CN108700638B - Mrs成像法中调节激励信号频带中心频率和接收带宽而抑制水信号且增强代谢物信号方法 - Google Patents

Mrs成像法中调节激励信号频带中心频率和接收带宽而抑制水信号且增强代谢物信号方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种在磁共振波谱(MRS)成像技术中通过调节激励信号频带的中心频率和接收带宽而抑制水信号且增强代谢物质信号的方法。根据水信号抑制及代谢物质信号增强方法的一实施例，应用调节为具有比水的共振频率小的中心频率的激励信号，并且将接收带宽的大小调节为与所述水的共振频率和所述中心频率之差相同。

Description

MRS成像法中调节激励信号频带中心频率和接收带宽而抑制 水信号且增强代谢物信号方法
技术领域
本发明涉及一种在MRS成像技术中通过调节激励信号频带的中心频率和接收带宽而抑制水信号且增强代谢物质信号的方法，更具体而言，涉及一种在MRS成像技术中在未应用额外的梯度磁场或者额外的RF信号(射频信号)的情况下通过仅调节激励信号(excitation signal)的中心频率和接收带宽来抑制水信号并增强代谢物质信号的方法。
背景技术
由于MRI成像技术基于水信号实现图像，因此所接收的水信号为非常重要的信息，但在为了分析活体内存在的水以外的其他感兴趣的物质而使用的MRS成像技术中，水信号作为化学特性信息而不仅没有价值而且降低真正需要的其他感兴趣的物质的信息的分辨率，因此需要最大限度地去除水信号，并且需要最大限度地增强物质信号。
为了去除水信号而通常使用的方法具有CHESS(chemical shift selectiveimaging sequence，化学位移选择成像序列)方法、WET(water suppression enhancedthrough T1 effects，通过T1效应增强的水抑制)方法或频谱抑制(spectral suppression)方法。
CHESS方法为利用RF脉冲来单方面抑制某一特定频率的信号的方法，由于所使用的RF脉冲只具有测量组织的特定频率，因此可通过RF脉冲只选择性地激励水而去除水信号。
WET方法为通过有效地去除现有的CHESS方法中的残余水信号而消除因残余水信号导致的水信号抑制的不完整性的方法。虽然WET方法与CHESS方法相比其关于水信号的抑制力超强，但由于需要施加三次RF，因此花费时间并产生SAR(specific absorption rate，比吸收率)问题。
频谱抑制方法为利用反转恢复(inversion recovery)效果的方法，虽然对水信号抑制有效，但由于需要在激励信号之后的两个180度RF之间施加RF，因此具有增加TE(echotime，回波时间)的缺点。
在应用前述的现有的水信号抑制方法的情况下，一般也将激励信号的中心频率设定为水的共振频率(4.7PPM)。因此，即使应用前述的水信号抑制方法来抑制水信号，也不仅因水信号的影响而不能享受自由，而且在感兴趣的物质的信号频率均为水的共振频率(4.7PPM)以下的情况下，具有一同接收超过水的共振频率的相当区域的信号的问题。
用于增强物质信号的方法通常具有修改MRS拍摄变量的方法和对获取数据进行后处理的方法。通过修改MRS拍摄变量而增强物质信号的方法增加拍摄重复次数或增加拍摄区域的单位大小，但该方法具有增加各个拍摄时间及减弱获取数据的空间分辨率的缺点。利用数据后处理来增强物质信号的方法具有使用切趾(apodization)滤波器的方法，但该方法具有减弱获取数据的频率分辨率的缺点。
(专利文献)：国际专利公开WO2013-155209A1(2013年10月17日)
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种在MRS成像技术中在未应用额外的梯度磁场或者额外的RF信号的情况下通过仅调节激励信号的中心频率和接收带宽来抑制水信号并增强代谢物质信号的方法。
技术方案
为了实现上述目的，本发明提供一种水信号抑制及代谢物质增强方法，所述方法为在磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy，MRS)成像技术中通过调节激励信号频带的中心频率和接收带宽而抑制水信号且增强代谢物质信号的方法，其中，在应用调节为具有比水的共振频率小的中心频率的激励信号的同时，将接收带宽的大小调节为与所述水的共振频率和所述中心频率之差相同。
所述激励信号的中心频率小于4.7PPM，所述接收带宽与所述水的共振频率和所述中心频率之差相同。
所述MRS成像技术可应用于分析具有比所述水的共振频率小的信号频率的感兴趣的物质。
