專利名稱：擴(kuò)散加權(quán)磁共振成像中用穩(wěn)態(tài)序列確定adc系數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及核自旋斷層造影(同義詞為磁共振斷層造影，MRT)，如其在醫(yī)學(xué)中用于檢查患者。這里，本發(fā)明尤其涉及在擴(kuò)散加權(quán)的磁共振成像中確定ADC系數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
MRT以核自旋共振的物理現(xiàn)象為基礎(chǔ)，并作為產(chǎn)生圖像的方法成功地應(yīng)用在醫(yī)學(xué)和生物物理中已有超過15年的歷史。在這種檢查方法中，待查物體被施加一個(gè)強(qiáng)的恒定磁場。這樣，物體中原來沒有規(guī)則方向的原子的核自旋將被校準(zhǔn)。高頻波此時(shí)能夠?qū)ⅰ坝行虻摹痹雍俗孕畛商囟ǖ恼袷帯Ｔ撜袷幵贛RT中產(chǎn)生實(shí)際的測量信號，該信號由適當(dāng)?shù)慕邮站€圈接收。其中，通過由梯度線圈產(chǎn)生的不均勻磁場可以對測量物體可以在所有三個(gè)空間方向上進(jìn)行編碼，這通常被稱為“位置編碼”。
在對疾病生理過程進(jìn)行評價(jià)時(shí)，特別是在人腦中，例如在中風(fēng)的情況下，按照行為的新的MR技術(shù)，即擴(kuò)散加權(quán)的磁共振斷層造影技術(shù)被證明是特別有效的。
擴(kuò)散由分子的熱遷移運(yùn)動造成。這里涉及的是隨機(jī)過程，其也被稱為布朗分子運(yùn)動。在擴(kuò)散加權(quán)MRT測量中考慮的分子移動距離是極小的；例如擴(kuò)散的水分子按照不受限制的典型方式在任意方向上在100ms中的距離大約為20μm以及在1s內(nèi)的距離為60μm。這種距離處于單個(gè)細(xì)胞(特別是人的細(xì)胞組織)的數(shù)量級中。通過使用特別強(qiáng)的磁-梯度場(所謂的擴(kuò)散梯度)，在這種技術(shù)中該磁場持久地或者脈沖地疊加到上述位置編碼的梯度場上，使得各分子(特別是水)集體擴(kuò)散運(yùn)動在對磁共振信號的衰減中可以被注意到。因此，根據(jù)取決于不同因素的擴(kuò)散的強(qiáng)度，擴(kuò)散出現(xiàn)的區(qū)域或多或少地作為暗的區(qū)域表示在實(shí)際的MRT圖像中。在擴(kuò)散加權(quán)的磁共振成像中信號產(chǎn)生的具體理論將在結(jié)合附圖對圖形描述中說明。
在擴(kuò)散加權(quán)的成像的開始階段，一個(gè)問題是對于如心臟運(yùn)動、呼吸等以及與此相關(guān)的例如腦的波動(在液體中的腦運(yùn)動)等非擴(kuò)散型運(yùn)動的特別的敏感性。使用擴(kuò)散成像作為醫(yī)療檢查方法，使得快速測量技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，例如回波平面成像(英語為Echo-Planar-Imaging，EPI)成為可能。EPI是MRT中特別快速的測量方法。在應(yīng)用單脈沖回波平面成像(Single-Shot-Echo-Planar-Imaging，SSEPI)序列時(shí)，可以減少或者避免由于不可避免的運(yùn)動類型造成的圖像偽影。在常規(guī)擴(kuò)散加權(quán)成像序列中可能出現(xiàn)的運(yùn)動在SSEPI中在某種程度上被“凍結(jié)”。但是，由于SSEPI相位編碼造成的一個(gè)缺點(diǎn)是極其強(qiáng)烈的T2*敏感性(T2*是在考慮本地磁場不均勻性條件下橫向磁化的蛻變周期)和極其強(qiáng)烈的相位敏感性。兩者尤其在具有典型短暫T2時(shí)間的人類組織的身體成像中，均造成強(qiáng)烈的圖像分辨?zhèn)斡盎蛘咦冃蝹斡啊?br> “非EPI序列”(統(tǒng)稱為穩(wěn)態(tài)序列)，例如FISP(英語為Fast-Imaging-with-Steady-Precession，具有穩(wěn)態(tài)精度的快速成像)和PSIF(FISP的倒置)，通常用在一般的旋轉(zhuǎn)彎曲相位編碼技術(shù)中(spin warp-Phasenkodiertechnik)(通過相位編碼梯度的離散相位增加)，并且相對與上述偽影是不敏感的。通常在這種序列中使用一個(gè)α＜90°的HF激勵脈沖接入單極性的(正的或者負(fù)的)、一般是脈沖形式的擴(kuò)散梯度。這種HF脈沖α獨(dú)立于擴(kuò)散梯度在一個(gè)磁化向量上具有三個(gè)不同的影響特性1.使磁化向量相對于縱向方向(z軸)翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)角(Flipwinkle)α，2.使磁化向量反轉(zhuǎn)180°，和3.對磁化向量沒有影響。
如后面要結(jié)合附圖詳細(xì)解釋的那樣，由于HF激勵脈沖的這三種特性產(chǎn)生了縱向和橫向磁化(也稱為“回波路徑”)的不同分支的相位變化，每個(gè)縱向和橫向磁化具有一個(gè)不同的擴(kuò)散時(shí)間Δi。在一個(gè)確定的回波路徑的總相位變化期間，對應(yīng)的T1和T2權(quán)重也取決于相位特性或者相位歷史，該相位歷史通過一個(gè)所施加的擴(kuò)散梯度再次經(jīng)歷了一種扇形化。總共產(chǎn)生一個(gè)MRT信號，該信號通過多個(gè)回波路徑的匯合而構(gòu)成，因而具有不再能計(jì)算的復(fù)雜性。
