CN116930836A - 多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法和系统，涉及磁共振成像技术领域。所述测量方法包括以下步骤：在同一个MRI的TR内，先后或同步激发一个层面内的多种核素，之后在层面编码梯度通道相对于选层梯度的反方向施加频率编码梯度，同时采集所有核素的FID信号；多次同步改变所有核素的形状射频脉冲功率值，每种核素均获得多个相对应的FID信号；对每种核素的FID信号分别进行傅里叶变换，选择绝对值谱的谱峰并积分比较，每种核素的信号强度最大值对应的形状射频脉冲功率值即为当前TR对应的最佳形状射频脉冲功率。本发明的测量方法显著缩短了参数优化的测量时间，同时确保后期成像中每种核素都能获得高信噪比的图像。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，特别是指一种多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法和系统。
背景技术
磁共振成像(MRI)已广泛应用于临床前研究和医学诊疗。传统的磁共振成像针对质子（1H）成像，可提供功能和形态学信息。生物体内源性的非1H核素磷（31P）、钠（23Na）也是磁共振敏感核素，可提供仅靠质子成像无法获得的信息；外源性含氟（19F）、Xe129探针因在生物体内无背景信号，常被用作靶向试剂、示踪剂、显影剂等进行在体研究。生物体内含磷物质参与机体的能量代谢，在肿瘤的发生发展过程中，不同含磷物质的比例动态变化。但含磷物质种类多，谱峰分布范围宽，有多个谱峰，甚至部分谱峰重叠，这是不同于生物体内的水和钠盐的谱峰是单峰。因此，生物体内的含磷物质不能直接进行成像表征，通常采用谱成像的方法采集含磷物质的谱峰，之后通过数据处理，转化为图像。
生物体内的磁共振敏感核素还有很多，比如氧（17O）、钾（35/37K）等，多核素同步成像逐渐引起了广泛关注。但每种核素的横向弛豫参数T2和纵向弛豫参数T1差别很大，多核素同步成像主要是获得非1H核素含量和空间分布信息，即获得高信噪比的1H核素图像非常重要，类梯度回波（GRE）的方法、超短回波时间(UTE) 和化学位移成像（CSI）方法等成为多核素同步成像中较为常用的方法。这些方法在确定的脉冲序列重复周期（TR）下，为获得最高的信噪比，采用的形状射频脉冲翻转角为恩斯特（Ernst）角a，a=arccos(exp(-TR/T1)，即形状射频脉冲的功率设置为与Ernst角对应的功率值。
正如发明专利ZL202310366296.8所述，根据所述核素的T1确定核素的翻转角。发明专利ZL202310366296.8提出的多核成像参数确定方法是在已知核素的弛豫时间常数T1和T2，且已知射频发射电压（可转化为功率）与激发脉冲翻转角间的对应关系后确定成像参数的。但实际应用中，每种核素的T1是未知的且T1的测量过程繁琐、耗时，为获得生物体内时空相关的分子事件，通常需要在确定的时间内获取多核素的图像，即影响成像时间的关键参数TR是确定的或者受到约束的。因此，多核素同步成像中给定TR，每种核素T1未知，即每种核素的Ernst角未知的情况下，如何设置每种核素的形状射频脉冲功率以获得高信噪比的多核图像非常重要，目前还没有成熟的方法。
发明内容
本发明提出一种多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法和系统，显著缩短了参数优化的测量时间，同时确保后期成像中每种核素都能获得高信噪比的图像。
本发明的技术方案是这样实现的：多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法，包括以下步骤：
（1）在同一个磁共振成像（MRI）的脉冲序列重复周期（TR）内，使用形状射频脉冲配合选层梯度选择性同步激发一个层面内的多种核素，之后在层面编码梯度通道相对于选层梯度的反方向施加频率编码梯度，同时采集所有核素的自由感应衰减(FID)信号；
或者使用形状射频脉冲配合选层梯度选择性先期激发一个层面内的一种或多种核素，之后在层面编码梯度通道相对于选层梯度的反方向施加频率编码梯度，同时采集先期激发核素的FID信号；然后使用形状射频脉冲配合选层梯度选择性同步激发一个层面内的其他多种核素，之后在层面编码梯度通道相对于选层梯度的反方向施加频率编码梯度，同时采集其他多种核素的FID信号；
