專利名稱：磁場不敏感的化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移成像的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在磁共振斷層造影系統(tǒng)中降低CEST成像對于基本場和HF場的非均勻性的敏感性的方法以及一種相應(yīng)構(gòu)造的裝置。
背景技術(shù)：
除了使用對于形態(tài)學(xué)成像的臨床的磁共振斷層造影系統(tǒng)(MRT系統(tǒng))(其中基于自由水分子的質(zhì)子的磁特性產(chǎn)生在組織之間的對比度)之外，通過開發(fā)新的方法近年來越來越多地可以在臨床斷層造影中也確定生理參數(shù)。在1990年提出了如下思路利用與特定的分子不穩(wěn)定地鍵合的質(zhì)子與自由水分子的化學(xué)交換，以獲得關(guān)于該特定的分子的化學(xué)環(huán)境的信息和關(guān)于該分子本身的信息。在此，特定的低濃度分子的質(zhì)子經(jīng)由該化學(xué)傳輸被傳輸?shù)阶杂伤肿印Ｓ纱?，可以基于水信?空間高分辨地表示該特定分子的特殊信息。該方法被稱為CEST方法(Chemical ExchangeSaturation Transfer,化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移)。該CEST方法特別地利用化學(xué)位移、飽和以及質(zhì)子的化學(xué)交換化學(xué)位移(chemical shift)在核磁共振波譜法中被理解為樣本的共振線(即，例如在特定的分子中特定的質(zhì)子的共振或拉莫爾頻率)與任意選擇的標(biāo)準(zhǔn)的共振線(該標(biāo)準(zhǔn)被分配化學(xué)位移0)的距離。獨立于所使用的波譜儀的磁場強度的化學(xué)位移以ppm給出?；?br> 學(xué)位移的原因是包圍了各自的原子核的電子的磁化率(magnetische Suszeptibilitat )
這導(dǎo)致外部磁場通過電子部分地屏蔽。如果原子是分子的部分，則電子密度和由此屏蔽作用受到相鄰原子影響。因此，在特定的分子中質(zhì)子的譜線也與水質(zhì)子的譜線以一定的頻率位移。該位移通常位于Ippm和50ppm之間的范圍中。因此，例如可以借助于選擇性激勵通過窄帶HF場有針對地僅激勵特定分子的選擇的質(zhì)子，而不激勵水的質(zhì)子。飽和在核磁共振成像中被理解為如下可能性經(jīng)由相應(yīng)頻率的HF脈沖(飽和脈沖)激勵特定的核，使得相應(yīng)的核自旋系統(tǒng)的最大數(shù)量的自旋處于被激勵的狀態(tài)。這一點例如可以通過將激勵的高頻足夠長地入射到特定的自旋系統(tǒng)來進(jìn)行。由此狀態(tài)的占用接近一種平衡，在該平衡情況下處于激勵狀態(tài)的自旋數(shù)量等于處于基本狀態(tài)的自旋數(shù)量。占用數(shù)差(Besetzungszahlunterschied)的這種消失被稱為飽和并且導(dǎo)致在隨后的高頻激勵中不再能夠探測核磁共振信號。作為化學(xué)交換(CE, Chemical Exchange),指在兩個化學(xué)環(huán)境之間交換隔離的核自旋的所有過程，由此其核磁共振參數(shù)(例如化學(xué)位移、弛豫時間，等等)被改變。該化學(xué)交換例如通過在自由水分子的質(zhì)子和其中所溶解的物質(zhì)的質(zhì)子之間的交換來進(jìn)行。這些質(zhì)子的交換率位于IOHz和1000Hz的數(shù)量級。相應(yīng)于該交換率，還可以定義Ims至IOOms的鍵合時間(交換時間)。交換的速度特別地受到化學(xué)環(huán)境的PH值及其溫度影響。CEST可以通過利用該效應(yīng)在磁共振斷層造影中分辨不同分子的質(zhì)子的不同信號。為此，選擇性地這樣激勵(待檢查的分子的、也就是CEST物質(zhì)的質(zhì)子的)特定的質(zhì)子信號，使得其磁化飽和。由于通過該分子的飽和的質(zhì)子與周圍的水質(zhì)子的化學(xué)交換，直接包圍的水分子的質(zhì)子的核共振信號被衰減。因此，利用以及不利用相應(yīng)的飽和脈沖所拍攝的MRT圖像，顯示出相應(yīng)的CEST物質(zhì)的空間分布。該CEST物質(zhì)通常是如下的化合物，其不能利用核磁共振成像的通常方法顯示，因為例如其所屬的T2時間太小或者物質(zhì)的濃度小到產(chǎn)生的共振信號對于成像來說太弱。對于CEST成像，化學(xué)交換的速度應(yīng)當(dāng)位于特定的范圍，從而其一方面足夠快地進(jìn)行以使得水信號飽和，另一方面其緩慢進(jìn)行，從而在交換的質(zhì)子和水質(zhì)子之間形成化學(xué)位移的足夠的差。CEST效應(yīng)的大小由此既取決于交換率也取決于可交換的質(zhì)子的數(shù)量。因為化學(xué)交換的率(Rate)取決于pH值，所以可以利用CEST進(jìn)行pH加權(quán)的成像。利用CEST方法示出了通過化學(xué)交換所產(chǎn)生的飽和的自由水質(zhì)子的分布。