一幅擴(kuò)散加權(quán)的MRT圖像由表征擴(kuò)散特征的按像素方式確定的DADC值(英語為Apparent-diffusion-Coefficient，表觀擴(kuò)散系數(shù)，ADC系數(shù))產(chǎn)生，該DADC值是從分別使用的序列的測量信號以及表征實(shí)驗(yàn)特征的B值計(jì)算出來的。為此，在一個(gè)具有單極性擴(kuò)散梯度脈沖的擴(kuò)散加權(quán)PSIF序列中，當(dāng)集成所有回波路徑時(shí)，各T1和T2值以及所使用的實(shí)際HF脈沖的翻轉(zhuǎn)角度分配α(z)必須對于所選擇的層精確地已知[R.Buxton，J.of MagneticResonance in Medicine 29，235-243(1993)]。而在迄今為止應(yīng)用的(穩(wěn)態(tài))序列中則不是如此，所以不可能在考慮精確的T2權(quán)重的條件下精確地計(jì)算DADC值。結(jié)果是擴(kuò)散加權(quán)的圖像具有強(qiáng)烈的偽影。
由于這個(gè)原因Y.Zur，E.Bosak，N.Kaplan在Journal of MagneticResonance in Medicine 37，716-722(1997)中建議，用雙極性擴(kuò)散梯度替代單極性擴(kuò)散梯度。由此補(bǔ)償了由于擴(kuò)散梯度造成的相位變化的扇形化。由此，擴(kuò)散時(shí)間Δ被完好的定義，而且可以針對不同擴(kuò)散梯度的幅度從兩種擴(kuò)散測量中近似計(jì)算ADC。
但是，已經(jīng)公知在應(yīng)用雙極性擴(kuò)散梯度的條件下計(jì)算出來的擴(kuò)散系數(shù)仍然強(qiáng)烈依賴于各T2值，這同樣造成明顯的偽影S.Ding，H.Trillaud et al.J.ofMagnetic Resonance in Medicine 34，586-595(1995)]。M.H.Cho和C.H.Cho已經(jīng)在Society of Magnetic Resonance in Medicine的論文集p.911 Amsterdam(1989)中在理論上指出，如果對所測量的PSIF信號(S-)已知一個(gè)對應(yīng)的FISP信號(S+)并給出一個(gè)對應(yīng)的公式，則可以去除在應(yīng)用雙極性擴(kuò)散系數(shù)時(shí)的T2加權(quán)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，特別優(yōu)選地對該公式所需要的測量量進(jìn)行測量，以便可以沒有偽影地計(jì)算出DADC值。
按照本發(fā)明，提出了一種用于在擴(kuò)散加權(quán)的MRT成像中確定擴(kuò)散加權(quán)圖像的方法，該方法具有下列步驟a)借助于DESS序列(Double Echo Steady State Sequenz，雙回波穩(wěn)態(tài)序列)測量并存儲一個(gè)非擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組和一個(gè)擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組，其中，對于該非擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組依次接通兩個(gè)讀出梯度，而對于該擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組在兩個(gè)讀出梯度之間接通一個(gè)雙極性擴(kuò)散梯度脈沖序列(Diffusionsgradientenpulszug)，b)在該非擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組和擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組的基礎(chǔ)上，以及在一個(gè)表征擴(kuò)散加權(quán)測量的特征的值的基礎(chǔ)上，計(jì)算一個(gè)擴(kuò)散加權(quán)MRT圖像。
該雙極性擴(kuò)散梯度脈沖序列優(yōu)選地由一個(gè)正的和一個(gè)負(fù)的擴(kuò)散梯度脈沖組成，其各具有幅度G0以及-G0和相同的脈沖寬度δ。按照本發(fā)明，該兩個(gè)脈沖直接相互跟隨。這種梯度接入補(bǔ)償了出現(xiàn)的相移的影響。
最后，擴(kuò)散加權(quán)MRT圖像的計(jì)算，通過擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組和非擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組組合的商的圖像，繼而對該商求對數(shù)以及用對應(yīng)于擴(kuò)散加權(quán)測量的b值進(jìn)行加權(quán)而實(shí)現(xiàn)。
按照本發(fā)明，通過像素的方式建立ADC系數(shù)DADC實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散加權(quán)MRT圖像的成像，而ADC系數(shù)也是按像素的方式從所采集的數(shù)據(jù)組中根據(jù)下列公式確定的DADC=12*bbiplnSo-*SDiff+SDiff-*So+]]>其中，So+和So-表示按FISP回波信號和PSIF回波信號形式的非擴(kuò)散加權(quán)測量的數(shù)據(jù)組，以及SDiff+和SDiff-表示按FISP回波信號和PSIF回波信號形式的擴(kuò)散加權(quán)測量的數(shù)據(jù)組，而其中，bbip是表示擴(kuò)散加權(quán)測量的特征的值，其按照下列公式通過雙極性擴(kuò)散梯度的狀態(tài)和所考慮的核共振自旋形式的旋磁系數(shù)γ給出bbip=16γ2G02δ3]]>如果按照本發(fā)明將S+信號與S-信號相比，用更高的帶寬進(jìn)行測量，則總的測量時(shí)間可以具有優(yōu)點(diǎn)地由此而明顯減少。
