專利名稱：在磁共振光譜學試驗中動態(tài)檢測磁共振頻率的方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及磁共振光譜學MRS(英文為Nuclear MagneticResonance Spectroscopy NMRS)，正如其目前也應用在醫(yī)學中來檢查人體中的生物化學以及物質轉換過程的那樣。在此，本發(fā)明尤其涉及一種新型的方法，用于在獲取單頻譜的圖像序列期間確定并校正磁共振頻率的頻率漂移。
背景技術：
磁共振光譜學(MRS)和磁共振斷層造影(MRT)一樣，是基于在1946年發(fā)現的核自旋共振效應，該效應首先在基礎研究中用來測量核子的磁特性。直到在六十年代觀察到核子的核共振信號(NMR)還受到了其化學環(huán)境的影響，并且可以將該“化學漂移”用來表征化學物質，才在試管中建立了所謂的“高分辨率NMR”。其至今成功地應用在物理、化學、生物化學和醫(yī)藥的研究和開發(fā)中，來對復雜的大分子進行分析或結構分析。
在八十年代的早期發(fā)現，核共振信號由于其對化學環(huán)境(含水的組織或者脂肪組織)的依賴性形成非侵入成像技術的基礎，該基礎至今在醫(yī)學中作為磁共振斷層造影(MRT)是一種最重要的放射學檢查方法。
不過，不曾忽視的是，在磁共振斷層造影中的成像信號還包含化學信息，這些信息可以被分析用來檢查生命體上的生物化學反應以及物質交換過程。這種在生命組織或者生命器官上的空間分辨的光譜學被稱為“體內光譜學”(MRS)或者“醫(yī)療磁共振光譜學”(MRS)，以區(qū)別于通常在實驗室中進行的試管中“高分辨NMR”，以及區(qū)別于單純的成像磁共振造影(MRT)。
下面，簡單解釋核共振的物理基礎在MRS以及MRT中都是將一個強的恒定磁場施加到待檢查的對象(患者或者器官)。由此，對象中此前無規(guī)則取向的原子的核自旋被定向。高頻波此時能夠將該“有序的”原子核自旋激勵成特定的振蕩(作為宏觀量的磁化的Lamor運動)。這種振蕩既在MRT又在MRS中產生可借助于適當的接收線圈接收的實際測量信號。在此，通過使用由梯度線圈產生的非均勻磁場，可以在所有三個空間方向上對測量物體進行空間編碼，這通常在MRT中被稱為“位置編碼”以及在MRS中被稱為“體積激勵”。
在MRS/MRT中，數據的獲取在所謂的k域(同義詞頻域)中進行。在所謂的圖像域中，MR頻譜以及MRT圖像借助于傅立葉變換與測量的k域數據相關聯(lián)。
對象的體積激勵借助于在所有三個空間方向上的選擇斷層的高頻激勵脈沖進行。這通常是利用矩形或者梯形的梯度脈沖同時被輻射到待檢查對象中的三個正弦型、高斯型或者雙曲線型的HF脈沖。HF脈沖的輻射通過HF天線實現。
通過組合上述脈沖，一個在特定于核類型的共振頻率范圍內的頻譜被輻射到待檢查對象的一個定義的、通常六面體型的區(qū)域中。在所選出的區(qū)域(英文為Voxel of Interest，感興趣的體素，VOI)中的相應核，本身以電磁回答信號對該激勵作出反應，該回答信號按照和信號(FID信號)的形式在所述HF天線的專門接收模式下被檢測到。該模擬信號通過接通一ADC(模數轉換器)掃描、數字化以及在計算機單元中進行存儲或者傅立葉變換，由此可以將所謂的“頻譜”顯示在可視化單元(顯示器)上。
每個原子核類型具有一個特殊的常數(旋磁系數γ)，其按照如下關系式定義了該核子類型在給定磁場下的共振頻率，并且因此可以在給定磁場中加以識別
在醫(yī)療技術中通常產生0.5至3.0特斯拉的基本磁場，而解析NMR使用直到19特斯拉的磁場(且利用小得多的磁鐵)。
