基于自旋锁的定量磁化传递成像的系统和方法

相关申请的引用

本申请要求2019年11月8日提交的美国临时专利申请62/933,187号和2020年5月13日提交的美国专利申请15/929,627号的优先权。

背景技术

本申请大体上涉及磁共振成像(MRI)技术，具体涉及用于基于自旋锁的定量磁化传递(MT)成像的技术。

磁共振成像(MRI)是一种非侵入性诊断技术，其能够评估多种组织的组成和状态。在MRI过程中，患者被置于强纵向磁场(B0)中，该强纵向磁场排列患者体内原子的核自旋，产生净磁化矢量。施加具有横切于纵向场的磁场分量(B1)和调谐到目标同位素(通常为

除了提供组织的高质量解剖图像之外，MRI还可以用于在分子水平上检查组织。例如，可以测量磁化传递(MT)效应，其中磁化在流动水的质子(通常称为"自由池")和与半固体大分子(如脂质和其它复杂分子)相关的质子(通常称为"结合池")之间转移。结合池的质子具有超短的T2弛豫，因此与流动质子相比具有显著更宽的吸收线型。在MRI过程中施加偏共振饱和RF脉冲允许结合池的质子选择性地饱和，同时保持流动质子不受影响。由于偶极相互作用和化学交换，饱和被传递到自由水池，导致MT对比。

MT比率(MTR)通常用于表征磁化传递。然而，MTR不是固有组织特性，因为它受脉冲序列参数的影响。目前已经开发了定量MT方法来测量组织特异性MT参数，该方法基于如上所述的具有自由水池和结合池的双池模型。该模型规定了一些参数，包括每个池的T1和T2，两个池之间的磁化交换速率，以及与大分子结合的质子的摩尔分数(也称为结合池分数(BPF)或大分子质子分数(MPF))。MPF是组织特异性参数，其直接关联于大分子密度和组成，并且与采集参数无关。

然而，在临床应用中，从MRI数据中提取MPF是具有挑战性的，这其中的一部分原因是需要量化多个MT参数，需要使用不同采集参数的多个MRI扫描和复杂的后处理过程。如果仅估计临床最相关的参数(包括MPF)，可以减少采集时间。目前已经提出了多种技术。其中一些技术使用单一偏共振RF饱和测量，这样的前提假设是交叉弛豫足够快以及已经获得T1图谱(例如，使用其他MRI扫描)。另一种方法涉及标记流动质子的自旋，而不是饱和化与结合池相关联的偏共振自旋，其中使用诸如受激回波幅度调制(STEAM)的技术并且拟合为稳态下单指数纵向弛豫模型。该方法不需要采集T1图谱。然而，受激回波技术自身具有低信噪比。因此，需要开发用于MPF定量的更快和更精确技术。

发明概述

本申请的某些实施方案涉及使用偏共振自旋锁MRI快速、稳定地量化磁化传递(MT)的系统和方法。所述技术能对自由水池的固有弛豫速率R1(1/T1)和R2(1/T2)的变化以及化学交换池的变化不敏感。在B1 RF和/或B0磁场中存在不均匀性的情况下，该技术也是稳定的。

一些实施方案涉及使用MRI设备量化磁化传递的参数的方法。可以执行多个图像采集过程以产生一组MRI图像，其中多个图像采集过程中的每个图像采集过程(i)包括施加具有RF幅度

在各种实施方案中，可以使用不同的图像采集方法来确定R

在其它实施方案中，第一图像采集过程使用自旋锁时间为零的第一RF幅度

在其它实施方案中，图像采集过程的第一子集和图像采集过程的第二子集各自包括至少两个图像采集过程(使得图像采集过程的总数至少为4)。第一子集中的每个图像采集过程使用的自旋锁脉冲具有与第一子集中的每个其他图像采集过程的自旋锁时间(TSL)不同的TSL，并且第二子集中的每个图像采集过程使用的自旋锁脉冲具有与第二子集中的每个其他图像采集过程的TSL不同的TSL。通过寻找将磁化强度表征为TSL函数的公式的优化方案，可以从多个图像计算第一弛豫速率

