CN1950713A - 磁共振成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁共振(MR)成像系统和方法。为提供允许以最小过程成本获得成像序列最佳时间的磁共振成像系统和方法，提出一种磁共振成像系统，其中进行感兴趣结构的第一MR扫描以检测对比剂团到达感兴趣结构内，第一MR扫描采用对应于第一MR敏感核子的第一共振频率，至少重复该第一进行步骤直到已检测到对比剂团到达感兴趣结构内，以及进行感兴趣结构的第二MR扫描以采集MR图像，第二MR扫描采用对应于第二MR敏感核子的第二共振频率，该第二核子不同于第一核子。

Description

磁共振成像系统和方法

本发明涉及磁共振(MR)成像系统和方法。

在现有技术中采用¹H核子(质子)的MR成像技术是公知的。这些技术中的一种是对比增强磁共振血管造影术(MRA)。此处，静脉注射对比剂团，使T1加权图像的弛豫时间缩短。对比增强MRA可用作减少图像对比剂对血流的依赖性的一种途径。通过采用从测试剂团获得的预定剂团到达时间延迟图像采集，可进行动脉信号的选择性成像。可选择地，可采用荧光检查MR序列检测剂团的实际应有位置到达(in-situarrival)，随后快速切换到高分辨率成像序列，如在Foo，T.K.等人在Radiology 1997年4月；203(1)，第275-280页上发表的“Automated detection of bolus arrival and initiation of dataacquisition in fast，three-dimensional，gadolinium-enhancedMR angiography”一文中所描述的。

在最近的若干年中，人们已经将注意力集中在采用来源自质子以外的核子的磁共振信号的MR成像技术。非质子核子MR成像中存在的一个重要问题是对这种核子进行成像的低信噪比(SNR)。其中低信噪比的原因是这种核子与质子相比具有低得多的固有丰度，它们较低的旋磁比，以及浓缩物质的低浓度。为克服该问题以及达到足够的SNR，可通过几种方法促进核子的极化。这些方法中的一种是使这些核子超极化。超极化的化学核素(species)被认为对于实现血管造影目的特别有用。可设计成能保持在脉管系统内的制剂将允许进行选择性脉管成像。然而，这种方法带来几个问题。活体内极化寿命是有限的，不容许等待来自全部脉管(包括动脉和静脉)的适当稳态增强信号，从而需要首次通过(first-pass)成像，优选以动脉相位为目标。可采用单独的扫描估计剂团到达的时间(采用所谓的测试剂团)。当必须采用超极化核素自身时，这是一种昂贵的实验，因为其需要第二剂量的对比材料。检测未知对比剂团到达时间的另一种模式是采用荧光检查序列。这需要将有效破坏极化纵向磁化的RF脉冲，妨碍用超极化磁化自身对剂团的检测。在对超极化对比剂进行成像时，只可获得有限的时间。

因此，本发明的目的是提供一种允许以最小过程成本获得最佳成像序列时间的磁共振成像系统和方法。

该目的根据本发明通过磁共振(MR)成像方法来实现，该方法包括以下步骤：

-进行感兴趣结构的第一MR扫描以检测对比剂团到达感兴趣结构内，第一MR扫描采用对应于第一MR敏感核子的第一共振频率，

-至少重复该第一进行步骤直到已检测到对比剂团到达感兴趣结构内，

-进行感兴趣结构的第二MR扫描以采集MR图像，第二MR扫描采用对应于第二MR敏感核子的第二共振频率，第二核子不同于第一核子。

本发明的目的还通过一种MR成像系统实现，该MR成像系统包括用于从感兴趣结构采集第一磁共振信号的采集模块，用于检测对比剂团到达感兴趣结构内，由此采用对应于第一MR敏感核子的第一共振频率，并至少重复采集第一磁共振信号直到已检测到对比剂团到达感兴趣结构内，该采集模块适于从感兴趣结构采集第二磁共振信号以采集MR图像，由此采用对应于第二MR敏感核子的第二共振频率，该第二核子不同于第一核子。

本发明基于精确确定对比剂到达应有位置这一构思。本发明给出以下教导：采用来自核子的专用磁共振信号而非用于实际MR成像序列的专用核素来进行剂团到达时间检测。

本发明的这些其它方面将基于在附加的权利要求书中限定的下列实施例进行详细阐述。

在本发明的优选实施例中，给药的剂团包括第一和第二核子。在通过第一MR检测或采用第一核子的侦察扫描检测剂团到达感兴趣结构内之后，进行第二MR扫描以采集感兴趣结构的图像，第二MR扫描采用第二核子。

