CN111722167B - 化学交换饱和转移-磁共振成像cest-mri序列生成方法、装置及可读存储介质 - Google Patents

化学交换饱和转移-磁共振成像cest-mri序列生成方法、装置及可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供化学交换饱和转移‑磁共振成像CEST‑MRI序列生成方法、装置及可读存储介质。方法包括：CEST‑MRI扫描过程开始，MRI设备生成CEST预饱和脉冲并发射出去；CEST预饱和脉冲发射完毕，MRI设备生成脂肪压制脉冲并发射出去；脂肪压制脉冲发射完毕，MRI设备生成一个激励脉冲并发射出去；激励脉冲发射完毕，MRI设备生成多个非层面选择性重聚焦方波脉冲并发射出去。本发明提高了CEST‑MRI成像的空间覆盖率和MR信号采集速度。

Description

化学交换饱和转移-磁共振成像CEST-MRI序列生成方法、装置 及可读存储介质
技术领域
本发明涉及MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)技术领域，特别涉及CEST(Chemical Exchange Saturation Transfer，化学交换饱和转移)-MRI序列生成方法、装置及可读存储介质。
背景技术
MRI是指通过对静磁场中的人体施加某种特定频率的射频(Radio Frequency，RF)脉冲，使人体中的氢质子受到激励而发生磁共振现象，停止脉冲后，质子在弛豫过程中产生MR(Magnetic Resonance，磁共振)信号，通过对MR信号的接收、空间编码和图像重建等处理过程，即产生MR影像。
随着MRI技术的发展，CEST(Chemical Exchange Saturation Transfer，化学交换饱和转移)成为MRI领域的热点。CEST用于对浓度比水分子小很多个量级的游离在水中的溶质分子进行成像。这些溶质分子中的氢核由于处在不同的化学环境中，与水分子的氢核相比，即使处在同一外磁场下，共振频率也会产生微小的偏移，这种偏移被称为化学位移。在CEST研究中，溶质分子组成一个集合，被称为溶质池；而自由水分子则被称为水池。当预饱和射频脉冲施加在溶质池的共振频率上时，溶质池的氢质子被饱和，化学交换随之在两个池中发生，导致被饱和的溶质池中的氢质子转移到水池中，替换了未被饱和的水池中的氢质子，经过一段时间的积累，在成像时，水池中收集的信号就会产生额外的衰减，从该衰减的信号中，可以估计出许多重要的生理参数。
在实际的CEST成像实验中，预饱和射频脉冲并不仅仅施加在溶质池的共振频率上，而是在一定范围的频率轴上选取大量频点施加脉冲，饱和后在每个频点处分别采集水池的MRI信号，由于化学交换饱和转移机制的存在，该MRI信号相比没有施加预饱和脉冲的信号有明显的衰减，根据该衰减量化分析CEST对比剂的信息，从而得到成像区域一些重要的生理化学参数或者结构信息。
要将CEST成像应用到常规临床中，其空间覆盖率和MR信号采集速度必须要达到一定条件，另外，最终的CEST图像也需要基本上无伪影。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供CEST-MRI序列生成方法，以提高CEST-MRI成像的空间覆盖率和MR信号采集速度；
本发明还提供CEST-MRI序列生成装置，以提高CEST-MRI成像的空间覆盖率和MR信号采集速度；
本发明还提供可读存储介质，以提高CEST-MRI成像的空间覆盖率和MR信号采集速度。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
化学交换饱和转移-磁共振成像CEST-MRI序列生成方法，包括：
CEST-MRI扫描过程开始，MRI设备生成CEST预饱和脉冲并发射出去；
CEST预饱和脉冲发射完毕，MRI设备生成脂肪压制脉冲并发射出去；
脂肪压制脉冲发射完毕，MRI设备生成一个激励脉冲并发射出去；
