CN109521383B - 一种基于频率稳定模块的磁共振cest成像序列及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于频率稳定模块的磁共振CEST成像序列及装置。包括以下步骤：首先，在频率稳定模块中，小翻转角射频脉冲激发目标层面，采集三行非相位编码k空间数据。其次，通过计算第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，得到主磁场频率漂移的精估值；再通过计算第二、三行相位差与一、二行相位差之差得到主磁场频率漂移的粗估值。然后，通过比较粗估值与精估值之差与阈值的大小，确定主磁场频率漂移的值。再根据主磁场频率漂移的计算结果调整射频脉冲中心频率，实现主磁场频率漂移的实时校正。最后，再进行常规磁共振CEST成像。本发明实现了磁共振CEST成像时主磁场频率漂移实时校正，并保证脂肪信号的有效抑制，进而提高磁共振CEST成像性能。

Description

一种基于频率稳定模块的磁共振CEST成像序列及装置
技术领域
本申请涉及磁共振技术领域，尤其涉及磁共振CEST成像频率漂移校正领域。
背景技术
磁共振CEST(Chemical Exchange Saturation Transfer)成像是一种重要的分子磁共振成像技术，可以检测到活体中内源性细胞质中游离的蛋白质和多肽。磁共振CEST成像也因可获取胶质瘤中过度表达的蛋白质和多肽信息而被用来做肿瘤检测以及肿瘤分级。然而，磁共振CEST成像对主磁场频率漂移非常敏感，如果不对主磁场频率漂移进行校正，会极大地影响磁共振CEST成像性能。基于主磁场频率漂移对磁共振CEST成像性能的干扰，一些研究者提出在数据后处理中实现主磁场频率漂移校正的方法，尽管数据后处理方法能够很好地实现主磁场频率校正但是却无法保证有效地抑制脂肪信号，造成CEST图像中过高的脂肪信号容易覆盖正常组织信号。而基于频率稳定模块的磁共振CEST成像序列不仅可以实时校正主磁场频率漂移，还可以有效地抑制脂肪信号，从而提高磁共振CEST成像性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于频率稳定模块的磁共振CEST成像序列，实现实时校正主磁场频率漂移，保证有效抑制脂肪信号，提高磁共振CEST成像性能。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于频率稳定模块的磁共振CEST成像序列，它包括以下步骤：
步骤一：在频率稳定模块中，以小于90°的翻转角射频脉冲激发目标层面，分别在t1,t2,t3三个不同时刻采集三行非相位编码k空间数据；其中t2-t1<t3-t2<2(t2-t1)；
步骤二：通过计算第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，得到主磁场频率漂移的精估值；
步骤三：通过计算第二、三行非相位编码k空间数据行间相位差与第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差之差，得到主磁场频率漂移的粗估值；
步骤四：比较粗估值与精估值之差与阈值的大小，若粗估值与精估值之差小于阈值，则选取精估值为主磁场频率漂移的值；否则，则选取粗估值为主磁场频率漂移的值；
步骤五：根据主磁场频率漂移值，调整射频脉冲中心频率后，再根据调整后的射频脉冲中心频率进行磁共振CEST成像。
本发明进一步的改进在于，所述步骤二中精估值的计算按照如下方法：
先对第一、二行非相位编码k空间数据行间单个数据采样点相位差进行平均，得到第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，再根据相位与频率的关系，计算主磁场频率漂移的精估值Δffine，计算过程基于以下公式：
其中ΔTE2-1为t1、t2时刻时间间隔；为第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，计算公式为：
其中为第一、二行非相位编码k空间数据行间的第i个数据采样点相位差，n为每行非相位编码空间数据采样点数。
本发明进一步的改进在于，所述步骤三中粗估值的计算按照如下方法：
计算第二、三行非相位编码空间数据行间相位差与第一、二行非相位编码空间数据行间相位差之差，得到主磁场频率漂移的粗估值Δfcoarse，计算过程基于以下公式：
