CN1867835B - 磁共振成像系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于磁共振成像的系统和方法。为了获得高分辨率成像，提出了一种磁共振成像系统和方法，其中使用第一共振频率的磁共振信号用于k-空间的中心部分，使用第二共振频率的磁共振信号用于k-空间的周边部分。在本发明的优选实施例中，对于k-空间的中心部分使用非质子磁共振信号，而对于k-空间的周边部分使用质子磁共振信号。因此，重建的磁共振图像显示了与非质子原子核相关的对比度和由质子控制的高分辨率。因而，本发明特别提供了一种使用有限时间对非质子磁共振信号进行采集的解决方案。

Description

磁共振成像系统和方法
技术领域
本发明涉及一种磁共振(MR)成像系统和方法。
背景技术
使用1H原子核(质子)的MR成像技术是现有技术中公知的。在过去几年中，人们已经注意到了使用源自除了质子之外的原子核例如13C或31P的磁共振信号的MR成像技术。非质子原子核的MR成像中的一个重要问题是，用于成像这种原子核的较低信噪比(SNR)。该低SNR的原因是，在其他因素中，与质子相比，这种原子核具有低得多的自然丰度(natural abundance)、它们的更低的旋磁比和浓缩物质的低浓度。为了克服这个问题和获得足够的SNR，可以通过多种方法增强原子核的极化。
这些方法中的一个是使这些原子核超极化。然而，应用到该磁场中的第一个射频(RF)脉冲将显著减少超极化程度，从而限制了MR信号读出(回波)的总数量。该限制数量的MR回波信号又导致所得到磁共振成像的受限的空间分辨率。在过去，已经应用了单脉冲技术来克服这些困难。
另一个方面是，在该MR信号的采集期间，超极化的磁化强度回迅速衰减。这种衰减将引起点传播函数(point-spread function)的加宽，该函数是该信号衰减的傅里叶变换。这进一步限制了使用非质子原子核成像的分辨率。
对于非质子原子核，其旋磁比小于质子，例如其对质子的比率对于19F和3He等于70％，而对于13C和129Xe则分别等于25％。这意味着对于给定梯度强度，k-空间遍历的效率减少。因而，对于给定分辨率和给定梯度振幅，其重复时间必须是13C和129Xe的四倍长。对于典型的梯度系统参数，对于质子，用于以足够分辨率如2mm分辨率对整体目标成像的重复时间，总计等于2.5到3ms。对于其他原子核例如13C，该重复时间将是10到15ms。这意味着即使极化MR信号的较慢衰减也会被该MR信号固有的较慢读出所抵消。
作为该事实的结果，仅有有限的时间采集该超极化核素(hyperpolarized species)的MR图像，并且重复时间相对较长，图像的分辨率被固有限制。举例来说，在400mm的视场(FOV)中，2mm的标定分辨率需要200个相位编码步骤，即对于k-空间的单个平面需要2到3秒读出。为了实现对于目标物的足够覆盖，必须对k-空间中的多个切片或平面进行采样，典型地为40-100个。这就导致了100-300秒的读出时间。在这种情况下，图像会非常模糊以致于根本不能达到2mm的分辨率。以更高的分辨率例如0.5-1.0mm的分辨率成像时，考虑到对于单个切片所需的300-500个相位编码步骤和7-10ms的标定重复时间，问题会更加严重。
根据现有技术可以得知，组合采集技术提供了对于含水核素(aqueous species)获得足够的时间分辨率和/或空间分辨率的一些优点。这种采集技术在US 6400151中公开。其中使用不同序列的高频脉冲和磁场梯度脉冲来从水质子中采集不同组MR信号。这些水质子MR信号被组合以构成k-空间，从而对于k-空间的不同频带使用不同组。然而，所给出的这种方法没有提供一种对于使用有限时间来采集非质子MR信号的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁共振成像系统和方法，能够根据除了水之外的核素对于原子核进行高分辨率成像。