激励脉冲发射完毕，MRI设备生成多个非层面选择性重聚焦方波脉冲并发射出去。
通过上述实施例，通过采用非层面选择性重聚焦方波脉冲，提高了CEST-MRI成像的空间覆盖率和MR信号采集速度。
所述CEST预饱和脉冲和脂肪压制脉冲都为非层面选择性脉冲。
所述激励脉冲为方波脉冲或非方波脉冲。
50≤重聚焦方波脉冲的数目≤250；
0.8ms≤重聚焦方波脉冲的宽度≤1.5ms；
2ms≤相邻重聚焦方波脉冲的间隙≤5ms。
通过上述实施例，采用宽度和间隙都较短的重聚焦方波脉冲，提高了MR信号采集速度。
所有重聚焦方波脉冲的翻转角度相同；
或者，针对成像组织的T1和T2值以及拟实现的k空间信号强度分布曲线，利用布洛赫方程求解得到各个重聚焦方波脉冲的翻转角度。
通过上述实施例，当采用翻转角度不同的重聚焦方波脉冲时，使得采集MR信号时在横轴存在的时间延长，重聚焦数目增多，从而MR信号采集速度加快。
所述MRI设备生成一个激励脉冲并发射出去；
激励脉冲发射完毕，MRI设备生成多个非层面选择性重聚焦方波脉冲并发射出去包括：
MRI设备生成翻转角度可变的应用优化对比度的完美采样(SPACE)序列并发射出去。
通过上述实施例，采用SPACE序列，从而不仅可提高CEST-MRI成像的空间覆盖率和MR信号采集速度，还能够显著降低易感性伪影。
化学交换饱和转移-磁共振成像CEST-MRI序列生成装置，位于MRI设备上，该装置包括：
预饱和脉冲生成及发射模块，CEST-MRI扫描过程开始，生成预饱和脉冲并发射出去；
脂肪压制脉冲生成及发射模块，预饱和脉冲发射完毕，生成脂肪压制脉冲并发射出去；
激励及重聚焦脉冲生成及发射模块，脂肪压制脉冲发射完毕，生成一个激励脉冲并发射出去，激励脉冲发射完毕，生成多个非层面选择性重聚焦方波脉冲并发射出去。
所述预饱和脉冲生成及发射模块生成及发射的预饱和脉冲为非层面选择性脉冲；
所述脂肪压制脉冲生成及发射模块生成及发射的脂肪压制脉冲为非层面选择性脉冲。
所述激励及重聚焦脉冲生成及发射模块生成的激励脉冲为方波脉冲或非方波脉冲。
所述激励及重聚焦脉冲生成及发射模块生成的重聚焦方波脉冲满足：50≤重聚焦方波脉冲的数目≤250，0.8ms≤重聚焦方波脉冲的宽度≤1.5ms，2ms≤重聚焦方波脉冲的间距≤5ms。
所述激励及重聚焦脉冲生成及发射模块生成的所有重聚焦方波脉冲的翻转角度相同；
或者，针对成像组织的T1和T2值以及拟实现的k空间信号强度分布曲线，利用布洛赫方程求解得到各个重聚焦方波脉冲的翻转角度。
所述激励及重聚焦脉冲生成及发射模块用于：
生成SPACE序列并发射出去。
可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被一处理器执行时实现如上任一项所述的化学交换饱和转移-磁共振成像CEST-MRI序列生成方法的步骤。
化学交换饱和转移-磁共振成像CEST-MRI序列生成装置，所述装置包括：处理器和存储器；
所述存储器中存储有可被所述处理器执行的应用程序，用于使得所述处理器执行如上任一项所述的化学交换饱和转移-磁共振成像CEST-MRI序列生成方法的步骤。
本发明通过将CEST-MRI构造成CEST预饱和脉冲、脂肪压制脉冲、一个激励脉冲和多个非层面选择性重聚焦方波脉冲，提高了CEST-MRI成像的空间覆盖率和MR信号采集速度。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的CEST-MRI序列生成方法流程图；
图2为本发明另一实施例提供的CEST-MRI序列生成方法流程图；
图3为采用本发明实施例提出的CEST-MRI序列对脑部组织进行扫描的示例图；
图4为采用本发明实施例提出的CEST-MRI序列对脑部组织扫描得到的全脑矢状方向的源S0图像；
图5为根据图4所示的源S0图像计算的头骨剥离的APTw图；
图6为采用本发明实施例提出的CEST-MRI序列对脑部组织扫描得到的横向APTw图；