其中τ为t2、t3时刻间的空白时间间隔(blank interval，即频率稳定模块中t2与t3时刻间未施加频率编码梯度的时间间隔)，τ＝(t3-t2)-(t2-t1)；为第二、三行非相位编码k空间数据行间相位差，计算公式为：
其中为第二、三行非相位编码k空间数据行间的第i个数据采样点相位差。
本发明进一步的改进在于，所述步骤四中主磁场频率漂移的值的确定按照如下方法：
若(Δfcoarse-Δffine)＜fthreshold，则选取精估值为主磁场频率漂移的值；否则，选取粗估值为主磁场频率漂移的值；其中阈值
本发明进一步的改进在于，所述步骤一中翻转角优选小于10°。
本发明的另一目的在于提供一种与上述成像序列对应的基于频率稳定模块的磁共振CEST成像装置，它包括频率稳定模块和CEST成像模块；
所述的频率稳定模块用于执行步骤一～步骤五；
步骤一：在频率稳定模块中，以小于90°的翻转角射频脉冲激发目标层面，分别在t1,t2,t3三个不同时刻采集三行非相位编码k空间数据；其中t2-t1<t3-t2<2(t2-t1)；
步骤二：通过计算第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，得到主磁场频率漂移的精估值；
步骤三：通过计算第二、三行非相位编码k空间数据行间相位差与第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差之差，得到主磁场频率漂移的粗估值；
步骤四：比较粗估值与精估值之差与阈值的大小，若粗估值与精估值之差小于阈值，则选取精估值为主磁场频率漂移的值；否则，则选取粗估值为主磁场频率漂移的值；
步骤五：根据主磁场频率漂移值，调整射频脉冲中心频率后，再利用CEST成像模块根据调整后的射频脉冲中心频率进行磁共振CEST成像。
本发明中，步骤五的磁共振CEST成像可采用常规的磁共振CEST成像。一般而言，常规磁共振CEST成像序列包括CEST饱和、频谱预饱和反转恢复压脂、快速自旋回波采集三个模块。
本发明针对上述装置进一步的改进在于，所述频率稳定模块中，步骤二中精估值的计算按照如下方法：
先对第一、二行非相位编码k空间数据行间单个数据采样点相位差进行平均，得到第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，再根据相位与频率的关系，计算主磁场频率漂移的精估值Δffine，计算过程基于以下公式：
其中ΔTE2-1为t1、t2时刻时间间隔；为第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，计算公式为：
其中为第一、二行非相位编码k空间数据行间的第i个数据采样点相位差，n为每行非相位编码空间数据采样点数。
本发明针对上述装置进一步的改进在于，所述频率稳定模块中，步骤三中粗估值的计算按照如下方法：
计算第二、三行非相位编码空间数据行间相位差与第一、二行非相位编码空间数据行间相位差之差，得到主磁场频率漂移的粗估值Δfcoarse，计算过程基于以下公式：
其中τ为t2、t3时刻间的空白时间间隔，τ＝(t3-t2)-(t2-t1)；为第二、三行非相位编码k空间数据行间相位差，计算公式为：
其中为第二、三行非相位编码k空间数据行间的第i个数据采样点相位差。
本发明针对上述装置进一步的改进在于，所述频率稳定模块中，步骤四中主磁场频率漂移的值的确定按照如下方法：
若(Δfcoarse-Δffine)＜fthreshold，则选取精估值为主磁场频率漂移的值；否则，选取粗估值为主磁场频率漂移的值；其中阈值
本发明针对上述装置进一步的改进在于，所述频率稳定模块中，步骤一中翻转角优选小于10°。
相对于现有技术，本发明具有以下良好效果：本发明通过在频率稳定模块中采集三行非相位编码k空间数据，并计算非相位编码k空间数据行间相位差，利用相位与频率的关系，得到主磁场频率漂移粗估值与精估值，通过把主磁场频率漂移粗估值与精估值之差与阈值作比较，以除去相位2π周期性效应，得到准确主磁场频率漂移值。根据主磁场频率漂移的计算结果，再调整射频脉冲的中心频率，既能保证有效抑制脂肪信号，又能实现主磁场频率漂移实时校正，从而提高磁共振CEST成像性能，为后续对CEST信号的量化分析的精度提供了可靠性，这也使得本发明具有非常重要的临床应用价值。