這樣，在1.5T的強磁場下質子(即，各個未被束縛的氫核子，1H)發(fā)出63.8MHz的信號，而碳13核子(13C)在16.1MHz下以及磷31核子(31P)在26MHz下顯示出共振。因此，可以清楚地區(qū)分不同核類型的信號，并且將該試驗稱為質子光譜學、13C光譜學或者磷光譜學是有意義的。
原子核的化學環(huán)境、特別是鍵合電子導致分子內部磁場強度的變化最小(已經被進一步上位為“化學信息”)，并因此導致相同的原子核的共振頻率在Hz范圍內出現極小但可以測量到的變化。如果將處于外部均勻的磁場內的物質的回答信號按照頻率分類和描繪，則在橫坐標上形成不同“化學偏移δ”的頻譜以及由此不同分子的頻譜。
該偏移δ按照下列公式以共振頻率的百萬分數(ppm＝百萬分之)給出δ=vSubstanz-v0v0.]]>因此該偏移是獨立于磁場強度的。但磁共振頻譜與基本磁場的磁場強度有關，因為較高的場強更好地區(qū)分各個共振并帶來更好的信噪比(SNR)。多數在醫(yī)院范圍中可以進行光譜學的MR系統(tǒng)利用1.5至3.0特斯拉工作。與磁場強度的大小一樣重要的是其均勻性和穩(wěn)定性，以便也能夠最終在63.8Hz的基本頻率(1H或者說氫)下實際測量1Hz的頻率差。
如已經提到的那樣，醫(yī)療MR光譜學理解為有生命患者的MR光譜學，通常作為對MR斷層造影的補充，其提供更多的關于待檢查組織的新陳代謝關聯(lián)的信息，并且允許在人體中對物質交換過程進行體內檢查。在醫(yī)療MR光譜學中證實不同的新陳代謝(從物質交換中產生的或者在物質交換中轉換的產物)的存在和濃度可以得出關于在大腦、肌肉組織和其它器官中的神經元功能、物質交換變化以及病變的結論。
由于新陳代謝的濃度極低，因此根據不同的核子類型、拍攝持續(xù)時間和器官為體積激勵設定界限。在1H-MRS中典型的測量體積為約2cm3、在31P-MRS中為約30cm3以及在13C-MRS中甚至大于30cm3。為了拍攝出具有對應高SNR的、可以分析出結論的頻譜，經常要求多個順序過程、即多個連續(xù)的并隨后相加的單個測量。通常有多達500個測量，可以總共持續(xù)數分鐘。
在該比較長的、多達數分鐘的拍攝時間期間，待拍攝的各頻譜蒙受到外界影響(例如，硬件缺陷、有關電子部件的溫度變化)，這些影響可能造成磁共振頻率改變多達每秒鐘數赫茲，因此作為各頻譜平均值的總頻譜在質量上明顯地受到影響。
此外，特別是在質子光譜學(1H-MRS)中，為了看出分布在幾個ppm范圍上的、明顯更弱(低一至兩個數量級)的信號(例如，肌氨酸、膽堿、肉堿等)，隨處可見的具有較高濃度的細胞組織的、主要的水信號被特殊的拍攝序列抑制。一種用于所謂水抑制的常見方法是CHESS技術(英文為CHEmical Shift Selective Saturation，化學偏移選擇性飽和，也稱為3脈沖抑制)，其中，首先對水分子的核自旋通過90°HF脈沖選擇性地進行激勵，然后將其橫向磁化通過閉合磁場梯度(在所有三個空間方向上的x、y、z梯度)而進行移相。對于直接隨后的光譜學方法(例如通過直接隨后的體積激勵)，在理想情況下，水分子不再存在可以檢測出的磁化了。盡管在實際中還存在極小的水的殘留磁化，但是這種殘留磁化在信噪比(感興趣的1H新陳代謝相對于基準線的信號強度)的范圍內是可以容忍的。
為了能夠通過在1H光譜學中的頻率漂移而考慮單個頻譜的平移，在現有技術中的第一種措施是，這樣進行對水的抑制，使得(按照頻譜中峰值的形式)保留一個明顯的水信號，從中可以導出對于頻率漂移的信息。這種方法的缺點在于，靠近水的新陳代謝處于水線的寬闊的底部并且需要進一步的后處理，以便再次建立對MR頻譜(水平基準線上的峰值)的至少光學上的印象。該方法另一個缺點是，在系統(tǒng)頻率漂移時水抑制的質量也受到影響，因此該方法非常不牢靠。