图7为采用本发明实施例提出的CEST-MRI序列对脑部组织扫描得到的冠状方向的APTw图；
图8为本发明一实施例提供的CEST-MRI序列生成装置；
图9为本发明另一实施例提供的CEST-MRI序列生成装置。
其中，附图标记如下：
Figure BDA0002000184540000031
Figure BDA0002000184540000041
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图并据实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
如在本发明的说明书以及所附权利要求书中使用的单数形式的“一”以及“所述”也意图包括复数形式，除非本文内容明确地另行指定。
以下对本发明进行详细说明：
图1为本发明一实施例提供的CEST-MRI序列生成方法流程图，其具体步骤如下：
步骤101：CEST-MRI扫描过程开始，MRI设备生成CEST预饱和脉冲并发射出去。
步骤102：CEST预饱和脉冲发射完毕，MRI设备生成脂肪压制脉冲并发射出去。
在实际应用中，CEST预饱和脉冲和脂肪压制脉冲可都为非层面选择性脉冲。
步骤103：脂肪压制脉冲发射完毕，MRI设备生成一个激励脉冲并发射出去。
步骤104：激励脉冲发射完毕，MRI设备生成多个非层面选择性重聚焦方波脉冲并发射出去。
在实际应用中，激励脉冲可为方波脉冲，也可为非方波脉冲。当为方波脉冲时，方波脉冲的宽度的取值范围可为：0.4毫秒ms≤方波脉冲的宽度≤1ms。
在实际应用中，重聚焦方波脉冲的数目、宽度和相邻脉冲的间隙的取值范围可为：50≤重聚焦方波脉冲的数目≤250，0.8ms≤重聚焦方波脉冲的宽度≤1.5ms，2ms≤相邻重聚焦方波脉冲的间隙≤5ms。
在实际应用中，重聚焦方波脉冲序列的翻转角度可变，即，所有重聚焦方波脉冲的翻转角度可相同，一般地设为60°至180°之间的某个角度；
或者，所有重聚焦方波脉冲的翻转角度可部分或全部不同，具体地，针对成像组织的T1和T2值以及拟实现的k空间信号强度分布曲线，利用布洛赫(Bloch)方程求解得到各个重聚焦方波脉冲的翻转角度。其中，k空间信号强度的分布决定最终生成的图像的对比度。
在实际应用中，步骤103和104中，MRI设备可生成SPACE(Sampling Perfectionwith Application-optimized Contrasts by using different flip angleEvolutions，翻转角度可变的应用优化对比度的完美采样)序列并发射出去。
图2为本发明另一实施例提供的CEST-MRI序列生成方法流程图，其具体步骤如下：
步骤201：CEST-MRI扫描过程开始，MRI设备生成预设数目的非层面选择性CEST预饱和脉冲并发射出去。
可根据扫描的组织的不同，设定CEST预饱和脉冲的类型、数目以及每个脉冲的宽度、相邻脉冲之间的间隙。
脉冲的类型如：高斯脉冲、方波脉冲等。
图3为采用本发明实施例提出的CEST-MRI序列对脑部组织进行扫描的示例图。如图3所示，其中，RF代表CEST-MRI序列，Gx、Gy、Gz代表CEST-MRI序列在x、y、z三个方向的梯度场，ADC代表CEST-MRI序列的数据读取序列，序列1代表CEST预饱和脉冲，这里CEST预饱和脉冲可采用10个宽度为100ms(毫秒)、间隙为10ms的频率选择性高斯脉冲，其中，在10ms的间隙内在层面方向的z方向可施加宽度为5ms、强度为15mT/m(毫特斯拉/米)的梯度脉冲。
步骤202：CEST预饱和脉冲发射完毕，MRI设备生成预设类型的非层面选择性脂肪压制脉冲并发射出去。
可根据扫描的脂肪组织的不同，设定脂肪脉冲的类型。
例如：在对脑部组织进行扫描时，如图3所示，可采用SPIR(SpectralPresaturation with Inversion Recovery,反转恢复频率选择)脉冲。其中，在SPIR脉冲发射完毕时，可在x方向施加梯度脉冲。
