通过MR指纹进行扩散映射的制作方法

本发明涉及磁共振(mr)成像领域。其关注于对物体进行mr成像的方法。本发明还涉及一种mr系统以及一种在mr系统上运行的计算机程序。

背景技术：

1、利用磁场与核自旋之间的相互作用来形成二维或三维图像的图像形成mr方法如今已被广泛应用，特别是在医学诊断领域，这是因为对于软组织的成像而言，它们在许多方面都优于其他成像方法，不需要电离辐射，并且通常是无创的。

2、mr指纹(mrf)通过在所使用的成像序列过程期间连续改变采集参数(如翻转角、射频(rf)相位、重复时间(tr)以及k空间采样模式)针对不同的材料(组织)类型生成时间上不相干的mr信号演化(形成“指纹”)(参见：nature 495:187-192,2013)。为此，成像序列包括一连串序列块，每个序列块包括至少一个rf脉冲以及定义k空间采样模式的至少一个切换读出磁场。单独一组采集参数与每个序列块相关联。模式匹配算法将指纹匹配到预测的mr信号演化模式的预定义词典。如此获得的mr参数图(如t1、t2、频移和质子密度图以及其他可想到的参数图)是根据最佳信号匹配来估计的。由于不相干的采样以及基于先验知识的匹配过程的性质，mrf已经显示对于误差较不敏感，即使与高度欠采样的k空间采集组合，导致严重的混叠伪影。

3、在所谓的mr stat技术中(magnetic resonance spin tomography in time-domain,see:magnetic resonance imaging 46:56-62,2018)，将被检查物体中的磁自旋整体当作大规模非线性动态系统，其通过将一连串成像序列块与(如mrf中)不相干变化的采集参数进行叠加来探测。在此基础上作为一个步骤的过程来执行定量mr成像；通过大规模非线性反演问题的求解来同时获得信号定位和参数定量。通过采用非线性优化算法和不依赖于傅立叶变换的并行计算基础架构来重建定量参数图。mr stat的优点在于，可以放宽对测量过程的限制，并且可以采用节省时间并在临床mr成像扫描器中广泛使用的采集方案。缺点在于，重建程序(涉及求解通常具有约105个未知数的反演问题)在计算上非常复杂且难以满足。

4、扩散加权成像(dwi)是重要的mri技术，例如用于检测急性缺血性中风或用于表征和鉴别大脑创伤。在dwi中，可以通过改变切换磁场梯度的幅度和/或持续时间和/或改变tr来定量评估表观扩散系数(adc)，作为对组织内(水分子的)扩散程度的度量。

5、然而，已知的定量技术(如mrf和mr stat)并不十分适合将扩散作为重要的mr对比参数进行处理。这尤其是由于用于计算预测的mr信号演化模式的所需词典的扩展相位图形式体系(epg，例如参见journal of magnetic resonance imaging 41:266-295,2015,orm.t.vlaardingerbroek and j.a.den boer:magnetic resonance imaging,theory andpractice,3rd,springer,2002)在处理扩散时表现出一些问题的事实导致的。epg方法的主要缺陷在于，必须在整个脉冲串中使用成像序列固定值中包含的破坏磁场梯度的tr和零阶梯度矩k0，以实现切换和静态(场不均匀性、易感性或t2*感生)磁场梯度的同步相位演化，这确保了由切换和静态磁场梯度两者生成的mr回波信号同时被重新聚焦(后文称作纯相干性)。非同步相位演化会将由切换和静态磁场梯度导致的mr回波信号在不同的时间点重新聚焦，引起mr信号数据中因不同回波时间的叠加导致的伪影(后文称作不纯相干性)。另一方面，整个序列中使用固定k0使得难以将不相干mr信号演化中的扩散与t2衰减进行区分，因为二者都会引起横向磁化的性质相似的衰减。对于扩散映射，需要k0的显著改变，用于对所采集的mr信号数据演化中的扩散进行适当编码。

技术实现思路

1、在此背景下，不难认识到，存在对于改进的定量mr成像技术的需要。本发明的目的是基于通过改变(如mrf或mr stat中的)采集参数来生成时间上不相干的mr信号演化，从而实现定量扩散mr成像。

2、根据本发明，公开一种对被放置在mr系统的检查体积中的物体进行mr成像的方法。所述方法包括以下步骤：

3、-使所述物体经历包括一连串序列块的成像序列，每个序列块包括至少一个rf脉冲、至少一个切换破坏磁场梯度以及定义k空间采样模式的至少一个切换读出磁场梯度，并且每个序列块具有与其相关联的一组采集参数，所述一组采集参数包括所述破坏磁场梯度的零阶矩，

4、-在所述成像序列的过程期间，在至少改变所述破坏磁场梯度的所述零阶矩以及可选地改变一个或多个另外的采集参数的同时，采集所述mr信号，以及

5、-重建至少一幅mr图像，其中，至少扩散系数以及可选地一个或多个另外的mr参数是根据由所述至少一个采集参数的所述改变导致的所采集的mr信号的不相干时间演化针对若干图像位置来计算的。