與不飽和的水質(zhì)子相反，這些水質(zhì)子當(dāng)利用具有水質(zhì)子的頻率的HF脈沖激勵時幾乎不產(chǎn)生共振信號(衰減)。特別地，通過比較兩個拍攝可以獲得CEST物質(zhì)的分布的圖形顯示。在第一拍攝時測量水質(zhì)子的信號的衰減，如上所述，而在第二拍攝時記錄沒有前面的飽和的情況下的信號分布。作為對于第二拍攝的激勵頻率，在此可以選擇自由水質(zhì)子的共振頻率或者利用相對于水頻率以化學(xué)位移的負(fù)的值位移的頻率來激勵。基于CEST的對比度機制原則上具有如下潛力顯示重要的功能，諸如新陳代謝過程，或者活體測量組織的PH值。在此，對比度增強可以實現(xiàn)相對于感興趣的分子的自然發(fā)生(natiirlichen Vorkommen) IO2 至 IO6 的值。然而，CEST成像由于非常窄帶的飽和激勵而對于基本磁場(B。場)的空間變化極其敏感，因為磁場的空間偏差直接作為相應(yīng)的共振頻率的偏差起作用。另一個缺陷在于，飽和效應(yīng)的量化以空間恒定的HF場(B1場)為前提，由此待激勵的質(zhì)子的自旋的翻轉(zhuǎn)(飽和翻轉(zhuǎn)角)關(guān)于所涉及的體積是恒定的。因此，按照現(xiàn)有技術(shù)，采取以下措施以降低通過磁場的不均勻分布對CEST成像的圖像質(zhì)量的可能干擾。-通過優(yōu)化的Btl勻場來改善空間均勻性。對于勻場，或者在磁共振斷層造影的管中放置特殊的鐵片，或者這樣控制MR斷層造影中的特殊成型的附加線圈，使得基本場的場非均勻性盡可能得到抑制。-拍攝飽和譜。在此，利用飽和脈沖的不同頻率進(jìn)行一系列測量。從飽和譜中提取如下的測量，在所述測量中飽和頻率正好相應(yīng)于如下的值，該值從化學(xué)共振位移和通過Btl場的空間局部變化引起的位移之和得出。對于特定的空間點來說最優(yōu)的飽和頻率可以從附加頻率的Btl場圖(Feldkarte,即，顯示了基本磁場的空間場分布的映像,也稱為Btl fieldmap )來確定。-此外，飽和譜(S卩，飽和脈沖的頻率分布)與激勵的譜在譜上重疊。由此產(chǎn)生對CEST效應(yīng)算錯的可能性。這一點可以通過如下來避免對稱地圍繞質(zhì)子激勵譜拍攝飽和譜，即，利用如下的頻率位移，該頻率位移相對于水頻率以化學(xué)位移的負(fù)值位移。由此，當(dāng)確定了正的和負(fù)的飽和譜的差時，由于在CEST準(zhǔn)備期間氫質(zhì)子的直接飽和形成的效應(yīng)減為零。然而，飽和譜的拍攝的必要性使得迄今為止的CEST方法非常低效，因為對每個空間點僅分析對信噪比獲得提供份額的少數(shù)幾個(頻率)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，即使在Btl和或B1場空間變化的情況下也允許改進(jìn)和加速的CEST成像。此外，通過本發(fā)明在所涉及的質(zhì)子的交換時間之內(nèi)實現(xiàn)高的翻轉(zhuǎn)角，而在此不會遇到由系統(tǒng)引起的性能限制或超過身體組織中允許的特異性吸收率(SAR)。按照本發(fā)明，上述技術(shù)問題通過一種用于在磁共振斷層造影中進(jìn)行磁場不敏感的CEST成像的方法以及通過一種用于建立磁場不敏感的CEST圖像的磁共振裝置來解決。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，提供了一種用于在磁共振斷層造影中進(jìn)行磁場不敏感的CEST成像的方法，其中，用于探測物質(zhì)的鍵合的質(zhì)子的MR信號的多個發(fā)送線圈發(fā)出分別至少一個用于飽和的HF脈沖和至少一個用于激勵的HF脈沖。該方法包括以下步驟I.顯示在每個空間點中通過HF脈沖由發(fā)送線圈所產(chǎn)生的磁化，作為以下的函數(shù)基本場的空間分布、由發(fā)送線圈所產(chǎn)生的HF場的空間分布、在激勵期間場梯度的時間變化、HF脈沖的時間上的包絡(luò)函數(shù)、和預(yù)先給出的頻率位移。 2.對于每個發(fā)送線圈關(guān)于最小化問題的解確定至少一個用于飽和的HF脈沖的形狀，在所述最小化問題中將加權(quán)的和最小化，該加權(quán)的和具有以下三個范數(shù)(Norm)中的至少兩個在每個空間點中自由水質(zhì)子的磁化的范數(shù)，鍵合的質(zhì)子的磁化與在每個空間點中反轉(zhuǎn)磁化的偏差的范數(shù)，和具有每個空間點中相對于預(yù)先給出的頻率位移的反轉(zhuǎn)的位移的質(zhì)子的磁化的范數(shù)。在此，范數(shù)是指如下概念的數(shù)學(xué)定義，該概念下各個磁化值被相應(yīng)地乘方。例如，對于具有系數(shù)I的乘方計算絕對值和范數(shù)(Betragssummennorm)作為單個值的絕對值之和。相應(yīng)的，對于具有系數(shù)2的乘方得到關(guān)于來自于各個平方的單值之和的平方根計算的歐幾里德范數(shù)。在此，預(yù)先給出的頻率位移優(yōu)選是物質(zhì)的質(zhì)子相對于自由的水質(zhì)子的共振頻率的化學(xué)位移?