磁共振成像系統和方法

專利名稱：磁共振成像系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種磁共振(MR)成像系統和方法。
使用1H原子核(質子)的MR成像技術是現有技術中公知的。在過去幾年中，人們已經注意到了使用源自除了質子之外的原子核例如13C或31P的磁共振信號的MR成像技術。非質子原子核的MR成像中的一個重要問題是，用于成像這種原子核的較低信噪比(SNR)。該低SNR的原因是，在其他因素中，與質子相比，這種原子核具有低得多的自然豐度(natural abundance)、它們的更低的旋磁比和濃縮物質的低濃度。為了克服這個問題和獲得足夠的SNR，可以通過多種方法增強原子核的極化。
這些方法中的一個是使這些原子核超極化。然而，應用到該磁場中的第一個射頻(RF)脈沖將顯著減少超極化程度，從而限制了MR信號讀出(回波)的總數量。該限制數量的MR回波信號又導致所得到磁共振成像的受限的空間分辨率。在過去，已經應用了單脈沖技術來克服這些困難。
另一個方面是，在該MR信號的采集期間，超極化的磁化強度回迅速衰減。這種衰減將引起點傳播函數(point-spread function)的加寬，該函數是該信號衰減的傅里葉變換。這進一步限制了使用非質子原子核成像的分辨率。
對于非質子原子核，其旋磁比小于質子，例如其對質子的比率對于19F和3He等于70％，而對于13C和129Xe則分別等于25％。這意味著對于給定梯度強度，k-空間遍歷的效率減少。因而，對于給定分辨率和給定梯度振幅，其重復時間必須是13C和129Xe的四倍長。對于典型的梯度系統參數，對于質子，用于以足夠分辨率如2mm分辨率對整體目標成像的重復時間，總計等于2.5到3ms。對于其他原子核例如13C，該重復時間將是10到15ms。這意味著即使極化MR信號的較慢衰減也會被該MR信號固有的較慢讀出所抵消。
作為該事實的結果，僅有有限的時間采集該超極化核素(hyperpolarized species)的MR圖像，并且重復時間相對較長，圖像的分辨率被固有限制。舉例來說，在400mm的視場(FOV)中，2mm的標定分辨率需要200個相位編碼步驟，即對于k-空間的單個平面需要2到3秒讀出。為了實現對于目標物的足夠覆蓋，必須對k-空間中的多個切片或平面進行采樣，典型地為40-100個。這就導致了100-300秒的讀出時間。在這種情況下，圖像會非常模糊以致于根本不能達到2mm的分辨率。以更高的分辨率例如0.5-1.0mm的分辨率成像時，考慮到對于單個切片所需的300-500個相位編碼步驟和7-10ms的標定重復時間，問題會更加嚴重。
根據現有技術可以得知，組合采集技術提供了對于含水核素(aqueous species)獲得足夠的時間分辨率和/或空間分辨率的一些優點。這種采集技術在US 6400151中公開。其中使用不同序列的高頻脈沖和磁場梯度脈沖來從水質子中采集不同組MR信號。這些水質子MR信號被組合以構成k-空間，從而對于k-空間的不同頻帶使用不同組。然而，所給出的這種方法沒有提供一種對于使用有限時間來采集非質子MR信號的解決方案。
本發明的目的是提供一種磁共振成像系統和方法，能夠根據除了水之外的核素對于原子核進行高分辨率成像。
根據本發明，該目的是通過一種MR成像系統來實現，該系統包括采集模塊，用于使用第一共振頻率對k-空間的中心部分采集第一磁共振信號和使用第二共振頻率對k-空間的周邊部分采集第二磁共振信號，數據模塊，用于將對應于該第一磁共振信號的第一k-空間數據和對應于該第二磁共振信號的第二k-空間數據組合以構成完整的k-空間，和圖像模塊，用于通過將k-空間變換到圖像空間而生成圖像。因而術語“完整的k-空間”將被理解為具有對采樣點的足夠覆蓋從而能夠以目標分辨率重建圖像的k-空間。
