專利名稱：使用磁共振波譜系統(tǒng)的化學(xué)平衡比的測(cè)量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)涉及磁共振(MR)波譜用于測(cè)量化學(xué)性質(zhì)或相對(duì)濃度。
背景技術(shù)：
磁共振波譜(MRS)和磁共振成像(MRSI)技術(shù)是醫(yī)療診斷和醫(yī)療診斷成像領(lǐng)域中已知的。磁共振(MR)手段使受檢者經(jīng)受易受一個(gè)或多個(gè)射頻(RF)脈沖的擾動(dòng)的均勻磁場(chǎng)。具體來(lái)說(shuō)，均勻磁場(chǎng)使對(duì)象中的響應(yīng)物質(zhì)(responsive material)的自旋均勻,使得自旋有效地對(duì)齊。然后可施加激勵(lì)RF脈沖，以便通過(guò)定向地使自旋傾斜到橫斷均勻磁場(chǎng)的平面中使響應(yīng)物質(zhì)的自旋同步。在去除激勵(lì)RF脈沖時(shí)，自旋與均勻磁場(chǎng)重新對(duì)齊，并且在該過(guò)程中發(fā)射共振信號(hào)?？蓺w因于各核素的這些共振信號(hào)的差由成像系統(tǒng)使用MRS系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)，提供與被分析化學(xué)物種有關(guān)的有用信息。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)響應(yīng)物質(zhì)(例如氫⑶或碳-13 (13C)原子)是分子的成分時(shí)，分子的電子云影響響應(yīng)物質(zhì)所遇到的磁場(chǎng)強(qiáng)度。有效磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化引起對(duì)響應(yīng)物質(zhì)的旋進(jìn)頻率(precession frequency)或自旋的小變化。旋進(jìn)頻率的這種變化表示為允許包含響應(yīng)物質(zhì)的不同分子相互區(qū)分的化學(xué)位移(chemical shift)。例如，這種化學(xué)位移可允許識(shí)別體內(nèi)的不同化學(xué)品并且確定這類化學(xué)品的濃度。

發(fā)明內(nèi)容
本公開(kāi)包括用于生成平衡交換(equilibrium exchange)中的兩種或更多化學(xué)物種的磁共振數(shù)據(jù)的實(shí)施例。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于測(cè)量交換中的兩種或更多波譜上不同的化學(xué)物種的比率的方法。按照這種方法，生成第一頂錐角(tip angle)為30°或更大的波譜選擇性RF激勵(lì)脈沖，以便有選擇地激勵(lì)第一化學(xué)物種。在第一化學(xué)物種與第二化學(xué)物種之間的平衡條件下，生成第二頂錐角小于30°的非選擇性RF激勵(lì)脈沖，以便至少激勵(lì)第二化學(xué)物種。生成波譜選擇性RF激勵(lì)脈沖和生成非選擇性RF激勵(lì)脈沖的步驟重復(fù)進(jìn)行設(shè)定的重復(fù)次數(shù)。交換中的第一化學(xué)物種與第二化學(xué)物種的比率基于第一頂錐角和第二頂錐角的差別效應(yīng)(differential effect)來(lái)得到。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種物理上編碼一個(gè)或多個(gè)可執(zhí)行例程的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。在被運(yùn)行時(shí)，例程使動(dòng)作被執(zhí)行，包括:生成第一頂錐角為30°或更大的波譜選擇性RF激勵(lì)脈沖，以便有選擇地激勵(lì)第一化學(xué)物種；在第一化學(xué)物種與第二化學(xué)物種之間的平衡條件下，生成第二頂錐角小于30°的非選擇性RF激勵(lì)脈沖，以便至少激勵(lì)第二化學(xué)物種；將生成波譜選擇性RF激勵(lì)脈沖和生成非選擇性RF激勵(lì)脈沖的步驟重復(fù)進(jìn)行設(shè)定的重復(fù)次數(shù)；以及基于第一頂錐角和第二頂錐角的差別效應(yīng)來(lái)得到交換中的第一化學(xué)物種和第二化學(xué)物種的比率。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種磁共振波譜系統(tǒng)。磁共振波譜系統(tǒng)至少包括:主磁場(chǎng)線圈，配置成在體積中生成主磁場(chǎng)；射頻(RF)線圈，配置成生成RF脈沖；以及一個(gè)或多個(gè)控制電路，用于控制主磁場(chǎng)線圈和RF線圈的操作。 磁共振波譜系統(tǒng)還包括存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)將要由一個(gè)或多個(gè)控制電路來(lái)運(yùn)行以用于實(shí)現(xiàn)脈沖序列的指令。脈沖序列在被運(yùn)行時(shí)造成:生成第一頂錐角為30°或更大的波譜選擇性RF激勵(lì)脈沖，以便有選擇地激勵(lì)第一化學(xué)物種；在第一化學(xué)物種與第二化學(xué)物種之間的平衡條件下，生成第二頂錐角小于30°的非選擇性RF激勵(lì)脈沖，以便至少激勵(lì)第二化學(xué)物種；將生成波譜選擇性RF激勵(lì)脈沖和生成非選擇性RF激勵(lì)脈沖的動(dòng)作重復(fù)進(jìn)行設(shè)定的重復(fù)次數(shù)。