；敬艌龅目臻g分布以及由發(fā)送線圈所產(chǎn)生的HF場的空間分布，優(yōu)選地都通過Btl圖或B1圖的拍攝來確定。按照優(yōu)選實施方式，磁化(即MR信號)的飽和可以在兩個頻率下進(jìn)行，其中，第一頻率相對于自由水質(zhì)子的共振頻率以預(yù)先給出的頻率位移移動，并且第二頻率相對于自由水質(zhì)子的共振頻率與預(yù)先給出的頻率位移相反地移動。3.附加地，還可以通過求解最小化問題對于每個發(fā)送線圈確定至少一個用于激勵的HF脈沖的形狀，在該最小化問題中將加權(quán)的和最小化，該和具有以下范數(shù)中的至少兩個所產(chǎn)生的磁化與在每個空間點中自由水質(zhì)子的理想磁化的偏差的范數(shù)，在每個空間點中鍵合的質(zhì)子的磁化的范數(shù)，和其共振頻率以負(fù)值相對于預(yù)先給出的頻率位移移動的質(zhì)子的磁化的范數(shù)。在另一個實施方式中，用于飽和的HF脈沖以及用于激勵的HF脈沖分別被劃分為多個子脈沖的序列，其中，每個子脈沖在所定義的時刻被施加，從而在確定HF脈沖的形狀時可以從一個確定的頻率出發(fā)。此外，對于化學(xué)位移的飽和特性可以針對兩個頻率位移(預(yù)先給出的頻率位移和與預(yù)先給出的頻率位移相反的位移)來計算并且用于校正CEST效應(yīng)。因此，待發(fā)送的飽和脈沖以及激勵脈沖首先通過計算方法來確定。在此，將基本場⑶^場)的分布以及由各個發(fā)送脈沖所產(chǎn)生的HF場(B1場)的分布作為基礎(chǔ)，其例如可以通過此前進(jìn)行的對B1和Btl圖的拍攝來確定。由此，可以顯示在每個空間點中所產(chǎn)生的磁化，作為以下的函數(shù)=B1和Btl圖、在激勵期間梯度的時間變化、所激勵的HF脈沖的包絡(luò)函數(shù)的時間變化、和預(yù)先給出的頻率位移，其中預(yù)先給出的頻率位移從化學(xué)位移中得出。磁化的計算例如可以借助非線性布洛赫方程進(jìn)行或者也可以通過線性近似來進(jìn)行。在此，將用于確定優(yōu)化的飽和脈沖的計算方法表達(dá)為最小化問題，并且例如可以借助迭代近似方法來求解。在此，必須考慮磁化的三個平均值I.對于自由水質(zhì)子(其局部拉莫爾頻率的分布從Btl圖中得出)在每個空間點中所產(chǎn)生的磁化應(yīng)當(dāng)盡可能小。因為該所產(chǎn)生的磁化關(guān)于多個單磁化平均而得到，所以在此磁化的范數(shù)應(yīng)當(dāng)為最小。
2.對于鍵合的質(zhì)子、即CEST物質(zhì)的質(zhì)子(其拉莫爾頻率相對于自由水質(zhì)子移動相應(yīng)的化學(xué)位移Delta)磁化應(yīng)當(dāng)被反轉(zhuǎn)。因此，所產(chǎn)生的磁化與反轉(zhuǎn)的磁化(在考慮Btl圖的條件下)的偏差的范數(shù)為最小。3.同樣要優(yōu)化質(zhì)子的飽和，其共振頻率相對于自由水質(zhì)子的共振頻率以-Delta移動(即，其共振頻率以化學(xué)位移的負(fù)值相對于水頻率移動)。在此，迭代近似方法這樣計算脈沖，使得要么所有三個所描述的范數(shù)之和要么三個所描述的范數(shù)中的兩個選擇的范數(shù)在考慮場分布的條件下被最小化。類似于對優(yōu)化的飽和脈沖的確定，用于確定優(yōu)化的激勵脈沖的迭代方法表達(dá)為最小化問題。然而在此應(yīng)當(dāng)優(yōu)化地激勵自由水質(zhì)子，從而形成產(chǎn)生的磁化與理想的磁化的偏差的范數(shù)。此外形成對于鍵合的質(zhì)子的磁化的和對于其共振頻率以化學(xué)位移的負(fù)值相對于水頻率移動的質(zhì)子的磁化的范數(shù)。在此還通過迭代的近似方法這樣計算脈沖，使得所有三個描述的范數(shù)之和或者三個描述的范數(shù)中的兩個選擇的范數(shù)被最小化。為了采集對于成像來說是相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過多個斷層造影裝置內(nèi)部的發(fā)送線圈將鍵合的質(zhì)子的自旋、即待檢查的物質(zhì)的質(zhì)子的自旋借助優(yōu)化的脈沖進(jìn)行飽和。在此，各個發(fā)送線圈同時或時間上錯開地分別輸出一個或多個HF飽和脈沖，其中相應(yīng)于脈沖設(shè)計問題事先通過相應(yīng)的優(yōu)化來計算脈沖。然后通過多個發(fā)送線圈產(chǎn)生一個或多個優(yōu)化的激勵脈沖，以激勵水質(zhì)子。在此，各個發(fā)送線圈同時或時間上錯開地分別輸出HF激勵信號或一系列單個HF激勵子脈沖，其中相應(yīng)于脈沖設(shè)計問題事先通過相應(yīng)的優(yōu)化計算了所述脈沖。優(yōu)選地，對于圖像拍攝，相對于自由水質(zhì)子的共振頻率的頻率以化學(xué)位移的值的位移的兩個方向進(jìn)行質(zhì)子的飽和。從所獲得的測量數(shù)據(jù)中計算對于在兩個方向上相對于自由水質(zhì)子的共振頻率的化學(xué)位移的飽和特性并且必要時用于校正CEST效應(yīng)。