用于mri的脈沖序列方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種用于磁共振(MR)和/或MR成像的方法，其包括采集源自導(dǎo)致信號衰減的各向同性擴(kuò)散加權(quán)的RF和梯度序列的信號和MR圖像，其中各向同性擴(kuò)散加權(quán)通過一個具有定向的時間相依的移相向量q(t)實現(xiàn)，其中該各向同性擴(kuò)散加權(quán)與擴(kuò)散張量D的軌跡成正比，且其中，該時間相依的移相向量q(t)的定向在梯度脈沖序列期間(0≤t≤回波時間，其中t代表時間)在總共三個以上方向上離散變化或連續(xù)改變，或者以離散和連續(xù)的組合方式改變。該方法可在單發(fā)(單MR激勵)期間執(zhí)行。
【專利說明】用于MRI的脈沖序列方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于磁共振（MR)和/或MR成像的方法，該方法包括采集源自導(dǎo) 致信號衰減的各向同性擴(kuò)散加權(quán)的RF和梯度序列的信號和MR圖像。

【背景技術(shù)】
[0002] 使用NMR測量的分子自擴(kuò)散（Callaghan在2011年發(fā)表的"Translational Dynamics & Magnetic Resonance"（牛津，牛津大學(xué)出版社）；Price 在 2009 年發(fā)表的"NMR Studies of Translational Motion"（劍橋，劍橋大學(xué)出版社））用于非侵入式研究各種 材料的充水孔隙的形態(tài)學(xué)，例如，巖石（Hiirlimann等人于1994年在J Magn Reson A 111， 169-178 上發(fā)表的 "Restricted diffusion in sedimentary rocks，Determination of surface-area-t〇-volume ratio and surface relaxivity"）、乳劑（Topgaard等人于 2002 年在 J Magn Reson 156,195-201 上發(fā)表的 "Restricted self-diffusion of water in a highly concentrated W/0 emulsion studied using modulated gradient spin-echo NMR"）以及干酪（Mariette 等人于 2002 年在 J Agric Food Chem 50,4295-4302 上發(fā)表的 ulH NMR diffusometry study of water in casein dispersions and gels"）。
[0003] 孔結(jié)構(gòu)的各向異性使得水自擴(kuò)散各向異性，該事實在于，其用于大腦白質(zhì)中的神 經(jīng)纖維定向的三維映射，其中纖維在宏觀長度尺度上具有優(yōu)先方向（Basser等人于1994年 在 Biophys J 66, 259-267 上發(fā)表的"MR diffusion tensor spectroscopy and imaging"； Beaulieu 于 2002 年在 NMR Biomed 15,435_455 上發(fā)表的"The basis of anisotropic water diffusion in the nervous system-a technical review";Moseley等人于 1991 年 在 Magn Reson Med 19, 321-326 上發(fā)表的 "Anisotropy in diffusion-weighted MRI"）〇 宏觀擴(kuò)散各向異性的程度通常通過無量綱分?jǐn)?shù)的各向異性指數(shù)（Basser和Pierpaoli于 1996 年在 J Magn Reson B 111，209-219 上發(fā)表的"Microstructural and physiological features of tissues elucidated by quantitative-diffusion-tensor MRI "）來量化。
[0004] 并且，可使用擴(kuò)散NMR來檢測整體各向同性材料中的微觀各向異性，最初通過從 傳統(tǒng)的單PGSE(脈沖梯度自旋回波）技術(shù)（Callaghan和S0dernian于1983年在J Phys Chem 87,1737-1744 上發(fā)表的 "Examination of the lamellar phase of aerosol OT/ water using pulsed field gradient nuclear magnetic resonance" ；Topgaard 和 Siklerman 于 2002 年在 J Phys Chem B 106,11887-11892 上發(fā)表的"Self-diffusion in tw〇-and three-dimensional powders of anisotropic domains:An NMR study of the diffusion of water in cellulose and starch"）的回波衰減中觀察到的特征曲線 來實現(xiàn)，而最近則通過使用雙PGSE方法，其中在兩個單獨時間段上NMR信號進(jìn)行位移編 碼（Mitra 于 1995 年在 Phys Rev B 51，15074-15078 上發(fā)表的 "Multiple wave-vector extension of the NMR pulsed-field-gradient spin-echo diffusion measurement"）來 實現(xiàn)。