对样本执行扩散加权磁共振测量的方法
阅读：1016发布：2020-05-31
专利汇可以提供对样本执行扩散加权磁共振测量的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且根据本 发明 构思的一个方面，提供了一种对样本执行扩散加权磁共振测量的方法，该方法包括：对样本执行多个扩散加权磁共振测量，其中，所述多个测量包括：利用第一扩散编码序列的第一测量，该第一扩散编码序列具有带三个非零特征值的张量表示，利用第二扩散编码序列的第二测量，以及利用第三扩散编码序列的第三测量，其中，第二和第三扩散编码序列具有不同的 频谱 内容。，下面是对样本执行扩散加权磁共振测量的方法专利的具体信息内容。
1.一种对样本执行扩散加权磁共振测量的方法，所述方法包括：
对所述样本执行多个扩散加权磁共振测量，
其中，所述多个测量包括：
利用第一扩散编码序列的第一测量，所述第一扩散编码序列具有带三个非零特征值的张量表示，
利用第二扩散编码序列的第二测量，以及
利用第三扩散编码序列的第三测量，并且
其中，所述第二扩散编码序列和所述第三扩散编码序列具有不同的频谱内容。
2.根据前述权利要求所述的方法，
其中，所述第一扩散编码序列、所述第二扩散编码序列和所述第三扩散编码序列被配置成使得：
将具有与所述第一扩散编码序列的归一化散相向量表示相匹配的归一化散相向量表示并且具有非零编码强度的第四扩散编码序列应用于由直径5μm的球形隔室的集合构成的测试样本，
将具有与所述第二扩散编码序列的归一化散相向量表示相匹配的归一化散相向量表示并且具有所述非零编码强度的第五扩散编码序列应用于所述测试样本，以及将具有与所述第三扩散编码序列的归一化散相向量表示相匹配的归一化散相向量表示并且具有所述非零编码强度的第六扩散编码序列应用于所述测试样本，由所述第四扩散编码序列产生的信号衰减将匹配由所述第五扩散编码序列产生的信号衰减，并且由所述第四扩散编码序列产生的所述信号衰减将不同于由所述第六扩散编码序列产生的信号衰减。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括基于由所述第一测量、所述第二测量和所述第三测量产生的信号来生成输出，其中，所述输出指示对于所述样本的扩散特性的频率相关性。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括基于由所述第一测量和所述第二测量产生的信号之间的比较以及由所述第一测量和所述第三测量产生的信号之间的比较来生成输出。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一扩散编码序列的扩散编码强度对应于所述第二扩散编码序列的扩散编码强度，并且对应于所述第三扩散编码序列的扩散编码强度。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中，所述第一扩散编码序列的所述张量表示具有三个相应的非零特征值。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述第二扩散编码磁梯度序列和所述第三扩散编码磁梯度序列具有带有相等数量的非零特征值的扩散加权张量表示。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，所述第二扩散编码序列和所述第三扩散编码序列各自具有带有恰好一个非零特征值的张量表示。
9.根据权利要求1-4中任一项的方法，其中，所述多个测量包括：
第一组测量，其包括所述第一测量和利用具有具有不同扩散编码强度的附加扩散编码序列执行的多个附加测量，其中，每个附加扩散编码序列具有带有三个非零特征值的张量表示和匹配所述第一扩散编码序列的归一化散相向量表示的归一化散相向量表示，第二组测量，其包括所述第二测量和利用具有不同扩散编码强度和相同频谱内容的附加扩散编码序列执行的多个附加测量，以及
第三组测量，其包括所述第二测量和利用具有不同扩散编码强度和相同频谱内容的附加扩散编码序列执行的多个附加测量，并且
其中，所述第二组的所述扩散编码序列的所述频谱内容不同于所述第三组的所述扩散编码序列中的每一个。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
将第一函数拟合到表示所述第一组测量的第一数据集，以估计第一信号衰减曲线，将第二函数拟合到表示所述第二组测量的第二数据集，以估计第二信号衰减曲线，以及
将第三函数拟合到表示所述第三组测量的第三数据集，以估计第三信号衰减曲线。
11.根据权利要求9-10中任一项所述的方法，还包括基于表示所述第一组测量的第一数据集、表示所述第二组测量的第二数据集和表示所述第三组测量的第三数据集来生成输出。
12.根据权利要求10-11中任一项所述的方法，还包括基于所述第一函数的至少一个参数、所述第二函数的至少一个参数和所述第三函数的至少一个参数来生成输出。
13.根据权利要求9-13中任一项所述的方法，其中，所述第二组和所述第三组中的每一个的所述扩散编码序列具有带有相等数量的非零特征值的张量表示。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一组测量的每个扩散编码序列的对应张量表示具有三个相应的非零特征值。