优选地，在检测到对比剂团之后立即实行第二MR扫描。该延迟取决于用于在第一和第二MR扫描过程之间进行切换的MR系统切换时间。

在本发明的另一实施例中，采用测试剂团方法，其中采用来自测试剂团的第一核子进行第一MR扫描。在检测剂团到达感兴趣结构内的时间后，进行第二MR扫描以采集感兴趣结构的MR图像，由此采用不同于第一核子的第二核子。这些第二核子优选作为第二剂团进行给药。应当理解，第一对比剂团可仅包含第一核子，或可以由第一和第二核子的混合物组成。后一方法更为优选，因为其能更好地表现生物物理特性和实际对比剂团的滞留时间。在这种情况下，第二核子优选对测试剂团不会产生超极化。

在本发明的优选实施例中，对比剂团包括用于MR成像序列的超极化核素和用于剂团到达检测的非极化第一核子。以与对超极化核素进行成像所需的不同的MR频率进行应有位置对比剂到达检测。用于剂团检测的核素具有以下特征：对固有极化具有适当的敏感性，优选通过Gd或Dy螯合增强的¹⁹F或¹H。当在¹⁹F频率处检测时，可采用全氟碳氟化合物。为避免中毒反应，这些化合物优选包裹在胶囊内。

以基本上与超极化核素不同的频率，优选为¹³C的频率，进行的剂团到达成像不会破坏超极化。换句话说，保持了超极化核子的磁化。在感兴趣结构中的对比剂团检测之后，进行用于具有超极化磁化的核子的第二成像序列以获得例如用于血管造影目的的图像。

在本发明的另一实施例中，采用超极化信号进行剂团到达检测。在此，采用不是用于实际血管造影成像序列的核子，例如采用¹²⁹Xe进行剂团到达检测，而在血管造影成像序列中将采用¹³C。

在本发明的又一优选实施例中，采用随时间分解的荧光检查成像方法，即厚层2D动态扫描，来检测剂团的到达。在此，操作者在动态图像系列上监视对比剂的到达，并且启动向例如为血管造影目的实际成像序列的切换。对荧光检查剂团到达检测的已知方法进行修改，从而使剂团到达的检测不会影响自旋(超)极化。这通过以明显不同的MR频率，优选为¹⁹F来检测剂团到达来实现。

如果采用弛豫增强质子MR信号作为第一核子，优选应用动态减法方法，即荧光检查图像仅示出对比差别。可选择地，可采用非质子核子作为第一核子。在此，不需要减法。

在本发明的另一实施例中，在采用1D读数的同时，采用2D-RF进行圆柱形定位激发(“铅笔束”)。可选择地，通过连续正交RF的激发(例如，90x-180y)实现所需的2D定位。2D体积的位置优选作为身体主脉管(腔静脉或主动脉)中的一个的目标。由此，MR系统检测对应于对比剂到达的MR信号中的变化。当检测到对比剂到达时，自动启动成像序列的快速切换以进行高分辨率MR成像序列。

根据本发明的又一方面，第一MR“侦察”扫描优选以低空间分辨率花费短的采集时间进行，而在接下来的成像模式中，第二MR扫描优选以高空间分辨率花费较长采集时间进行。

采集磁共振信号的设备在现有技术中通常是公知的。这种MR系统除其它装置外还包括形成梯度磁场的线圈、电流供应设备、高频发生器、控制设备、RF信号天线、读出设备等。全部装置适于实行根据本发明的方法。特别地，MR系统适于以超极化核素的频率向图像提供快速切换功能。这样，根据本发明的MR系统能够根据不同核子的不同旋磁比以多频率进行成像。该MR系统适于提供不同频率之间较低的切换和停留次数。优选地，MR系统包括多个独立RF发射和接收路径，特别是(功率)放大器和RF滤波器。建立全部MR系统模块，例如包括用于测量RF脉冲的时间、频率和幅度参数、梯度和回波读数的控制设备的采集模块，并将其编程为使用于获得数据和数据处理的过程根据本发明的方法运行。