附图说明
图1是基于频率稳定模块的磁共振CEST成像序列框图。
图2是分别用基于频率稳定模块的磁共振CEST成像序列与未施加频率稳定模块的常规磁共振CEST成像序列扫描水模实验的CEST图像对比。
图3是分别用基于频率稳定模块的磁共振CEST成像序列与未施加频率稳定模块的常规磁共振CEST成像序列扫描人类大脑实验的CEST图像对比。
图4是分别用基于频率稳定模块的磁共振CEST成像序列与未施加频率稳定模块的常规磁共振CEST成像序列扫描人类大脑实验的CEST图像上感兴趣区域的CEST均值对比。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明的一较佳实施例中提供一种基于频率稳定模块的磁共振CEST成像序列，该方法包括以下步骤：
步骤一：用小于90°的小翻转角(最好小于10°)射频脉冲激发目标层面，分别在t1,t2,t3时刻采集三行非相位编码k空间数据，t1,t2,t3时刻需满足：t2-t1<t3-t2<2(t2-t1)。其中t2、t3间的空白时间间隔为τ，τ＝(t3-t2)-(t2-t1)。
步骤二：先对第一、二行非相位编码k空间数据行间单个数据采样点相位差进行平均，得到第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，再根据相位与频率的关系，计算主磁场频率漂移的精估值，计算过程基于以下公式：
其中为第一、二行非相位编码k空间数据行间的第i个数据采样点相位差，n为每行非相位编码空间数据采样点数，为第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，ΔTE2-1为t1、t2时刻时间间隔，Δffine为主磁场频率漂移的精估值。
步骤三：计算第二、三行非相位编码空间数据行间相位差与第一、二行非相位编码空间数据行间相位差之差，得到主磁场频率漂移的粗估值，计算过程基于以下公式：
用(4)式减去(3)式并取差值可得：
其中为第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，ΔTE2-1为t1、t2时刻时间间隔，ΔTE3-2为t2、t3时刻时间间隔，τ为t2、t3时刻间的空白时间间隔，Δfcoarse为主磁场频率漂移粗估结果，为第二、三行非相位编码k空间数据行间相位差，其计算方式与类似：
其中为第二、三行非相位编码k空间数据行间的第i个数据采样点相位差。
步骤四：由于相位存在2π周期性，为了去除相位2π周期性效应，需比较主磁场频率漂移粗估值与精估值之差与阈值的大小，阈值为对主磁场频率漂移进行精估的值域的极大值。具体如下：
若(Δfcoarse-Δffine)＜fthreshold，则选取精估值为主磁场频率漂移的值，即Δf＝Δffine；否则，选取粗估值为主磁场频率漂移的值，即Δf＝Δfcoarse
阈值fthreshold计算过程如下：
其中Δffine为主磁场频率漂移的精估值，Δfcoarse为主磁场频率漂移粗估值，fthreshold为阈值，Δf为主磁场频率漂移值。
步骤五：根据所计算的主磁场频率漂移值，调整射频脉冲的中心频率，保证有效抑制脂肪信号，实现主磁场频率漂移的实时校正。
完成上述步骤一～步骤五后，即可根据调整后的射频脉冲中心频率进行磁共振CEST成像。此处的磁共振CEST成像可采用常规的磁共振CEST成像，由于非本发明重点，因此略作简单介绍。常规磁共振CEST成像序列包括CEST饱和、频谱预饱和反转恢复压脂、快速自旋回波采集三个模块：
(1)CEST饱和模块：该模块包含四个矩形饱和脉冲，每个饱和脉冲后面紧随一个损毁梯度；
(2)频谱预饱和反转恢复压脂模块：该模块包含一个翻转角大于90度的射频脉冲，射频脉冲之后跟随一个损毁梯度；
(3)快速自旋回波采集模块：该模块包含一个激发目标层面的射频脉冲，该射频脉冲之后跟随m个重聚焦射频脉冲；即在每个重复周期中采集m行k空间数据(m为加速因子)；在施加每个重聚焦射频脉冲的时候，同时进行层面选择梯度编码，再做相位梯度编码，最后做频率梯度编码，并且在频率梯度编码的同时进行k空间数据采集。
由此可见，本发明的基于频率稳定模块的磁共振CEST成像方法，通过采集三行非相位编码k空间数据，计算主磁场频率漂移，再根据主磁场频率漂移的值调整射频脉冲的中心频率，实现主磁场频率漂移的实时校正，从而提高磁共振CEST成像性能。
