專利名稱：使用磁化傳遞磁共振成像量化血量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
以下涉及用于量化血量的無創(chuàng)性技術(shù)。它特別應(yīng)用于通過磁共振成像技術(shù)來量化微脈管血量。
背景技術(shù)：
按照慣例，使用有創(chuàng)和無創(chuàng)性技術(shù)來測量血量。有創(chuàng)技術(shù)包括正電子發(fā)射體層攝影(PET)，動態(tài)對比磁共振成像(DC MRI)，動態(tài)敏感度對比MRI(DSC MRI)，近紅外光譜法(NIRS)，和光學(xué)成像。典型的PET技術(shù)基于放射性化合物的引入，例如通過一條動脈管路，或者基于C-11或O-15一氧化碳的吸入。MRI技術(shù)通常利用外源性造影劑(例如釓-二乙烯五胺乙酸(Gadolinium diethylenetriamine pentacetic acid Gd-DTPA)，單晶氧化鐵納米微粒MION)，以及用于造影劑注射/輸注的靜脈導(dǎo)管。
一種無創(chuàng)性方法使用血液信號的置零(nulling)來測量血量改變。該方法被稱為脈管空間占用(vascular space occupancy VASO)。VASO技術(shù)平衡血液和組織之間的縱向弛豫時間T1的差異，并且使用合適的反向恢復(fù)時間分出血液貢獻至實質(zhì)磁共振(MR)信號。另一無創(chuàng)性方法是血氧水平依賴(BOLD)功能性MRI(fMRI)。BOLD fMRI取決于血量，血液弛豫時間R2等，并且原則上可以用于確定血量。例如，BOLD fMRI潛在地可以用于通過涉及低氧、高碳酸血癥等確定的程序測量血量。然而，BOLD效應(yīng)取決于許多生理參數(shù)，這些參數(shù)提供對許多內(nèi)在假設(shè)和校準敏感的導(dǎo)出血量改變。
鑒于傳統(tǒng)血量量化技術(shù)的前述缺陷，對改進的無創(chuàng)性血量量化技術(shù)存在未解決的需要。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于通過磁化傳遞(MT)效應(yīng)實質(zhì)中血量成像的磁共振方法，包括確定實質(zhì)的MT效應(yīng)，由純組織和微脈管血液組成，確定純組織中的MT效應(yīng)，和基于實質(zhì)的MT效應(yīng)和組織的MT效應(yīng)之間的差異量化實質(zhì)血量。
一個優(yōu)點包括確定血量。
另一優(yōu)點在于通過磁化傳遞率(MTRs)確定實質(zhì)血量。
另一優(yōu)點在于通過MRI掃描確定血量。
另一優(yōu)點在于不使用造影劑計算血量。
另一優(yōu)點在于使用有限假設(shè)計算血量。
另一優(yōu)點在于定量地和無創(chuàng)性地測量血量。
仍有進一步的優(yōu)點，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，依據(jù)閱讀和理解優(yōu)選實施方式的具體描述將是很明顯的。


附圖僅僅是為了示出工作實施方式的目的，并且不應(yīng)當(dāng)被理解成限制本發(fā)明。
圖1示出了典型的磁共振成像掃描器，用于促進通過磁化傳遞(MT)性質(zhì)確定血量的。
圖2示出了通過MT效應(yīng)確定血量的方法。
圖3示出了通過磁化傳遞率(MTRs)確定血量的方法。
圖4示出了通過生理干擾確定血量效應(yīng)的方法。
圖5示出了在不同動脈PCO2含量下的窄飽和偏移頻率范圍的z光譜。
圖6示出了在不同動脈PCO2含量下的寬飽和偏移頻率范圍的z光譜。
圖7示出了在缺乏射頻(RF)輻射的情況下，信號強度對動脈PCO2改變的信號強度BOLD型響應(yīng)。
圖8-10示出了在存在RF輻射的情況下，對動脈PCO2改變的信號強度BOLD型響應(yīng)。
圖11-16示出了作為動脈PCO2值的函數(shù)，被規(guī)范化為相應(yīng)不飽和情況的基于MT的信號強度。
圖17-23示出了BOLD型信號強度的在若干飽和偏移的動脈PCO2依賴度，該依賴度被規(guī)范化關(guān)于血碳酸正常。
圖24-27示出了作為動脈PCO2含量的函數(shù)，基于MT的信號強度的在四個大偏移處的結(jié)果。
圖28-31示出了作為動脈PCO2含量的函數(shù)，基于BOLD的信號強度的在四個大偏移處的結(jié)果。
具體實施例方式
圖1示出了典型的磁共振成像掃描器2，用于促進通過磁化傳遞(MT)性質(zhì)確定血量。通過結(jié)合傳統(tǒng)的MRI掃描技術(shù)，并使用組織信號基于MT的大幅降低，能夠獲得絕對的血量圖，該組織信號是關(guān)于血液信號的，用于在所有組織中無創(chuàng)性地確定絕對的和相對的血量效應(yīng)。
掃描器2包括掃描器外殼4。主體6(或其他主體)至少部分地布置在外殼4的孔8內(nèi)用于一個或多個掃描程序。磁體10位于掃描器外殼4中。典型地，磁體10是由低溫護罩(cryoshrouding)12圍繞的超導(dǎo)永磁體。然而，也可以利用其他已知的磁體。磁體10在主體6中產(chǎn)生磁場(B0)。典型的磁場強度大約為0.5特斯拉，1.0特斯拉，1.5特斯拉，3特斯拉或以上(例如大約7特斯拉)。
磁場梯度線圈14被布置在外殼4之中和/或之上，從而將選擇磁場梯度疊加在B0上。磁場梯度線圈14典型地包括用于產(chǎn)生正交磁場梯度的線圈。例如，這些線圈可以在笛卡爾平面中產(chǎn)生梯度，例如x，y和/或z梯度。一個或多個射頻(RF)線圈位于掃描器2的孔中以發(fā)射射頻激發(fā)脈沖(B1)和測量磁共振信號。如圖所示，整體線圈16圍繞主體6在孔10中的部分，并且任選地，頭RF線圈18圍繞主體6的頭部。