通過(guò) 參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述，將會(huì)更好地了解本公開(kāi)的這些及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，附圖中，相似標(biāo)號(hào)通篇表示相似部件，其中:
圖1是本文所述的配置成執(zhí)行數(shù)據(jù)獲取的磁共振波譜成像系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意
圖2示出使用常規(guī)方式所得到的H13CO3-和13CO2的共振數(shù)據(jù)；
圖3示出按照本發(fā)明、用于施加交織脈沖(interleaved pulse)序列并且隨后獲取和使用所產(chǎn)生共振數(shù)據(jù)的控制步驟或邏輯的流程 圖4示出按照本公開(kāi)、使用RF脈沖的交織集合體外(in vitro)得到的共振數(shù)據(jù)；
圖5示出按照本公開(kāi)、基于使用交織RF脈沖所得到的共振數(shù)據(jù)的所計(jì)算pH ;以及 圖6示出按照本公開(kāi)、使用RF脈沖的交織集合體內(nèi)(in vivo)得到的共振數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施例方式本文所述的實(shí)施例可由諸如磁共振波譜(MRS)或磁共振波譜成像(MRSI)系統(tǒng)之類的適當(dāng)磁共振(MR)系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行。如本文所述，由這類磁共振系統(tǒng)所構(gòu)成的一種用途是通過(guò)測(cè)量13C碳酸氫鹽/13CO2的比率來(lái)測(cè)量患者(或其它適當(dāng)活體)體內(nèi)的局部環(huán)境(例如心臟環(huán)境或者在可疑腫瘤中)的pH。通過(guò)使用磁共振手段，可無(wú)創(chuàng)地在體內(nèi)獲得pH信息。由于PH的變化與許多疾病或者其它感興趣狀況關(guān)聯(lián)，pH信息在臨床或診斷情況中會(huì)是特別關(guān)注的。有鑒于此，并且參照?qǐng)D1，磁共振波譜系統(tǒng)10示意地示為包括掃描儀12、掃描儀控制電路14和系統(tǒng)控制電路16。在所示實(shí)施例中，MRS系統(tǒng)10 —般配置成執(zhí)行波譜成像，其中得到空間和時(shí)間解析波譜數(shù)據(jù)。系統(tǒng)10還包括諸如圖片存檔和通信系統(tǒng)(PACS) 18之類的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和存儲(chǔ)系統(tǒng)或裝置或者諸如遠(yuǎn)程放射設(shè)備之類的其它裝置或者與其通信，使得由系統(tǒng)10所獲取的數(shù)據(jù)可在現(xiàn)場(chǎng)或不在現(xiàn)場(chǎng)訪問(wèn)。這樣，可獲取所獲取的數(shù)據(jù)，之后接著在現(xiàn)場(chǎng)或不在現(xiàn)場(chǎng)處理和評(píng)估。雖然MRS系統(tǒng)10可包括任何適當(dāng)掃描儀或探測(cè)器，但是在所示實(shí)施例中，系統(tǒng)10包括全身掃描儀12，全身掃描儀12具有通過(guò)其中形成膛22的殼體
20。臺(tái)架24可活動(dòng)地進(jìn)入膛22，以便準(zhǔn)許患者26定位在其中以供對(duì)患者體內(nèi)的所選解剖構(gòu)造進(jìn)行成像。適當(dāng)系統(tǒng)10的一個(gè)示例是配備有多核波譜(MNS)硬件包的3T GE MR750掃描儀(兩者均可從GE Healthcare (Waukesha, WI)獲得)。掃描儀12包括一系列關(guān)聯(lián)線圈，用于產(chǎn)生受控磁場(chǎng)并且用于探測(cè)來(lái)自被成像受檢者的解剖構(gòu)造內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)旋磁物質(zhì)的放射。提供主磁場(chǎng)線圈28以用于生成與膛22大體對(duì)齊的主磁場(chǎng)。在空間解析所獲取信號(hào)的掃描儀12中(即，在波譜成像系統(tǒng)中)，存在一系列梯度線圈30、32和34，它們準(zhǔn)許在檢查序列期間生成受控梯度磁場(chǎng)。提供射頻(RF)線圈36以用于生成射頻脈沖，供激勵(lì)旋磁物質(zhì)，例如用于自旋擾動(dòng)或切片選擇。獨(dú)立接收線圈或相同RF線圈36可在檢查序列期間接收來(lái)自旋磁物質(zhì)的磁共振信號(hào)。掃描儀12的各種線圈由外部電路來(lái)控制，以便生成預(yù)期磁場(chǎng)和脈沖，并且按照受控方式讀取來(lái)自旋磁物質(zhì)的放射。在所示實(shí)施例中，提供主電源38以用于為主磁場(chǎng)線圈28供電。