专利名称：利用多对双极梯度脉冲的磁共振分析的制作方法
技术领域：
本发明的某些实 施方式涉及磁共振分析，更具体地，但是不排他地，涉及利用双极梯度脉冲子序列的磁共振分析。
背景技术：
磁共振(MR)分析是通过利用量子力学现象，用于获得材料的化学和物理微观性质的技术，叫做核磁共振(NMR)，其中，当以某些频率应用时，放置在磁场中的自旋系统共振地吸收能量。只有当它的核自旋I不消失时，即，核具有至少一个不成对的核子，核才可以进行NMR。经常在MRI中使用的非零自旋核的实例包括1H(I=l/2)、2H(I=l)、23Na(I=3/2)，等。当放置在磁场中时，使得具有自旋I的核能够在离散系列的能量水平中，通过I测定核的数目，和通过核的旋磁比率以及通过磁场测定核的分离。在小干扰的影响下，表现为射频磁场，其在初级静态磁场的方向周围旋转，核具有时间依赖的可能性，从而经历从一个能量水平到另一个的跃迁。用特定频率的旋转磁场，跃进几率可以达到统一的值。因此在某些时间下，尽管旋转磁场可以是相对于初级磁场的小量级的磁场，但是仍使核被迫跃迁。对于自旋I核的整体，通过全部的磁化的改变实现跃迁。一旦发生磁化的改变，自旋系统倾向于通过最小的能量的热力学原理，恢复它的磁化纵向平衡值。将控制系统恢复到平衡值所消耗的时间的时间常数称为“自旋-晶格弛豫时间”，或“纵向弛豫时间”，表示为Tl。另外的时间常数，T2 (彡Tl)，称为“自旋-自旋弛豫时间”或“横向弛豫时间”，通过最大的熵原理，控制其中减少横向磁化所消耗的时间。然而，内部分子相互作用和静态的磁场值的局部变动，将T2的值改变为实际值，将其表示为T2*。在MR分析中，将脉冲序列应用于物体，以产生NMR信号和从其中获得信息，随后将该信息用于分析物体。上述提及的弛豫时间和核自旋的密度分布是一个物体不同于其他物体的性质，因此使得能够分析物体。在扩散加权MR分析中，例如，应用磁场梯度，以便提供运动相关的对照，其在选定的方向中对流动性分子的运动敏感。扩散加权MR分析利用分子的无规则运动，其引起自旋的相位扩散的得到的信号损失。这样的分析可以用于表征多孔介质内包含的孔的形态特征，其中分子以受限制的方式在孔内扩散。用于观察多孔介质中的扩散的已知技术采用称为脉冲场梯度(PFG)序列，其中将磁场梯度脉冲对应用于编码(encode )施加的这两个脉冲之间的位移。例如，美国专利N0.7，053，611公开了一种方法，其包括利用用于编码扩散信息的单极PFG (s-PFG)序列，获取流体样品的NMR测量组，其中在用于产生不同的扩散作用的脉冲场梯度脉冲中，利用参数中的不同的值获取组中的每一个NMR测量。将NMR测量组转化，以产生分布函数，其使得流体样品的扩散性质与它的纵向和/或横向磁场弛豫时间相关。双极PFG序列已经用于医学成像应用，其用于测量非均匀的实验样品中的扩散，其中施加的磁场是非常均匀的，但是由于样品的材料的性质，产生内在的梯度。另外，在钻孔(borehole)周围的土地形成的孔隙中，已经将双极PFG序列用于测量储层流体的扩散和驰豫(美国专利N0.5，796，252)。美国公开申请N0.20100033182教导了多次PFG实验，其涉及重复的扩散梯度对的应用，在具体的双极PFG (d-PFG)序列中，其包含两对扩散梯度脉冲。基于接收的MR信号进行样品的受限区室(compartment)的尺寸特征分布的估计。另外的背景技术包括G.Zheng and ff.S.Price, Concepts Magn.Reson.A30A, 261 (2007) ；Bar-Shir and Y.Cohen,Magn.Reson.1maging26, 801 (2008);Coryet al., Polymer Preprints31, 149 (1990) ； Jerschow and N.Mul Ier,J.Magn.Reson.125, 372(1997) ；E.0zarsian and P.J.Basser, J.Magn.Reson.188, 285 (2007)；E.0zarSlan, J.Magn.Reson.199, 56 (2009) ；E.0zarslan and