本發明的目的還通過一種MR成像方法來實現，該方法包括步驟使用第一共振頻率對k-空間的中心部分采集第一磁共振信號，使用第二共振頻率對k-空間的周邊部分采集第二磁共振信號，將對應于該第一磁共振信號的第一k-空間數據和對應于該第二磁共振信號的第二k-空間數據組合以構成完整的k-空間，和通過將k-空間變換到圖像空間而生成圖像。
根據本發明，關于k-空間中心部分和關于k-空間周邊部分的信號是分別采集的。從而已經考慮到，k-空間的這兩部分提供不同的信息，這些信息有利地可以在MR成像過程中使用。因而利用了這一事實，即首先由k-空間的中心來確定MR圖像的SNR和對比度特性，而k-空間的周邊提供關于該MR圖像的良好分辨率的信息。為了提供增強的MR圖像，本發明建議以不同的MR共振頻率工作。因此本發明使用的MR設備適應于在兩個或更多不同的MR共振頻率工作。
基于在從屬權利要求中限定的以下實施例，進一步來詳細說明本發明的這些和其他方面。
在本發明的優選實施例中，這包括多核成像，例如使用質子和非質子原子核，例如1H和13C。從而，優選地使用超極化非質子核素，并且因而該用于采集第一磁共振信號的模塊適應于例如超極化13C。也可以使用其他核素例如未超極化的非質子核素。例如可以進行31P成像而不進行額外的極化。
在本發明的實施例中，對于k-空間的中心部分采集該非質子原子核的磁共振信號，特別是對于該k-空間的中心。對于k-空間的周邊部分采集磁共振信號，特別是來自H2O中的1H。這就是說，k-空間的中心部分被來自具有非質子原子核的核素的數據覆蓋，而k-空間的外圍部分被質子數據覆蓋。該質子數據可以在非質子數據采集之前或之后采集。在本發明的一個優選實施例中，將除了質子之外的MR信號產生原子核施加到該物體上。如果該被掃描物體對施加包含具有其他原子核的化學物質的對比劑敏感，那么有利地可以首先通過例如執行快速水掃描來采集全部相關的質子數據。
然后根據來自該k-空間的中心部分的非質子MR信號和來自k-空間的周邊部分的質子MR信號重建該磁共振圖像。因此，該重建MR圖像顯示了由非質子原子核確定的對比度分布，該非質子原子核的分辨率被水質子信號增強。也就是說，該圖像包含高分辨率的非質子對比度分布。
優選地，在高分辨率需要關于k-空間的周邊部分的質子MR數據，例如來自H2O中的1H。從而獲得了范圍在1-2mm的優選分辨率。在低分辨率，典型地為4-5mm，需要關于其他原子核如13C或者關于其他環境中的1H的MR數據。由于k-空間的深度與具有給定旋磁比的分辨率成反比，所以對于在一個方向上的中心部分，該k-空間的中心部分和周邊部分之間的比例因子的典型值為20-25％。
對于k-空間的中心部分的信號采集僅需要較短的采集時間。因而，該方法可以提供一種對于使用有限時間采集非質子MR信號的解決方案。因為該較短的采集時間，該非質子原子核的激勵的快速衰減既不會限制該重建組合圖像的SNR，也不會限制其有效的點傳播函數。該重建的MR圖像顯示了與該非質子原子核相關的對比度和由質子控制的良好分辨率。
利用根據本發明的多核成像的組合采集技術，可以通過組合非質子和質子MR信號來擴展非質子k-空間，從而克服成像超極化非質子磁化的固有限制。
