CN1693885A

CN1693885A - 在磁共振光谱学试验中动态检测磁共振频率的方法

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Publication number: CN1693885A
Application number: CNA2005100684420A
Authority: CN
Inventors: 冈纳·克鲁格; 斯蒂芬·罗尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2025-04-28
Also published as: US20050248343A1; CN1693888B; DE102004021771A1; US7215119B2; DE102004021771B4

Abstract

本发明一般地涉及磁共振光谱学MRS(英文为：Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy NMRS)，正如其目前应用在医学中来检查人体中的生物化学以及物质转换过程的那样。在此，本发明尤其涉及一种用于在磁共振光谱学试验中对磁共振频率进行动态频率检测的方法，其特征在于，通过在多个依次进行的序列流程的每一个序列流程中在分别相同的时刻测量导航信号，并且通过对这些导航信号的比较确定磁共振频率的频率漂移，在此基础上针对所测量的频率漂移校正从每个序列流程中得到的相应各个频谱。

Description

在磁共振光谱学试验中动态检测磁共振频率的方法

技术领域

本发明一般地涉及磁共振光谱学MRS(英文为：Nuclear MagneticResonance Spectroscopy NMRS)，正如其目前也应用在医学中来检查人体中的生物化学以及物质转换过程的那样。在此，本发明尤其涉及一种新型的方法，用于在获取单频谱的图像序列期间确定并校正磁共振频率的频率漂移。

背景技术

磁共振光谱学(MRS)和磁共振断层造影(MRT)一样，是基于在1946年发现的核自旋共振效应，该效应首先在基础研究中用来测量核子的磁特性。直到在六十年代观察到：核子的核共振信号(NMR)还受到了其化学环境的影响，并且可以将该“化学漂移”用来表征化学物质，才在试管中建立了所谓的“高分辨率NMR”。其至今成功地应用在物理、化学、生物化学和医药的研究和开发中，来对复杂的大分子进行分析或结构分析。

在八十年代的早期发现，核共振信号由于其对化学环境(含水的组织或者脂肪组织)的依赖性形成非侵入成像技术的基础，该基础至今在医学中作为磁共振断层造影(MRT)是一种最重要的放射学检查方法。

不过，不曾忽视的是，在磁共振断层造影中的成像信号还包含化学信息，这些信息可以被分析用来检查生命体上的生物化学反应以及物质交换过程。这种在生命组织或者生命器官上的空间分辨的光谱学被称为“体内光谱学”(MRS)或者“医疗磁共振光谱学”(MRS)，以区别于通常在实验室中进行的试管中“高分辨NMR”，以及区别于单纯的成像磁共振造影(MRT)。

下面，简单解释核共振的物理基础：

在MRS以及MRT中都是将一个强的恒定磁场施加到待检查的对象(患者或者器官)。由此，对象中此前无规则取向的原子的核自旋被定向。高频波此时能够将该“有序的”原子核自旋激励成特定的振荡(作为宏观量的磁化的Lamor运动)。这种振荡既在MRT又在MRS中产生可借助于适当的接收线圈接收的实际测量信号。在此，通过使用由梯度线圈产生的非均匀磁场，可以在所有三个空间方向上对测量物体进行空间编码，这通常在MRT中被称为“位置编码”以及在MRS中被称为“体积激励”。

在MRS/MRT中，数据的获取在所谓的k域(同义词：频域)中进行。在所谓的图像域中，MR频谱以及MRT图像借助于傅立叶变换与测量的k域数据相关联。

对象的体积激励借助于在所有三个空间方向上的选择断层的高频激励脉冲进行。这通常是利用矩形或者梯形的梯度脉冲同时被辐射到待检查对象中的三个正弦型、高斯型或者双曲线型的HF脉冲。HF脉冲的辐射通过HF天线实现。

通过组合上述脉冲，一个在特定于核类型的共振频率范围内的频谱被辐射到待检查对象的一个定义的、通常六面体型的区域中。在所选出的区域(英文为：Voxel of Interest，感兴趣的体素，VOI)中的相应核，本身以电磁回答信号对该激励作出反应，该回答信号按照和信号(FID信号)的形式在所述HF天线的专门接收模式下被检测到。该模拟信号通过接通一ADC(模数转换器)扫描、数字化以及在计算机单元中进行存储或者傅立叶变换，由此可以将所谓的“频谱”显示在可视化单元(显示器)上。