与上述成像序列对应的，还可以提供一种基于频率稳定模块的磁共振CEST成像装置，装置中包括频率稳定模块和CEST成像模块。其中频率稳定模块用于执行步骤一～步骤五，完成主磁场频率漂移实时校正并保证有效抑制脂肪信号。而CEST成像模块则负责根据调整后的射频脉冲中心频率进行常规的磁共振CEST成像。
本领域的技术人员应当知道，本发明中所涉及的各模块、功能可以通过电路、其他硬件或者可执行的程序代码来完成，只要能够实现相应功能即可。若采用代码，则代码可存储于存储装置中，并有计算装置中的相应元件执行。本发明的实现更不限制于任何特定的硬件和软件结合。本发明中的各硬件型号均可采用市售产品，可根据实际用户需求进行选择。当然，磁共振CEST成像序列及装置中，也需要配合必要的其他硬件或软件，此处不再赘述。
下面基于上述方法结合实施例展示其具体的技术效果，以便本领域技术人员更好地理解本发明的实质。
实施例：
将上述基于频率稳定模块的磁共振CEST成像序列分别在一个水模和26例被试大脑的磁共振CEST成像实验中进行了测试，并与未施加频率稳定模块的常规磁共振CEST成像序列分别在水模和被试大脑的磁共振CEST成像的实验结果进行了对比。具体的做法参见上述步骤一～步骤五，此处不再赘述，下面仅介绍此处的具体参数。在本实施例中，用翻转角为3度的射频脉冲激发目标层面，分别在t1＝2.54ms,t2＝5.12ms,t3＝8.33m时刻采集三行非相位编码k空间数据，其中t2、t3间的空白时间间隔τ＝0.64ms。每行非相位编码空间数据采样点数n＝128。fthreshold＝387.60Hz。
本实施例中，常规磁共振CEST成像序列的三个模块具体如下：
(1)CEST饱和模块：该模块包含四个矩形饱和脉冲，每个饱和脉冲持续时间为200ms，幅度为2μT；每个饱和脉冲后面紧随一个损毁梯度，损毁梯度的持续时间为10ms，强度为10mT/m；
(2)频谱预饱和反转恢复压脂模块：该模块包含一个翻转角为110度的射频脉冲，射频脉冲之后跟随一个损毁梯度；
(3)快速自旋回波采集模块：该模块包含一个翻转角为90度的射频脉冲，该90度射频脉冲之后跟随42个180度重聚焦射频脉冲；即在每个重复周期中采集42行k空间数据(加速因子为42)；在施加每个180度重聚焦射频脉冲的时候，同时进行层面选择梯度编码，再做相位梯度编码，最后做频率梯度编码，并且在频率梯度编码的同时进行k空间数据采集。
本实施例中的对比实验结果如附图2、附图3、附图4所示：
由附图2、附图3可以看到，无论是在水模还是在被试大脑磁共振CEST成像实验中，基于频率稳定模块的磁共振CEST成像序列的CEST图像质量很好；而未施加频率稳定模块的常规磁共振CEST成像序列的CEST图像上有很多由于主磁场频率漂移所造成的图像伪影，导致图像质量较差并且CEST图像强度变化剧烈，说明了本发明的有效性。
由附图4可以看到，基于频率稳定模块的磁共振CEST成像序列的CEST图像的感兴趣区域的CEST均值非常稳定，而未施加频率稳定模块的常规磁共振CEST成像序列扫描人类大脑实验的CEST图像的感兴趣区域的CEST均值起伏较大，这也进一步证明了本发明的有效性。
需要指出的是，以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于频率稳定模块的磁共振CEST成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在频率稳定模块中，以小于90°的翻转角射频脉冲激发目标层面，分别在t1,t2,t3三个不同时刻采集三行非相位编码k空间数据；其中t2-t1<t3-t2<2(t2-t1)；
步骤二：通过计算第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，得到主磁场频率漂移的精估值；精估值的计算按照如下方法：
先对第一、二行非相位编码k空间数据行间单个数据采样点相位差进行平均，得到第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，再根据相位与频率的关系，计算主磁场频率漂移的精估值Δffine，计算过程基于以下公式：
其中ΔTE2-1为t1、t2时刻时间间隔；为第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，计算公式为：