為了避免可能出現(xiàn)的偽影，優(yōu)選的是將兩個(gè)信號S+和S-用同樣大的帶寬進(jìn)程測量，其中，對S-信號通過多梯度回波序列進(jìn)行多次測量，并對測得的S-信號求平均。
優(yōu)選地在求平均中采用平方和方法。
按照本發(fā)明也可以通過投影-重構(gòu)方法來采集數(shù)據(jù)組SDiff-，SDiff+，So-，So+。
此外，本發(fā)明要求保護(hù)一種用于實(shí)施按照本發(fā)明方法步驟的核自旋斷層造影設(shè)備。


下面，對本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)、特征和特性借助于參照附圖的優(yōu)選實(shí)施方式詳細(xì)說明。其中，圖1示意地示出了一臺核自旋斷層造影設(shè)備，圖2A示意地示出了一個(gè)自旋回波序列的梯度脈沖電流函數(shù)在時(shí)間上變化，圖2B示意地示出了在自旋回波序列中k矩陣的時(shí)間掃描，圖3示意地示出了在持久施加的擴(kuò)散梯度的影響下在自旋回波實(shí)驗(yàn)中橫向磁化的相位變化Φ以及信號的形成，圖4示意地示出了在自旋回波實(shí)驗(yàn)中相移和以擴(kuò)散為條件的相移中由磁化部分共同構(gòu)成的橫向磁化的相位變化Φ，圖5示意地示出了Stejskal-Tanner擴(kuò)散加權(quán)的自旋回波序列，圖6示意地示出了DESS序列的結(jié)構(gòu)以及在FISP和PSIF下各磁化向量的相位變化，圖7示出了按照本發(fā)明的MRT測量序列的第一實(shí)施方式，該序列具有雙極性擴(kuò)散梯度和FISP和PSIF測量，圖8示出了按照本發(fā)明的MRT測量序列的第二實(shí)施方式，該序列具有雙極性擴(kuò)散梯度、FISP測量、以及PSIF測量的n次多梯度回波測量，圖9示出了按照本發(fā)明的MRT測量序列的第三實(shí)施方式，該序列具有雙極性擴(kuò)散梯度和在應(yīng)用投影-重構(gòu)方法下的FISP和PSIF測量。
具體實(shí)施例方式
圖1示意地示出了一臺核自旋斷層造影設(shè)備，用于按照本發(fā)明產(chǎn)生梯度脈沖。這里，核自旋斷層造影設(shè)備的構(gòu)造與常規(guī)斷層造影設(shè)備的構(gòu)造相對應(yīng)。基本磁場磁鐵1產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間上恒定的強(qiáng)磁場，使例如一個(gè)人體待查部位的對象的檢查區(qū)域中的核自旋被極化或者校準(zhǔn)。核自旋共振測量所要求的基本磁場的高均勻性例如在一個(gè)球型測量空間M中被定義，待檢查的人體部分被送入該空間。為了對均勻性要求提供支持以及特別是消除時(shí)間上不變的影響，在合適的位置加裝了由鐵氧磁性材料制成的填隙片。時(shí)間上變化的影響通過由補(bǔ)償供電15控制的補(bǔ)償線圈2消除。
在基本磁場磁鐵1中安裝了一個(gè)由三個(gè)分繞組組成的圓柱型梯度線圈系統(tǒng)3。每個(gè)分繞組通過一個(gè)放大器14被提供電流以便在笛卡兒坐標(biāo)系中產(chǎn)生各自方向上的一個(gè)線性梯度磁場。其中，梯度線圈系統(tǒng)3的第一分繞組產(chǎn)生在x方向上的梯度Gx，第二分繞組產(chǎn)生在y方向上的梯度Gy，而第三分繞組產(chǎn)生在z方向上的梯度Gz。每個(gè)放大器14包括一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器由一個(gè)序列控制18控制，用于準(zhǔn)時(shí)地產(chǎn)生梯度脈沖。
在梯度線圈系統(tǒng)3內(nèi)有一個(gè)高頻天線4，它將由高頻功率放大器給出的高頻脈沖變換成交變磁場，該磁場用于對待檢查的對象或?qū)ο蟮拇龣z查部位的原子核進(jìn)行激勵或者對核自旋進(jìn)行校準(zhǔn)。高頻天線4還將從上述核自旋出發(fā)的交變磁場，即通常由一個(gè)或多個(gè)高頻線圈和一個(gè)或多個(gè)梯度線圈的脈沖序列引起的核自旋回波信號，變換成一種電壓，該電壓經(jīng)放大器7送至高頻系統(tǒng)22的高頻接收信道8。該高頻系統(tǒng)22包括另外一個(gè)發(fā)送信道9，在該信道中產(chǎn)生用于激勵磁核共振的高頻脈沖。其中，各高頻脈沖根據(jù)由設(shè)備計(jì)算機(jī)20給定的脈沖序列在序列控制單元18中用復(fù)數(shù)數(shù)列數(shù)字地表示出。該數(shù)的序列作為實(shí)部和虛部通過各自的輸入12送至高頻系統(tǒng)22中的一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器并從那送至發(fā)送信道9。在發(fā)送信道9中將該脈沖序列調(diào)制到一個(gè)高頻載波上，該載波的基本頻率對應(yīng)于在測量空間中核自旋的諧振頻率。
通過發(fā)射接收轉(zhuǎn)換器6實(shí)現(xiàn)由發(fā)射操作到接收操作的轉(zhuǎn)換。高頻天線4向測量空間M中發(fā)射高頻脈沖來激勵核自旋，并對產(chǎn)生的回波信號進(jìn)行掃描。相應(yīng)獲得的核共振信號在高頻系統(tǒng)22的接收信道8中相位敏感地被解調(diào)制，并通過各自的模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換成測量信號的實(shí)部和虛部。通過圖像計(jì)算機(jī)17從由此獲得的測量數(shù)據(jù)中重構(gòu)出圖像。測量數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)和控制程序的管理通過設(shè)備計(jì)算機(jī)20進(jìn)行。根據(jù)控制程序的預(yù)先規(guī)定，序列控制18控制各所需脈沖序列的產(chǎn)生和對應(yīng)的k空間的掃描。其中，序列控制18尤其控制梯度在時(shí)間上正確的接通、以規(guī)定的相位和幅度發(fā)送高頻脈沖，以及接收核共振信號。高頻系統(tǒng)22和序列控制18的時(shí)間基準(zhǔn)由合成器19提供。對產(chǎn)生核自旋圖像的相應(yīng)控制程序的選擇以及對該產(chǎn)生的核自旋圖像的顯示通過終端21實(shí)現(xiàn)，該終端包括一個(gè)鍵盤以及一個(gè)或多個(gè)顯示器。