作为非限制性实例，本申请提供了以下实施方案：

1.一种使用磁共振成像(MRI)设备量化磁化传递的方法，所述方法包括：

执行多个图像采集过程以产生多个MRI图像，其中所述多个图像采集过程中的每个图像采集过程(i)包括施加具有RF幅度

基于所述多个MRI图像，计算磁化传递的一个或多个参数，其中所述磁化传递的一个或多个参数包括参数R

第一RF幅度

2.如实施方案1所述的方法，还包括：基于参数R

3.如实施方案2所述的方法，其中所述磁化传递的一个或多个另外的参数包括结合到半固体大分子的质子的结合池的池大小比(f

其中k

4.如实施方案3所述的方法，其中所述饱和速率参数R

5.如实施方案4所述的方法，其中所述磁化交换速率k

6.如实施方案4所述的方法，其中所述磁化交换速率k

7.如实施方案2所述的方法，其中所述磁化传递的一个或多个另外的参数包括表示与半固体大分子结合的质子的分数的大分子质子分数(MPF)。

8.如实施方案1所述的方法，其中执行多个图像采集过程包括：

在缺少切换RF脉冲的情况下，使用第一RF幅度

在具有切换RF脉冲的情况下，使用第一RF幅度

在缺少切换RF脉冲的情况下，使用第二RF幅度

在具有切换RF脉冲的情况下，使用第二RF幅度

9.如实施方案8所述的方法，其中对于所述第一、第二、第三和第四自旋锁脉冲中的每一个使用相同的自旋锁时间(TSL)，并且根据以下公式测定弛豫参数R

10.如实施方案1所述的方法，其中：

执行多个图像采集过程包括：

以自旋锁时间为零，使用第一RF幅度

以大于零的自旋锁时间，使用在第一RF幅度

以大于零的自旋锁时间，使用在第二RF幅度

计算参数R

基于第一磁化强度值和第二磁化强度值计算第一弛豫速率

基于第一磁化强度值和第三磁化强度值计算第二弛豫速率

11.如实施方案10所述的方法，还包括：

执行一个或多个附加图像采集过程以测量观察纵向弛豫速率(R

其中在计算第一弛豫速率

12.如实施方案1所述的方法，其中：

多个图像采集过程的第一子集中的每个图像采集过程包括施加具有第一RF幅度

多个图像采集过程的第二子集中的每个图像采集过程包括施加具有第二RF幅度

13.如实施方案12的方法，其中：

所述多个图像采集过程的第一子集和所述多个图像采集过程的第二子集各自包括至少两个图像采集过程；

第一子集中的每个图像采集过程使用的自旋锁脉冲具有的自旋锁时间(TSL)不同于第一子集中的每个其他图像采集过程的TSL；

第二子集中的每个图像采集过程使用的自旋锁脉冲具有的TSL不同于第二子集中的每个其他图像采集过程的TSL；和

从多个图像计算第一弛豫速率

14.如实施方案13所述的方法，其中所述第一弛豫速率

和

对于变量

其中：

M

θ等于

M

15.如实施方案13所述的方法，其中执行所述多个图像采集过程包括：

对于多个图像采集过程中的每一个，使用脉冲序列，使得：

其中M

16.如实施方案15所述的方法，其中所述第一弛豫速率

和

对于变量

其中：

θ等于

17.如实施方案1所述的方法，其中施加偏共振自旋锁脉冲的每种情形包括施加偏共振自旋锁RF脉冲簇。

18.如实施方案1所述的方法，其中施加偏共振自旋锁脉冲的每种情形包括施加饱和RF脉冲。

19.如实施方案1所述的方法，其中执行所述多个图像采集过程中的每一个包括在施加所述自旋锁脉冲之前或之后且在采集数据之前，施加至少一个预备脉冲序列。

20.磁共振成像(MRI)系统，包括：

具有磁体、梯度线圈和一个或多个射频(RF)线圈的MRI设备；和

与所述MRI设备可通信连接的计算机，所述计算机具有处理器、存储器和用户界面，所述处理器被配置为：

使用所述MRI设备执行多个图像采集过程以产生多个MRI图像，其中所述多个图像采集过程中的每个图像采集过程(i)包括施加具有RF幅度

基于所述多个MRI图像，计算磁化传递的一个或多个参数，其中所述磁化传递的一个或多个参数包括参数R

第一RF幅度

21.如实施方案20所述的系统，其中所述处理器被进一步配置为基于参数R

22.如实施方案21所述的系统，其中所述磁化传递的一个或多个另外的参数包括结合到半固体大分子的质子的结合池的池大小比(f

其中k

23.如实施方案22所述的系统，其中所述饱和速率参数R

24.如实施方案23所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成使得所述磁化交换速率k

25.如实施方案23所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成使得所述磁化交换速率k

26.如实施方案21所述的系统，其中所述磁化传递的一个或多个另外的参数包括表示与半固体大分子结合的质子的分数的大分子质子分数(MPF)。

27.如实施方案20所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成使得执行所述多个图像采集过程包括：

