CN111351813B - 一种基于非均匀场磁共振系统的表观扩散系数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于非均匀场磁共振系统的表观扩散系数测量方法，基于一个非均匀场核磁共振系统，包括非均匀场磁体，核磁共振谱仪，射频功放和射频线圈等，通过多个具有不同回波间隔的CPMG序列采集信号，从多组信号中拟合出ADC系数。该方法不需要复杂的扩散加强序列，算法简单，且对系统要求低，可以降低系统成本。同时，本发明方法算法稳定，不易受流动液体影响，对于T1/T2较小的物质同样适用。
Description
技术领域
本发明涉及核磁共振技术领域，尤其涉及一种基于非均匀场磁共振系统的表观扩散系数测量方法。
背景技术
核磁共振技术是利用氢质子的核磁共振现象进行成像或者检测物质成分和结构的一种技术。人体内包含单数质子的原子核，例如氢原子核，其质子具有自旋运动。带电原子核的自旋运动，在物理上类似于单独的小磁体，在没有外部条件影响下这些小磁体的方向性分布是随机的。当人体置于外部磁场中时，这些小磁体将按照外部磁场的磁力线重新排列。这时，用特定频率的射频脉冲激发原子核，使这些原子核的自旋(小磁铁)发生偏转，产生共振，这就是核磁共振现象。停止发射射频脉冲后，被激发的原子核(共振的小磁体)会逐渐恢复到激发前的状态，在恢复的过程中会释放电磁波信号，通过专用设备接收并处理核磁共振信号后即获得磁共振图形或者物质的成分和结构信息。
物质中的分子都存在一定程度的扩散运动，其方向是随机的，称为分子的热运动或布朗运动。如果水分子的扩散运动不受任何约束，我们称为自由扩散。在人体中，脑脊液、尿液等水分子扩散运动所受到的限制相对小，被视为自由扩散。事实上，生物组织内的水分子因受周围介质的约束，其扩散运动将受到不同程度的限制，称之为限制性扩散，一般组织中水分子的扩散运动则属于限制性扩散。表观扩散系数就是描述水分子在组织中的扩散能力的一种物理量。磁共振信号被激发后，水分子在梯度磁场方向上的扩散运动将造成磁共振信号的衰减，如果水分子在梯度磁场方向上扩散越自由，则在梯度磁场施加期间扩散距离越大，经历的磁场变化也越大，组织信号衰减越明显。因此，可以通过核磁共振技术测量物体的表观扩散系数，从而间接的反映物体微观结构特点及其变化。
在磁共振成像技术中，表观扩散系数作为一个重要的临床诊断指标，被广泛的应用。一般通过扩散加权成像技术(DWI)进行测量，如SE-EPI序列，即自旋回波序列(SE)进行扩散梯度编码，平面回波序列(EPI)进行信号读出。在非均匀磁场磁共振系统中，类似的扩散加权成像技术被引入，用于测量物质的表观扩散系数。几种典型的测量表观扩散系数的脉冲序列如图1所示。
图1a)为SE-CPMG序列，即基于自旋回波进行扩散梯度编码，然后用超快速的CPMG序列进行信号读出。
图1b)为DSE-CPMG序列，即基于双回波序列进行扩散梯度编码，同样用超快速的CPMG序列进行信号读出，该方法能降低低速液体流动带来的影响。
图1c)为STE-CPMG序列，即基于受激回波序列进行扩散梯度编码，该方法能降低T1恢复的影响，当被检测物体的T1/T2比较小时，用该序列测量ADC 可以提升测量准确度。
现有技术中，ADC测量脉冲序列都是由扩散梯度编码模块和信号读出模块组成。由于在非均匀场核磁共振系统中，梯度磁场非常大，通常比常规MRI系统的梯度场高2～3个数量级，且无法控制该梯度磁场在信号读出阶段改变(MRI 系统中的DWI技术，在信号读出阶段可以控制梯度场降低)。因此需要采用超快速信号读出模块，才能降低读出信号过程中扩散效应的影响。例如参考文献(Rata， D.G.，et al.(2006)."Self-diffusionmeasurements by a mobile single-sided NMR sensor with improved magnetic fieldgradient."J Magn Reson 180(2)：229-235.)中使用的回波间隔为40us。这样对核磁共振系统的谱仪设备、射频功放和射频线圈要求都非常高。
在非均匀场核磁共振系统中，通常用CPMG序列采集信号。非均匀场中存在的强梯度场，在CPMG序列中既可以起频率编码的作用，同时也始终存在扩散编码的作用。也就是说如果CPMG序列的回波间隔越大，则信号越低。在参考文献【M.D.Hurlimann.Diffusion andRelaxation Effects in General Stray Field NMR Experiments.J.Magn.Reson 148，367-378(2001)】中分析了扩散效应对 CPMG信号的影响，可以用如下公式描述：
其中γ是磁旋比，D是物质的ADC系数，G是梯度磁场大小，τ是CPMG序列的回波间隔。由该公式可以看出，CPMG信号和物质的ADC系数、梯度场和回波间隔有关。因此可以通过采集不同回波时间的CPMG信号估计出ADC系数。
发明内容
本发明旨在提供一种基于非均匀场磁共振系统的表观扩散系数测量方法，算法稳定，不易受流动液体影响，对于T1/T2较小的物质同样适用。
为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
