磁自旋旋转到翻转角的分布，并且其中，每个脉冲序列重复包括其中磁共振信号在所述脉冲序列重复的结束之前的采样时间处针对预定持续时间被采样的采样事件(310)，其中，所述采样时间是从采样时间的分布选择的，其中，所述磁共振数据是在所述采样事件期间采集的，其中，所述脉冲序列指令的每个脉冲序列重复包括在所述射频脉冲与所述采样事件之间的第一时间中点处执行的第一180度RF脉冲(308)，以将所述磁共振信号重聚焦，并且其中，所述脉冲序列指令的每个脉冲序列重复包括在所述采样事件与接下来的脉冲重复的开始之间的第二时间中点处执行的第二180度RF脉冲(309)；
-处理器，其用于控制所述磁共振系统，其中，对所述机器可执行指令的运行令所述处理器执行以下操作：
·通过利用脉冲序列指令控制所述磁共振系统来采集(200)所述磁共振数据；并且
·通过将所述磁共振数据与磁共振指纹词典(144)进行比较来计算(202)预定物质的集合中的每个预定物质的丰度，其中，所述磁共振指纹词典包含响应于针对预定物质的集合的所述脉冲序列指令的运行而计算的磁共振信号的列表。
2.根据权利要求1所述的磁共振系统，其中，所述磁共振系统是磁共振成像系统，其中，所述测量区是成像区，其中，所述磁共振系统还包括：
-磁体(104)，其用于生成所述测量区内的主磁场；
-磁场梯度系统(110、112)，其用于生成所述测量区内的梯度磁场以对所述磁共振数据进行空间编码；并且其中，所述脉冲序列指令还包括用于控制所述磁场梯度系统以在对所述磁共振数据的采集期间执行对所述磁共振数据的空间编码的指令，其中，所述空间编码将所述磁共振数据划分成离散体素。
3.根据权利要求2所述的磁共振系统，其中，对所述机器可执行指令的运行还令所述处理器通过利用针对所述离散体素中的每个的Bloch方程将所述预定物质中的每个建模为单个自旋来计算所述磁共振指纹词典。
4.根据权利要求2或3所述的磁共振系统，其中，所述空间编码是一维的，其中，所述离散体素是离散切片的集合，其中，所述方法还包括将所述磁共振数据划分成切片的集合的步骤，其中，通过将针对所述切片的集合中的每个切片的所述磁共振数据与所述磁共振指纹词典进行比较来在所述切片的集合中的每个切片内计算预定物质的集合中的每个物质的所述丰度。
5.根据权利要求4所述的磁共振系统，其中，通过在对所述脉冲序列的所述运行期间控制所述磁场梯度系统在预定方向上产生恒定的磁场梯度来执行所述空间编码。
6.根据权利要求4所述的磁共振系统，其中，通过控制所述磁场梯度系统至少部分地在所述采样事件期间产生一维读出梯度(412)来执行所述空间编码。
7.根据权利要求2或3所述的磁共振系统，其中，所述空间编码是三维的，其中，通过控制所述磁场梯度系统至少部分地在所述采样事件期间产生三维读出梯度(412)来执行所述空间编码。
8.根据权利要求2或3所述的磁共振系统，其中，所述空间编码被执行为多切片编码，其中，通过控制所述磁场梯度系统在所述射频脉冲期间产生切片选择梯度(408)来执行所述空间编码，其中，还通过控制所述磁场梯度系统在所述第一180度RF脉冲期间产生相位选择梯度(410)或切片选择梯度(410)来执行所述空间编码，并且其中，通过控制所述磁场梯度系统在所述采样事件期间产生读出梯度来执行所述空间编码。
9.根据权利要求2或3所述的磁共振系统，其中，所述空间编码被执行为非笛卡尔空间编码，其中，通过控制所述磁场梯度系统在以非笛卡尔顺序对k-空间进行采样的所述采样事件期间产生读出梯度来执行所述空间编码。
10.根据权利要求1所述的磁共振系统，其中，所述磁共振系统是NMR光谱仪，其中，对所述机器可执行指令的所述运行还令所述处理器通过利用针对离散体素中的每个的Bloch方程将所述预定物质中的每个建模为单个自旋来计算所述磁共振指纹词典。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的磁共振系统，其中，通过将针对所述离散体素中的每个的所述磁共振数据与预先计算的磁共振指纹词典进行比较来计算所述离散体素中的每个内的预定组织类型中的每个的丰度是通过以下操作执行的：