一般地，本發明可以用于通過MR方法檢測的任何自旋承載物質。自由基承載電子的自旋，其具有與質子相比非常高的靈敏度。這意味著，利用電子自旋共振(ESR)可以檢測到更低的濃度。為了實現利用ESR在有損樣本例如人體中的高分辨率成像，必須克服與電子自旋信號的線寬相關的問題。在本發明的另一優選實施例中，建議從電子自旋中采集該第一磁共振信號。從而該中心k-空間被充滿ESR信號以確定整體對比度分布，而通過例如覆蓋k-空間的外圍部分的水質子信號來增強分辨率。
在本發明的另一優選實施例中，僅使用來自相同種類原子核例如僅質子的MR數據。這種系統可以用于例如1H CSI(質子化學位移成像)。在本實施例中，從例如肌氨酸、乳酸鹽或膽堿等中的1H中采集第一MR數據，其特征是與水質子實質不同的拉莫爾(Larmor)頻率，而從例如H2O中1H中采集第二MR數據。因此，根據本發明的方法還可以用于增強例如代謝物的1H光譜圖像的分辨率。因此除了本實施例僅使用質子的事實之外，該方法和設備的所有上述特征也都是可用的。
優選地，通過將對應于第一MR信號的多個第一k-空間行的數據與對應于第二MR信號的多個第二k-空間行的數據組合而獲得用于構成完整k-空間的k-空間數據的組合。從而在本發明的一個優選實施例中，用該第一k-空間數據代替該第二k-空間數據的一部分來構成完整的k-空間。在這種情況下，可以重建和(再)觀察源自該第二MR信號的完整圖像，其可以包含附加的相關對比度或結構信息。在本發明的另一實施例中，將該第一k-空間數據添加或結合到該第二k-空間數據中以構成完整的k-空間。通過省去中心k-空間，可以將數據采集所需的時間減少20-25％。
在本發明的另一實施例中，可以從例如一組不同水圖像之外選擇外圍k-空間的數據。這可以通過該MR成像系統的用戶手動或者甚至由相應參數的分析而自動完成。通過這種測量，可以根據該目標結果選擇最合適的數據組。
根據本發明，在基于使用至少兩個不同共振頻率的數據采集的第一和第二MR信號的基礎上，形成最終的磁共振圖像。換句話說，根據源自具有不同旋磁比的至少兩個原子核或者源自相同原子核例如質子的MR回波的組合數據組形成該最終的MR圖像，其經歷了不同環境從而顯示了導致頻率偏移的化學位移。也就是說，該MR設備能夠以兩個共振頻率工作，適應于質子和特定原子核或者在不同環境中的質子。本發明中使用的采集策略對于k-空間的中心和周邊或外圍部分不同，其中使用不同的MR頻率來匹配不同原子核或不同環境中的相同原子核的共振頻率。
該相應的用于采集磁共振信號的設備(MR設備)還包括用于建立梯度磁場的線圈、電流供給設備、高頻發生器、控制設備、RF信號天線、讀出設備等。所有應用都適應于執行根據本發明的方法。特別地，該MR設備適應于以相應的梯度振幅變化伴隨旋磁比的變化，以及提供足夠的梯度功率以在足夠短的時間內獲得足夠的分辨率。所有設備模塊例如用于測量時間、頻率和RF脈沖的振幅參數、梯度和回波讀出的控制設備以這種方式構建和編程，從而使得用于獲取數據和數據處理的過程根據本發明的方法進行。
該組合數據和生成圖像的步驟優選地在與該MR設備連接的計算機上進行。優選地，該計算機是MR成像系統的集成部件。此外該計算機還包括中央處理器(CPU)、總線系統、記憶裝置例如RAM或ROM、存儲裝置例如軟盤或硬盤單元、和輸入/輸出單元。所采集的源自MR掃描的原始MR數據被變換到該計算機并存儲在其中，以便在圖像重建之前組合該數據而構成完整的k-空間。
本發明的目的還通過一種計算機程序來實現，該計算機程序包括，適應于當該計算機程序在MR成像系統的計算機中運行時執行根據本發明的MR成像方法的計算機指令。從而，根據本發明，產生磁共振圖像所必需的技術效果可以基于該根據本發明的計算機程序的指令來實現。這種計算機程序可以存儲在載體例如CD-ROM上，或者可以通過因特網或其他計算機網絡使用。在執行之前，通過從該載體讀取該計算機程序而將該計算機程序加載到計算機中，例如通過CD-ROM播放器或者從因特網上，并且將其存儲在計算機的存儲器中。