每个原子核类型具有一个特殊的常数(旋磁系数γ)，其按照如下关系式定义了该核子类型在给定磁场下的共振频率，并且因此可以在给定磁场中加以识别：

在医疗技术中通常产生0.5至3.0特斯拉的基本磁场，而解析NMR使用直到19特斯拉的磁场(且利用小得多的磁铁)。

这样，在1.5T的强磁场下质子(即，各个未被束缚的氢核子，1H)发出63.8MHz的信号，而碳13核子(13C)在16.1MHz下以及磷31核子(31P)在26MHz下显示出共振。因此，可以清楚地区分不同核类型的信号，并且将该试验称为质子光谱学、13C光谱学或者磷光谱学是有意义的。

原子核的化学环境、特别是键合电子导致分子内部磁场强度的变化最小(已经被进一步上位为“化学信息”)，并因此导致相同的原子核的共振频率在Hz范围内出现极小但可以测量到的变化。如果将处于外部均匀的磁场内的物质的回答信号按照频率分类和描绘，则在横坐标上形成不同“化学偏移δ”的频谱以及由此不同分子的频谱。

该偏移δ按照下列公式以共振频率的百万分数(ppm＝百万分之)给出：

δ = \frac{v_{Subs \tan z} - v_{0}}{v_{0}} .

因此该偏移是独立于磁场强度的。但磁共振频谱与基本磁场的磁场强度有关，因为较高的场强更好地区分各个共振并带来更好的信噪比(SNR)。多数在医院范围中可以进行光谱学的MR***利用1.5至3.0特斯拉工作。与磁场强度的大小一样重要的是其均匀性和稳定性，以便也能够最终在63.8Hz的基本频率(1H或者说氢)下实际测量1Hz的频率差。

如已经提到的那样，医疗MR光谱学理解为有生命患者的MR光谱学，通常作为对MR断层造影的补充，其提供更多的关于待检查组织的新陈代谢关联的信息，并且允许在人体中对物质交换过程进行体内检查。在医疗MR光谱学中证实不同的新陈代谢(从物质交换中产生的或者在物质交换中转换的产物)的存在和浓度可以得出关于在大脑、肌肉组织和其它器官中的神经元功能、物质交换变化以及病变的结论。

由于新陈代谢的浓度极低，因此根据不同的核子类型、拍摄持续时间和器官为体积激励设定界限。在1H-MRS中典型的测量体积为约2cm³、在31P-MRS中为约30cm³以及在13C-MRS中甚至大于30cm³。为了拍摄出具有对应高SNR的、可以分析出结论的频谱，经常要求多个顺序过程、即多个连续的并随后相加的单个测量。通常有多达500个测量，可以总共持续数分钟。

在该比较长的、多达数分钟的拍摄时间期间，待拍摄的各频谱蒙受到外界影响(例如，硬件缺陷、有关电子部件的温度变化)，这些影响可能造成磁共振频率改变多达每秒钟数赫兹，因此作为各频谱平均值的总频谱在质量上明显地受到影响。

此外，特别是在质子光谱学(1H-MRS)中，为了看出分布在几个ppm范围上的、明显更弱(低一至两个数量级)的信号(例如，肌氨酸、胆碱、肉碱等)，随处可见的具有较高浓度的细胞组织的、主要的水信号被特殊的拍摄序列抑制。一种用于所谓水抑制的常见方法是CHESS技术(英文为：CHEmical Shift Selective Saturation，化学偏移选择性饱和，也称为3脉冲抑制)，其中，首先对水分子的核自旋通过90°HF脉冲选择性地进行激励，然后将其横向磁化通过闭合磁场梯度(在所有三个空间方向上的x、y、z梯度)而进行移相。对于直接随后的光谱学方法(例如通过直接随后的体积激励)，在理想情况下，水分子不再存在可以检测出的磁化了。尽管在实际中还存在极小的水的残留磁化，但是这种残留磁化在信噪比(感兴趣的1H新陈代谢相对于基准线的信号强度)的范围内是可以容忍的。

为了能够通过在1H光谱学中的频率漂移而考虑单个频谱的平移，在现有技术中的第一种措施是，这样进行对水的抑制，使得(按照频谱中峰值的形式)保留一个明显的水信号，从中可以导出对于频率漂移的信息。这种方法的缺点在于，靠近水的新陈代谢处于水线的宽阔的底部并且需要进一步的后处理，以便再次建立对MR频谱(水平基准线上的峰值)的至少光学上的印象。该方法另一个缺点是，在***频率漂移时水抑制的质量也受到影响，因此该方法非常不牢靠。

个别研究组建议，进行定义好数目的重复，在这些重复期间可以忽略频率漂移或者进行线性差值，在这些重复之后(例如在获取10个单个频谱后的序列组)按照参考扫描的形式进行单个测量，通过该测量只确定水信号的确切的频率位置。这种序列流程要一直进行下去，直到得到可用的频谱。相应的参考测量提供了一种基准，在该基准上可以对所有的重复周期(序列组)相互地进行校正。该方法的缺点在于，由于附加的参考测量而提高了时间需要，因此该方法最终并不吸引人。

