CN117084658A - 磁共振化学交换饱和转移成像方法、系统以及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种磁共振化学交换饱和转移成像方法、系统、设备、存储介质，该磁共振化学交换饱和转移成像方法包括：针对待检测区域施加一个持续第一预设时间的射频饱和脉冲；针对所述待检测区域施加射频回波脉冲，并采集所述射频回波脉冲激活后产生的若干梯度回波信号；利用径向采样方式，沿预设方向读取所述若干梯度回波信号，以生成磁共振图像。通过上述方式，本申请通过梯度回波读数，有效缩短信号采集时间，通过径向采集方式，有效抑制运动伪影，针对所采集的化学交换饱和转移成像波谱数据，应用拟合等后处理方式实现水脂信号分离，并提取、分析目标信号。
Description
技术领域
本申请涉及磁共振CEST成像技术领域，特别涉及一种磁共振化学交换饱和转移成像方法、系统、设备、存储介质。
背景技术
磁共振CEST成像方法(Chemical exchange saturation transfer，CEST)的研究始于2000年，由于其具有崭新的磁共振对比机制而迅速得到广泛关注，成为研究大分子化学交换和化学动力学的全新敏感途径。其原理是选择性的施加某个特殊共振频率的射频(radio frequency,RF)脉冲信号来饱和相应的质子(如图1，pool B)，在适当的环境下这些质子会和周围水分子(如图1，poolA)发生化学交换，进而将部分饱和转移到水分子上，通过检测水分子信号的降低来体现CEST效应的强弱(如图1)。饱和脉冲施加期间发生的化学交换过程使得质子信号的丢失得以显著放大，因此，CEST对比度与利用磁共振波谱技术直接观测这些质子相比更加敏感。与其他磁共振对比机制，如T1，T2以及弥散加权成像等技术相比，CEST可以探索某一特点频率上含有可交换质子的分子靶点，对生物体内在的代谢物质和微观环境非常敏感，是一种独特的分子影像手段。由于化学交换与生物体组织的生理环境密切相关，因此CEST可用来对于细胞内外酸碱平衡性、代谢特征等多个重要的生理参数进行成像，在检测和评估代谢紊乱、组织缺血等多种疾病上发挥关键作用。
然而，在进行腹部CEST成像时，人体运动(包括呼吸，非自主移动等)会给CEST图像引入运动伪影，特别是在腹部扫描时，呼吸运动会严重破坏K空间采集数据的一致性，影响磁共振图像重建质量，造成CEST信号定量的误差；部分场景下，脂肪信号过强，对CEST结果产生严重干扰。
发明内容
本申请主要提供一种磁共振化学交换饱和转移成像方法、系统、设备、存储介质，以解决传统的磁共振成像方法容易引入运动伪影，影响磁共振图像重建质量以及脂肪信号干扰CEST信号定量的问题。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种磁共振化学交换饱和转移成像方法，所述磁共振化学交换饱和转移成像方法包括：
针对待检测区域施加一个持续第一预设时间的射频饱和脉冲；
针对所述待检测区域施加射频回波脉冲，并采集所述射频回波脉冲激活后产生的若干梯度回波信号；
利用径向采样方式，沿预设方向读取所述若干梯度回波信号，以生成磁共振图像。
根据本申请提供的一实施方式，所述径向采样方式中的径向采样辐条数为151条，所述第一预设时间为50ms，每次径向采样的梯度回波束为6。
根据本申请提供的一实施方式，所述若干梯度回波信号的信号衰减模型为：
其中，Sn表示回波时间TWn时的回波信号强度，n＝1,2,…,N≥3，N表示回波的个数；ρω表示水信号强度；ρf表示脂肪的信号强度；P表示脂肪的波峰分量个数，各个分量相对的幅值为αp，满足 表示其相应的化学位移；fB＝γΔB为局部磁化强度；fF,p表示第p个脂肪波峰分量相对于水的化学位移。
根据本申请提供的一实施方式，所述磁共振化学交换饱和转移成像方法还包括：
获取若干梯度回波信号的若干磁共振图像；
利用预设水脂分离算法，从所述若干磁共振图像中划分出磁共振水图像和磁共振脂肪图像；
利用所述磁共振水图像进行信号量化，基于信号量化结果获取浓度信息。
根据本申请提供的一实施方式，所述预设水脂分离算法为基于多分辨率局部增长的自检验场图估计算法。
根据本申请提供的一实施方式，所述利用所述磁共振水图像进行信号量化之前，所述磁共振化学交换饱和转移成像方法还包括：