P.J.Basser, J.Chem.Phys.128, 154511 (2008) ； Ozarsiail et al., J.Chem.Phys.130, 104702 (2009)；N.Shemesh and Y.Cohen, J.Magn.Reson.195, 153 (2008) ; Shemesh et al., J.Magn.Reson.198, 15(2009) ；Shemesh et al., J.Magn Reson.200, 214(2009) ；Shemesh etal., J.Chem.Phys.132, 034703 (2010) ；Komlosh et al., Magn.Reson.Med.59, 803 (2008)；M.A.Koch and J.Finsterbusch, Magn.Reson.Med.60, 90 (2008);以及 Weber et al., Magn.Reson.Med.61, 1001 (2009)。
发明内容
根据本发明的一些实施方式的方面，提供了样品的磁共振分析的方法。该方法包括:将多个双极梯度脉冲子序列对施加至样品；从该样品获取磁共振信号；分析信号；以及发出关于分析的报告。 根据本发明的一些实施方式，每对双极梯度脉冲子序列的特征为不同的梯度方向。根据本发明的一些实施方式，采用两对。根据本发明的一些实施方式，该方法进行一系列试验，每一个试验的特征为在双极梯度脉冲子序列的各自的梯度方向之间的不同的角Ψ。根据本发明的一些实施方式，该方法包括分析作为角的函数的信号曲线(signalprofile),以便由样品获得形状信息和/或尺寸信息。根据本发明的一些实施方式，该方法包括产生样品中的受限区室(有限间隔体，restricted compartments)的偏心分布(eccentricity distribution)的估计，以便提供形状信息。根据本发明的一些实施方式，该方法包括分析作为磁共振波数的函数的信号，以便产生样品中的受限区室的尺寸分布的估计。根据本发明的一些实施方式的方面，提供了通过磁共振分析，从多孔样品获得形状信息的方法。该方法包括:将多个双极梯度脉冲子序列对施加至样品，每一对的特征为梯度角；获取作为不同对之间的相对角的函数的磁共振信号；分析信号的角度依赖性(angular dependence),以便由样品获得形状信息和尺寸分布中的至少一个；以及发出关于形状信息的报告。根据本发明的一些实施方式的方面，提供了通过磁共振分析，表征多孔样品的形态特征的方法，包括:将多个双极梯度脉冲子序列对施加至样品，每一对的特征为梯度角；获取至少作为不同对之间的相对角的函数的磁共振信号；以及产生输出，其包括至少作为相对角的函数的信号的强度曲线(intensity prof ile),从而表征样品的形态特征。根据本发明的一些实施方式，该方法包括利用来自样品的磁共振信号，用于使样品成像。根据本发明的一些实施方式的方面，提供了用于磁共振分析的系统，其包括:设置用于产生多个双极梯度脉冲子序列对和从样品获取磁共振信号的射频系统；以及设置用于分析信号和传送关于分析的报告的处理系统。根据本发明的一些实施方式，每一对双极梯度脉冲子序列的特征为不同的梯度方向。根据本发明的一些实施方式，设置射频系统用于进行一系列实验，每一个试验的特征为双极梯度脉冲子序列的各自梯度方向之间的不同的角Ψ表征，以及设置处理系统用于分析作为该角的函数的信号曲线，以便由样品获得形状信息和尺寸分布中的至少一个。
根据本发明的一些实施方式，设置处理系统用于产生样品中的受限区室的离心分布的估计，以提供形状信息。根据本发明的一些实施方式，设置处理系统用于分析作为磁共振波数的函数的信号，以便产生受限区室的尺寸分布的估计。根据本发明的一些实施方式，设置处理系统用于基于信号产生样品的磁共振图像。根据本发明的一些实施方式的方面，提供了计算机软件产品，包括在其中存储程序指令的计算机可读介质，当通过计算机读取时，该指令引起计算机指示射频系统产生多个双极梯度脉冲子序列对。根据本发明的一些实施方式的方面，提供了计算机软件产品，包括在其中存储程序指令的计算机可读介质，当通过计算机读取时，该指令引起计算机响应于多个双极梯度脉冲子序列对，接收记录的磁共振信号，以分析信号，和传送关于分析的报告。