CN113476031B - 反转恢复准备的3d梯度自旋回波扩散成像方法、介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像方法、介质及设备。该方法包括以下步骤：首先，在反转恢复准备模块中，施加180°反转射频脉冲，设置相应反转恢复时间以抑制脑脊液和自由水信号；其次，通过扩散编码模块，将一对梯形余弦振荡梯度或脉冲梯度嵌入到90°x‑180°y‑90°‑x射频脉冲中，将扩散编码与信号采集分开；然后，使用脂肪饱和模块对脂肪信号进行抑制；最后，采用3D梯度自旋回波的读出方式采集信号。本发明不仅改善了磁共振扩散成像的时间和信噪比，而且有利于脑组织扩散磁共振信号时间依赖性的精准测量，特别对于脑室附近由于部分容积效应受脑脊液影响的脑区效果明显，将有效推进时间依赖性扩散磁共振技术的临床转化。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振技术领域，尤其涉及扩散磁共振成像领域。
背景技术
扩散磁共振(dMRI)通过检测被微观结构环境限制的水的扩散来揭示组织微观结构的各种细节。因此，dMRI测量的表观扩散系数(ADC)通常取决于水分子在周围环境中的扩散时间(td)。通过振荡梯度(OG)和脉冲梯度的结合可以测量一系列td范围(几毫秒到几十毫秒)的水分子扩散，并推断组织微结构，目前已经被广泛用于td依赖性dMRI的研究。
然而，由于临床MRI系统的梯度强度较低，因此需要较长的回波时间和重复时间才能达到合理的振荡频率和b值。这导致了访问高频振荡梯度的能力有限、成像时间较长、图像信噪比较弱等问题，所以该技术在人体临床应用上面临挑战。另一方面，我们观察到脑脊液(CSF)中自由水的ADC值大约是正常脑组织的3倍，因此在脑沟和脑室附近扫描时的部分容积效应和点扩展函数效应可能会导致脑组织ADC值受到脑脊液的影响，被高估约15-30％。因此，对于靠近脑室和脑沟的组织，如海马和皮质灰质，td依赖性测量可能不准确，由此估算出的组织微结构参数也受到影响。
发明内容
为了克服现有序列中存在的不足和时域弥散信号测量的问题，本发明提出了一种反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像序列(3D IR-OGprep-GRASE)，以解决上述提及的dMRI序列的问题，提高时域扩散成像的临床实用性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
第一方面，本发明提供了一种反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像方法，其包括：
S1：在成像序列的开始位置执行一个反转恢复模块，以抑制脑脊液的纵向磁化信号；
S2：在反转恢复模块之后执行扩散准备模块，将一对扩散梯度嵌入到90°x-180°y-90°-x射频脉冲中，以实现扩散编码与信号采集的分离；所述扩散梯度为梯形余弦振荡扩散梯度或脉冲扩散梯度；
S3：在扩散准备模块后执行脂肪饱和模块，抑制脂肪信号；
S4：在脂肪饱和模块后执行梯度自旋回波模块，使用3D梯度回波-自旋回波序列进行信号采集，得到3D K-空间数据；
S5：在梯度自旋回波模块后执行通用自动校准并行采集重建模块，对3D K-空间数据进行重建得到完整图像。
基于该方案，各步骤还可以进一步提供以下优选的实现方式。需要注意的是，各优选方式中的技术特征在没有冲突的情况下均可进行相互组合。当然这些优选方式也可以通过其他能够实现相同技术效果的方式实现，不构成限制。
作为优选，所述反转恢复模块中的处理流程如下：
先对整个3D成像空间施加非空间选择性的180°翻转角的射频脉冲激励，再等待反转时间(TI)，使得脑脊液的纵向磁化矢量完全消除。
作为优选，所述扩散准备模块中的处理流程如下：
首先，在TI时刻沿X轴方向进行90°翻转角的射频激发脉冲；然后，沿着预定的扩散方向施加所述扩散梯度；接着，沿Y轴方向进行180°翻转角的射频回聚脉冲，然后再施加完全相同的所述扩散梯度；再后，沿Z轴方向施加稳定器梯度(Gstb)；最后，沿-X轴方向进行90°翻转角的射频激发脉冲，将横向磁化矢量转化为纵向磁化矢量。
作为优选，所述脂肪饱和模块中的处理流程如下：
施加三个95°翻转角的频率选择性的高斯脉冲，将脂肪纵向磁化矢量的sin(95°)部分进行翻转并等待T1*ln(2)时间后将其置0，使脂肪的大部分纵向磁化矢量转化为横向磁化矢量，同时施加梯度，将脂肪的横向磁化矢量完全消除；其中T1为脂肪的纵向弛豫时间。
作为优选，所述梯度自旋回波序列(GRASE)模块中的处理流程如下：