可通過以下方式推斷出微觀各向異性的存在：通過比較獲得的回波衰減數(shù)據(jù)和共線 正交位移編碼（Callaghan和 Komlosh 于 2002 年在Magn Reson Chem 40，S15_S19 上發(fā)表的 "Locally anisotropic motion in a macroscopically isotropic system:displacement correlations measured using double pulsed gradient spin-echo NMR"；Komlosh 等人于 2007 年在 J Magn Reson 189,38-45 上發(fā)表的 "Detection of microscopic anisotropy in gray matter and in novel tissue phantom using double Pulsed Gradient Spin Echo MR" ；Komlosh 等人于 2008 年在 Magn Reson Med 59,803-809 上 發(fā)表的 "Observation of microscopic diffusion anisotropy in the spinal cord using double-pulsed gradient spin echo MRI"），通過在改變位移編碼的方向之間的 角度時觀察到的特征信號調(diào)制（Mitra于1995年在Phys Rev B 51，15074-15078上發(fā)表 ^Multiple wave-vector extension of the NMR pulsed-field-gradient spin-echo diffusion measurement" ；Shemesh 等人于 2011 年在 J Am Chem Soc 133,6028-6035 上發(fā)表的 "Probing Microscopic Architecture of Opaque Heterogeneous Systems Using Double-Pulsed-Field-Gradient NMR" 和在 Magn Reson Med 65,1216-1227 上發(fā) 表的"Microscopic and Compartment Shape Anisotropies in Gray and White Matter Revealed by Angular Bipolar Double-PFG MR"），或者通過二維相關(guān)方法（Callaghan 和 Fur0 于 2004 年在 J Chem Phys 120,4032-4038 上發(fā)表的"Diffusion-diffusion correlation and exchange as a signature for local order and dynamics" ；Hubbard 等人于 2005 年、2006 年在 Langmuir 21，4340-4346 上發(fā)表的 "A study of anisotropic water self-diffusion and defects in the lamellar mesophase"和在 Langmuir 22， 3999-4003 上發(fā)表的 "Orientational anisotropy in polydomain lamellar phase of a lyotropic liquid crystal"）。
[0005] 旨在減少臨床擴(kuò)散MRI實驗掃描時間的單發(fā)各向同性擴(kuò)散加權(quán)技術(shù)受到越來越 多的關(guān)注，在臨床擴(kuò)散MRI實驗中，平均擴(kuò)散率受到關(guān)注?？筛鶕?jù)擴(kuò)散張量的軌跡確定平 均擴(kuò)散率，其需要沿幾個方向的擴(kuò)散測量。在臨床MRI(磁共振成像）和MRS(磁共振光 譜學(xué)）的情況下，已提出了多個不同的梯度調(diào)制方案來確定單次實驗中的宏觀各向異性 材料的擴(kuò)散張量軌跡（de Graaf等人于2001年在Magn Reson Med 45, 741-748上發(fā)表 的"Single-Shot Diffusion Trace IH NMR Spectroscopy" ；Mori 和 van Zijl 于 1995 年在 Magn Reson Med 33,41-52 上發(fā)表的 "Diffusion weighting by the trace of the diffusion tensor within a single scan";Valette 等人于 2012 年在 Magn Reson Med 早 期觀點（ealy view)上發(fā)表的 "A New Sequence for Single-Shot Diffusion-Weighted NMR Spectroscopy by the Trace of the Diffusion Tensor"）。雖然實際的方案各有不 同，但是有效梯度調(diào)制通常等同于三PGSE實驗。