根据本发明的一些实施方式，选择成对的双极梯度脉冲子序列之间的混频时间，以使得能够测定样品中孔的形状。根据本发明的一些实施方式，选择双极梯度脉冲子序列的强度，以使得能够鉴定至少一种预定的区室形状、预定的区室尺寸和预定的区室排布。根据本发明的一些实施方式，将双极梯度脉冲子序列插入在自旋回波序列中。根据本发明的一些实施方式，将双极梯度脉冲子序列插入在激发回波序列中。根据本发明的一些实施方式，将双极梯度脉冲子序列插入在梯度回波序列中。根据本发明的一些实施方式，将双极梯度脉冲子序列插入在选自由自旋回波序列、激发回波序列和梯度回波序列组成的组的序列的组合中。
根据本发明的一些实施方式，样品是多孔样品。根据本发明的一些实施方式，样品的特征为至少IOHz的NMR线宽。根据本发明的一些实施方式，样品是特征为平均孔径小于50微米的多孔样品，具有至少3%的标准偏差。根据本发明的一些实施方式，样品是特征为平均孔径小于50微米的的多孔样品，而双极梯度脉冲子序列不具有超过100gauss/cm量级的任何梯度脉冲。根据本发明的一些实施方式，样品包括至少一种选自由沉淀物、岩石、非均质催化齐L1、多孔材料、多孔聚合物、乳液产品(emulsion product)、生物细胞、组织、中枢神经系统组织、石英砂和酵母细胞组成的组中的物体。除非另外定义，本文中使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的意义。尽管类似于或等同于本文描述的那些的方法和材料可以用于本发明的实施方式的实施或测验，但是在下面描述了示例性的方法和/或材料。在不一致的情况下，将修改专利说明书，包括定义。另外，材料、方法、和实施例仅是说明性的，不旨在必要地限制。本发明的实施方式的方法和/或系统的实施可以涉及手动地、自动地、或其结合地进行或完成选定的任务。此外，根据本发明的方法和/或系统的实施方式的实际装置和设备，可以通过硬件、通过软件或通过固件或通过其结合，利用操作系统实施几个选定的任务。例如，可以以芯片或电路实施用于进行根据本发明的实施方式的选定任务的硬件。可以以多个被计算机执行的软件指令，利用任何适当的操作系统实施根据本发明的实施例的选定的任务。在本发明的示例性实施方式中，通过数据处理器，如用于执行多个指令的计算平台，进行根据本文描述的方法和/或系统的示例性实施方式的一种或多种任务。可选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器和/或非易失性的存储器，例如，用于存储指令和/或数据的硬磁盘和/或可移动介质。可选地，也了提供网络连接。可选地，也提供了显示器和/或使用者输入设备，如键盘或鼠标。
参考附图和图像，仅通过实施例，在本文描述了本发明的一些实施方式。现在详细地参考具体的附图，应强调，显示的细节是以实施例的方式并且是为了说明性地讨论本发明的实施方式的目的。在这点上，带有附图的描述使得本领域的那些技术人员明了可以如何实施本发明的实施方式。在附图中:图1是s-PFG序列的示意图。图2A-图2B是单对双极PFG序列(图2A)和相应的有效波形(图2B)的示意图。图3A-图3B是d_PFG序列的示意图。图4A-图4D是脉冲序列的示意图，其包括两对双极梯度脉冲子序列(图4A和图4C)和相应的有效波形(图4B和图4C)。图5是根据本发明的一些实施方式，描述适于样品的磁共振分析的方法的流程图。
图6是根据本发明的一些实施方式，关于样品的磁共振分析系统的示意图。图7A-图7C是在根据本发明的一些实施方式进行的实验中使用的典型多孔介质的SEM图像。图8A-图SE显示如在具有局部各向异性的孔的样品上，在根据本发明的一些实施方式进行的实验中获得的作为波数的函数的信号曲线，其中这些孔具有29±1 μ m的尺寸分布。图9显示在具有局部各相异性的孔的样品上，在根据本发明的一些实施方式进行的实验中获得的作为波数的函数，其中这些孔具有14.9±4.6μπι的尺寸分布。图10显示在具有随机定向的局部各向异性的孔的样品上，在根据本发明的一些实施方式进行的实验中获得的作为梯度之间的角的函数的信号曲线。