用于磁共振的改进的技术、系统和机器可读程序的制作方法
【专利说明】用于磁共振的改进的技术、系统和机器可读程序
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求于2013年3月15日提交的第61/802, 315号美国临时专利申请的优 先权权益。本申请还涉及于2013年3月15日提交的第13/844, 446号美国专利申请。第 13/844, 446号美国专利申请又要求第13/623, 759号美国专利申请的优先权权益并且是其 部分连续案。第13/623,759号美国专利申请又要求于2012年3月23日提交的第PCT/ US2012/30384号国际专利申请的优先权权益并且是其连续案。第PCT/US2012/30384号国 际专利申请又要求于2011年3月23日提交的第61/466, 500号美国临时专利申请，以及于 2011年8月10日提交的第61/522, 076号美国临时专利申请的优先权权益。上述专利申请 的每一篇所公开的内容在此全文引入作为参考。 【背景技术】 技术领域
[0003]
[0004] 本发明涉及对在无生命样本或活体内存在的分子进行检测和成像的方法，且具体 涉及对在活体内以低浓度存在的分子或分子组合物进行检测和成像的方法。本发明的实施 例采用磁共振波谱成像技术（MRSI)。本发明的实施例无须使用，即不使用放射性同位素。
[0005] 相关抟术说明
[0006] 通过实现在体内检测作为各种疾病或关注的生物学过程的生物标记物的分子，临 床分子影像学具有变革当前诊断性和治疗性实践的潜力。例如，已知改变的葡萄糖代谢水 平与各种癌症和其它疾病状态的存在有关联；实际上，正是体内葡萄糖代谢的检测形成了 氟代脱氧葡萄糖Fis的基础，也称为2-脱氧-2-[lsF]氟代脱氧葡萄糖（以下称为"F 1SDG"） 正电子发射断层扫描（以下称为"PET"）。作为一种测定肿瘤对化疗和其他形式的治疗的 反应的方法，体内胆碱检测也在研究当中。其它用于癌症诊断/治疗监测的关注的分子包 括肌酸、柠檬酸盐和N-乙酰天冬氨酸。
[0007] 另外，包含诸如全氟化碳纳米颗粒的非生物分子的配合物结构已被用作体内成像 的生物标记物，这种全氟化碳纳米颗粒是由设计成特异性结合到所需生物位点的表面配体 所修饰的。使用MRSI进行分子成像的挑战在于，（外源性和内源性的）目标分子的体内浓 度非常小，以至于临床可行条件下（这些条件包括以合理的场强和合理的时限用MRI扫描 仪进行样本的临床扫描）的检测是非常困难或者甚至不可能的。因而，使用Fis和其它放 射性核素的生物标记物分子的放射性标记，已被用作一种使用体内PET的可检测信号的来 源。
[0008] -个恰当的例子是，氟代葡萄糖，其经由糖酵解作用被转运至细胞。已知癌细胞具 有比健康组织更高的糖酵解速率。一旦进入细胞内，氟代葡萄糖经由己糖激酶代谢为氟代 葡萄糖-6-磷酸和其它代谢产物。氟化分子被转运出细胞的速率远低于源自普通（非氟 化）葡萄糖代谢途径的代谢产物。因此，氟代葡萄糖-6-磷酸可视为在细胞内被"困"了更 长的一段时间（长于1小时）。因此，可预期的是，可以对显示高于氟代葡萄糖背景浓度的 细胞团进行定量评估患癌的可能性。
