一种基于谱像一体化的超极化氙气磁共振方法与流程

本发明涉及磁共振成像
技术领域：
，尤其是涉及一种基于谱像一体化的超极化氙气磁共振方法。适用于超极化氙气作为造影剂的肺部磁共振成像。
背景技术：
：随着吸烟人数的增加、空气污染(如雾霾等)的加剧，肺部疾病的形势日益恶化。胸透(X射线)、计算机断层扫描(ComputerTomography，CT)等是目前常规的肺部疾病临床影像诊断技术，但是，它们具有一定的放射性。相对而言，磁共振成像(MagneticResonanceImaging，MRI)技术没有放射性，但是，肺部是常规MRI的一个“盲区”。使用超极化氙气(Xe-129)作为造影剂是一种新型技术，能够实现肺部结构的MRI。而且，超极化氙气能溶解于肺组织和血液(见图1)。进行肺部功能MRI，可以获得肺部重要的功能信息。目前，利用超极化氙气MRI检测肺部功能信息的主要方法有两个。一个是针对超极化气态氙激发的扩散加权成像(DiffusionWeightedImaging,DWI)方法(Ouriadov等人，LungmorphometryusinghyperpolarizedXe-129apparentdiffusioncoefficientanisotropyinchronicobstructivepulmonarydisease,MagneticResonanceInMedicine,2013,70(6):p.1699-1706.DOI:10.1002/mrm.24595)，探测超极化氙气在肺部的扩散信息，模拟氧气在肺中的扩散，结合相应的肺部模型(如文章中的Weibel模型)，进而能估算肺泡、细支气管的平均尺寸等肺部功能参数。另一个是针对超极化溶解态氙激发的化学位移饱和恢复(ChemicalShiftSaturationRecovery,CSSR)方法(Stewart,NeilJ等人，ExperimentalvalidationofthehyperpolarizedXe-129chemicalshiftsaturationrecoverytechniqueinhealthyvolunteersandsubjectswithinterstitiallungdisease,MagneticResonanceInMedicine,2015,74(1):p.196-207.DOI:10.1002/mrm.25400)，探测超极化氙气从肺泡进入组织或血液中变为超极化溶解态氙的过程，模拟氧气从肺泡运输到血液中的“气血交换”过程，结合相应的肺部模型(如文章中的MOXE模型)，进而能估算肺间隔厚度、平均气血交换时间等肺部功能参数。上述两个方法中，DWI方法探测的是肺部的“气体扩散”功能，能得到肺泡、细支气管的平均尺寸等肺部功能参数；CSSR方法探测的是肺部的“气血交换”功能，能得到肺间隔厚度、平均气血交换时间等肺部功能参数。肺部疾病的早期检测通常需要参考全面的肺部功能参数，因此，如果能够同时探测肺部的“气体扩散”和“气血交换”两个功能，将对肺部疾病的早期检测提供帮助。然而，DWI方法采集的是肺部影像，CSSR方法采集的是肺部谱图，由于目前已有的超极化氙气磁共振方法中，影像和谱图需要分开在2次采样中完成，因此，如果要同时获取病人肺部的“气体扩散”和“气血交换”两个功能，目前有以下的几种方案：方案一、在同一次屏气中先运行CSSR方法，等CSSR方法运行结束以后，再运行DWI方法；方案二、在同一次屏气中先运行DWI方法，等DWI方法运行结束以后，再运行CSSR方法；方案三、在不同的屏气中分别运行CSSR方法和DWI方法。在第一种方案中，由于运行CSSR方法的过程中超极化氙气的信号有弛豫损耗，因此将导致运行DWI方法时信号过低。第二种方案中，由于运行DWI方法的过程中超极化氙气的信号被激发损耗，导致运行CSSR方法时信号过低。此外，不论是上述第一种还是第二种方案，连续运行2个方法都会导致单次屏气时间延长，造成病人的不适。第三种方案中，病人需要吸入2倍剂量的超极化氙气、屏2次气，增加了收集超极化氙气的时间和物质成本，造成病人诊断成本的提高以及诊断效率的降低。因此，需要一种能实现CSSR方法和DWI方法同步运行的磁共振方法。为了解决上述