本發(fā)明在于對新的穩(wěn)態(tài)序列的開發(fā)以及設(shè)計(jì)，通過擴(kuò)散加權(quán)的MRT成像顯著地改善了復(fù)雜的T2影響以及由于運(yùn)動形成的偽影。按照本發(fā)明，序列存儲在合成器19中并由序列控制18執(zhí)行。
為了更好的理解，下面結(jié)合示意圖，特別是連同一個(gè)自旋回波實(shí)驗(yàn)，解釋擴(kuò)散加權(quán)成像的理論和步驟。
在MRT中數(shù)據(jù)的記錄在一個(gè)所謂的k空間(同義詞頻率空間)中進(jìn)行。在所謂圖像空間中MRT圖像借助于傅立葉變換與在k空間的MRT數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。處于k空間的對象的位置編碼借助于在所有三個(gè)空間方向上的梯度進(jìn)行。在此，對層的選擇(確定對象的一個(gè)拍攝層，通常是z軸)、頻率編碼(確定在該層中的一個(gè)方向，通常是x軸)和相位編碼(確定該層中的第二維，通常是y軸)進(jìn)行區(qū)分。
即，首先例如在z方向上選擇性地激勵一個(gè)層。在該層中位置信息的編碼通過組合相位編碼和頻率編碼實(shí)現(xiàn)，借助于該編碼產(chǎn)生兩個(gè)已經(jīng)提到正交梯度場，其在一個(gè)在z方向上激勵的層的舉例中通過同樣已經(jīng)提到的梯度線圈在x和y方向上產(chǎn)生。
在圖2A和圖2B中示出了一個(gè)在MRT實(shí)驗(yàn)中記錄數(shù)據(jù)的例子。所使用的序列是自旋回波序列。在該序列中通過一個(gè)90°激勵脈沖實(shí)現(xiàn)在x-y平面內(nèi)的自旋磁化。隨著時(shí)間的持續(xù)(1/2TE；TE是回波時(shí)間)出現(xiàn)磁化部分的相移ΔΦ，該磁化部分在x-y平面中構(gòu)成了整個(gè)橫向磁化。經(jīng)過一定的時(shí)間(例如1/2TE)一個(gè)180°脈沖在x-y平面上這樣照射，即，在不改變單個(gè)磁化部分的進(jìn)動方向和進(jìn)動速度的情況下，使相移的磁化成分反射。在另一個(gè)時(shí)間長度1/2TE之后磁化成分又在同一個(gè)方向上，即出現(xiàn)了一個(gè)稱為“相移”的橫向磁化的再生成。橫向磁化的完整再生成被稱為自旋回波。
為了測量待測量對象的一個(gè)完整的層，將成像序列對于不同的相位編碼梯度例如Gy重復(fù)N次，其中，在每個(gè)序列通過時(shí)的核共振信號(自旋回波信號)的頻率通過按Δt定時(shí)的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(英語為Analog DigitalConverter)，在讀出梯度Gx存在的條件下按等距離的時(shí)間長度Δt進(jìn)行探測、數(shù)字化和存儲。按照這種方式根據(jù)圖2得到逐行表示的、具有N×N數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)字矩陣(在k空間的矩陣或者k矩陣)。具有N×N數(shù)據(jù)點(diǎn)的對稱矩陣只是一個(gè)例子，也可以產(chǎn)生非對稱的矩陣或者位于k空間的矩陣。由這種在k空間的數(shù)據(jù)組，可以通過對直接MRT圖像的傅立葉變換，按N×N的分辨率重構(gòu)所考慮的層。
讀出必須在一個(gè)相對于橫向磁化T2的蛻變小的時(shí)間內(nèi)結(jié)束。否則k矩陣的不同行將對應(yīng)于其獲取的順序被不同地加權(quán)某些位置頻率被突出，而其它的則會被壓制。
在一個(gè)擴(kuò)散加權(quán)的自旋回波實(shí)驗(yàn)可能的舉例中，按照圖3施加一個(gè)恒定的強(qiáng)擴(kuò)散梯度25。如果該自旋通過90°脈沖在x-y平面上被掃描，則其開始要精確地位于一個(gè)軸(例如x軸)上。在擴(kuò)散梯度25的強(qiáng)附加場之下，自旋開始出現(xiàn)相移，即在一定時(shí)間之后其具有一定的角度Φ。按照圖3該時(shí)間上的角度變化Φ(也稱為相位Φ)取決于所加擴(kuò)散梯度25的持續(xù)時(shí)間(在一個(gè)時(shí)間上有限的擴(kuò)散梯度脈沖的情況下)和強(qiáng)度。在一定的時(shí)間(TE/2)之后180°脈沖開始照射。在該時(shí)間點(diǎn)上磁化達(dá)到相移Φ1。通過180°脈沖磁化在x-y平面上反轉(zhuǎn)(-Φ1)并開始相移，直到在時(shí)間TE之后到達(dá)最大可能的回波23。
在造成擴(kuò)散的核自旋共振物質(zhì)(例如水分子)的位置改變中，在照射90°脈沖和180°脈沖之間的任意時(shí)刻τ特性不同。例如如果分子向擴(kuò)散梯度強(qiáng)度較高的位置移動，則其與不移動的物質(zhì)(相位Φ1)相比在更高本地磁場中經(jīng)歷更強(qiáng)的相移。如果在簡單的情況下該移動的擴(kuò)散(difffundierte)物質(zhì)保持在新的位置，則其磁化在更大的相位Φ2下經(jīng)歷由于180°脈沖的反轉(zhuǎn)。由于更高的本地磁場相位在反轉(zhuǎn)之后也具有一個(gè)時(shí)間上看更陡峭的變化，這造成擴(kuò)散物質(zhì)的磁化在讀出時(shí)刻TE具有一個(gè)附加相位Δ。這造成擴(kuò)散物質(zhì)的橫向磁化在整體上提供了比不移動的物質(zhì)更小的回波信號24。