[0009] PET F18DG作为一种用于识别癌组织存在的可靠技术已出现了 30年，并且近来PET F18DG已被用于其它的诊断用途，包括疑似的缺血性左心室收缩功能障碍的患者的评估和管 理，以及具有某些神经病学征兆（如痴呆和癫痫发作）患者的评估和管理。然而，该方法 有相当大的缺陷，即患者需要承受放射性负荷，这使得该方法只能间歇性地使用，或者在当 PET扫描所产生的诊断信息的收益超过与剂量相关的辐射风险的情况下才能使用。这种风 险-收益分析必须经（治疗医师和患者的）判定以支持进行成像，这通常只出现在得到已 知或高度疑似的有重大意义的病理学结论，例如已得出对癌症的阳性鉴定之后的情形下。 此外，在制造、分配和使用放射性同位素的过程中，对于医护人员及周围环境的成本和风险 也很高。
[0010] 由于F18DG中的放射性同位素发出的信号的强度很大，所以需要很小剂量的F18DG 用于PET研究。相反，F19DG是非放射性的而且与F18DG具有生物一致性，但在临床安全剂量 水平下研究表明其主要代谢物（细胞内F19DG-6-磷酸）可以以低于现今检测阈值的非常低 的浓度获得。在临床上可行的条件（合理的MRI场强和合理的临床扫描次数）下的MRSI 方法和系统。因此，F18DG目前用作使用PET的诊断成像试剂，而F19DG还没有显示是临床上 用作使用MRSI的诊断成像试剂。
[0011] 迄今为止，MRSI的变换至临床应用已经受到了低浓度的靶分子的低信噪比（SNR) 的阻碍（如在上面的例子中）和/或受到难以获得靶分子的光谱选择性的阻碍。尽管通过 各种工程改进（例如更强的磁场）可适量增加 SNR，但没有一种具有能够检测上述体内生物 标记物的潜力。
【发明内容】
[0012] 本发明的优点将在以下描述中阐明，且变得显而易见。本发明的附加优点将通过 说明书和权利要求书以及附图中具体指出的方法和系统来实现和获得。
[0013] 为了达到这些和其它优点并且符合本发明的目的，如本文所具体体现，在一个实 施例中，本发明提供了一种执行磁共振流程的方法。该方法包括提供磁共振装置，其包括 (i)用于沿第一方向提供背景磁场的主磁体，（ii)至少一个射频线圈，和（iii)至少一个梯 度线圈，其可被控制以限定至少一个关注区域。该方法还包括将待研究的样本或受试者引 入到MR装置中，采用射频脉冲来旋转样本或受试者中的至少一组核的磁化，然后可选地产 生图像和/或获得光谱信息作为所述脉冲的结果，然后诱导样本或受试者内的至少一组核 的核磁化与至少一个邻近共振线圈之间的电磁反馈，以引发以下中的至少一种：（i)样本 内的至少一组核的核磁化的矢量方向旋转至相对于背景磁场方向的期望角度和（ii)样本 内的至少一组核的进动频率相对于样本内的其他核的进动频率变换。
[0014] 该方法还可包括采用附加射频脉冲和射频脉冲检测方案以用至少一个射频线圈 从样本或受试者获得信号，其目的在于制造图像和/或获得光谱数据或图像。该方法还可 包括重复上述步骤，从而改善图像强度、光谱分辨率等。该方法还可包括通过上述步骤同时 地或按顺序地获得质子MR图像数据，使得任何由上述方法产生的图像可与解剖MR数据配 准。该方法还可包括采用反馈使能线圈（FEC)和辅助旋转贮存器（SSR)(在下文中将会对 此进行更全面的描述）用作使得核磁性的反馈出现的技术，甚至是在临床MRI条件下（在 该条件下通常不会出现核磁性的反馈）。该方法还包括可选地通过上述步骤同时地或按顺 序地获得质子MR图像数据，使得任何由上述方法产生的图像可与解剖MR数据配准。