下面以示例的方式，參照以下實施例和附圖對本發明的這些和其他方面進行詳細說明，其中

圖1是示出了可以在其上實施優選實施例的系統的概況的框圖；圖2是示出了用于執行根據本發明的方法的步驟的流程圖；圖3是示出了根據本發明第一實施例的k-空間數據的示意圖；圖4是示出了根據本發明第二實施例的k-空間數據的示意圖；圖5是示出了根據本發明第三實施例的k-空間數據的示意圖；圖1的簡化框圖中示出了一種其上可以實施優選實施例的典型的MR成像系統。該成像系統1主要包括采集模塊2以及組合的數據和圖像模塊3。
采集模塊2包括用于產生靜態磁場的磁體4，磁場梯度系統5，包括梯度放大器和用于空間選擇和空間編碼的梯度線圈。而且，成像系統1包括RF放大器，用于產生測量脈沖以激勵該原子核的RF發射線圈，RF接收線圈，和用于從該原子核檢測重發射信號的放大器。發射線圈和接收線圈電子和物理集成到RF線圈6中。這些部件被連接到用于數據采集控制的采集和控制設備7。該采集和控制設備7包括計算機系統和適于在該計算機系統上運行的計算機程序。這些計算機程序適應于控制數據采集過程。例如使用脈沖序列程序來控制用于激勵該原子核的測量脈沖的序列。為了采集k-空間的周邊和中心部分的數據，采集和控制設備7適應于通過例如使用濾波器來選擇MR譜的一部分。這些濾波技術也通過特定的計算機程序控制。也可以應用其他本身已知的技術來簡化該光譜和將信號強度集中到更少的譜線，例如使用寬帶去耦以減少關于某個原子核的NMR譜的寬度。利用這種去耦技術，可以有效地除去質子的自旋自旋耦合。
此外，采集模塊2包括用于存儲和歸檔原始k-空間數據和圖像數據的歸檔系統，和用于顯示該圖像和操作員輸入控制參數的操作和觀察控制臺。
連接到采集模塊2的組合的數據和圖像模塊3用于數字信號處理和圖像處理。該數據和圖像模塊3包括計算機系統和在該計算機系統上運行的計算機程序。這些計算機程序還適于執行根據本發明的數字信號處理和圖像處理步驟。
圖2的簡化流程圖中示出了執行根據本發明的磁共振成像方法的必要步驟。
在所示實施例中，應用了一種多核成像技術，使用了質子1H和超極化非質子原子核13C。該方法包括使用4mm分辨率的13C共振頻率對k-空間的中心部分采樣第一磁共振信號的第一步驟8。在低信號振幅的情況，對于中心k-空間可以獲取多個均值。在采集之后，將原始MR響應存儲在計算機存儲器中并且變換到該數據和圖像模塊3用于在下一步9中進行進一步處理。
在下一步驟10中，通過使用1mm分辨率的1H共振頻率的H2O掃描對于k-空間的周邊部分采集第二磁共振信號。該1H數據是在13C數據的采集之后采集。在最簡單的情況，1H和13C采集的FOV以及k-空間中的采樣中間的距離是相等的，即該梯度強度被調節以適應于不同的旋磁比。然而，這不是關鍵的。在下一步11中再次存儲所得的原始數據并變換到數據和圖像模塊3。由于已經獲得k-空間的多個部分的數據，該方法包括執行索引技術來使內部和外圍k-空間數據相關聯。
在這些采集步驟8、10之后，在步驟12中構成完整的k-空間，其中利用該13C數據覆蓋k-空間的內部或中心部分，而利用1H數據覆蓋k-空間的外圍或周邊部分。該組合步驟12由計算機系統執行，該計算機系統是數據和圖像模塊3的一部分。在一個簡單情況中，一個相應的計算機程序將該13C數據添加到1H數據中。在該組合過程期間會發生k-空間的不連續，但是已知僅有有限的不利影響。然而，在優選實施例中，相應地應用校正技術例如使用共軛梯度技術的網格或迭代重建。