個別研究組建議，進行定義好數目的重復，在這些重復期間可以忽略頻率漂移或者進行線性差值，在這些重復之后(例如在獲取10個單個頻譜后的序列組)按照參考掃描的形式進行單個測量，通過該測量只確定水信號的確切的頻率位置。這種序列流程要一直進行下去，直到得到可用的頻譜。相應的參考測量提供了一種基準，在該基準上可以對所有的重復周期(序列組)相互地進行校正。該方法的缺點在于，由于附加的參考測量而提高了時間需要，因此該方法最終并不吸引人。
此外，還嘗試使光譜學測量的總時間最小，以保持頻率變化的影響盡可能最小。不過，這會造成強烈的飽和效應，該效應最終還會進一步惡化由于測量時間縮短已經變差的信噪比。
總之，目前在1H光譜學中頻率漂移校正的問題還沒有得到令人滿意的解決。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是，提供一種方法，通過該方法可以按照簡單的方式診斷并校正在具有水抑制的MR光譜學中的頻率漂移。
本發(fā)明提出了一種用于在磁共振光譜學試驗中對磁共振頻率進行動態(tài)檢測的方法，其特征在于，通過在多個依次進行的序列流程的每一個序列流程中在分別相同的時刻測量導航信號，并且通過對這些導航信號的比較確定磁共振頻率的頻率漂移，在此基礎上針對所測量的頻率漂移校正從每個序列流程中得到的相應的各個頻譜。
優(yōu)選地，在質子光譜學的情況下，磁共振光譜學試驗利用對水的抑制而進行。
此外，優(yōu)選地，在多脈沖水抑制的情況下，所述導航信號緊接在第一HF飽和脈沖之后。
在此，優(yōu)選地按照100μs的數量級接通ADC，并由此使導航信號的持續(xù)時間達到100μs的數量級，并且按照本發(fā)明將ADC的數據采集按照數量級限制為10個ADC測量值。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施方式中，對每個導航信號的ADC測量值進行平均。
在本發(fā)明的另一種優(yōu)選的實施方式中，對所有校正后的各個頻譜進行平均。
最后，按照本發(fā)明提出了一種裝置，其用于實施按照上述方法特征的方法。


本發(fā)明的其它優(yōu)點、特征和特性借助于附圖由下面對優(yōu)選實施方式的描述給出。圖中，圖1示意性地示出根據本發(fā)明的、利用3脈沖水抑制和導航信號的MR光譜學序列的序列方案，圖2A在時域上示意性地示出以水質子為主的FID信號，圖2B示意性地示出在時域上具有水抑制的1H新陳代謝的1H-FID信號，圖2C在頻域上示意性地示出以水質子為主的共振曲線，圖2D示意性地示出在頻域上具有水抑制的1H新陳代謝的共振曲線。
具體實施例方式
對組織的磁共振光譜學的檢查會產生衰減的、按照Lamor頻率振蕩的周期磁核共振信號(MR信號)，即所謂的自由感應衰變(英文為FreeInduction Decay，FID)，如在圖2A和2B中所示的那樣。該FID信號近似為對此前輻射到待檢查組織中的高頻激勵信號的電磁回答。正如在說明書開始部分提到的那樣，輻射的HF激勵脈沖表示代表了在MHz范圍內的一種頻譜，該MHz范圍伸展到期待的新陳代謝的磁共振范圍。在質子光譜學中，該頻譜在大約60MHz條件下是10ppm的范圍，磷光譜學中的頻譜寬度在約30ppm時大約是26MHz，而在13C光譜學中，該頻譜中的共振在約16MHz時分布在200ppm的范圍上。