15.根据权利要求9-14中任一项所述的方法，其中，所述第二组和所述第三组中的每一个的所述扩散编码序列具有带有恰好一个非零特征值的张量表示。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，执行所述多个测量包括：根据所述样本的感兴趣区域内的多个体素中的每一个来获取由所述测量中的每一个产生的相应信号衰减。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括生成输出，所述输出包括对于在所述第一测量中获取的信号衰减不同于在所述第二测量中获取的信号衰减的体素的指示，以及对于在所述第二测量中获取的信号衰减不同于在所述第三测量中获取的信号衰减的体素的指示。
18.一种对样本执行扩散加权磁共振测量的方法，所述方法包括：
对所述样本执行扩散加权磁共振测量，
其中，所述多个测量包括：
利用第一扩散编码序列的第一测量，所述第一扩散编码序列具有带有三个匹配非零特征值的张量表示，
利用第二扩散编码序列的第二测量，所述第二扩散编码序列具有带有恰好一个非零特征值或彼此不同的至少两个特征值的张量表示，并且
其中，所述第一扩散编码序列和所述第二扩散编码序列被配置成使得：
将具有与所述第一扩散编码序列的归一化散相向量表示相匹配的归一化散相向量表示并且具有非零编码强度的第三扩散编码序列应用于由直径为5μm的球形隔室的组合构成的测试样本，以及
将具有与所述第二扩散编码序列的归一化散相向量表示相匹配的归一化散相向量表示并且具有所述非零编码强度的第四扩散编码序列应用于所述测试样本，由所述第三扩散编码序列产生的信号衰减将匹配由所述第四扩散编码序列产生的信号衰减。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，执行所述多个测量包括：根据所述样本的感兴趣区域内的多个体素中的每一个来获取由所述测量中的每一个产生的相应信号衰减。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括生成输出，所述输出包括对于在所述第一测量中获取的信号衰减不同于在所述第二测量中获取的信号衰减的体素的指示。
对样本执行扩散加权磁共振测量的方法
技术领域
[0001] 本发明构思涉及一种对样本执行扩散加权磁共振测量的方法。
[0002] 背景
[0004] 运动或扩散编码的信号可以用于推断关于组织微观结构(microstructure)、各向异性、组成隔室(compartment)的形状和尺寸的信息，这些信息可以表示对自旋姿态(spin-bearing)粒子的扩散的限制/约束。它们也可以用来探测不连贯(incoherent)流或湍流的性质。通过扩散张量成像(DTI)获得的各向异性分数(FA，fractional anisotropy)被隔室宏观取向分散混杂(confound)。为了将取向分散的影响与扩散张量的各向异性分离，扩散张量可以表示限制并且被纠缠(entangle)在FA中，定向扩散编码(1D)需要与延伸到单个方向之外(到2D或3D)的编码方案相结合或替代为该编码方案。可以通过具有多于一个的非零特征值的扩散编码/加权张量(1)来描述这些方案，并且可以在不同程度上减少或消除取向分散的混杂效应，并且提供特定于隔室(扩散张量)各向异性的灵敏度。
[0005] 等人的方法(2)最大化了隔室(扩散张量)各向异性和取向分散的效应之间的分离，结合了定向(1D)和各向同性(3D)编码来量化微观各向异性分数(μFA)。可以例如，通过q向量的魔角旋转(q-MAS)(3)来实现各向同性编码，而对于定向编码的扩散加权，在扩散时间td和b值方面与q-MAS的扩散加权相匹配。通过进一步控制扩散编码的各向异性，可以区分扁圆和扁长的隔室形状。Eriksson等人(4)已经表明，通过在其大小和形状方面来参数化扩散编码张量，获得了对于粉末平均(powder average)信号的简单表达式，允许量化隔室形状。对于具有各向同性扩散率的非零分散的系统而言，改变扩散编码形状是必要的(2)。使用3D编码序列允许去卷积(de-convolve)各向异性和各向同性扩散贡献(5)。
[0006] 尽管在表征非均质(heterogeneous)和各向异性材料方面取得了上述进展，但希望能够提取与样本的扩散特性和微观结构有关的更多信息。
[0007] 发明构思的概述
[0008] 本发明构思的目的是提供一种能够提取与样本的扩散或不连贯流特性和微观结构有关的进一步信息的方法。从下文中可以理解进一步的或替代的目标。
[0009] 根据本发明构思的一个方面，提供了一种对样本执行扩散加权磁共振测量的方法，该方法包括：
[0010] 对样本执行多个扩散加权磁共振测量，
[0011] 其中，所述多个测量至少包括：
[0012] 利用第一扩散编码序列的第一测量，该第一扩散编码序列具有带三个非零特征值的扩散加权张量表示，
[0013] 利用第二扩散编码序列的第二测量，以及
[0014] 利用第三扩散编码序列的第三测量，并且
[0015] 其中，第二和第三扩散编码序列具有不同的频谱内容(spectral content)。