[0006] 上述方案需要延長的回波時間來實現(xiàn)各向同性擴(kuò)散加權(quán)，而該延長的回波時間由 于信噪水平減小而不利。短的回波時間也可能是以微觀各向異性的短特征長度尺度實現(xiàn)各 向同性擴(kuò)散加權(quán)的必要條件。此外，上述技術(shù)依靠梯度脈沖以在序列期間沿每一正交方向 快速將移相因子從零增加到其最大值并且在擴(kuò)散編碼時間之后又將其減小回到零。此方法 可能對MR(I)梯度設(shè)備施以不必要的高性能要求。
[0007] 本發(fā)明的一個目的是提供一種方法，該方法尤其改善了 MR(I)中使用序列以獲得 各向同性擴(kuò)散加權(quán)所需的時間，且其中信噪比與上文公開的已知方法相比也得到改善。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 以上目的通過用于磁共振（MR)和/或MR成像的方法實現(xiàn)，該方法包括采集源自 導(dǎo)致信號衰減的各向同性擴(kuò)散加權(quán)的射頻（RF)和梯度序列的信號和MR圖像，其中各向同 性擴(kuò)散加權(quán)與擴(kuò)散張量D的軌跡成正比例，且其中各向同性擴(kuò)散加權(quán)通過一個具有定向的 時間相依的移相向量q(t)實現(xiàn)，且其中時間相依的移相向量q(t)的定向在梯度脈沖序列 期間（〇 < t <回波時間，其中t代表時間）在總共三個以上方向上離散變化或連續(xù)改變， 或者以離散和連續(xù)的組合方式改變。
[0009] 表達(dá)"時間相依的移相向量"意味著移相向量的幅度和方向兩者均為時間相依的。 本發(fā)明的目的是提供利用具有縮短了回波時間的單自旋回波脈沖序列或多自旋回波脈沖 序列來實現(xiàn)各向同性擴(kuò)散加權(quán)的方法，該方法相比于目前已知方法給出更高的信噪比并使 系統(tǒng)上的各向同性擴(kuò)散加權(quán)具有微觀各向異性的較短的特征長度尺度。新協(xié)議的重要特 征在于，與目前方法相比，其可利用對梯度系統(tǒng)硬件有較少或相當(dāng)?shù)男枨蟮臉?biāo)準(zhǔn)擴(kuò)散MR(I) 設(shè)備進(jìn)行實施。
[0010] 本文中公開的各向同性加權(quán)協(xié)議可用于獲得具有各向同性擴(kuò)散加權(quán)的數(shù)據(jù)且由 此確定最小掃描時間處的高精度（高信噪比）的平均擴(kuò)散率。協(xié)議可被用作不同NMR或 MRI實驗的構(gòu)件（building block)，例如各向同性擴(kuò)散濾波器。例如，其可在分子交換測量 (FEXSY、FEXI)中用作低通擴(kuò)散濾波器。其還可用于多維（2D、3D···)相關(guān)實驗內(nèi)以實現(xiàn)各向 同性擴(kuò)散加權(quán)或信號濾波。例如，該協(xié)議可用于擴(kuò)散-擴(kuò)散或擴(kuò)散-弛豫相關(guān)實驗中，其中 各向同性和非各向同性擴(kuò)散貢獻(xiàn)是相關(guān)的并通過拉普拉斯反變換分析以產(chǎn)生關(guān)于不同擴(kuò) 散分量的各向異性程度（貢獻(xiàn)）的信息。該協(xié)議還可用與其他NMR或MRI方法結(jié)合使用。 例如，本協(xié)議可與擴(kuò)散張量和/或擴(kuò)散峰度測量相結(jié)合以提供關(guān)于形態(tài)和微觀各向異性的 附加信息以及關(guān)于各向異性定向分散的信息。本協(xié)議可用于促進(jìn)和加強(qiáng)對活體內(nèi)擴(kuò)散張量 和擴(kuò)散峰度測量的解釋。例如，本協(xié)議可提供各向異性程度和多指數(shù)信號衰弱的信息，該多 指數(shù)信號衰弱在峰度張量測量中通過將峰度歸于不同的各向同性和/或各向異性擴(kuò)散貢 獻(xiàn)來進(jìn)行檢測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖IA-D至6A-D顯示出根據(jù)本發(fā)明的用于各向同性擴(kuò)散加權(quán)的不同梯度調(diào)制方案 的實例。插圖A描繪了歸一化移相向量的分量q x/|q| (虛線）、qy/|q| (點線）和qz/|q| (點 劃線）以及歸一化移相向量的幅度F(t)(實線）。插圖B描繪了歸一化有效梯度向量的分 量gx/ I g I (虛線）、gy/ I g I (點線）和gz/ I g I (點劃線）。插圖C描繪了方位角的時間相依 性。插圖D描繪了作為時間函數(shù)的各向異性擴(kuò)散加權(quán)項（16)的演化；方程式（16)中的第 一項顯示為點線，第二項顯示為點劃線，第三項為實線且第四項顯示為虛線。