提供驅(qū)動(dòng)器電路40以用于在梯度磁場(chǎng)線圈30、32和34存在時(shí)對(duì)這類線圈施以脈沖。這種驅(qū)動(dòng)器電路40通常包括用于例如按照掃描儀控制電路14所輸出的數(shù)字化脈沖序列來(lái)向線圈提供電流的放大和控制電路。提供另一控制電路42以用于調(diào)節(jié)RF線圈36的操作?？刂齐娐?2通常將包括用于在有源和無(wú)源操作模式之間進(jìn)行交替的切換裝置，其中RF線圈分別傳送和接收信號(hào)。控制電路42還包括用于生成RF脈沖并且用于處理所接收磁共振信號(hào)的放大電路。按照本公開(kāi)，控制電路可操作RF線圈36，以使得生成交織脈沖或者同時(shí)生成差別地刺激(即，傾斜)兩個(gè)或更多不同目標(biāo)物質(zhì)的脈沖。掃描儀控制電路14包括接口電路44，接口電路44輸出用于驅(qū)動(dòng)梯度磁場(chǎng)線圈30、32、34和RF線圈36以及用于接收表示檢查序列中產(chǎn)生的磁共振信號(hào)的數(shù)據(jù)的信號(hào)。接口電路44耦合到控制電路46?？刂齐娐?6運(yùn)行用于基于經(jīng)由系統(tǒng)控制電路16而選的所定義規(guī)程(protocol)來(lái)驅(qū)動(dòng)電路42和電路40的命令。控制電路46還用于接收磁共振信號(hào)，并且在將數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)控制電路16之前執(zhí)行后續(xù)處理。掃描儀控制電路14還包括在操作期間存儲(chǔ)配置參數(shù)、脈沖序列描述、檢查結(jié)果等的一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)或電路48。接口電路50耦合到控制電路46以用于在掃描儀控制電路14與系統(tǒng)控制電路16之間交換數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)通常將包括待執(zhí)行的特定檢查序列(例如用于生成交織或同時(shí)RF脈沖的檢查序列或例程，如本文所述)的選擇、這些序列的配置參數(shù)以及可采取原始或經(jīng)處理的形式傳送自掃描儀控制電路14以供后續(xù)處理、存儲(chǔ)、傳送和顯示的所獲取數(shù)據(jù)(例如欠采樣數(shù)據(jù)(undersampled data))。系統(tǒng)控制電路16包括接口電路52，接口電路52從掃描儀控制電路14接收數(shù)據(jù)，并且向掃描儀控制電路14回送數(shù)據(jù)和命令。接口電路52耦合到控制電路54，控制電路54可包括多用途或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)或工作站中的CPU?？刂齐娐?4耦合到存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)或電路56，以便存儲(chǔ)用于MRS系統(tǒng)10的操作的編程代碼，并且存儲(chǔ)經(jīng)處理的圖像數(shù)據(jù)供以后重構(gòu)、顯示和傳輸。例如，編程代碼可運(yùn)行能夠執(zhí)行適合于穩(wěn)健PH測(cè)量的交織RF脈沖信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)算法，如本文所述。可提供附加接口電路58以用于與諸如遠(yuǎn)程訪問(wèn)和存儲(chǔ)裝置18之類的外部系統(tǒng)組件交換圖像數(shù)據(jù)、配置參數(shù)等。最后，系統(tǒng)控制電路54可包括用于有助于操作員接口并且用于產(chǎn)生重構(gòu)圖像的硬拷貝的各種外圍裝置。在所示實(shí)施例中，這些外設(shè)包括打印機(jī)60、監(jiān)視器62以及其中包括諸如鍵盤(pán)或鼠標(biāo)之類的裝置的用戶接口 64。
掃描儀12以及與其關(guān)聯(lián)的控制電路46按照受控方式來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)和射頻脈沖，以便激勵(lì)和編碼患者26體內(nèi)的特定旋磁物質(zhì)。掃描儀12和控制電路46還感測(cè)從這類物質(zhì)發(fā)出的信號(hào)，并且基于這些信號(hào)來(lái)執(zhí)行計(jì)算，例如基于兩個(gè)或更多目標(biāo)物質(zhì)的差別測(cè)量來(lái)確定生理定域pH測(cè)量(localized pH measurement)。應(yīng)當(dāng)注意,本文所述的MRS系統(tǒng)只作為適當(dāng)系統(tǒng)的一個(gè)示例來(lái)提供，并且也可使用其它磁共振波譜系統(tǒng)類型。類似地，這類系統(tǒng)可通過(guò)其主磁體的強(qiáng)度來(lái)定級(jí)，并且可采用能夠執(zhí)行以下所述的數(shù)據(jù)獲取和處理的任何適當(dāng)定級(jí)的系統(tǒng)。上述MRS系統(tǒng)10可執(zhí)行本文所述的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，以及在一些實(shí)施例中可執(zhí)行本文所述的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。