[0016] 根据本发明构思的方法能够从由所述第一、第二和第三测量产生的信号衰减(即，衰减的回波信号(echo signal))中提取关于样本的信息，该信息包括对于样本的扩散特性的频率相关性。
[0017] 本发明构思基于这样的认识：即利用具有不同频谱内容的扩散编码序列来执行扩散加权核磁共振测量，其中，扩散编码序列中的至少一个(即，第一个)具有带三个非零特征值的扩散加权张量表示，能够提取关于样本的扩散或不连贯流特性的频率相关性的信息。
[0018] 如从下面可以理解的，上述方法方面中提到的扩散编码序列可以指有效梯度序列，即，样本中自旋姿态粒子由于磁场梯度序列和射频(RF)序列的组合而经历的有效磁场梯度。因此，除非另有说明，术语扩散编码序列是指包括适于引起扩散或不连贯流编码/加权(即，信号衰减的)的磁场梯度序列和RF序列的编码序列。
[0019] 方法可以包括获取在第一、第二和第三测量的每一个中产生的测量信号。
[0020] 方法还可以包括基于从所述第一、第二和第三测量产生的信号来生成输出。由此，可以生成指示对于样本的扩散特性的频率相关性的输出。输出可以指示由所述第一、第二和第三测量产生的测量信号的信号电平。输出可以由处理设备生成。由于至少第二和第三测量已利用具有不同频谱内容的扩散编码脉冲序列执行，因此所获取的测量信号给出了关于扩散特性的频率相关性的信息。换句话说，所获取的信号给出了关于有效梯度序列的频谱内容如何影响扩散特性的信息。
[0021] 本文使用的“扩散”在这里意指样本内粒子的运动的随机(random)或随机(stochastic)过程。扩散可以包括由热能、化学能和/或浓度差驱动的随机分子运动。这种扩散也称为自扩散。扩散可以包括样本内随机取向的微观结构内分子的分散流或不连贯流或湍流(即，具有速度分散的流)。这种扩散也被称为“伪扩散”。因此，由于本方法中使用的扩散编码磁场梯度序列，样本内的不连贯流的作用也可能导致信号衰减。
[0022] 扩散过程可以在频域中由扩散谱，即移动粒子的速度的相关谱，来描述。具有不同频谱内容的扩散编码序列可能不同地纠缠受约束的扩散和扩散各向异性的影响。由具有不同频谱内容的扩散编码序列产生的信号测量的比较能够探测扩散频谱，即样本的扩散特性的频率相关性。提取一个或更多个扩散特性的频率相关性能够估计对于样本中扩散过程的物理约束。
[0024] 术语“时间相关扩散”或“频率相关扩散”可以互换使用，作为对频率相关扩散谱的同义词。
[0025] 样本的扩散特性(即，各向同性扩散的程度、各向异性扩散的程度和/或取向等)通常取决于样本中不同隔室的几何形状和取向。来自样本的体素(voxel)(即，样本的部分体积，其尺寸对应于测量的空间分辨率)的测量信号包括来自体素内不同隔室内部的扩散粒子的信号贡献。
[0026] 在现有技术中，隔室各向异性结果的分析和解释假设扩散是高斯或多高斯的。该假设相当于假设扩散过程是与时间无关或与频率无关的。然而，如发明人所认识到的，扩散过程可能呈现频率相关性。例如，由于存在约束扩散粒子的运动的限制(诸如隔室壁)。而根据现有技术的扩散张量仅可以粗略地表示物理孔隙的形态，但是可以通过改变编码波形的时间特性来实现形态的更精确检测，从而探测时间相关的非高斯扩散。
[0027] 例如，被限制在较小体积的球形隔室中的粒子比被限制在较大体积的球形隔室中的等效粒子对由于扩散引起的信号衰减的贡献更小。本方法能够通过实现对扩散特性的频率相关性的提取来检测这种效应。
[0028] 在组织样本中，隔室可以由组织中的细胞形成。因此，组织样本中的体素可以包括来自细胞内部的扩散的信号贡献(即，细胞内扩散分量)和来自细胞外部的扩散的信号贡献(即，细胞外扩散分量)。扩散的自旋姿态粒子可以由细胞内部和外部的水分子形成。隔室壁可以由细胞膜形成。
[0029] 根据本方法，执行多个扩散加权磁共振测量。多个测量包括一组至少三个测量(即，“第一”、“第二”和“第三”)，每个测量包括使样本经历扩散编码序列。
[0030] 如本文所用，测量/编码序列的标签“第一”、“第二”和“第三”并不意味着以特定顺序执行测量，而是可以以任何顺序执行。
[0031] 可以通过使样本经历编码磁场梯度波形和RF脉冲的序列来实现扩散编码。磁场梯度波形和RF脉冲的组合效应导致样本(其中的自旋姿态粒子)受到“有效梯度”的影响。有效梯度的波形可以被称为有效梯度波形g(t)。
[0032] 有效梯度可以由时间相关或时间散相(dephasing)向量F(t)表示，该向量依次由下式给出
[0033]
[0034] 其中，γ是核旋磁比(nuclear gyromagnetic ratio)(即，样本中自旋姿态粒子的比)。
[0035] 散相谱(即，散相向量的频谱内容)由下式给出：
[0036]
[0037] 其中，ω表示频率，且τ表示扩散编码时间，即有效梯度或扩散编码序列的持续时间。
[0038] 基于散相谱F(ω)，可以定义测量张量M。测量张量M的n阶矩(moment)或第n阶的张量元素i，j由下式给出：
[0039]
[0040] 0阶矩M(0)给出扩散加权张量B。
[0041] 因此，给出了扩散编码磁梯度序列的扩散加权张量表示B
[0042]
[0043] 散相向量F(t)也可以被表示为散相向量的振幅q和归一化散相向量 的哈达玛(Hadamard)乘积，
