CN112204411B

CN112204411B - Cest磁共振成像中的运动检测

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Publication number: CN112204411B
Application number: CN201980035654.9A
Authority: CN
Inventors: J·库普; E·德维尔特
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2024-10-11
Anticipated expiration: 2039-05-22
Also published as: WO2019228878A1; EP3803428B1; JP2021526403A; EP3575814A1; US11474182B2; US20210215782A1; CN112204411A; EP3803428A1; JP7227277B2

Abstract

本发明提供了一种医学成像系统(100、300)，其包括用于存储机器可执行指令(120)的存储器(110)。所述医学成像系统还包括用于控制医学成像系统的处理器(104)。所述机器可执行指令的运行使所述处理器：接收(200)根据CEST磁共振成像协议采集的磁共振图像数据(122)，其中，所述磁共振图像数据包括体素，其中，所述体素中的每个体素包括针对一组饱和频率偏移量(502、504、504'、506、506'、508、510)的测得的Z谱(500)；通过将每个体素的测得的Z谱与预定准则进行比较来将运动似然图(126)分配(202)给每个体素；并且使用磁共振图像数据和运动似然图来重建(204)CEST磁共振图像(128)。

Description

CEST磁共振成像中的运动检测

技术领域

本发明涉及磁共振成像(MRI)，尤其涉及化学交换饱和转移(CEST)MRI。

背景技术

磁共振成像(MRI)扫描仪依靠大的静磁场(B₀)来将原子的核自旋对齐，这是在患者体内产生图像的过程的一部分。这些图像可以反映对象的各种量或属性。例如，可以测量氢质子的密度并且在空间上解析。但是，通常化合物或代谢物如此稀薄，以至于实际上不可能直接对其进行成像。

因此，已经开发出诸如化学交换饱和转移(CEST)MRI的技术。在CEST成像中，测量具有可交换质子的稀代谢产物的存在。可以使用CEST研究的代谢物的质子能够与来自水的质子交换位置。饱和脉冲可用于抑制代谢物可交换质子的MRI信号。因为质子是可交换的，所以它们与水质子交换位置。由于来自代谢产物的质子被饱和脉冲靶向，因此它们在一段时间内对测量的MRI信号无贡献。即使来自代谢物的质子与水质子交换，也是如此。这具有减少来自水质子的测量MRI信号的效果。通过以不同的频率偏移执行饱和脉冲并测量对MRI信号的影响，可以确定有关稀代谢物或其他物质的存在的信息。有许多与CEST技术有关的技术。一个示例是酰胺质子转移(APT)MRI。

Zaiss等人的期刊文章“Chemical exchange saturation transfer(CEST)and MRZ-spectroscopy in vivo:a review of theoretical approacheSand methods,”Med.Biol.58(2013)R221-R269，提供了对CEST和Z谱的专题综述。

欧洲专利申请公开EP 2515138 A1公开了一种对身体的运动部分进行MR成像的方法，所述方法包括以下步骤：在连续使身体的部分经受一个或多个预备RF脉冲的同时，检测来自身体的运动信号(MS)；使所述身体的所述部分经受包括至少一个激励RF脉冲和切换的磁场梯度的成像序列，其中，所述成像序列由检测到的运动信号(MS)触发；从所述身体的所述部分采集MR信号；并且根据所采集的MR信号来重建MR图像。

Chen Shu-Zhong等人AL在“Chemical exchange saturation transfer(CEST)MRtechnique for in-vivo liver imaging at 3.0tesla",EUROPEAN RADIOLOGY,vol.26,no.6,2015年9月3日,第1792-1800页中公开了酰胺质子转移加权和GlycoCEST信号被量化为来自经校正的Z谱不对称的磁化传递比。

Mehrabian Hatef在“Glioblastoma(GBM)effects on quantitative MRI ofcontralateral normal appearing white matter",JOURNAL OF NEURO-ONCOLOGY,vol.139,no.1，2018年3月28日，第97-106页中公开了定量磁化转移(qMT)、化学交换饱和转移(GEST)和横向弛豫时间(T2)映射的临床研究。在手术后和化学放疗之前进行MRI扫描，采集了全面的qMT，GEST，T2数据，两池MT模型被拟合到瞬时状态下的qMT数据，计算MT模型参数。通过去除MT和直接水饱和的作用分离出CEST信号，并计算针对酰胺、胺和核超负荷效应的CEST信号。

NicolasGeades等人在“Quantitative analysis of the z-spectrum using anumerically simulated look-up table:Application to the healthy human brainat7T:Quantitative Analysis of ZSpectrum Using a Numerically Simulated Look-upTable",MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE,vol.78,no.2,2016年10月17日，第645-655页中公开了，将测得的z谱与可能的谱查找表进行比较，并研究同时考虑在不同饱和功率下获得的谱的潜在优势。

Nirbfiay N.Yadav等人在“Retrospective motion correction in CEST MRIdata using time domain analysis",PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL SOCIETY FORMAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE,ISMRM,23RD ANNUAL MEETING AND EXHIBITION,TORONTO,ONTARIO,CANADA,2015年5月30日至6月5日，第1752号(2015年5月15日)中公开了使用Bioch-McGonneii方程来模拟CEST MR数据。为了近似呼吸运动的效果，将CEST数据与正弦调制幅度进行卷积，该幅值与经傅立叶变换的最大CEST信号相当，并识别出对应于运动的峰值，然后将其消除。数据被变换回CEST频域。使用MTR不对称来对CEST信号进行量化。

Tobias Wech等人在“Robust image registration in CESTacquisitions byexploiting a low-rank plus sparse decomposition of the Z-spectrum",PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL SOCIETY FOR MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE,ISMRM,25TH ANNUAL MEETING AND EXHIBITION,HONOLULU,HI,USA，2017年4月22日至2017年4月27日，第3767号(2017年4月7日)中公开了一种用于体内CEST采集的运动校正技术。该算法利用Z谱的低秩加稀疏分解来分离由于伴随运动产生的不同失谐准备而导致的信号变化。