在缺少切换RF脉冲的情况下，使用第一RF幅度

在具有切换RF脉冲的情况下，使用第一RF幅度

在缺少切换RF脉冲的情况下，使用第二RF幅度

在具有切换RF脉冲的情况下，使用第二RF幅度

28.如实施方案27所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成使得对于所述第一、第二、第三和第四自旋锁脉冲中的每一个使用相同的自旋锁时间(TSL)，并且根据以下公式测定弛豫参数R

29.如实施方案20所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成使得：

执行多个图像采集过程包括：

以自旋锁时间为零，使用第一RF幅度

以大于零的自旋锁时间，使用在第一RF幅度

以大于零的自旋锁时间，使用在第二RF幅度

计算参数R

基于第一磁化强度值和第二磁化强度值计算第一弛豫速率

基于第一磁化强度值和第三磁化强度值计算第二弛豫速率

30.如实施方案29所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成：

执行一个或多个附加图像采集过程以测量观察纵向弛豫速率(R

其中在计算第一弛豫速率

31.如实施方案20所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成使得：

多个图像采集过程的第一子集中的每个图像采集过程包括施加具有第一RF幅度

多个图像采集过程的第二子集中的每个图像采集过程包括施加具有第二RF幅度

32.如实施方案31所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成使得：

所述多个图像采集过程的第一子集和所述多个图像采集过程的第二子集各自包括至少两个图像采集过程；

第一子集中的每个图像采集过程使用的自旋锁脉冲具有的自旋锁时间(TSL)不同于第一子集中的每个其他图像采集过程的TSL；

第二子集中的每个图像采集过程使用的自旋锁脉冲具有的TSL不同于第二子集中的每个其他图像采集过程的TSL；和

从多个图像计算第一弛豫速率

33.如实施方案32所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成使得所述第一弛豫速率

和

对于变量

其中：

M

θ等于

M

34.如实施方案32所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成使得执行所述多个图像采集过程包括：

对于多个图像采集过程中的每一个，使用脉冲序列，使得：

其中M

35.如实施方案34所述的系统，其中所述处理器被进一步配置成使得所述第一弛豫速率

和

对于变量

其中：

θ等于

36.如实施方案20所述的系统，其中施加偏共振自旋锁脉冲的每种情形包括施加偏共振自旋锁RF脉冲簇。

37.如实施方案20所述的系统，其中施加偏共振自旋锁脉冲的每种情形包括施加饱和RF脉冲。

38.如实施方案20所述的系统，其中所述处理器被进一步配置为使得执行所述多个图像采集过程中的每一个包括在施加所述自旋锁脉冲之前或之后且在采集数据之前，施加至少一个预备脉冲序列。