此外，还尝试使光谱学测量的总时间最小，以保持频率变化的影响尽可能最小。不过，这会造成强烈的饱和效应，该效应最终还会进一步恶化由于测量时间缩短已经变差的信噪比。

总之，目前在1H光谱学中频率漂移校正的问题还没有得到令人满意的解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种方法，通过该方法可以按照简单的方式诊断并校正在具有水抑制的MR光谱学中的频率漂移。

本发明提出了一种用于在磁共振光谱学试验中对磁共振频率进行动态检测的方法，其特征在于，通过在多个依次进行的序列流程的每一个序列流程中在分别相同的时刻测量导航信号，并且通过对这些导航信号的比较确定磁共振频率的频率漂移，在此基础上针对所测量的频率漂移校正从每个序列流程中得到的相应的各个频谱。

优选地，在质子光谱学的情况下，磁共振光谱学试验利用对水的抑制而进行。

此外，优选地，在多脉冲水抑制的情况下，所述导航信号紧接在第一HF饱和脉冲之后。

在此，优选地按照100μs的数量级接通ADC，并由此使导航信号的持续时间达到100μs的数量级，并且按照本发明将ADC的数据采集按照数量级限制为10个ADC测量值。

在本发明的一种优选的实施方式中，对每个导航信号的ADC测量值进行平均。

在本发明的另一种优选的实施方式中，对所有校正后的各个频谱进行平均。

最后，按照本发明提出了一种装置，其用于实施按照上述方法特征的方法。

附图说明

本发明的其它优点、特征和特性借助于附图由下面对优选实施方式的描述给出。图中，

图1示意性地示出根据本发明的、利用3脉冲水抑制和导航信号的MR光谱学序列的序列方案，

图2A在时域上示意性地示出以水质子为主的FID信号，

图2B示意性地示出在时域上具有水抑制的1H新陈代谢的1H-FID信号，

图2C在频域上示意性地示出以水质子为主的共振曲线，

图2D示意性地示出在频域上具有水抑制的1H新陈代谢的共振曲线。

具体实施方式

对组织的磁共振光谱学的检查会产生衰减的、按照Lamor频率振荡的周期磁核共振信号(MR信号)，即所谓的自由感应衰变(英文为：FreeInduction Decay，FID)，如在图2A和2B中所示的那样。该FID信号近似为对此前辐射到待检查组织中的高频激励信号的电磁回答。正如在说明书开始部分提到的那样，辐射的HF激励脉冲表示代表了在MHz范围内的一种频谱，该MHz范围伸展到期待的新陈代谢的磁共振范围。在质子光谱学中，该频谱在大约60MHz条件下是10ppm的范围，磷光谱学中的频谱宽度在约30ppm时大约是26MHz，而在13C光谱学中，该频谱中的共振在约16MHz时分布在200ppm的范围上。

FID信号本身是一个取决于时间的回答信号，在其频率变化过程中对在相应新陈代谢中被激励核子的所有共振进行频率编码。该编码可以通过傅立叶变换被解码并且按照共振频率进行分类。FID的傅立叶变换一般称为共振曲线，其中在MR光谱学中还采用了“吸收频谱”的概念。在本说明书的后面将在时域中的磁核共振信号表示为MR信号，而在频域中则称为共振曲线或频谱。

可以用来选择其中应当测量MR信号的体积的技术，至少部分地与在MR断层造影(即成像)中的一样，后者中也将核共振信号对应于特定的位置。

借助于梯度、即由体外的所谓梯度线圈产生的空间上不同的磁场强度，可以对身体内部的任意体积进行选择和激励。在此，对于如何与相应HF激励脉冲一起接通该梯度，也就是何时接通、以及接通多长时间和多强，存在不同的技术和组合。最简单的体积选择方法通常在于如下地辐射三个频谱90°HF脉冲，其中同时利用每个HF脉冲接通相应空间方向(x，y，z方向)的梯度脉冲。这种HF脉冲被称为“断层选择的”。按照这种方式相适应地激励三个相互垂直的断层，并且最终仅仅激励对应的截面体积，从而也只有该截面体积提供了信号。最后利用ADC(模数转换器)读出该信号。

为了相对于基本噪声得到频谱中有意义的峰值，通常在较大的体积中只对FID信号测量一次是不够的。多数情况下必须测量许多序列过程，其中分别将属于一个序列过程的各个频谱相加。所需要的序列过程的大数量导致比较长的总拍摄时间(多达数分钟)，在此期间设备特定的干扰明显地对待拍摄的各个频谱产生影响。因此，在测量期间共振频率的漂移导致单个频谱的移动，这在频谱相加中引起明显的信号扩展。本发明提出了一种可以按照简单的方式考虑并校正测量期间的共振频率漂移的方法。