步骤203：MRI设备在脂肪压制脉冲发射完毕后，生成SPACE序列并发射出去。
SPACE序列由一个激励脉冲和多个非层面选择性重聚焦脉冲组成。其中，重聚焦脉冲为方波脉冲，且翻转角度可变。
例如：在对脑部组织进行扫描时，如图3所示的RF序列中的序列3为SPACE序列，其中，重聚焦脉冲可先采用四个准备脉冲，翻转角度分别为149°、122°、119°和120°，然后再采用恒定的翻转角为1200的回波脉冲，其中，在相邻重聚焦脉冲的间隙内，在z、x和y方向分别施加梯度脉冲。
以下给出本发明的应用实例：
一个磁场强度为3T和具有64通道头颈线圈的磁共振系统对5名健康志愿者的脑部进行CEST-MRI扫描。
扫描序列如3所示的RF序列，由三部分组成：1、CEST预饱和序列；2、SPIR脂肪抑制脉冲；3、SPACE序列。其中：
1)CEST预饱和序列由10个100毫秒长的频率选择性高斯脉冲组成，每个脉冲的均方根功率为2.5uT；
相邻高斯脉冲之间有一个10ms的间隙，在该间隙内施加宽度为5ms、强度为15mT/m的梯度场。
2)SPACE序列具有一个激励脉冲和多个重聚焦方波脉冲，在进入恒定的120°重聚焦脉冲之前有四个准备重聚焦脉冲，翻转角度分别为：149°、122°、119°、120°。
使用以下MR信号采集参数：视野(FOV)＝212×212×201mm3，矩阵大小＝76×76×72，分辨率＝2.79×2.79×2.79mm3，重复时间(TR)＝3s(秒)，回波时间(TE)＝17ms(毫秒)，turbo因子＝140，GRAPPA(Generalized Autocalibrating Partially ParallelAcquisition，全局自动校准部分并行采集)因子＝2×2，成像方向为矢状方向，且为具有不饱和(S0)和饱和频率的APTw(Amide Proton Transfer-weighted，氨基质子转移加权)成像，APT成像是CEST成像的一个分支技术，使用的频率偏移量为±3ppm、±3.5ppm和±4ppm，扫描持续时间为5分钟。
另外，采用梯度回波序列对脑部扫描，得到B0场频率偏移图，其中，TR＝30ms，双TE＝4.92ms和9.84ms。最后，利用B0场频率偏移图校正后的CEST图像计算出APTw图。
图4为采用本发明实施例提出的CEST-MRI序列对脑部组织扫描得到的源S0图像，该图像为整个脑部的矢状方向的图像。
从该图像可以看出，在整个图像上，甚至在鼻腔附近也没有发现明显的磁敏感伪影，这反映了本发明实施例提出的CEST-MRI序列的稳健性。
图5为根据源S0图像计算的头骨剥离的APTw图，可以看出，采用本发明实施例提出的CEST-MRI序列后，最终得到的APTw图是具有良好均匀性的高质量的整个大脑图像，其中，小脑区域存在微小伪影，这可能是由于该区域的欠理想匀场造成的，且可能通过区域自适应匀场得到改善。
图6和图7分别为横向和冠状方向的APTw图。同样，这些APTw图具有高质量。
通过矢状方向、横向和冠状方向的APTw图，可以从不同的方向揭示目标病理学，提高临床诊断的准确性。
另外，本发明实施例提出的CEST-MRI序列中的CEST预饱和序列的占空比很高，如图3所示的CEST预饱和序列，占空比为91％，高占空比有助于在扫描硬件限制时达到最高可达到的CEST对比度。
另外，本发明实施例提出的CEST-MRI序列能够使全脑2.79mm各向同性CEST成像在5分钟内实现且无明显的磁敏感伪影，该特点满足CEST成像转化为常规临床应用的条件。
图8为本发明一实施例提供的CEST-MRI序列生成装置80的结构示意图，该装置位于MRI设备上，该装置主要包括：预饱和脉冲生成及发射模块81、脂肪压制脉冲生成及发射模块82、激励及重聚焦脉冲生成及发射模块83，其中：
预饱和脉冲生成及发射模块81，在CEST-MRI扫描过程开始，生成预饱和脉冲并发射出去。