（2）多次同步改变所有核素的形状射频脉冲功率值并重复步骤（1），每种核素均获得多个与其形状射频脉冲功率值相对应的FID信号；
（3）对步骤（2）中每种核素的多个FID信号分别进行傅里叶变换，获得层面内该核素的频谱并获其取绝对值谱；对每种核素的绝对值频谱进行积分，积分值标记为层面内这种核素的信号强度；每种核素的信号强度最大值对应的形状射频脉冲功率值即为当前脉冲序列重复周期(TR)对应的最佳形状射频脉冲功率。
进一步地，步骤（1）中，同步激发核素时，所有形状射频脉冲的等效中心与选层梯度的预期中心对齐。
进一步地，步骤（2）中，同步改变所有核素的形状射频脉冲功率的方法如下：形状射频脉冲功率从小到大等间距逐步变化，形状射频脉冲功率的变化范围需满足每种核素的信号强度变化趋势为先增大至最大值后减小。
进一步地，所述间距为磁共振成像系统射频发射机可区分的间隔或其整倍数。
本发明提出一种多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量系统，包括以下功能模块：
数据捕获模块，用于获取多核素MRI系统采集到的所有成像核素的FID信号数据及与其对应的形状射频脉冲的功率值、形状和宽度，以及层面的层厚和TR；
数据处理模块，用于对所有成像核素的FID信号数据进行傅里叶变换，获得频谱并提取绝对值谱，选择绝对值谱的谱峰并积分比较，确定最佳形状射频脉冲功率；
数据输出模块：输出最佳形状射频脉冲功率给多核素MRI系统，并存档每种核素的形状射频脉冲的最佳功率值、形状和宽度，以及层面的层厚和TR。
本发明的有益效果：
1、本发明提出的多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法和系统，能够在给定脉冲序列周期（TR）时，同步采集不同核素的自由感应衰减（FID）信号 ，通过数据处理同步获取每种核素的最佳形状射频脉冲功率，确保后期成像中每种核素都能获得高信噪比的图像；
2、形状射频脉冲激发核素后，紧接着采集核素的信号，相当于回波时间仅为形状射频脉冲宽度，回波时间短可回避磁场不均匀性等MRI系统不理想性的影响，获得的测量信号信噪比高，从而确保获得的形状射频脉冲功率精确；
3、多种核素的信号采集是在同一个TR内采集的，显著缩短了参数优化的测量时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：本发明的多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量系统的结构框图；
图2：1H、19F、23Na三核素在一个TR内的磁共振成像脉冲序列时序图，横轴表示时间轴；
图3为先激发磷31P，之后同步激发1H、19F、23Na在一个TR内的磁共振成像脉冲序列时序图，横轴表示时间轴；
图4为31P的信号强度随脉冲功率的变化曲线；
图5为1H的信号强度随脉冲功率的变化曲线；
图6为19F的信号强度随脉冲功率的变化曲线；
图7为23Na的信号强度随脉冲功率的变化曲线；
图8为先同步激发23Na、31P，之后同步激发1H、19F在一个TR内的磁共振成像脉冲序列时序图，横轴表示时间轴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是执行本发明的多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量系统功能框图。本发明中提供的测量方法实施例可以在计算机、终端或者类似的运算系统中执行。比如在终端上运行，终端可以包括一个或多个处理器，作为数据捕获模块，实现数据捕获的功能，用于从多核素MRI系统获取采集到的所有成像核素的FID信号数据和与其对应的形状射频脉冲的功率值、形状和脉宽，以及层面的层厚和TR等需要记录的参数。
终端还可以包括一个或多个处理器，作为数据处理模块，用于对所有成像核素的FID信号数据进行傅里叶（fourier）变换，获得频谱并提取绝对值谱，选择绝对值谱中的谱峰并积分比较，确定每种核素的最大信号强度对应的形状射频脉冲功率，定为每种核素的最佳形状射频脉冲功率。
终端还可以包括一个或多个处理器，作为数据输出模块，将确定出的每种核素的最佳形状射频脉冲功率输出给多核素MRI系统，同时将当前形状射频脉冲相关参数形状和脉宽，以及层面的层厚、TR及与其对应的每种核素的最佳形状射频脉冲功率存档以备后期使用。