-将所述磁共振数据的每个磁共振信号表达为来自所述预定物质的集合中的每个预定物质的信号的线性组合，并且
-通过使用最小化技术求解所述线性组合来确定所述预定物质的集合中的每个预定物质的所述丰度。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的磁共振系统，其中，对所述指令的运行还令所述处理器重复对至少一个校准体模的所述磁共振数据的测量，其中，所述至少一个校准体模包括所述预定物质的集合中的至少一个预定物质的已知体积。
13.一种存储机器可执行指令(150、152、154)和脉冲序列指令(140)的计算机程序产品，所述机器可执行指令和所述脉冲序列指令用于由处理器(130)运行以控制用于从测量区(108)内的对象(118)采集磁共振数据(142)的磁共振系统(100)，其中，所述脉冲序列指令令所述磁共振系统根据磁共振指纹技术来采集所述磁共振数据(142)，其中，所述脉冲序列指令包括一连串脉冲序列重复(302、304)，其中，每个脉冲序列重复具有从重复时间的分布选择的重复时间，其中，每个脉冲序列重复包括从射频脉冲的分布选择的射频脉冲(306)，其中，所述射频脉冲的分布使得磁自旋旋转到翻转角的分布，并且其中，每个脉冲序列重复包括其中磁共振信号在所述脉冲序列重复的结束之前的采样时间处针对预定持续时间被采样的采样事件(310)，其中，所述采样时间是从采样时间的分布选择的，其中，所述磁共振数据是在所述采样事件期间采集的，其中，所述脉冲序列指令的每个脉冲序列重复包括在所述射频脉冲与所述采样事件之间的第一时间中点处执行的第一180度RF脉冲(308)，以将所述磁共振信号重聚焦，并且其中，所述脉冲序列指令的每个脉冲序列重复包括在所述采样事件与接下来的脉冲重复的开始之间的第二时间中点处执行的第二180度RF脉冲(309)，其中，对所述机器可执行指令的运行令所述处理器：
·通过利用脉冲序列指令控制所述磁共振系统来采集(200)所述磁共振数据；并且
·通过将所述磁共振数据与磁共振指纹词典(144)进行比较来计算(202)预定物质的集合中的每个预定物质的丰度，其中，所述磁共振指纹词典包含响应于针对预定物质的集合的所述脉冲序列指令的运行而计算的磁共振信号的列表。
14.一种操作用于从测量区(108)内的对象(118)采集磁共振数据(142)的磁共振系统(100)的方法，其中，所述磁共振系统包括：
-存储器(134、136)，其用于存储脉冲序列指令，其中，所述脉冲序列指令令所述磁共振系统根据磁共振指纹技术来采集所述磁共振数据，其中，所述脉冲序列指令包括一连串脉冲序列重复(302、304)，其中，每个脉冲序列重复具有从重复时间的分布选择的重复时间，其中，每个脉冲序列重复包括从射频脉冲的分布选择的射频脉冲(306)，其中，所述射频脉冲的分布使得磁自旋旋转到翻转角的分布，并且其中，每个脉冲序列重复包括其中所述磁共振信号在所述脉冲序列重复的结束之前的采样时间处针对预定持续时间被采样的采样事件，其中，所述采样时间是从采样时间的分布选择的，其中，所述磁共振数据是在所述采样事件期间采集的，其中，所述脉冲序列指令的每个脉冲序列重复包括在所述射频脉冲与所述采样事件之间的第一时间中点处执行的第一180度RF脉冲(308)，以将所述磁共振信号重聚焦，并且其中，所述脉冲序列指令的每个脉冲序列重复包括在所述采样事件与接下来的脉冲重复的开始之间的第二时间中点处执行的第二180度RF脉冲(309)；
其中，所述方法包括以下步骤：
·通过利用脉冲序列指令控制所述磁共振系统来采集(200)所述磁共振数据；并且
·通过将所述磁共振数据与磁共振指纹词典(144)进行比较来计算(202)预定物质的集合中的每个预定物质的丰度，其中，所述磁共振指纹词典包含响应于预定物质的集合的所述脉冲序列指令的运行而计算的磁共振信号的列表。
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