为向MR系统的操作者提供动态图像，MR系统优选包括用于基于第一磁共振信号生成感兴趣结构图像的成像模块和用于向操作者显示这些图像的显示模块。

MR系统优选包括用于分析第一磁共振信号的分析模块。该分析模块优选适于检测对比剂团到达感兴趣结构内和/或用于检测对比剂团的到达时间。此外，该分析模块适于在由剂团到达时间确定的等待时间期间容纳实际成像序列，即相对于由采用第一核子的采集确定的剂团给药具有一定延迟进行采用第二共振频率的MR图像采集。在另一实施例中，该分析模块优选适于基于分析结果自动启动实际成像序列。

根据本发明的方法优选采用与MR系统相连的计算机实行。优选地，该计算机是MR系统的集成部件。该计算机除其它装置外还包括中央处理单元(CPU)、总线系统、包含模数转换器的数字信号处理装置、存储装置，例如RAM或ROM，存贮装置，例如软盘、CD、DVD，或者硬盘单元和输入/输出单元。

本发明目的还通过计算机程序实现，该计算机程序包括当该计算机程序在MR成像系统的计算机上执行时适于实行根据本发明的MR成像方法的计算机指令。这样，可基于根据本发明的计算机程序指令实现需要实行根据本发明的MR成像方法的技术效果。这种计算机程序可存贮在载体上，如CD-ROM或DVD上，或者其可在因特网上或其它计算机网络上获得，或者在执行前采用USB存储棒，通过从载体，例如通过CD-ROM或DVD播放器，或者从因特网、或者从存储棒读取该计算机程序来将计算机程序下载到计算机内，并将其存贮到计算机的存储器内。

本发明的另一方面涉及根据本发明的方法进行对比剂团给药。为能够在荧光检查序列中使剂团立即到达，对比剂团包含至少两个不同的MR敏感核子。优选地，对比剂团除质子外包含两个不同核子。优选地，这些不同核子具有明显不同的旋磁比，正如它们所固有的。

根据本发明实施例，具有多个MR频率的这种对比剂团由单一化学化合物组成，该化合物由至少两种不同核子组成。根据本发明，采用一种在某一位置上具有第一核子的选择性浓缩化学化合物。该化学化合物对于第一核子是超极化的，不会由于与其它核子耦合而放松极化效率。这种化合物需要精细的化合物选择和化学合成。

根据本发明的另一实施例，采用化学化合物或化合物混合物形式的对比剂团，其包括具有其超极化信号的核子和用于荧光检查剂团到达检测的核子。混合不同核素的优点在于使有机化学合成路径更为容易，以及使生物相容性更为简单。此外，不同核子之间的交叉弛豫更不易于影响超极化信号。为增加生物相容性，化学核素优选包裹在泡囊或胶囊中。

根据本发明的又一实施例，采用由化学核素的混合物组成的剂团，其中的一种化学核素包含超极化材料，例如¹³C，以及另一种化学核素包括，例如¹⁹F核子。化合物的混合优选延迟到注射时间。

根据本发明的又一实施例，可同时以两种不同对比剂进行给药，且优选通过同一路径。这确保对于引入的不同化学核素，对比剂的到达时间不会受不同路径长度的影响。

本发明的这些和其它方面将在此后通过实例的方式参照下例实施例及附图进行详细描述，附图中：

图1是示出优选实施例可在其上实施的系统总体结构的框图；

图2是示出实行根据本发明第一实施例方法的步骤流程图；和

图3是示出实行根据本发明第二实施例方法的步骤流程图。

在图1的简化框图中示出了优选实施例可在其上实施的典型的MR成像系统。该成像系统1适于对比增强多核子MR血管造影(MRA)，尤其适于采用超极化对比剂的动脉-阶段MRA。

成像系统1基本上包括联合的采集和分析模块2、用于生成静态磁场的磁体3、由用于空间选择和空间编码的梯度放大器和梯度线圈组成的磁场梯度系统4。此外，成像系统1包括用于产生测量脉冲以激发核子的RF放大器和RF发射线圈与用于检测从核子再发出的信号的RF接收线圈和放大器。发射线圈和接收线圈电子和物理地集成到RF线圈5，6内。由此，RF线圈5适合于对应于用于检测剂团到达的第一核子的第一共振频率，而RF线圈6适合于对应于用于实际MRA成像的第二核子的第二共振频率。