39.一种计算机可读介质，其存储多个指令，其中所述多个指令当被计算机系统的处理器执行时控制所述计算机系统实施包括以下的操作：

执行多个图像采集过程以产生多个MRI图像，其中所述多个图像采集过程中的每个图像采集过程(i)包括施加具有RF幅度

基于所述多个MRI图像，计算磁化传递的一个或多个参数，其中所述磁化传递的一个或多个参数包括参数R

第一RF幅度

40.如实施方案39所述的计算机可读介质，其中所述操作还包括：基于参数R

41.如实施方案40所述的计算机可读介质，其中所述磁化传递的一个或多个另外的参数包括结合到半固体大分子的质子的结合池的池大小比(f

其中k

42.如实施方案41所述的计算机可读介质，其中所述饱和速率参数R

43.如实施方案42所述的计算机可读介质，其中所述磁化交换速率k

44.如实施方案42所述的计算机可读介质，其中所述磁化交换速率k

45.如实施方案40所述的计算机可读介质，其中所述磁化传递的一个或多个另外的参数包括表示与半固体大分子结合的质子的分数的大分子质子分数(MPF)。

46.如实施方案39所述的计算机可读介质，其中执行多个图像采集过程包括：

在缺少切换RF脉冲的情况下，使用第一RF幅度

在具有切换RF脉冲的情况下，使用第一RF幅度

在缺少切换RF脉冲的情况下，使用第二RF幅度

在具有切换RF脉冲的情况下，使用第二RF幅度

47.如实施方案46所述的计算机可读介质，其中对于所述第一、第二、第三和第四自旋锁脉冲中的每一个使用相同的自旋锁时间(TSL)，并且根据以下公式测定弛豫参数R

48.如实施方案39所述的计算机可读介质，其中：

执行多个图像采集过程包括：

以自旋锁时间为零，使用第一RF幅度

以大于零的自旋锁时间，使用在第一RF幅度

以大于零的自旋锁时间，使用在第二RF幅度

计算参数R

基于第一磁化强度值和第二磁化强度值计算第一弛豫速率

基于第一磁化强度值和第三磁化强度值计算第二弛豫速率

49.如实施方案48所述的计算机可读介质，其中所述操作还包括：

执行一个或多个附加图像采集过程以测量观察纵向弛豫速率(R

其中在计算第一弛豫速率

50.如实施方案39所述的计算机可读介质，其中：

多个图像采集过程的第一子集中的每个图像采集过程包括施加具有第一RF幅度

多个图像采集过程的第二子集中的每个图像采集过程包括施加具有第二RF幅度

51.如实施方案50的计算机可读介质，其中：

所述多个图像采集过程的第一子集和所述多个图像采集过程的第二子集各自包括至少两个图像采集过程；

第一子集中的每个图像采集过程使用的自旋锁脉冲具有的自旋锁时间(TSL)不同于第一子集中的每个其他图像采集过程的TSL；

第二子集中的每个图像采集过程使用的自旋锁脉冲具有的TSL不同于第二子集中的每个其他图像采集过程的TSL；和

从多个图像计算第一弛豫速率

52.如实施方案51所述的计算机可读介质，其中所述第一弛豫速率

和

对于变量

其中：

M

θ等于

M

53.如实施方案51所述的计算机可读介质，其中执行所述多个图像采集过程包括：

对于多个图像采集过程中的每一个，使用脉冲序列，使得：

其中M

54.如实施方案53所述的计算机可读介质，其中所述第一弛豫速率

和

对于变量

其中：

θ等于

55.如实施方案39所述的计算机可读介质，其中施加偏共振自旋锁脉冲的每种情形包括施加偏共振自旋锁RF脉冲簇。

56.如实施方案39所述的计算机可读介质，其中施加偏共振自旋锁脉冲的每种情形包括施加饱和RF脉冲。

57.如实施方案39所述的计算机可读介质，其中执行所述多个图像采集过程中的每一个包括在施加所述自旋锁脉冲之前或之后且在采集数据之前，施加至少一个预备脉冲序列。

58.一种使用磁共振成像(MRI)设备量化磁化传递的系统，所述系统包括：

用于执行多个图像采集过程以产生多个MRI图像的装置，其中所述多个图像采集过程中的每个图像采集过程(i)包括施加具有RF幅度

用于基于所述多个MRI图像，计算磁化传递的一个或多个参数的装置，其中所述磁化传递的一个或多个参数包括参数R

第一RF幅度

59.如实施方案58所述的系统，还包括：用于基于参数R

60.如实施方案59所述的系统，其中所述磁化传递的一个或多个另外的参数包括结合到半固体大分子的质子的结合池的池大小比(f

其中k

61.如实施方案60所述的系统，其中所述饱和速率参数R

62.如实施方案61所述的系统，其中所述磁化交换速率k

63.如实施方案61所述的系统，其中所述磁化交换速率k

64.如实施方案59所述的系统，其中所述磁化传递的一个或多个另外的参数包括表示与半固体大分子结合的质子的分数的大分子质子分数(MPF)。

65.如实施方案58所述的系统，其中执行多个图像采集过程包括：

在缺少切换RF脉冲的情况下，使用第一RF幅度

在具有切换RF脉冲的情况下，使用第一RF幅度

在缺少切换RF脉冲的情况下，使用第二RF幅度

在具有切换RF脉冲的情况下，使用第二RF幅度