本领域普通技术人员可以理解，终端或运算系统也可以通过一个处理器实现图1所示的三个功能模块的功能，甚至通过部署在计算机上的程序实现多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量系统的功能。
实施例一
如图2所示，1H、19F、23Na三核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法，包括以下步骤：
（1）在同一个脉冲序列重复周期（TR）内分别使用SINC、Hermite和gauss形状射频脉冲配合选层梯度选择性同步激发一个层面内的1H、19F、23Na三种核素，三个形状射频脉冲的中心与选层梯度的预期中心对齐，三个形状射频脉冲的功率用同一参数plvl表示，之后在层面编码梯度通道Gs相对于选层梯度的反方向施加频率编码梯度的同时采集1H、19F、23Na三种核素的自由感应衰减信号FID1、FID2和 FID3；
（2）同步、从小到大等间距改变1H、19F、23Na三种核素的形状射频脉冲功率值plvl，重复步骤（1），每种核素获得多个与其形状射频脉冲功率值plvl对应的FID信号；
（3）对1H、19F、23Na三种核素的FID信号FID1、FID2和 FID3分别进行傅里叶变换获得层面内1H、19F、23Na核素的频谱，提取1H、19F、23Na的绝对值谱进行积分，积分值标记为层面内1H、19F、23Na核素的信号强度；每种核素的信号强度最大值对应的形状射频脉冲功率值即为当前脉冲重复周期(TR)对应的最佳形状射频脉冲功率。
实施例二
如图3所示，磷31P、1H、19F、23Na四核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法，包括以下步骤：
（1）在同一个脉冲序列重复周期（TR）内使用SINC形状射频脉冲配合选层梯度选择性激发一个层面内的31P核素，射频频脉冲功率值用参数plvl表示，接着在层面编码梯度通道Gs相对于选层梯度的反方向施加频率编码梯度的同时采集31P核素的自由感应衰减信号FID1；
之后分别用SINC、Hermite和gauss形状射频脉冲配合选层梯度选择性同步激发一个层面内的1H、19F、23Na三种核素，这三个形状射频脉冲的等效中心与选层梯度的预期中心对齐，形状射频脉冲功率值都用参数plvl表示，之后在层面编码梯度通道Gs相对于选层梯度的反方向施加频率编码梯度的同时采集1H、19F、23Na三种核素的自由感应衰减信号FID2、FID3和 FID4；
（2）同步、从小到大改变31P、1H、19F、23Na四种核素的形状射频脉冲功率plvl，重复步骤（1），每种核素获得多个与其形状射频脉冲功率plvl对应的FID信号。
（3）对31P、1H、19F、23Na四种核素的FID信号FID1、FID2、FID3和 FID4分别进行傅里叶变换获得层面内31P、1H、19F、23Na核素的频谱，提取31P、1H、19F、23Na的绝对值谱进行积分，积分值标记为层面内31P、1H、19F、23Na核素的信号强度；每种核素的信号强度最大值对应的形状射频脉冲功率即为当前脉冲重复周期(TR)对应的最佳形状射频脉冲功率。
采用实施例二的测量方法，以2 mmol/mL三氟乙醇、0.8 mmol/mL磷酸二氢钠的混合溶液为样品，层面的厚度为10mm，形状射频脉冲的宽度设置为2ms，TR设置为800ms，在多核素MRI系统联机实验，同步测试31P、1H、19F、23Na的信号强度随脉冲功率的变化情况，获得的结果分别如图4、图5、图6和图7所示，多核素MRI系统形状射频脉冲的功率用相对值dB 表示，每种核素的信号变化趋势与本发明预期相符合，获得了31P、1H、19F、23Na四种核素在层面的厚度为10mm、TR为800ms，激发脉冲分别为SINC、SINC、Hermite和gauss形状射频脉冲，宽度为2ms时的最佳脉冲功率分别为51dB、55dB、42dB和58dB。
实施例三
本实施例与实施例二基本相同，不同之处在于：步骤（1）中，先期同步激发磷23Na、31P，之后同步激发1H、19F。
如图8所示，23Na、31P、1H、19F四核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法，包括以下步骤：