这些元件3、4、5、6连接到用于数据采集和控制的采集和分析模块2上。采集和分析模块2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。这些计算机程序适于控制数据采集、数据分析和系统控制的过程。例如，采用脉冲序列程序控制所施加的用于激发核子的测量脉冲序列。连接到采集和分析模块2的成像模块6用于进行数字信号处理和图像处理。

为自动启动实际血管造影成像序列，采集和分析模块2包括分析第一磁共振信号和基于分析结果自动启动采用第二磁共振频率的MR图像采集的功能性。换句话说，成像系统1适于检测对比剂到达时间以能够进行首次通过动脉MR血管造影。

此外，采集和分析模块2包括用于存储和存档原始数据和图像数据的存档系统和用于显示图像与用于操作者输入控制参数等的操作和显示模块7。

成像系统1适于进行多核子成像。为此目的，设有多个独立RF发射和接收路径。成像系统1适于在第一和第二磁共振频率之间与在第一和第二检测序列之间进行快速切换。

实行根据本发明的磁共振成像方法所需要的步骤在图2中的简化流程图中示出。

根据本发明该实施例，在第一步骤10中，包括两种不同MR敏感核子的对比剂团向人类对象给药，例如采用具有双贮存腔的双向注射器进行静脉注射。人类对象位于扫描位置。为实行本发明，采用包括两种不同MR敏感核子的MR成像图像对比增强合成。由此，采用¹⁹F作为第一核子且采用¹³C作为超极化第二核子。换句话说，对比剂团包括两种不同对比剂，其同时通过同一路径给药。采用单一剂量(“首次通过”)进行剂团给药。第一对比剂显示出第一激发频率，其根据本发明用于剂团到达检测，而第二对比显示出将用于血管造影成像的第二激发频率。

为适时开始高分辨率血管造影成像序列，在下一步骤11期间通过较低分辨率的第一MR扫描来检测感兴趣区域处的超极化对比剂团的到达。采用对应于对比剂团第一核子的第一共振频率进行这种侦察扫描，具有1D读数的局部激发。由此，在侦察扫描期间的RF脉冲不会(或几乎不会)影响将使用于MRA成像序列中的核子的超极化。

反复实行采用该第一共振频率的MR扫描直到MR扫描指示对比剂团已到达感兴趣结构内。在步骤12中由成像系统的分析模块获得该信息。由此，可使用连续监视MR信号的跟踪脉冲序列。当来自该区域的信号由于对比剂到达动脉结构而增加时，采集模块从侦察扫描切换到实际成像扫描。换句话说，在检测到感兴趣结构内的对比剂团后，在步骤13中进行三维动脉相位MR血管造影以采集MRA图像。实行这种快速MRA扫描以使得剂团灌输的动脉相位与来自感兴趣区域内k空间中心的数据采集相符合。采用对应于对比剂团第二核子的第二共振频率实行第二扫描。由此，第二共振频率基本上不同于第一共振频率。

在本发明的另一实施例中，由操作者采用操作和显示模块7进行侦察扫描和实际成像扫描之间的切换，用于观察在显示器上显示的测试剂团到达感趣区域内并采用可用控制机构启动MRA序列。预先由成像模块6生成向操作者显示的图像。

根据本发明的又一实施例，如图3中简化的流程图所示，在第一步骤20中进行测试剂团给药，该测试剂团包括第一核子，例如¹⁹F。在下一步骤21中，进行感兴趣结构的第一MR扫描以检测测试剂团到达感兴趣结构内。第一MR扫描使用对应于第一核子的第一共振频率。当已检测到测试剂团到达感兴趣结构时，确定剂团到达时间22。

由分析模块从剂团到达时间确定等待时间。由此，可考虑不同生物物理性质特征。

在下一步骤24中，进行第二对比剂团给药。由此，第二剂团包括第二核子。当进行第二对比剂团给药时，等待时间开始。最后，在等待时间终止后，进行感兴趣结构的第二MR扫描25以采集MRA图像。采用同一MR系统和不同的共振频率实行第二MR扫描，该共振频率对应于第二核子。

在已确定等待时间23之后，可进行第二剂团给药24。然而，如果较早进行第二剂团给药，则可减少该过程的总时间。在这种情况下，必须确保将确定的等待时间比第二剂团给药之后剩余的时间长。