應(yīng)當(dāng)注意，在本文所述的數(shù)據(jù)獲取之后，系統(tǒng)10可以簡(jiǎn)單地例如在存儲(chǔ)器電路(例如存儲(chǔ)器56)中存儲(chǔ)所獲取數(shù)據(jù)供以后本地和/或遠(yuǎn)程訪問(wèn)。因此，當(dāng)本地和/或遠(yuǎn)程訪問(wèn)時(shí)，所獲取數(shù)據(jù)可由專用或通用計(jì)算機(jī)中包含的一個(gè)或多個(gè)處理器來(lái)操縱。一個(gè)或多個(gè)處理器可訪問(wèn)所獲取數(shù)據(jù)，并且運(yùn)行適合于處理或分析數(shù)據(jù)的例程，如本文所述。
鑒于適當(dāng)系統(tǒng)10的以上論述，下面論述這種基于MR的波譜系統(tǒng)用于計(jì)算定域pH測(cè)量。作為舉例，在生理系統(tǒng)中，局部環(huán)境的pH能夠基于Henderson-Hasselbach方程來(lái)計(jì)算:(I) 使用感興趣環(huán)境中的碳酸氫鹽(hco3_)和二氧化碳(CO2)的所觀測(cè)比。在這種生理環(huán)境中，hco3_與CO2的比率可通過(guò)碳酸酐酶的活性來(lái)建立和保持。在這種酶平衡下，[HCO3I/[CO2]的比率在正常生理pH (例如7.0至7.4的pH)可以是大約15比20，其中碳酸氫鹽有利得在平衡時(shí)為大于10比I。
用于測(cè)量pH的某些方式利用能夠在患者的感興趣測(cè)量部位測(cè)量13C標(biāo)記分子、例如超極化H13OV和13CO2的測(cè)量濃度的磁共振波譜系統(tǒng)。這些分子能夠從溶液中的靜脈注射預(yù)極化H13CCV來(lái)得出，或者可在體內(nèi)從預(yù)極化[1-13C]丙酮酸鹽來(lái)生成，預(yù)極化[1-13C]丙酮酸鹽通過(guò)丙酮酸鹽脫氫酶的作用而分解為13CO2和H13CO3'系統(tǒng)中存在的碳酸酐酶則基于系統(tǒng)的PH來(lái)建立H13CCV和13CO2的平衡。
超極化H13CO3-和13CO2的濃度可使用諸如上述系統(tǒng)10之類的MRS或MRSI系統(tǒng)在感興趣定域部位來(lái)測(cè)量。來(lái)看圖2，示出共振測(cè)量集合，其中使用在pH 7.4的常規(guī)小頂錐角RF激勵(lì)脈沖(例如5° )并且以13CO3V13CO2的比率為大約20來(lái)生成。在這種測(cè)量規(guī)程中，可歸因于13CO2共振80的測(cè)量信號(hào)因經(jīng)歷測(cè)量的13CO2的池(pool)的小尺寸以及用于得到時(shí)間和空間解析數(shù)據(jù)的RF激勵(lì)脈沖的小頂錐角(例如5° -10°或者小于20° )其中之一或兩者而對(duì)于穩(wěn)健準(zhǔn)確PH測(cè)量可能是不充分的。具體來(lái)說(shuō)，常規(guī)小頂錐角RF脈沖可以是非選擇性的，并且因此可同等地傾斜兩個(gè)物種(例如H13CCV和13CO2)的自旋。但是，由于H13CCV和13CO2的相應(yīng)池的大小的差異，對(duì)于H13CCV共振82比對(duì)于13CO2的較小池可觀測(cè)到充分大的信號(hào)。在這種實(shí)現(xiàn)中對(duì)于13CO2所觀測(cè)到的潛在小信噪比可妨礙感興趣局部環(huán)境中的pH的準(zhǔn)確穩(wěn)健測(cè)量。
有鑒于此，并且按 照本方式，可采用差別地激勵(lì)(例如傾斜)經(jīng)歷測(cè)量的相應(yīng)物種的交織RF激勵(lì)脈沖序列。例如，如圖3的流程圖100所示，可生成引起被暴露物種的小頂錐角(例如5° -30° )的RF激勵(lì)脈沖102的第一集合(框104)。在這個(gè)示例所述的一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，RF激勵(lì)脈沖的第一集合可以是波譜非選擇性的，但是在其它實(shí)現(xiàn)中，RF脈沖對(duì)一個(gè)或多個(gè)感興趣化學(xué)物種可以是波譜選擇性的。例如，在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，非選擇性RF激勵(lì)脈沖102各可以是200 μ s強(qiáng)脈沖。在本文所述的pH測(cè)量情況中，脈沖102的第一集合使更主流物種H13CCV以及其它物種傾斜小頂錐角。共振數(shù)據(jù)讀出(框106)可在各脈沖之后發(fā)起，以便生成與非選擇性脈沖所激勵(lì)的物種對(duì)應(yīng)的共振數(shù)據(jù)108。
在小頂錐角RF脈沖102的生成之間，生成作為波譜選擇性的并且引起波譜選擇物種中的大頂錐角(例如大約40°或更大)的RF激勵(lì)脈沖112的第二集合(框110)。例如，在本文所述的PH測(cè)量情況中，脈沖112的第二集合使13CO2傾斜大頂錐角。獲取波譜選擇物種的所產(chǎn)生的共振數(shù)據(jù)116 (框114)。在一個(gè)這種實(shí)施例中，波譜選擇性RF脈沖112是10 ms高斯型脈沖，例如設(shè)計(jì)成具有150 Hz通帶(95%)和10_4阻帶(自通帶中心的400Hz)的10 ms波譜選擇性RF脈沖。在這種實(shí)施例中，交織RF激勵(lì)脈沖112的較大頂錐角增強(qiáng)13CO2靈敏度(即，產(chǎn)生13CO2共振的更大信噪)，而交織脈沖的波譜選擇性防止H13CCV池的飽和。雖然前面的示例描述獨(dú)立和離散交織脈沖的使用，但是在其它實(shí)施例中，小頂錐角RF脈沖102和波譜選擇性RF脈沖112可使用多頻帶RF脈沖同時(shí)生成。