[0012] 圖7A-C顯示出關(guān)于不同類型材料的各向同性（虛線）和非各向同性（實線）擴(kuò) 散加權(quán)的信號衰弱相對于b的示意圖。插圖A描繪了在各向異性材料具有ID或2D曲線擴(kuò) 散情況下的信號衰減曲線。該衰減曲線對于非各向同性擴(kuò)散加權(quán)來說是多指數(shù)的，而其對 于各向同性擴(kuò)散加權(quán)來說是單指數(shù)的。各向同性和非各向同性擴(kuò)散加權(quán)的衰減曲線之間的 偏差提供各向異性測量。插圖B描繪了具有多個表觀擴(kuò)散貢獻(xiàn)的各向同性材料的實例，針 對各向同性和非各向同性擴(kuò)散加權(quán)產(chǎn)生相等且多指數(shù)的信號衰減曲線。插圖C描繪了具有 各向同性分量和各向異性分量的混合的材料的實例，針對各向同性和非各向同性擴(kuò)散加權(quán) 兩者，其導(dǎo)致多指數(shù)信號衰弱，而各向同性和非各向同性擴(kuò)散加權(quán)的衰減曲線之間的偏差 提供各向異性的測量。
[0013] 圖8A-C顯示出不同類型材料的分析的實驗結(jié)果。所有插圖中均顯示出各向同性 (圓圈）和非各向同性（十字）擴(kuò)散加權(quán)的實驗結(jié)果。實驗結(jié)果和分析顯示了具有自由各 向同性擴(kuò)散（插圖A)的樣品、具有受限的各向同性擴(kuò)散（插圖B)的樣品以及具有高度各 向異性（插圖C)的樣品。
[0014] 圖9A和9B顯示出用于調(diào)查作為擴(kuò)散加權(quán)b的范圍的函數(shù)的系統(tǒng)偏差和精度的蒙 特卡洛（Monte-Carlo)誤差分析，其用于根據(jù)所公開的分析法估算微觀各向異性的程度。
[0015] 描述:本發(fā)明的背景和一@具體實施例
[0016] 假設(shè)微觀各向異性系統(tǒng)中的自旋擴(kuò)散可局部視為高斯過程且因此全部由擴(kuò)散張 量D(r)來描述，而用布洛赫-托里（Bloch-Torrey)方程給定在擴(kuò)散編碼實驗期間的復(fù)雜 橫向磁化m(r，t)的演變。應(yīng)注意，布洛赫-托里方程式適用于任意擴(kuò)散編碼方案，例如，脈 沖梯度自旋回波（PGSE)、脈沖梯度受激回波（PGSTE)和其他調(diào)制梯度自旋回波（MGSE)方 案。假設(shè)自旋密度均勻并忽略弛豫，則通過下列方程式給出磁化演變：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于磁共振MR和/或MR成像的方法，所述方法包括采集源自導(dǎo)致信號衰減的 各向同性擴(kuò)散加權(quán)的射頻RF和梯度序列的信號和MR圖像，其中所述各向同性擴(kuò)散加權(quán)與 擴(kuò)散張量D的軌跡成正比，且其中，所述各向同性擴(kuò)散加權(quán)通過一個具有定向的時間相依 的移相向量q(t)實現(xiàn)，且其中，所述時間相依的移相向量q(t)的定向在梯度脈沖序列期間 (0 <t<回波時間，其中t代表時間）在總共三個以上方向上離散變化或連續(xù)改變，或者以 離散和連續(xù)的組合方式改變。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述各向同性擴(kuò)散加權(quán)在所述擴(kuò)散張量D的旋轉(zhuǎn) 下是不變量，且其中滿足下列方程式（10):
其中，F(xiàn)(t)是所述移相向量的時間相依的歸一化幅度，?(/)是時間相依的單位方向向 量，一是有效擴(kuò)散時間，由下式給出：
且5是各向同性平均擴(kuò)散率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述移相向量的時間相依的歸一化幅度 F(t)在回波時間1^從t= 0到t=tΕ期間為|F(t)I彡1，且其中，所述移相向量在時間0 處的定向與所述移相向量在時間tE#的定向相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的方法，其中，如果q(t)向量逐步通過至少四個具 有唯一值ei4的定向，則所述時間相依的移相向量q(t)的定向以方位角Φ的離散步階改 變，使得Φ模數(shù)2π是等距值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的方法，其中，所述各向同性擴(kuò)散加權(quán)通過所述時 間相依的移相向量q(t)的連續(xù)掃描實現(xiàn)，其中所述方位角Φ(t)及其幅度是連續(xù)時間函 數(shù)，使得所述時間相依的移相向量q(t)跨越平行于正圓錐表面的定向的整個范圍，且使得 所述時間相依的移相向量q(t)在時間0處的定向與在時間tE#的定向相同。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，斜率ζ被選為常數(shù)恒定的、時間相依的值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，斜率ζ被選為所謂的魔角，使得
8. 根據(jù)權(quán)利要求3-7中任一項所述的方法，其中，所述移相向量的時間相依的歸一化 幅度F(t)被選為諧波時間函數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法，其中，所述方法在單發(fā)中執(zhí)行。
【文檔編號】G01R33/563GK104471425SQ201380023560
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月4日
【發(fā)明者】丹尼爾·托普加德, 薩摩·拉西克, 馬庫斯·尼爾森 申請人:Cr發(fā)展公司