根据本发明，该目的是通过一种MR成像系统来实现，该系统包括：采集模块，用于使用第一共振频率对k-空间的中心部分采集第一磁共振信号和使用第二共振频率对k-空间的周边部分采集第二磁共振信号，数据模块，用于将对应于该第一磁共振信号的第一k-空间数据和对应于该第二磁共振信号的第二k-空间数据组合以构成完整的k-空间，和图像模块，用于通过将k-空间变换到图像空间而生成图像。因而术语“完整的k-空间”将被理解为具有对采样点的足够覆盖从而能够以目标分辨率重建图像的k-空间。
本发明的目的还通过一种MR成像方法来实现，该方法包括步骤：使用第一共振频率对k-空间的中心部分采集第一磁共振信号，使用第二共振频率对k-空间的周边部分采集第二磁共振信号，将对应于该第一磁共振信号的第一k-空间数据和对应于该第二磁共振信号的第二k-空间数据组合以构成完整的k-空间，和通过将k-空间变换到图像空间而生成图像。
根据本发明，关于k-空间中心部分和关于k-空间周边部分的信号是分别采集的。从而已经考虑到，k-空间的这两部分提供不同的信息，这些信息有利地可以在MR成像过程中使用。因而利用了这一事实，即首先由k-空间的中心来确定MR图像的SNR和对比度特性，而k-空间的周边提供关于该MR图像的良好分辨率的信息。为了提供增强的MR图像，本发明建议以不同的MR共振频率工作。因此本发明使用的MR设备适应于在两个或更多不同的MR共振频率工作。
基于以下优选实施例，进一步来详细说明本发明的这些和其他方面。
在本发明的优选实施例中，这包括多核成像，例如使用质子和非质子原子核，例如1H和13C。从而，优选地使用超极化非质子核素，并且因而该用于采集第一磁共振信号的模块适应于例如超极化13C。也可以使用其他核素例如未超极化的非质子核素。例如可以进行31P成像而不进行额外的极化。
在本发明的实施例中，对于k-空间的中心部分采集该非质子原子核的磁共振信号，特别是对于该k-空间的中心。对于k-空间的周边部分采集磁共振信号，特别是来自H2O中的1H。这就是说，k-空间的中心部分被来自具有非质子原子核的核素的数据覆盖，而k-空间的外围部分被质子数据覆盖。该质子数据可以在非质子数据采集之前或之后采集。在本发明的一个优选实施例中，将除了质子之外的MR信号产生原子核施加到该物体上。如果该被扫描物体对施加包含具有其他原子核的化学物质的对比剂敏感，那么有利地可以首先通过例如执行快速水扫描来采集全部相关的质子数据。
然后根据来自该k-空间的中心部分的非质子MR信号和来自k-空间的周边部分的质子MR信号重建该磁共振图像。因此，该重建MR图像显示了由非质子原子核确定的对比度分布，该非质子原子核的分辨率被水质子信号增强。也就是说，该图像包含高分辨率的非质子对比度分布。
优选地，在高分辨率需要关于k-空间的周边部分的质子MR数据，例如来自H2O中的1H。从而获得了范围在1-2mm的优选分辨率。在低分辨率，典型地为4-5mm，需要关于其他原子核如13C或者关于其他环境中的1H的MR数据。由于k-空间的深度与具有给定旋磁比的分辨率成反比，所以对于在一个方向上的中心部分，该k-空间的中心部分和周边部分之间的比例因子的典型值为20-25％。
对于k-空间的中心部分的信号采集仅需要较短的采集时间。因而，该方法可以提供一种对于使用有限时间采集非质子MR信号的解决方案。因为该较短的采集时间，该非质子原子核的激励的快速衰减既不会限制该重建组合图像的SNR，也不会限制其有效的点传播函数。该重建的MR图像显示了与该非质子原子核相关的对比度和由质子控制的良好分辨率。
利用根据本发明的多核成像的组合采集技术，可以通过组合非质子和质子MR信号来扩展非质子k-空间，从而克服成像超极化非质子磁化的固有限制。
一般地，本发明可以用于通过MR方法检测的任何自旋承载物质。自由基承载电子的自旋，其具有与质子相比非常高的灵敏度。这意味着，利用电子自旋共振(ESR)可以检测到更低的浓度。为了实现利用ESR在有损样本例如人体中的高分辨率成像，必须克服与电子自旋信号的线宽相关的问题。在本发明的另一优选实施例中，建议从电子自旋中采集该第一磁共振信号。从而该中心k-空间被充满ESR信号以确定整体对比度分布，而通过例如覆盖k-空间的外围部分的水质子信号来增强分辨率。