為了數(shù)據(jù)獲得，RF源2通過RF轉(zhuǎn)換開關(guān)22耦合到線圈16和/或18，從而將射頻激發(fā)脈沖發(fā)射到成像區(qū)域中。RF轉(zhuǎn)換開關(guān)22通過MR信號感測電路(未示出)接收來自主體6的MR信號。磁場梯度控制器24操作磁場梯度線圈14以在空間上編碼該磁共振。例如，在RF激發(fā)期間施加的一維磁場梯度產(chǎn)生切片選擇性的激發(fā)；在磁共振的激發(fā)和讀出之間施加的磁場梯度提供相位編碼；并且在磁共振的讀出期間施加的磁場梯度提供頻率編碼。磁共振成像脈沖序列可以被配置成產(chǎn)生笛卡爾、徑向、螺旋或其他空間編碼。
在讀出相位期間，轉(zhuǎn)換開關(guān)22從線圈16和/或18與RF源20斷開連接，并且將RF接收器24連接到線圈16和/或18，從而從主體6獲得空間編碼磁共振。被獲得的磁共振存儲在數(shù)據(jù)緩沖器26中，并且隨后由處理部件28處理以產(chǎn)生一個或多個圖像。無MT的傳統(tǒng)圖像存儲在存儲部件30中。帶有MT預(yù)備序列的圖像存儲在存儲部件30中。任選地，也可以產(chǎn)生和存儲帶有不同程度MT或不同組織/血液相對貢獻的附加圖像。處理部件28利用各種重建算法，這些算法適當(dāng)?shù)鼐幋a空間編碼磁共振。例如，如果利用笛卡爾編碼，典型地使用兩維或三維快速傅立葉變換(FFT)重建算法。
血量處理器32分析帶有不同MT編碼或不同相對組織/血液貢獻的圖像的相應(yīng)體素(voxel)，并且產(chǎn)生每個的血量值。全體地，每個體素的血量值構(gòu)成血量圖像。重建圖像被顯示在用戶界面34或另一顯示設(shè)備上，被打印，在網(wǎng)絡(luò)(例如因特網(wǎng)，局域網(wǎng)(LAN)…)上被傳送，被存儲在存儲介質(zhì)中，和/或另外被使用。用戶界面34也允許操作者通過將指令傳送到掃描控制器36，來控制該磁共振成像掃描器2。
MRI掃描器2也用于方便從通過主體6的MRI掃描收集的數(shù)據(jù)確定血量。對于這樣的程序，用戶配置MRI掃描協(xié)議以引起磁化傳遞(MT)效應(yīng)。該配置包括設(shè)置掃描器2以在主體6的掃描期間施加預(yù)備RF脈沖。用戶通過選擇選項和輸入?yún)?shù)值或裝載系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)通過用戶界面34來配置掃描程序。
作為脈沖的結(jié)果，MR信號被減小了。特別地，與主體6的相對固體組分有關(guān)的MR信號被MT脈沖減小的程度，大于與主體6的較少固體組分有關(guān)的MR信號。結(jié)果，與組織有關(guān)的MT效應(yīng)遠遠大于與血液有關(guān)的MT效應(yīng)。微脈管血液的容量從組織和血液上的共同MT效應(yīng)以及單獨組織上的MT效應(yīng)的測量導(dǎo)出。血液和組織兩者上的MT效應(yīng)可以通過傳統(tǒng)的MRI掃描技術(shù)獲得。僅僅組織上的MT效應(yīng)可以通過血液置零技術(shù)獲得，例如VASO方法。MT效應(yīng)可以通過改變脈沖數(shù)量，脈沖的長度和/或強度，或脈沖的偏移而改變。
通過用戶界面34，用戶通過將控制信號發(fā)送到掃描控制器36開始掃描。主體6被掃描，并且數(shù)據(jù)如上面所總結(jié)的那樣被收集，并且在下面更具體地被描述。血量處理器32接收和處理MR信號。在合成圖像(resultantimages)中，每個體素與代表其血液含量的灰度級有關(guān)。
在一個例子中，血量處理器32基于實質(zhì)和組織的MT效應(yīng)確定血量。使用該方法，處理部件32通過實質(zhì)的MR信號，確定實質(zhì)的MT性質(zhì)，一個實質(zhì)的MR信號是在存在偏共振RF輻射的情況下獲得的，一個實質(zhì)MR信號是在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得的。血量處理器32通過組織的MR信號，確定組織的MT性質(zhì)，一個組織的MR信號是在存在偏共振RF輻射的情況下獲得的，和一個組織的MR信號是在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得的。血量處理器32通過實質(zhì)的MT性質(zhì)和組織的MT性質(zhì)之間的差異來量化實質(zhì)血量。附加地和備選地，處理部件32確定實質(zhì)中的血量效應(yīng)和組織中的血量效應(yīng)，并且從那里量化血量改變效應(yīng)。結(jié)果血量和/或血量改變效應(yīng)在用戶界面34上被顯示給用戶，被存儲在存儲部件30中，和/或另外被使用。
例如通過在存在偏共振RF輻射的情況下獲得的血液MR信號，和在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得的血液MR信號，處理部件32另外確定血液的MT性質(zhì)。血量處理器32基于實質(zhì)、組織和血液的MT性質(zhì)來量化實質(zhì)血量。處理部件32也可以確定血液中的血量效應(yīng)，和從實質(zhì)、組織和血液中的血量效應(yīng)來量化血量改變效應(yīng)。結(jié)果血量和/或血量改變效應(yīng)在用戶界面34上被顯示給用戶，被存儲在存儲部件30中，和/或另外被使用。
在另一例子中，血量處理器32通過磁化傳遞率(MTRs)確定血量。血量處理器32通過各種算法計算血量。合適的算法包括如下Vpar(1-MTRpar/MTRtissue)，其中Vpar是總實質(zhì)水容量，MTRpar是實質(zhì)的磁化傳遞率，MTRtissue是組織的磁化傳遞率。血量處理器32將MTRpar計算為在存在偏共振RF輻射的情況下實質(zhì)的MR信號與在缺乏偏共振RF輻射的情況下實質(zhì)的MR信號的比率。類似地，血量處理器32將MTRtissue計算為在存在偏共振RF輻射的情況下組織的MR信號與在缺乏偏共振RF輻射的情況下組織的MR信號的比率。典型地，相同的偏共振RF輻射頻率、功率、脈沖長度和脈沖數(shù)量用于確定MTRpar和MTRtissue兩者。結(jié)果血量在用戶界面34上被顯示給用戶，被存儲在存儲器中，和/或另外被使用。