发明内容

本发明在独立权利要求中提供了一种医学成像系统、一种计算机程序产品和一种方法。在从属权利要求中给出了实施例。

执行CEST的困难在于，要采集许多不同饱和频率的磁共振图像。因此，对象的切片或体积被多次成像。如果对象在此采集过程中移动，则可能会破坏Z谱。本发明的实施例可以提供一种通过向每个体素分配运动似然图来减小该运动的影响的手段。即，运动概率图表示逐体素的运动概率。运动似然图可以例如是指示运动高于特定阈值的掩码，或者可以与该体素内的数据已被破坏的概率相关或从其导出。然后将运动似然图额外地用于CEST磁共振图像的重建。即，在重建中包括基于运动似然图的运动伪影的校正。

本发明涉及CEST-MR成像中的运动校正。CEST成像技术旨在检测稀代谢物，并且依赖于代谢物质子与水质子之间的化学交换。可基于通过扫描饱和脉冲的RF频率并且针对每个体素计算归一化为其主(水体)峰的水质子谱而获得的所谓Z谱的详细信息，来检测这些代谢物。本发明的见解是Z谱的超出实验精度的偏差似乎表示影响CEST信号的运动。也就是说，Z谱与理想谱值明显偏离的体素可能已受到运动的影响。变化的预定范围(超过其的偏差归因于运动)可以取决于所应用的CEST成像协议的细节。可以通过简单的校准或反复试验来确定该预定范围。进一步的见解是，在重建中考虑到运动的可能性时，即使可疑体素中的运动不确定并且没有精确地量化，CEST-MR图像的诊断图像质量也会得到改善。

在一个方面中，本发明提供了一种医学成像系统，其包括用于存储机器可执行指令的存储器。所述医学成像系统还包括用于控制所述医学成像系统的处理器。所述机器可执行指令的运行使所述处理器根据CEST磁共振成像协议接收磁共振成像数据。磁共振成像数据包括体素。体素中的每个包括用于针对一组饱和频率偏移的测得的Z谱。机器可执行指令的运行还使处理器通过将测得的每个体素的Z谱与预定准则进行比较来将运动似然图分配给每个体素。

机器可执行指令的运行还使处理器使用磁共振图像数据和运动似然图来重建CEST磁共振图像。CEST磁共振图像数据的采集可能需要几分钟。在采集期间，对象可能移动。因此，实施例可以提供一种减少运动对CEST磁共振图像的影响的手段。将每个体素本身的Z谱与预定准则进行比较。这用于分配运动似然图。然后，除了运动似然图之外，还使用磁共振图像数据来使用CEST磁共振图像的重建。例如，运动似然图可用于消除可能经过运动校正的数据，甚至用于重新缩放数据。

典型的CEST磁共振成像协议包括一组至少七个以不同饱和频率偏移量进行的测量。尽管通常有七个测量结果，但是磁共振图像数据可能比七个测量结果更多或更少。

CEST磁共振成像协议可以是多种不同的CEST协议中的任何一种。例如，APTw酰胺质子转移加权CEST就是一个示例。其他示例包括用于肿瘤学、神经病学(+神经肿瘤学)和神经血管(中风)应用的CEST成像。也可以对其他质子池(例如羟基或胺)进行CEST成像，或者也可以对CEST造影剂(paraCEST或diaCEST剂)进行CEST成像。动态葡萄糖增强的CEST成像，例如GlucoCEST或GlycoCEST，也可以通过实施例的应用来改善。

在另一实施例中，机器可执行指令的运行还通过使误差函数最小化来使处理器将曲线拟合到针对每个体素的至少一个测量的Z谱的子集。运动似然图取决于针对每个体素的经最小化的误差函数。该实施例可能是有益的，因为曲线拟合可以提供确定Z谱是否被运动破坏的有效手段。

可以被拟合到Z谱的曲线可以是多种不同曲线之一。例如，Voigt函数，多个高斯函数和洛伦兹-高斯函数都可以适用。

在另一个实施例中，在针对饱和转移的预定质子池的预定化学位移距离之内的测得的Z谱的饱和频率偏移被排除在测得的Z谱的拟合之外。在执行CEST磁共振成像协议时，由于质子可能通过CEST效应传递，因此可能在预定频率发生共振。这些将导致测得的Z谱中的下沉。在该实施例中，这些预定频率可以从曲线拟合中发出。这可以改善对曲线的拟合作为对通过Z谱检测到的运动度量的程度。

在另一个实施例中，存储器包含包含多个Z谱的Z谱字典。例如，Z谱字典可以包括针对可以在对象内的用于不同组织类型的条目。机器可执行指令的运行还使处理器通过优化一组权重而使用多个Z谱的线性组合来构造拟合的Z谱。使用从字典条目的线性组合中测得的Z谱的残差来计算每个体素的运动似然图。由于体素内组织或材料的类型不同，针对体素的实际测量Z谱可能是不同Z谱的组合。Z谱字典可以包括所有这些不同的可能的组织类型或材料的条目。如果测得的Z谱不同于通过线性组合重建的Z谱，则可能表明Z谱已损坏。然后可以将其用于检测运动。

可以从测量和/或计算的Z谱构造Z谱字典。所述一组权重的优化可以以各种不同的方式来执行。在一个示例中，最小二乘法被用于优化所述一组权重。在其他示例中，可以使用其他优化技术。

在另一实施例中，通过将针对一个或多个频率偏移的测得的Z谱与预定准则进行比较来构建运动似然图。

在另一个实施例中，所述预定准则是测得的Z谱的Z谱信号的绝对范围，以测得的Z谱的不饱和Z谱信号的百分比表示。

在另一个实施例中，预定准则是将Z谱信号与测得的Z谱的相邻Z谱信号进行比较的相对范围。

在另一个实施例中，预定准则是如下的任务，即查看对于测得的Z谱的相邻Z谱信号，Z谱信号是否作为频率偏移的绝对距离而单调地增加。这可以是0ppm。

在另一个实施例中，预定准则是在关于模型函数的预定误差容限之外找到Z谱信号。

对在预定误差容限之外的Z谱信号的识别可以是对Z谱信号的离群值的识别。例如，可以通过拟合函数或通过执行基于字典的建模来获得模型函数。

在另一个实施例中，似然图是概率分布图。

在另一实施例中，机器可执行指令的运行还使处理器使用似然图来缩放CEST磁共振图像的体素。该实施例可能是有益的，因为它可以用于去强调可能由于运动而损坏的体素。例如，这可能等同于按比例缩小具有可疑的大的运动效应的体素中的信号。