對(duì)于針對(duì)pH測(cè)量的體內(nèi)實(shí)現(xiàn)，可以理解，在獲取期間，因交織RF脈沖之間的頂錐角差而使13HCCV和13CO2池飽和不同的量。但是，在碳酸酐酶存在的情況下，在共振數(shù)據(jù)的獲取之間、即在獲取下一時(shí)間點(diǎn)或k空間點(diǎn)之前，恢復(fù)13HCO3-和13CO2平衡。因此，盡管這種差別飽和，也仍然能夠獲取穩(wěn)定的時(shí)間解析PH測(cè)量或準(zhǔn)確pH圖。也就是說(shuō)，在通過(guò)碳酸酐酶活性所調(diào)和的平衡狀態(tài)中，通過(guò)選擇性co2磁化對(duì)組合13HOV和13CO2池的磁化的飽和，因表示小于總13C池的10%的1 3CO2而較小。因此，基本上不會(huì)影響13HCCV的信噪比。
回到圖3，RF脈沖102和波譜選擇性RF脈沖112的交織生成可繼續(xù)進(jìn)行到確定掃描規(guī)程完成為止(框118)。這樣，可收集相應(yīng)的第一和第二感興趣物種的共振數(shù)據(jù)108、116的多個(gè)交織集合。共振數(shù)據(jù)108、116的重復(fù)測(cè)量的獲取可允許較弱信號(hào)的信號(hào)求平均，或者可允許得到相應(yīng)物種的化學(xué)交換率的時(shí)間解析測(cè)量或空間編碼。
按照上述方式所收集的MRS數(shù)據(jù)隨后可例如使用SAGE 軟件(GE Healthcare)來(lái)處理。在一個(gè)體外實(shí)現(xiàn)中，超極化13C仿真數(shù)據(jù)(phantom data)可在FFT之前由5 Hz高斯濾波器在時(shí)域來(lái)變換(apodize)。在一個(gè)體內(nèi)實(shí)現(xiàn)中，13C數(shù)據(jù)可由10 Hz高斯濾波器來(lái)變換。峰值高度可從超極化h13co3_/13co2仿真波譜和體內(nèi)波譜來(lái)測(cè)量，并且這個(gè)共振數(shù)據(jù)可用于計(jì)算感興趣診斷參數(shù)，例如計(jì)算(框120)患者體內(nèi)的感興趣局部pH 122。
鑒于前面所述，并且來(lái)看圖4和圖6，示出按照本方式所獲取的共振數(shù)據(jù)的相應(yīng)體外和體內(nèi)示例。
示例1-體外測(cè)量。對(duì)于當(dāng)前體外和體內(nèi)示例，所有研究均使用配備有多核波譜(MNS)硬件包的 3 T GE MR750 掃描儀(GE Healthcare (Waukesha, WI))來(lái)執(zhí)行。具有8 cm內(nèi)徑的微帶雙調(diào)諧1H-13C體積線圈用于仿真測(cè)量(Magvale(San Francisco, CA))。HyperSense DNP 極化器(Oxford Instruments (Abingdon, UK))用于使用已知極化方式以3.35 T和1.4 K來(lái)極化基底。鈉13C-碳酸氫鹽(Isotec (Miamisburg,0H))在具有0X063三苯甲基自由基(Oxford Instruments)的甘油中制備。純[1，2_13C2]丙酮酸(Isotec)摻雜有 15 mM 的 0X063 三苯甲基自由基(Oxford Instruments)和 I mM Gd 整合物(Prohance ,Bracco International)。
對(duì)于13C-碳酸氫鹽仿真測(cè)量，將 30 μ I的13C鈉碳酸氫鈉/甘油混合物極化 80分鐘，并且使用4 ml的去離子水/EDTAdOO mg/L)來(lái)溶解。緊接溶解之后，將13C碳酸氫鹽溶液與包含6 μ g的碳酸酐酶(Isozyme II，來(lái)自牛紅細(xì)胞，彡3000 W-A單位/毫克的蛋白質(zhì)，Sigma Aldridge (St.Louis,MO))的 4 ml 的 500 mM 磷酸鈉緩沖劑(pH 7.25)相混合。在各仿真實(shí)驗(yàn)中則使用大約5 ml的這種最終混合物。
對(duì)于數(shù)據(jù)獲取，脈沖獲取脈沖序列修改為允許激勵(lì)RF脈沖的切換(toggling)。設(shè)計(jì)成具有150 Hz通帶(95%)和Kr4阻帶(自通帶中心的400 Hz)的10 ms波譜選擇性RF脈沖與瞬態(tài)(transient)之間的200 Us強(qiáng)脈沖進(jìn)行交織。讀出(10000 Hz/4096 pts)緊接各RF脈沖之后開(kāi)始。在將溶液中的預(yù)極化H13CCV放入RF線圈內(nèi)部(n=4，TR=2 s，96個(gè)瞬態(tài))之后，使用交織RF脈沖方案來(lái)獲取動(dòng)態(tài)磁共振波譜(MRS)數(shù)據(jù)。RF發(fā)射器當(dāng)使用選擇性RF脈沖時(shí)在13CO2共振上居中，并且它當(dāng)使用強(qiáng)脈沖時(shí)在H13CCV與13CO2之間居中。