使用譜模型分離不同化學物類的mri的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種對具有不同MR譜的至少兩種化學物類進行MR成像的方法。所述方法包括如下步驟：通過使身體（10）的一部分經受RF脈沖和切換的磁場梯度的成像序列，生成所述化學物類的MR信號，所述成像序列是由一組成像參數（TR，α，TE）確定的；采集所述MR信號；確定所述化學物類中的至少一種的譜模型，所述譜模型與所述一組成像參數（TR，α，TE）相關聯；基于所述譜模型分離所述至少兩種化學物類對所采集的MR信號的信號貢獻；并且根據所述化學物類之一的信號貢獻計算MR圖像。此外，本發明涉及一種MR設備（1）以及一種用于MR設備（1）的計算機程序。
【專利說明】使用譜模型分離不同化學物類的MRI
【技術領域】
[0001]本發明涉及磁共振(MR)成像領域。本發明涉及對具有不同MR譜的至少兩種化學物類進行MR成像的方法。本發明還涉及一種MR設備和一種運行于MR設備上的計算機程序。
【背景技術】
[0002]當前，尤其是在醫療診斷領域中廣泛使用了 MR成像方法，該方法利用磁場和核自旋之間的相互作用，以便形成二維或三維圖像，因為對于軟組織成像，它們在很多方面優于其他成像方法，它們不需要電離輻射，且通常是無創的。
[0003]根據一般的MR方法，待檢查的患者的身體被布置在強均勻磁場Btl中，磁場的方向同時定義測量所基于的坐標系的軸(通常為z軸)。磁場針對依賴于磁場強度的個體核自旋產生不同的能級，個體核自旋能夠通過施加定義頻率(所謂的拉莫爾頻率或MR頻率)的交變電磁場(RF場)被激勵(自旋共振)。從宏觀角度講，個體核自旋的分布產生總體磁化，通過施加適當頻率的電磁脈沖(RF脈沖)能夠使總體磁化偏離平衡狀態，同時磁場Btl垂直于z軸延伸，使得磁化繞z軸進行進動。進動運動描繪出錐形表面，其孔徑角稱為翻轉角。翻轉角的大小依賴于所施加的電磁脈沖的強度和持續時間。在所謂的90°脈沖的情況中，自旋從z軸偏斜到橫平面(翻轉角90° )。
[0004]在終止RF脈沖之后，磁化弛豫回原始平衡狀態，在該狀態中再次以第一時間常數T1 (自旋晶格或縱向弛豫時間)建立z方向的磁化，并且垂直于z方向的方向上的磁化以第二時間常數T2 (自旋-自旋或橫弛豫時間)弛豫。能夠借助接收RF線圈探測磁化的變化，接收RF線圈以這樣的方式被布置并取向在MR設備的檢查體積之內，即在垂直于z軸的方向上測量磁化的變化。在施加例如90°脈沖之后，橫向磁化的衰減伴隨著(局部磁場不均勻誘發的)核自旋從具有相同相位的有序狀態到所有相位角均勻分布的狀態的轉變(移相)。能夠借助重新聚焦脈沖(例如180°脈沖)補償移相。這樣在接收線圈中產生回波信號(自旋回波)。
[0005]為了在身體中實現空間分辨，在均勻磁場Btl上疊加沿三個主軸延伸的線性磁場梯度，導致自旋共振頻率的線性空間依賴性。之后接收線圈拾取的信號包含能夠與身體中不同位置相關聯的不同頻率分量。經由接收線圈獲得的信號數據對應于空間頻率域，并被稱為k空間數據。k空間數據通常包括利用不同相位編碼采集的多條線。通過收集多個樣本對每條線進行數字化。借助傅里葉變換將一組k空間數據轉換為MR圖像。
[0006]在MR成像中，常常期望獲得關于不同化學物類，例如水和脂肪，對總信號的相對貢獻的信息，以抑制它們中的一些的貢獻，或者獨立或聯合地分析它們所有的貢獻。如果組合在不同回波時間處采集的來自兩個或更多對應回波的信息，則能夠計算這些貢獻。可以將這視為化學位移編碼，其中，額外的維度，即化學位移維度，被定義，并通過在稍微不同的回波時間處采集一對圖像被編碼。尤其對于水-脂肪分離而言，這些類型的試驗常常被稱為Dixon型測量。借助Dixon成像或Dixon水/脂肪成像,能夠通過計算在不同回波時間處采集的來自兩個或更多對應回波的水和脂肪的貢獻，來獲得水-脂肪的分離。通常，這樣的分離是可能的，因為脂肪和水中的氫已知具有進動頻率差異。在其最簡單的形式中，通過“同相”和“異相”數據集的相加或相減，生成水和脂肪圖像，但是這種方法對主場非均勻性相當敏感。然而，這種基于化學編碼的不同物類的分離不僅限于水/脂肪物類。也能夠預見到具有其他化學位移的其他物類。