在1H光谱学中的困难在于，如本文开始部分解释的那样，细胞组织的水信号比新陈代谢信号高出数个数量级，必须在利用随后的测量进行实际的体积激励之前通过其它费时的序列片段加以抑制。如果不抑制水信号，新陈代谢的共振就不会在共振曲线中显现出来。这种关系由图2A至2D说明：

图2C示意性地示出了在频域上以“自由的”水质子为主的共振曲线，该共振曲线通过傅立叶变换从图2A的ADC信号中获得。在两条曲线(ADC信号和共振曲线)中的水信号这样主导，使得1H新陈代谢的频率以及共振几乎不能识别。图2B示意性地示出一个利用水抑制获得的ADC信号。该信号明显地表示出其中1H新陈代谢的共振被频率编码的包络发生指数下降。对图2B中曲线的傅立叶变换带来在图2D中表示的频谱，其中表明水的共振(黑色的箭头)相对于水共振右侧的1H新陈代谢被明显地抑制了。

水抑制的序列片段由与在体积激励中类似的HF和梯度脉冲序列构成，不过，HF脉冲不是断层选择的(也就是说，该梯度脉冲不是与HF脉冲同时辐射的)，此外相互之间还具有特定的时间间隔和特定的幅度比。这一方面导致测量持续时间进一步明显的变长，这进一步提高了带有水抑制的光谱学测量的灵敏性。另一方面可以在实际的边界条件下利用该相对简单的方法实现在30和80之间的典型的水抑制系数，为了能在频谱中有意义地表示1H新陈代谢的共振，这对于许多应用来说不仅是充分的，而且是必须的。水信号不能完全被抑制并不一定是缺点。

图1以3脉冲水抑制为出发点的常规体积激励的形式示出了典型的MRS序列。在该体积激励之后这样接通ADC，使得紧接在第三断层选择HF脉冲之后出现的FID信号被获取或者被扫描。如根据图1可以看出的，这种水抑制(这里是3个脉冲抑制)导致测量序列在时间上明显加长(加长到2至3倍)。

本发明在于，通过短暂接通ADC将公知的带有水抑制的MR光谱学序列的数据获取扩展一个导航信号。重要的是，该导航信号总是在相对于序列开始的相同时间间隔t_NAV之后出现。此外，优选地将该导航信号保持为非常短(例如50至100μs)，使得ADC按照数量级采集大约10个值，可能的话可以对这些值进行平均(也可以考虑其它的值)。按照图1观察3脉冲抑制，优选地在第一和第二HF抑制脉冲之间对导航信号进行采样。按照这种方式，ADC在每个序列过程中在分别相同的时刻测量几个数据点(复数值、频率编码的)，这些数据点包含了没有完全抑制的水的共振信号。作为(可能的话被平均的)复数值，相应的ADC值具有一个相位θ，该相位在共振频率漂移的情况下对各个序列是不同的。

通过将每个频谱的相应(平均的)导航信号值的相位进行比较(例如通过复数共扼的乘积)，可以根据下式确定按照频率移动Δν形式的频率漂移：

Δv = \frac{Δθ}{2 πTE}

其中TE表示在激励脉冲和导航信号之间的时间间隔。因此，可以对每个频谱校正Δν。在理想情况下，将各个不同频谱的相位总是与相同的“参考”导航信号(优选为第一序列过程的导航信号)进行比较。精度取决于TE并且可以预测为＜±1。

总之，本发明的MR光谱学序列对已有MRS序列进行了微小改动，对于测量时间没有或者只有极小的影响。此外，核自旋历史不受按照本发明的方法的影响，也就是说，仅仅从现有的顺序序列步骤中读出附加的信息。该附加信息最后直接被用于对各个频谱进行校正，并且最后改善了相加的各个频谱的质量。

Claims

1.一种用于在磁共振光谱学试验中对磁共振频率进行动态频率检测的方法，其特征在于，通过在多个依次进行的序列流程的每一个序列流程中在分别相同的时刻测量导航信号，并且通过对这些导航信号的比较确定磁共振频率的频率漂移，在此基础上针对所测量的频率漂移校正从每个序列流程中得到的相应各个频谱。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁共振光谱学试验利用对水的抑制而进行。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，在多脉冲水抑制的情况下，所述导航信号紧接在第一HF饱和脉冲之后。

4.根据上述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述导航信号具有100μs数量级的持续时间。

5.根据上述权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述导航信号按照数量级采集10个ADC测量值。

6.根据上述权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，对所述导航信号的ADC测量值进行平均。

7.根据上述权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，对所有校正后的各个频谱进行平均。

8.一种用于实施根据权利要求1至7中任一项所述的方法的装置。