[0015] 为了达到这些和其它优点并且符合本发明的目的，如本文所具体体现，在一个实 施例中，本发明也提供了 一种执行磁共振光谱学过程的方法。该方法包括提供磁共振装置， 其包括（i)用于沿第一方向提供背景磁场的主磁体，（ii)至少一个射频线圈，和（iii)至 少一个梯度线圈，其可被控制以限定至少一个关注区域。该方法还包括将待研究的样本或 受试者引入到MR装置中，采用RF脉冲来旋转样本或受试者中的至少一组核的磁化。可选 地，可根据需要将梯度线圈用于从限定的关注区域采集信号或可以从RF线圈的整个视场 (FOV)中获得的信号中采集信号。该方法还可包括采用反馈使能线圈（FEC)和辅助旋转贮 存器（SSR)(在下文中将会对此进行更全面的描述）用作使得核磁性的反馈出现的技术，甚 至是在临床MRI条件下（在该条件下通常不会出现核磁性的反馈）。该方法还包括随后诱 导样本或受试者内的至少一组核的核磁化与至少一个邻近共振线圈之间的电磁反馈，以使 至少一组核的磁化被旋转至相对于背景磁场的新的优选角度。这具有产生可由MR装置检 测并处理的横向磁化的脉冲的效果。该方法还包括在磁化旋转之前或期间调节以下中的至 少一种：i)增益和ii)FEC线圈的相位，以抑制、突出或识别样本或受试者内排除其他的一 组核。该方法还包括在时域中或傅立叶变换（频率）域中处理从磁化旋转产生的脉冲将其 用于光谱信息。该方法还包括可选地重复上述步骤，以改善图像强度、光谱分辨率等。该方 法还包括可选地与上述步骤同时地或按顺序地获得质子MR图像数据，使得任何由上述方 法产生的图像可与解剖MR数据配准。
[0016] 在一些实施方式中，上述方法还可包括处理从RF磁化的多个脉冲获得的信息，以 产生以下中的至少一种：（i)图像，（ii)动态流数据，（iii)灌注数据，（iii)化学物种的光 谱特性，（iv)生理数据，或（V)代谢数据。
[0017] 在进一步的实施方式中，可采用设计成放大反馈的线圈。可附加地并且可选地使 线圈允许对反馈场的相位角进行操控。该线圈在该文献中被称为反馈使能线圈（FEC)。另外 的适当的线圈的实例可参见2013年9月25日提交的美国临时专利申请系列第61，882, 430 号，其全部内容在此引入作为参考用于任意目的。
[0018] 在进一步的实施方式中，该方法包括将包含多个分子的体积插入共振线圈或FEC 的视场（FOV)中。该体积（称为辅助旋转贮存器（SSR))允许产生反馈，甚至是在临床MRI 扫描仪的相对低场条件下。另外，通过选择SSR内部的分子（或多个分子），可使反馈场以 期望的频率或频率组共振。
[0019] 根据其他方面，本发明提供了用于执行磁共振流程的系统。该系统可包括磁共 振装置，其包括（i)用于沿第一方向提供背景磁场的主磁体，（ii)至少一个射频线圈，和 (iii)至少一个梯度线圈，其可被控制以限定至少一个关注区域。该系统还可包括用于限定 关注区域的装置、用于将待研究的样本或受试者引入到关注区域的装置，以及用于诱导样 本内的至少一组核的核磁化与至少一个邻近共振线圈之间的电磁反馈的装置，以使至少一 组核的核磁化的矢量方向旋转至相对于背景磁场的第一方向的期望角度以产生至少一个 横向磁化Mxy的电磁脉冲。该方法还可包括用于使用至少一个射频线圈检测射频磁化的一 个或多个脉冲的装置。
[0020] 在一些实施例中，（i)至少一个射频线圈和（ii)至少一个梯度线圈中的至少一者 可以是局部线圈。至少一个射频线圈和至少一个梯度线圈中的至少一者可被集成到磁共振 系统中。至少一个射频线圈可以是整体线圈。至少一个射频线圈可以是整体相控阵发射/ 接收线圈系统，该系统具有多个线圈，其可以选择性地发射和接收横向磁化的射频脉冲。至 少一个射频线圈可以是局部相控阵发射/接收线圈系统，该系统具有多个线圈，其可以选 择性地发射和接收横向磁化的射频脉冲。至少一个射频线圈还可以包括多个用于局部控制 梯度磁场的局部梯度线圈。至少一个梯度场线圈可以包括被集成到磁共振系统的多个梯度 场线圈，以及一个或多个局部梯度线圈（根据需要）。