通过在Y方向上进行回波平面成像(EPI)编码以及在Z方向上进行涡轮自旋回波(TSE)编码，从而实现3D GRASE读出；其中沿EPI方向执行并行成像采集，而沿TSE方向上执行中心编码；在每段EPI读出时刻的前后沿Z轴方向施加稳定器梯度。
作为优选，所述通用自动校准并行采集(GRAPPA)重建模块中的处理流程如下：
首先使用3-navigator-echo技术来估计EPI奇偶行之间的相位变化，然后使用GRAPPA技术将K空间中沿EPI方向执行的并行成像采集的空缺行填充完整。
第二方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，用于实现如第一方面中任一所述的反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像方法。
第三方面，本发明提供了一种磁共振成像设备，其特征在于，包括磁共振扫描器以及控制单元，所述控制单元中存储有成像序列，所述成像序列被执行时，用于实现如第一方面中任一所述的反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像方法。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提出了一种反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像方法，首次将反转恢复序列、扩散编码、3D成像序列结合起来。与传统的2D-EPI采集相比，本发明的序列不仅缩短了振荡梯度扩散成像的扫描时间而且提高了信噪比，而且反转恢复模块抑制了脑脊液对脑室、脑沟附近的ADC值。实验表明只有使用具有反转恢复准备的3D IR-OGprep-GRASE序列，才能准确测量这些区域的扩散信号的td依赖性。
附图说明
图1是3D IR-OGprep-GRASE序列的时序图。
图2是对分别使用3D OGprep-GRASE和3D IR-OGprep-GRASE序列获取得到的b0和ADC图，并显示了7个脑区的感兴趣区域。
图3是对分别使用3D OGprep-GRASE和3D IR-OGprep-GRASE序列在6名被试上获取得到的ADC值在各个感兴趣区域的对比结果。
具体实施方式
下面基于本发明提出的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。
在本发明的一种较优实现方式中，上述反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像方法，其对应于一种反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像(3DIR-OGprep-GRASE)序列，如图1是3D IR-OGprep-GRASE的序列时序图。该成像方法具体包括以下步骤：
步骤一：在成像序列时序开始时先执行一个反转恢复模块，以抑制脑脊液的纵向磁化信号。在本实施例中，反转恢复模块中的处理流程如下：首先对整个3D成像空间施加非空间选择性的180°翻转角的射频脉冲激励，在施加完射频脉冲后等待一段被称为反转时间(TI)的时间使脑脊液信号的纵向磁化矢量完全消失。此时进行信号采集或再次激发，可以认为已经将脑脊液信号的纵向磁化完全消除而脑组织的纵向磁化依然存在。
步骤二：在反转恢复模块之后紧接着执行扩散准备模块，将一对扩散梯度嵌入到90°x-180°y-90°-x射频脉冲中，以实现扩散编码与信号采集的分离，其中扩散梯度可以是梯形余弦振荡扩散梯度或脉冲扩散梯度。在本实施例中，该扩散准备模块中的具体处理流程如下：首先，在TI时刻即前述反转时间结束的时刻，沿X轴方向施加90°翻转角的非层选性的硬脉冲激励(作为射频激发脉冲)；然后，沿着设置扩散的方向施加一个扩散梯度，该扩散梯度可以是一定频率梯形余弦振荡扩散梯度或一定扩散间隔的脉冲扩散梯度，梯度的幅值大小取决于预先设定的b值；接着，沿Y轴方向进行180°翻转角的绝热正切脉冲激励(作为射频回聚脉冲)，使得散向的横向磁化矢量回聚；然后，再施加与之前施加的幅值、形状、持续时间等参数完全相同的扩散梯度；之后，沿Z轴方向施加稳定器梯度(Gstb)，以减轻与相位误差有关的信号调制，并将梯度幅值设置为与之后的GRASE读出模块中的破碎机梯度(crusher)相同的幅度；最后，沿-X轴方向发射90°翻转角的非层选性的硬脉冲激励，将横向磁化矢量转化为纵向磁化矢量。扩散准备模块中的回波时间表示为TE1。
步骤三：在扩散准备模块后执行脂肪饱和模块，抑制脂肪信号。在本实施例中，脂肪饱和模块中的处理流程如下：施加三个95°翻转角的频率选择性的高斯脉冲，将脂肪纵向磁化矢量的sin(95°)部分进行翻转并等待T1*ln(2)时间后将其置0，使脂肪的大部分纵向磁化矢量转化为横向磁化矢量，同时施加梯度，将脂肪的横向磁化矢量完全消除；其中T1为脂肪的纵向弛豫时间。