替換地，用于顯示磁化的步驟和用于確定優(yōu)化的飽和或激勵脈沖的計算方法，還可以通過以下方案來確定，所述方案構(gòu)成了本發(fā)明的另一個實施方式。為此假定，(用于激勵或用于飽和的)HF脈沖可以被劃分為n個子脈WP1, P2，…Pn的序列，其中各個子脈沖在各自的時刻^ t2,…tn被施加。經(jīng)過各自的脈沖形狀和施加時刻確定的各個子脈沖的相位，可以這樣來確定，使得其對各自(由于拉莫爾頻率的局部變化而空間上變化)的質(zhì)子的磁化的時間上的相位演變映像(abb i I den )。由此，拉莫爾頻率的空間變化可以利用目標(biāo)相位的規(guī)定來考慮并且優(yōu)化的脈沖設(shè)計的確定降低到具有不可移動的拉莫爾頻率的磁化。通過合適選擇脈沖距離可以同時考慮到不同頻率的激勵和不激勵。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，還提供了一種用于建立磁場不敏感的CEST圖像的磁共振裝置。在此，該磁共振裝置包括多個用于探測物質(zhì)的鍵合的質(zhì)子的MR信號的發(fā)送線圈，其中，經(jīng)過發(fā)送線圈可以輸出用于飽和的HF脈沖以及用于激勵的HF脈沖。此外，該磁共振裝置還包括如下的單元，該單元可以將在每個空間點中通過HF脈沖由發(fā)送線圈所產(chǎn)生的磁化作為如下的函數(shù)來確定基本場的空間分布、由發(fā)送線圈產(chǎn)生的HF場的空間分布、在激勵期間場梯度的時間變化、HF脈沖的時間包絡(luò)函數(shù)、和預(yù)先給出的頻率位移，以及包括計算單元，其對于每個發(fā)送線圈通過對最小化問題求解可以確定用于飽和的HF脈沖的形狀，在所述最小化問題中將加權(quán)的和最小化，該和具有以下三個范數(shù)中的至少兩個在每個空間點中自由水質(zhì)子的磁化的范數(shù)， 鍵合的質(zhì)子的磁化與在每個空間點中反轉(zhuǎn)磁化的偏差的范數(shù)，和具有每個空間點中相對于預(yù)先給出的頻率位移的反轉(zhuǎn)的位移的質(zhì)子的磁化的范數(shù)。該計算單元還被構(gòu)造為，其可以對于每個發(fā)送線圈通過求解最小化問題求解來確定用于激勵的HF脈沖的形狀，在所述最小化問題中將加權(quán)的和最小化，所述加權(quán)的和具有以下三個范數(shù)中的至少兩個所產(chǎn)生的磁化與在每個空間點中自由水質(zhì)子的理想磁化的偏差的范數(shù)，在每個空間點中鍵合的質(zhì)子的磁化的范數(shù)，和其共振頻率以負(fù)值相對于預(yù)先給出的頻率位移移動的質(zhì)子的磁化的范數(shù)。優(yōu)選地，磁共振裝置具有如下的系統(tǒng)，S卩，用于采集基本場的空間分布和由發(fā)送線圈所產(chǎn)生的HF場的空間分布，作為的B1和Btl圖的照片。按照另一個實施方式，由計算單元確定的用于飽和的HF脈沖，與用于激勵的一樣分別劃分為多個子脈沖的序列，其中，每個子脈沖在所定義的時刻被施加，從而計算單元在確定HF脈沖的形狀時可以從確定的頻率出發(fā)。優(yōu)選地，用于飽和以及用于激勵MR信號的HF脈沖由合適的發(fā)送單元產(chǎn)生，后者產(chǎn)生具有由計算單元所確定的形狀的MR信號并且發(fā)送到多個發(fā)送線圈。用于激勵MR信號的HF脈沖優(yōu)選地處于自由水質(zhì)子的頻率，而用于飽和MR信號的頻率優(yōu)選地在如下頻率下進(jìn)行，所述頻率相對于自由水質(zhì)子的共振頻率以CEST物質(zhì)的化學(xué)位移移動。替換地，用于飽和的HF脈沖由發(fā)送單元也可以在兩個頻率下產(chǎn)生，其中，第一頻率相對于自由水質(zhì)子的共振頻率以物質(zhì)的化學(xué)位移移動，并且第二頻率相對于自由水質(zhì)子的共振頻率與物質(zhì)的化學(xué)位移相反地移動。本發(fā)明提供了以下優(yōu)點 可以獨立于地點和局部拉莫爾頻率地實現(xiàn)所涉及的質(zhì)子自旋的定義的翻轉(zhuǎn)角。 通過利用多個發(fā)送線圈的并行發(fā)送可以在所涉及的質(zhì)子的交換時間內(nèi)部實現(xiàn)高的翻轉(zhuǎn)角，而在此不會遇到系統(tǒng)決定的性能局限或超過身體組織中允許的特異性吸收率(SAR)。 還通過在激勵之前重復(fù)飽和脈沖或?qū)柡兔}沖以及激勵脈沖劃分為多個子脈沖，一方面在降低所需的發(fā)送功率或SAR負(fù)擔(dān)的同時實現(xiàn)了高的翻轉(zhuǎn)角。 這樣計算飽和脈沖，使得其關(guān)于化學(xué)位移是對稱的。即，其頻率相對于水頻率以化學(xué)位移的負(fù)值位移?？蛇x地或附加地，模擬不對稱的飽和特性并用于校正。 通過使用按照本發(fā)明的B1和Btl不敏感的飽和脈沖，飽和譜的記錄是多余的。由此記錄譜的兩個點是足夠的。由此用于CEST成像的測量時間被降低至少一個數(shù)量級。


以下借助附圖結(jié)合按照本發(fā)明的實施方式詳細(xì)解釋本發(fā)明。其中，圖I示意性示出了按照本發(fā)明的磁共振裝置，圖2示出了在磁共振斷層造影中用于磁場不敏感的CEST成像的按照本發(fā)明的方法的流程圖，圖3示意性示出了用于建立磁場不敏感的CEST圖像的按照本發(fā)明的磁共振裝置，圖4示出了由單個子脈沖組成的飽和脈沖、激勵脈沖以及回波信號。