在本发明的另一优选实施例中，仅使用来自相同种类原子核例如仅质子的MR数据。这种系统可以用于例如1H CSI(质子化学位移成像)。在本实施例中，从例如肌氨酸、乳酸盐或胆碱等中的1H中采集第一MR数据，其特征是与水质子实质不同的拉莫尔(Larmor)频率，而从例如H2O中1H中采集第二MR数据。因此，根据本发明的方法还可以用于增强例如代谢物的1H光谱图像的分辨率。因此除了本实施例仅使用质子的事实之外，该方法和设备的所有上述特征也都是可用的。
优选地，通过将对应于第一MR信号的多个第一k-空间行的数据与对应于第二MR信号的多个第二k-空间行的数据组合而获得用于构成完整k-空间的k-空间数据的组合。从而在本发明的一个优选实施例中，用该第一k-空间数据代替该第二k-空间数据的一部分来构成完整的k-空间。在这种情况下，可以重建和(再)观察源自该第二MR信号的完整图像，其可以包含附加的相关对比度或结构信息。在本发明的另一实施例中，将该第一k-空间数据添加或结合到该第二k-空间数据中以构成完整的k-空间。通过省去中心k-空间，可以将数据采集所需的时间减少20-25％。
在本发明的另一实施例中，可以从例如一组不同水图像之外选择外围k-空间的数据。这可以通过该MR成像系统的用户手动或者甚至由相应参数的分析而自动完成。通过这种测量，可以根据该目标结果选择最合适的数据组。
根据本发明，在基于使用至少两个不同共振频率的数据采集的第一和第二MR信号的基础上，形成最终的磁共振图像。换句话说，根据源自具有不同旋磁比的至少两个原子核或者源自相同原子核例如质子的MR回波的组合数据组形成该最终的MR图像，其经历了不同环境从而显示了导致频率偏移的化学位移。也就是说，该MR设备能够以两个共振频率工作，适应于质子和特定原子核或者在不同环境中的质子。本发明中使用的采集策略对于k-空间的中心和周边或外围部分不同，其中使用不同的MR频率来匹配不同原子核或不同环境中的相同原子核的共振频率。
该相应的用于采集磁共振信号的设备(MR设备)还包括用于建立梯度磁场的线圈、电流供给设备、高频发生器、控制设备、RF信号天线、读出设备等。所有应用都适应于执行根据本发明的方法。特别地，该MR设备适应于以相应的梯度振幅变化伴随旋磁比的变化，以及提供足够的梯度功率以在足够短的时间内获得足够的分辨率。所有设备模块例如用于测量时间、频率和RF脉冲的振幅参数、梯度和回波读出的控制设备以这种方式构建和编程，从而使得用于获取数据和数据处理的过程根据本发明的方法进行。
该组合数据和生成图像的步骤优选地在与该MR设备连接的计算机上进行。优选地，该计算机是MR成像系统的集成部件。此外该计算机还包括中央处理器(CPU)、总线系统、记忆装置例如RAM或ROM、存储装置例如软盘或硬盘单元、和输入/输出单元。所采集的源自MR扫描的原始MR数据被变换到该计算机并存储在其中，以便在图像重建之前组合该数据而构成完整的k-空间。
本发明的目的还通过一种计算机程序来实现，该计算机程序包括，适应于当该计算机程序在MR成像系统的计算机中运行时执行根据本发明的MR成像方法的计算机指令。从而，根据本发明，产生磁共振图像所必需的技术效果可以基于该根据本发明的计算机程序的指令来实现。这种计算机程序可以存储在载体例如CD-ROM上，或者可以通过因特网或其他计算机网络使用。在执行之前，通过从该载体读取该计算机程序而将该计算机程序加载到计算机中，例如通过CD-ROM播放器或者从因特网上，并且将其存储在计算机的存储器中。
附图说明
下面以示例的方式，参照以下实施例和附图对本发明的这些和其他方面进行详细说明，其中：
图1是示出了可以在其上实施优选实施例的系统的概况的框图；
图2是示出了用于执行根据本发明的方法的步骤的流程图；
图3是示出了根据本发明第一实施例的k-空间数据的示意图；
图4是示出了根据本发明第二实施例的k-空间数据的示意图；
图5是示出了根据本发明第三实施例的k-空间数据的示意图；
具体实施方式
图1的简化框图中示出了一种其上可以实施优选实施例的典型的MR成像系统。该成像系统1主要包括采集模块2以及组合的数据和图像模块3。