脂肪压制脉冲生成及发射模块82，在预饱和脉冲生成及发射模块81发射完预饱和脉冲时，生成脂肪压制脉冲并发射出去。
激励及重聚焦脉冲生成及发射模块83，在脂肪压制脉冲生成及发射模块82发射完脂肪压制脉冲时，生成一个激励脉冲并发射出去，激励脉冲发射完毕，生成多个非层面选择性重聚焦方波脉冲并发射出去。
在实际应用中，预饱和脉冲生成及发射模块81生成及发射的预饱和脉冲为非层面选择性脉冲；
脂肪压制脉冲生成及发射模块82生成及发射的脂肪压制脉冲为非层面选择性脉冲。
在实际应用中，激励及重聚焦脉冲生成及发射模块83生成的激励脉冲为方波脉冲或非方波脉冲。
在实际应用中，激励及重聚焦脉冲生成及发射模块83生成的重聚焦方波脉冲满足：50≤重聚焦方波脉冲的数目≤250，0.8ms≤重聚焦方波脉冲的宽度≤1.5ms，2ms≤重聚焦方波脉冲的间距≤5ms。
在实际应用中，激励及重聚焦脉冲生成及发射模块83生成的所有重聚焦方波脉冲的翻转角度相同；
或者，针对成像组织的T1和T2值以及拟实现的k空间信号强度分布曲线，利用布洛赫方程求解得到各个重聚焦方波脉冲的翻转角度。
在实际应用中，激励及重聚焦脉冲生成及发射模块83用于：生成SPACE序列并发射出去。
图9为本发明实施例提供的CEST-MRI序列生成装置的结构示意图，该装置位于MRI设备上，该装置主要包括：处理器91和存储器92，其中：
所述存储器92中存储有可被所述处理器91执行的应用程序，用于使得处理器91执行如步骤101-104，或者如步骤201-203所述的CEST-MRI序列生成方法的步骤。
本发明实施例还提供一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被一处理器执行时实现如步骤101-104或者如步骤201-203任一项所述的CEST-MRI序列生成方法的步骤。
该可读存储介质上存储有机器可读指令，该机器可读指令在被处理器执行时，使处理器执行前述的任一种方法。具体地，可以提供配有可读存储介质的系统或者装置，在该可读存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机或处理器读出并执行存储在该可读存储介质中的机器可读指令。
在这种情况下，从可读存储介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此机器可读代码和存储机器可读代码的可读存储介质构成了本发明的一部分。
可读存储介质的实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上或云上下载程序代码。
本领域技术人员应当理解，上面公开的各个实施例可以在不偏离发明实质的情况下做出各种变形和修改。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。
需要说明的是，上述各流程和各系统结构图中不是所有的步骤和模块都是必须的，可以根据实际的需要忽略某些步骤或模块。各步骤的执行顺序不是固定的，可以根据需要进行调整。上述各实施例中描述的装置结构可以是物理结构，也可以是逻辑结构，即，有些模块可能由同一物理实体实现，或者，有些模块可能分由多个物理实体实现，或者，可以由多个独立设备中的某些部件共同实现。
上文通过附图和优选实施例对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施例，基与上述多个实施例本领域技术人员可以知晓，可以组合上述不同实施例中的代码审核手段得到本发明更多的实施例，这些实施例也在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.化学交换饱和转移-磁共振成像CEST-MRI序列生成方法，其特征在于，包括：
CEST-MRI扫描过程开始，MRI设备生成CEST预饱和脉冲并发射出去；
CEST预饱和脉冲发射完毕，MRI设备生成脂肪压制脉冲并发射出去；
脂肪压制脉冲发射完毕，MRI设备生成一个激励脉冲并发射出去；