[0007]在將脂肪譜的復雜模型并入水-脂肪分離過程的情況下，可以獲得水圖像中沒有殘余脂肪信號的高質量水-脂肪分離。例如，在Yu H, Shimakawa A,McKenzie CA、BrodskyE, Brittain JH, Reeder SB 的文章〈〈Mult1-echo water-fat separation and simultaneousR2*estimation with mult1-frequency fat spectrum modeling》 (Magn Reson Med2008 ；60:第1122-1134頁)中的三點Dixon方法中已經論證了這一點。
[0008]在Eggers H, Brendel B, Duijndam A, Herigault G.的文章《Dual-echo Dixonimaging with flexible choice of echo times》(Magn Reson Med2011 ;65:第96-107 頁)中已經論證了另一種使用脂肪譜的譜模型的高質量水-脂肪分離的方法，其考慮了雙回波Dixon方法中的脂肪信號移相和衰變。
[0009]尤其是在時間關鍵性應用中，優選使用兩點或三點方法盡可能地減少掃描時間。然而，它們通常通過單個主峰近似脂肪譜，因此通常無法提供有效率的脂肪抑制。這是因為已知脂肪包括多個譜峰。此外，在已知的方法中，脂肪抑制的質量常常欠佳，因為它們忽視了如下事實:脂肪對所采集MR信號的貢獻隨著所用成像序列的參數(例如重復時間TR、翻轉角α、回波時間TEi)以及成像序列的類型(例如，擾相梯度回波序列、快速自旋回波序列等)而顯著變化。
【發明內容】
[0010]從上文容易認識到，需要一種改進的MR成像技術。因此本發明的目的是提供一種方法，特別是在兩點和三點Dixon方法中，尤其通過實現更好的脂肪抑制來提高圖像質量。
[0011]根據本發明，公開了一種對具有不同MR譜的至少兩種化學物類進行MR成像的方法。本發明的方法包括如下步驟:
[0012]-通過使身體的一部分經受RF脈沖和切換的磁場梯度的成像序列，生成所述化學物類的MR信號，所述成像序列是由一組成像參數確定的；
[0013]-采集所述MR信號；
[0014]-確定所述化學物類中的至少一種的譜模型，所述譜模型與所述一組成像參數相關聯;
[0015]-基于所述譜模型分離所述至少兩種化學物類對所采集的MR信號的信號貢獻；并且
[0016]-根據所述化學物類中的至少一種的信號貢獻計算MR圖像。
[0017]根據本發明，采用復雜譜模型對不同化學物類進行信號分離。至于譜建模的細節，參見以上引用的文獻。
[0018]應注意，根據本發明，能夠例如通過多峰譜模型僅對化學物類中的一種的譜進行建模，而可以通過單峰譜模型對另一種化學物類簡單建模。因此，實際上對所有化學物類建模，其中，僅模型中之一可以包括多峰譜模型。[0019]此外，應注意，必須將術語“化學物類”廣泛解釋為具有MR性質的任何種類的化學物質或任何種類的原子核。在簡單范例中，采集兩種化學物類的MR信號，其中，化學物類是“化學成分”水和脂肪中的質子。在更復雜的范例中，多峰譜模型實際描述了以已知相對量出現的一組不同化學成分中的原子核。在這種情況下，使用兩種或更多譜模型分離來自不同組化學成分的信號貢獻。
[0020]本發明的本質特征是提供譜模型的“庫”，其中，所述庫包括與不同組成像參數和/或不同類型成像序列相關聯的不同譜模型。通過這種方式，本發明考慮到，化學物類之一的譜(利用該譜其對所采集MR信號有貢獻)會隨著成像參數以及序列類型顯著變化。通過考慮這種變化，本發明實現了特別高質量的(水-脂肪)分離。此外，本發明的方法允許高質量地估計主磁場的不均勻性。