[0021] 本发明还提供了存储在有形非瞬时介质上的处理器可读的计算机程序，该程序用 于在磁共振装置上执行磁共振流程，其包括：例如，（i)用于沿第一方向提供背景磁场的主 磁体，（ii)至少一个射频线圈，以及（iii)至少一个梯度线圈，其可被控制以限定至少一个 关注区域。该程序可包括有助于限定关注区域的指令；用于诱导样本内至少一组核的核磁 化和至少一个邻近共振线圈之间的电磁反馈的指令，以使至少一组核的核磁化矢量方向旋 转至相对于背景磁场的第一方向的期望角度，以产生至少一个横向磁化Mxy的电磁脉冲；以 及有助于使用至少一个射频线圈处理接收到的信号的指令，所述信号从横向磁化的脉冲中 产生。
[0022] 该计算机程序还可包括用于处理从多个横向磁化的脉冲获得的信息的指令，以产 生以下中的至少一种：（i)图像、（ii)动态流数据、（iii)灌注数据、（iii)化学物种的光谱 特性、（iv)生理数据，以及（V)代谢数据。该程序还可包括指令：通过控制至少一个梯度线 圈，经基本消除至少一个关注区域中的梯度磁场的存在来诱导电磁反馈。关注区域可包括 至少一个体元，以及所述程序可包括指令：使得至少一个梯度线圈在三个相互正交的方向 中至少一个方向施加磁场梯度。该程序可以包括指令：至少部分通过选择性地将至少一个 射频线圈调谐到预定的共振频率以诱导电磁反馈。该程序可类似地包括指令：使系统选择 性地和可控制地向样本施加射频脉冲，从而在诱导电磁反馈之前，至少部分地反转至少一 组核的核磁化。
[0023] 在一些实施例中，该计算机程序可包括使磁共振系统操作至少一个射频线圈和至 少一个为局部线圈的梯度线圈的指令。该计算机程序可包括使磁共振系统操作至少一个射 频线圈和至少一个被集成到磁共振系统的梯度线圈的指令。该计算机程序可包括操作射频 线圈的指令，该射频线圈为整体相控阵发射/接收线圈系统，所述系统具有多个线圈，其可 以选择性地发射和接收射频磁化的脉冲。如果需要，该计算机程序可包括操作射频线圈的 指令，该射频线圈为局部相控阵发射/接收线圈系统，所述系统具有多个线圈，其可以选择 性地发射和接收射频磁化的脉冲。该计算机程序可类似地包括操作至少一个射频线圈的指 令，所述射频线圈还包括多个用于局部控制梯度磁场的局部梯度线圈。
[0024] 可以理解，前述的一般描述和以下详细描述是示例性的，并将提供对所公开的实 施例的进一步解释。结合在说明书中并构成说明书一部分的附图被包含于内，以图解并提 供对所公开的方法和系统的进一步理解。附图连同描述内容一起用于解释本发明的原理。 【附图说明】
[0025] 图1示出了根据本发明因对单系综的核的磁化进行反转而产生的模拟超辐射 (SR)脉冲。
[0026] 图2描述了在反馈使能线圈（FEC)内的受试者以及辅助旋转贮存器（SSR)，SSR位 于受试者附近并在同一 FEC的视场（FOV)内。
[0027] 图3示出了对相隔IOppm的两个共振的SR条件Mz、Mxy动力学的效应的模拟。这 两个共振开始完全反转，Mz1= -Mz舞2= -Mz 2且Mxy 1>2= 0。接通集中在共振1上的SR条 件使其经过90度在时间t~20毫秒时迅速恢复到与其Mxy平衡的状态。共振2保持几乎 完全反转，其中仅产生很少量的横向磁化。
[0028] 图4描绘了 FEC的示例性电路图以及原型照片。
[0029] 图5示出了因含有等量的两个标记为1和2的共振的模拟样本的反转而产生的SR 脉冲的傅立叶变换的结果。
[0030] 图6描绘了根据本发明的示例性MR成像系统的方面。
[0031] 图7描绘了根据本发明用于操作磁共振系统的示例性计算机系统的方面。
[0032] 图8是本领域已知的反馈系统的示例。