本发明公开一种基于非均匀场磁共振系统的表观扩散系数测量方法，包括以下步骤：
S100、在非均匀场核磁共振系统中采集M组回波信号，回波信号为四维数组S(m，n，a，p)，
其中第一维为回波间隔向量τ，长度为M，
第二维为回波链长度，长度为N，
第三维为平均次数A，
第四维为单次读出数据的采样点数，数量为P；
S200、数据预处理，将信号S(m，n，a，p)转换为S′(m，n)的二维数组：
S210、对信号S的第四维进行傅里叶变换，得到频域数据，保留低频部分并取平均，
S220、对第三维取平均，
S230、对所有数据取对数；
S300、等效时间常数T(m)估计：
对S′(m，n)逐行按如下公式进行拟合
其中τ(m)为回波间隔向量τ中的第m个元素，C1为未知常量；
S400、ADC系数D估计：
按如下公式进行拟合
其中γ是磁旋比，G是梯度磁场大小，C2为未知常量。
优选的，步骤S100中，非均匀场核磁共振系统中，施加有激发脉冲、回聚脉冲、恒定梯度场，
激发脉冲翻转角为θ，其后跟随若干个回聚脉冲，回聚脉冲翻转角为2θ；
激发脉冲和第一个回聚脉冲之间的相位差为90度，激发脉冲和第一个回聚脉冲之间的时间间隔为τ/2，第一个回聚脉冲到第一个采样窗之间的时间间隔为τ/2；回聚脉冲之间的时间间隔为回波间隔，一次激发采集N个回波信号。
优选的，恒定梯度场为磁体的天然梯度场。
优选的，多次采集回波信号，计算平均值。
优选的，回波间隔为τ。
优选的，改变回波间隔τ，进行M次测量，采集M组回波信号。
优选的，非均匀场核磁共振系统包括控制台、核磁共振谱仪、磁体、射频系统，
控制台与核磁共振谱仪连接，发送指令控制测量序列的参数选择、ROI定位、接收谱仪采集到的磁共振信号，完成实时数据处理；
磁体为永磁体设计；
射频系统主要包括射频功率放大器、前置放大器、收发转换开关、射频线圈，射频线圈通过收发转换开关，既发射激励信号也能接收磁共振信号。
优选的，磁体为单边永磁体。
本发明的有益效果：
1、本发明基于一个非均匀场核磁共振系统，包括非均匀场磁体，核磁共振谱仪，射频功放和射频线圈等，通过多个具有不同回波间隔的CPMG序列采集信号，从多组信号中拟合出ADC系数。
2、本发明不需要复杂的扩散加强序列，算法简单，且对系统要求低，可以降低系统成本。
3、本发明方法算法稳定，不易受流动液体影响，对于T1/T2较小的物质同样适用。
附图说明
图1为现有技术中基于非均匀场核磁共振系统的ADC测量脉冲序列示意图；
图2为用于测量表观扩散系数的非均匀场核磁共振系统的示意图；
图3为基于非均匀场核磁共振系统的表观扩散系数测量序列示意图；
图4为以纯水为被检物质的具有不同回波间隔的CPMG测量数据；
图5为以纯水为被检物质的具有不同回波间隔的CPMG序列测量得到的等效时间常数。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
本申请中：
NMR：Nuclear Magnetic Resonance，核磁共振技术
MRI：Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像
K-space：K空间，磁共振信号的频域空间
DWI：Diffusion Weighted Imaging，弥散加权成像或扩散加权成像
T1：Time constant for regrowth of longitudinal magnetization after RF-pulse，纵向磁化矢量恢复时间常数
T2：Time constant for decay of transverse magnetization after RF-pulse，横向磁化矢量衰减时间常数
TR：Repetition Time，重复时间或重复周期
ADC：Apparent diffusion coefficient，表观扩散系数
EPI：Echo planar imaging，平面回波成像技术
CPMG：a NMR pulse sequence named by several scientists(Carr，Purcell，Meiboom，Gill)，由Carr，Purcell，Meiboom，Gill等人命名的核磁共振序列
SE-EPI：Spin echo-echo planar imaging，自旋回波-平面回波序列
SE-CPMG：Spin echo-CPMG sequence，自旋回波-CPMG序列
DSE-CPMG：Dual spin echo-CPMG sequence，双自旋回波-CPMG序列
STE-CPMG：Stimulated echo-CPMG sequence，受激回波-CPMG序列
如图2所示，用于测量表观扩散系数的非均匀场核磁共振系统主要由四部分组成：控制台、核磁共振谱仪、磁体和射频系统；
控制台与谱仪连接，发送指令控制测量序列的参数选择、ROI定位，并接收谱仪采集到的磁共振信号，完成实时数据处理，
磁体一般为永磁体设计，例如单边永磁体，在ROI内仍然具有高度不均匀的磁场，
射频系统主要包括射频功率放大器，前置放大器，收发转换开关和射频线圈，射频线圈通过收发转换开关，既发射激励信号也能接收磁共振信号。
ADC系数测量序列：