66.如实施方案65所述的系统，其中对于所述第一、第二、第三和第四自旋锁脉冲中的每一个使用相同的自旋锁时间(TSL)，并且根据以下公式测定弛豫参数R

67.如实施方案58所述的系统，其中：

执行多个图像采集过程包括：

以自旋锁时间为零，使用第一RF幅度

以大于零的自旋锁时间，使用在第一RF幅度

以大于零的自旋锁时间，使用在第二RF幅度

计算参数R

基于第一磁化强度值和第二磁化强度值计算第一弛豫速率

基于第一磁化强度值和第三磁化强度值计算第二弛豫速率

68.如实施方案67所述的系统，还包括：

用于执行一个或多个附加图像采集过程以测量观察纵向弛豫速率(R

其中在计算第一弛豫速率

69.如实施方案58所述的系统，其中：

多个图像采集过程的第一子集中的每个图像采集过程包括施加具有第一RF幅度

多个图像采集过程的第二子集中的每个图像采集过程包括施加具有第二RF幅度

70.如实施方案69的系统，其中：

所述多个图像采集过程的第一子集和所述多个图像采集过程的第二子集各自包括至少两个图像采集过程；

第一子集中的每个图像采集过程使用的自旋锁脉冲具有的自旋锁时间(TSL)不同于第一子集中的每个其他图像采集过程的TSL；

第二子集中的每个图像采集过程使用的自旋锁脉冲具有的TSL不同于第二子集中的每个其他图像采集过程的TSL；和

从多个图像计算第一弛豫速率

71.如实施方案70所述的系统，其中所述第一弛豫速率

和

对于变量

其中：

M

θ等于

M

72.如实施方案70所述的系统，其中执行所述多个图像采集过程包括：

对于多个图像采集过程中的每一个，使用脉冲序列，使得：

其中M

73.如实施方案72所述的系统，其中所述第一弛豫速率

和

对于变量

其中：

θ等于

74.如实施方案58所述的系统，其中施加偏共振自旋锁脉冲的每种情形包括施加偏共振自旋锁RF脉冲簇。

75.如实施方案58所述的系统，其中施加偏共振自旋锁脉冲的每种情形包括施加饱和RF脉冲。

76.如实施方案58所述的系统，其中执行所述多个图像采集过程中的每一个包括在施加所述自旋锁脉冲之前或之后且在采集数据之前，施加至少一个预备脉冲序列。

下文详细描述与附图一起提供了对请求保护的发明的特性和优点的进一步理解。

附图简要说明

图1示出了可用于实施本申请的一些实施方案的MRI系统。

图2示出根据一些实施方案的各种组织类型的弛豫参数R

图3A-3E示出了根据一些实施方案，使用用于肝脏的参数，由全公式Bloch-McConnell模拟计算，弛豫参数R

图4示出了根据一些实施方案的用于确定MPF的第一方法400的流程图。

图5示出了根据一些实施方案的用于确定MPF的第二方法500的流程图。

图6示出了根据一些实施方案的用于确定MPF的第三方法600的流程图。

图7示出了根据一些实施方案的用于不同组织类型和不同参数的变化值的模拟结果。

图8示出了由于场不均匀性而可能发生的预期和实际自旋锁方向之间不匹配的示例。

图9A-9C示出了根据一些实施方案，场不均匀性的变化量对预期和实际自旋锁场方向之间的偏差(图9A)，实际自旋锁场方向和磁化方向之间的角度(图9B)以及测量的MPF中的相对误差(图9C)的影响的模拟结果。

发明详细描述

在本章节中描述了提供磁化传递的参数的量化的系统和方法的示例(也称为"实施方案")。根据这些实施方案和其它实施方案，可以使用自旋锁磁共振成像(MRI)技术来量化磁化传递的参数。应当注意的是，自旋锁也发生在饱和RF脉冲期间；因此，在本文描述的实施方案中，可以应用偏共振自旋锁RF脉冲簇或饱和RF脉冲，术语"自旋锁脉冲"被用于指自旋锁脉冲簇和饱和RF脉冲。可以执行一系列采集以提供对MT池具有特异性并独立于自由水池和化学交换池的最终测量结果。本领域技术人员能够清楚知道的是，本文描述的实施方案允许量化磁化传递，而不需要采集T1图或关于自由水池的弛豫特性的任何假设。

MRI系统

图1示出了可用于实施本申请的一些实施方案的MRI系统。MRI系统100包括计算机102，其与MRI设备104可通信地连接。

计算机102大体上可以是常规设计，并且可以包括用户界面106、处理器108、存储器110、梯度控制器112、RF控制器114和RF接收器116。用户界面106可以包括允许用户(例如，MRI系统100的操作员)输入指令或数据并查看信息的组件。例如，用户界面106可以包括键盘，鼠标，操纵杆，显示屏，触敏显示屏等。处理器108可包括能够执行程序代码指令以执行各种操作的通用可编程处理器(或任何其它处理器或处理器组)。存储器110可以包括易失性和非易失性存储元件(例如，DRAM,SRAM，闪存，磁盘，光盘等)的组合。存储器110的多个部分可以存储需要由处理器108执行的程序代码。程序代码的示例可以包括控制程序118和分析程序120，控制程序118可以如下文所述协调MRI设备104的操作以采集数据，分析程序120可以对从MRI设备104采集的数据执行分析算法(例如，如下文所述)。梯度控制器112,RF控制器114和RF接收器116可以配备有标准通信接口和协议，以与MRI设备104的各个部件通信，如下文所述。