FID信號本身是一個取決于時間的回答信號，在其頻率變化過程中對在相應新陳代謝中被激勵核子的所有共振進行頻率編碼。該編碼可以通過傅立葉變換被解碼并且按照共振頻率進行分類。FID的傅立葉變換一般稱為共振曲線，其中在MR光譜學中還采用了“吸收頻譜”的概念。在本說明書的后面將在時域中的磁核共振信號表示為MR信號，而在頻域中則稱為共振曲線或頻譜。
可以用來選擇其中應當測量MR信號的體積的技術，至少部分地與在MR斷層造影(即成像)中的一樣，后者中也將核共振信號對應于特定的位置。
借助于梯度、即由體外的所謂梯度線圈產生的空間上不同的磁場強度，可以對身體內部的任意體積進行選擇和激勵。在此，對于如何與相應HF激勵脈沖一起接通該梯度，也就是何時接通、以及接通多長時間和多強，存在不同的技術和組合。最簡單的體積選擇方法通常在于如下地輻射三個頻譜90°HF脈沖，其中同時利用每個HF脈沖接通相應空間方向(x，y，z方向)的梯度脈沖。這種HF脈沖被稱為“斷層選擇的”。按照這種方式相適應地激勵三個相互垂直的斷層，并且最終僅僅激勵對應的截面體積，從而也只有該截面體積提供了信號。最后利用ADC(模數轉換器)讀出該信號。
為了相對于基本噪聲得到頻譜中有意義的峰值，通常在較大的體積中只對FID信號測量一次是不夠的。多數情況下必須測量許多序列過程，其中分別將屬于一個序列過程的各個頻譜相加。所需要的序列過程的大數量導致比較長的總拍攝時間(多達數分鐘)，在此期間設備特定的干擾明顯地對待拍攝的各個頻譜產生影響。因此，在測量期間共振頻率的漂移導致單個頻譜的移動，這在頻譜相加中引起明顯的信號擴展。本發(fā)明提出了一種可以按照簡單的方式考慮并校正測量期間的共振頻率漂移的方法。
在1H光譜學中的困難在于，如本文開始部分解釋的那樣，細胞組織的水信號比新陳代謝信號高出數個數量級，必須在利用隨后的測量進行實際的體積激勵之前通過其它費時的序列片段加以抑制。如果不抑制水信號，新陳代謝的共振就不會在共振曲線中顯現出來。這種關系由圖2A至2D說明圖2C示意性地示出了在頻域上以“自由的”水質子為主的共振曲線，該共振曲線通過傅立葉變換從圖2A的ADC信號中獲得。在兩條曲線(ADC信號和共振曲線)中的水信號這樣主導，使得1H新陳代謝的頻率以及共振幾乎不能識別。圖2B示意性地示出一個利用水抑制獲得的ADC信號。該信號明顯地表示出其中1H新陳代謝的共振被頻率編碼的包絡發(fā)生指數下降。對圖2B中曲線的傅立葉變換帶來在圖2D中表示的頻譜，其中表明水的共振(黑色的箭頭)相對于水共振右側的1H新陳代謝被明顯地抑制了。
水抑制的序列片段由與在體積激勵中類似的HF和梯度脈沖序列構成，不過，HF脈沖不是斷層選擇的(也就是說，該梯度脈沖不是與HF脈沖同時輻射的)，此外相互之間還具有特定的時間間隔和特定的幅度比。這一方面導致測量持續(xù)時間進一步明顯的變長，這進一步提高了帶有水抑制的光譜學測量的靈敏性。另一方面可以在實際的邊界條件下利用該相對簡單的方法實現在30和80之間的典型的水抑制系數，為了能在頻譜中有意義地表示1H新陳代謝的共振，這對于許多應用來說不僅是充分的，而且是必須的。水信號不能完全被抑制并不一定是缺點。
圖1以3脈沖水抑制為出發(fā)點的常規(guī)體積激勵的形式示出了典型的MRS序列。在該體積激勵之后這樣接通ADC，使得緊接在第三斷層選擇HF脈沖之后出現的FID信號被獲取或者被掃描。如根據圖1可以看出的，這種水抑制(這里是3個脈沖抑制)導致測量序列在時間上明顯加長(加長到2至3倍)。