在另一实施例中，机器可执行指令的运行还使处理器通过对运动似然图进行阈值处理来构造图像掩模。机器可执行指令的运行还使处理器通过使用图像掩模通过将其体素设置为预定值来修改CEST磁共振图像。在该实施例中，如果运动似然图高于可以通过阈值确定的特定值，则使用掩模将这些体素排除或设置为预定值。

在另一实施例中，机器可执行指令的运行还使处理器在显示器上绘制CEST磁共振图像。机器可执行指令的运行还使处理器使运动似然图与CEST磁共振图像相邻或将CEST磁共振图像叠加在显示器上。该实施例可能是有益的，因为与运动似然图一起显示的CEST磁共振图像对于试图解释CEST磁共振图像的人可能是有用的工具。运动似然图可以提供关于CEST磁共振图像的各个值的准确程度的置信度。

在另一实施例中，机器可执行指令的运行还使处理器接收训练磁共振数据。机器可执行指令的运行还使处理器根据CEST磁共振成像协议使用磁共振k空间数据来重建磁共振图像数据。

在另一实施例中，医学成像系统还包括磁共振成像系统，所述磁共振成像系统被配置用于从成像区域内的对象采集磁共振数据。所述存储器还存储脉冲序列命令。脉冲序列命令被配置为根据CEST磁共振成像协议采集磁共振数据。机器可执行指令的运行使处理器利用脉冲序列命令来控制磁共振成像系统以采集磁共振k空间数据。

在另一方面中，本发明提供了一种包括用于由控制医学成像系统的处理器执行的机器可执行指令的计算机程序产品。所述机器可执行指令的运行使所述处理器接收根据CEST磁共振成像协议采集的磁共振成像数据。磁共振成像数据包括体素。体素中的每个包括针对一组饱和频率偏移的测得的Z谱。机器可执行指令的运行还使处理器通过将测得的每个体素的Z谱与预定准则进行比较来将运动似然图分配给每个体素。机器可执行指令的运行还使处理器使用磁共振图像数据和运动似然图来重建CEST磁共振图像。

在另一实施例中，医学成像系统还包括磁共振成像系统，所述磁共振成像系统被配置用于从成像区域内的对象采集磁共振数据。所述存储器还存储脉冲序列命令。所述脉冲序列命令被配置为控制磁共振成像系统根据CEST磁共振成像协议来采集所述磁共振数据。机器可执行指令的运行使处理器利用脉冲序列命令来控制磁共振成像系统以采集磁共振k空间数据。机器可执行指令的运行还使处理器根据CEST磁共振成像协议使用磁共振k空间数据来重建磁共振图像数据。

在另一个方面中，本发明还提供了一种医学系统。所述方法包括接收根据CEST磁共振成像协议采集的磁共振图像数据。磁共振成像数据包括体素。体素中的每个包括针对一组饱和频率偏移的测得的Z谱。所述方法还包括通过将每个体素的测得的Z谱与预定准则进行比较来将运动似然图分配给每个体素。所述方法还包括使用磁共振图像数据和运动似然图来重建CEST磁共振图像。

应该理解，可以组合本发明的一个或多个前述实施例，只要组合后的实施例不相互排斥即可。

如本领域技术人员将认识到的，本发明的若干方面可以实现为装置、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各方面可采取完全硬件实施例，完全软件实施例(包括固件，驻留软件，微代码等)，或者组合了软件和硬件方面的实施例的形式，其可以在本文统称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本发明的各个方面可以采取实现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，所述一个或多个计算机可读介质具有体现在其上的计算机可执行代码。

可以使用一个或多个计算机可读介质的任何组合。所述计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。如在本文中使用的“计算机可读存储介质”包括任何有形存储介质，其可以存储能够由计算设备的处理器执行的指令。可以将所述计算机可读存储介质称为“计算机可读非瞬态存储介质”。所述计算机可读存储介质也可以被称为有形计算机可读介质。在一些实施例中，计算机可读存储介质还可以能够存储数据，所述数据能够被所述计算设备的处理器访问。计算机可读存储介质的范例包括但不限于：软盘、磁硬盘驱动器、固态硬盘、闪存、USB拇指驱动器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘、磁光盘和处理器的寄存器文件。光盘的范例包括压缩光盘(CD)和数字多用光盘(DVD)，例如CD-ROM、CD-RW、CD-R、DVD-ROM、DVD-RW或DVD-R盘。术语计算机可读存储介质还指代能够由所述计算机设备经由网络或通信链路访问的各种类型的记录介质。例如，可以经由调制解调器、经由互联网或经由局域网络来取回数据。体现在计算机可读介质上的计算机可执行代码可使用任何合适的介质来传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等，或上述各项的任何适当的组合。

计算机可读信号介质可以包括具有实现在其中的例如在基带内或者作为载波的一部分的计算机可执行代码的传播的数据信号。这样的传播信号可以采取多种形式中的任一种，包括但不限于，电磁的、光学的、或者它们的任意合适的组合。计算机可读信号介质可以是任何计算机可读介质，其不是计算机可读存储介质并且其能够传递、传播或传输程序用于由指令运行系统、装置或设备使用或者与其结合使用。

“计算机存储器”或“存储器”是计算机可读存储介质的范例。计算机存储器是处理器能够直接访问的任何存储器。“计算机存储设备”或“存储设备”是计算机可读存储介质的另一范例。计算机存储设备是任何非易失性计算机可读存储介质。在一些实施例中，计算机存储设备也可以是计算机存储器，或反之亦然。