[0044]
[0045] 相应地，散相谱可以替换地被表示为
[0046]
[0047] 其中， 可以被称为归一化散相谱，即归一化散相向量的频谱内容。
[0048] 根据等式(6)中的归一化谱 测量张量M(n)的元素 由下式给出：
[0049]
[0050] 可以用张量或矩阵形式m(n)表示归一化功率谱的n阶矩，其中谱矩 由给出。
[0051] 以矩阵形式表示； 和td＝m(0)。
[0052] 扩散谱D(ω)可以被定义为速度相关张量χ(t)＝的谱。
[0053] 在隔室主轴系统中，D(ω)是对角线的，由沿着矩阵λ(ω)的对角线的扩散谱λi(ω)给出。元素λi(ω＝0)可以被称为扩散张量特征值。
[0054] 表观扩散率(apparent diffusivity)由下式给出
[0055]
[0056] 从上面可以理解，(有效的)扩散编码磁梯度序列的频谱内容或者等效地，散相向量波形由散相谱F(ω)或其归一化对应物(counterpart) 给出。
[0057] 基于扩散编码测量张量的0阶矩M(0)和归一化散相谱 之间的关系，归一化编码功率谱张量可以被定义为
[0058]
[0059] 对于不同的编码波形或张量，不同扩散编码磁梯度波形或其张量表示的频谱匹配或频谱调谐可以指具有相似Sij(ω)或m(n)张量的相似迹(trace)，其中n优选为2。相反，如果不同的波形或编码张量的频谱内容不匹配，即如果对于不同的编码波形或张量Sij(ω)不同，则可以认为它们失谐(detune)。
[0060] 匹配频谱内容也可以被表示为具有相同 的两个扩散编码序列，其中 表示对于相应扩散编码序列的m(n)的特征值。相反，不同的频谱内容可以被表示为具有不同<μ(n)>的两个扩散编码序列。
[0061] 然后测量张量M(n)的张量元素可以由下式给出：
[0062]
[0063] 因此，扩散加权张量B的元素可以由下式给出：
[0064]
[0065] 也可以通过考虑利用扩散编码序列“A”的在“测试样本”上的测量“I”、利用扩散编码序列“B”的在测试样本上的另一测量“II”以及利用扩散编码序列“C”的在测试样本上的又一测量“III”来理解“匹配频谱内容”的概念。测试样本是由直径为5μm的球形隔室的组合构成的样本。
[0066] 序列“A”和序列“B”使得序列“A”和“B”的张量表示BA、BB的迹彼此相等(即，它们导致相同的扩散编码强度)，而张量表示BA、BB可以具有不同的特征值和/或甚至不同数量的特征值。同时，序列“B”和“C”使得它们的张量表示BB、BC具有相同的特征值。由于限制是球形的，因此限制的主轴系统是退化的(degenerate)。因此，可以相对于具有相对于样本的任意取向的三维笛卡尔坐标系(x，y，x)给出序列“A”、“B”和“C”的张量表示BA、BB、BC。
[0067] 如果序列“A”和序列“B”在应用于测试样本时导致相同水平的信号衰减，则序列是“频谱匹配的”或“它们被调谐”，即它们具有匹配的频谱内容。
[0068] 如果序列“B”和序列“C”在应用于测试样本时导致不同水平的信号衰减，则序列是“频谱失谐的”，即它们具有不同的频谱内容。
[0069] 鉴于以上情况，根据一个实施例，
[0070] 第一、第二和第三扩散编码序列被配置成使得：
[0071] 将具有与第一扩散编码序列的归一化散相向量表示相匹配的归一化散相向量表示并且具有非零编码强度的第四扩散编码序列应用于由直径5μm的球形隔室的集合构成的测试样本，
[0072] 将具有与第二扩散编码序列的归一化散相向量表示相匹配的归一化散相向量表示并且具有所述非零编码强度的第五扩散编码序列应用于所述测试样本，以及
[0073] 将具有与第三扩散编码序列的归一化散相向量表示相匹配的归一化散相向量表示并且具有所述非零编码强度的第六扩散编码序列应用于所述测试样本，
[0074] 由第四扩散编码序列产生的信号衰减将匹配由第五扩散编码序列产生的信号衰减，并且由第四扩散编码序列产生的所述信号衰减将不同于由第六扩散编码序列产生的信号衰减。
[0075] 措词“被配置为使得将第四/第五/第六扩散编码序列……应用于测试样本”在此不应当被解释为在要求保护的方法中必须主动执行的一系列步骤。相反，该措词应当被理解为第一至第三扩散编码序列的性质的功能定义。因此，基于第四至第六扩散编码序列已经/将要被应用于测试样本的条件/如果第四至第六扩散编码序列已经/将要被应用于测试样本，则将引起所述信号衰减。功能定义可以被理解为对于技术人员用来确定一组三个扩散编码序列是否具有创新特性的清晰且定义明确的测试用例。事实上，甚至不需要在真实的“测试样本”上执行实际测量来测试特性。相反，可以通过测量第一至第三扩散编码序列的相应RF序列和磁场梯度序列，并根据计算第一至第三扩散编码序列的张量表示和归一化散相向量表示的测量结果来评估测试用例，然后如果第四至第六扩散编码序列(具有上述编码强度和归一化散相向量表示)已经应用于测试对象，则(通过数值计算或蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟)模拟产生的信号衰减。
[0076] 所述多个扩散加权磁共振测量中的每一个通常都可以包括编码块和后续的检测块。在编码块期间，样本经历扩散编码序列。在检测块期间，可以检测并获取由于扩散编码而衰减的信号。检测到的信号或测量信号可以是衰减的回波信号。
