CN101006356A - 用于定量确定局部松弛时间值的mr方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于定量确定检测体积内的局部弛豫时间值的MR方法。首先，以相敏形式记录多个具有不同回波时间值(t₁、t₂、t₃)的回波信号(1、2、3)。然后对于不同回波时间值(t₁、t₂、t₃)由这些回波信号(1、2、3)重建合成MR图像(4、5、6)。接下来，对于每个像点由合成图像值的相位中的依据回波时间的变化来计算局部共振频率值(7)，然后由局部共振频率值(7)来计算局部磁场不均匀性初值(8)。本发明提出了由图像值的幅值中的依据回波时间的变化来确定局部弛豫时间值(10)并考虑到局部磁场不均匀性终值来实现局部弛豫时间值(10)的校正。将局部磁场不均匀性初值(8)作为用于确定局部磁场不均匀性终值的迭代优化程序(19)的开始值。

Description

用于定量确定局部松弛时间值的MR方法

技术领域

本发明涉及一种用于定量确定检测体积内的局部弛豫时间值的MR方法。

本发明还涉及一种用于实现该方法的MR成像设备和用于这种MR成像设备的计算机程序。

背景技术

公知的是，在MR成像中，依靠时间可变、空间不均匀的磁场(磁场梯度)来定位所用MR成像设备的检测体积内的核磁化。通常以电压的形式记录用于图像重建的MR信号，在开关磁场梯度的恰当序列和在时域内的高频脉冲的作用下在设置于检测体积区域内的高频线圈中感应产生该电压。已知大量的不同成像序列，在其中出于尽可能快地成像的目的，在通过高频脉冲核磁化激发之后以具有不同回波时间值的回波信号的形式产生MR信号。这种序列也被称为“多次回波序列”。关于这一点，值得特别注意的是诸如EPI(回波平面成像)序列的所谓梯度回波序列和诸如TSE(快速自旋回波)序列的在其中通过依靠附加高频脉冲再聚焦来产生回波信号的成像序列。通常通过对时间信号进行傅立叶变换来实现对记录的回波信号的实际图像重建。由磁场梯度和所用高频脉冲的数目、时间间隔、持续时间和强度来限定对指定给检测体积的空间频率区域(所谓“k空间”)的扫描，通过它来确定待成像的视场(FOV)和图像分辨率。将扫描k空间期间的相位编码步骤的数目并由此同时将成像序列的持续时间定义为在FOV和图像分辨率方面各自的必要条件的函数。

在由现有技术已知的MR成像方法中确定核磁化的局部横向弛豫时间(T₂或T₂*弛豫)是特别重要的。例如当在MR成像中使用影响核磁化的横向弛豫的造影剂时，弛豫时间的空间分布的可视化及定量确定是重要的。基于诸如氧化铁的这种造影剂目前也已经用于通过MR来追踪标记单元和定位检测体积内的活性物质。横向弛豫时间的空间解析确定也用于功能磁共振成像(fMRI)。在一方面，由现有技术已知，为了可视化弛豫时间的空间分布，要记录T₂*加权MR图像。在另一方面，对于某些应用，希望能够尽可能精确地定量确定局部弛豫时间。例如在灌注研究中就是这种情况，其中研究造影剂丸剂通过特定解剖结构的通道的时间进程。另一个例子是对毛细血管尺寸的测量及依靠MR测量其密度。定量MR弛豫术也可以用于定量确定某些内脏器官(例如肝、肺、脑)中的铁含量。

定量MR弛豫术的一个问题是静磁场的局部不均匀性缩短了核磁化的横向弛豫时间。特别是在医疗MR成像中，由于被检测的单个病人的不同易感能力，这种不均匀性是不能避免的。在医疗MR成像中，磁场的局部不均匀性发生在具有不同易感性的不同类型组织的界面区域。位于检测体积区域的铁磁物体也能够引起宏观磁场不均匀性。这些破坏性影响引起核磁化的加速弛豫。磁场不均匀性对核磁弛豫的影响与静磁场强度成比例。在如在医疗MR成像设备中变得越来越普遍的3特斯拉或更高的高磁场强度情况中，不能再忽视磁场不均匀性对核磁化的横向弛豫的影响。已经发现，在高磁场强度情况中当测量T₂*时上述易感人造物导致完全虚假的数值。局部磁场不均匀性导致对弛豫率的系统过高评价。结果可能是，例如由于这种表观的高弛豫率，将得出的结论是在某些成像区域内存在含有氧化铁的造影剂，即使实际上在所讨论的位置上没有造影剂。因此这导致了误诊的相应的病例。