根据本发明另一实施例，采用第一MR系统进行感兴趣结构的第一MR扫描，第一MR系统适于检测对比剂团到达感兴趣结构内，而采用与第一MR系统不同的另一个MR系统进行第二MR扫描，该第二MR系统适于采集感兴趣结构的MR图像。同样，第一和第二MR系统使用根据对比剂中采用的核子的不同共振频率。可设置患者支承和运送系统以使患者能够在一次过程中受两个MR系统的扫描。因此，可在两个位置处对患者进行研究，或者可在装备有两个MR系统的单一位置处对患者进行扫描。代替MR系统，也可采用非MR系统进行剂团到达检测，例如超声(US)系统或计算机断层摄影(CT)系统。非MR系统将意味着对比剂团由与(超极化)非质子MR敏感核子相结合的CT或US可视化的第一组分(象微气泡)组成。

对本领域技术人员来说，显然，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不偏离本发明的精神或基本属性的情况下，本发明可以以其它具体形式来实施。因此，无论从任何方法者应当将本实施例考虑为是示范性的而非限制性的，本发明的范围是由附加的权利要求书而非由上述说明书来指示，而且落入权利要求书的等同表述的意义和范围内全部变化因而者应当包含在其内。此外，显然，词语“包括”不排除其它元件和步骤，词语“一”或“一个”不排除多个，而且单个元件，如计算机系统或其它单元可完成权利要求书中列举的几个装置的功能。权利要求书中的任何附图标记不应解释为对所涉及权利要求的限制。

Claims (12)

1、一种磁共振(MR)成像方法，该方法包括以下步骤：

-进行(11，21)感兴趣结构的第一MR扫描以检测对比剂团到达感兴趣结构内，该第一MR扫描采用对应于第一MR敏感核子的第一共振频率，

-至少重复该第一进行步骤(11，12)直到已检测到(12，22)对比剂团到达感兴趣结构内，

-进行(13，25)感兴趣结构的第二MR扫描以采集MR图像，该第二MR扫描采用对应于第二MR敏感核子的第二共振频率，该第二核子不同于第一核子。

2、根据权利要求1所述的方法，其中对比剂团包括第一和第二核子。

3、根据权利要求1所述的方法，其中采用包括第一核子的第一对比剂团和包括第二核子的第二对比剂团。

4、根据权利要求1所述的方法，其中采用超极化第二核子。

5、根据权利要求1所述的方法，其中采用质子作为第一核子且采用影响来自这些质子的MR信号的弛豫增强物质。

6、根据权利要求1所述的方法，其中采用非质子第一核子。

7、根据权利要求1所述的方法，其中采用超极化第一核子。

8、根据权利要求1所述的方法，其中在根据第一MR扫描的剂团到达时间确定(23)的等待时间之后实行第二MR扫描(13，25)。

9、根据权利要求1所述的方法，其中基于第一MR扫描(11，21)的结果自动启动第二MR扫描(13，25)。

10、一种磁共振(MR)成像系统(1)，包括采集模块(2)，用于从感兴趣结构采集第一磁共振信号以检测对比剂团到达感兴趣结构内，由此采用对应于第一MR敏感核子的第一共振频率，并用于至少重复采集第一磁共振信号直到已检测到对比剂团到达感兴趣结构内，该采集模块(2)适于从感兴趣结构采集第二磁共振信号以采集MR图像，由此采用对应于第二MR敏感核子的第二共振频率，该第二核子不同于第一核子。

11、根据权利要求10所述的系统(1)，其中采集模块(2)包括分析模块，用于分析第一磁共振信号，并且基于分析结果自动启动采用第二磁共振频率进行的MR图像采集。

12、一种计算机程序，当计算机程序在计算机上执行时，包括：

-计算机指令，其用于进行感兴趣结构的第一MR扫描以检测对比剂团到达感兴趣结构内，该第一MR扫描采用对应于第一MR敏感核子的第一共振频率，

-计算机指令，其用于至少重复该第一进行步骤直到已检测到对比剂团到达感兴趣结构内，

-计算机指令，其用于进行感兴趣结构的第二MR扫描以采集MR图像，该第二MR扫描采用对应于第二MR敏感核子的第二共振频率，该第二核子不同于第一核子。

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