6、本发明的技术总体上对应于上文提及的mr成像技术(mrf或mr stat)。mr信号由一连串序列块生成，其中，变化的采集参数生成特征性不相干mr信号演化(指纹)，根据特征性不相干mr信号演化(指纹)针对每幅图像位置定量地导出mr参数。不同于在破坏梯度回波成像序列中常用的固定破坏磁场梯度，本发明提出一种具有可变破坏磁场梯度以及可选地另外的可变采集参数的梯度回波序列方案。本发明的方法实现了扩散映射，因为破坏磁场梯度的零阶矩(k0)的改变提供了在所生成的所采集的mr信号的不相干时间演化中的扩散编码，即，以这样的方式将扩散与其他mr参数(如横向弛豫时间)很好地区分开。

7、本发明的观点在于，有可能(通过适当选择k0的变化模式)抑制上文提及的不纯相干性，在不纯相干性中由静态磁场不均匀性导致的mr回波信号未被完全重新聚焦。因此，本发明可以避免因不同回波时间的叠加导致所采集的mr信号数据中不期望的伪影。

8、在可能的实施例中，所述成像序列包括两个或更多个类型的序列块，如类型a和类型b，其中，将固定的k0值(k0a和k0b)分配给每个类型。还可以将固定的重复时间tra和trb分配给每个类型。两个(或更多个)类型的序列块可以任意交错。

9、在本发明的实施例中，不同序列块类型的固定k0值是单位破坏梯度值的逐对互质整数倍。例如，k0a和k0b可以根据以下关系来选择：

10、k0a＝na·k0,k0b＝nb·k0

11、其中，na和nb是互质正整数(即，除了1以外没有公约数)，并且k0是单位破坏梯度矩，其大到足以使mr信号去相位(即，k0应当大到足以导致横向磁化相移2π或更多)。后一条件保证了相邻磁化状态不会泄漏到所采集的mr信号中。结果表明，利用k0a和k0b的以上选择，在不纯相干的重新聚焦发生之前，至少需要重复nb次类型a序列块并重复na次类型b序列块。实际次数还取决于不同序列块类型的交错方案。因此，可以通过针对互质数na和nb中的至少一个选择足够大的值来抑制不期望的不纯相干。优选地，两个互质数的比率至少是5，优选至少是10，最优选至少是20。以此方式，通过使该相干在有机会被重新聚焦之前经历长串序列块，实现对不纯相干的抑制。包括不同翻转角的许多rf脉冲的该串序列块减小了从rf脉冲到rf脉冲的该相干的绝对强度。因此，不纯相干被弛豫稀释并减弱，并因此太弱以至于不能显著劣化所采集的mr信号数据。对互质数na和nb以及对不同序列块类型的交错模式两者的选择可以用于优化对不纯相干的抑制。需要注意的是，可以任意选择针对两个或更多个序列块类型的tr。可以设想使用多于两个不同的序列块类型。

12、在可能的实施例中，在所述成像序列的过程期间改变的另外的采集参数是以下中的一个或多个：重复时间、回波时间、翻转角、rf脉冲相位和/或频率、k空间采样模式、读出磁场梯度和/或纵向磁化准备。如同在常规mrf技术中，应用mr信号采集方案，其通过在整个数据采集过程中不断改变采集参数，使得来自不同材料的mr信号在空间和时间上不相干。除了前文描述的破坏磁场梯度的零阶矩的改变之外，所提及的采集参数也可以用于该目的。可以以随机方式、伪随机方式或是其他方式改变所述采集参数，产生来自不同材料的mr信号在空间上不相干、时间上不相干或在两者上均不相干。

13、如前文所提及，通过从一个序列块到下一个序列块改变采集参数(包括k0)，采集参数的改变实现在空间上不相干、时间上不相干或在两者上均不相干。这创建了具有变化的对比度的一系列时间mr图像。mrf重建过程被设计为映射各种mr参数中的任何参数，如上文所讨论的扩散系数，以及可选的纵向弛豫时间t1、横向弛豫时间t2、主磁场或静态磁场b0、rf磁场b1以及自旋(质子)密度。为实现该目的，将所采集的mr信号数据的时间演化与mr信号演化模式的词典进行比较，mr信号演化模式的词典是基于mr信号模型(如为基于布洛赫方程的物理模拟)或优选为在计算上更为简单并因此更高效的扩展相位图(epg)形式体系(参见上文)针对不同采集参数而提前生成的。该比较允许评估感兴趣的mr参数。通常，将给定图像位置处的mr参数评估为提供在所采集的mr信号演化与预测的mr信号演化模式之间的最佳匹配的参数。常规的模式匹配算法可以用于该目的。

14、在本发明的实施例中，至少一些序列块的rf脉冲是化学位移选择性的。例如，这可以用于实现脂肪抑制。

15、目前所描述的本发明的方法可以借助于一种mr系统来执行，所述mr系统包括：至少一个主磁体线圈，其用于在检查体积内生成主磁场；若干梯度线圈，其用于在所述检查体积内的不同空间方向上生成切换磁场梯度；至少一个rf线圈，其用于在所述检查体积内生成rf脉冲和/或用于接收来自位于所述检查体积中的物体的mr信号；控制计算机，其用于基于检查协议来控制rf脉冲与切换磁场梯度的时序；以及，重建单元，其用于根据接收到的mr信号来重建mr图像。

16、例如，本发明的方法可以通过对所述mr系统的重建单元和/或控制单元进行相应编程来实施。

17、本发明的方法可以有利地在目前临床使用的大多数mr系统中执行。为此，仅需要利用计算机程序，所述mr系统由所述计算机程序来控制，使得其执行本发明的上述方法步骤。所述计算机程序可以存在于数据载体上，或存在于数据网络上，以便下载安装在所述mr系统的所述控制单元中。