一种基于单次屏气内多角度激发的超极化角度校准方法

文档序号:9545935阅读:541来源:国知局
一种基于单次屏气内多角度激发的超极化角度校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁共振成像技术领域,尤其是涉及一种基于单次屏气内多角度激发的 超极化角度校准方法。适用于超极化129Xe、3He、S3Kr等超极化气体及超极化 13C的磁共振成 像,适用于相应共振核的鸟笼、表面、马鞍、相位阵列等形状的磁共振射频线圈。
【背景技术】
[0002] 磁共振(MRI)气体造影剂(例如129Xe、3He、83Kr等惰性气体)经过光抽运后成为超 极化状态,其探测灵敏度相对常规水平能增强IO 3~10 5倍,已经在科研工作中成为肺部气 体交换的可视化检测介质,有望推广到临床。
[0003] MRI中的射频线圈翻转角校准是扫描前必需的准备工作。无论在自旋回波(SE)还 是平面回波(EPI)等常规扫描序列中,都需求精准的90度和180度激发。常规的质子MRI 中,由于射频脉冲激发之后极化度可以恢复,每次激发之前的纵向磁化矢量相同,因而能轻 松的校准角度。但在超极化气体MRI中,极化度不可再生,导致可用的纵向磁化矢量随着每 一次射频脉冲激发而变少,从而无法用质子MRI中的方法进行角度校准。
[0004] 超极化介质的纵向磁化矢量衰减率除了与射频脉冲翻转角大小相关外,还与纵向 弛豫时间T 1的长短相关,因而激发超极化介质获取的信号中同时包含了翻转角和T i的信 息,所以校准射频脉冲的角度需要知道纵向弛豫时间T1的大小,才能消除其影响。此外,由 于射频线圈中不同的样品(如不同体重的病人)对脉冲的吸收不同,从发射机发射的脉冲 功率与最终激发的脉冲功率之间存在衰减,因此校准角度时需要校准多个不同大小的角度 对该衰减进行修正。
[0005] 现有的一些超极化射频线圈角度校准方法,都存在一定的不足,比如一次屏 气只能校准一个角度(见 Moller, Η. E.等人的 Measurements of hyperpolarized gas properties in the lung.Part III:He-3T-l.Magnetic Resonance In Medicine,2001. 45 (3) :p. 421-430.等),校准角度时无法获取T1的大小从而只能忽 略其影响(见 Marshall,H.等人的 K-space filter deconvolution and flip angle self-calibration in 2D radial hyperpolarised 3He lung MRI. NMR in Biomedici ne,2012. 25(2) :p. 389-399 ;等),需要多次呼吸和屏气才能既测得T1又校准角度(见 Markstaller, K.等人的Flip angle considerations in (3) Helium-MRI. Nmr In Biomedic ine,2000. 13(4) :ρ· 190-193.)等。
[0006] 本发明公开的基于单次屏气内多角度激发的超极化角度校准方法,目的是在一次 屏气中同时完成多个角度的校准和T 1的测量,通过在受试者屏气过程中连续激发多个不同 大小的角度,然后用迭代算法算出准确的!\值,完成校准,为优化超极化磁共振成像提供技 术支持。

【发明内容】

[0007] 本发明是针对技术背景中描述的问题,提供了一种基于单次屏气内多角度激发的 超极化角度校准方法。
[0008] -种基于单次屏气内多角度激发的超极化角度校准方法,包括以下步骤:
[0009] 步骤1,受试者吸入超极化气体并屏气;