图1lA-图1lD是局部球形孔(图11Α)、局部各向异性的圆柱孔(图11Β)、其中随机定向的局部各向异性的孔的三维区域(图11C)、以及其中有序放置的局部各向异性的孔的三维区域(图11D)的示意图。 图12Α-图12Β显示通过将s_PFG序列(图12A)和单对双极PFG序列(图12B)，施加至具有随机定向的孔的样品而获得的作为波数的函数的信号曲线，其中这些孔具有29± I μ m的尺寸分布。图13A-图13C显示，利用零混频时间，通过将d_PFG序列(图13A和在图13C中空心符号)和根据本发明的一些实施方式的序列(图13B和在图13C中实心符号)，施加至随机定向的圆柱孔而获得的作为梯度之间的角的函数的信号曲线，其中这些孔具有10±1μπι的尺寸分布。图14显示，利用18ms的混频时间，通过将d_PFG序列(空心符号)和根据本发明的一些实施方式的序列(实心符号)施加至随机定向的局部圆柱形的孔而获得的作为梯度之间的角的函数的信号曲线，其中这些孔具有10±1μπι的尺寸分布。图15Α-图15C显示，通过将d_PFG序列(空心符号)和根据本发明的一些实施方式的序列(实心符号)施加至石英砂(图15A)、乳液系统(图15B)、和酵母细胞(图15C)而获得的作为梯度之间的角的函数的信号曲线。图16A-图16B显示，通过将d-PFG序列(空心正方形)和根据本发明的一些实施方式的序列(实心环)施加至灰质(图16A)和白质(图16B)物质组织而获得的作为梯度之间的角的函数的信号曲线。图17A-图17B显示在石英砂样本(图17A)和岩石样本(图17B)上进行的根据本发明的一些实施方式的实验的结果。图18A-图18C显示在不同的细胞类型:蓝藻细菌(图18A)、干细胞(图18B)和癌细胞(图18C)上进行的根据本发明的一些实施方式的实验的结果。
具体实施例方式本发明的一些实施方式涉及磁共振分析，以及更具体地，但是不排他地，涉及利用双极梯度脉冲子序列的磁共振分析。在详细地解释本发明的至少一个实施方式之前，应理解本发明的应用不必要地限制于在下列描述中给出的和/或在附图和/或实施例中示出的构造和部件和/或方法的设置的详细内容。本发明能够包含其他实施方式或以多种方式实施或进行本发明。现在参考附图，图1图示s-PFG序列(在该文档中也称为单极PFG序列)。这个序列由一对子序列组成，其中每一个子序列具有一个梯度脉冲和一个或多个射频脉冲。将每一个梯度脉冲表示为G。每一个梯度脉冲的宽度表示为δ，两个梯度脉冲之间的时间间隔表示为Δ。以垂直的黑条显示射频。在图1中显示的典型实施例中，将梯形脉冲插入所谓的激发回波射频序列中，其包含三个90°脉冲。具体地，每一个梯度脉冲先于90°射频脉冲，在第一个梯度脉冲之后有另外的90°脉冲，以使得在梯度脉冲之间存在两个90°脉冲。因而，第一子序列包括两个90°射频脉冲之间的梯度脉冲，因此，可以将其用符号表示为“90-G-90”。这个子序列的第一和第二 90°脉冲之间的时间差是ΤΕ/2，其中TE表示回波时间。第二子序列包括在90°射频脉冲之前的梯度脉冲，因此，可以将其用符号表示为“90-G”。在这个子序列的90°脉冲和获取时间之间的时间差也是ΤΕ/2。在两个梯度之间的时间间隔Λ期间，s-PFG序列的扩散梯度脉冲对使MR信号对分子的位移敏感，和得到的信号衰减是在激发的体积内发生扩散过程的表现。—些s-PFG方法采用扩散张量成像(DTI )，在低量级的MR波向量下进行该扩散张量成像，定义为δ2/2π，其中Υ、δ和￡分别是旋磁比率，梯度持续时间和梯度向量。在整个申请中，利用下划线符号表示向量。将MR波向量 g的大小称为波数，表示为q。因此，q=|fl|。在DTI中，获得扩散张量，张量部分产生孔各向异性的测量。在正常的和患病的CNS组织中，DTI对于用于表征有序放置的各向异性结构是有用的[Basser et al., NMRBiomed.15，456(2002);Mori et al., Ann.Neurol.45, 265(1999)；和 Horsfield etal.，NMR Biomed.15，570 (2002)]。