响应于用户指令，在所述磁共振水图像中选取所述用户指令对应的感兴趣区域。
根据本申请提供的一实施方式，所述利用所述磁共振水图像进行信号量化包括：
基于所述磁共振水图像，获取所述感兴趣区域中像素点的Z谱；
对所述Z谱进行后处理矫正，对称性分析和多池洛伦兹拟合。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种磁共振化学交换饱和转移成像系统，所述磁共振化学交换饱和转移成像系统包括：脉冲模块、回波模块以及成像模块；其中，
所述脉冲模块，用于针对待检测区域施加一个持续第一预设时间的射频饱和脉冲；
所述回波模块，用于针对所述待检测区域施加射频回波脉冲，并采集所述射频回波脉冲激活后产生的若干梯度回波信号；
所述成像模块，用于利用径向采样方式，沿预设方向读取所述若干梯度回波信号，以生成磁共振图像。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种磁共振化学交换饱和转移成像设备，所述磁共振化学交换饱和转移成像设备包括存储器以及与所述存储器耦接的处理器；
其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于执行所述程序数据以实现如上述的磁共振化学交换饱和转移成像方法。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质用于存储程序数据，所述程序数据在被计算机执行时，用以实现如上述的磁共振化学交换饱和转移成像方法。
本申请提供了一种磁共振化学交换饱和转移成像方法、系统、设备、存储介质，该磁共振化学交换饱和转移成像方法包括：针对待检测区域施加一个持续第一预设时间的射频饱和脉冲；针对所述待检测区域施加射频回波脉冲，并采集所述射频回波脉冲激活后产生的若干梯度回波信号；利用径向采样方式，沿预设方向读取所述若干梯度回波信号，以生成磁共振图像。通过上述方式，本申请通过梯度回波读数，有效缩短信号采集时间，通过径向采集方式，有效抑制运动伪影，针对所采集的化学交换饱和转移成像波谱数据，应用拟合等后处理方式实现水脂信号分离，有效压制脂肪信号干扰，并提取、分析目标信号。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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，其中：
图1是本申请提供的mGRE-CEST磁共振序列时序图；
图2是本申请提供的磁共振化学交换饱和转移成像方法一实施例的流程示意图；
图3是本申请提供的顺序径向K空间采样示意图；
图4是本申请提供的磁共振化学交换饱和转移成像方法另一实施例的流程示意图；
图5是本申请提供的水脂分离前后Z谱对比的示意图；
图6是本申请提供的mGRE-CEST与FSE-CEST对比图；
图7是本申请提供的磁共振化学交换饱和转移成像系统一实施例的结构示意图；
图8是本申请提供的磁共振化学交换饱和转移成像设备一实施例的结构示意图；
图9是本申请提供的计算机存储介质一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明，若本申请实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
CEST序列一般包含饱和模块和采集模块。施加一定时间的饱和脉冲，使溶质分子被充分饱和，自由水氢质子和溶质氢质子之间发生化学交换，因此将饱和从溶质传递到自由水上，经过一段时间的累积，引起自由水信号的衰减。通过检测水信号的变化，间接反映该物质的信息。
人体运动会给CEST图像引入运动伪影(motion artifact)，特别是在腹部扫描时，呼吸运动会严重破坏K空间采集数据的一致性，影响磁共振图像重建质量，造成CEST信号定量的误差。
由于腹部的呼吸运动和脂肪沉积对CEST磁共振图像产生干扰，而现有技术大多适用于大脑和四肢的扫描，不适用于腹部。FSE序列采集图像时，其流动和运动伪影增加。而采集肝脏部位的图像时，由于腹部的呼吸无法控制，采集的图像会出现运动伪影，运动伪影会对CEST信号量化造成误差。除此之外，FSE序列会使脂肪组织信号增强，脂肪信号的存在会在Z谱上与CEST信号重叠，不利于CEST信号的精确量化。