背景技术：
中的问题，本发明提出一种基于谱像一体化的超极化氙气磁共振方法，用以在单次采样中同时采集得到磁共振影像和谱图，使得CSSR方法和DWI方法能同步运行，从而同步获得肺部的“气体扩散”和“气血交换”功能信息。本发明方法能够让病人只吸入一次超极化氙气，只需单次采样就能同时检测到肺部的“气体扩散”和“气血交换”功能，并且总的采样时间更短，缩短了病人所需的屏气时间，又保证两个模块运行时都拥有较高的磁共振信号。技术实现要素：本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种基于谱像一体化的超极化氙气磁共振方法。本发明目的通过下述技术方案来实现：一种基于谱像一体化的超极化氙气磁共振方法，包括以下步骤：步骤1、初始化CSSR步骤的总重复次数m，初始化CSSR步骤的预设交换时间τ1～τm，预设交换时间τ1～τm之间的大小关系是τ1<τ2<…<τm；步骤2、初始化DWI步骤的总激发次数Z，初始化DWI步骤的重复时间TR；步骤3、根据下式确定在预设交换时间τk内能运行DWI步骤的可运行次数fkfk=[τkTR],k∈(1,2,...,m)]]>其中，方括号[]表示取小于方括号内数值的最大正整数；步骤4、根据下式确定在预设交换时间τk内运行DWI步骤的实际运行次数nknk=fk×{Z≥Σi=1kfk}+(Z-Σi=1k-1fk)×{Σi=1kfk>Z}×{fk>Σi=1kfk-Z},k∈(1,2,...,m)]]>上式中，花括号{}表示如果花括号内的表达式是真，取1；如果花括号内的表达式不是真，取0；步骤5、根据下式确定在第m次CSSR步骤运行之后运行DWI步骤的后运行次数hh=(Z-Σk=1mfk)×{Z≥Σk=1mfk},k∈(1,2,...,m)]]>上式中，花括号{}表示如果花括号内的表达式是真，取1；如果花括号内的表达式不是真，取0；步骤6、根据下式确定CSSR步骤的实际交换时间TkTk＝τk-TR×nk，k∈(1，2，…，m)步骤7、受试者吸入超极化Xe-129气体并屏气；设定k为1；步骤8、运行第k次CSSR步骤中的饱和步骤；步骤9、根据步骤4确定的在预设交换时间τk内运行DWI步骤的实际运行次数nk，运行nk次DWI步骤的像采样步骤，获得回波信号Echo，并将回波信号Echo存入第二数据空间，在nk次DWI步骤的像采样步骤中，相位编码梯度P1和扩散标记梯度DW1均从0开始依次增大；步骤10、根据步骤6确定的第k次CSSR步骤的实际交换时间Tk，在实际交换时间Tk内运行CSSR步骤中的交换步骤，CSSR步骤中的交换步骤具体如下：不进行任何操作；步骤11、运行第k次CSSR步骤中的谱采样步骤，获得自由感应衰减信号(FID)并存入第一数据空间中；步骤12、若k大于等于m，则进入步骤13；若k小于m，k加1后返回步骤8；步骤13、根据步骤5确定的在第m次CSSR步骤运行之后运行DWI步骤的后运行次数h，运行h次DWI步骤的像采样步骤，获得回波信号Echo，并将回波信号Echo存入第二数据空间，在h次DWI步骤的像采样步骤中，相位编码梯度P1和扩散标记梯度DW1均从0开始依次增大；步骤14、对步骤11采集的存入第一数据空间中的自由感应衰减信号(FID)做一维快速傅立叶变换(1DimensionalFastFourierTransform，1DFFT)得到m个磁共振谱图；步骤15、对步骤9、步骤13采集的存入第二数据空间中的回波信号Echo做二维快速傅立叶变换(2DimensionalFastFourierTransform，2DFFT)得到相应的磁共振影像。如上所述的步骤8中CSSR步骤中的饱和步骤具体如下：磁共振成像设备首先发射一个溶解态氙选择性激发脉冲α1，溶解态氙选择性激发脉冲α1的激发中心频率对准超极化溶解态氙的共振频率，溶解态氙选择性激发脉冲α1的激发角度为90°，紧接着磁共振成像设备在垂直于主磁场方向的方向上施加一个损毁梯度G1。