在k-空間密度對于內部和外圍k-空間變化的情況下，可以應用k-空間濾波來匹配不同的密度。用于這一目的的不同的濾波技術是現有技術中已知的。
在構成完整的k-空間后，在下一步13中通過將k-空間變換到圖像空間而產生圖像。該圖像是通過將圖像形成算法一般為傅里葉變換應用到該組合的k-空間而形成的。為了產生該圖像，應用了一個計算機系統，該計算機系統優選地為數據和圖像模塊3的一部分，并且使用用于實施該傅里葉變換的相應的計算機軟件。由于該形成的圖像是基于通過所述多核掃描技術而采集的k-空間數據，所以現在該重建圖像顯示了與13C數據相關的對比度分布和由1H數據控制的高分辨率。在圖像生成后，在觀察控制臺中顯示該圖像并且最終在步驟14中將其存儲在圖像檔案中。
在本發明的上述第一實施例中，使用了對于1H和13C相等的FOV。而且，k-空間的步長大小在每一維中(讀出，第一和第二相位編碼方向)是相等的。在這種配置中，1H和13C所需要的梯度區域必須以旋磁比定標。因而對用于該組合數據采集的脈沖程序進行自適應。換句話說，該脈沖程序在規定脈沖序列時要考慮該比率。這將使得兩原子核的數字化MR數據點形成正確的矩形網格，該網格可以被施加快速傅里葉變換算法而不進行進一步處理。這在圖3中是可以觀察的，其中水平軸被理解為kx，垂直軸被理解為ky。通過使用1H共振頻率的數據采集所得到的k-空間數據點15在左手側示出。通過使用13C共振頻率的數據采集所得到的k-空間數據點16在中間示出。在右手側示出了通過將第一k-空間數據添加到第二k-空間數據而重建的完整的k-空間。向3D k-空間的擴展是直接可得的。
在本發明的第二實施例中，說明了一種更先進的情況。其中k-空間中的距離對于不同的原子核是不同的。這種k-空間中的不連續性通過網格方法被校正。該序列程序為重建程序提供了關于該數字化MR回波信號的位置的信息。然后該重建程序將該結果配合到矩形網格中。圖4中，在左手側示出了通過使用該第二共振頻率的數據采集所得到的k-空間數據點18和通過使用該第一共振頻率的數據采集所得到的k-空間數據點19。在右手側示出了具有不同距離的完整k-空間20和完整的網格k-空間21。
在第三實施例中，無讀出地按照正方形對中心k-空間進行采集，但是對兩個方向都進行例如對于化學位移成像(CSI)的相位編碼。這就導致了圖5中所示的情形，假定等距離的k-空間離散化。通過使用第二共振頻率的數據采集所得到的k-空間數據點22在左手側示出。通過使用第一共振頻率的數據采集所得到的k-空間數據點23在中間示出。在右手側示出了完整的k-空間24。該完整的k-空間24通過用第一k-空間數據代替第二k-空間數據的一部分而重建。換句話說，關于該第二共振頻率的數據是一個完整的數據組，而形成k-空間的中心的、關于第一共振頻率的數據被添加以代替在第二共振頻率采集的數據點。
對于本領域普通技術人員顯而易見地，本發明不限于前述實施例的細節，并且本發明可以以各種特定形式實現而不脫離其精神或關鍵屬性。因而本發明在所有方面都被認為是舉例性和非限制性的，本發明的范圍通過所附的權利要求而不是前述說明來表示，因此所有來自該權利要求的等效的意義和范圍的改變都被包含在其中。此外，顯而易見地，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，詞語“一”或“一個”不排除多個，并且單個元件例如計算機系統或另一單元可以完成在權利要求中所述多個裝置的功能。權利要求中任何參考標記不應當被解釋為對相關權利要求的限制。