[0077] 编码块还可以包括适于影响样本内磁化的射频(RF)脉冲序列。RF脉冲序列可以对由于仅纵向、仅横向弛豫(relaxation)或者纵向和横向弛豫二者引起的衰减进行编码。因此，在检测块中检测到的信号的衰减是由于扩散编码磁梯度脉冲序列和RF脉冲序列引起的衰减的结果，即由于有效梯度序列g(t)或相应的散相向量F(t)引起的衰减。
[0078] 优选地，利用具有相同定时的RF脉冲序列来执行所述多个测量。由于核弛豫针对每次测量被编码，因此信号衰减水平是相同的。这可以简化数据分析，因为可以减少影响测量的变化参数的数量。
[0079] 为了获取衰减信号，如本领域公知的，可以用一个或更多个成像磁梯度和可选的磁梯度校正梯度来补充每个扩散编码序列。成像磁梯度序列和校正磁梯度序列可以在编码块期间应用于样本。在一些情况下，这些序列可以至少部分地与扩散编码磁梯度脉冲序列重叠。然而，即使在这种情况下，组合的梯度脉冲序列的至少一部分包括可以如上所述地描述或表征的扩散编码序列。
[0080] 方法可以包括基于由所述第一、第二和第三测量产生的信号来生成输出。生成所述输出可以包括基于由所述第一和第二测量产生的信号之间的比较以及由所述第一和第三测量产生的信号之间的比较来生成输出。由所述第一和第二测量产生的信号之间的比较可以包括确定由所述第一和第二测量产生的信号之间的差值或比率。由所述第一和第三测量产生的信号之间的比较可以包括确定由所述第一和第三测量产生的衰减之间的差值或比率。
[0081] 输出可以指示比较的结果。例如，输出可以指示比较的信号之间是否存在差异和/或差异的大小。
[0082] 根据一个实施例，所述第一扩散编码磁梯度序列的扩散编码强度对应于所述第二扩散编码磁梯度序列的扩散编码强度，并且对应于所述第三扩散编码磁梯度序列的扩散编码强度。
[0083] 就张量性质而言，扩散编码强度的这种关系也可以/可选地被定义为所述第一扩散编码序列的扩散加权张量表示的迹对应于所述第二扩散编码序列的扩散加权张量表示的迹，并且还对应于所述第三扩散编码序列的扩散加权张量表示的迹。
[0084] 本实施例提供了用于提取关于样本的信息的快速且相对简单的方案。由于相应的扩散编码强度(即，b值)被用于三个测量的每一个中，因此可以与b值对衰减的影响分开来分析由改变扩散编码的形状和改变扩散编码磁梯度序列之间的频谱内容引起的对信号衰减水平的影响。
[0085] 扩散编码强度、迹或特征值是对应的可以被理解为所述量相等或至少基本相等。即，这些量不需要完全相等，但是这些量应该仅相差使得改变的形状和频谱内容的影响可能被辨别的量。换句话说，这些量应当优选地至少彼此匹配。优选地，这些量应当相差20％或更小，更优选地相差10％或更小，甚至更优选地相差5％或更小，并且甚至更优选地相差
1％或更小。可以理解的是，在实践中，最大可达到的平等水平尤其取决于设备的性能。
1％或更小。可以理解的是，在实践中，最大可达到的平等水平尤其取决于设备的性能。
[0086] 根据本方法，第一扩散编码序列具有带三个非零特征值的扩散加权张量表示。这种扩散编码磁梯度序列可以被称为多维或三维(3D)扩散编码磁梯度序列。
[0087] 第一扩散编码磁梯度序列可以具有带三个相应的非零特征值的扩散加权张量表示。这实现了样本中的3D各向同性扩散加权。这可以简化测量和测量结果的分析，因为可以消除样本中微观结构相对于测量参照系的取向的影响。
[0088] 可选地，第一扩散编码序列可以具有带三个非零特征值的扩散加权张量表示，至少一个特征值不同于其他特征值。这种序列可以被称为3D各向异性扩散编码磁梯度序列。
[0089] 根据本方法，第二和第三编码序列具有不同的频谱内容。
[0090] 第二和第三扩散编码序列可以具有带相等数量的非零特征值的扩散加权张量表示。这可以简化测量和测量结果的分析，因为第二和第三扩散编码序列可以在相同数量的空间维度中引起扩散加权。
[0091] 第二扩散编码序列和第三扩散编码序列可以各自具有带恰好(即，仅有)一个非零特征值的张量表示。
[0092] 因此，所述第二和第三扩散编码序列中的每一个可以在单个(仅一个)方向上对扩散衰减进行编码，即1D扩散加权。
[0093] 这使得第一测量和第二测量之间以及第一测量和第三测量之间的信号衰减的差异最大化，特别是如果第一测量包括3D各向同性扩散加权。
[0094] 具有带有恰好一个非零特征值的扩散加权张量表示的扩散编码序列可以被称为一维(1D)扩散加权，或者称为“棒测量(stick measurement)”。
[0095] “棒测量”在传统的和商业上可获得的测量硬件中实施起来相对简单。此外，与例如用3D扩散编码获得的结果相比，可以方便数据分析。
[0096] 该方法可以包括通过沿着多个不同方向将第二扩散编码序列应用于样本并测量对于多个方向中每一个方向的产生的信号来重复第二测量。重复的第二测量的测量结果可以被确定为多个产生的信号的平均值。这使得能够确定方向上平均的信号衰减(也称为“粉末平均”)。
[0097] 相应地，该方法可以包括通过沿着多个不同方向将第三扩散编码序列应用于样本并测量对于多个方向中每一个方向的产生的信号来重复第三测量。重复的第三测量的测量结果可以被确定为多个产生的信号的总和或算术平均值。如上面和下面所阐述，这些“粉末平均的”第二和第三信号可以形成生成输出时的基础。