血液的磁化傳遞率MTRblood也被確定。血量處理器32將MTRblood計算為在存在偏共振RF輻射的情況下血液的MR信號與在缺乏偏共振RF輻射的情況下血液的MR信號的比率。血量處理器32基于MTRpar，MTRtissue和MTRblood計算血量。例如，至少部分基于下列量化血量MTRpar＝MTRtissue-(MTRtissue-MTRblood)(BV/Vpar)。典型地，用于確定MTRpar和MTRtissue的偏共振RF輻射頻率、功率、脈沖長度和脈沖數(shù)量也用于確定MTRblood。
在又一例子中，血量處理器32基于在有和無影響血量的生理干擾的情況下獲得的數(shù)據(jù)確定實質(zhì)中的血量改變效應(yīng)?？梢栽跓o任何干擾的情況下執(zhí)行掃描程序以通過無干擾的MT效應(yīng)獲得數(shù)據(jù)。也可以在有干擾的情況下執(zhí)行掃描程序以通過有干擾的MT效應(yīng)獲得數(shù)據(jù)。血量處理器32計算有和無干擾的數(shù)據(jù)之間的差異，并且通過MT效應(yīng)的改變量化血量改變效應(yīng)。合適的干擾包括CO2呼吸，屏氣，換氣過度，腦激活，吸入和/或攝取適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)品，和/或影響血量的其他干擾。備選地，光譜裝置或類似裝置可以用于基于在有和無這種干擾的情況下獲得的數(shù)據(jù)來確定血量。
血量處理器32也確定實質(zhì)中的血量改變效應(yīng)。例如，血量處理器32在存在偏共振射頻(RF)輻射的情況下獲得實質(zhì)的MR信號，并且在缺乏偏RF輻射的情況下獲得實質(zhì)的MR信號。血量處理器32然后基于MR實質(zhì)信號確定實質(zhì)的MT。
通過成像技術(shù)，例如自旋回波，梯度回波，和/或受激回波來獲得MR信號，該MR信號通過處理部件32使用從而量化血量和/或測量MT效應(yīng)中的改變。
圖2示出了通過MT效應(yīng)確定血量(絕對和相對)的方法38。引起MT效應(yīng)的合適技術(shù)(例如MRI，光譜法…)用于確定實質(zhì)的MT性質(zhì)。這樣一種技術(shù)包括在存在和缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得每個體素的磁共振(MR)信號。在參考數(shù)字40處，獲得存在偏共振RF輻射中的一個實質(zhì)MR信號。在42處，獲得缺乏偏共振RF輻射中的一個實質(zhì)MR信號。
引起MT效應(yīng)的合適技術(shù)用于確定組織(例如純血管外組織)的性質(zhì)。在參考數(shù)字44處，執(zhí)行血液置零MR脈沖序列或另一種血液置零方法(例如使用造影劑)。在46處，在存在偏共振RF輻射的情況下獲得組織的MR信號。在48處，在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得組織的MR信號。血液置零MR脈沖序列包括從血液去除MRI信號的任何MRI方法或其他方法。例子包括但不限于下列中的至少一個施加180度反向RF脈沖，之后是特定反向恢復(fù)時間，在特定磁場強度下，基于血水的校正T1，所述特定反向恢復(fù)時間能夠使血液磁共振信號置零；在獲得之前的磁化演化期間，施加強的相干的基于流動的和非相干的基于擴散的去相位梯度；在流入到關(guān)心的切片中之前激發(fā)和血液中去相位水質(zhì)子；和加入試劑(例如松弛劑)以去除血液的水信號。
在參考數(shù)字50處，基于實質(zhì)的MT性質(zhì)和組織的MT的性質(zhì)來量化實質(zhì)血量。例如，可以從實質(zhì)的MR信號和組織的MR信號之間的差異計算實質(zhì)血量。該血量表示微脈管血量。
在備選實施方式中，血液中的MT效應(yīng)也被獲得。用于確定血液中的MT效應(yīng)的合適技術(shù)包括，在存在偏共振RF輻射的情況下獲得血液的MR信號，和在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得血液的MR信號。MR信號是體內(nèi)隔離血液信號和來自保持在生理條件下的血液模型的血液信號中的一種。然后基于實質(zhì)的MT性質(zhì)、組織的MT性質(zhì)和血液的MT性質(zhì)量化實質(zhì)血量。
圖3示出了通過磁化傳遞率(MTRs)確定血量(絕對和相對)的方法52。在54處，確定實質(zhì)的磁化傳遞率MTRpar。用于確定MTRpar的合適技術(shù)包括在存在偏共振RF輻射的情況下獲得實質(zhì)的MR信號；在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得實質(zhì)的MR信號；和將實質(zhì)的MTR計算為在存在偏共振RF輻射的情況下實質(zhì)的MR信號與在缺乏偏共振RF輻射的情況下實質(zhì)的MR信號的比率。
在參考數(shù)字56，確定組織的磁化傳遞率MTRtissue。用于確定MTRtissue的合適方法包括執(zhí)行血液置零MR脈沖序列或使MR血液信號置零的任何其他方法；在存在偏共振RF輻射的情況下獲得組織的MR信號；在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得組織的MR信號；和將組織的MTR計算為在存在偏共振RF輻射的情況下組織的MR信號與在缺乏偏共振RF輻射的情況下組織的MR信號的比率。典型地，相同功率、長度和脈沖數(shù)量的相同偏共振RF輻射頻率用于確定MTRpar和MTRtissue兩者。血液置零MR脈沖序列包括任何MRI方法或其他方法，以如前所述從血液去除MRI信號。