這可以結(jié)合圖4進(jìn)一步看出左側(cè)是不移動的核共振材料由磁化部分組合的橫向磁化在回波時(shí)刻(TE)的矢量表示?？梢钥闯?，該磁化再次到達(dá)其在90°脈沖時(shí)刻對應(yīng)的起始值的最大值(∑↑＝Imax)。在右側(cè)可以看出，移動(擴(kuò)散)的核共振物質(zhì)的磁化部分在回波時(shí)刻具有一個(gè)不同的相位ΔΦ，而因此矢量和給出一個(gè)比理論上更小的磁化(∑↑＜Imax)。
總之可以得出擴(kuò)散越大即在梯度磁場中核共振物質(zhì)的位置變化越大，則在該區(qū)域中的核共振信號就越小。因此，強(qiáng)擴(kuò)散區(qū)域在信號衰減中可以看出。
在MRT中的擴(kuò)散加權(quán)成像要求高擴(kuò)散梯度場強(qiáng)，因?yàn)樯厦婷枋龅男Ч麡O小。在一個(gè)如圖3描述的、盡管強(qiáng)但為恒定的擴(kuò)散梯度中有這樣的缺點(diǎn)，即回波的讀出也要在一個(gè)強(qiáng)梯度下進(jìn)行，因此按照關(guān)系帶寬＝1/讀出時(shí)間由強(qiáng)梯度得到短的讀出時(shí)間，要按較高的帶寬測量信號。高帶寬意味著，將實(shí)際的核共振信號在一個(gè)非常寬的頻帶上進(jìn)行測量，由此同時(shí)測量了非常多的噪聲。
由于這種原因，將擴(kuò)散編碼和對編碼后的核共振信號的讀出分開。
具有脈沖擴(kuò)散梯度的擴(kuò)散加權(quán)自旋回波測量首先由Stejskal和Tanner公開(Stejskal and Tanner，Journal of Chemical Physics，42，288(1965))并在圖5中示意地表示出脈沖形式的擴(kuò)散梯度DDiff具有相對于其它磁場梯度(GS，GP，GR)高數(shù)倍的幅度(DDiff≈10×GR)，具有一個(gè)確定的時(shí)間寬度δ，并具有也被稱為擴(kuò)散時(shí)間的、確定的時(shí)間間隔Δ。
所示的序列一方面具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即可以通過使用非常小的讀出梯度，用非常小的帶寬讀出該回波。另一方面，定義的量DDiff，δ和Δ尤其這樣確定了擴(kuò)散測量的時(shí)間特性，使得可以通過所謂的b值在數(shù)學(xué)上描述在擴(kuò)散加權(quán)的MRT實(shí)驗(yàn)中梯度脈沖的影響極其后果b=γ2GDiff2δ2(Δ-δ3)[smm2]]]>其中γ表示所考慮的自旋形式(通常是氫氣)的旋磁系數(shù)。用b加權(quán)的描述擴(kuò)散的物理值通常被稱為“擴(kuò)散系數(shù)D”，并按照關(guān)系D≈Tηa3[mm2s]]]>表示一個(gè)自然常數(shù)，其中，T是溫度，η和a是待測擴(kuò)散材料的粘度和分子半徑。確切的單位由在考慮一個(gè)這里沒有給出的比例系數(shù)的條件下產(chǎn)生。在實(shí)際中擴(kuò)散測量通過其它例如機(jī)器的穩(wěn)定性、流體運(yùn)動偽影等流動效應(yīng)的破壞，為了測量擴(kuò)散系數(shù)D必須考慮這樣的效果。由于這種原因“表觀擴(kuò)散系數(shù)”(英語為Apparent-diffusion-Coefficient，ADC)DADC的稱謂被普遍接受，為了包含一個(gè)擴(kuò)散加權(quán)的MRT圖像要在擴(kuò)散加權(quán)的MRT實(shí)驗(yàn)中對該系數(shù)進(jìn)行測量。
在所謂兩點(diǎn)方法中這樣得到一個(gè)層的擴(kuò)散加權(quán)的MRT圖像，即，首先采用不同的b值(b1和b2)對同一層測量兩幅擴(kuò)散加權(quán)的MRT圖像，由這兩幅圖像按像素的方式計(jì)算DADC值并將其表示在該層的圖像矩陣中。
一個(gè)擴(kuò)散加權(quán)測量的核共振信號可以在數(shù)學(xué)上表示為SDiff=S0*e(-TET2)*e(-bD).]]>系數(shù)e(-bD)通常被稱為“擴(kuò)散加權(quán)”，并以按擴(kuò)散為條件的信號衰減為特征。通過第二衰減系數(shù) 考慮到了在回波時(shí)間TE期間通過T2描述的橫向磁化的蛻變。S0描述了測量和組織參數(shù)，例如自旋密度、重復(fù)時(shí)間、旋轉(zhuǎn)角度等等。
通過商的建立每個(gè)像素的DADC值可以僅僅通過每個(gè)像素的兩個(gè)測量值S1和S2以及通過兩個(gè)不同的b值b1和b2如下計(jì)算DADC=ln(S1S2)/(b2-b1)]]>如果將這樣計(jì)算出的DADC值填入到層矩陣，則得到該層的擴(kuò)散加權(quán)圖像。不同的b值通常通過變動擴(kuò)散梯度參數(shù)G、Δ和δ獲得。出于測量方法速度的原因值S1和S2優(yōu)選地通過單脈沖回波平面成像(英語為Single-Shot-Echo-Planar-Imaging，SSEPI)獲得。由此可以避免以運(yùn)動為條件的圖像偽影。但是，正如本文開始提到的，SSEPI序列具有一種通過以相位編碼形式為條件的、強(qiáng)烈的T2敏感性或者相位敏感性，該敏感性造成極其強(qiáng)烈的圖像分辨?zhèn)斡盎蛘咦冃蝹斡?。由于目前缺少其它選擇這點(diǎn)必須將就。