[0098] 根据一个实施例，第一扩散编码序列的所述张量表示具有三个相应的非零特征值，第二扩散编码梯度序列和第三扩散编码梯度序列各自具有带有恰好一个非零特征值的张量表示，并且所述第一扩散编码序列的张量表示的迹对应于所述第二扩散编码序列的扩散加权张量表示的迹，并且也对应于所述第三扩散编码序列的扩散加权张量表示的迹。
[0099] 因此，第一测量可以包括3D各向同性扩散加权，并且第二和第三测量可以包括1D扩散加权。这使得第一测量和第二测量之间以及第一测量和第三测量之间的信号衰减的差异最大化。由于相应的扩散编码强度(即，b值)被用于三个测量的每一个中，因此可以与b值对衰减的影响分开来分析由改变扩散编码的形状和改变扩散编码序列之间的频谱内容引起的对信号衰减水平的影响。
[0100] 第二和第三扩散编码磁梯度序列可替换地各自具有带有恰好两个非零特征值的扩散加权张量表示。
[0101] 因此，所述第二和第三扩散编码磁梯度序列中的每一个可以在平面上对扩散衰减进行编码(即，2D扩散加权)。
[0102] 第二扩散编码序列的张量表示的第一和第二特征值之间的比率可以对应于第三扩散编码序列的张量表示的第一和第二特征值之间的比率。因此，具有相同“形状”的扩散加权可以在第二和第三测量中应用于样本。
[0103] 根据一个实施例，所述多个扩散加权磁共振测量包括：
[0104] 第一组测量，其包括所述第一测量和利用具有不同扩散编码强度的附加扩散编码序列执行的多个附加测量，其中，每个附加扩散编码序列具有带有三个非零特征值的张量表示和匹配第一扩散编码序列的归一化散相向量表示的归一化散相向量表示，
[0105] 第二组测量，其包括所述第二测量和利用具有不同扩散编码强度和相同频谱内容的附加扩散编码序列执行的多个附加测量，以及
[0106] 第三组测量，其包括所述第二测量和利用具有不同扩散编码强度和相同频谱内容的附加扩散编码序列执行的多个附加测量，并且
[0107] 其中，第二组的扩散编码序列的频谱内容不同于第三组的扩散编码序列中的每一个。
[0108] 本实施例提供了能够估计(至少)三条信号衰减曲线的数据采集。因此，对于以下三种不同类型或类别的扩散编码，可以分析并比较信号衰减对扩散编码强度(即，b值)的依赖性：一种具有3D类型的扩散编码(各向异性或各向同性)，以及两种具有不同的频谱内容。
[0109] 该方法还可包括：
[0110] 将第一函数拟合到表示所述第一组测量的第一数据集，以估计第一信号衰减曲线，
[0111] 将第二函数拟合到表示所述第二组测量的第二数据集，以估计第二信号衰减曲线，以及
[0112] 将第三函数拟合到表示所述第三组测量的第三数据集，以估计第三信号衰减曲线。
[0113] 通过估计对应于第一组、第二组和第三组测量中每一组的相应信号衰减曲线，能够进一步分析扩散特性及其频率相关性。可以使用相同的拟合函数来拟合第一、第二和第三数据集。
[0114] 该方法还可以包括基于表示所述第一组测量的第一数据集、表示所述第二组测量的第二数据集和表示所述第三组测量的第三数据集来生成输出。
[0115] 该方法还可以包括基于第一函数的至少一个参数、第二函数的至少一个参数和第三函数的至少一个参数来生成输出。
[0116] 所述第一组测量中的每一个的扩散编码序列可以具有带有三个相应非零特征值的张量表示。因此，第一组的所有测量可以包括3D各向同性扩散加权。这可以简化测量和测量结果的分析，因为可以消除样本中微观结构相对于测量参照系的取向的影响。
[0117] 所述第一组测量中的每一个的扩散编码序列可替换地具有带有三个非零特征值的张量表示，至少一个特征值不同于其他特征值。这种序列可以被称为3D各向异性扩散编码磁梯度序列。
[0118] 第二组和第三组中的每一组的扩散编码序列可以具有带有相等数量的非零特征值的张量表示。这可以简化测量和测量结果的分析，因为第二组和第三组测量可以包括相同数量的维度的扩散加权。
[0119] 第二组和第三组中的每一组的扩散编码序列可以在同一方向或同一组方向上对扩散加权进行编码。
[0120] 这可以简化测量和测量结果的分析，因为第二和第三扩散编码梯度序列可以呈现相同的形状和相同的编码强度。
[0121] 第二组和第三组中的每一组的扩散编码磁场梯度序列可以具有带有恰好一个非零特征值的张量表示。
[0122] 因此，所述第二和第三扩散编码磁梯度序列中的每一个可以在单个(仅一个)方向上对扩散衰减进行编码，即1D扩散加权。
[0123] 这使得第一组测量和第二组测量之间以及第一组测量和第三组测量之间的信号衰减曲线(即，作为b值的函数)的曲率的差异最大化，特别是如果第一组测量包括3D各向同性扩散加权。
[0124] 根据一个实施例，第一组测量的每个扩散编码磁场梯度序列的张量表示具有三个相应的非零特征值，第二组测量的每个扩散编码磁场梯度序列的张量表示具有恰好一个非零特征值，并且第三组测量的每个扩散编码磁场梯度序列的张量表示各自具有恰好一个非零特征值。
[0125] 因此，第一组测量可以包括3D各向同性扩散加权，并且第二和第三组测量可以包括1D扩散加权。这使得第一测量和第二测量之间以及第一测量和第三测量之间的信号衰减和信号衰减的曲率的差异最大化。