由现有技术已经知道解决上述问题的方法。例如，An等人(MagneticResonance in Medicine，Vol.47，2002，pp958-966)利用MR弛豫术研究了对脑部内的还原血红蛋白浓度的空间解析测量。An等人发现由于迭加到记录的MR信号的弛豫组分的不同时间响应，因此能够将静磁场的局部不均匀性和还原血红蛋白对横向T₂*弛豫的影响彼此分离。An等人建议，第一步，通过高解析三维MR成像来测量局部磁场不均匀性。第二步，记录关于空间解析T₂*测量的少量高解析MR数据。然后根据先前测量的磁场不均匀性校正这些数据，以便用于弛豫测量的数据不会受到不希望的破坏性的影响。

已知方法的重要缺点是由于额外需要高解析三维成像，所以总测量时间非常长。额外成像记录步骤使测量时间增加到两倍以上。

发明内容

基于这一点，本发明的目的是提供一种MR方法，其在使得能够定量确定局部弛豫时间值的同时消除了由局部磁场不均匀性引起的破坏性影响，其中测量时间比由现有技术已知的方法短。

本发明通过具有如权利要求1所述的特征的MR方法实现该目的。

根据本发明，在第一方法步骤中，以相敏方式记录具有不同回波时间值的多个回波信号。为了能够分析核磁化的时间响应以确定弛豫时间值，需要记录具有不同回波时间值的回波信号。在下一方法步骤中，在每种情况中由对不同回波时间值记录的回波信号重建合成MR图像，以使对于每个回波时间值存在一个合成MR图像。然后，对于合成MR图像的每个像点，通过计算在合成图像值的相位内的取决于回波时间的变化来计算局部共振频率值。合成图像值的相位以与回波时间成比例的形式改变，其中比例系数在每种情况中是局部共振频率值。而局部共振频率值与局部磁场强度成比例。因此，由于在该方法步骤中对于每个像点局部磁场强度是已知的，所以在下一方法步骤中对于每个像点可以计算局部磁场不均匀性的初值。将由此确定的局部磁场不均匀性值视为初值，这是由于按上述方式确定的局部磁场不均匀性的精确度仍然不足以精确定量确定局部弛豫时间值。根据本发明，在最后的方法步骤中根据图像值的幅值的依据回波时间的变化来确定局部弛豫时间值，其中考虑最终的局部磁场不均匀性值来校正局部弛豫时间值。使用迭代优化程序来确定最终的局部磁场不均匀性值，其中用局部磁场不均匀性初值作为开始值。使用迭代优化程序能够更加精确地确定先前计算的局部磁场不均匀性值。这里，优化程序使用图像值的幅值的不同时间响应，正如由核磁弛豫和/或局部场不均匀性引起的。

本发明的核心概念是使用关于局部磁场不均匀性的已经存在于记录的图像数据中的信息，以节省根据现有技术所需要的额外图像记录步骤。该优点是明显减少了测量时间。

因此本发明基于这一认识，即能够由记录的图像数据中包含的相位信息至少粗略地估计检测体积内的静磁场的过程。由此能够由图像值的幅值的依据回波时间的变化来确定弛豫时间值。由此能够单纯通过使用迭代优化程序对记录的图像数据进行计算机辅助后处理来足够精确地确定局部弛豫时间值和局部磁场不均匀性。需要的计算时间明显少于根据现有技术需要的记录额外三维图像数据的时间。