[0021]所提到的譜模型的庫可以包括多個與數據庫中存儲的不同組成像參數相關聯的事先收集的譜模型。這一數據庫之后可以充當在信號分離步驟中被訪問的查找表。可以通過對所述庫中存儲的譜模型進行內插或外插，確定與實際用于生成MR信號的成像序列的一組成像參數相關聯的譜模型。
[0022]本發明的重要優點是，能夠在獨立的方法步驟中(通常在實際圖像采集程序之前)，以比已知的所謂自動校準方式高得多的質量，采集不同化學物類的譜，所述自動校準方式僅僅依賴于針對譜建模可用的成像數據。之后譜建模能夠基于這些事先收集的譜，這實現特別高質量的信號分離。另一個優點是，根據本發明，即使在回波數量減少到三個或兩個的情況下，也能夠使得復雜譜模型是可用的。在這種情況下，常規的自動校準方式不再能夠提供高質量信號分離所需的關于不同化學物類的譜的類似信息。
[0023]根據本發明的可能實施例，可以通過對各自譜和/或對相關成像參數的影響進行分析模擬，提供與不同組成像參數相關聯的譜模型。
[0024]每個譜模型都可以包括一個或多個譜峰的共振頻率和幅度、相位值和/或弛豫時間值。譜峰的幅度確定了化學物類在不同相關共振頻率處的相對信號貢獻。相位描述了在給定回波時間處的譜峰與例如水質子之間的移相角。可以包括弛豫時間以描述具有回波時間的指數信號衰變。權重(即譜峰的幅度)和相位依賴于成像參數。因此，根據本發明，提供了針對不同組成像參數的權重和相位。
[0025]成像參數包括用于生成MR信號的成像序列的重復時間、翻轉角和/或至少一個回波時間。
[0026]能夠借助一種MR設備至此描述的本發明的方法，所述MR設備包括用于在檢查體積之內生成均勻穩定磁場Btl的至少一個主磁體線圈，用于在所述檢查體積之內的不同空間方向上生成切換的磁場梯度的多個梯度線圈，用于在所述檢查體積之內生成RF脈沖和/或用于接收來自位于所述檢查體積之內的患者的身體的MR信號的至少一個RF線圈，用于控制RF脈沖和切換的磁場梯度的時間接連的控制單元，以及重建單元。能夠通過MR設備的重建單元和/或控制單元的對應編程設計來實施本發明的方法。
[0027]能夠在當前臨床使用中的大多數MR設備中有利地執行本發明的方法。為此目的，僅需要利用控制MR設備的計算機程序，使得其執行本發明的上述方法步驟。計算機程序可以存在于數據載體上，或存在于數據網絡中以便被下載并安裝在MR設備的控制單元中。【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]附圖公開了本發明的優選實施例。然而應理解，附圖被設計為僅出于說明的目的，而并不作為本發明限制的定義。在附圖中:
[0029]圖1示出了用于執行本發明方法的MR設備；
[0030]圖2示意性示出了在變化的成像參數下獲得的脂肪MR譜；
[0031]圖3圖示了根據本發明的在數據庫存儲為二維陣列的脂肪譜的庫；
[0032]圖4圖示了根據本發明的在數據庫存儲為三維陣列的脂肪譜的庫。
【具體實施方式】
[0033]參考圖1，示出了 MR設備I。該設備包括超導或常導主磁體線圈2，使得沿著通過檢查體積的z軸產生基本均勻，時間上恒定的主磁場仏。該設備還包括一組(一階、二階，以及適當時候的三階)勻場線圈2’，其中，通過該組2’的個體勻場線圈的電流是可控的，以便使檢查體積之內的Bci偏差最小化。
[0034]磁共振生成和操控系統施加一系列RF脈沖和切換的磁場梯度，以反轉或激勵核磁自旋，誘發磁共振，重新聚焦磁共振，操控磁共振，對磁共振進行空間和其他編碼，使自旋飽和等，以執行MR成像。