对于更高的MR波数值,采用q-间隔MR技术(q-space MR technique)。这个途径利用当达到更高的q值以获得区室尺寸时观察到的扩散-衍射模式。在q_间隔MR技术中，假如已知形状，孔径可以直接来源于信号衰减的最低点。扩散-衍射模式可提供信息，因为它们对有限的扩散产生信号。用实验方法，在相对单分散性的样本中，如血红细胞(RBC)和狭窄分布的乳液中观察到扩散-衍射模式[B.Hakansson et al., Magn.Reson.1magingl6, 643(1998), Kuchel et al.，Magn.Reson.Med.37，637(1997)]。本发明人发现，常规s-PFG方法不适用于其中孔以无序方式或它们的尺寸分布变化较大的方式放置的多孔样品，特别是当期望获得微观结构信息时。这是因为来自s-PFG信号衰减的扩散-衍射最小值消失，并且微观结构信息是有限的，以及实施时丢失微观结构信息。本发明人进一步发现，s-PFG方法不适用于其中多孔介质内的磁化系数差异导致相对强的磁化系数产生的内磁场的样品，与孔是否有序或无序放置无关。图2A示出由一对子序列组成的脉冲序列，其中每一个子序列具有一对双极梯度脉冲和一个或多个射频脉冲。本文中这个序列也称为单对双极PFG序列。本文中使用的“双极梯度脉冲对”指的是通过第一振幅下使梯度沿着某个轴激活第一时间段，然后在第二振幅下沿着相同的轴激活第二时间段所施加的梯度脉冲对，其中第一和第二振幅是相反极性的。为了清楚地描述，术语“双极对”将用作“双极梯度脉冲对”的缩写。
在本发明的一些实施方式中，第一和第二振幅在数量上是相等的(但是它们的极性相反)，在本发明的一些实施方式中，第一时间段等于第二时间段。
本文中使用的“双极梯度脉冲子序列”指的是包括至少一个双极对的子序列。为了清楚地描述，术语“双极子序列”将用作“双极梯度脉冲子序列”的缩写。
本文中使用的“双极子序列对”指的是两个连续的双极子序列，其中组成第一对双极子序列的双极对的梯度脉冲的总时间间隔等于组成第二对双极子序列的双极对的梯度脉冲的总时间间隔。形式上，通过Gla和Glb表示第一子序列的双极对的梯度大小，通过G2a和G2b表示第二子序列的双极对的梯度大小，在双极子序列对中，应用下列关系:
权利要求
1.一种样品的磁共振分析方法，包括: 将多对双极梯度脉冲子序列施加至所述样品； 从所述样品获取磁共振信号； 分析所述信号；以及 发出关于所述分析的报告。
2.根据权利要求1所述的方法，其中每一对双极梯度脉冲子序列的特征为不同的梯度方向。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中所述多对是两对。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，进一步包括进行一系列实验，每一个实验的特征为所述双极梯度脉冲子序列的各自的梯度方向之间的不同的角Ψ。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括分析作为所述角的函数的信号曲线，以便从所述样品获得形状信息和尺寸信息中的至少一项。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括在所述样品中产生受限区室的偏心分布的估计，从而提供所述形状信息。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述样品是多孔样品。
8.—种通过磁共振分析从多孔样品获得形状信息的方法，包括: 将多对双极梯度脉冲子序列施加至所述样品，每一对的特征为梯度角； 获得作为不同对之间至少相对角的函数的磁共振信号； 分析所述信号的角度依赖性，以便从所述样品获得形状信息和尺寸信息中的至少一项；以及 发出关于所述形状信息的报告。