[0033] 图9是根据本发明提供的用于FEC线圈的反馈系统的示例。
[0034] 图10A-C描绘了根据本发明提供的FEC的线圈和支持硬件。
[0035] 图11描绘根据本发明提供的用于FEC线圈的反馈系统的另一示例。 【具体实施方式】
[0036] 现在将详细地参考本发明的优选实施例，优选实施例的示例将在附图中示出。所 公开的实施例的方法和相应步骤将结合系统的详细说明进行描述。
[0037] 轺辐射的数学描沭:
[0038] 在磁共振试验中均匀磁场中核磁的运动方程是：
[0040] 其中M是核磁化强度，B是磁场强度，并且R是她豫矩阵。
[0041] 以频率ω变换到与射频场一起旋转的参考系，由：
[0043] 得出在射频场的旋转参考系中Bloch方程：
[0046] 其中T1为纵向（Z)磁化的指数弛豫的常量，T2是横向磁化的指数弛豫的常量。
[0047] 限定me ±]4>将使Bloch方程分离成用于横向磁化的幅值和相位。
[0048] CN 105190296 A 说明书 6/41 页
[0051] 其中Re和Im指实部和虚部。
[0052] 加入反馈:
[0053] 现在可以加入反馈，以使得：
[0054] Β1±ε β e±jam士= β me ±J(a+4>) [5]
[0055] 然后从方程[3,4]:
[0059] 注意，第二个方程中cosa =0,这表明射频场频率被锁定到Bz。为证明此，求解 Φ O
[0062] 括号中的土号对应于sin a = ± 1，并且ω = - γ Bz。对于13±的± j因子表明 射频场必须相对于磁化发生相移±90度。
[0063] 如果我们写γ i3mzsina = τκ，其中τκ称为"超辐射"时间，则很明显对于方程 6,当dm/dt = 0时，τ R= Τ2。这还限定了超福射发生的环境条件；也就是说，τ Τ2时， 磁化的动力学受超辐射控制而不是"普通"弛豫。
[0064] 微分方程和解:
[0065] 可以从方程得出微分方程。首先对dmz/dt进行置换，以获得：
[0067] 可以获得对于足够长的T1的解，因此 CN 105190296 A 说明书 7/41 页
[0069] m的解由μ sech( μ γ β sin a (t_t。)）得出，其中μ和t。是待确定的常数。验证：
[0071] 1112的解可从第三方程求出：
[0073] 在时间t = 0时，我们有以下
[0074] mz (0) = - μ tanh ( γ β μ sin α t0) -1/ γ β sin α T2
[0075] m(0) = μ sech ( γ β μ sin α t〇) [8]
[0076] 由于在t = 0总磁化强度为等于Μ0,贝IJ
[0080] 因此，μ和L是彼此相关的。使用由方程[8]得出的mz(0)表达式，以给出
[0084] 为确定k，我们可以使用来自方程[8]的m(0)表达式，以给出 CN 105190296 A 说明书 8/41 页
[0088] 用具有正负号的括号{±}限定sgn (sin α )。再限定
[0089] tR= I/ T β M01 sin α [12]
[0090] 因此
[0094] 由]t 匕
[0095] mz (t) = {±} Μ。[ ( τ R/ τ ) tanh ((t-t。) / τ ) - τ r/T2]
[0096] m(t) = Μ〇( τ R/τ ) sech((t_t。)/τ ) [14]
[0097] t。由 m(0)或 mz(0)限定为
[0104] 横向磁化的相位由以下得出：