選擇性脈沖和強(qiáng)脈沖的標(biāo)稱頂錐角分別設(shè)置成40°和10°。應(yīng)用Henderson-Hasselbalch方程，以便使用6.15的pKa值來(lái)估計(jì)溶液中的pH。當(dāng)來(lái)自選擇性RF脈沖的13CO2信號(hào)用于計(jì)算PH時(shí),執(zhí)行頂錐角和回波時(shí)間(使用5 ms的有效回波時(shí)間)校正；還對(duì)H13CCV信號(hào)進(jìn)行T1校正(以便考慮測(cè)量H13CCV信號(hào)的瞬態(tài)與測(cè)量選擇性13CO2信號(hào)的下一瞬態(tài)之間的H13CCV的極化衰退)?；夭〞r(shí)間校正使用T2*基于波譜中測(cè)量的13CO2的線寬進(jìn)行。H13CCVT1從僅使用強(qiáng)脈沖的實(shí)驗(yàn)來(lái)估計(jì)。
鑒于上述方法，圖4中示出在這種體外實(shí)現(xiàn)中獲取的共振數(shù)據(jù)的圖形圖示。如圖4所示，所獲取共振數(shù)據(jù)130的第一集合對(duì)應(yīng)于響應(yīng)非選擇性小頂錐角(例如5° -30° )RF激勵(lì)脈沖102、即200 μ s強(qiáng)脈沖而讀出的共振數(shù)據(jù)。如樣本共振數(shù)據(jù)所示，共振數(shù)據(jù)130的第一集合包括H13CCV的共振(共振82)以及與13CO2對(duì)應(yīng)的痕量共振(trace resonance)80。與響應(yīng)非選擇性RF脈沖而讀出的數(shù)據(jù)所交織的是響應(yīng)波譜選擇性大頂錐角(例如30° -90° ) RF激勵(lì)脈沖112、即10 ms波譜選擇性脈沖而讀出的第二共振數(shù)據(jù)集132。共振數(shù)據(jù)132的第二集合包括與130)2對(duì)應(yīng)的共振數(shù)據(jù)80，但是提供比對(duì)于非選擇性獲取所觀測(cè)的要好的13CO2共振數(shù)據(jù)的信噪比。
來(lái)看圖5，示出使用如上所述所得到的體外130)2測(cè)量所計(jì)算的兩個(gè)獨(dú)立pH測(cè)量的圖表138。使用僅采用非選擇性RF脈沖所生成的13CO2測(cè)量來(lái)計(jì)算第一測(cè)量140，而使用采用13CO2選擇性RF脈沖所生成的13CO2測(cè)量來(lái)計(jì)算第二測(cè)量142。在計(jì)算中使用峰值共振測(cè)量高度，并且對(duì)于來(lái)自交織獲取的數(shù)據(jù)執(zhí)行頂錐角(Tl，T2*)校正。如圖表138所證明，使用采用13CO2選擇性RF脈沖所生成的13CO2測(cè)量所計(jì)算的第二測(cè)量142隨時(shí)間是穩(wěn)定的。在這個(gè)示例中，第二測(cè)量142對(duì)應(yīng)于7.38至7.43的范圍中的pH測(cè)量，這一般與pH計(jì)所測(cè)量的7.35的ph 一致。
示例2 -體內(nèi)測(cè)量。在對(duì)豬所執(zhí)行的體內(nèi)測(cè)量集合中，定制構(gòu)建(custom build)13C傳送/接收具有1H阻塞(blocking)的表面線圈，并且采用5”的直徑。對(duì)于所采用的注入液(infusate)，將105 μ I的[1，2_13C2]丙酮酸/三苯甲基混合物極化 60分鐘，然后采用 6 ml的100 mM TRIS/250 mM NaOH溶液來(lái)溶解，從而給出250 mM的標(biāo)稱丙酮酸鹽濃度和7.4的pH。這個(gè)丙酮酸鹽溶液采用生理鹽水來(lái)稀釋，以便使總?cè)莘e增至三倍，并且在各實(shí)驗(yàn)中將15 ml的稀釋丙酮酸鹽溶液注入動(dòng)物體內(nèi)。
將13C表面線圈放置在豬的胸部之上，并且它在心臟之上的定位通過(guò)提供放置在線圈上的圖卡(fiduciary marker)的可視化的3平面1H定位圖像(scout image)(使用體線圈所獲取)來(lái)確認(rèn)。使用示例I所述的13C碳酸氫鹽仿真實(shí)驗(yàn)中使用的相同脈沖序列和交織RF脈沖方案從3個(gè)動(dòng)物Γ20 kg)來(lái)獲取心臟門控(cardiac gated)動(dòng)態(tài)MRS數(shù)據(jù)。在與15 ml的溶液(大約0.06 mmol/kg的劑量)中的預(yù)極化[1，2_13C2]丙酮酸鹽的 15 s注入的開(kāi)始的相同時(shí)間開(kāi)始數(shù)據(jù)獲取。數(shù)據(jù)獲取經(jīng)過(guò)心臟門控，使得每隔2 R-R間隔來(lái)執(zhí)行一個(gè)瞬態(tài)(每隔4 R-R 一個(gè)完整RF交織循 環(huán))，從而產(chǎn)生取決于心率的大約1-1.3 s的TR0