所述水信号抑制及代谢物质信号增强方法可应用到1H MRS中。
可以应用所述MRS成像技术来分析由以下八种感兴趣的物质的组合构成的物质组中的任一物质组内的感兴趣的物质：
-天门冬氨酸(NAA：N-乙酰-L-天门冬氨酸(N-Acetyle-L-aspartate)：天门冬氨酸(aspartic acid)：C6H9NO5)
-氯化胆碱(Cho：choline chloride：C5H14ClNO)
-氢氧化肌酸(Cr：creatine hydroxide：C4H9N3O2)
-谷氨酸(Glu：L-谷氨酸盐(L-glutamate)：glutaimc acid：C5H10NNaO5)
-肌肉肌醇(mI：myo-inositol：C6H12O6)
-DL-乳酸(Lac:DL-lactate:C3H6O3)
-γ-氨基丁酸(GABA：gamma-amino butyric acid：C4H9NO2)
-谷氨酰胺(Gln：glutamine：C5H10N2O3)。
为了实现上述目的，本发明还提供一种水信号抑制及代谢物质信号增强方法，所述方法为在MRS成像技术中通过调节激励信号频带的中心频率和接收带宽而抑制水信号且增强代谢物质信号的方法，
其中，应用调节为具有小于4.7PPM的中心频率的激励信号，并且应用调节为与所述水的共振频率和所述中心频率之差相同的大小的接收带宽。
为了实现上述目的，本发明还提供一种水信号抑制及代谢物质信号增强方法，所述方法为在MRS成像技术中通过调节激励信号频带的中心频率和接收带宽而抑制水信号且增强代谢物质信号的方法，
其中，应用调节为具有比水的共振频率小的中心频率的激励信号，并且应用调节为与所述水的共振频率和所述中心频率之差相同的大小的接收带宽。
有益效果
根据本发明，能够至少获得以下效果。
1、由于在本发明的水信号抑制及代谢物质信号增强方法中无需施加额外的梯度磁场或额外的RF，因此也能够利用以往使用的MRS序列来容易且简便地执行MRS程序，由此能够完全消除作为关于活体的能量吸收量的评价指标的SAR(Speccific AbsorptionRate，比吸收率)值变差(提高)的问题，并且能够消除因水信号抑制而导致扫描时间(TR)乃至回波时间(TE)增加的问题。
2、由于在本发明的水信号抑制及代谢物质信号增强方法中不具有现有的数据后处理或拍摄重复步骤，因此在不会增加拍摄时间或不会减弱获取数据的频率分辨率的情况下能够增强代谢物质信号。
附图说明
图1和表1是用于比较现有技术和本发明的图，图1的(a)表示现有技术所涉及的激励信号及接收带宽，图1的(b)及图1的(c)表示本发明所涉及的激励信号及接收带宽。图1的(b)是仅修改激励信号频率值的方法，图1的(c)是一同修改激励信号频率值和接收带宽的方法，在表1中示出关于各个方法所能够实施的示例性变量值。
图2是用于比较现有技术和本发明的图，图2的(a)表示同时应用作为水信号抑制方法的以往的WET和频谱抑制(spectrum supression)的现有技术所涉及的MRS分析结果的例，图2的(b)及图2的(c)分别表示应用本发明的各个图1的(b)及图1的(c)所涉及的水信号抑制及代谢物质信号增强方法的MRS分析结果的例(左侧图片：总体频谱数据；右侧图片：感兴趣的频谱区域数据)。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明进行更具体说明。
在磁场环境下特定物质的共振频率与磁场强度成正比，并且与基准物质的回旋磁常数成正比。在氢原子核MRS的情况下，基准物质为TMS(Tetramethylsilane，四甲基硅烷)，可以用Hz或PPM(part per million，百万分率)表示TMS与特定感兴趣的物质间的共振频率差。
在使用非Hz的PPM单位的情况下，即使在氢原子核MRS中主磁场变化为1T、1.5T、3T、7T，与此无关地TMS的PPM单位共振频率也总是0PPM，水的PPM单位共振频率总是4.7PPM。因此，在使用PPM单位的情况下，与主磁场的强度无关地氢的共振频率和水的共振频率之差总是4.7PPM。
另外，在主磁场为1T、1.5T、3T、7T时，TMS和水的MHz单位共振频率如下所述。
在主磁场为1T的情况下，TMS的共振频率为约42.6MHz，水的共振频率为比TMS的共振频率小约42.6×4.7＝200Hz的值。
在主磁场为1.5T的情况下，TMS的共振频率为约42.6×1.5＝64MHz，水的共振频率为比TMS的共振频率小约42.6×4.7×1.5＝300Hz的值。
在主磁场为3T的情况下，TMS的共振频率为约42.6×3＝128MHz，水的共振频率为比TMS的共振频率小约42.6×4.7×3＝600Hz的值。