[0105] Φ (t) + ω t = - γ Bzt+ γ β cos α / mzdt CN 105190296 A 说明书 9/41 页
[0113] 因此频率可以随相位调节发生改变。
【发明内容】
[0114]
[0115] 在SR条件下（τ T2)，用于纵向和横向核磁化的磁化运动方程是：
[0116] mz ⑴={±} Μ。[ ( τ R/ τ ) tanh ((t-t。）/ τ ) - τ R/T2]]
[0117] m (t) = Μ。（ τ R/ τ ) sech ((t-t。）/ τ )
[0118] 这产生磁化脉冲，其在时间t。达到峰值（图I):
CN 105190296 A 说明书 10/41 页
[0127] 轺辐射杰运动方稈的含义：
[0128] 在合适的条件下，来自包含在一个或多个共振线圈中的样本或受试者中的一个或 多个分子的核磁性可以用于自身反馈。在这样的条件下，我们将这些分子描述为处于"超辐 射（SR)条件"。SR条件被定义为其中τκ$Τ2。临床磁共振机器通常不能产生τ r<T2 的条件。
[0129] 除了其他教导之外，本发明还教导了用于实现SR状态的方法和系统，即使对于处 于其他临床条件下的低浓度分子也可以实现。这些教导包括：使用反馈使能线圈（FEC)来 放大，将处于目标体积、SSR或二者之中的一个或多个核自旋的系综产生的电流相移并反馈 至一个或多个RF线圈。此外，我们还教导使用被称作辅助旋转贮存器（SSR)的附加体积， 该贮存器将被插入到MR设备的场中以确保在MR设备中的一个或多个分子处于SR条件。
[0130] 申请人已经发现SR条件的含义是：
[0131] 1)在SR条件下，即便是浓度非常低的核的核磁化也可以非常迅速地回到平衡，远 远快于"正常" T1 ( 即，在非SR条件下回到平衡所需的时间），返回的时间取决于τ R，反之， 可以通过调整反馈使能线圈的设置和/或SSR中的分子特性来选择τ R。
[0132] 2)由于在FEC的FOV中具有不同的进动频率和/或不同T2S的核具有不同的τ R和t^，可以将其互相区分开。例如这使得一组核的磁场矢量被旋转至优选角度，FOV中的 其他核除外。
[0133] 3)还可以单独使用、联用或结合其他工艺使用调节反馈使能线圈的相位和/或增 益，以优先于其它抑制或增强来自所选共振的信号。例如，这抑制了不需要的共振。这还允 许识别目标分子的存在和数量。
[0134] 示例件的MRI拍描仪系统化
[0135] 图4描绘出示例性的磁共振系统，其包括多个主磁体线圈10,该主磁场线圈10沿 着设备的中心孔口 12的纵向或z轴产生均匀的、时间恒定的磁场B。。在优选的超导实施例 中，主磁体线圈由成形器14支撑并且被接收在环形氦容器或罐16中。容器中充满氦以将 主磁体线圈保持在超导温度。该罐可以由一系列支撑在真空杜瓦瓶20中的冷防护罩18环 绕。当然，环形电阻磁体、C-磁体等也在考虑范围内。
[0136] 整体梯度线圈组件30包括沿着孔口 12安装的x、y和Z-线圈，用于产生梯度磁场 Gx、Gy和Gz。优选地，梯度线圈组件是自屏蔽梯度线圈，其包括封装在介电成形器中的初级 x、y和Z-线圈组件32,以及支撑在限定真空杜瓦瓶20的圆筒的孔口上的次级x、y和Z-线 圈组件34。整体射频线圈36可安装在梯度线圈组件30内。整体射频屏蔽器38,例如铜 网，可以安装在整体射频线圈36与梯度线圈组件30之间。如果需要，可插入式射频线圈40 可以可移动地安装在孔口内，该孔口位于围绕磁体10的等中心点限定的检查区域内。在图 2的实施例中，可插入式射频线圈是一个头颈线圈，用于对患者的头部和颈部之一或二者成 像，但也可以