1989年M.H.Cho和C.H.Cho在“Society of Magnetic Resonance inMedicine”的論文集p.911 Amsterdam(1989)中在理論上指出，在擴(kuò)散加權(quán)的MRT成像中在采用雙極性擴(kuò)散梯度脈沖和兩個(gè)擴(kuò)散加權(quán)SSFP(英語為Steady-State-Free-Precession，穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動)信號S+和S-(分別在有和沒有擴(kuò)散梯度時(shí)測得)已知的條件下，可以給出一個(gè)用于計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)DADC的簡單公式DADC=12*bbiplnSo-*SDiff+SDiff-*So+]]>其中，So-是沒有擴(kuò)散梯度條件下的PSIF序列的信號，So+是沒有擴(kuò)散梯度條件下的FISP序列的信號，SDiff+是有雙極性擴(kuò)散梯度GDiff條件下的PSIF序列的信號，SDiff-是有雙極性擴(kuò)散梯度GDiff條件下的FISP序列的信號，而bbip是上述擴(kuò)散加權(quán)的雙極性PSIF以及FISP測量的b值。
該商同樣形象地由所產(chǎn)生的不同圖像構(gòu)成、對其求對數(shù)和用相應(yīng)的b值bbip加權(quán)。
上述用于確定DADC系數(shù)的公式明顯地具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即，穩(wěn)態(tài)信號(這些信號是借助于常規(guī)的自旋彎曲相位編碼技術(shù)產(chǎn)生的)的使用對于偽影是不敏感的，而偽影在用EPI序列進(jìn)行擴(kuò)散加權(quán)的MRT測量中起到了破壞作用。
采用雙極性擴(kuò)散梯度在技術(shù)上不成問題；對于雙極性擴(kuò)散加權(quán)的MRT測量各設(shè)備配置對應(yīng)的b值bbip可以容易地給出。
各SSFP值(So-，So+，SDiff-和SDiff+)的實(shí)驗(yàn)確定在理論上是通過時(shí)間上相互跟隨的FISP序列和PSIF序列或者相反來實(shí)現(xiàn)的。這種結(jié)合兩個(gè)測量序列的措施基本上意味著一種測量時(shí)間的結(jié)合，其具有與此相關(guān)的嚴(yán)重缺點(diǎn)，即由此FISP和PSIF序列相對于流體和脈沖干擾的格外的敏感性，同時(shí)測量了極大地影響擴(kuò)散加權(quán)圖像質(zhì)量的偽影。
在本發(fā)明中建議，為了測量對于上述公式所需的SSFP信號，同時(shí)獲取信號S+和S-。這種序列被稱為DESS(英語為Double Echo Steady State雙回波穩(wěn)態(tài))序列。DESS為FISP序列結(jié)合了附加的PSIF序列的信號獲取，并尤其為例如在液體積聚(例如在關(guān)節(jié)損傷中)的情況那樣的、具有較長弛豫時(shí)間T2的組織提供了一個(gè)良好的T2對比度。為此，通常在同一個(gè)序列中產(chǎn)生FISP和PSIF序列，然后進(jìn)行相加。
在圖6中示出了一個(gè)DESS序列。根據(jù)各激勵脈沖α通過讀出梯度的第一再定相(rephasierenden)的脈沖產(chǎn)生FISP回波。就這點(diǎn)而言，F(xiàn)ISP表示了讀出梯度。FISP激勵橫向磁化矢量的、在相移和再定相的變化在圖6的下部用明的陰影線表示出。
PSIF是一個(gè)反向展開的FISP序列(因此縮寫為“PSIF”)。在PSIF技術(shù)中利用到了，每個(gè)HF脈沖不僅具有一個(gè)激勵成分而且也具有一個(gè)再聚焦(refokussieren)成分。如果觀察一個(gè)PSIF序列的多個(gè)激勵，則對一個(gè)測量的激勵再聚焦地影響到前面測量的橫向成分(橫向磁化)PSIF激勵橫向磁化矢量的、在相移和再定相的變化在圖6的下部用暗的陰影線表示出。產(chǎn)生的一種回波，其用讀出梯度的第二再定相脈沖讀出。因?yàn)橛玫谝患町a(chǎn)生的PSIF信號直到第二激勵周期的結(jié)束才讀出，所以回波時(shí)間等于雙倍的重復(fù)時(shí)間。因此，產(chǎn)生的PSIF回波具有一個(gè)特別高的T2權(quán)重。嚴(yán)格地講PSIF不屬于梯度回波的類別；這里更多的是自旋回波序列。由此PSIF相對于現(xiàn)存的磁化率不敏感。
本發(fā)明在于將DESS序列應(yīng)用到擴(kuò)散加權(quán)的MRT成像中。為此，按照本發(fā)明將DESS序列第一次使用雙極性擴(kuò)散梯度進(jìn)行測量，而第二次不使用雙極性擴(kuò)散梯度進(jìn)行測量，其中，按照本發(fā)明將該雙極性擴(kuò)散梯度在FISP信號的讀出和PSIF信號的讀出之間直接接入。按照本發(fā)明，在各自序列中測得的FISP和PSIF信號(S+和S-)不是相加，而是分別存儲(例如在設(shè)備計(jì)算機(jī)20中)并用在上述公式。該公式中同樣需要的b值bbip通過雙極性擴(kuò)散梯度的幅度和脈沖寬度給出。由此，可以為測量層的每個(gè)像素計(jì)算DADC值。最后，該層所有DADC值的矩陣表示給出了一幅沒有偽影的擴(kuò)散加權(quán)圖像。
圖7示出了一個(gè)按照本發(fā)明序列的第一實(shí)施方式，該序列中在雙極性擴(kuò)散梯度之前以及之后對一個(gè)FISP和一個(gè)PSIF信號進(jìn)行測量。在HF脈沖α期間接通層選擇梯度GS。緊隨其后按照一個(gè)讀出梯度GA(在通過相位編碼梯度GP同時(shí)的相位編碼)的相移脈沖，接通一個(gè)產(chǎn)生FISP回波信號的、相移的讀出脈沖。在HF脈沖和FISP回波之間的時(shí)間稱為回波時(shí)間TE+。在獲得FISP回波之后雙極性地接通具有梯度幅度G0和脈沖寬度δ的擴(kuò)散梯度，并隨后通過另一個(gè)讀出梯度的梯度脈沖讀出PSIF回波S-。還在下一個(gè)HF激勵脈沖之前將PSIF讀出梯度再定相地接通，而相位編碼梯度的相位編碼通過一個(gè)相應(yīng)反轉(zhuǎn)的相位編碼脈沖撤消。在獲得PSIF回波和HF脈沖之間的時(shí)間記為TE-，使得可以通過TE-＝2*TR-te給出PSIF回波的回波時(shí)間。其中，TR是通常的重復(fù)時(shí)間，即相互跟隨的HF激勵脈沖之間的時(shí)間。