9.一种通过磁共振分析表征多孔样品的形态特征的方法，包括: 将多对双极梯度脉冲子序列施加至所述样品，每一对的特征为梯度角； 获取作为不同对之间至少相对角的函数的磁共振信号；以及 产生包括作为至少所述相对角的函数的所述信号的强度曲线的输出，从而表征所述样品的形态特征。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，进一步包括分析作为磁共振波数的函数的所述信号，以便产生所述样品中受限区室的尺寸分布的估计。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中所述样品的特征为至少IOHz的NMR线宽。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中所述样品是特征为平均孔径小于50微米的多孔样品，具有至少3%的标准偏差。
13.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中所述样品是特征为平均孔径小于50微米的多孔样品，以及所述双极梯度脉冲子序列不含有幅度高于100高斯/Cm的任何梯度脉冲。
14.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述样品包括至少一种选自由以下各项组成的组中的物体:沉淀物、岩石、非均质催化剂、多孔材料、多孔聚合物、乳液产品、生物细胞、组织、中枢神经系统组织、石英砂、和酵母细胞。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的方法，进一步包括利用来自所述样品的所述磁共振信号，用于使所述样品成像。
16.—种用于磁共振分析的系统,包括: 射频系统，设置以用于产生多对双极梯度脉冲子序列，和从所述样品获得磁共振信号；以及 处理系统，设置以用于分析所述信号，和传送关于所述分析的报告。
17.根据权利要求16所述的系统，其中每一对双极梯度脉冲子序列的特征为不同的梯度方向。
18.根据权利要求16和17中任一项所述的系统，其中所述多对是两对。
19.根据权利要求16-18中任一项所述的系统，其中所述射频系统设置以用于进行一系列实验，每一个实验的特征为所述双极梯度脉冲子序列的各自的梯度方向之间的不同的角Ψ，以及所述处理系统设置以用于分析作为所述角的函数的信号曲线，以便从所述样品获得形状信息和尺寸信息中的至少一项。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述处理系统设置以用于产生所述样品中的受限区室的偏心分布的估计，以提供所述形状信息。
21.根据权利要求16-18中任一项所述的系统，其中所述处理系统设置以用于分析作为磁共振波数的函数的所述信号，以便产生受限区室的尺寸分布的估计。
22.根据权利要求16-21中任一项所述的系统，其中所述处理系统设置以用于基于所述信号，产生所述样品的磁共 振图像。
23.—种计算机软件产品,包括在其中存储程序指令的计算机可读介质，当通过计算机读取时，所述指令引起所述计算机指示射频系统产生多对双极梯度脉冲子序列。
24.—种计算机软件产品,包括在其中存储程序指令的计算机可读介质，当通过计算机读取时，所述指令引起所述计算机响应于多对双极梯度脉冲子序列，接收记录的磁共振信号，以分析所述信号，以及传送关于所述分析的报告。
25.根据权利要求1-24中任一项所述的方法、系统或计算机软件产品，其中选择所述对的双极梯度脉冲子序列之间的混频时间，以使得能够测定所述样品中的孔的形状。
26.根据权利要求1-25中任一项所述的方法、系统或计算机软件产品，其中选择所述双极梯度脉冲子序列的强度，以使得能够识别预定的区室形状、预定的区室尺寸和预定的区室排列中的至少一项。
27.根据权利要求1-22中任一项所述的方法、系统或计算机软件产品，其中将所述双极梯度脉冲子序列插入射频序列中，所述射频序列选自由以下各项组成的组:自旋回波序列、激发回波序列、梯度回波序列和其任何组合。
全文摘要
本发明披露了一种磁共振方法。该方法包括将多对双极梯度脉冲子序列施加至样品，从该样品获得磁共振信号，分析该信号，以及发出关于分析的报告。
文档编号G01R33/563GK103221837SQ201180041220
公开日2013年7月24日 申请日期2011年6月23日 优先权日2010年6月24日
发明者约拉姆·柯亨, 诺姆·舍梅什 申请人:雷蒙特亚特特拉维夫大学有限公司