结合MR弛豫术对记录的图像数据进行计算机辅助后处理已经由根据Fernández-Seara等人(Magnetic Resonance in Medicine，Vol.44，2000，pp358-366)的现有技术已知。然而，在现有已知方法中，不是使用作为本发明的主要基本概念的图像数据中包含的相位信息来确定局部磁场不均匀性，而是在迭代优化的环境中单纯由图像值的幅值的时间响应来估计并然后确定局部磁场梯度值。因此，根据本发明的方法以比由现有技术已知的方法中更加复杂并更加有效的方式使用记录的图像数据中包含的信息。除了这一点，已经发现在计算时间方面根据本发明的方法比Fernández-Seara等人提出的方法快了大约10倍。

按照根据本发明的方法的一个有利实施例，对于彼此直接相邻的多个图像断层使用断层选择二维多次回波序列来记录回波信号。这种多层图像记录提供了计算作为用于迭代优化程序的开始值的局部磁场不均匀性初值所需要的全部数据。对多个彼此直接相邻的图像断层的记录确保了对于每个像点能够以足够的精确度来确定各自的磁场不均匀性初值。对于每个像点，通过内插各个空间相邻像点的局部共振频率值能够快速而简单地执行这一过程。

当将多次回波序列用于回波信号的相敏记录时，对于不同回波时间值记录具有相同相位编码的回波信号同样是有利的。当使用EPI序列时，为了实现这一点可能忽略至少某些所谓的“尖峰”梯度。当然，整体来说，对于每个回波时间值必须扫描整个k空间，以便在每种情况中对于不同回波时间值能够重建MR图像。如果对于不同回波时间值存在具有相同相位编码的回波信号，那么根据本发明这确保了基于合成图像值的相位中的依据回波时间的变化能够可靠地计算局部磁场不均匀性初值。为了使根据本发明的方法可靠地起作用，如果使用一个且同样的k空间扫描模式来记录对于不同的回波时间值所重建的合成MR图像，这是特别有利的。

根据本发明使用的迭代优化程序可以包含下述不断重复直到达到停止标准的方法步骤：首先，对于每个像点根据相应的局部磁场不均匀性值来校正依据回波时间的图像值。由于物理状态，由局部磁场不均匀性引起的图像值的幅值的依据回波时间的响应在理论上是已知的。因此，可以从依据回波时间的图像数据中忽略磁场不均匀性的影响。为了简化问题，可以或多或少地假设由线性磁场梯度限定了各个像点的区域内的局部磁场进程。然后对于每一个像点根据经校正的依据回波时间的图像值来计算局部弛豫时间值。这可以通过按照传统方式将每种情况中的依据回波时间的图像值调整以适用于(例如单指数)恰当的函数来执行。这种调整产生了表示真实弛豫时间值的第一近似值的局部弛豫时间。然后，进行优化步骤，设计所述步骤以更加精确地确定首先仍然是初值的局部磁场不均匀值。这通过最小化来自对于每个像点的相应弛豫函数的经校正的依据回波时间的图像值的差值平方的和来执行，其中在预先确定的局部弛豫时间值的情况中进行使用。在该优化步骤中，假设核磁弛豫导致图像值对回波时间的给定(例如单指数)函数相关性。局部磁场不均匀性引起图像值与此不同的时间响应。这可以用于上述优化程序，在其中以相应校正的依据回波时间的图像值逼近弛豫函数的方式优化局部磁场不均匀性值。然后，多次重复上述步骤以使局部弛豫时间值和局部磁场不均匀性值迭代地向真实值收敛。进行迭代直到达到适当选择的停止标准。

为了计算局部共振频率值，在实践中已经发现如果仅使用其幅值为大于平均信号噪音的预设因数(例如十倍)的图像值是有利的。这确保了局部磁场梯度初值的充分精确度，并通过忽略具有低信号幅值的图像值来节省用于确定局部共振频率值的计算时间。