鑒于上述方法，圖6中示出在這種體內(nèi)實(shí)現(xiàn)中獲取的共振數(shù)據(jù)的圖形圖示。如圖6所示，所獲取共振數(shù)據(jù)152的第一集合對(duì)應(yīng)于響應(yīng)非選擇性小頂錐角(例如10° )RF激勵(lì)脈沖102、即200 μ s強(qiáng)脈沖而讀出的共振數(shù)據(jù)。如樣本共振數(shù)據(jù)所示，共振數(shù)據(jù)152的第一集合包括[1-13C2]丙酮酸鹽(共振150)、H13CCV (共振82)的共振以及與13CO2對(duì)應(yīng)的痕量共振80。與響應(yīng)非選擇性RF脈沖而讀出的數(shù)據(jù)所交織的是響應(yīng)波譜選擇性大頂錐角(例如40° ) RF激勵(lì)脈沖112、即10 ms波譜選擇性脈沖而讀出的第二共振數(shù)據(jù)集154。共振數(shù)據(jù)154的第二集合包括與13CO2對(duì)應(yīng)的共振數(shù)據(jù)80，但是提供比對(duì)于非選擇性獲取所觀測(cè)的要好的13CO2共振數(shù)據(jù)的信噪比。
本公開(kāi)的技術(shù)效果包括磁共振波譜中的交織RF脈沖序列的使用，其中非選擇性小頂錐角RF脈沖與波譜選擇性大頂錐角RF脈沖交織。這種交織脈沖序列的使用的技術(shù)效果是獲取共振數(shù)據(jù)的兩個(gè)集合，其中之一是具有較弱信號(hào)的所選物種特定的，以使得生成那個(gè)所選物種的具有比響應(yīng)非選擇性RF脈沖而生成的共振數(shù)據(jù)中所觀測(cè)的要高的信噪比的共振數(shù)據(jù)。本公開(kāi)的另一個(gè)技術(shù)效果是改進(jìn)生理環(huán)境內(nèi)的定域PH的無(wú)創(chuàng)測(cè)量。
本書(shū)面描述使用示例來(lái)公開(kāi)本發(fā)明，其中包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求來(lái)定義，并且可包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到的其它示例。如果這類其它示例具有與權(quán)利要求的文字語(yǔ)言完全相同的結(jié)構(gòu)單元，或者如果它們包括具有與權(quán)利要求的文字語(yǔ)言的非實(shí)質(zhì)差異的等效結(jié)`構(gòu)單元，則它們意在落入權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量交換中的兩個(gè)或更多波譜上不同的化學(xué)物種的比率的方法，所述方法包括下列步驟: 生成有選擇地激勵(lì)第一化學(xué)物種的第一 RF激勵(lì)脈沖，其中第一頂錐角相對(duì)于第二頂錐角增加所述第一化學(xué)物種的信噪比； 基于響應(yīng)所述第一 RF激勵(lì)脈沖而生成的共振信號(hào)來(lái)量化所述第一化學(xué)物種； 在所述第一化學(xué)物種與第二化學(xué)物種之間的平衡條件下，以所述第二頂錐角來(lái)生成至少激勵(lì)所述第二化學(xué)物種的第二 RF激勵(lì)脈沖，其中所述第二頂錐角基本保存所述第一化學(xué)物種和所述第二化學(xué)物種的總交換池； 基于響應(yīng)所述第二 RF激勵(lì)脈沖而生成的共振信號(hào)來(lái)量化所述第二化學(xué)物種； 將生成所述第一 RF激勵(lì)脈沖、量化所述第一化學(xué)物種、生成所述第二 RF激勵(lì)脈沖并且量化所述第二化學(xué)物種的步驟重復(fù)進(jìn)行設(shè)定的重復(fù)次數(shù)；以及 得到交換中的所述第一化學(xué)物種與所述第二化學(xué)物種的比率，校正所述第一頂錐角和所述第二頂錐角的差別效應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，交織生成所述第一RF激勵(lì)脈沖和生成所述第二 RF激勵(lì)脈沖的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用多頻帶RF脈沖同時(shí)執(zhí)行生成所述第一RF激勵(lì)脈沖和生成所述第二 RF激勵(lì)脈沖的步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，包括基于所述比率來(lái)確定PH的步驟。
5.如權(quán)利要 求1所述的方法，其中，重復(fù)步驟對(duì)于對(duì)所述第一化學(xué)物種所獲取的共振信號(hào)求平均。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，重復(fù)步驟提供所述第一化學(xué)物種與所述第二化學(xué)物種之間的交換比率的時(shí)間解析測(cè)量或空間編碼。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一頂錐角具有30°或更大的第一頂錐角。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二頂錐角基本保存所述第一化學(xué)物種和所述第二化學(xué)物種的總交換池，并且具有小于30°的第二頂錐角。