在參考數(shù)字58，基于MTRpar和MTRtissue之間的關(guān)系來量化實質(zhì)血量。例如，可以至少部分基于下列來量化血量BV＝Vpar(1-MTRpar/MTRtissue)，其中Vpar是總實質(zhì)水容量?？梢詡溥x地通過作為射頻功率、偏移、角度、相位和長度和/或脈沖數(shù)量中的至少一個的函數(shù)改變組織和/或?qū)嵸|(zhì)的MTR而獲得血量。
也可以獲得血液的磁化傳遞率MTRblood。用于確定MTRblood的合適技術(shù)包括在存在偏共振RF輻射的情況下獲得血液的MR信號；在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得血液的MR信號；和使用在存在偏共振RF輻射的情況下血液的MR信號和在缺乏偏共振RF輻射的情況下血液的MR信號計算血液的MTR?；贛TRpar，MTRtissue和MTRblood來量化實質(zhì)血量。例如可以至少部分基于下列量化血量MTRpar＝MTRtissue-(MTRtissue-MTRblood)(BV/Vpar)。
圖4示出了通過引入或抑制影響血量的生理干擾確定血量改變的方法60。合適的干擾包括CO2呼吸，屏氣，換氣過度，腦激活，吸入和/或攝入適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)品，和/或影響血量的其他干擾。在參考數(shù)字62，獲得與無干擾的MT效應(yīng)有關(guān)的信號。在64，獲得與有干擾的MT效應(yīng)有關(guān)的信號。在66，計算表示無干擾和有干擾的MT效應(yīng)的改變的信號之間的改變。用于確定實質(zhì)中的血量改變效應(yīng)的合適技術(shù)包括在存在偏共振射頻(RF)輻射的情況下獲得實質(zhì)的MR信號，在缺乏偏RF輻射的情況下獲得實質(zhì)的MR信號，和基于MR實質(zhì)信號確定實質(zhì)的MT。在參考數(shù)字68，所述改變用于量化實質(zhì)中的血量改變效應(yīng)。MRI系統(tǒng)、光譜裝置或類似裝置用于執(zhí)行這些行動和確定實質(zhì)中的血量改變效應(yīng)。
以下描述導(dǎo)出模型的典型技術(shù)，該模型作為組織中的MT信號衰減和實質(zhì)中的MT信號衰減的函數(shù)計算血量。應(yīng)當(dāng)理解的是以下被提供是為了說明而不是限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到其他技術(shù)可以用于導(dǎo)出作為組織、實質(zhì)、血液等中的MT信號衰減的函數(shù)計算血量的一個或多個其他模型。
實質(zhì)是身體中器官的功能部分(例如基本和特殊組織)。作為例子，腎的腎單位和肺的肺泡是實質(zhì)。實質(zhì)由微血管和血管外組織組成。微脈管系統(tǒng)包括微動脈，毛細血管和小靜脈，它們?nèi)看_定總血量。例如，可以通過BV＝∑iBVi計算總血量，其中血量在微動脈、毛細血管和小靜脈血液上被求和(例如i＝微動脈、毛細血管和小靜脈血液)。血管外組織由許多部分組成，包括組織水和半固態(tài)大分子。大分子具有數(shù)十kHz的光譜寬度。
通過由偏共振射頻(RF)場使寬大分子相(broad macromolecular phase)飽和，組織水的磁共振(MR)信號由于飽和從質(zhì)子的半固態(tài)池傳遞到水質(zhì)子而減小。該傳遞被稱為磁化傳遞(MT)效應(yīng)并且通常由磁化傳遞率MTR＝1-Ssat/Sunsat來描述，其中Ssat是飽和(有RF輻射)成像信號強度，Sunsat是不飽和(無RF輻射)成像信號強度。由于血液較少被偏共振輻射干擾，因此微脈管血液水對總的實質(zhì)MR信號的信號貢獻將增加，這取決于偏共振輻射功率、偏移、相位、長度、角度、脈沖數(shù)量以及其他MR和組織參數(shù)?？梢酝ㄟ^改變這些參數(shù)中的至少一個來測量血量。
使用MRI，水的測量信號強度反映多部分體素中的生理改變效應(yīng)。每個體素部分(例如組織，血液…)具有單個組織松弛和MT參數(shù)，并且每個部分的相對貢獻取決于體素的尺寸和位置以及該MRI獲得參數(shù)。對于同種輸注組織，例如實質(zhì)，作為回波時間(TE)的函數(shù)的規(guī)范化成像信號強度(Spar)是由方程1表達的多指數(shù)衰變過程
=xtissueηtissuee-R2,tissueTE+Σixblood,iηblood,ie-R2,blood,iTE,---1]]>其中xtissue是組織的水分數(shù)，Stissue是組織的成像信號強度，xblood是血液的水分數(shù)，Sblood是血液的成像信號強度，ηtissue是倍增因數(shù)或系數(shù)，R2是橫向松弛率，TE是回波時間，i是表示特定血液隔室的變量。血液隔室的總和在微動脈、毛細血管和小靜脈血液上求和(例如i＝微動脈、毛細血管和小靜脈)。血液水分數(shù)反映血量與實質(zhì)體積的比率BVi/Vpar。在生理干擾期間的總水含量是 其等于1。