图3所示为非均匀场核磁共振系统的表观扩散系数测量序列示意图，即采用一个典型的θ-2θ-2θ-2θ……射频脉冲序列：第一激发脉冲翻转角为θ，其后跟随若干个回聚脉冲，翻转角为2θ；第一激发脉冲和第一回聚脉冲之间的相位差为90度，第一激发脉冲和第一回聚脉冲之间的时间间隔为τ/2，第一回聚脉冲到第一个采样窗之间的时间间隔为τ/2；回聚脉冲之间的时间间隔均为τ，称为回波间隔。恒定梯度场为磁体的天然梯度场，不需要控制。一次激发采集N 个回波信号。通常还需要多次采集信号，通过平均信号提升信噪比。
为了估计ADC系数，需要改变回波间隔τ采集M组回波信号。
ADC系数估计方法
采集到的信号表示为一个4维数组S(m，n，a，p)，第一维对应不同的回波间隔，即对应回波间隔向量τ，长度为M；第二维为回波链长度，长度为N；第三维为平均次数A；第四维为单次读出数据的采样点数，为P。基于该四维数组进行ADC系数估计，主要包括如下3步，
数据预处理包括：
预处理步骤1，对信号S的第四维进行傅里叶变换，得到频域数据；仅保留低频部分并取平均；
预处理步骤2，对第三维取平均；
预处理步骤3，对所有数据取对数；
经过数据预处理后，信号S(m，n，a，p)转换为S′(m，n)的二维数组。
等效时间常数估计：
对S′(m，n)逐行按如下公式进行拟合
其中τ(m)为回波间隔向量τ中的第m个元素，C1为未知常量。拟合出等效时间常数T(m)
通过等效时间常数估计ADC系数D：按如下公式进行拟合
其中γ是磁旋比，G是梯度磁场大小，为预先测定已知量，C2为未知常量。
估计出的参数D即为ADC系数。
实验结果：
在本发明方案设计的核磁共振系统上对纯水进行检测。主要参数包括ROI 区域B0场为0.07T，梯度场为180Gauss/cm，CPMG序列的时间间隔为640us， 740us，840us，940us，1040us和1140us共六组，CPMG序列的回波链长度为100，平均32次，回波采样点数为64。
图4为经过本发明所述预处理步骤后1和预处理步骤2后的CPMG测量数据，可见具有不同回波时间间隔的CPMG序列采集信号衰减程度不一样，这个差异就是公式(1)描述的扩散效应的体现。
图5为经过本发明所述预处理步骤后和等效时间常数估计步骤后的结果，可见等效时间常数与τ2成较好线性关系。
进一步的，通过线性拟合，并由公式(3)可以估计出纯水的ADC系数为 1.93e-3mm2/s，与理论值接近。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于非均匀场磁共振系统的表观扩散系数测量方法，其特征在于包括以下步骤：
S100、在非均匀场核磁共振系统中采集M组回波信号，回波信号为四维数组S(m，n，a，p)，
其中第一维为回波间隔向量τ，长度为M，
第二维为回波链长度，长度为N，
第三维为平均次数A，
第四维为单次读出数据的采样点数，数量为P；
S200、数据预处理，将信号S(m，n，a，p)转换为S′(m，n)的二维数组：
S210、对信号S的第四维进行傅里叶变换，得到频域数据，保留低频部分并取平均，
S220、对第三维取平均，
S230、对所有数据取对数；
S300、等效时间常数T(m)估计：
对S′(m，n)逐行按如下公式进行拟合
其中，回波间隔向量为τ，τ(m)为回波间隔向量τ中的第m个元素，C1为未知常量；
S400、ADC系数D估计：
按如下公式进行拟合
其中γ是磁旋比，G是梯度磁场大小，C2为未知常量。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤S100中，非均匀场核磁共振系统中，施加有激发脉冲、回聚脉冲、恒定梯度场，
激发脉冲翻转角为θ，其后跟随若干个回聚脉冲，回聚脉冲翻转角为2θ；
激发脉冲和第一个回聚脉冲之间的相位差为90度，激发脉冲和第一个回聚脉冲之间的时间间隔为τ/2，第一个回聚脉冲到第一个采样窗之间的时间间隔为τ/2；回聚脉冲之间的时间间隔为回波间隔，一次激发采集N个回波信号。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：恒定梯度场为磁体的天然梯度场。
4.根据权利要求2或3所述的测量方法，其特征在于：多次采集回波信号，计算平均值。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：改变回波间隔τ，进行M次测量，采集M组回波信号。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：非均匀场核磁共振系统包括控制台、核磁共振谱仪、磁体、射频系统，
控制台与核磁共振谱仪连接，发送指令控制测量序列的参数选择、ROI定位、接收谱仪采集到的磁共振信号，完成实时数据处理；
磁体为永磁体设计；
射频系统主要包括射频功率放大器、前置放大器、收发转换开关、射频线圈，射频线圈通过收发转换开关，既发射激励信号也能接收磁共振信号。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：磁体为单边永磁体。
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