MRI设备104大体上可以是常规设计，并且可以包括磁体130，梯度线圈132和RF线圈134、136。磁体130可以是能够在纵向方向上产生大的恒定磁场B0(例如，1.5T,3.0T等)的磁体，患者(或待成像其它个体)可以安置于一定区域中。梯度线圈132能够在恒定磁场B0中产生梯度；梯度线圈132的操作可由计算机102通过梯度控制器112控制。RF线圈134、136可以包括发射器(TX)线圈134和接收器(RX)线圈136。在一些实施方案中，单个线圈可以用作发射器和接收器。在一些实施方案中，RF发射器线圈134可以被放置在个体身体的需要被成像的部分周围，同时RF接收器线圈136被放置在MRI设备104内的其它地方。RF线圈134、136的优选设置可以根据需要成像的身体具体部分。阅读本申请的本领域技术人员能够做出适当的选择。

在操作中，计算机100可以通过梯度控制器112来驱动梯度线圈132，以对围绕待成像区域的磁场进行定型。计算机100可通过RF控制器114驱动RF发射器线圈134以产生具有所需频率(例如，目标同位素的共振频率)的RF脉冲，从而将核自旋驱动到激发态。当没有产生RF脉冲时，RF接收线圈136可以检测由从激发态的自旋弛豫而产生的RF波。RF接收器116可以包括放大器，数模转换器和用于从由RF接收器线圈136检测到的RF波生成数字数据的其它电路。RF接收器116可将此数据提供给处理器108以供分析。

MRI系统100是举例说明，并且许多变化和修改是可能的。本领域技术人员熟悉各种MRI设备和控制系统，以及MRI数据采集的基本原理，包括使用梯度场和RF脉冲，以及用于检测响应于RF脉冲的信号并处理这些信号以产生图像的技术。

在一些实施方案中，MRI系统100或其它MRI设备可用于产生适于个体的MT成像(例如患者体内的具体器官或组织)的脉冲序列。下文描述脉冲序列和成像操作的示例。

通常，MRI成像过程包括"预备"阶段和"采集"阶段。在预备阶段期间，可以在RF发射器线圈136中产生各种脉冲序列，以创建目标核的磁化矢量的期望状态。例如，可以使用"复位(reset)"序列来复位净磁化强度，使得净磁化强度变为零。其它类型的预备可以包括设计用于抑制来自具体类型的非目标组织(例如，血液，脂肪)的信号的脉冲序列。在本文描述的一些实施方案中，磁化预备序列可以包括自旋锁RF脉冲簇或饱和RF脉冲。自旋锁RF脉冲簇由下倾(tip-down)RF脉冲，自旋锁RF脉冲和上倾(tip-up)RF脉冲组成。饱和RF脉冲包括自旋锁RF脉冲，而没有下倾RF脉冲或上倾RF脉冲。自旋锁也可在饱和RF脉冲期间发生，术语"自旋锁脉冲"在本文中用于涵盖自旋锁RF脉冲簇或饱和RF脉冲(或期间发生自旋锁的其它脉冲或脉冲簇)。施加自旋锁RF脉冲或饱和RF脉冲持续指定的持续时间(称为自旋锁时间，或TSL)。一些磁化预备序列还可以包括切换(toggling)RF脉冲。在预备阶段之后，可以使用各种序列(例如快速自旋回波序列或所需的其它序列)来执行采集。

MPF量化过程

本文所述的某些实施方案进行MPF定量。在一些实施方案中，使用双池模型，其中测量的弛豫速率基于来自两个不同磁化池的贡献：自由水池(也称为"池a")和结合到大分子的质子池(也称为"结合池"或"池b")。该模型假定可以在自由水和结合池之间以某种速率发生磁化交换。两个池的比例大小在初始是未知的。表1中所示的符号用于表示两个池的各种参数。

表1

根据双池模型，对于具有RF幅度ω

R

其中R

R

其中

MT依赖性弛豫速率R

其中r

在一些实施方案中，

是结合池的超级Lorentzian线型。在一些实施方案中，也可以使用其它线型，例如高斯线型。公式(4)的推导作为基于Bloch-McConnell公式的特征空间解的MT依赖性弛豫的解析表达式已经描述于Zaiss et al.,“A combined analytical solution for chemicalexchange saturation transfer and semi-solid magnetization transfer,”NMR inBiomedicine 28(2):217-30(2015)。