嚴(yán)格地講，一個(gè)PSIF回波由多個(gè)不是必須相互跟隨的HF脈沖的再聚焦組成，這導(dǎo)致了針對橫向及縱向磁化的相位變化的一種復(fù)雜的扇形化(英語為Splitting，分裂)。該扇形化可以簡單地通過所謂回波路徑表示，這些回波路徑各自具有不同的時(shí)間變化，特別是具有不同的擴(kuò)散時(shí)間Δi，i指示直到形成一個(gè)確定回波路徑的各PSIF回波HF脈沖的數(shù)目。由于擴(kuò)散梯度脈沖的雙極性以及由于由多少反轉(zhuǎn)的讀出梯度脈沖同時(shí)讀出兩個(gè)回波FISP和PSIF，抵消了特別是PSIF信號產(chǎn)生的復(fù)雜性。這種情況又反映在按照Cho的公式的簡單中。
將圖7中按照本發(fā)明的序列與圖6中常規(guī)的DESS序列進(jìn)行比較，則看出，在圖7中沒有給定DESS序列的完全的對稱。其不必如此，但卻是本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的方面，并具有下列的理由FISP回波S+在本質(zhì)上具有比PSIF回波S-更高的信號噪聲比(英語為Signal-to-Noise-Ratio，SNR)，PSIF回波S-由于HF激勵脈沖的相對低的再聚焦部分信號噪聲比相對小。因此，PSIF回波S-要求一個(gè)時(shí)間上長的讀出脈沖(更長的ADC，其中這里ADC再次表示讀出的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)。FISP回波S+的讀出可以在一個(gè)短數(shù)倍的時(shí)間中實(shí)現(xiàn)，其中，為此讀出梯度必須具有一個(gè)相應(yīng)更高的幅度。換言之，這意味著FISP回波可以用更寬的帶寬測量，而沒有SNR損失，由此，從測量的總的時(shí)間區(qū)間來看，合計(jì)起來極大地減少了測量時(shí)間。
如果用不同的帶寬按照本發(fā)明的第一實(shí)施方式對FISP回波和PSIF回波進(jìn)行測量，則可能(例如由于化學(xué)移動)導(dǎo)致，F(xiàn)ISP圖像與所產(chǎn)生的PSIF圖像比較在位置上移動地獲得。在按照Cho的公式建立商時(shí)這會引起明顯的和因此起干擾作用的偽影。為了避免這點(diǎn)，本發(fā)明的第二實(shí)施方式在于，使用一個(gè)所謂的n重回波序列(n重梯度列)來讀出PSIF回波，如圖8中為n＝3所示。一個(gè)這種n重回波序列由多個(gè)(典型為2n)與FISP回波讀出脈沖同樣脈沖寬度的其它梯度脈沖組成。這提供了n個(gè)用與FISP回波相同的帶寬進(jìn)行測量的PSIF回波信號。通過對單獨(dú)獲得的PSIF回波信號的相加和隨后的求平均(例如構(gòu)成平方和)，仍然給出如按照圖7的較長時(shí)間的讀出(ADC)相同的靈敏度(SNR)。
另外，還可以將上面描述的、按照本發(fā)明同時(shí)的雙極性擴(kuò)散加權(quán)獲取技術(shù)，按照圖9用于公知的MRT投影-重構(gòu)方法中。該投影-重構(gòu)方法(Lauterbur，New York 1973)是在磁共振斷層造影中最老的成像方法的一種，并由于不同原因目前正經(jīng)歷這一種復(fù)興。它是一個(gè)可以從一系列的投影中計(jì)算數(shù)字圖像的方法。為此，(如同在所有其它MRT的成像方法，特別是在2維或者3維傅立葉變換斷層造影那樣)按照圖9通過一個(gè)層選擇梯度GS對待檢查空間中的一個(gè)軸上的層進(jìn)行激勵或者選擇。緊隨其后將一個(gè)保持相同的梯度GBild轉(zhuǎn)動一個(gè)小的角度增量ΔΦ，其中每次產(chǎn)生一個(gè)投影。這樣，一個(gè)由N×N像素組成的圖像的重構(gòu)需要N個(gè)獨(dú)立的投影，這些投影本身通過N個(gè)點(diǎn)定義。這樣在平面坐標(biāo)中獲得的投影可以按笛卡兒方式通過兩個(gè)正交的梯度Gx和Gy描述，其中不經(jīng)限制一般地成立Gy＝GBildsin(φ)，Gx＝GBildcos(φ)。
將按照本發(fā)明的序列與該投影-重構(gòu)方法的結(jié)合起到了明顯地減少運(yùn)動偽影的作用。
最后，要通過一個(gè)粗略的估算將雙極性擴(kuò)散加權(quán)MRT與單極性的進(jìn)行比較。具有單極性梯度脈沖的經(jīng)典的Stejskal-Tanner擴(kuò)散加權(quán)序列(如圖5所示)，按照前面已經(jīng)說明的數(shù)學(xué)公式bmono=γ2GDiff2δ2(Δ-δ3)]]>計(jì)算。如果擴(kuò)散時(shí)間Δ等于擴(kuò)散梯度的脈沖寬度δ(Δ＝δ)，則成立bmono=23γ2GDiff2δ3.]]>如果在雙極性擴(kuò)散梯度接通中采用相同的脈沖寬度，則還成立δbip=12δmono.]]>這意味著，對于按照本發(fā)明的雙極性序列的b值bbip=2mal18bmono=14bmono]]>據(jù)此在Cho的公式中所需的b值bbip可以如下計(jì)算bbip=16γ2G02δ3.]]>上述的估算表明，對于一個(gè)使用單極性技術(shù)可比較的組織擴(kuò)散效果，在雙極性的方法中必須施加一個(gè)具有高出數(shù)倍幅度的擴(kuò)散梯度。
此外，按照本發(fā)明的序列的擴(kuò)散梯度脈沖GDiff的雙極性具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即，可以補(bǔ)償擴(kuò)散梯度脈沖的非線性或者變形，其以通過梯度磁場的建立和去除而在金屬導(dǎo)電平面(冷卻電路、填隙片等等)上感應(yīng)的渦流為條件。
權(quán)利要求