9.一種在物理上編碼一個(gè)或多個(gè)可執(zhí)行例程的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，所述一個(gè)或多個(gè)可執(zhí)行例程在被運(yùn)行時(shí)引起執(zhí)行包括下列的動(dòng)作: 生成有選擇地激勵(lì)第一化學(xué)物種的第一 RF激勵(lì)脈沖，其中第一頂錐角相對(duì)于第二頂錐角增加所述第一化學(xué)物種的信噪比； 基于響應(yīng)所述第一 RF激勵(lì)脈沖而生成的共振信號(hào)來(lái)量化所述第一化學(xué)物種； 在所述第一化學(xué)物種與第二化學(xué)物種之間的平衡條件下，以所述第二頂錐角來(lái)生成至少激勵(lì)所述第二化學(xué)物種的第二 RF激勵(lì)脈沖，其中所述第二頂錐角基本保存所述第一化學(xué)物種和所述第二化學(xué)物種的總交換池； 基于響應(yīng)所述第二 RF激勵(lì)脈沖而生成的共振信號(hào)來(lái)量化所述第二化學(xué)物種； 將生成所述第一 RF激勵(lì)脈沖、量化所述第一化學(xué)物種、生成所述第二 RF激勵(lì)脈沖并且量化所述第二化學(xué)物種的步驟重復(fù)進(jìn)行設(shè)定的重復(fù)次數(shù)；以及 得到交換中的所述第一化學(xué)物種與所述第二化學(xué)物種的比率，校正所述第一頂錐角和所述第二頂錐角的差別效應(yīng)。
10.如權(quán)利要求9所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其中，交織所述第一RF激勵(lì)脈沖和所述第二 RF激勵(lì)脈沖。
11.如權(quán)利要求9所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其中，使用多頻帶RF脈沖同時(shí)生成所述第一RF激勵(lì)脈沖和所述第二 RF激勵(lì)脈沖。
12.如權(quán)利要求9所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其中，所述一個(gè)或多個(gè)可執(zhí)行例程在被運(yùn)行時(shí)還引起執(zhí)行包括下列的動(dòng)作: 基于所述比率來(lái)確定pH。
13.如權(quán)利要求9所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其中，重復(fù)動(dòng)作對(duì)于對(duì)所述第一化學(xué)物種所獲取的共振信號(hào)求平均。
14.如權(quán)利要求9所述的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其中，重復(fù)動(dòng)作提供所述第一化學(xué)物種與所述第二化學(xué)物種之間的交換比率的時(shí)間或空間解析測(cè)量。
15.—種磁共振波譜系統(tǒng),包括: 主磁場(chǎng)線圈，配置成生成體積中的主磁場(chǎng)； 射頻(RF)線圈，配置成生成RF脈沖； 一個(gè)或多個(gè)控制電路，用于控制所述主磁場(chǎng)線圈和所述RF線圈的操作； 存儲(chǔ)指令的存儲(chǔ)器，所述指令將要由所述一個(gè)或多個(gè)控制電路運(yùn)行以用于實(shí)現(xiàn)脈沖序列，其中所述脈沖序列在被運(yùn)行時(shí)造成:生成有選擇地激勵(lì)第一化學(xué)物種并且具有相對(duì)于第二頂錐角來(lái)增加所述第一化學(xué)物種的信噪比的第一 RF激勵(lì)脈沖；在所述第一化學(xué)物種與第二化學(xué)物種之間的平衡條件下，以所述第二頂錐角來(lái)生成至少激勵(lì)所述第二化學(xué)物種的第二RF激勵(lì)脈沖；將生 成所述第一RF激勵(lì)脈沖和生成所述第二RF激勵(lì)脈沖的動(dòng)作重復(fù)進(jìn)行設(shè)定的重復(fù)次數(shù)。
16.如權(quán)利要求15所述的磁共振波譜系統(tǒng)，其中，所述RF線圈還配置成用作檢測(cè)響應(yīng)所述RF脈沖而生成的共振信號(hào)的接收線圈。
17.如權(quán)利要求15所述的磁共振波譜系統(tǒng)，包括檢測(cè)響應(yīng)所述RF脈沖而生成的共振信號(hào)的獨(dú)立接收線圈。
18.如權(quán)利要求15所述的磁共振波譜系統(tǒng)，其中，交織所述第一RF激勵(lì)脈沖和所述第二 RF激勵(lì)脈沖。
19.如權(quán)利要求15所述的磁共振波譜系統(tǒng)，其中，使用多頻帶RF脈沖同時(shí)生成所述第一 RF激勵(lì)脈沖和所述第二 RF激勵(lì)脈沖。
20.如權(quán)利要求15所述的磁共振波譜系統(tǒng)，其中，所述存儲(chǔ)器還存儲(chǔ)指令，所述指令將要由所述一個(gè)或多個(gè)控制電路所運(yùn)行以用于基于所述第一頂錐角和所述第二頂錐角的差別效應(yīng)來(lái)確定交換中的所述第一化學(xué)物種和所述第二化學(xué)物種的比率。
全文摘要
一種使用磁共振波譜系統(tǒng)的化學(xué)平衡比的測(cè)量。本發(fā)明論述選擇性RF激勵(lì)的使用。波譜選擇性大頂錐角RF脈沖用于檢測(cè)來(lái)自第一化學(xué)物種的弱信號(hào)。非選擇性小頂錐角脈沖用于測(cè)量來(lái)自與第一化學(xué)物種交換的第二化學(xué)物種的信號(hào)。所獲取共振數(shù)據(jù)供給可用于測(cè)量交換中的波譜上不同的物種的比率。
文檔編號(hào)A61B5/055GK103156609SQ20121055311
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者A.P-F.陳, R.E.赫德 申請(qǐng)人:通用電氣公司