由于在每次掃描結(jié)束時基本完全松弛(其中TR遠遠大于T1)，無MT的或不飽和的90-180度自旋回波(SE)獲得序列(Spar，unsat)由方程2表達Spar,unsat=xtissuee-R2,tissueTE+Σixblood,ie-R2,blood,iTE,---2]]>并且有MT的或飽和的90-180度SE獲得序列(Spar，sat)由方程3表達Spar,sat=xtissue(1-MTRtissue)e-R2,tissueTE+Σixblood,i(1-MTRblood,i)e-R2,blood,iTE,---3]]>其中(1-MTRtissue)是組織中的傳統(tǒng)MT信號衰減，并且(1-MTRblood)是血液中的傳統(tǒng)MT信號衰減。由于血液上的可忽略MT效應(yīng)(例如當(dāng)RF輻射遠離水共振時)，方程3由方程4表達Spar,sat=xtissue(1-MTRtissue)e-R2,tissueTE+Σixblood,ie-R2,blood,iTE]]>=(1-MTRtissue)(xtissuee-R2,tissueTE+Σixblood,ie-R2,blood,iTE)]]>+MTRtissueΣixblood,ie-R2,blood,iTE.---4]]>實質(zhì)的z光譜(被規(guī)范化為相應(yīng)不飽和情況的信號強度)由方程5表達
Spar,satSpar,unsat=(1-MTRpar)]]>=(1-MTRtissue)+MTRtissueΣxblood,ie-R2,blood,iTExtissuee-R2,tissueTE+Σxblood,ie-R2,blood,iTE,---5]]>其中(1-MTRpar)是實質(zhì)中的MT信號衰減。方程5的第二項描述由增加的血液信號貢獻導(dǎo)致的MR效應(yīng)的明顯減小(例如減小的MTRpar)。
方程5表示當(dāng)施加射頻時對信號增加的血量貢獻。實現(xiàn)絕對量化的一種方法是假設(shè)血液中可忽略的MT效應(yīng)或通過用體外技術(shù)測量血液MT，例如使用生理血液模型和其他血液松弛測量來說明有限的MT效應(yīng)。當(dāng)忽略血液MT時，使用長重復(fù)時間(TR)和很短的回波時間(TE)，利用實質(zhì)選擇法(例如通過使用足夠高的空間分辨率或通過使用生理范例和實質(zhì)功能MRI法)，方程5簡化為方程6(1-MTRpar)＝(1-MTRtissue)+MTRtissue(BV/Vpar)，6其中BV是血量，Vpar是總實質(zhì)水容量。方程6的參數(shù)和/或變量可以被重排以產(chǎn)生方程7MTRpar＝MTRtissue(1-BV/Vpar). 7或方程8BV＝Vpar(1-MTRpar/MTRtissue). 8方程7和方程8兩者都表明可以通過MTRpar和MTRtissue測量量化血量。通過傳統(tǒng)的MT技術(shù)測量MTRpar，并且通過諸如VASO法這樣的血液置零技術(shù)或諸如使用用于流動和/或擴散置零的梯度這樣的其他技術(shù)測量MTRtissue。備選地可以使用使血液水的MRI信號置零的其他MRI和/或化學(xué)/醫(yī)學(xué)方法。在更長的回波時間，使用有和無血液置零的方法測量組織和實質(zhì)的橫向松弛率。
MT和BOLD之間的相互作用提供了一種在體內(nèi)測量腦血量(CBV)的新穎方法。例如當(dāng)TE比較短時，方程7和8分別由9和10表達MTRpar＝MTRtissue(1-CBV/Vpar)，and 9CBV＝Vpar(1-MTRpar/MTRtissue)， 10其中CBV是腦血量。這也可以在除了腦之外的組織中進行(例如心臟等，在那里它可以是心肌血量(BV))。
以下進一步在BOLD型方法中量化生理調(diào)節(jié)效應(yīng)。關(guān)于正常生理狀態(tài)定義相對信號強度，并且假設(shè)在基于血液的生理改變期間不變的組織MTR，實質(zhì)的信號強度的比率可以由方程11表達Spar,satSpar,satnorm=(1-MTRtissue)xtissuee-R2,tissueTE+Σxblood,ie-R2,blood,iTExtissuenorm(1-MTRtissue)e-R2,bissuenormTE+Σxblood,inorme-R2,blood,inormTE]]>
當(dāng)被施加以量化BOLD效應(yīng)時，方程11中的第一項非常類似于(稍小于)傳統(tǒng)的SE BOLD效應(yīng)，并且第二部分描述RF飽和所引起的BOLD增強。在缺乏RF輻射的情況下，MTRtissue＝0，并且僅僅第一項保留。
如方程12中所示ΔSpar,satSpar,satnorm=(1-MTRtissue)(xtissuee-R2,tissueTE-xtissuenorme-R2,tissuenormTE)+Σ(xblood,ie-R2,blood,iTE-xblood,inorme-R2,blood,inormTE)xtissuenorm(1-MTRtissue)e-R2,tissuenormTE+Σxblood,inorme-R2,blood,inormTE,]]>Spar，sat/Spar，satnorm(MT BOLD加上傳統(tǒng)的SE BOLD)對生理改變(更大效應(yīng))的敏感程度比Spar，sat/Spar，unsat(僅有MT BOLD)更大。在飽和期間之后BOLD信號改變。飽和之后的組織貢獻(第一項)總是小于，或近似等于實質(zhì)中的標(biāo)準組織BOLD效應(yīng)，而血液BOLD貢獻總是增加(如果MTRtissue稍大于50％則大約加倍)。方程12表示MT和BOLD實驗的混合可以提供關(guān)于血量以及對BOLD效應(yīng)的血管內(nèi)貢獻的新信息。
圖5-6示出了證明這里所述的原理的實驗結(jié)果。圖5和6顯示了腦中獲得的z光譜(Spar，sat/Spar，unsat)，作為用于典型老鼠的七個動脈PCO2水平處窄(圖5)和寬(圖6)飽和偏移頻率的函數(shù)。用大約2μT的低RF功率生成數(shù)據(jù)。信號強度被規(guī)范化為相應(yīng)的不飽和情況。實質(zhì)的測量信號強度增加并且MTR隨著動脈PCO2的增加而減小。在3.5和5ppm的偏移處分別保留大約35％和45％的信號。z光譜表示PCO2依賴度并且關(guān)于水共振稍微不對稱，中心頻率在高磁場(低頻率)范圍內(nèi)。