采集模块2包括用于产生静态磁场的磁体4，磁场梯度系统5，包括梯度放大器和用于空间选择和空间编码的梯度线圈。而且，成像系统1包括RF放大器，用于产生测量脉冲以激励该原子核的RF发射线圈，RF接收线圈，和用于从该原子核检测重发射信号的放大器。发射线圈和接收线圈电子和物理集成到RF线圈6中。这些部件被连接到用于数据采集控制的采集和控制设备7。该采集和控制设备7包括计算机系统和适于在该计算机系统上运行的计算机程序。这些计算机程序适应于控制数据采集过程。例如使用脉冲序列程序来控制用于激励该原子核的测量脉冲的序列。为了采集k-空间的周边和中心部分的数据，采集和控制设备7适应于通过例如使用滤波器来选择MR谱的一部分。这些滤波技术也通过特定的计算机程序控制。也可以应用其他本身已知的技术来简化该光谱和将信号强度集中到更少的谱线，例如使用宽带去耦以减少关于某个原子核的NMR谱的宽度。利用这种去耦技术，可以有效地除去质子的自旋自旋耦合。
此外，采集模块2包括用于存储和归档原始k-空间数据和图像数据的归档系统，和用于显示该图像和操作员输入控制参数的操作和观察控制台。
连接到采集模块2的组合的数据和图像模块3用于数字信号处理和图像处理。该数据和图像模块3包括计算机系统和在该计算机系统上运行的计算机程序。这些计算机程序还适于执行根据本发明的数字信号处理和图像处理步骤。
图2的简化流程图中示出了执行根据本发明的磁共振成像方法的必要步骤。
在所示实施例中，应用了一种多核成像技术，使用了质子1H和超极化非质子原子核13C。该方法包括使用4mm分辨率的13C共振频率对k-空间的中心部分采样第一磁共振信号的第一步骤8。在低信号振幅的情况，对于中心k-空间可以获取多个均值。在采集之后，将原始MR响应存储在计算机存储器中并且变换到该数据和图像模块3用于在下一步9中进行进一步处理。
在下一步骤10中，通过使用1mm分辨率的1H共振频率的H2O扫描对于k-空间的周边部分采集第二磁共振信号。该1H数据是在13C数据的采集之后采集。在最简单的情况，1H和13C采集的FOV以及k-空间中的采样中间的距离是相等的，即该梯度强度被调节以适应于不同的旋磁比。然而，这不是关键的。在下一步11中再次存储所得的原始数据并变换到数据和图像模块3。由于已经获得k-空间的多个部分的数据，该方法包括执行索引技术来使内部和外围k-空间数据相关联。
在这些采集步骤8、10之后，在步骤12中构成完整的k-空间，其中利用该13C数据覆盖k-空间的内部或中心部分，而利用1H数据覆盖k-空间的外围或周边部分。该组合步骤12由计算机系统执行，该计算机系统是数据和图像模块3的一部分。在一个简单情况中，一个相应的计算机程序将该13C数据添加到1H数据中。在该组合过程期间会发生k-空间的不连续，但是已知仅有有限的不利影响。然而，在优选实施例中，相应地应用校正技术例如使用共轭梯度技术的网格或迭代重建。
在k-空间密度对于内部和外围k-空间变化的情况下，可以应用k-空间滤波来匹配不同的密度。用于这一目的的不同的滤波技术是现有技术中已知的。
在构成完整的k-空间后，在下一步13中通过将k-空间变换到图像空间而产生图像。该图像是通过将图像形成算法一般为傅里叶变换应用到该组合的k-空间而形成的。为了产生该图像，应用了一个计算机系统，该计算机系统优选地为数据和图像模块3的一部分，并且使用用于实施该傅里叶变换的相应的计算机软件。由于该形成的图像是基于通过所述多核扫描技术而采集的k-空间数据，所以现在该重建图像显示了与13C数据相关的对比度分布和由1H数据控制的高分辨率。在图像生成后，在观察控制台中显示该图像并且最终在步骤14中将其存储在图像档案中。
在本发明的上述第一实施例中，使用了对于1H和13C相等的FOV。而且，k-空间的步长大小在每一维中(读出，第一和第二相位编码方向)是相等的。在这种配置中，1H和13C所需要的梯度区域必须以旋磁比定标。因而对用于该组合数据采集的脉冲程序进行自适应。换句话说，该脉冲程序在规定脉冲序列时要考虑该比率。这将使得两原子核的数字化MR数据点形成正确的矩形网格，该网格可以被施加快速傅里叶变换算法而不进行进一步处理。这在图3中是可以观察的，其中水平轴被理解为kx，垂直轴被理解为ky。通过使用1H共振频率的数据采集所得到的k-空间数据点15在左手侧示出。通过使用13C共振频率的数据采集所得到的k-空间数据点16在中间示出。在右手侧示出了通过将第一k-空间数据添加到第二k-空间数据而重建的完整的k-空间。向3D k-空间的扩展是直接可得的。