具體實施例方式圖I示意性示出了磁共振裝置5和中央的控制單元10，如即可以用于成像的核共振斷層造影、也可以用于磁共振波譜學(xué)的那樣。在此，基本場磁體I產(chǎn)生時間上恒定的強磁場用于極化或?qū)R對象0的檢查區(qū)域(諸如位于檢查臺23上被推入到磁共振裝置5中的人體的待檢查部分)中的核自旋。在測量體積M中定義了對于核自旋共振測量所需的高的基本磁場均勻性。為了支持均勻性要求并且特別是為了消除時間上不變的影響，在合適的位置上安裝由鐵磁材料構(gòu)成的所謂的勻場片。通過勻場線圈2來消除時間上可變的影響。在基本場磁體I中采用了由三個子線圈組成的圓柱形的梯度線圈系統(tǒng)3。由放大器給每個子線圈提供用于在笛卡爾坐標(biāo)系的各個方向上產(chǎn)生線性(也是時間可變的)梯度場的電流。在此，梯度場系統(tǒng)3的第一子線圈產(chǎn)生X方向上的梯度Gx，第二子線圈產(chǎn)生y方向上的梯度Gy，并且第三子線圈產(chǎn)生z方向上的梯度Gz。放大器包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器由用于時間正確地產(chǎn)生梯度脈沖的序列控制裝置18來控制。在梯度線圈系統(tǒng)3內(nèi)有一個(或多個)高頻天線4，所述高頻天線4將高頻功率放大器給出的高頻脈沖轉(zhuǎn)換為交變磁場，用于待檢查的對象0或者該對象0的待檢查區(qū)域的核的激勵以及核自旋的對齊。每個高頻天線4由組件線圈的以環(huán)形優(yōu)選線性或矩陣形布置的形式的一個或多個HF發(fā)送線圈和一個或多個HF接收線圈組成。各自的高頻天線4的HF接收線圈也將從進(jìn)動的核自旋發(fā)出的交變場、即通常由一個或多個高頻脈沖和一個或多個梯度脈沖組成的脈沖序列所引起的核自旋回波信號，轉(zhuǎn)換為電壓(測量信號)，該電壓經(jīng)過放大器7被傳輸?shù)礁哳l系統(tǒng)22的高頻接收通道8。高頻系統(tǒng)22還包括發(fā)送信道9，在該發(fā)送信道9中產(chǎn)生用于激勵核磁共振的高頻脈沖。在此，將各個高頻脈沖根據(jù)由設(shè)備計算機20預(yù)先給出的脈沖序列在序列控制裝置18中數(shù)字地表示為復(fù)數(shù)的序列。該數(shù)列作為實部和虛部分別經(jīng)過輸入端12被傳輸?shù)礁哳l系統(tǒng)22中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器并且從該數(shù)模轉(zhuǎn)換器被傳輸?shù)桨l(fā)送信道9。在發(fā)送信道9中將脈沖序列加調(diào)制到高頻載波信號上，其基頻相應(yīng)于測量空間中核自旋的共振頻率。通過發(fā)送-接收轉(zhuǎn)接器6進(jìn)行發(fā)送運行和接收運行的切換。高頻天線4的HF發(fā)送線圈將用于激勵核自旋的高頻脈沖入射到測量空間M，并且通過HF接收線圈掃描所得到的回波信號。相應(yīng)獲得的核共振信號在高頻系統(tǒng)22的接收信道8’(第一解調(diào)器)中被相位敏感地解調(diào)到中頻，并且在模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)中被數(shù)字化。該信號還被解調(diào)到頻率O。到頻率0的解調(diào)和到實部和虛部的分離在第二解調(diào)器8中在數(shù)字化之后在數(shù)字域中進(jìn)行。通過圖像計算機17可以從這樣所獲得的測量數(shù)據(jù)中重建MR圖像。通過設(shè)備計算機20進(jìn)行測量數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)和控制程序的管理。序列控制裝置18根據(jù)利用控制程序的預(yù)定值來控制各個期望的脈沖序列的產(chǎn)生和k空間的相應(yīng)掃描。在此，序列控制裝置18特別地控制梯度的時間正確的接通、具有定義的相位振幅的高頻脈沖的發(fā)送、以及核共振信號的接收。由合成器19提供用于高頻系統(tǒng)22和序列控制裝置18的時間基準(zhǔn)。通過包括鍵盤15、鼠標(biāo)16和顯示屏14的終端13，選擇用于產(chǎn)生MR圖像的相應(yīng)控制程序(所述控制程序例如存儲在DVD 21中)，以及顯示所產(chǎn)生的MR圖像。