用在本文中的“处理器”涵盖能够执行程序或机器可执行指令或计算机可执行代码的电子部件。对包括“处理器”的计算设备的引用应当被解读为能够包括超过一个处理器或处理内核。所述处理器例如可以是多核处理器。处理器还可以是指单个计算机系统之内的或者被分布在多个计算机系统之间的处理器的集合。术语计算设备也应被解释为可能指计算设备的集合或网络，每个计算设备均包括一处理器或多个处理器。所述计算机可执行代码可以由多个处理器运行，所述处理器可以处在相同的计算设备内或者其甚至可以跨多个计算设备分布。

计算机可执行代码可以包括令处理器执行本发明的各方面的机器可执行指令或程序。用于执行针对本发明的各方面的操作的计算机可执行代码可以以一种或多种编程语言(包括诸如Java、Smalltalk、C++等的面向对象的编程语言以及诸如C或类似编程语言的常规过程编程语言)的任何组合来编写并且被编译为机器可执行指令。在一些情况下，所述计算机可执行代码可以以高级语言的形式或者以预编译形式并且结合在飞行中生成机器可执行指令的解释器来使用。

所述计算机可执行代码可以作为单机软件包全部地在所述用户的计算机上、部分地在用户的计算机上、部分地在用户的计算机上并且部分地在远程计算机上、或者全部地在所述远程计算机或服务器上运行。在后者的场景中，所述远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(LAN)或广域网(WAN))或者可以对外部计算机做出的连接(例如，使用因特网服务提供商通过因特网)而被连接到用户的计算机。

本发明的各方面参考根据本发明的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图图示和/或框图得以描述。应该理解，流程图、图示和/或框图的每个框或框的一部分能够在适用时通过以计算机可执行代码的形式的计算机程序指令来实施。还应当理解的是，当不是相互排斥的时，在不同的流程图、图示和/或框图中块的组合可以被组合。这些计算机程序指令可以被提供到通用计算机、专用计算机的处理器或者其他可编程数据处理装置以生产机器，使得经由计算机的处理器或其他可编程数据处理装置运行的指令创建用于实施流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的单元。

这些计算机程序指令还可以被存储在计算机可读介质中，其能够引导计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定的方式工作，使得被存储在所述计算机可读介质中的所述指令产生包括实施在流程图和/或一个或多个框图框中所指定的功能/动作的指令的制品。

所述计算机程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上以令一系列操作步骤在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行以产生计算机实施的过程，使得在计算机或其他可编程装置上运行的指令提供用于实施在流程图和/或一个或多个框图框中所指定的功能/动作的过程。

如在本文中所使用的“用户接口”是允许用户或操作者与计算机或计算机系统进行交互的接口。“用户接口”还可以被称为“人机接口设备”。用户接口可以向操作者提供信息或数据和/或接收来自操作者的信息或数据。用户接口可使来自操作者的输入能够被计算机接收，并且可以将输出从计算机提供给用户。换言之，用户接口可以允许操作者控制或操纵计算机，并且该接口可以允许计算机指示操作者的控制或操纵的效果。数据或信息在显示器或图形用户接口上的显示是向操作者提供信息的范例。通过键盘、鼠标、跟踪球、触摸板、指点杆、图形输入板、操纵杆、游戏板、网络摄像头、头盔、踏板、有线手套、遥控器以及加速度计接收数据都是实现从操作者接收信息或数据的用户接口部件的范例。

如在本文中所使用的“硬件接口”涵盖使得计算机系统的处理器能够与外部计算设备和/或装置进行交互或者对其进行控制的接口。硬件接口可允许处理器将控制信号或指令发送给外部计算设备和/或装置。硬件接口也可以使处理器与外部计算设备和/或装置交换数据。硬件接口的范例包括但不限于：通用串行总线、IEEE 1394端口、并行端口、IEEE1284端口、串行端口、RS-232端口、IEEE-488端口、蓝牙连接、无线局域网连接、TCP/IP连接、以太网连接、控制电压接口、MIDI接口、模拟输入接口和数字输入接口。

本文中使用的“显示器”或“显示设备”涵盖适于显示图像或数据的输出设备或用户接口。显示器可以输出视觉、音频和触觉数据。显示器的范例包括但不限于：电脑监视器、电视屏幕、触摸屏、触觉电子显示屏、盲文屏幕、阴极射线管(CRT)、存储管、双稳态显示器、电子纸、向量显示器、平板显示器、真空荧光显示器(VF)、发光二极管(LED)显示器、电致发光显示器(ELD)、等离子显示面板(PDP)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管显示器(OLED)、投影机和头戴式显示器。

磁共振k空间数据在本文中被定义为使用在MRI扫描期间通过磁共振装置的天线对由原子自旋发射的射频信号的所记录的测量结果。磁共振图像数据在本文中被定义为根据磁共振k空间数据重建的解剖学数据的重构的二维或三维可视化。磁共振图像数据的可视化可以使用计算机来进行。水信号在本文中可以被称为复合水信号，并且当水信号是复合图像或复合图像数据的部分或包括复合图像或复合图像数据时可以互换。脂肪信号在本文中可以被称为复合脂肪信号，并且当脂肪信号是复合图像或复合图像数据的部分或包括复合图像或复合图像数据时可以互换。

附图说明

在下文中，将仅通过举例的方式并且参考附图来描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1图示了医学成像系统的示例；