根据本发明的方法非常适用于确定含有氧化铁的造影剂在检测体积内的空间分布。近来在MR成像方法中使用小的和极小的顺磁氧化铁粒子(所谓SPIO)作为造影剂已经是人们特别感兴趣的。通常基于T₂或T₂*加权MR图像来估计这些粒子在检测体积内的分布。根据本发明的方法特别适用于使用MR弛豫术定量确定SPIO粒子在检测体积内的局部浓度。特别感兴趣的是这一事实，即巨噬细胞中的SPIO粒子被记录了。在注入SPIO粒子之后这种现象发生在肝脏中。SPIO粒子也可以用于标识间接体外的细胞(例如干细胞)。由于根据本发明的定量确定局部弛豫时间值，因此在注入到病人体内后就可以跟踪这种标识细胞。根据本发明的方法利于能够基于T₂与T₂*的差别来区分被细胞吸收的SPIO粒子与在细胞外的SPIO粒子。

为了实现根据本发明的方法，可以使用包括用于记录回波信号的记录装置和用于根据回波信号来定量确定局部弛豫时间值的计算机装置的MR成像设备。通过计算机装置的适当程序控制可以在根据本发明的MR成像设备中实现上述方法。根据本发明的方法可以以相应的计算机程序的形式供MR成像设备的用户使用。可以将该计算机程序存储在诸如CD-ROM或软盘的适当数据载体中，或也可以从互联网上将其下载到MR成像设备的计算机装置中。

附图说明

将参照附图中示出的实施例进一步描述本发明，但并不能将本发明范围限制在其中。

图1示意性地示出根据本发明的方法的过程。

图2示出了根据本发明的一种MR设备。

具体实施方式

图1中示出的方法首先开始于以相敏记录多个具有三种不同回波时间值t₁、t₂和t₃的回波信号。对于这些回波时间值中的每一个均存在数据记录1、2和3。在每种情况中，从三种数据记录1、2和3来重建合成MR图像4、5和6。因此，对于每个回波时间值t₁、t₂和t₃均存在MR图像4、5和6。对于MR图像4、5和6的每个像点，由合成图像值的相位中的依据回波时间的变化来计算局部共振频率值。其结果是包括对于每个像点的作为频移值Δω(x)的局部共振频率值的数据记录7。然后根据数据记录7再一次对于每一个像点计算局部磁场不均匀性初值。在该实施例中，局部磁场不均匀性值以ΔB₀(x)表示，即以各个空间相邻的像点之间的磁场差别来表示。最后，将MR图像4、5和6及局部磁场不均匀性初值8作为输入数据馈送到迭代优化算法9。这里，由MR图像4、5和6的图像值的幅值中的依据回波时间的变化来确定局部弛豫时间值，其中考虑到磁场不均匀性终值来校正局部弛豫时间值。对于所用的迭代优化程序，将根据数据记录8的局部磁场不均匀性初值作为开始值。最后存在局部弛豫时间值T₂*(x)作为数据记录10。

可以按照下述步骤来实现用于确定局部磁场不均匀性终值的迭代优化程序：

首先，根据相应的局部磁场梯度值ΔB₀并特别根据下式来校正对于每个像点的依据回波时间的图像值S(TE)：

$S_0\·\exp (-\frac{\mathrm{TE}}{T_2^{*}})=S\left(\mathrm{TE}\right)/\sin c(\mathrm{\γ\Δ}{B}_0/2\·\mathrm{TE})$

这里，S₀是图像值的幅值的绝对值。该值没有其它意义。TE是各个回波时间值。T₂*是关心的真实局部横向弛豫时间。S(TE)是在图像值的幅值中的依据回波时间的变化。γ是回磁比。通过用依据回波时间的图像值除以取决于局部磁场梯度值ΔB₀和回波时间TE的正弦(sinc)函数来进行校正。该正弦函数代表图像值的幅值的时间响应，其由磁场梯度值ΔB₀的作用产生。然后，可以由通过改写成指数函数而因此校正的图像值来确定局部弛豫时间T₂*。在下一步骤中，根据下述公式计算差值平方的和SD：

$\mathrm{SD}=\sqrt{\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(S_0\exp (-\frac{\mathrm{TE}}{T_2^{*}})-\frac{S\left(T{E}_1\right)}{\sin c(\mathrm{\γ\Δ}{B}_0/2\·T{E}_i)})}^2}{n-1}}$