圖2示出了按照本發(fā)明的方法的流程圖，該方法用于在磁共振斷層造影中進(jìn)行磁場不敏感的CEST成像。在此，經(jīng)過多個發(fā)送線圈分別發(fā)送至少一個用于飽和物質(zhì)的鍵合的質(zhì)子(CEST物質(zhì)的質(zhì)子)的MR信號的HF脈沖和至少一個用于激勵自由水質(zhì)子的MR信號的HF脈沖，以便獲得用于顯示CEST物質(zhì)的分布的MR信號。在此，在每個空間點中通過HF脈沖由發(fā)送線圈產(chǎn)生的磁化作為基本場的空間分布的、由發(fā)送線圈產(chǎn)生的HF場的空間分布的、在激勵期間場梯度的時間變化、HF脈沖的時間上的包絡(luò)函數(shù)和預(yù)先給出的頻率位移的函數(shù)來顯示(210)。通過相應(yīng)計算，對于每個發(fā)送線圈通過對最小化問題求解可以確定用于飽和的至少一個HF脈沖的最佳形狀，在所述最小化問題中將加權(quán)的和最小化(220)，該加權(quán)的和具有以下三個范數(shù)中的至少兩個在每個空間點中自由水質(zhì)子的磁化范數(shù)(240)，鍵合的質(zhì)子的磁化與在每個空間點中反轉(zhuǎn)磁化的偏差的范數(shù)(250)，和具有每個空間點中相對于預(yù)先給出的頻率位移的反轉(zhuǎn)的位移的質(zhì)子的磁化的范數(shù)(260)。從最小化問題的解中可以直接確定(230)用于飽和的優(yōu)化的HF脈沖。附加地，還可以對于每個發(fā)送線圈通過求解最小化問題求解來確定用于激勵的至少一個HF脈沖的形狀，在所述最小化問題中將加權(quán)的和最小化(225)，所述加權(quán)的和具有以下三個范數(shù)中的至少兩個所產(chǎn)生的磁化與在每個空間點中自由水質(zhì)子的理想磁化的偏差的范數(shù)(245)，在每個空間點中鍵合的質(zhì)子的磁化的范數(shù)(255)，和其共振頻率以負(fù)值相對于預(yù)先給出的頻率位移移動的質(zhì)子的磁化的范數(shù)(265)。從最小化問題的解中可以直接確定(235)用于激勵的優(yōu)化的HF脈沖。圖3示出了按照本發(fā)明的磁共振裝置300的示意圖，如其為建立磁場不敏感的CEST圖像可以被使用的那樣。在此，待檢查的CEST物質(zhì)的質(zhì)子的磁化(即MR信號)的飽和，以及自由水質(zhì)子的磁化的激勵(即其MR信號)，通過由發(fā)送線圈350給出的相應(yīng)的HF脈沖來進(jìn)行。
在此，單元320顯示對于每個空間點通過由發(fā)送線圈350給出的HF脈沖產(chǎn)生的磁化作為以下的函數(shù)基本場的空間分布、由發(fā)送線圈350產(chǎn)生的HF場的空間分布、在激勵期間場梯度的時間變化、HF脈沖的時間上的包絡(luò)函數(shù)、和預(yù)先給出的頻率位移。在此，線圈系統(tǒng)310的基本場的空間分布優(yōu)選通過Btl圖370的拍攝來分析，并且由發(fā)送線圈350所產(chǎn)生的HF場的空間分布優(yōu)選通過B1圖380的拍攝來進(jìn)行。對以B。圖370和B1圖380的形式的基本場Btl和冊場&的采集，在此例如通過為此設(shè)置的用于采集這些場的系統(tǒng)360來進(jìn)行。替換地，這些場的采集以及Btl圖370和B1圖380的建立也可以由獨立于磁共振裝置300工作的系統(tǒng)來采集。計算單元330通過數(shù)學(xué)優(yōu)化方法在考慮由單元320所顯示的磁化的條件下確定用于在CEST物質(zhì)中包含的鍵合的質(zhì)子的MR信號的飽和的HF脈沖的形狀。在此，對于每個發(fā)送線圈確定最小化問題的解，在所述最小化問題中將加權(quán)的和最小化(220),該加權(quán)的和具有以下三個范數(shù)中的至少兩個
在每個空間點中自由水質(zhì)子的磁化范數(shù)240，鍵合的質(zhì)子的磁化與在每個空間點中反轉(zhuǎn)磁化的偏差的范數(shù)250，和具有每個空間點中相對于預(yù)先給出的頻率位移的反轉(zhuǎn)的位移的質(zhì)子的磁化的范數(shù) 260。此外，計算單元330在考慮由單元320所顯示的磁化的條件下還可以用于確定針對自由水質(zhì)子的MR信號的激勵的HF脈沖的形狀。這些質(zhì)子由于化學(xué)位移而具有共振頻率，所述共振頻率關(guān)于自由水質(zhì)子的共振頻率以預(yù)定的頻率位移移動。在此，對于每個發(fā)送線圈確定最小化問題的解，在所述最小化問題中將加權(quán)的和最小化(225),所述加權(quán)的和具有以下三個范數(shù)中的至少兩個所產(chǎn)生的磁化與在每個空間點中自由水質(zhì)子的理想磁化的偏差的范數(shù)245，在每個空間點中鍵合的質(zhì)子的磁化的范數(shù)255，和其共振頻率以負(fù)值相對于預(yù)先給出的頻率位移移動的質(zhì)子的磁化的范數(shù)265。由計算單元330確定了形狀的HF脈沖例如由發(fā)送單元340產(chǎn)生并且被傳輸?shù)桨l(fā)送線圈350，以便這樣在磁共振裝置300中激勵或飽和相應(yīng)的MR信號。圖4示出了用于按照本發(fā)明的CEST成像的信號的時間序列。首先發(fā)送一個或多個飽和脈沖410，以便將CEST物質(zhì)的質(zhì)子飽和。因為這些質(zhì)子由于其化學(xué)位移而可以以另一個頻率被激勵，所以可以獨立于自由水的質(zhì)子激勵這些質(zhì)子的飽和。按照本發(fā)明的一個特別的實施方式，將每個這些飽和脈沖410劃分為n個不同的子脈沖。圖4示例示出了劃分為四個子脈沖。拉莫爾頻率的空間變化例如可以直接通過子脈沖的相位分布的預(yù)先給定來考慮。