针对现有技术在腹部扫描时存在的缺点，本申请设计一种新型CEST序列(mGRE-CEST)具体如图1所示，该序列保留了径向采集方式的优势，有效抑制运动伪影。
对此，本申请提供了一种具体的磁共振化学交换饱和转移成像方法。具体请参阅图2，图2是本申请提供的磁共振化学交换饱和转移成像方法一实施例的流程示意图。
如图2所示，本申请实施例的磁共振化学交换饱和转移成像方法具体可以包括以下步骤：
步骤S11：针对待检测区域施加一个持续第一预设时间的射频饱和脉冲。
步骤S12：针对待检测区域施加射频回波脉冲，并采集射频回波脉冲激活后产生的若干梯度回波信号。
在本申请实施例中，所采用的设计序列的序列图如图1所示，在饱和模块的设计中，首先施加一个高斯饱和脉冲，持续时间为50ms。进行充分的预饱和后，继续施加一个90°的射频脉冲，射频脉冲激发之后会产生若干回波，如图1所示的6个回波，若干回波的信号依次降低，其信号衰减模型如以下公式所示：
其中，Sn表示回波时间TEn时的回波信号强度，n＝1,2,…,N≥3，N表示回波的个数；ρω表示水信号强度；ρf表示脂肪的信号强度；P表示脂肪的波峰分量个数，各个分量相对的幅值为αp，满足 表示其相应的化学位移；fB＝γΔB为局部磁化强度；fF,p表示第p个脂肪波峰分量相对于水的化学位移。
其中，γ＝42.576MHz/T为氢质子的旋磁比。
本步骤设计一种新型CEST图像采集序列，该序列采用梯度回波(Gradient Echo，GRE)读数，该采集方式不需要再重复施加激发脉冲，在一次激发脉冲后，可以采集多个回波，有效缩短信号采集时间。
步骤S13：利用径向采样方式，沿预设方向读取若干回波信号，以生成磁共振图像。
在本申请实施例中，所采用的K空间采样方式为顺序径向采样，如图3所示。在径向采样中，“辐条”不断的穿过中心区域，使得K空间数据的中心过采样，对K空间中心区域过度采集，会导致伪影的平均，径向采集的自门控效应也会进一步增强对运动伪影的阻力。如果径向采集的数据其K空间中心的信号数据发生了变化，则可以利用信号的冗余来校正运动对采集数据的影响。
本申请设计的径向采样辐条数为151条，且每次径向采样的梯度回波数为6，使用该参数能保证图像质量，并且保证采样时间较短。在其他实施例中，可以设计为其他数量的径向采样辐条数和梯度回波数，在此不再赘述。
本步骤采用的K空间采样方式为顺序径向填充，该方法可以有效抑制运动伪影。在其他实施例中，可以设计为其他顺序的径向采样方式，在此不再赘述。
在本申请实施例中，磁共振化学交换饱和转移成像方法包括：针对待检测区域施加一个持续第一预设时间的射频饱和脉冲；针对所述待检测区域施加射频回波脉冲，并采集所述射频回波脉冲激活后产生的若干回波信号；利用径向采样方式，沿预设方向读取所述若干回波信号，以生成磁共振图像。通过上述方式，本申请通过梯度回波读数，有效缩短信号采集时间，通过顺序径向采集方式，有效抑制运动伪影。
进一步地腹部存在脂肪沉积问题，目标CEST信号在Z谱上与脂肪信号产生的重叠也会引起量化误差。因此，本申请在图像预处理中加入水脂分离算法，消除脂肪信号对CEST信号量化产生的干扰。
具体请参阅图4，图4是本申请提供的磁共振化学交换饱和转移成像方法另一实施例的流程示意图。
如图4所示，本申请实施例的磁共振化学交换饱和转移成像方法具体可以包括以下步骤：
步骤S14：获取若干梯度回波信号的若干磁共振图像。
步骤S15：利用预设水脂分离算法，从若干磁共振图像中划分出磁共振水图像和磁共振脂肪图像。
在本申请实施例中，为了有效去除脂肪信号，本申请使用一种基于多分辨率局部增长的自检验场图估计算法实现水脂分离。该方法可以独立完成种子点的选取和局部增长，利用自检验机制将不同分辨率下的场图进行合并，保证种子点的场图估计值的正性,该方法可以有效解决水脂分离中水脂二义性产生的水脂分反的问题。
利用基于多分辨率局部增长的自检验场图估计算法计算磁共振图像，得到正确的场图，并结合以下式子，求得磁共振水图像和磁共振脂肪图像：
其中，S＝[S1,S2,…,SN]T，A＝[A1；A2；…；AN]， I是N×N矩阵，W为磁共振水图像，F为磁共振脂肪图像。
在其他实施例中，也可以采用其他成熟的水脂分离算法，在此不一一列举。
本步骤，采用水脂分离算法对CEST图像进行预处理，水脂分离算法将CEST图像分为水图和脂肪图，该方法可以有效去除图像中的脂肪信号。
步骤S16：利用磁共振水图像进行信号量化，基于信号量化结果获取浓度信息。