图2是图示操作图1的医学成像系统的方法的流程图；

图3图示了医学成像系统的另一示例；

图4是图示操作图3的医学成像系统的方法的流程图；

图5是Z谱的示例；

图6是Z谱的另一示例；

图7是Z谱的另一示例；

图8是从水共振的第一频率偏移磁化传递脉冲而采集的肝脏的MRI图像；

图9是利用从水共振的第二频率偏移的磁化传递脉冲采集的图8的肝脏的MRI图像；

图10示出了通过将图8的像素除以图9的相应体素而构建的图像；

图11示出了利用B0场校正对图8的肝脏进行的不对称分析的结果；

图12示出了基于在第一和第二频率处的Z谱一致性的图8的肝脏的掩模；并且

图13示出了将图12的掩模应用于图11的不对称分析。

附图标记列表：

100 医学成像系统

102 计算机

104 处理器

106 硬件接口

108 用户接口

110 计算机存储器

120 机器可执行指令

122 磁共振成像数据

124 预定准则

126 运动似然图

128 CEST磁共振图像

200 接收根据CEST磁共振成像协议采集的磁共振图像数据

202 通过将每个体素的测得的Z谱与预定准则进行比较来将运动似然图分配给每个体素

204 使用磁共振图像数据和运动似然图来重建CEST磁共振图像

300 医学成像系统

302 磁共振成像系统

304 磁体

306 磁体的膛

308 成像区

309 感兴趣区域

310 磁场梯度线圈

312 磁场梯度线圈电源

314 射频线圈

316 收发器

318 对象

320 对象支撑件

321 脉冲序列命令

322 磁共振k空间数据

324 曲线

326 误差函数

328 Z谱词典

330 一组权重

332 残余

400 接收磁共振k空间数据

402 根据CEST磁共振成像协议，使用磁共振k空间数据来重建磁共振图像数据

500 Z谱

502 Z谱点

504 Z谱点预期位置

504’Z谱点预期位置

506 Z谱点被运动损坏

506’ Z谱点被运动损坏

508 Z谱点受CEST效应影响

510 偏离共振的Z谱点

520 无磁化转移脉冲的信号的幅值

522 以PPM的共振

524 信号幅值

526 预定准则

700 模型函数

702 预定义的误差容限

704 CEST下沉

800 S[w1]处的MT图像

900 S[w2]处的MT图像

1000 S[w1]/S[w2]的比率

1002 运动损坏的区域

1100 非对称(MTRasym)分析

1200 图像掩模

具体实施方式

在这些附图中，类似地编号的元件是等价元件或执行相同功能。如果功能是等价的，则将不一定在后来的附图中讨论先前已经讨论过的元件。

图1图示了医学成像系统100的示例。医学成像系统100被示为包括计算机102，计算机102包括处理器104。处理器被示为连接到任选的硬件接口106，以及任选的用户接口108。硬件接口106可以例如通过网络接口，或者也可以用于与医学成像系统的其他部件交换数据或命令。处理器104还被示为连接到存储器110。存储器110可以是处理器104可访问的存储器的任何组合。这可以包括诸如主存储器、高速缓存的存储器以及诸如闪存RAM、硬盘驱动器或其他存储设备的非易失性存储器。在一些示例中，存储器104可以被认为是非瞬态计算机可读介质。

存储器被示为包含机器可执行指令120。机器可执行指令120使得处理器104能够执行各种数据处理任务，并且在一些示例中还使处理器104能够控制医学成像系统100的其他部件。存储器110还被示为包含磁共振图像数据122。磁共振图像数据122包括体素。每个体素包括针对一组饱和频率偏移的测得的Z谱。存储器110还被示为包含预定准则124。可以将预定准则124与磁共振图像数据122进行比较以生成或计算运动似然图126。运动似然图126被示为被存储在存储器110中。存储器110还被示为包含CEST磁共振图像128，其至少部分地使用运动似然图126从磁共振图像数据122重建。

图2示出了图示操作图1的医学成像系统100的方法的流程图。首先在步骤200中接收磁共振图像数据122。根据CEST磁共振成像协议采集磁共振图像数据。磁共振图像数据包括体素，并且每个体素包括针对一组饱和频率偏移的测量的Z谱。接下来，在步骤202中，通过将每个体素的测得的Z谱与预定准则124进行比较，将运动似然图126分配给每个体素。最终，在步骤206中，使用磁共振图像数据122和运动似然图126重建CEST磁共振图像128。

图3图示了医学成像系统300的另一示例。图3中的医学成像系统300类似于图1中的医学成像系统100，除了医学成像系统300还包括磁共振成像系统302之外。该磁共振成像系统302包括磁体304。磁体304是具有通过其的膛306的超导圆柱型磁体。使用不同类型的磁体也是可能的；例如也可以使用分裂圆柱形磁体和所谓的开放磁体。分裂圆柱磁体类似于标准的圆柱磁体，除了低温恒温器已经分裂成两部分，以允许访问所述磁体的等平面，从而使磁体可以例如与带电粒子束治疗相结合地使用。开放磁体有两个磁体部分，一个在另一个之上，中间的空间足够大以容纳对象：两个部分区的布置类似于亥姆霍兹线圈的布置。开放式磁体是流行的，因为对象较少地受限。在圆柱磁体的低温恒温器内部有超导线圈的集合。在圆柱磁体304的膛306内，存在成像区308，在成像区108中，磁场足够强和均匀以执行磁共振成像。示出了成像区308内的感兴趣区域309。所采集的磁共振数据通常针对感兴趣区域采集。对象318被示出为由对象支撑件320支撑，使得对象318的至少一部分在成像区308和感兴趣区域309内。

磁体的膛306内还有磁场梯度线圈310的集合，其用于采集初级磁共振数据，以在磁体304的成像区308内对磁自旋进行空间编码。磁场梯度线圈310连接到磁场梯度线圈电源312。磁场梯度线圈310旨在是代表性的。通常，磁场梯度线圈310包含用于在三个正交空间方向上空间地编码的三个分立的线圈的集合。磁场梯度电源将电流供应到所述磁场梯度线圈。供应给磁场梯度线圈310的电流根据时间来进行控制并且可以是斜变的或脉冲的。

与成像区308相邻的是射频线圈314，其用于操纵成像区308内的磁自旋的取向，并且用于接收来自也在成像区308内的自旋的射频发射。射频天线可包含多个线圈元件。射频天线还可以被称为通道或天线。射频线圈314连接到射频收发器316。射频线圈314和射频收发器316可以由独立的发送线圈和接收线圈以及独立的发射器和接收器替代。要理解的是，射频线圈314和射频收发器316是代表性的。射频线圈314旨在还表示专用的发射天线和专用的接收天线。类似地，收发器316也可以表示单独的发射器和接收器。射频线圈314也可以具有多个接收/发射元件，并且射频收发器316可以具有多个接收/发射通道。例如，如果执行诸如SENSE的并行成像技术，则射频线圈314可以具有多个线圈元件。