圖7-10顯示了老鼠在缺乏(圖7)和存在(圖8-10)RF輻射的情況下信號強度對動脈PCO2改變的BOLD型響應(yīng)。動脈PCO2含量分別為25.2，43.6，53.7，34.3，80.7，125.0，和49.7mmHg。信號強度被規(guī)范化為第四種生理狀態(tài)(PaCO2＝34.3mmHg，pHa＝7.434)。當(dāng)使用BOLD型方法并且將所有偏移和不飽和情況的信號強度規(guī)范化為一個選擇的血碳酸正常水平(Spar，sat/Spar，satnorm)，信號強度具有類似的幅度范圍。在PCO2100mmHg的改變處，不飽和、無輻射信號強度(標(biāo)準SE BOLD效應(yīng))中存在大約7％的改變，但是在偏共振RF輻射(組合的MT BOLD和標(biāo)準SE BOLD效應(yīng))下信號強度的增加幅度高達大約15％。這是由于血液信號的貢獻增強。
圖11-16顯示了作為六只老鼠的動脈PCO2值的函數(shù)被規(guī)范化為相應(yīng)不飽和情況的基于MT的信號強度，圖17-23描述了關(guān)于血碳酸正常被規(guī)范化的BOLD型信號強度(Spar，sat/Spar，satnorm)在若干飽和偏移處的動脈PCO2依賴度。所有圖中的實線是用理論擬合的結(jié)果。使用Spar，sat/Spar，unsat-PaCO2數(shù)據(jù)和CBVnorm＝4.6ml血液/100g腦，擬合的(1-MTRtissue)在5，3.5，-3.5，和-5ppm的偏移處分別為0.418，0.334，0.326，和0.387?；谶@些擬合的(1-MTRtissue)值，然后從Spar，sat/Spar，satnorm-PaCO2數(shù)據(jù)獲得CBVnorm＝3.9ml血液/100g腦。假設(shè)在飽和時可忽略的血液信號強度衰減。
虛線對應(yīng)于近似線性擬合。表1列出了這些偏移的擬合斜率值，表明了正負偏移側(cè)具有非常類似的PaCO2依賴度。對于100mmHg的動脈PCO2增加，Spar，sat/Spar，unsat增加大約2-3％，而Spar，sat/Spar，satnorm增加大約11-15％。MT調(diào)節(jié)BOLD效應(yīng)的斜率值大約比對應(yīng)于共同SE BOLD效應(yīng)的不飽和信號強度的那些值大兩倍。

表1.作為六只老鼠的動脈PCO2的函數(shù)線性擬合到百分比信號強度(規(guī)范化為不飽和情況和每個動物的血碳酸正常狀態(tài))的斜率值。單位是％/mmHg。
每個老鼠的參考狀態(tài)在表2中。每個老鼠有3或4個血碳酸正常狀態(tài)。根據(jù)PaCO2(～35mmHg)和pHa(～7.4)選擇參考狀態(tài)。當(dāng)兩個或以上狀態(tài)滿足標(biāo)準時選擇第一狀態(tài)。

表2.六只老鼠的選擇參考狀態(tài)的生理參數(shù)。
即使使用相對弱的RF輻射，直接飽和效應(yīng)基本上在4.7ppm的水峰左右，其在偏移增加時逐漸減小。獲得六只動物中的兩只的若干附加的大偏移以顯示在更寬偏移的效應(yīng)。圖24-31顯示了作為動脈PCO2水平的函數(shù)基于BOLD信號強度的結(jié)果。特別地，圖24-27對應(yīng)于不飽和情況，圖28-31對應(yīng)于兩只老鼠在四個大偏移下作為動脈PCO2值的函數(shù)的一種血碳酸正常狀態(tài)。參考狀態(tài)在表1中。
已經(jīng)參考優(yōu)選實施方式描述了本發(fā)明。他人可以依據(jù)閱讀和理解前面的具體描述進行改進和變化。本發(fā)明意圖是被理解成包括在后附權(quán)利要求及其等效替換的范圍內(nèi)的所有這樣的改進和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于通過磁化傳遞(MT)效應(yīng)量化實質(zhì)中血量的磁共振(MR)方法，包括確定實質(zhì)中的MT效應(yīng)；確定組織中的MT效應(yīng)；和基于實質(zhì)的MT效應(yīng)和組織的MT效應(yīng)量化實質(zhì)的血量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中實質(zhì)血量表示微脈管血量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中確定實質(zhì)的MT包括在存在偏共振射頻(RF)輻射的情況下獲得實質(zhì)的MR信號；在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得實質(zhì)的MR信號；和基于實質(zhì)MR信號確定實質(zhì)的MT。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中確定組織的MT包括執(zhí)行血液置零(blood-nulling)MR脈沖序列；在存在偏共振RF輻射的情況下獲得組織的MR信號；在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得組織的MR信號；和基于該組織的MR信號確定組織的MT。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中執(zhí)行血液置零MR脈沖序列包括下列中的至少一個施加180度反向射頻脈沖，之后是反向恢復(fù)時間，所述反向恢復(fù)時間在特定磁場強度下基于血液水的校正T1使血液MR信號置零；在獲得之前的磁化演化期間，施加強的相干的基于流動和非相干的基于擴散中一個的去相位梯度；在流入到關(guān)心的切片中之前激發(fā)和去相位血液中的水質(zhì)子；和使血液的MR信號置零。