在主磁场为7T的情况下，TMS的共振频率为约42.6×7＝300MHz，水的共振频率为比TMS的共振频率小约42.6×4.7×7＝约1400Hz的值。
本发明涉及一种在MRS成像技术中在未应用额外的梯度磁场或者额外的RF信号的情况下通过仅调节激励信号的中心频率和接收带宽来抑制水信号并增强代谢物质信号的方法。
图1是用于比较现有技术和本发明的图，图1的(a)表示现有技术所涉及的激励信号及接收带宽，图1的(b)及图1的(c)表示本发明所涉及的激励信号及接收带宽。
如图1的(a)所示，针对应用到现有技术所涉及的MRS成像技术中的激励信号频带(excitation signal band)，通常，其中心频率为相当于水的共振频率的4.7PPM，其带宽(bandwidth)约超过9.0PPM。
根据这种现有技术，由于在激励信号频带中包含水的共振频率(4.7PPM)，因此作为化学特性信息没有价值的水信号也包含在接收频带中。
因此，为了去除水信号，现有技术应用如CHESS方法、WET方法或频谱抑制方法等的水信号抑制方法。
但是，根据现有的水信号抑制方法，由于需要具有额外的梯度磁场或额外的RF信号等，因此只能过程复杂且消耗时间，根本上不会切断水分子的激励自身，因此在完全排除水信号的影响方面存在局限，除感兴趣的物质的信号带以外也一同接收相当宽的不必要的信号带，从而具有SNR(信噪比)方面的不利。
在应用本发明所涉及的水信号抑制及代谢物质信号增强方法的MRS成像技术中，应用调节成具有比水的共振频率小的中心频率的激励信号(设定条件1)。
由于水的共振频率为4.7PPM，因此在本发明中应用具有小于4.7PPM的中心频率的激励信号。例如，如图1的(a)所示，可应用中心频率为0.7PPM的激励信号。无需将本发明中应用的激励信号的中心频率限定为0.7PPM，可根据通过MRS技术分析的感兴趣的物质的种类来变更激励信号的中心频率。但是，如前述，激励信号的中心频率被设定为比水的共振频率(4.7PPM)小的值。
进一步，在应用本发明所涉及的水信号抑制及代谢物质信号增强方法的MRS成像技术中，应用调节为与水的共振频率和已设定的激励信号的中心频率之差相同的接收带宽(设定条件2)。
例如，如图1的(c)所示，在已设定的激励信号的中心频率被设定为0.7PPM的情况下，以与水的共振频率(4.7PPM)和该激励信号的中心频率(0.7PPM)之差(4.0PPM)相同的方式调节接收带宽。此时，由于水的共振频率(4.7PPM)和该激励信号的中心频率(0.7PPM)之差为4.0PPM，因此接收带宽被设定为作为与其相同的值的4.0PPM。
根据(设定条件1)下的中心频率值来抑制或去除水信号并增强代谢物质信号。通过在水信号带中将激励信号的中心频率作为代谢物质信号带来应用，从而激励信号所发挥作用的频带也发生移动。由此，缩减水信号的大小，与此相反地增强代谢物质信号的大小。特定代谢物质信号的大小通过激励信号的中心频率和特定代谢物质的共振频率之差来确定，该差越小则信号的大小越大。
在均满足(设定条件1)和(设定条件2)这两个条件的情况下，完全去除水信号，并且根据激励信号的中心频率值来增强代谢物质信号。但是，在设定条件2的情况下，在接收频带范围内产生局限。
在MRS波谱中，在包含该水信号的共振频率(4.7PPM)的频带范围内以高斯(Gaussian)或洛伦兹(Lorentzian)形式接收实际水信号。在这种接收频带中，有可能带来实际水信号的实际影响的范围以共振频率(4.7PPM)为基准在前后0.5PPM范围内，其总体范围为1PPM。
如果考虑该范围，则在本发明中为了能够完全排除水信号的影响，也可以利用比前述的设定条件1更强烈的条件来设定接收带宽。即，可通过将比0.7PPM更小的值用作激励信号的中心频率来进一步抑制水信号。
如图1的(c)所示，根据本发明，调节为激励信号的中心频率满足上述设定条件1并且调节为接收带宽满足上述设定条件2，其结果激励信号可被调节为以根本上去除水信号的状态具有0PPM与作为水的共振频率的4.7PPM之间的范围内的频带。
根据这种本发明的水信号抑制及代谢物质信号增强方法，在对分析对象物施加激励信号的过程中，通过切断水分子的激励自身而实现，因此实际上能够完全排除水信号的影响，与现有技术不同，不需要施加额外的梯度磁场或额外的RF信号等，因此过程简单，并且也能够缩短该过程所消耗时间。
应用本发明所涉及的水抑制及代谢物质信号增强方法的MRS成像技术能够有效地应用到具有比水的共振频率小的信号频率的感兴趣的物质的分析中。
[表1]
Figure BDA0001762932270000071
Figure BDA0001762932270000081