如上所述的步骤9和步骤13中的DWI步骤的像采样步骤具体如下，磁共振成像设备首先发射一个气态氙选择性激发脉冲α3，气态氙选择性激发脉冲α3的激发中心频率对准超极化气态氙的共振频率，气态氙选择性激发脉冲α3的激发角度为θ°，并且同时施加选层梯度S1，从而选择一个成像层面；磁共振成像设备接着在设定方向施加一个正向和一个反向的成对扩散标记梯度DW1进行扩散标记；磁共振成像设备接着在相位编码梯度方向上施加一个相位编码梯度P1并在读出梯度方向上施加一个散相梯度R1；接着在读出梯度方向上施加一个读出梯度R2，并相应地进行像采样E2获得回波信号Echo，回波信号Echo存入第二数据空间；最后在选层梯度方向、相位编码梯度方向、读出梯度方向各施加一个损毁梯度G2。如上所述的激发角度θ°不大于10°。如上所述的CSSR步骤中的谱采样步骤具体如下：磁共振成像设备发射一个非选择性激发脉冲α2，非选择性激发脉冲α2的激发中心频率对准超极化溶解态氙的共振频率，非选择性激发脉冲α2对超极化溶解态氙激发和超极化气态氙均进行激发，相应地进行谱采样E1，获得包含超极化溶解态氙和超极化气态氙的自由感应衰减信号(FID)，将自由感应衰减信号(FID)存入第一数据空间。本发明相对于现有技术具有以下优点和积极效果：1、采用谱像一体化的方式，在单次采样中同时采集得到CSSR的谱图和DWI的影像，从而能同时获得肺部的“气体扩散”和“气血交换”功能信息。2、本发明采用将DWI步骤嵌入CSSR步骤的交换时间中运行的方式，可以缩短总采样时间，3、本发明中DWI数据与CSSR数据能够被同步采集，因此CSSR和DWI步骤运行时都能获得较高的磁共振信号。附图说明图1为超极化氙气在活体肺部的磁共振信号分布图；图2为本发明一种基于谱像一体化的超极化氙气磁共振方法的时间顺序图；图3-1为本发明一种基于谱像一体化的超极化氙气磁共振方法获得的谱图示意图；图3-2为本发明一种基于谱像一体化的超极化氙气磁共振方法获得的影像示意图。具体实施方式下面参照附图详细描述本发明的说明性、非限制性实施例，对本发明一种基于谱像一体化的超极化氙气磁共振方法的技术方案作进一步具体的说明，以便于充分理解本发明。实施例1：本发明基于谱像一体化的方式，在单次采样中同时完成CSSR方法和DWI方法的运行。本发明的步骤为：步骤1、初始化CSSR步骤(化学位移饱和恢复步骤)的总重复次数m，初始化CSSR步骤(化学位移饱和恢复步骤)的预设交换时间τ1～τm，预设交换时间τ1～τm之间的大小关系是τ1<τ2<…<τm；步骤2、初始化DWI步骤(扩散加权成像步骤)的总激发次数Z，初始化DWI步骤(扩散加权成像步骤)的重复时间TR；步骤3、根据下式确定在预设交换时间τk内能运行DWI步骤(扩散加权成像步骤)的可运行次数fkfk=[τkTR],k∈(1,2,...,m)]]>其中，方括号[]表示取小于方括号内数值的最大正整数；步骤4、根据下式确定在预设交换时间τk内运行DWI步骤(扩散加权成像步骤)的实际运行次数nknk=fk×{Z≥Σi=1kfk}+(Z-Σi=1k-1fk)×{Σi=1kfk>Z}×{fk>Σi=1kfk-Z},k∈(1,2,...,m)]]>上式中，花括号{}表示如果花括号内的表达式是真，取1；如果花括号内的表达式不是真，取0；Z为DWI步骤(扩散加权成像步骤)的总激发次数；步骤5、根据下式确定在第m次CSSR步骤(化学位移饱和恢复步骤)运行之后运行DWI步骤(扩散加权成像步骤)的后运行次数hh=(Z-Σk=1mfk)×{Z≥Σk=1mfk},k∈(1,2,...,m)]]>上式中，花括号{}表示如果花括号内的表达式是真，取1；如果花括号内的表达式不是真，取0；步骤6、根据下式确定CSSR步骤(化学位移饱和恢复步骤)的实际交换时间TkTk＝τk-TR×nk，k∈(1，2，…，m)步骤7、受试者吸入超极化Xe-129气体并屏气。