（1）在同一个脉冲序列重复周期（TR）内分别使用Gauss、SINC形状射频脉冲配合选层梯度选择性同步激发一个层面内的23Na、31P核素，两个射频频脉冲功率值用参数plvl表示，接着在层面编码梯度通道Gs相对于选层梯度的反方向施加频率编码梯度的同时采集23Na、31P核素的自由感应衰减信号FID1和FID２；
之后分别用SINC、Hermite形状射频脉冲配合选层梯度选择性同步激发一个层面内的1H、19F核素，两个形状射频脉冲的等效中心与选层梯度的预期中心对齐，形状射频脉冲功率值都用参数plvl表示，之后在层面编码梯度通道Gs相对于选层梯度的反方向施加频率编码梯度的同时采集1H、19F两种核素的自由感应衰减信号FID3和 FID4；
（2）同步、从小到大改变23Na、31P、1H、19F四种核素的形状射频脉冲功率plvl，重复步骤（1），每种核素获得多个与其形状射频脉冲功率plvl对应的FID信号。
（3）对23Na、31P、1H、19F四种核素的FID信号FID1、FID2、FID3和 FID4分别进行傅里叶变换获得层面内23Na、31P、1H、19F核素的频谱，提取23Na、31P、1H、19F的绝对值谱进行积分，积分值标记为层面内323Na、31P、1H、19F核素的信号强度；每种核素的信号强度最大值对应的形状射频脉冲功率即为当前脉冲重复周期(TR)对应的最佳形状射频脉冲功率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在同一个磁共振成像的脉冲序列重复周期TR内，使用形状射频脉冲配合选层梯度选择性同步激发一个层面内的多种核素，之后在层面编码梯度通道相对于选层梯度的反方向施加频率编码梯度，同时采集所有核素的自由感应衰减FID信号；
或者使用形状射频脉冲配合选层梯度选择性先期激发一个层面内的一种或多种核素，之后在层面编码梯度通道相对于选层梯度的反方向施加频率编码梯度，同时采集先期激发核素的自由感应衰减FID信号，然后使用形状射频脉冲配合选层梯度选择性同步激发同一层面内的其他多种核素，之后在层面编码梯度通道相对于选层梯度的反方向施加频率编码梯度，同时采集其他多种核素的自由感应衰减FID信号；
（2）多次同步改变所有核素的形状射频脉冲功率值并重复步骤（1），每种核素均获得多个与其形状射频脉冲功率值相对应的自由感应衰减FID信号；
（3）对步骤（2）中每种核素的多个自由感应衰减FID信号分别进行傅里叶变换，获得层面内该核素的频谱并提取绝对值谱；对每种核素的绝对值频谱进行积分，积分值标记为层面内这种核素的信号强度；每种核素的信号强度最大值对应的形状射频脉冲功率值即为当前脉冲序列重复周期TR对应的最佳形状射频脉冲功率。
2.根据权利要求1所述的多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法，其特征在于，步骤（1）中，同步激发核素时，所有形状射频脉冲的等效中心与选层梯度的预期中心对齐。
3.根据权利要求1或2所述的多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法，其特征在于，步骤（2）中，同步改变所有核素的形状射频脉冲功率，形状射频脉冲功率从小到大等间距逐步变化，形状射频脉冲功率的变化范围需满足每种核素的信号强度变化趋势为先增大至最大值后减小。
4.根据权利要求3所述的多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法，其特征在于，所述间距为磁共振成像系统射频发射机可区分的间隔或其整倍数。
5.多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量系统，其特征在于，用于权利要求1-4任一项的测量方法，包括
数据捕获模块，用于获取多核素MRI系统采集到的所有成像核素的自由感应衰减FID信号数据及与其对应的形状射频脉冲的功率值、形状和宽度，以及层面的层厚和脉冲序列重复周期TR；
数据处理模块，用于对所有成像核素的自由感应衰减FID信号数据进行傅里叶变换，获得频谱并提取绝对值谱，选择绝对值谱中的谱峰并积分比较，确定最佳形状射频脉冲功率；
数据输出模块：输出最佳形状射频脉冲功率给多核素MRI系统，并存档每种核素的形状射频脉冲的最佳功率值、形状和宽度，以及层面的层厚和脉冲序列重复周期TR。
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