作为例，本发明所涉及的水抑制及代谢物质信号增强方法可应用到1H MRS成像技术中。1H MRS成像技术为用于分析水以外具有质子(proton)的物质的MRS成像技术。
作为具体例，应用本发明所涉及的水抑制及代谢物质信号增强方法的MRS成像技术可以应用由以下所列举的八种感兴趣的物质的组合所构成的物质组中的任一物质组以用于分析。
-天门冬氨酸(NAA：N-乙酰-L-天门冬氨酸(N-Acetyle-L-aspartate)：天门冬氨酸(aspartic acid)：C6H9NO5)
-氯化胆碱(Cho：choline chloride：C5H14ClNO)
-氢氧化肌酸(Cr：creatine hydroxide：C4H9N3O2)
-谷氨酸(Glu：L-谷氨酸盐(L-glutamate)：glutaimc acid：C5H10NNaO5)
-肌肉肌醇(mI：myo-inositol：C6H12O6)
-DL-乳酸(Lac:DL-lactate:C3H6O3)
-γ-氨基丁酸(GABA：gamma-amino butyric acid：C4H9NO2)
-谷氨酰胺(Gln：glutamine：C5H10N2O3)。
上述八种物质共有一个以上的质子，并且为具有属于0PPM与4.7PPM之间的范围的信号频率的物质。在对这种感兴趣的物质应用MRS成像技术的情况下，为了该物质的激励，不需要4.7PPM以上的激励信号频带，因此能够有效地应用本发明所涉及的水抑制及代谢物质信号增强方法。
图2是用于比较现有技术和本发明的图，图2的(a)表示同时应用作为水信号抑制方法的以往的WET和频谱抑制的现有技术所涉及的MRS分析结果的例，图2的(b)及图2的(c)表示应用本发明所涉及的水信号抑制及代谢物质信号增强方法的MRS分析结果的例。
对于图2的(a)的现有技术而言，作为MRS参数，将激励信号的中央频率设定为4.7PPM且将接收带宽设定为约7.0PPM，与此相反地，对于图2的(b)而言，作为MRS参数，将激励信号的中央频率设定为0.7PPM，对于图2的(c)而言，将激励信号的中央频率设定为0.7PPM的同时，将接收带宽设定为4.0PPM。
查看图2的(a)，可确认虽然作为水抑制方法同时应用现有的WET和频谱抑制来消除与水的共振频率(4.7PPM)相邻的频带中的相当一部分噪声，但关于远离水的共振频率的感兴趣的物质(例如，Lac，NAA)的接收灵敏度相对降低。
查看图2的(b)，可确认应用本发明所涉及的水抑制方法的结果消除与水的共振频率(4.7PPM)相邻的频带中的噪声，并且与现有技术相比大幅提高关于作为共振频率为0.7PPM的频带的感兴趣的物质(例如，Lac，NAA)的接收灵敏度。参照图2的(c)，可确认增强感兴趣的物质信号的同时完全去除水信号。

Claims (5)

1.一种水信号抑制及代谢物质信号增强方法，所述方法为在磁共振波谱MRS成像技术中通过调节激励信号频带的中心频率和接收带宽而抑制水信号且增强代谢物质信号的方法，其中，应用调节为具有比水的共振频率小的中心频率的激励信号，并且应用调节为与所述水的共振频率和所述中心频率之差相同的大小的接收带宽。
2.根据权利要求1所述的水信号抑制及代谢物质信号增强方法，其中，
所述激励信号的中心频率为特定感兴趣的代谢物质的共振频率。
3.根据权利要求1所述的水信号抑制及代谢物质信号增强方法，其中，
所述MRS成像技术被应用于分析具有比所述水的共振频率小的信号频率的感兴趣的物质。
4.根据权利要求1所述的水信号抑制及代谢物质信号增强方法，其中，
所述水信号抑制及代谢物质信号增强方法被应用到1H MRS中。
5.根据权利要求1所述的水信号抑制及代谢物质信号增强方法，其中，
应用所述MRS成像技术来分析由以下八种感兴趣的物质的组合构成的物质组中的任一物质组内的感兴趣的物质：
-天门冬氨酸（NAA：N-Acetyle-L-aspartate：aspartic acid：C6H9NO5）
-氯化胆碱（Cho：choline chloride：C5H14ClNO）
-氢氧化肌酸（Cr：creatine hydroxide：C4H9N3O2）
-谷氨酸（Glu：L-glutamate：glutaimc acid：C5H10NNaO5）
-肌肉肌醇（mI：myo-inositol：C6H12O6）
-DL-乳酸（Lac : DL-lactate : C3H6O3）
-γ-氨基丁酸（GABA：gamma-amino butyric acid：C4H9NO2）
-谷氨酰胺（Gln：glutamine：C5H10N2O3）。
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