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中使血液的MR信號置零包括加入松弛劑以去除血液的水信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括確定血液中的MT效應(yīng)；和基于實質(zhì)的MT效應(yīng)、組織的MT效應(yīng)和血液的MT效應(yīng)量化實質(zhì)血量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中確定血液的MT包括在存在偏共振RF輻射的情況下獲得血液的MR信號；在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得血液的MR信號；和基于血液MR信號確定血液的MT。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中血液MR信號是下列中的一種體內(nèi)隔離的血液信號，和來自保持在生理條件下的血液模型的血信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括確定實質(zhì)中的MTR；確定組織的MTR；和基于實質(zhì)的MTR和組織的MTR量化實質(zhì)血量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中基于實質(zhì)的MTR和組織的MTR量化實質(zhì)血量包括通過下式計算血量MTRpar＝MTRtissue(1-BV/Vpar)，其中MTRpar是實質(zhì)的磁化傳遞率，MTRtissue是組織的磁化傳遞率，BV是血量，Vpar是總實質(zhì)水容量。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中量化實質(zhì)血量包括確定實質(zhì)的MTR和組織的MTR之間的差異。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中確定實質(zhì)的MTR包括在存在偏共振RF輻射的情況下獲得實質(zhì)的MR信號；在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得實質(zhì)的MR信號；和使用在存在偏共振RF輻射的情況下實質(zhì)的MR信號和在缺乏偏共振RF輻射的情況下實質(zhì)的MR信號來計算實質(zhì)的MTR。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中確定組織的MTR包括執(zhí)行血液置零MR脈沖序列；在存在偏共振RF輻射的情況下獲得組織的MR信號；在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得組織的MR信號；和使用在存在偏共振RF輻射的情況下組織的MR信號和在缺乏偏共振RF輻射的情況下組織的MR信號來計算組織的MTR。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中執(zhí)行血液置零MR脈沖序列包括下列中的至少一個施加180度反向射頻脈沖，之后是反向恢復(fù)時間，該反向恢復(fù)時間在特定磁場強度下基于血液水的校正T1使血液MR信號置零；在獲得之前的磁化演化期間，施加強的相干的基于流動和非相干的基于擴散中的一個的去相位梯度；在流入到關(guān)心的切片中之前激發(fā)和去相位血液中的水質(zhì)子；和使血液的MR信號置零。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中使血液的MR信號置零包括加入松弛劑以去除血液的水信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中作為等效偏共振射頻輻射頻率的函數(shù)確定實質(zhì)的MTR和組織的MTR。
18.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中確定實質(zhì)血量包括作為射頻功率、偏移、角度、長度、相位和脈沖數(shù)量中的至少一個的函數(shù)改變實質(zhì)的MTR和組織的MTR中的一個或多個。
19.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，進一步包括確定血液的MTR；和基于實質(zhì)的MTR、組織的MTR和血液的MTR量化實質(zhì)血量。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中基于實質(zhì)的MTR、組織的MTR和血液的MTR量化實質(zhì)血量包括通過下式計算血量MTRpar＝MTRtissue-(MTRtissue-MTRblood)(BV/Vpar)其中MTRpar是實質(zhì)的磁化傳遞率，MTRtissue是組織的磁化傳遞率，MTRblood是血液的磁化傳遞率，BV是血量，和Vpar是總實質(zhì)水容量。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中確定血液的MTR包括在存在偏共振RF輻射的情況下獲得血液的MR信號；在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得血液的MR信號；和使用在存在偏共振RF輻射的情況下血液的MR信號和在缺乏偏共振RF輻射的情況下血液的MR信號來計算血液的MTR。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中作為等效偏共振射頻輻射頻率的函數(shù)確定實質(zhì)的MTR、組織的MTR和血液的MTR。