在本申请实施例中，对于采集的磁共振水图像，工作人员可以在磁共振水图像上选取感兴趣区域，从而自动生成感兴趣区域中像素点的平均Z谱，其中，Z谱需进行B0偏移矫正，并经过非对称性分析处理。处理后的Z-谱呈洛伦兹线型分布。
为消除DS效应(水饱和效应)和MT效应(磁化传递效应)，需要对上述预处理后的Z谱进行多池洛伦兹拟合，洛伦兹函数的表达式如以下公式所示：
其中，S(Δω)是标记频率信号，是相对于水偏移频率(Δω)的函数，S0是不施加饱和频率的信号强度，Ai，ωi，σi分别代表第i个峰的幅度，频率偏移，线型宽度，N表示拟合峰的个数。
在信号量化时，需要把目标中的CEST信号的幅度设置为零，使用洛伦兹线型去拟合Z谱中每个下降的位置。
本步骤，采用多池洛伦兹拟合的方法可以有效去除直接水饱和效应(DirectSaturation，DS)和磁化传递效应(Magnetization Transfer，MT)，使用该方法实现对目标信号的量化。
在仿体实验中，使用脂肪含量为20％的仿体。选择了厚度为3毫米的单个截面，读出分辨率为1mm，设置饱和功率(Saturation Power，B1-sat)为0.2μT。K空间的采集辐条数为151条，TE模式选择最小值，翻转角(FA)＝35°，回波数为6，TR为66.32毫秒。频率偏移范围是-5ppm到+5ppm，步长为0.2ppm，扫描次数为51(总共51张图像)，51张图像的扫描时间共计8.36分钟。在扫描S0图像时，将B1-sat设置为0，即不再进行质子饱和，并将频率偏移范围设置为-100ppm至-100ppm，扫描次数为3。
仿体实验的结果如图5所示。用本申请提出的序列在3T磁共振系统下扫描得到仿体CEST图像，在进行水脂分离前后分别做出Z谱。在水脂分离后，脂肪信号的CEST效应在Z谱上基本消失，因此使用该方法可以有效应对腹部脂肪沉积问题，消除脂肪信号对CEST信号量化造成的影响。
在动物实验中，使用6-8周的SD雄性大鼠。选择了厚度为2.5毫米的单个截面，读出分辨率为1mm，设置饱和功率(Saturation Power，B1-sat)为0.1μT。K空间的采集辐条数为151条，TE模式选择最小值，翻转角(FA)＝35°，回波数为6，TR为66.32毫秒。频率偏移范围是-4ppm到+4ppm，步长为0.2ppm，扫描次数为41(总共51张图像)，41张图像的扫描时间共计6.69分钟。在扫描S0图像时，将B1-sat设置为0，即不再进行质子饱和，并将频率偏移范围设置为-100ppm至-100ppm，扫描次数为3。
在动物实验中，使用本申请设计的序列采集动物腹部的CEST图像，并选取感兴趣区域(ROI)做出其Z谱，并与目前常用FSE序列进行对比。如图6所示，传统磁共振成像方法得到的相邻两幅CEST图像信噪比突变，本申请设计的序列可以有效抑制运动伪影，得到稳定的Z谱。动物实验的结果证明本申请所设计的序列可以有效抑制运动伪影。
本领域技术人员可以理解，在具体实施方式的上述方法中，各步骤的撰写顺序并不意味着严格的执行顺序而对实施过程构成任何限定，各步骤的具体执行顺序应当以其功能和可能的内在逻辑确定。
请继续参见图7，图7是本申请提供的磁共振化学交换饱和转移成像系统一实施例的结构示意图。本申请实施例的磁共振化学交换饱和转移成像系统400包括脉冲模块41、回波模块42以及成像模块43。
其中，所述脉冲模块41，用于针对待检测区域施加一个持续第一预设时间的射频饱和脉冲。
所述回波模块42，用于针对所述待检测区域施加射频回波脉冲，并采集所述射频回波脉冲激活后产生的若干梯度回波信号。
所述成像模块43，用于利用径向采样方式，沿预设方向读取所述若干梯度回波信号，以生成磁共振图像。
请继续参见图8，图8是本申请提供的磁共振化学交换饱和转移成像设备一实施例的结构示意图。本申请实施例的磁共振化学交换饱和转移成像设备500包括处理器51、存储器52、输入输出设备53以及总线54。
该处理器51、存储器52、输入输出设备53分别与总线54相连，该存储器52中存储有程序数据，处理器51用于执行程序数据以实现上述实施例所述的磁共振化学交换饱和转移成像方法。