对于全部回波时间值TE_i进行求和。通过最小化上述差值平方的和来最优化对于相关像点的局部磁场梯度值ΔB₀。然后尝试着尽可能地使校正的依据回波时间的图像值与单指数弛豫函数相一致。一旦发现了优化的局部磁场梯度值，使用该优化的局部磁场梯度值来重复依据回波时间的图像值的校正，并确定改进的弛豫时间值T₂*。重复全部步骤，直到在局部磁场梯度值ΔB₀方面和在局部弛豫时间值T₂*方面均可以确定收敛。

图2示出了一种可以实现根据本发明的方法的MR成像设备的方框图。该MR成像设备由用于在病人12位于其中的检测体积内产生均匀静磁场的主磁场线圈11组成。该MR成像设备另外包括用于在检测体积内的不同空间方向产生磁场梯度的梯度线圈13、14和15。利用通过梯度放大器17连接到梯度线圈13、14和15上的中央控制单元16来控制检测体积内的磁场梯度的时间和空间进程。所示的MR成像设备还包括用于在检测体积内产生高频磁场和接收来自检测体积的回波信号的高频线圈18。高频线圈18通过发送器单元19连接到控制单元16。高频线圈18记录的回波信号被接收器单元20解调并放大，并被馈送到重建与可视化单元21。高频线圈18和接收器单元20一起形成了MR成像设备的记录装置。控制单元16和重建与可视化单元21是根据本发明的MR成像设备的计算机装置。可以将经过重建与可视化单元21处理的回波信号显示在屏幕22上。重建与可视化单元21和控制单元16具有用于实现根据本发明的方法的适当的程序控制。

Claims (9)

1.一种用于在检测体积内定量确定局部弛豫时间值(T₂*)的MR方法，包括以下的方法步骤：

a)相敏地记录多个具有不同回波时间值(t₁、t₂、t₃)的回波信号(1、2、3)；

b)对于不同的回波时间值(t₁、t₂、t₃)由回波信号(1、2、3)重建合成MR图像(4、5、6)；

c)对于每个像点由合成图像值的相位中的依据回波时间的变化来计算局部共振频率值(7)；

d)由局部共振频率值(7)来计算局部磁场不均匀性初值(8)；

e)由图像值的幅值中的依据回波时间的变化来确定局部弛豫时间值(10)，并且考虑到局部磁场不均匀性终值来校正局部弛豫时间值(10)，其中将磁场不均匀性初值(8)作为用于确定局部磁场不均匀性终值的迭代优化程序(19)的开始值。

2.如权利要求1所述的方法，其中对于彼此直接相邻的多个图像断层使用断层选择二维多次回波序列来记录回波信号。

3.如权利要求2所述的方法，其中对于不同的回波时间值记录具有相同相位编码的回波信号。

4.如权利要求2或3所述的方法，其中多次回波序列是EPI序列。

5.如权利要求1到4中任一项所述的方法，其中迭代优化程序包括下面的方法步骤，其不断重复直到到达停止标准：

对于每个像点根据相应的局部磁场不均匀性值来校正依据回波时间的图像值；

对于每个像点根据校正的图像值来计算局部弛豫时间值；

通过最小化对于每个像点的来自弛豫函数的被校正的依据回波时间的图像值的差值平方的和，来优化局部磁场梯度值。

6.如权利要求1到5中任一项所述的方法，其中为了计算局部共振频率值，仅使用幅值是大于平均信号噪音的预定因数的图像值。

7.一种如权利要求1到5中任一项所述的方法在确定检测体积内的含有氧化铁的造影剂的空间分布方面的应用。

8.一种MR成像设备，其包括用于记录回波信号的记录装置(18、20)和用于根据回波信号定量确定局部弛豫时间值(T₂*)的计算机装置(16、21)，其中计算机装置(16、21)被设置成以利用适当的程序控制来实现如权利要求1到6中任一项所述的方法。

9.一种用于MR成像设备的计算机程序，其中通过MR成像设备的计算机装置中的计算机程序来实现如权利要求1到6中任一项所述的方法。

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