受试者可以是病人，也可以是科研用的动物；吸气和屏气过程可以是主动吸入并屏住，也可以是通过呼吸机被动吸入并屏住。设定k为1。步骤8、运行第k次CSSR步骤(化学位移饱和恢复步骤)中的饱和步骤：CSSR步骤(化学位移饱和恢复步骤)中的饱和步骤具体如下：磁共振成像设备首先发射一个溶解态氙选择性激发脉冲α1，本实施例中，溶解态氙选择性激发脉冲α1选用高斯型形状，溶解态氙选择性激发脉冲α1的激发中心频率对准超极化溶解态氙的共振频率(本实施例中为204ppm，如图1所示)，溶解态氙选择性激发脉冲α1的激发角度为90°。溶解态氙选择性激发脉冲α1只对超极化溶解态氙激发，对超极化气态氙不激发。从而超极化溶解态氙的信号被全部翻转到垂直于主磁场方向的平面上。紧接着磁共振成像设备在垂直于主磁场方向的方向上施加一个损毁梯度G1；损毁梯度G1将超极化溶解态氙的信号全部损毁后，此时没有任何的超极化溶解态氙信号。步骤9、根据步骤4确定的在预设交换时间τk内运行DWI步骤(扩散加权成像步骤)的实际运行次数nk，运行nk次DWI步骤(扩散加权成像步骤)的像采样步骤，在nk次DWI步骤(扩散加权成像步骤)的像采样步骤中，相位编码梯度P1和扩散标记梯度DW1均从0开始依次增大：DWI步骤(扩散加权成像步骤)的像采样步骤具体如下(其中，扩散标记梯度DW1和相位编码梯度P1为变量。对应每一次重复运行的DWI步骤(扩散加权成像步骤)的像采样步骤，相位编码梯度P1和扩散标记梯度DW1从0开始依次增大)：磁共振成像设备首先发射一个气态氙选择性激发脉冲α3，本实施例中，气态氙选择性激发脉冲α3选用高斯型形状，气态氙选择性激发脉冲α3的激发中心频率对准超极化气态氙的共振频率(本实施例中为0ppm，如图1所示)，气态氙选择性激发脉冲α3的激发角度为θ°(θ°为不大于10°的小角度)，气态氙选择性激发脉冲α1只对超极化气态氙激发，对超极化溶解态氙不激发。并且同时施加选层梯度S1，从而选择一个成像层面；磁共振成像设备接着在设定方向(本实施例中为相位编码方向)施加一个正向和一个反向的成对扩散标记梯度DW1(即图2中虚线方框内的梯度)，用来进行扩散标记；磁共振成像设备接着在相位编码梯度方向上施加一个相位编码梯度P1并在读出梯度方向上施加一个散相梯度R1；接着在读出梯度方向上施加一个读出梯度R2，并相应地进行像采样E2获得回波信号Echo，回波信号Echo存入第二数据空间；最后在选层梯度方向、相位编码梯度方向、读出梯度方向各施加一个损毁梯度G2，将垂直于主磁场方向的气态氙信号进行损毁。步骤10、根据步骤6确定的第k次CSSR步骤(化学位移饱和恢复步骤)的实际交换时间Tk，在实际交换时间Tk内运行CSSR步骤(化学位移饱和恢复步骤)中的交换步骤：CSSR步骤(化学位移饱和恢复步骤)中的交换步骤具体如下：不进行任何操作。步骤11、运行第k次CSSR步骤(化学位移饱和恢复步骤)中的谱采样步骤：CSSR步骤(化学位移饱和恢复步骤)中的谱采样步骤具体如下：磁共振成像设备发射一个非选择性激发脉冲α2，非选择性激发脉冲α2的激发中心频率对准超极化溶解态氙的共振频率(本实施例中为204ppm，如图1所示)，非选择性激发脉冲α2的激发角度为90°，非选择性激发脉冲α2对超极化溶解态氙激发和超极化气态氙均进行激发，相应地进行谱采样E1，便能获得包含超极化溶解态氙和超极化气态氙的自由感应衰减信号(FID)，这些自由感应衰减信号(FID)存入第一数据空间。步骤12、若k大于等于m，则进入步骤13；若k小于m，k加1后返回步骤8；步骤13、根据步骤5确定的在第m次CSSR步骤(化学位移饱和恢复步骤)运行之后运行DWI步骤(扩散加权成像步骤)的后运行次数h，运行h次DWI步骤(扩散加权成像步骤)的像采样步骤，在h次DWI步骤(扩散加权成像步骤)的像采样步骤中，相位编码梯度P1和扩散标记梯度DW1均从0开始依次增大：具体的，此处的DWI步骤(扩散加权成像步骤)的像采样步骤与步骤9中的DWI步骤(扩散加权成像步骤)的像采样步骤一致。