在本申请实施例中，处理器51还可以称为CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)。处理器51可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器51还可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Process)、专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)、现场可编程门阵列(FPGA，FieldProgrammable Gate Array)或者其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器51也可以是任何常规的处理器等。
本申请还提供一种计算机存储介质，请继续参阅图9，图9是本申请提供的计算机存储介质一实施例的结构示意图，该计算机存储介质600中存储有程序数据61，该程序数据61在被处理器执行时，用以实现上述实施例的磁共振化学交换饱和转移成像方法。
本申请的实施例以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种磁共振化学交换饱和转移成像方法，其特征在于，所述磁共振化学交换饱和转移成像方法包括：
针对待检测区域施加一个持续第一预设时间的射频饱和脉冲；
针对所述待检测区域施加射频回波脉冲，并采集所述射频回波脉冲激活后产生的若干梯度回波信号；
利用径向采样方式，沿预设方向读取所述若干梯度回波信号，以生成磁共振图像。
2.根据权利要求1所述的磁共振化学交换饱和转移成像方法，其特征在于，
所述径向采样方式中的径向采样辐条数为151条，所述第一预设时间为50ms，每次径向采样的梯度回波数为6。
3.根据权利要求1所述的磁共振化学交换饱和转移成像方法，其特征在于，
所述若干梯度回波信号的信号衰减模型为：
其中，Sn表示回波时间TEn时的回波信号强度，n＝1,2,…,N≥3，N表示回波的个数；ρω表示水信号强度；ρf表示脂肪的信号强度；P表示脂肪的波峰分量个数，各个分量相对的幅值为αp，满足 表示其相应的化学位移；fB＝γΔB为局部磁化强度；fF,p表示第p个脂肪波峰分量相对于水的化学位移。
4.根据权利要求1所述的磁共振化学交换饱和转移成像方法，其特征在于，所述磁共振化学交换饱和转移成像方法还包括：
获取若干梯度回波信号的若干磁共振图像；
利用预设水脂分离算法，从所述若干磁共振图像中划分出磁共振水图像和磁共振脂肪图像；
利用所述磁共振水图像进行信号量化，基于信号量化结果获取浓度信息。
5.根据权利要求4所述的磁共振化学交换饱和转移成像方法，其特征在于，所述预设水脂分离算法为基于多分辨率局部增长的自检验场图估计算法。
6.根据权利要求4所述的磁共振化学交换饱和转移成像方法，其特征在于，所述利用所述磁共振水图像进行信号量化之前，所述磁共振化学交换饱和转移成像方法还包括：
响应于用户指令，在所述磁共振水图像中选取所述用户指令对应的感兴趣区域。
7.根据权利要求6所述的磁共振化学交换饱和转移成像方法，其特征在于，
所述利用所述磁共振水图像进行信号量化包括：
基于所述磁共振水图像，获取所述感兴趣区域中像素点的Z谱；
对所述Z谱进行后处理矫正，对称性分析和多池洛伦兹拟合。
8.一种磁共振化学交换饱和转移成像系统，其特征在于，所述磁共振化学交换饱和转移成像系统包括：脉冲模块、回波模块以及成像模块；其中，
所述脉冲模块，用于针对待检测区域施加一个持续第一预设时间的射频饱和脉冲；
所述回波模块，用于针对所述待检测区域施加射频回波脉冲，并采集所述射频回波脉冲激活后产生的若干梯度回波信号；
所述成像模块，用于利用径向采样方式，沿预设方向读取所述若干梯度回波信号，以生成磁共振图像。
9.一种磁共振化学交换饱和转移成像设备，其特征在于，所述磁共振化学交换饱和转移成像设备包括存储器以及与所述存储器耦接的处理器；
其中，所述存储器用于存储程序数据，所述处理器用于执行所述程序数据以实现如权利要求1～7任一项所述的磁共振化学交换饱和转移成像方法。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质用于存储程序数据，所述程序数据在被计算机执行时，用以实现如权利要求1～7任一项所述的磁共振化学交换饱和转移成像方法。
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