[0035]更具體而言，梯度脈沖放大器3沿著檢查體積的X、y和z軸向全身梯度線圈4、5和6中所選的線圈施加電流脈沖。數字RF頻率發射器7經由發送/接收開關8向身體RF線圈9發射RF脈沖或脈沖群，以向檢查體積中發射RF脈沖。典型的MR成像序列包括一群短持續時間的RF脈沖段，所述一群短持續時間的RF脈沖段連同任何施加的磁場梯度一起，實現了核磁共振的選定操控。RF脈沖用于飽和、激勵共振，反轉磁化，重新聚焦共振，或操控共振并選擇位于檢查體積中的身體10的一部分。MR信號還由身體RF線圈9拾取。
[0036]為了借助平行成像來生成身體10的有限區域的MR圖像，鄰接選定用于成像的區域放置一組局部陣列RF線圈11、12、13。陣列線圈11、12、13能夠用于接收由身體線圈RF發射誘發的MR信號。
[0037]所得的MR信號由身體RF線圈9和/或陣列RF線圈11、12、13拾取并由接收器14解調，接收器14優選包括前置放大器(未示出)。接收器14經由發送/接收開關8連接到RF 線圈 9、11、12 和 13。
[0038]主計算機15控制勻場線圈2’以及梯度脈沖放大器3和發射器7，以生成多種MR成像序列中的任一種，所述多種MR成像序列例如為回波平面成像(EPI )、回波體積成像、梯度和自旋回波成像、快速自旋回波成像等。對于選定的序列，接收器14接收每個RF激勵脈沖之后快速相繼的單個或多個MR數據線。數據采集系統16執行接收信號的模數轉換，并將每個MR數據線轉換成適于進一步處理的數字格式。在現代MR設備中，數據采集系統16是專用于采集原始圖像數據的獨立計算機。
[0039]最后，通過重建處理器17將數字原始圖像數據重建成圖像表示，重建處理器17應用傅里葉變換或其他適當的重建算法，例如SENSE或SMASH。MR圖像可以表示通過患者的平面切片、平行平面切片的陣列、三維體積等。之后在圖像存儲器中存儲圖像，在所述圖像存儲器中，可以經由例如視頻監視器18訪問圖像，以將圖像表示的切片、投影或其他部分轉換成用于可視化的適當格式，視頻監視器18提供了所得MR圖像的人類可讀顯示。[0040]圖2示意性圖示了在變化的成像參數(重復時間TR、翻轉角α、回波時間TE)下收集的脂肪質子的MR譜。在圖2中能夠看出，權重，即不同譜峰的幅度隨著成像參數顯著變化。根據本發明，通過基于與實際用于MR信號采集的一組成像參數相關聯的(例如脂肪質子的)譜模型在兩點或多點Dixon技術中執行信號分離，考慮了這種變化。
[0041]根據本發明的第一實踐實施例，針對具有給定重復時間TR和給定翻轉角α的MR信號采集，執行化學位移編碼的三維梯度回波成像。在RF擾相方案中生成梯度回波，以實現T1加權。使用已經事先收集的，從而構成先驗知識的脂肪的譜模型的庫。所述庫包括個體譜峰的幅度、它們各自的相位和T2值。所述庫包含針對不同組成像參數TR和α的譜模型，從而形成如圖3所示的矩陣。當針對特定的TR和α組合檢索個體譜峰的幅度、相位和T2值時，可以應用內插或外插。或者，可以根據需要執行并評估成像參數對脂肪譜影響的分析建模。對于具有不良切片選擇性從而導致切片間的翻轉角α變化的二維梯度回波成像，可以收集圖3中所示的另一矩陣，以便適當反映在這些條件下脂肪譜的變化。
[0042]在另一可能性實施例中，以給定的重復時間TR、回波間時間TEi和重新聚焦角度α執行化學位移編碼的二維多次拍攝的快速自旋回波成像。成像序列的重新聚焦RF脈沖的快速重復能夠改變J調制的效果，從而導致脂肪譜，即T2值，以及信號振幅中的顯著差異。使用小于180°的重新聚焦角進一步導致以不同方式暴露于T1和T2弛豫的不同相干性通路的混合。這導致信號壽命的明顯增加。因此，在本實施例中，如圖4中所示的譜模型的三維矩陣是適當的。
【權利要求】