1.一種用于在擴(kuò)散加權(quán)磁共振成像中確定擴(kuò)散加權(quán)圖像的方法，該方法包括以下步驟a)借助于雙回波穩(wěn)態(tài)序列測量并存儲一個(gè)非擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組和一個(gè)擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組，其中，對于該非擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組依次接通兩個(gè)讀出梯度，而對于該擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組在兩個(gè)讀出梯度之間接通一個(gè)雙極性擴(kuò)散梯度脈沖序列，b)在該非擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組和擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組的基礎(chǔ)上，以及在一個(gè)表征擴(kuò)散加權(quán)測量特征的值的基礎(chǔ)上，計(jì)算擴(kuò)散加權(quán)磁共振圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述雙極性擴(kuò)散梯度脈沖序列由一個(gè)正的和一個(gè)負(fù)的擴(kuò)散梯度脈沖組成，它們分別具有幅度G0和-G0，并具有相同的脈沖寬度δ，其中，這兩個(gè)擴(kuò)散梯度脈沖相互直接跟隨。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散加權(quán)磁共振圖像的計(jì)算，是通過擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組和非擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組組合的商的圖像，繼而對該商求對數(shù)以及用對應(yīng)于擴(kuò)散加權(quán)測量的b值進(jìn)行加權(quán)而實(shí)現(xiàn)的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，通過逐像素顯示ADC系數(shù)DADC構(gòu)成擴(kuò)散加權(quán)磁共振圖像，該ADC系數(shù)DADC是按照以下公式逐像素地從所采集的數(shù)據(jù)組確定的DADC=12*bbiplnSo-*SDiff+SDiff-*So+]]>其中，So+和So-表示按FISP回波信號和PSIF回波信號形式的非擴(kuò)散加權(quán)測量的數(shù)據(jù)組，以及SDiff+和SDiff-表示按FISP回波信號和PSIF回波信號形式的擴(kuò)散加權(quán)測量的數(shù)據(jù)組，其中，bbip表示擴(kuò)散加權(quán)測量特征值，其按照下列公式通過雙極性擴(kuò)散梯度的狀態(tài)和所考慮的核共振自旋形式的旋磁系數(shù)γ給出bbip=16γ2Go2δ3.]]>
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，將所述S+信號與所述S-信號進(jìn)行比較，用更高的帶寬進(jìn)行測量。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，對所述兩個(gè)信號S+和S-用同樣大的帶寬進(jìn)行測量，其中，對所述S-信號通過一個(gè)多梯度回波序列進(jìn)行多次測量，并對測得的S-信號求平均。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述求平均通過平方和方法實(shí)現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過投影-重構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)所述數(shù)據(jù)組SDiff-，SDiff+，So-，So+的采集。
9.一種核自旋斷層造影設(shè)備，用于實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在擴(kuò)散加權(quán)MRT成像中確定擴(kuò)散加權(quán)圖像的方法，該方法包括以下步驟a)借助于DESS序列(Double Echo Steady State Sequenz，雙回波穩(wěn)態(tài)序列)測量并存儲一個(gè)非擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組和一個(gè)擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組，其中，對于該非擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組依次接通兩個(gè)讀出梯度，而對于該擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組在兩個(gè)讀出梯度之間接通一個(gè)雙極性擴(kuò)散梯度脈沖序列，b)在該非擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組和擴(kuò)散加權(quán)數(shù)據(jù)組的基礎(chǔ)上，以及在一個(gè)表征擴(kuò)散加權(quán)測量特征的值的基礎(chǔ)上，計(jì)算一個(gè)擴(kuò)散加權(quán)MRT圖像。
文檔編號G01R33/563GK1499218SQ20031010299
公開日2004年5月26日 申請日期2003年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月31日
發(fā)明者邁克爾·戴姆林, 邁克爾 戴姆林 申請人:西門子公司