大分子质子分数(MPF)可以定义为：

根据一些实施方案，MPF可以通过测量在自旋锁脉冲的偏共振频率和RF幅度的两个不同组合下的两次测定的R

其中上标

则公式(3)给出θ

在一些实施方案中，偏共振频率Δω

和

Δω

对于活组织，R

图2显示对于不同MPF值的三种不同组织类型肝脏、软骨和白质，公式(11)(“近似”)与使用公式(4)、(7)和(8)而未进行近似计算的“精确”R

根据各种实施方案，公式(11)形成MPF定量方法的基础。从公式(6)和(11)，如果k

如上所述，公式(11)的推导假定公式(8)的条件成立。如果对于常数比例因子N(其可以是但不必是整数)Δω

R

基于图3A-3E，频率偏移Δω

在一些实施方案中，这些考虑因素带来以下参数值的选择：Δω

R

如上所述，MPF和其它磁化传递参数可以从R

现在描述测量R

根据第一种方法，通过直接测量获得R

例如，可以采集四个图像。具体地，在且如上文所述选择的两个不同的自旋锁条件

图4示出了根据一些实施方案的用于确定MPF的方法400的流程图。可以使用诸如图1的MRI设备100的MRI设备来执行方法400。在框402，个体(例如，组织需要被成像的患者)被安置在MRI设备内。这可以包括使患者处于仰卧或其它所需姿势，并将患者在MRI设备内对准。在一些实施方案中，该步骤还可以包括将RF和/或梯度线圈定位；具体定位将取决于被成像的目标。

在框404，可以施加多种预备脉冲序列。实例包括磁化复位序列，用于降低所选组织类型(例如，血液，脂肪等)的影响的序列等。这样的序列可以是常规的并且是任选的；此处省略了详细描述，因为这对理解所要求保护的发明不是关键的。

在框406，执行第一图像采集。在一些实施方案中，第一图像采集可以包括在框408处施加具有特征

在框416，执行第二图像采集。在一些实施方案中，第二图像采集可以包括在框418处施加切换RF脉冲，接着在框420处施加具有特征

在框426，执行第三图像采集。第三图像采集可以类似于框406处的第一图像采集，除了自旋锁脉冲具有不同的特征

在框436，执行第四图像采集。第四图像采集可以类似于框416处的第二图像采集，除了自旋锁脉冲具有不同的特征

在框440处，可以例如根据公式(12)从四个图像计算弛豫参数R

方法400是说明性的，并且变化或修改是可能的。例如，图像的采集可以以任何顺序发生。在该示例中，所有四次采集使用相同的(非零)TSL，并且可以根据需要选择TSL。根据公式(8)-(10)，可以根据需要选择自旋锁脉冲(可以包括自旋锁RF脉冲簇或饱和RF脉冲)的偏共振频率和RF幅度。在一些实施方案中，可以在每个自旋锁脉冲之后并且在每个信号采集序列之前施加破碎梯度(crusher gradients)。可以在每个自旋锁脉冲之前或之后以及在每个信号采集序列之前，施加脂肪抑制和/或其它预备脉冲序列。使用方法400或类似的方法，可以直接根据测量的磁化强度(或图像)来测定R

根据第二种方法，R

例如，第一采集可以使用以下参数：TSL＝0ms，Δω

M

其中M

对于第二采集，参数可以是：TSL＝50ms(或其它非零时间)，

其中M

其中

对于第三采集，参数可以是：

其中M

如果在第一和第三采集中使用相同的自旋锁准备类型(即，硬RF脉冲或绝热脉冲)，则可以使用来自公式(13)的相同M

一旦计算了

图5示出了根据一些实施方案的用于测定MPF的方法500的流程图。可以使用诸如图1的MRI设备100的MRI设备来执行方法500。在框502，个体(例如，组织需要被成像的患者)被安置在MRI设备内。这可以包括使患者处于仰卧或其它所需姿势，并将患者在MRI设备内对准。在一些实施方案中，该步骤还可以包括将RF和/或梯度线圈定位；具体定位将取决于被成像的目标。

在框504，可以施加多种预备脉冲序列。实例包括磁化复位序列，用于降低所选组织类型(例如，血液，脂肪等)的影响的序列等。这样的序列可以是常规的并且是任选的；此处省略了详细描述，因为这对理解所要求保护的发明不是关键的。

在框506，执行第一图像采集。在一些实施方案中，第一图像采集可以包括在框508处施加自旋锁脉冲，其中TSL＝0ms，Δω

在框516，执行第二图像采集。在一些实施方案中，第二图像采集可以包括在框520处施加自旋锁脉冲(包括自旋锁RF脉冲簇或饱和RF脉冲)，其中TSL＝50ms(或其它非零时间)，