1.一種對具有不同MR譜的至少兩種化學物類進行MR成像的方法，所述方法包括如下步驟: -通過使身體(10)的一部分經受RF脈沖和切換的磁場梯度的成像序列，生成所述化學物類的MR信號，所述成像序列是由一組成像參數(TR，α，TE)確定的； -采集所述MR信號； -確定所述化學物類中的至少一種的譜模型，所述譜模型與所述成像序列的類型和/或所述一組成像參數(TR, α，TE)相關聯； -基于所述譜模型分離所述至少兩種化學物類對所采集的MR信號的信號貢獻；并且 -根據所述化學物類中的至少一種的信號貢獻計算MR圖像。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述譜模型包括共振頻率和一個或多個譜峰的幅度、相位值和/或弛豫時間值。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述一組成像參數(TR，α，TE)包括重復時間值、翻轉角值和/或至少一個回波時間值。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的方法，其中，所述MR信號是借助兩點或多點Dixon技術生成并采集的。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的方法，其中，所述成像序列是梯度回波型或自旋回波型序列。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的方法，其中，與不同組成像參數(TR，α,TE)相關聯的譜模型被存儲在數據庫中。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，與用于MR信號生成的所述成像序列的所述一組成像參數(TR，α，TE)相關聯的所述譜模型是通過對所述數據庫中存儲的所述譜模型進行內插或外插而確定的。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的方法，其中，與不同組成像參數(TR，α,TE)相關聯的所述譜模型是以模擬的方式提供的。
9.一種用于執行根據權利要求1-8所述的方法的MR設備，所述MR設備(I)包括用于在檢查體積之內生成均勻穩定的磁場Btl的至少一個主磁體線圈(2)，用于在所述檢查體積之內以不同空間方向生成切換的磁場梯度的多個梯度線圈(4、5、6)，用于在所述檢查體積之內生成RF脈沖和/或用于接收來自位于所述檢查體積中的患者的身體(10)的MR信號的至少一個RF線圈(9)，用于控制RF脈沖和切換的磁場梯度的時間接連的控制單元(15)，以及重建單元(17)，其中，所述MR設備(I)被布置為執行以下步驟: -使所述身體(10)的所述部分經受包括RF脈沖和切換的磁場梯度的成像序列，所述成像序列是由一組成像參數(TR，α，TE)確定的； -采集具有不同MR譜的至少兩種化學物類的MR信號； -確定所述化學物類中的至少一種的譜模型，所述譜模型與所述成像序列的類型和/或所述一組成像參數(TR, α，TE)相關聯； -基于所述譜模型分離所述至少兩種化學物類對所采集的MR信號的信號貢獻；并且 根據所述化學物類之一的信號貢獻計算MR圖像。
10.一種運行于MR設備上的計算機程序，所述計算機程序包括用于如下操作的指令: -生成包括RF脈沖和切換的磁場梯度的成像序列，所述成像序列是由一組成像參數(TR, α，TE)確定的； -采集具有不同MR譜的至少兩種化學物類的MR信號； -確定所述化學物類中的至少一種的譜模型，所述譜模型與所述成像序列的類型和/或所述一組成像參數(TR, α，TE)相關聯； -基于所述譜模型分離所述至少兩種化學物類對所采集的MR信號的信號貢獻；并且 -根據所述化學物類 之一的信號貢獻計算MR圖像。
【文檔編號】G01R33/48GK103635824SQ201280031579
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年6月20日 優先權日:2011年6月28日
【發明者】P·博爾納特, H·埃格斯 申請人:皇家飛利浦有限公司