權利要求
1.一種磁共振成像系統(1)，包括-采集模塊(2)，用于使用第一共振頻率對k-空間的中心部分采集第一磁共振信號，和使用第二共振頻率對k-空間的周邊部分采集第二磁共振信號，-數據模塊(3)，用于將對應于該第一磁共振信號的第一k-空間數據和對應于該第二磁共振信號的第二k-空間數據組合以構成完整的k-空間，和-圖像模塊(3)，用于通過將k-空間變換到圖像空間而生成圖像。
2.如權利要求1所述的系統，其中該用于組合第一和第二k-空間數據的數據模塊(3)適應于用該第一k-空間數據代替第二k-空間數據的一部分以構成完整的k-空間。
3.如權利要求1所述的系統，其中該用于組合第一和第二k-空間數據的數據模塊(3)適應于將該第一k-空間數據添加到第二k-空間數據中以構成完整的k-空間。
4.如權利要求1所述的系統，其中該用于采集第一磁共振信號的采集模塊(2)適應于從質子采集信號。
5.如權利要求4所述的系統，其中該用于采集第一磁共振信號的采集模塊(2)適應于從除了H2O之外的其他物質的質子采集信號。
6.如權利要求1所述的系統，其中該用于采集第一磁共振信號的采集模塊(2)適應于從非質子原子核采集信號。
7.如權利要求6所述的系統，其中該用于采集第一磁共振信號的采集模塊(2)適應于從超極化的非質子原子核采集信號。
8.如權利要求1所述的系統，其中該用于采集第一磁共振信號的采集模塊(2)適應于從電子自旋采集信號。
9.如權利要求1所述的系統，其中該用于采集第二磁共振信號的采集模塊(2)適應于從質子采集信號。
10.如權利要求9所述的系統，其中該用于采集第二磁共振信號的采集模塊(2)適應于從H2O的質子采集信號。
11.一種磁共振成像方法，該方法包括步驟-使用第一共振頻率對k-空間的中心部分采集(9)第一磁共振信號，-使用第二共振頻率對k-空間的周邊部分采集(10)第二磁共振信號，-將對應于該第一磁共振信號的第一k-空間數據(16，19，23)和對應于該第二磁共振信號的第二k-空間數據(15，18，22)組合(12)以構成完整的k-空間(17，21，24)，和-通過將k-空間變換到圖像空間而生成(13)圖像。
12.一種計算機程序，包括當該計算機程序在計算機上執行時-使用第一共振頻率對k-空間的中心部分采集第一磁共振信號的計算機指令，-使用第二共振頻率對k-空間的周邊部分采集第二磁共振信號的計算機指令，-將對應于該第一磁共振信號的第一k-空間數據(17，19，23)和對應于該第二磁共振信號的第二k-空間數據(15，18，22)組合以構成完整的k-空間(17，21，24)的計算機指令，和-通過將k-空間變換到圖像空間而生成圖像的計算機指令。
全文摘要
本發明涉及一種用于磁共振成像的系統和方法。為了獲得高分辨率成像，提出了一種磁共振成像系統和方法，其中使用第一共振頻率的磁共振信號用于k－空間的中心部分，使用第二共振頻率的磁共振信號用于k－空間的周邊部分。在本發明的優選實施例中，對于k－空間的中心部分使用非質子磁共振信號，而對于k－空間的周邊部分使用質子磁共振信號。因此，重建的磁共振圖像顯示了與非質子原子核相關的對比度和由質子控制的高分辨率。因而，本發明特別提供了一種使用有限時間對非質子磁共振信號進行采集的解決方案。
文檔編號G01R33/561GK1867835SQ200480029949
公開日2006年11月22日 申請日期2004年10月1日 優先權日2003年10月13日
發明者J·S·范登布林克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司