[0010] 步骤2,依次以翻转角为θ n的射频脉冲激发受试者并采集核磁共振信号, 翻转角为Θ m的射频脉冲激发的次数依次为]^~]^次;设定翻转角Θ对应的获得的 核磁共振信号为Se(I)~S e(N),Θ e {0i~Θ n},m为翻转角Θ的个数,N为翻转角Θ 对应的激发次数,N e {ηι~nn};
[0011] 步骤3,设定弛豫时间组T1 (I)~T1 (H);设定弛豫时间T1 (A) e IT1 (I)~T1 (H)}, H为校准步长;
[0012] 步骤4,通过最小二乘法按定角激发公式由翻转角Θ对应的核磁共振信号 Se (1)~Se (N)拟合出T1㈧条件下的翻转角Θ对应的初级角度Θ ' (T1(A));
[0013] 其中,Θ ' (T1(A)) e {θ/ (T JA))~θη, (T JA))},Θ / (T JA))~ Θ / (T1 (A))分别对应翻转角Θ θ η在弛豫时间T i (A)条件下对应的初级角度;
[0014] 步骤5,根据弛豫时间T1 (A)条件下对应的初级角度Θ i' (T1 (A))~Θ n' (T1 (A)) 的值计算翻转角Θ在弛豫时间T1 (A)条件下对应的最后一次激发后剩余的纵向磁化矢量 M0 (T1(A));
[0015] 其中,Me (T1(A)) e {Me (T1(I))~Me (T1(H))KMe (T1(I))~Me (T1Ol))为翻转角 Θ在弛豫时间T1(I)~T1 (H)条件下对应的最后一次激发后剩余的纵向磁化矢量;
[0016] 步骤6,定义Θ { θ 2~θ n},其中c e {2~m},由翻转角Θ 1}在T JA)条 件下对应的最后一次激发后剩余的纵向磁化矢量Mefc ^T1 (A))及翻转角Θ。对应的第一 次激发获取的核磁共振信号SeJl)根据激发角公式计算在T1(A)条件下的各个次级角度
[0017] 步骤7,求取T1 (A)依次为T1(I)~T1 (H)时对应的各个拟合误差Q,拟合误差Q为在 T1(A)条件下的初级角度θ2' (!^⑷)~θη' (T1(A))与次级角度(P2(Jl(A))-Im(ZHA)) 之间的误差和或者误差平方和,选取拟合误差Q最小时对应的T 1(A)作为最精确的弛豫时 间,该最精确的弛豫时间条件下的初级角度即为最终的校准结果。
[0018] 如上所述的步骤2中,翻转角Θ θ η不大于40度。
[0019] 如上所述的步骤3中,所述的T1(I)~T1(H)通过以下公式获得=T 1(X) = χΧ50/ Η,X= 1,2,-,Η;
[0020] 其中,H为校准步长。
[0021] 如上所述的步骤4中定角激发公式基于以下公式:
[0023] 其中,翻转角Θ e { Θ广Θ n},N为翻转角Θ对应的激发次数,N e {ηι~ηη}; T1 (A) e IT1 (1)~T1⑶},TR为两次激发之间的间隔时间。
[0024] 如上所述的步骤5中翻转角Θ在弛豫时间T1 (A)条件下对应的最后一次激发后 剩余的纵向磁化矢量Me (T1(A))的计算公式为:
[0025] M0 (T1(A)) =S0 (N) · cot Θ ,
[0026] 其中,Θ e { Θ广θ n},N为翻转角Θ对应的激发次数,N e {ni~nn},Se (N)是 翻转角Θ对应的最后一次激发时获取的核磁共振信号。
[0027] 如上所述的步骤6中次级角度:免1:(7\(六))是基于以下公式:
[0029] 本发明与现有技术相比,具有如下优点:
[0030] 1、由于本方法同时计算了 T1,在校准角度时考虑了 T1的影响,因此本方法与传统 方法相比校准的准确度更高。
[0031] 2、由于本方法在单次屏气中同时获取了角度和1\值,而现有方法需要多次屏气才 能既完成角度校准又测量T 1,超极化气体的T1值又是一个能够反应肺部氧分压信息的参 数,因而本方法能在校准角度的同时获取肺部功能信息。
[0032] 3、由于本方法只需单次测量,因此能够节约时间并且节约成本。
【附图说明】
[0033] 图1是一种基于单次屏气内多角度激发的超极化角度校准方法流程图,在本流程 图中仅介绍了单次屏气内2个角度激发的流程。