[0126] 根据一个实施例，执行所述多个测量包括：根据样本的感兴趣区域内的多个体素中的每一个来测量由所述测量中的每一个产生的相应测量信号(即，信号衰减)。
[0127] 该方法还可以包括生成输出，该输出包括对于在第一测量中获取的信号衰减不同于在第二测量中获取的信号衰减的体素的指示，以及对于在第二测量中获取的信号衰减不同于在第三测量中获取的信号衰减的体素的指示。
[0128] 根据第二方面，提供了一种对样本执行扩散加权磁共振测量的方法，该方法包括：
[0129] 对样本执行扩散加权磁共振测量，
[0130] 其中，所述多个测量包括：
[0131] 利用第一扩散编码序列的第一测量，该第一扩散编码序列具有带有三个匹配非零特征值的张量表示，
[0132] 利用第二扩散编码序列的第二测量，该第二扩散编码序列具有带有恰好一个非零特征值或彼此不同的至少两个特征值的张量表示，并且
[0133] 其中，第一和第二扩散编码序列具有相同的频谱内容。
[0134] 这允许检测具有各向异性扩散的隔室的存在，所述各向异性扩散不受时间相关扩散的作用混杂。
[0135] 更具体地，第一和第二扩散编码序列可以被配置成使得：
[0136] 将具有与第一扩散编码序列的归一化散相向量表示相匹配的归一化散相向量表示并且具有非零编码强度的第三扩散编码序列应用于由直径为5μm的球形隔室的组合构成的测试样本，以及
[0137] 将具有与第二扩散编码序列的归一化散相向量表示相匹配的归一化散相向量表示并且具有所述非零编码强度的第四扩散编码序列应用于所述测试样本，
[0138] 由第三扩散编码序列产生的信号衰减将匹配由第四扩散编码序列产生的信号衰减。
[0139] 根据一个实施例，执行所述多个测量包括：根据样本的感兴趣区域内的多个体素中的每一个来获取由所述测量中的每一个产生的相应信号衰减。
[0140] 该方法还可以包括生成输出，该输出包括对于在第一测量中获取的信号衰减不同于在第二测量中获取的信号衰减的体素的指示，以及对于在第二测量中获取的信号衰减不同于在第三测量中获取的信号衰减的体素的指示。
[0142] 将参考附图，通过本发明构思的优选实施例的以下说明性和非限制性详细描述来更好地理解本发明构思的以上以及附加目的、特征和优点。在附图中，除非另有说明，否则相同的参考数字将用于相同的元件。
[0143] 图1示出了对于在(2)中使用的各向同性3D和定向1D编码的归一化散相波形(A)及其归一化功率谱(B)。通过q-MAS实现各向同性编码，其中q-MAS具有平滑变化的梯度(11)，沿x、y和z方向产生散相，如(A)中的点划线、点线和短划线所示。如(A)中的实线所示，在定向编码方案中，沿单个方向使用散相的q-MAS幅度。来自(A)的散相波形的相应归一化功率谱和受约束的扩散谱被显示在(B)中。(A)中的x轴是时间t除以波形持续时间τ。(B)中的x轴是频率f乘以波形持续时间τ。对于不同波形的编码谱的不匹配会在时间相关扩散的情况下导致μFA偏差。
[0144] 图2示出了对于不同特征扩散距离 处半径为R的球形约束的数值计算。A)图1A示出了对于q-MAS散相波形的均方根位移 x、y、z通道(短划线、点线和点划线)及其平均值，即来自具有q-MAS散相波形的幅度的3D编码(实线)、定向1D编码(带叉字的实线)的迹。作为参考，示出了短梯度脉冲(SGP)定向编码结果(带圆圈的实线)。B)使用q-MAS散相的幅度的各向同性(迹)和定向(1D)的表观扩散率(平均扩散率)之间的比率。注意，可以通过实验观察到平均扩散率的差异，如图5和图6所示的信号对b曲线的初始斜率。
[0145] 图3示出了对于两个隔室的混合物的微观各向异性的数值计算，其中非限制性扩散和被限制在半径为R的球形孔中的扩散使用q-MAS各向同性和定向波形(参见图1)在各种特征扩散距离 处被执行。来自非限制性隔室的信号分数在f＝0.2-0.8的范围内变化(见图例)。如(2)中所示计算微观各向异性分数μFA。当根据(2)计算μFA时，1D和3D编码序列的编码/散相功率谱的差异导致有偏差的μFA值。偏差取决于特征扩散距离 和由信号比例(即，权重f)给出的扩散分散。
[0146] 图4示出了对于半径为R的随机取向的圆柱体在不同特征扩散距离 处的数值计算。在计算中，使用了如图1所示的q-MAS各向同性(3D)和定向(1D)波形(q-MAS散相幅度)。另外，使用了对应于平均q-MAS功率谱的频谱调谐的定向(1D)波形和由q-MAS的x或y通道给出的近似频谱调谐的定向(1D)波形(参见附图标记)。(A)各向同性编码的归一化平均扩散率(MD)(实线)、具有q-MAS散相幅度波形的定向编码(短划线)、具有频谱调谐波形的定向编码(重叠的实线)和具有近似频谱调谐波形的定向编码(点线)。(B)各向同性编码的归一化扩散方差(实线)、具有q-MAS散相幅度波形的定向编码(短划线)、具有频谱调谐波形的定向编码(短划线，较低的值)和具有近似频谱调谐(x或y q-MAS通道)波形的定向编码(点线)。(C)微观各向异性分数，其对于q-MAS散相幅度波形(实线)、对于频谱匹配波形(实线，较低的值)和对于近似频谱调谐(x或y q-MAS通道)波形(点线)，如在(2)中通过来自各向同性和定向编码的方差和平均扩散率进行计算。如图5和图6所示，可以通过实验观察到调谐或失谐的定向1D脉冲的扩散方差或二阶矩μ2的差异。该差异指示了时间相关的扩散效应。而对于各向同性3D和调谐的定向1D编码，μ2中的差异用于量化微观各向异性。