其中为第一、二行非相位编码k空间数据行间的第i个数据采样点相位差，n为每行非相位编码k空间数据采样点数；
步骤三：通过计算第二、三行非相位编码k空间数据行间相位差与第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差之差，得到主磁场频率漂移的粗估值；粗估值的计算按照如下方法：
计算第二、三行非相位编码k空间数据行间相位差与第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差之差，得到主磁场频率漂移的粗估值Δfcoarse，计算过程基于以下公式：
其中τ为t2、t3时刻间的空白时间间隔，τ＝(t3-t2)-(t2-t1)；为第二、三行非相位编码k空间数据行间相位差，计算公式为：
其中为第二、三行非相位编码k空间数据行间的第i个数据采样点相位差；
步骤四：比较粗估值与精估值之差与阈值的大小，若粗估值与精估值之差小于阈值，则选取精估值为主磁场频率漂移的值；否则，则选取粗估值为主磁场频率漂移的值；主磁场频率漂移的值的确定按照如下方法：
若(Δfcoarse-Δffine)＜fthreshold，则选取精估值为主磁场频率漂移的值；否则，选取粗估值为主磁场频率漂移的值；其中阈值
步骤五：根据主磁场频率漂移值，调整射频脉冲中心频率后，再根据调整后的射频脉冲中心频率进行磁共振CEST成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于频率稳定模块的磁共振CEST成像方法，其特征在于，所述步骤一中翻转角小于10°。
3.一种基于频率稳定模块的磁共振CEST成像装置，其特征在于，包括频率稳定模块和CEST成像模块；
所述的频率稳定模块用于执行步骤一～步骤五；
步骤一：在频率稳定模块中，以小于90°的翻转角射频脉冲激发目标层面，分别在t1,t2,t3三个不同时刻采集三行非相位编码k空间数据；其中t2-t1<t3-t2<2(t2-t1)；
步骤二：通过计算第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，得到主磁场频率漂移的精估值；精估值的计算按照如下方法：
先对第一、二行非相位编码k空间数据行间单个数据采样点相位差进行平均，得到第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，再根据相位与频率的关系，计算主磁场频率漂移的精估值Δffine，计算过程基于以下公式：
其中ΔTE2-1为t1、t2时刻时间间隔；为第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差，计算公式为：
其中为第一、二行非相位编码k空间数据行间的第i个数据采样点相位差，n为每行非相位编码k空间数据采样点数；
步骤三：通过计算第二、三行非相位编码k空间数据行间相位差与第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差之差，得到主磁场频率漂移的粗估值；粗估值的计算按照如下方法：
计算第二、三行非相位编码k空间数据行间相位差与第一、二行非相位编码k空间数据行间相位差之差，得到主磁场频率漂移的粗估值Δfcoarse，计算过程基于以下公式：
其中τ为t2、t3时刻间的空白时间间隔，τ＝(t3-t2)-(t2-t1)；为第二、三行非相位编码k空间数据行间相位差，计算公式为：
其中为第二、三行非相位编码k空间数据行间的第i个数据采样点相位差；
步骤四：比较粗估值与精估值之差与阈值的大小，若粗估值与精估值之差小于阈值，则选取精估值为主磁场频率漂移的值；否则，则选取粗估值为主磁场频率漂移的值；主磁场频率漂移的值的确定按照如下方法：
若(Δfcoarse-Δffine)＜fthreshold，则选取精估值为主磁场频率漂移的值；否则，选取粗估值为主磁场频率漂移的值；其中阈值
步骤五：根据主磁场频率漂移值，调整射频脉冲中心频率后，再利用CEST成像模块根据调整后的射频脉冲中心频率进行磁共振CEST成像。
4.根据权利要求3所述的基于频率稳定模块的磁共振CEST成像装置，其特征在于，所述频率稳定模块中，步骤一中翻转角小于10°。
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