23.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中確定實質(zhì)血量包括作為射頻功率、偏移、角度、長度、相位和脈沖數(shù)量中的至少一個的函數(shù)改變實質(zhì)的MTR、組織的MTR和血液的MTR中的一個或多個。
24.執(zhí)行權(quán)利要求1的方法的MRI系統(tǒng)和光譜裝置中的至少一個。
25.一種MRI系統(tǒng)，包括在檢查區(qū)中產(chǎn)生磁場(B0)的磁體(10)；在B0上疊加磁場梯度的梯度線圈(14)；在掃描期間引入RF脈沖以引起MT效應(yīng)的RF線圈(16，18)；控制梯度線圈(14)和RF線圈(16，18)以執(zhí)行磁化傳遞(MT)成像序列的掃描控制器(36)；和接收MR信號和基于MR信號量化血量的處理部件(32)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的MRI系統(tǒng)，其中處理部件(32)被編程為確定實質(zhì)中的MT效應(yīng)；確定組織中的MT效應(yīng)；和基于實質(zhì)的MT效應(yīng)和組織的MT效應(yīng)量化實質(zhì)血量。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的MRI系統(tǒng)，其中處理部件(32)進一步被編程為確定血液中的MT效應(yīng)；和基于實質(zhì)的MT效應(yīng)、組織的MT效應(yīng)和血液的MT效應(yīng)量化實質(zhì)血量。
28.根據(jù)權(quán)利要求25的MRI系統(tǒng)，其中處理部件(32)被編程為確定實質(zhì)中的MTR；確定組織的MTR；和基于實質(zhì)的MTR和組織的MTR量化實質(zhì)血量。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的MRI系統(tǒng)，其中處理部件(32)基于以下算法量化血量MTRpar＝MTRtissue(1-BV/Vpar)，其中MTRpar是實質(zhì)的磁化傳遞率，MTRtissue是組織的磁化傳遞率，BV是血量，Vpar是總實質(zhì)水容量。
30.根據(jù)權(quán)利要求28的MRI系統(tǒng)，其中處理部件(32)進一步被編程為確定血液的MTR；和基于實質(zhì)的MTR、組織的MTR和血液的MTR量化實質(zhì)血量。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的MRI系統(tǒng)，其中處理部件(32)基于以下算法量化血量MTRpar＝MTRtissue-(MTRtissue-MTRblood)(BV/Vpar)其中MTRpar是實質(zhì)的磁化傳遞率，MTRtissue是組織的磁化傳遞率，MTRblood是血液的磁化傳遞率，BV是血量，和Vpar是總實質(zhì)水容量。
32.根據(jù)權(quán)利要求25的MRI系統(tǒng)，其中處理部件(32)為可忽略或不可忽略的血液中的MT效應(yīng)量化血量。
33.根據(jù)權(quán)利要求25的MRI系統(tǒng)，其中處理部件(32)基于從成像技術(shù)獲得的MR信號量化血量，該成像技術(shù)包括下列中的一個或多個自旋回波，梯度回波，和受激回波。
34.一種使用MT成像序列在生理干擾期間量化實質(zhì)中的血量改變效應(yīng)的MR方法包括確定無干擾的MT效應(yīng)；確定有干擾的MT效應(yīng)；和使用無干擾的MT效應(yīng)和有干擾的MT效應(yīng)之間的差異計算血量改變效應(yīng)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，進一步包括通過下列中的至少一個引入干擾CO2呼吸，屏氣，換氣過度，腦激活，吸入化學(xué)品，和攝入的化學(xué)品。
36.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中確定實質(zhì)中的MT效應(yīng)包括在存在偏共振射頻(RF)輻射的情況下獲得實質(zhì)的MR信號；在缺乏偏共振RF輻射的情況下獲得實質(zhì)的MR信號；和基于實質(zhì)MR信號確定實質(zhì)的MT。
37.執(zhí)行權(quán)利要求34的方法的MRI系統(tǒng)和光譜裝置中的至少一個。
38.一種MRI系統(tǒng)，包括在檢查區(qū)中產(chǎn)生磁場(B0)的磁體(10)；在B0上疊加磁場梯度的梯度線圈(14)；在掃描期間引入RF脈沖以引起MT效應(yīng)的RF線圈(16，18)；控制梯度線圈(14)和RF線圈(16，18)以執(zhí)行磁化傳遞(MT)成像序列的掃描控制器(36)；和接收MR信號和基于MR信號量化血量改變效應(yīng)的處理部件(32)。
39.權(quán)利要求38的MRI系統(tǒng)被編程為在生理干擾期間確定實質(zhì)中的血量效應(yīng)。
全文摘要
一種通過磁化傳遞(MT)成像實質(zhì)中的血量的磁共振方法包括確定實質(zhì)的MT效應(yīng)；確定組織的MT效應(yīng)；和使用實質(zhì)的MT效應(yīng)和組織的MT效應(yīng)之間的差異量化實質(zhì)血量。在一個實施方式中，實質(zhì)血量通過下式量化MTR
文檔編號G01R33/48GK1960673SQ200580017839
公開日2007年5月9日 申請日期2005年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月1日
發(fā)明者彼得·C·M·范西爾, 周進元 申請人:彼得·C·M·范西爾, 周進元