DWI步骤(扩散加权成像步骤)的像采样步骤具体如下(其中，扩散标记梯度DW1和相位编码梯度P1为变量。对应每一次重复运行的DWI步骤(扩散加权成像步骤)的像采样步骤，相位编码梯度P1和扩散标记梯度DW1从0开始依次增大)：磁共振成像设备首先发射一个气态氙选择性激发脉冲α3，本实施例中，气态氙选择性激发脉冲α3选用高斯型形状，气态氙选择性激发脉冲α3的激发中心频率对准超极化气态氙的共振频率(本实施例中为0ppm，如图1所示)，气态氙选择性激发脉冲α3的激发角度为θ°(θ°为不大于10°的小角度)，气态氙选择性激发脉冲α1只对超极化气态氙激发，对超极化溶解态氙不激发。并且同时施加选层梯度S1，从而选择一个成像层面；磁共振成像设备接着在设定方向(本实施例中为相位编码方向)施加一个正向和一个反向的成对扩散标记梯度DW1(即图2中虚线方框内的梯度)，用来进行扩散标记；磁共振成像设备接着在相位编码梯度方向上施加一个相位编码梯度P1并在读出梯度方向上施加一个散相梯度R1；接着在读出梯度方向上施加一个读出梯度R2，并相应地进行像采样E2获得回波信号Echo，回波信号Echo存入第二数据空间；最后在选层梯度方向、相位编码梯度方向、读出梯度方向各施加一个损毁梯度G2，将垂直于主磁场方向的气态氙信号进行损毁。此步骤运行结束后，不需要受试者屏气，因而受试者可以正常呼吸。步骤14、对步骤11采集的存入第一数据空间中的自由感应衰减信号(FID)做一维快速傅立叶变换(1DimensionalFastFourierTransform，1DFFT)得到m个磁共振谱图；步骤15、对步骤9、步骤13采集的存入第二数据空间中的回波信号Echo做二维快速傅立叶变换(2DimensionalFastFourierTransform，2DFFT)得到相应的磁共振影像。根据步骤14获得的磁共振谱图和步骤15获得的磁共振影像，分别结合相应模型计算对应的“气血交换”和“气体扩散”的功能信息。附图2所示的实施例中，RF、Gs、Gp、Gr、Acq分别表示射频脉冲、选层梯度、相位编码梯度、读出梯度和采样事件。实施例2：下面对实施例1中的一些设定值给出具体值，从而对本发明方法与
背景技术：
中的3个方案进行比较。本实施例中：步骤1中设定的m＝27，[τ1,……,τm]＝[0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,200,300,400,500,600,700,900]ms；步骤2中设定的Z＝192，TR＝30ms；则对应步骤3的[f1,……,fm]＝[0,0,0,1,1,1,2,2,2,3,3,3,4,4,4,5,5,5,6,6,6,10,13,16,20,23,30]；对应步骤4的[n1,……,nm]＝[0,0,0,1,1,1,2,2,2,3,3,3,4,4,4,5,5,5,6,6,6,10,13,16,20,23,30]；对应步骤5的h＝17；对应步骤6中的[T1,……,Tm]＝[0,10,20,0,10,20,0,10,20,0,10,20,0,10,20,0,10,20,0,10,20,0,10,20,0,10,0]ms；本实施例中设定CSSR方法中运行饱和步骤以及谱采样步骤1次需要的时间为Ty＝30ms。其他与实施例1相同。从而如果采用
背景技术：
中的方案一、方案二或方案三，总采样时间需要但如果采用本发明中的方案，总采样时间需要并且由于本发明中CSSR方法和DWI方法都有所提前，因而两个方法都能拥有高信号。设定DWI中对气态氙的激发角度θ°为5°；超极化氙气在肺部的纵向弛豫时间为15秒，则本发明方法与
背景技术：
中的3个方案进行比较的数值见表1。可见，本发明方法能够在1次屏气中，用最短的时间同步采集得到CSSR信号和DWI信号，并且CSSR信号和DWI信号能同时保持高信号。表1采用
背景技术：
中的不同方案及本发明方案获得的效果比较以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3