步骤四：在脂肪饱和模块后执行梯度自旋回波(GRASE)模块，使用3D梯度回波-自旋回波序列进行信号采集，得到3D K-空间数据。在本实施例中，梯度自旋回波模块的处理流程如下：通过在Y方向上进行回波平面成像(EPI)编码以及在Z方向上进行涡轮自旋回波(TSE)编码来实现3D-GRASE读出。在EPI方向上的相位编码的数目被表示为NEPI，而在TSE方向上的相位编码的数目被表示为NSE。并行采集是沿EPI方向对NEPI进行间隔加速因子值(Na)的行数进行采集，而沿TSE方向上执行中心编码，即第一次回聚脉冲后的EPI读取信号的方式在kz方向填充k-space中心。稳定器梯度沿Z轴方向在每段EPI读出时刻的前后与回聚脉冲旁边的破碎机梯度同时施加。GRASE模块中的回波时间表示为TE2，它等于之后以TSE方式进行信号采集的回波间隔(ESP)。因此，所获取信号的总回波时间为TE1+TE2。
当沿EPI方向对NEPI进行并行成像采集时，相对于常规采集方式，不同之处在于NEPI减少为原来的1/Na，采集时间降低从而导致TE减小，因此有效地提高了图像的信噪比。
步骤五：如果使用Na>1，则需要在梯度自旋回波模块后执行通用自动校准并行采集(GRAPPA)重建模块，来填充未采集行的K空间数据，对3D K-空间数据进行重建得到完整图像。在本实施例中，通用自动校准并行采集重建模块中的处理流程如下：重建首先使用3-navigator-echo技术来估计EPI奇偶行之间的相位变化，对所有采集到的EPI奇偶行信号进行相位进行校正。然后使用GRAPPA技术填充未采集行的K空间数据，由此将K空间中沿EPI方向执行的并行成像采集的空缺行填充完整。需要说明的是，如果使用的Na＝1，则无需执行GRAPPA重建模块。与常规的采集方法相比，通用自动校准部分并行采集方法大大提高了采集效率，不仅缩短了采集时间，而且降低了TE，因此可以得到更高信噪比的图像。
由此可见，上述上述步骤一到五中的各模块本质上相当于3DIR-OGprep-GRASE序列中的不同部分。为了进一步展示该做法的效果，本发明还进行了下列效果验证步骤：
步骤六：通过步骤五处理得到对应的图像后，再进行计算得到扩散加权成像的量化指标，如表观扩散系数(ADC)等。
下面基于上述方法的步骤一到步骤六，结合实施例对其技术效果进行展示，以便本领域技术人员更好地理解本发明的实质。
实施例
将上述的反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像方法即对应的3DIR-OGprep-GRASE序列以及没有反转恢复模块的3D梯度自旋回波扩散成像方法即对应的3D OGprep-GRASE序列在6名健康的年轻男性志愿者中进行了测试，下面介绍此处的具体参数：磁共振扫描使用了西门子Prisma 3T扫描仪(最大梯度为80mT/m、最大切换率200mT/m)，所有扫描均使用64通道头部线圈。
实验：为了比较3D OGprep-GRASE和3D IR-OGprep-GRASE序列对脑脊液附近区域扩散信息的td依赖性测量的准确性，使用脉冲扩散梯度(0Hz)以及20Hz、40Hz、60Hz的振荡扩散梯执行扫描，其他成像参数一致：扩散加权＝420s/mm2、6个方向，2次重复，扫描视野＝220×200mm，分辨率为2×2mm2，切片厚度为4mm。3D-GRASE读出部分采用以下方案：
单次激发的GRASE读出，NEPI＝39，NSE＝10，Na＝2，turbo因子＝12，层面方向过采样＝20％，部分傅立叶因子＝76％，带宽＝2094Hz，TE1/TE2/TR/TI＝103.46/31.94/9000/2500ms，扫描时间＝3min。3D OGprep-GRASE序列除去除了IR模块,其余参数与3D IR-OGprep-GRASE序列完全一致。
图2显示了使用3D IR-OGprep-GRASE和OGprep-GRASE序列分别获得的b0和ADC图。在b0图像上勾画出了感兴趣区域(ROI)，包括海马头部(HPH)，海马体部(HPB)，海马尾部(HPT)，皮层灰质(CGM)，丘脑(THA)，皮层下白质(PWM)和胼胝体压部(SCC)。
图3显示了使用3D IR-OGprep-GRASE和OGprep-GRASE序列在不同频率(60Hz、40Hz、20Hz、0Hz)下测量扩散时间(td)依赖的ADC。在3DIR-OGprep-GRASE序列中，所有ROI均显示出ADC的td依赖性变化。而在无IR模块的3D OGprep-GRASE序列中，靠近脑室和脑沟的区域，例如：海马、皮质灰质和胼胝体压部等区域，未见td依赖效应。