即，對于每個子線圈，目標(biāo)磁化的相位分布從子脈沖到子脈沖這樣演變，使得其反映了由于拉莫爾頻率的局部變化，磁化的相位演變。由此，具有目標(biāo)相位的預(yù)先給定的拉莫爾頻率的空間變化被考慮并且脈沖設(shè)計被降低為具有不同拉莫爾頻率的磁化。通過合適選擇在子脈沖之間的時間間隔可以將激勵和非激勵同時優(yōu)化到不同的頻率。在飽和脈沖之后跟隨激勵脈沖420，該激勵脈沖被調(diào)諧到自由水質(zhì)子。由于化學(xué)交換，CEST物質(zhì)的飽和的質(zhì)子可以與被激勵的自由水質(zhì)子交換其位置，從而在CEST物質(zhì)的位置可以探測到回波信號430。飽和脈沖的持續(xù)時間在此應(yīng)當(dāng)比自由水質(zhì)子的場弛豫時間短 。
權(quán)利要求
1.一種用于在磁共振斷層造影中進(jìn)行磁場不敏感的CEST成像的方法，其中，用于探測物質(zhì)的鍵合的質(zhì)子的MR信號的多個發(fā)送線圈發(fā)出分別至少一個用于飽和的HF脈沖以及至少一個用于激勵的HF脈沖， 其中，顯示(210)在每個空間點中通過HF脈沖由發(fā)送線圈所產(chǎn)生的磁化，作為以下的函數(shù)基本場的空間分布、由發(fā)送線圈所產(chǎn)生的HF場的空間分布、在激勵期間場梯度的時間變化、HF脈沖的時間上的包絡(luò)函數(shù)、和預(yù)先給出的頻率位移，并且其中，對于每個發(fā)送線圈通過求解最小化問題針對每個發(fā)送線圈確定(230)至少一個用于飽和MR信號的HF脈沖的形狀，在所述最小化問題中將加權(quán)的和最小化(220)，該加權(quán)的和具有以下三個范數(shù)中的至少兩個 在每個空間點中自由水質(zhì)子的磁化的范數(shù)(240)， 鍵合的質(zhì)子的磁化與在每個空間點中反轉(zhuǎn)磁化的偏差的范數(shù)(250)，和 具有每個空間點中相對于所述預(yù)先給出的頻率位移的反轉(zhuǎn)的位移的質(zhì)子的磁化范數(shù)(260)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在發(fā)送用于激勵MR信號的HF脈沖之前重復(fù)地發(fā)送用于飽和MR信號的HF脈沖。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述預(yù)先給出的頻率位移對應(yīng)于所述物質(zhì)的質(zhì)子相對于自由水質(zhì)子的共振頻率的化學(xué)位移。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，通過拍攝BO圖或BI圖來確定所述基本磁場的空間分布以及由發(fā)送線圈所產(chǎn)生的HF場的空間分布。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，對于CEST成像的拍攝在用于飽和MR信號的兩個頻率下進(jìn)行，其中，第一頻率相對于自由水質(zhì)子的共振頻率以預(yù)先給出的頻率位移移動，并且第二頻率相對于自由水質(zhì)子的共振頻率與預(yù)先給出的頻率位移相反地移動。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，通過求解最小化問題對于每個發(fā)送線圈確定(235)至少一個用于激勵MR信號的至少一個HF脈沖的形狀，在該最小化問題中將加權(quán)的和最小化(225 )，該加權(quán)的和具有以下范數(shù)中的至少兩個 所產(chǎn)生的磁化與在每個空間點中自由水質(zhì)子的理想磁化的偏差的范數(shù)(245)， 在每個空間點中鍵合的質(zhì)子的磁化的范數(shù)(255)，和 其共振頻率以負(fù)值相對于預(yù)先給出的頻率位移移動的質(zhì)子的磁化的范數(shù)(265)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，至少一個用于飽和MR信號的HF脈沖(410)以及至少一個用于激勵MR信號的HF脈沖(420)都分別被劃分為多個子脈沖(415)的序列，其中，每個子脈沖(415)在所定義的時刻被施加，從而在確定HF脈沖的形狀時能夠從確定的頻率出發(fā)。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，對于化學(xué)位移的飽和特性可以針對兩個頻率位移，即預(yù)先給出的頻率位移和與預(yù)先給出的頻率位移相反的位移，來計算并且用于校正CEST效應(yīng)。