[0034] 图2是一种基于单次屏气内多角度激发的超极化角度校准方法流程图,在本流程 图中介绍了单次屏气内m个角度(m多2)激发的流程。
[0035] 图3是一种基于单次屏气内多角度激发的超极化角度校准方法中多角度激发阶 段的时序图,在本图中,翻转角为S1W θ n的射频脉冲的激发次数都设为了 8次。
[0036] 图4(a)是基于图3的方法获得的信号强度S与激发次数之间的关系图;而图4(b) 是基于图3的方法获得的每次脉冲激发后剩余的纵向磁化矢量M与激发次数之间的关系 图。从信号强度S的大小可以明显区分出不同角度激发的信号,如图中就一共用了 m = 14 个不同的角度激发。图4(b)表明,对应图4(a)中角度大小、角度数量、激发次数等的设置, 能够有效利用纵向磁化矢量,即使到最后一次激发,依然能获得较高的信号强度,对纵向磁 化矢量的利用率接近90%。
[0037] 图5是加入噪声后的仿真信号和使用了本专利的角度校准方法后的拟合信号。图 中的仿真信号是将图4(a)的信号放大100倍并加入0. 5%的随机噪声后的信号,更贴近于 实际情况。当完成了拟合计算阶段之后,准确的T1值和角度已经获取,然后代入设定条件 拟合所有的激发信号,便是图中的拟合信号。图5表明,拟合信号和仿真信号非常贴近,这 显示出校准结果的准确性,计算出的T 1值和角度与仿真时的设定值基本吻合。
【具体实施方式】
[0038] 下面通过具体实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0039] 实施例:
[0040] 如图1所示,一种基于单次屏气内多角度激发的超极化角度校准方法,该方法分 为两个阶段:多角度激发阶段、拟合计算阶段。包括以下步骤:
[0041] 步骤1,受试者吸入超极化气体并屏气。超极化气体为129Xe或3He或 83Kr等。
[0042] 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。受试者吸入超极化气体之前,就已经处于超极 化磁共振射频线圈中,射频线圈可以是鸟笼、表面、马鞍、相位阵列等形状的线圈。
[0043] 步骤2,依次以翻转角为θ n的射频脉冲激发受试者并采集核磁共振信号, 翻转角为Θ m的射频脉冲激发的次数依次为]^~]^次;设定翻转角Θ对应的获得的 核磁共振信号为Se(I)~S e(N),Θ e {0i~Θ n},m为翻转角Θ的个数,N为翻转角Θ 对应的激发次数,N e {ηι~nn};
[0044] 即,依次以翻转角为射频脉冲激发受试者^次、以翻转角为Θ 2的射频脉冲 激发受试者112次、…、以翻转角为Θ "的射频脉冲激发受试者!^次。每个翻转角Θ均获 得对应的核磁共振信号Se (1)~Se (Ν),其中,翻转角Θ e { Θ Θ n},m为翻转角的Θ 个数,N为翻转角为Θ的射频脉冲对应的激发次数,N e {ni~n J。
[0045] 射频脉冲的翻转角是通过控制发射机发射的脉冲电压(或功率)而实现控制的, 比如可以设定射频脉冲为Ims长度的方波,以30dB的功率激发1^次,紧接着以25dB的功 率激发11 2次,从而实现了依次以翻转角Θ 1激发!^次、以翻转角Θ 2激发112次。在步骤2 中,需要控制S1W θ n不大于40度,以避免因翻转角太大造成的极化度迅速衰减。单个翻 转角的激发次数(如&~!!")直接影响步骤4中的拟合结果,激发次数越多,拟合结果越准 确;但过多的激发会增加测量时间,一般单个翻转角的激发次数大于或等于6即可保证一 定的准确性。每两次激发之间的间隔时间是TR。由于超极化磁共振中无需等待磁化矢量恢 复,因此TR可以设为仪器能承受的最短时间,比如10~50ms之间。翻转角数量m可以设
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