另外，在其他实施例中，还可以提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，用于实现如上述步骤一到步骤五所述的反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像方法。
需要注意的是，上述的存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。当然，还装置中还应当具有实现程序运行的必要组件，例如电源、通信总线等等。
同样的，在其他实施例中，还可以提供一种磁共振成像设备，其包括磁共振扫描器以及控制单元，所述控制单元中存储有成像序列即前述的3DIR-OGprep-GRASE序列，该成像序列被执行时，用于实现如上述步骤一到步骤五所述的反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像方法。
上述的磁共振扫描器和控制单元的硬件结构可采用常规磁共振成像系统实现。磁共振扫描器应当包括磁体部分和磁共振波谱仪部分，控制单元中应当含有实现磁共振成像必要的数据处理和图像重建软件，3D IR-OGprep-GRASE序列可由控制单元读取并用于控制磁共振扫描器。也就是说，3D IR-OGprep-GRASE序列可以直接应用至相应的磁共振成像设备中。
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)
1.一种反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像方法，其特征在于，包括：
S1：在成像序列的开始位置执行一个反转恢复模块，以抑制脑脊液的纵向磁化信号；
S2：在反转恢复模块之后执行扩散准备模块，将一对扩散梯度嵌入到90°x-180°y-90°-x射频脉冲中，以实现扩散编码与信号采集的分离；所述扩散梯度为梯形余弦振荡扩散梯度或脉冲扩散梯度；
S3：在扩散准备模块后执行脂肪饱和模块，抑制脂肪信号；
S4：在脂肪饱和模块后执行梯度自旋回波模块，使用3D梯度回波-自旋回波序列进行信号采集，得到3D K-空间数据；
S5：在梯度自旋回波模块后执行通用自动校准并行采集重建模块，对3D K-空间数据进行重建得到完整图像；
所述脂肪饱和模块中的处理流程如下：
施加三个95°翻转角的频率选择性的高斯脉冲，将脂肪纵向磁化矢量的sin(95°)部分进行翻转并等待T1*ln(2)时间后将其置0，使脂肪的大部分纵向磁化矢量转化为横向磁化矢量，同时施加梯度，将脂肪的横向磁化矢量完全消除；其中T1为脂肪的纵向弛豫时间；
所述通用自动校准并行采集GRAPPA重建模块中的处理流程如下：
首先使用3-navigator-echo技术来估计EPI奇偶行之间的相位变化，然后使用GRAPPA技术将K空间中沿EPI方向执行的并行成像采集的空缺行填充完整；
所述反转恢复模块中的处理流程如下：
先对整个3D成像空间施加非空间选择性的180°翻转角的射频脉冲激励，再等待反转时间TI，使得脑脊液的纵向磁化矢量完全消除；
所述梯度自旋回波GRASE模块中的处理流程如下：
通过在Y方向上进行回波平面成像EPI编码以及在Z方向上进行涡轮自旋回波TSE编码，从而实现3D GRASE读出；其中沿EPI方向执行并行成像采集，而沿TSE方向上执行中心编码；在每段EPI读出时刻的前后沿Z轴方向施加稳定器梯度。
2.如权利要求1所述的反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像方法，其特征在于，所述扩散准备模块中的处理流程如下：
首先，在TI时刻沿X轴方向进行90°翻转角的射频激发脉冲；然后，沿着预定的扩散方向施加所述扩散梯度；接着，沿Y轴方向进行180°翻转角的射频回聚脉冲，然后再施加完全相同的所述扩散梯度；再后，沿Z轴方向施加稳定器梯度Gstb；最后，沿-X轴方向进行90°翻转角的射频激发脉冲，将横向磁化矢量转化为纵向磁化矢量。
3.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，用于实现如权利要求1或2所述的反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像方法。
4.一种磁共振成像设备，其特征在于，包括磁共振扫描器以及控制单元，所述控制单元中存储有成像序列，所述成像序列被执行时，用于实现如权利要求1或2所述的反转恢复准备的3D梯度自旋回波扩散成像方法。
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