9.一種用于建立磁場不敏感的CEST圖像的磁共振裝置(300)，包括 多個用于探測物質(zhì)的鍵合的質(zhì)子的MR信號的發(fā)送線圈(350)，其中，經(jīng)過所述發(fā)送線圈能夠輸出用于飽和的HF脈沖以及用于激勵的HF脈沖，能夠?qū)⒃诿總€空間點中通過HF脈沖由發(fā)送線圈所產(chǎn)生的磁化作為如下的函數(shù)來確定的單元(320):基本場的空間分布、由發(fā)送線圈所產(chǎn)生的HF場的空間分布、在激勵期間場梯度的時間變化、HF脈沖的時間包絡(luò)函數(shù)、和預(yù)先給出的頻率位移，以及 計算單元(330)，其對于每個發(fā)送線圈通過對最小化問題求解可以確定用于飽和的HF脈沖的形狀，在所述最小化問題中將加權(quán)的和最小化，該加權(quán)的和具有以下三個范數(shù)中的至少兩個 在每個空間點中自由水質(zhì)子的磁化的范數(shù)， 鍵合的質(zhì)子的磁化與在每個空間點中反轉(zhuǎn)磁化的偏差的范數(shù)，和 具有每個空間點中相對于預(yù)先給出的頻率位移的反轉(zhuǎn)的位移的質(zhì)子的磁化的范數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁共振裝置(300)，還包括系統(tǒng)(360)，用于采集基本場的空間分布和由發(fā)送線圈產(chǎn)生的HF場的空間分布作為的BI和BO圖的拍攝。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的磁共振裝置(300)，其特征在于，所述計算單元(300)能夠?qū)τ诿總€發(fā)送線圈(350)通過求解最小化問題求解來確定用于激勵的HF脈沖的形狀，在所述最小化問題中將加權(quán)的和最小化，所述加權(quán)的和具有以下三個范數(shù)中的至少兩個 所產(chǎn)生的磁化與在每個空間點中自由水質(zhì)子的理想磁化的偏差的范數(shù)， 在每個空間點中鍵合的質(zhì)子的磁化的范數(shù)，和 其共振頻率以負(fù)值相對于預(yù)先給出的頻率位移移動的質(zhì)子的磁化的范數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項所述的磁共振裝置(300)，其特征在于，所述計算單元(330)將用于飽和MR信號的HF脈沖以及用于激勵MR信號的HF脈沖分別劃分為多個子脈沖的序列，其中，每個子脈沖在所定義的時刻被施加，從而計算單元在確定HF脈沖的形狀時能夠從確定的頻率出發(fā)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一項所述的磁共振裝置(300)，還包括發(fā)送單元(340)，其產(chǎn)生具有所述計算單元(330)所確定的形狀的用于飽和以及激勵MR信號的HF脈沖并且傳輸?shù)蕉鄠€發(fā)送線圈(350)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的磁共振裝置(300)，其中，所述發(fā)送單元(340)在自由水質(zhì)子的共振頻率情況下產(chǎn)生用于激勵MR信號的HF脈沖，并在相對于自由水質(zhì)子的共振頻率以物質(zhì)的化學(xué)位移移動了的頻率下產(chǎn)生用于飽和MR信號的HF脈沖。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的磁共振裝置(300)，其中，所述發(fā)送單元(340)在兩個頻率位移下計算用于飽和MR信號的HF脈沖，其中，第一頻率相對于自由水質(zhì)子的共振頻率以物質(zhì)的化學(xué)位移移動，并且第二頻率相對于自由水質(zhì)子的共振頻率與物質(zhì)的化學(xué)位移相反地移動。
16.一種計算機程序產(chǎn)品，包括程序并且可直接加載到磁共振裝置(300)的可編程控制裝置的存儲器中，用于當(dāng)所述程序在磁共振裝置(300)的控制裝置中運行時執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項所述的方法的所有步驟。
17.一種電子可讀數(shù)據(jù)載體，具有存儲的電子可讀控制信息，所述控制信息構(gòu)造為當(dāng)在磁共振裝置(300)的控制裝置中使用所述數(shù)據(jù)載體時執(zhí)行按照權(quán)利要求I至8中任一項所述方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于磁共振斷層造影中的改進(jìn)并加速的CEST成像的方法。在此，通過多個發(fā)送線圈發(fā)送用于飽和待顯示的物質(zhì)的質(zhì)子的HF脈沖。在此，通過優(yōu)化方法計算該HF脈沖的形狀，使得加權(quán)的和被最小化，該加權(quán)的和具有以下三個范數(shù)中的至少兩個在每個空間點中自由水質(zhì)子的磁化的范數(shù)(240)，鍵合的質(zhì)子的磁化與在每個空間點中反轉(zhuǎn)磁化的偏差的范數(shù)(250)，和具有每個空間點中相對于預(yù)先給出的頻率位移的反轉(zhuǎn)的位移的質(zhì)子的磁化的范數(shù)(260)。此外，通過相應(yīng)的優(yōu)化方法還可以計算用于然后激勵自由水質(zhì)子的HF脈沖的形狀。
文檔編號A61B5/055GK102866371SQ201210231720
公開日2013年1月9日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月5日
發(fā)明者H-P.福茨, D.保羅 申請人:西門子公司