激励脉冲发射完毕，MRI设备生成多个非层面选择性重聚焦方波脉冲并发射出去。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CEST预饱和脉冲和脂肪压制脉冲都为非层面选择性脉冲。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激励脉冲为方波脉冲或非方波脉冲。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，50≤重聚焦方波脉冲的数目≤250；
0.8ms≤重聚焦方波脉冲的宽度≤1.5ms；
2ms≤相邻重聚焦方波脉冲的间隙≤5ms。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所有重聚焦方波脉冲的翻转角度相同；
或者，针对成像组织的T1和T2值以及拟实现的k空间信号强度分布曲线，利用布洛赫方程求解得到各个重聚焦方波脉冲的翻转角度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MRI设备生成一个激励脉冲并发射出去；
激励脉冲发射完毕，MRI设备生成多个非层面选择性重聚焦方波脉冲并发射出去包括：
MRI设备生成翻转角度可变的应用优化对比度的完美采样SPACE序列并发射出去。
7.化学交换饱和转移-磁共振成像CEST-MRI序列生成装置(80)，位于MRI设备上，其特征在于，该装置包括：
预饱和脉冲生成及发射模块(81)，CEST-MRI扫描过程开始，生成CEST预饱和脉冲并发射出去；
脂肪压制脉冲生成及发射模块(82)，CEST预饱和脉冲发射完毕，生成脂肪压制脉冲并发射出去；
激励及重聚焦脉冲生成及发射模块(83)，脂肪压制脉冲发射完毕，生成一个激励脉冲并发射出去，激励脉冲发射完毕，生成多个非层面选择性重聚焦方波脉冲并发射出去。
8.根据权利要求7所述的装置(80)，其特征在于，所述预饱和脉冲生成及发射模块(81)生成及发射的CEST预饱和脉冲为非层面选择性脉冲；
所述脂肪压制脉冲生成及发射模块(82)生成及发射的脂肪压制脉冲为非层面选择性脉冲。
9.根据权利要求7所述的装置(80)，其特征在于，所述激励及重聚焦脉冲生成及发射模块(83)生成的激励脉冲为方波脉冲或非方波脉冲。
10.根据权利要求7或9所述的装置(80)，其特征在于，所述激励及重聚焦脉冲生成及发射模块(83)生成的重聚焦方波脉冲满足：50≤重聚焦方波脉冲的数目≤250，0.8ms≤重聚焦方波脉冲的宽度≤1.5ms，2ms≤重聚焦方波脉冲的间距≤5ms。
11.根据权利要求7所述的装置(80)，其特征在于，所述激励及重聚焦脉冲生成及发射模块(83)生成的所有重聚焦方波脉冲的翻转角度相同；
或者，针对成像组织的T1和T2值以及拟实现的k空间信号强度分布曲线，利用布洛赫方程求解得到各个重聚焦方波脉冲的翻转角度。
12.根据权利要求7所述的装置(80)，其特征在于，所述激励及重聚焦脉冲生成及发射模块(83)用于：
生成翻转角度可变的应用优化对比度的完美采样SPACE序列并发射出去。
13.可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被一处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的化学交换饱和转移-磁共振成像CEST-MRI序列生成方法的步骤。
14.化学交换饱和转移-磁共振成像CEST-MRI序列生成装置(90)，其特征在于，所述装置包括：处理器(91)和存储器(92)；
所述存储器(92)中存储有可被所述处理器(91)执行的应用程序，用于使得所述处理器(91)执行如权利要求1至6中任一项所述的化学交换饱和转移-磁共振成像CEST-MRI序列生成方法的步骤。
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