收发器316和梯度控制器312被示为连接到计算机系统101的硬件接口106。

存储器还被示出为包含脉冲序列命令321。脉冲序列命令被配置为根据CEST磁共振成像协议控制磁共振成像系统302以采集磁共振k空间数据。存储器110被示为包含使用脉冲序列命令321采集的磁共振k空间数据322。可以以各种不同的方式来分配或计算运动似然图。存储器110被示为任选地包含曲线324和误差函数326。曲线324可以被拟合到测量的Z谱。误差函数326可以是曲线324对测得的Z谱的误差函数或拟合参数。误差函数326可以用于分配运动似然图。

存储器110可选地被示为包含Z谱字典328。Z谱字典328是不同Z谱的集合，这些Z谱可能针对预期在对象318内的不同材料或组织。Z谱字典328可以用于将Z谱的线性组合拟合到测得的Z谱。这可以得到在该优化过程期间计算的一组权重330。拟合的Z谱与测量值之间的差异可以表示为残差332。残差332可以用于计算运动似然图。

图4示出了图示操作图3的医学成像系统300的方法的流程图。图4中所示的方法类似于图2中所示的方法。在图4中，所述方法开始于步骤400。在步骤400中，处理器利用脉冲序列命令321来控制磁共振成像系统302以采集磁共振k空间数据322。这可以等同于接收磁共振k空间数据。接下来在步骤402中，处理器使用磁共振k空间数据322来重建磁共振图像数据122。这是根据CEST磁共振成像协议完成的。然后，所述方法继续进行到与图2所示的步骤200相同的步骤200。同样，也执行步骤202和204。

如上所述，由于这种MRI技术固有的运动敏感性，强烈妨碍了具有显著生理运动的身体部位的CEST成像。尤其是腹部的缓慢生理运动，例如蠕动或膀胱充盈，可能会导致CEST图像中的Z谱不一致和伪影。在此，公开了一种方法，所述方法分析Z谱一致性以对受运动影响的CEST图像区域进行掩模。

化学交换饱和转移(CEST)MRI，尤其是酰胺质子转移加权(APTw)MRI在肿瘤分级中的应用受到了广泛关注。由于这种MRI技术固有的运动敏感性，强烈妨碍了具有显著生理运动的身体部位的CEST成像。APTw/CEST MRI中的运动伪影可以以多种不同方式表现出来。对于信号编码，对与RF饱和频率偏移有关的空间和Z谱尺寸进行采样。这通常需要至少3-5分钟的扫描时间。作为参考，例如，当使用2秒的RF饱和、10个切片、空间矩阵128、7个不同的Z谱点进行B0场校正和归一化(S)并包括平行成像加速度(加速度因子2时)时，利用3D快速自旋回波技术可以实现该采集时间。在这段时间内，人体成像中发生了很多生理运动效应。针对一个Z谱点记录的单个体积可能会受到运动破坏(快速运动/脉动/短期非主动运动)，这对于所有MRI扫描是常见的。特别是对于CEST成像，不同的Z谱点之间的运动可能会导致伪影，因为该处理意味着对不同Z谱数据进行减法和除法。在相关的时间尺度上(例如3D成像中的每个Z谱体积为1分钟)，缓慢的重定位、位置漂移(“身体沉入床垫”)可能会起作用。尤其是腹部的缓慢生理运动，例如蠕动或膀胱充盈，可能会导致CEST图像中的Z谱不一致和伪影。这些通常导致平移运动，但也导致器官的弹性变形。这里，公开了一种方法，所述方法分析Z谱一致性以有效地对受运动影响的CEST图像区域进行掩模。

示例可以解决所有CEST MRI的缺点，即对不同Z谱图像体积的采集之间的任何运动都具有较大的敏感性。示例可以在很大程度上抑制相应的CEST特定运动伪影，而无需采集用于运动检测或校正的额外数据点。

一些示例可以使用Z谱特征进行一致性检查，以便在生理运动造成信号损坏的情况下对CEST图像进行掩模。Z谱S[ω]如果未损坏，则基本上应始终显示随着偏移增加而增加的图像强度。同样，特定于成像参数选择和标称组织类型的Z谱形状也将相似。因此，可以将在不同饱和频率偏移ω处的实际相对Z谱强度与预期进行比较。如果发现与预期的Z谱形状有明显偏差，则假定CEST采集已被运动破坏。因此，可以丢弃、掩盖或缩小相应的体素以抑制CEST特定的运动伪影。

可以使用任何类型的MRI序列和RF饱和方案采集Z谱。Z谱频率采集的顺序可以是任意的。在某些情况下，根据预期运动的类型对Z谱采集进行分类可能是有益的，例如分别取决于慢速运动方案或快速运动方案在Z谱维度上进行交替或线性采集。

关于各种示例，以下基于N个Z谱图像的数据集，提出了3种基本类型的Z谱分析，以检测和校正CEST运动伪像：

(1)指定针对所选Z谱信号S[ωi]/S₀的范围，所述范围可以是不饱和图像S₀(510)的百分比的绝对范围。或与相邻的Z谱信号相比的相对的范围S[ω_j]/S₀

a.检查范围：P1[％]<S[ω_i]/S₀<P2[％](

b.检查频率偏移增加时信号是否增加

S[ω_i]>S[ω_j](|ω_i|>|ω_j|).

c.检查相邻信号关系中的界限：α<S[ω_i]/S[ω_j]<β

任何观察到的偏离范围标准的偏差都归类为运动伪影。请参考下面图5中的526。在实践中，α＝1.1至1.3和β＝1.5至2的效果良好。

(2)将信号模型拟合到点k<N的选定范围，并检查所测得的Z谱图像与拟合模型曲线之间的偏差：S[ω_i]/S_{模型-拟合}[ω_i]<p[％].该模型可以是例如洛伦兹-高斯函数。较大的偏差指示运动。请参考下面的图7。