在框526，执行第三图像采集。在一些实施方案中，第三图像采集可以包括在框528处施加自旋锁脉冲(包括自旋锁RF脉冲簇或饱和RF脉冲)，其中TSL大于零，

在框534，可以基于第一和第二图像来计算

方法500是说明性的，并且变化或修改是可能的。例如，图像的采集可以以任何顺序发生。根据公式(8)-(10)，可以根据需要选择自旋锁脉冲(可以包括自旋锁RF脉冲簇或饱和RF脉冲)的偏共振频率和RF幅度。在一些实施方案中，可以在每个自旋锁RF脉冲簇或饱和RF脉冲之后并且在每个信号采集序列之前施加破碎梯度(crusher gradients)。可以在每个自旋锁RF脉冲簇或饱和RF脉冲之前或之后以及在每个信号采集序列之前，施加脂肪抑制和/或其它预备脉冲序列。方法500使用三次采集而不是四次采集，但是假定R

根据第三种方法，R

其中

其中是

图6示出了根据一些实施方案的测定MPF的方法600的流程图。可以使用诸如图1的MRI设备100的MRI设备来执行方法600。在框602，个体(例如，组织需要被成像的患者)被安置在MRI设备内。这可以包括使患者处于仰卧或其它所需姿势，并将患者在MRI设备内对准。在一些实施方案中，该步骤还可以包括将RF和/或梯度线圈定位；具体定位将取决于被成像的目标。

在框604，可以施加多种预备脉冲序列。实例包括磁化复位序列，用于降低所选组织类型(例如，血液，脂肪等)的影响的序列等。这样的序列可以是常规的并且是任选的；此处省略了详细描述，因为这对理解所要求保护的发明不是关键的。

在框606，执行至少四次图像采集。在一些实施方案中，在框608处，每个图像采集i包括为自旋锁脉冲(包括自旋锁RF脉冲簇或饱和RF脉冲)选择特征。所选择的特征可以包括自旋锁RF脉冲或饱和RF脉冲的持续时间(TSL

在框620处，在采集图像之后，可以使用如上所述的优化方法，基于图像来计算

方法600是说明性的，并且变化或修改是可能的。例如，图像的采集可以以任何顺序发生。根据公式(8)-(10)，可以根据需要选择自旋锁脉冲(可以包括自旋锁RF脉冲簇或饱和RF脉冲)的偏共振频率和RF幅度。在一些实施方案中，可以在每个自旋锁脉冲之后并且在每个信号采集序列之前施加破碎梯度。可以在每个自旋锁脉冲之前或之后以及在每个信号采集序列之前施加脂肪抑制和/或其它预备脉冲序列。可以使用少至四个采集来执行方法600。

根据第四种方法，R

其中τ1是已知的时间间隔。考虑公式(14'),(16')和(18)，还有四个未知量：

上述方法或其它类似方法可提供对MT效应特异的MPF的定量测量。如公式(7)所示，减除方法可去除R

实施例：模拟研究

发明人已经对包括软骨、白质(WM)和肝脏的组织施加方法400进行了数值模拟。相关参数的标称值如表2所示。自旋锁参数被选择为：Δω

表2

进行第一模拟研究以评估R

进行第二模拟研究以评估R

为了评估场不均匀性的影响，在B1 RF和B0场不均匀性的变化条件下，使用具有自由水池和MT池的双池Bloch-McConnell模拟进行模拟。使用肝脏组织的参数。在每组条件下，使用上述第一种方法进行R

其他实施方案

虽然已经参考具体实施方案描述了本申请的各项发明，但是本领域的技术人员将理解，可以对其进行多种修改。例如，可以修改上述脉冲序列参数，并且可以根据需要加入额外的脉冲序列。可以使用上述任何一种或其它方法来从MRI图像数据确定R

在一些实施方案中，如上所述的图像分析操作可以在执行图像采集在相同的计算机系统中执行(例如，如参考图1所描述的)。在其它实施方案中，可以使用分布式计算系统，并且可以将使用图像采集系统(例如，如上参考图1所述)采集的图像数据传送到不同的计算机系统以供分析。应当理解，计算机系统可以包括一般常规设计的硬件组件(例如，处理器，存储器和/或其它存储设备，用户界面组件，网络接口组件)，并且可以向计算机系统提供程序代码或其它指令，以使得系统执行计算和/或实现本文所述实施方案或各个方面的其它方法。

因此，尽管已经结合具体实施方案描述了本申请的各项发明，但是应当理解，本申请旨在覆盖权利要求书范围内的所有变化方案和等同方案。