本發(fā)明在于，通過短暫接通ADC將公知的帶有水抑制的MR光譜學序列的數據獲取擴展一個導航信號。重要的是，該導航信號總是在相對于序列開始的相同時間間隔tNAV之后出現。此外，優(yōu)選地將該導航信號保持為非常短(例如50至100μs)，使得ADC按照數量級采集大約10個值，可能的話可以對這些值進行平均(也可以考慮其它的值)。按照圖1觀察3脈沖抑制，優(yōu)選地在第一和第二HF抑制脈沖之間對導航信號進行采樣。按照這種方式，ADC在每個序列過程中在分別相同的時刻測量幾個數據點(復數值、頻率編碼的)，這些數據點包含了沒有完全抑制的水的共振信號。作為(可能的話被平均的)復數值，相應的ADC值具有一個相位θ，該相位在共振頻率漂移的情況下對各個序列是不同的。
通過將每個頻譜的相應(平均的)導航信號值的相位進行比較(例如通過復數共扼的乘積)，可以根據下式確定按照頻率移動Δν形式的頻率漂移Δv=Δθ2πTE]]>其中TE表示在激勵脈沖和導航信號之間的時間間隔。因此，可以對每個頻譜校正Δν。在理想情況下，將各個不同頻譜的相位總是與相同的“參考”導航信號(優(yōu)選為第一序列過程的導航信號)進行比較。精度取決于TE并且可以預測為＜±1。
總之，本發(fā)明的MR光譜學序列對已有MRS序列進行了微小改動，對于測量時間沒有或者只有極小的影響。此外，核自旋歷史不受按照本發(fā)明的方法的影響，也就是說，僅僅從現有的順序序列步驟中讀出附加的信息。該附加信息最后直接被用于對各個頻譜進行校正，并且最后改善了相加的各個頻譜的質量。
權利要求
1.一種用于在磁共振光譜學試驗中對磁共振頻率進行動態(tài)頻率檢測的方法，其特征在于，通過在多個依次進行的序列流程的每一個序列流程中在分別相同的時刻測量導航信號，并且通過對這些導航信號的比較確定磁共振頻率的頻率漂移，在此基礎上針對所測量的頻率漂移校正從每個序列流程中得到的相應各個頻譜。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁共振光譜學試驗利用對水的抑制而進行。
3.根據權利要求2的方法，其特征在于，在多脈沖水抑制的情況下，所述導航信號緊接在第一HF飽和脈沖之后。
4.根據上述權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，所述導航信號具有100μs數量級的持續(xù)時間。
5.根據上述權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，所述導航信號按照數量級采集10個ADC測量值。
6.根據上述權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，對所述導航信號的ADC測量值進行平均。
7.根據上述權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，對所有校正后的各個頻譜進行平均。
8.一種用于實施根據權利要求1至7中任一項所述的方法的裝置。
全文摘要
本發(fā)明一般地涉及磁共振光譜學MRS(英文為Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy NMRS)，正如其目前應用在醫(yī)學中來檢查人體中的生物化學以及物質轉換過程的那樣。在此，本發(fā)明尤其涉及一種用于在磁共振光譜學試驗中對磁共振頻率進行動態(tài)頻率檢測的方法，其特征在于，通過在多個依次進行的序列流程的每一個序列流程中在分別相同的時刻測量導航信號，并且通過對這些導航信號的比較確定磁共振頻率的頻率漂移，在此基礎上針對所測量的頻率漂移校正從每個序列流程中得到的相應各個頻譜。
文檔編號G01N24/08GK1693885SQ20051006844
公開日2005年11月9日 申請日期2005年4月28日 優(yōu)先權日2004年4月30日
發(fā)明者岡納·克魯格, 斯蒂芬·羅爾 申請人:西門子公司