(3)创建与已知组织类型相关的可能的Z谱形状的字典。允许将不同组织类型相关的Z谱形状的线性组合用于部分体积效果。使用Z谱字典的任何组合来检查测量的Z谱形状的一致性。如果找不到匹配项，或者匹配不良，则可以假定当前处理的体素中存在运动误差。

在根据上述标准之一的体素在运动不一致方面显示可疑信号的情况下，示例还可以提供几种应用校正的方法。

(i)可以根据上述一致性准则向每个体素分配运动损坏的可能性。

(ii)运动伪影的概率图可用于：

a.对EST图像进行掩膜

b.具有可疑运动的低级别区域

c.将概率图显示为叠加图，或在CEST图像旁边显示为置信度信息

例如，比较在ω1和ω2处的两个选定的Z谱偏移频率处的强度，并拒绝不符合准则的体素

α<S[ω1]/S[ω2]<β，如图5中所示。

图5图示了Z谱500的示例。Z谱500由几个不同的Z谱点502构成。标记为504的Z谱点是存在预期测量位置的Z谱点。然而，实际的Z谱点506已经被运动破坏了。Z谱点508对应于受CEST效果影响的位置处的Z谱点。Z谱点510是非共振Z谱点，其用于在没有磁化转移脉冲的情况下测量信号的幅值520。偏离共振Z谱点510的测量偏离共振约1000ppm。x轴是与氢的水共振相比以ppm为单位的共振522。Y轴524是信号幅值。

图5还示出了可用于检测运动的预定准则526。如果信号506与相邻信号502的比率在两个预定极限α和β内，则可以看到该比率。如果在506到502处的幅度比不在该预定范围内，则可以指示数据存在运动损坏。

图5：示例性实施例：使用两个选定的频率ω1和ω2和针对预期的Z谱形状调整的准则，使用针对强度变化的阈值α和β进行Z谱一致性检查。形状和足够的阈值将取决于CEST参数的选择，但对于给定的(标准化)CEST协议可以固定。

图6图示了Z谱500的另一示例。在该示例中，有被运动破坏的两个Z谱点506和506'。它们分别从其预期位置504和504'移开。在该示例中，在预定准则600处，检查Z谱点随着距水共振324的距离的绝对值增加而单调增加。可以看出，所述预定准则可以用于识别506和506'可能是运动损坏的。这可以用于分配运动似然图126。

图7是Z谱500的另一示例。在此示例中，模型函数700已被拟合到Z谱点502、504和510。模型函数700用于定义模型函数700周围的预定义误差容限702。可以看出，Z谱点506不在预定义的误差容限702内。Z谱点506可能是由于运动。可以看出，由于CEST下沉，实际Z谱曲线中存在下沉704。从模型函数700的拟合中排除了该点。这防止了由于CEST效应引起的下沉704干扰模型函数700的位置。

在图7中，Z谱一致性检查是使用多个Z谱频率ω_i进行。将实际测量的Z谱与包含误差容限的(拟合)模型进行比较。如上例所示，Z谱背景(MT效果)的典型模型是洛伦兹-高斯函数。形状和足够的阈值将取决于CEST参数的选择，但对于给定的(标准化)CEST协议可以固定。感兴趣的质子池附近的饱和频率(此处：酰胺，+Δω＝3.5ppm)可从一致性检查中排除，因为在此，由于CEST对比，预期存在变化。

图8-13显示了使用建议的Z谱方法校正的肝脏MRI CEST检查的示例。在此演示中，使用了3T MRI系统(Achieva TX，Philips，NL)，所述系统配备了32个元件的躯干-脏线圈接收器，用于触发的呼吸带和2通道并行传输。使用传输信道交替施加100％占空比的RF饱和。

其他参数：FOV 220×500mm；平面内分辨率1.8mm；冠状切片6mm；重建0.86mm；2D快速自旋回波，具有动平衡重聚焦；击发持续时间440毫秒的4个段；低高k空间阶Δω＝+3.5ppm(APTw)；触发延迟810毫秒；采集窗口后1.6s的额外延迟；19个Z谱点；步长0.4ppm；扫描时间71/2min；TR/TE＝5700/6.2ms；每个Z谱点的扫描时间23s；像素带宽290Hz；RF饱和B＝1.5μT并且2秒持续时间。对于该特定的CEST序列，选择α＝1.3并且β＝1.6是个不错的选择，以通过进一步使用ω₁＝-580Hz和ω₂＝-380Hz的Z谱数据的不一致性来检测运动。

在图8至13是在CEST MRI中对不一致的Z谱数据进行掩模的示例。(图8)S[ω1]；(图9)S[ω1]；(图10)商S[ω1]/S[ω2]示出肝脏内部的运动问题，尽管使用呼吸触发隔膜的位置相当稳定。(图11)利用在Δω＝+3.5ppm的(APTw成像)的B0场校正的不对称分析(MTR_asym)的结果。(图12)基于在ω1/ω2处的Z谱一致性的掩模。(图13)针对Z谱不一致性(掩模值设定为0％)进行掩模的MTR_asym，称为MTR_asym；mc。

图8-13用于说明对CEST中的不一致进行掩模的Z谱数据的示例。图8示出了利用从水共振的第一频率偏移S[ω₁]磁化转移脉冲获得的肝脏的MRI图像。所有图8-13示出了肝脏的相同感兴趣区域。图9示出了在从水共振的第二偏移量S[ω₂]的Z谱数据。在Z谱内图8和9中的偏移在相邻的位置。图像8比图9中的图像900更接近水共振。图10示出了图8中的图像的体素除以800除以图9中的图像900的商。这得到图像1000，其示出了S[ω₁]对S[ω₂]的比率。有两个区域1002可能包含运动损坏。图11示出了图像1100，其是在Δω＝+3.5ppm处通过B0场校正的不对称分析的结果。在1100处，在图像中清晰可见损坏区域1002。

图12示出了使用在S[ω₁]对S[ω₂]的比率的Z谱一致性构建的掩模1200。图13示出了将图12的掩模1200应用于图12的图像1200的结果。掩码中的值已被设置为预定值。可以看出，这大部分消除了区域1002中的伪影。

尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于公开的实施例。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成权利要求书中所记载的若干个项目的功能。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。可以将计算机程序存储/分布在与其它硬件一起提供或者作为其它硬件的部分提供的诸如光存储介质或者固态介质的合适介质上，但是还可以以诸如经因特网或者其它有线或无线电信系统的其它形式分布。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。

Claims

1.一种医学成像系统(100、300)，包括：

存储器(110)，其用于存储机器可执行指令(120)；

处理器(104)，其用于控制所述医学成像系统，其中，所述机器可执行指令的运行使所述处理器：

接收(200)根据CEST磁共振成像协议采集的磁共振图像数据(122)，其中，所述磁共振图像数据包括体素，其中，所述体素中的每个体素包括针对一组饱和频率偏移量(502、504、504'、506、506'、508、510)的测得的Z谱(500)；

形成(202)运动似然图(126)，所述运动似然图通过将每个体素的所述测得的Z谱与预定准则进行比较来表示逐体素的运动概率；并且

根据磁共振图像数据来重建(204)CEST磁共振图像(128)，并且包括基于所述运动似然图的对运动伪影的校正。

2.根据权利要求1所述的医学成像系统，其中，所述机器可执行指令的运行还使处理器通过最小化误差函数来针对所述体素中的每个体素将曲线(700)拟合到所述测得的Z谱的至少一个子集，其中，所述运动似然图取决于针对所述体素中的每个体素的经最小化的误差函数。

3.根据权利要求2所述的医学成像系统，其中，在针对饱和转移的预定质子池的预定化学位移距离(704)之内的所述测得的Z谱的所述饱和频率偏移被排除在对所述测得的Z谱的拟合之外。

4.根据权利要求1所述的医学成像系统，其中，所述存储器包含Z谱字典(328)，所述Z谱字典包括多个Z谱，其中，所述机器可执行指令的运行还使所述处理器通过优化一组权重而使用所述多个Z谱的线性组合来构建拟合的Z谱，其中，使用来自字典条目的线性组合的所述测得的Z谱的残差来计算针对每个体素的运动似然图。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的医学成像系统，其中，通过将针对所述频率偏移中的一个或多个的所述测得的Z谱与所述预定准则进行比较来构建所述运动似然图。

6.根据权利要求5所述的医学成像系统，其中，所述预定准则是以下中的任意一项：

所述测得的Z谱的Z谱信号的占所述测得的Z谱中的不饱和Z谱信号的百分比的绝对范围；

将所述测得的Z谱的所述Z谱信号与相邻Z谱信号进行比较的相对范围(526)；

随着频率偏移从0ppm的绝对距离增加，针对所述测得的Z谱的相邻Z谱信号值的单调递增(600)的值；以及

相对于模型函数(700)，在预定义的误差容限(702)之外发现Z谱信号。

7.根据权利要求1-4中的任一项所述的医学成像系统，其中，所述机器可执行指令的运行还使所述处理器使用所述运动似然图来缩放所述CEST磁共振图像的体素。

8.根据权利要求1至4中的任一项所述的医学成像系统，其中，所述机器可执行指令的运行还使所述处理器：

通过对所述运动似然图进行阈值处理来构造图像掩模(1200)；并且

通过使用所述图像掩模将所述CEST磁共振图像的体素设置为预定值来修改(1300)所述CEST磁共振图像。

9.根据权利要求1至4中的任一项所述的医学成像系统，其中，所述机器可执行指令的运行还使所述处理器：

在显示器上绘制所述CEST磁共振图像，并且

在所述显示器上使所述运动似然图与所述CEST磁共振图像相邻或叠加在所述CEST磁共振图像上。

10.根据权利要求1-4中的任一项所述的医学成像系统，其中，所述机器可执行指令的运行还使所述处理器：

接收(400)磁共振k空间数据；并且

根据所述CEST磁共振成像协议，使用所述磁共振k空间数据来重建(402)所述磁共振图像数据。

11.根据权利要求10所述的医学成像系统，其中，所述医学成像系统还包括磁共振成像系统(302)，所述磁共振成像系统被配置用于从成像区域内的对象采集所述磁共振k空间数据，其中，所述存储器还存储脉冲序列命令(321)，其中，所述脉冲序列命令被配置为根据所述CEST磁共振成像协议来采集所述磁共振数据，其中，所述机器可执行指令的运行使所述处理器利用所述脉冲序列命令来控制所述磁共振成像系统以采集所述磁共振k空间数据。

12.一种包括机器可执行指令(120)的计算机程序产品，所述机器可执行指令用于由控制医学成像系统(100、300)的处理器(104)运行，其中，所述机器可执行指令的运行使所述处理器：

形成(202)运动似然图(126)，所述运动似然图通过将每个体素的测得的Z谱与预定准则进行比较来表示逐体素的运动概率；并且

使用所述磁共振图像数据来重建(204)CEST磁共振图像，并且包括基于所述运动似然图的对运动伪影的校正。

13.根据权利要求12所述的计算机程序产品，其中，所述医学成像系统还包括磁共振成像系统(302)，所述磁共振成像系统被配置用于从成像区域内(308)的对象(318)采集所述磁共振k空间数据(322)，其中，所述医学成像系统的存储器存储脉冲序列命令(321)，其中，所述脉冲序列命令被配置为控制所述磁共振成像系统根据所述CEST磁共振成像协议来采集所述磁共振数据，其中，所述机器可执行指令的运行使所述处理器：

利用所述脉冲序列命令控制(400)所述磁共振成像系统以采集所述磁共振k空间数据；并且

14.一种操作医学系统(100、300)的方法，其中，所述方法包括：

接收(200)根据CEST磁共振成像协议采集的磁共振图像数据(122)，其中，所述磁共振图像数据包括体素，其中，所述体素中的每个体素包括针对一组饱和频率偏移量(502、504、504'、506、506'、508、510)的测得的Z谱；

使用所述磁共振图像数据重建(204)CEST磁共振图像(128)，并且包括基于所述运动似然图的对运动伪影的校正。