在本发明的第二实施例中，说明了一种更先进的情况。其中k-空间中的距离对于不同的原子核是不同的。这种k-空间中的不连续性通过网格方法被校正。该序列程序为重建程序提供了关于该数字化MR回波信号的位置的信息。然后该重建程序将该结果配合到矩形网格中。图4中，在左手侧示出了通过使用该第二共振频率的数据采集所得到的k-空间数据点18和通过使用该第-共振频率的数据采集所得到的k-空间数据点19。在右手侧示出了具有不同距离的完整k-空间20和完整的网格k-空间21。
在第三实施例中，无读出地按照正方形对中心k-空间进行采集，但是对两个方向都进行例如对于化学位移成像(CSI)的相位编码。这就导致了图5中所示的情形，假定等距离的k-空间离散化。通过使用第二共振频率的数据采集所得到的k-空间数据点22在左手侧示出。通过使用第一共振频率的数据采集所得到的k-空间数据点23在中间示出。在右手侧示出了完整的k-空间24。该完整的k-空间24通过用第一k-空间数据代替第二k-空间数据的一部分而重建。换句话说，关于该第二共振频率的数据是一个完整的数据组，而形成k-空间的中心的、关于第一共振频率的数据被添加以代替在第二共振频率采集的数据点。
对于本领域普通技术人员显而易见地，本发明不限于前述实施例的细节，并且本发明可以以各种特定形式实现而不脱离其精神或关键属性。因而本发明在所有方面都被认为是举例性和非限制性的，本发明的范围通过所附的权利要求而不是前述说明来表示，因此所有来自该权利要求的等效的意义和范围的改变都被包含在其中。此外，显而易见地，词语“包括”不排除其他元件或步骤，词语“一”或“一个”不排除多个，并且单个元件例如计算机系统或另一单元可以完成在权利要求中所述多个装置的功能。权利要求中任何参考标记不应当被解释为对相关权利要求的限制。

Claims (11)

1.一种磁共振成像系统(1)，包括：
-采集模块(2)，用于使用第一共振频率对k-空间的中心部分采集第一磁共振信号，和使用第二共振频率对k-空间的周边部分采集第二磁共振信号，该第二共振频率不同于第一共振频率，
-数据模块(3)，用于将对应于该第一磁共振信号的第一k-空间数据和对应于该第二磁共振信号的第二k-空间数据组合以构成完整的k-空间，和
-图像模块(3)，用于通过将k-空间变换到图像空间而生成图像。
2.如权利要求1所述的系统，其中该用于组合第一和第二k-空间数据的数据模块(3)适应于用该第一k-空间数据代替第二k-空间数据的一部分以构成完整的k-空间。
3.如权利要求1所述的系统，其中该用于组合第一和第二k-空间数据的数据模块(3)适应于将该第一k-空间数据添加到第二k-空间数据中以构成完整的k-空间。
4.如权利要求1所述的系统，其中该用于采集第一磁共振信号的采集模块(2)适应于从质子采集信号。
5.如权利要求4所述的系统，其中该用于采集第一磁共振信号的采集模块(2)适应于从除了H2O之外的其他物质的质子采集信号。
6.如权利要求1所述的系统，其中该用于采集第一磁共振信号的采集模块(2)适应于从非质子原子核采集信号。
7.如权利要求6所述的系统，其中该用于采集第一磁共振信号的采集模块(2)适应于从超极化的非质子原子核采集信号。
8.如权利要求1所述的系统，其中该用于采集第一磁共振信号的采集模块(2)适应于从电子自旋采集信号。
9.如权利要求1所述的系统，其中该用于采集第二磁共振信号的采集模块(2)适应于从质子采集信号。
10.如权利要求9所述的系统，其中该用于采集第二磁共振信号的采集模块(2)适应于从H2O的质子采集信号。
11.一种磁共振成像方法，该方法包括步骤：
-使用第一共振频率对k-空间的中心部分采集(8)第一磁共振信号，
-使用第二共振频率对k-空间的周边部分采集(10)第二磁共振信号，该第二共振频率不同于第一共振频率，
-将对应于该第一磁共振信号的第一k-空间数据(16，19，23)和对应于该第二磁共振信号的第二k-空间数据(15，18，22)组合(12)以构成完整的k-空间(17，21，24)，和
-通过将k-空间变换到图像空间而生成(13)图像。
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