[0147] 图5示出了模体(phantom)的T2W图像(左)。模体反映了时间无关(HEX和PEG)和时间相关扩散(酵母和纤维)以及各向同性(PEG和酵母)和各向异性(HEX和纤维)扩散的分量。来自不同模体的ROI中的信号衰减随着各向异性和时间相关扩散的增加而有序(右)。调谐的定向1D(标记为2)和各向同性3D(标记为3)编码之间的分离反映各向异性，而调谐和失谐的定向1D(标记为1)编码之间的分离反映时间相关(约束大小)。
[0148] 图6示出了猴子大脑的T2W图像，其具有来自具有定性地不同的微观结构的四个区域的ROI(左)。如图5所示，ROI中的信号衰减随着各向异性和时间相关性的增加而有序(右)。
[0149] 图7示出了对样本执行扩散加权磁共振测量的方法的流程图。
[0150] 图8a和图8b示出了脉冲序列的示例。
[0151] 详细描述
[0152] 为了便于理解本发明构思，现在将提供一些理论概念的讨论。
[0153] 理论
[0154] 考虑到扩散编码时间τ期间的任意有效梯度波形g(t)，信号由集成平均值给出，其中γ是核旋磁比，且Δr(t)是位移。当考虑多个隔室系统时，集成平均发生在子集成(sub-ensemble)上，即具有不同扩散特性(例如，孔尺寸、形状和取向)的隔室上。在低扩散编码梯度的限制下，信号衰减可以由对应于高斯相位近似(GPA)的二阶累积展开(6)来近似。
[0155] 对于由表观扩散张量D表征的高斯扩散过程的单个隔室或子集成，在扩散编码期间位移相关性可忽略不计，归一化信号由下式给出
[0156]
[0157] 其中，F(t)是时间散相向量，
[0158]
[0159] 扩散张量D携带了关于隔室各向异性的信息。散相向量F(t)可以被表示为振幅q和归一化波形 的哈达玛乘积，
[0160]
[0161] 对于非高斯扩散，通过考虑隔室的主轴系统(PASC)中的位移传播子(propagator)，也可以在GPA中考虑时间相关扩散(7)。信号衰减被表示为E＝exp(-β)。
[0162] 作为短梯度脉冲(SGP)近似的示例，表观均方位移(MSD)(9)由下式给出
[0163]
[0164] 信号衰减的频域GPA分析可以推广到3D扩散编码。可以用扩散谱D(ω)来表示衰减，扩散谱D(ω)是速度相关张量χ(t)＝的谱。频域分析可以很容易地应用于任意梯度波形。最重要的是，它允许直观地理解3D扩散编码中受约束的扩散效应，这可以有助于设计不同的编码波形。
[0165] 在频域中，等式(12)的指数可以被重写为
[0166]
[0167] 其中
[0168]
[0169] 并且D(ω)＝Rλ(ω)R-1。注意，对角矩阵λ(ω)的扩散频谱λi(ω)被写在PASC中，而散相谱Fi(ω)的笛卡尔分量在实验室系统中。带有元素Rij的旋转矩阵被应用于隔室PASC或实验室系统。也如下给出散相谱
[0170]
[0171] 为了简化符号，我们将积分运算符 定义为
[0172]
[0173] 其中，i，j，k∈1，2，3并且上标*表示复共轭。注意， 并且通过采用爱因斯坦求和约定(Einstein summation
convention)并使用符号(19)，等式(16)变成
convention)并使用符号(19)，等式(16)变成
[0174]
[0175] 可以用表观扩散率来表示衰减(20)
[0176]
[0177] 当i＝j时，上述表达式可以被简化为
[0178] 扩散加权由下式给出
[0179]
[0180] 可以应用λi(ω)的不同模型。信号衰减可以在零频率附近以泰勒级数展开。λi(ω)的低频展开例如由下式给出
[0181]
[0182] 其中， 表示在零频率处的第n阶导数。注意，可以应用不同的展开。为了表征约束， 可以用特征约束大小来表示。
[0183] 将展开(24)插入到(20)并引入|ω|n给出了
[0184]
[0185] 其中
[0186]
[0187] Mij(n)是测量张量的矩。0阶矩M(0)对应于扩散加权张量M(0)＝B。根据等式(6)中的归一化频谱 测量张量由下式给出
[0188]
[0189] 因此谱矩由 给出。平均频谱内容由张量的迹提供，其中n优选为2。可以通过匹配平均频谱内容(即， 的迹)来实现频谱
匹配，其中n优选为2。
匹配，其中n优选为2。
[0190] 广义扩散时间(等式(32))对应于 以矩阵形式， 和td＝m(0)。
[0191] 扩散频谱展开系数为
[0192]
[0193] 或者以矩阵形式，
[0194] D(n)＝R-1λ(n)R (29)
[0195] 对于n＝0，我们有高斯扩散张量。以内积形式
[0196]
[0197] 对于频域中受约束的扩散，我们有
[0198]
[0199] 在这种情况下，可以用约束大小(7)表示的ω的偶数幂和 来写出展开(25)。
[0200] 散相的0阶矩、总散相功率对应于经典的扩散加权因子b＝q2td，其由散相幅度q和有效扩散时间的乘积给出，
[0201]
[0202] 等式(32)中的最后一个等式来自帕塞伐尔(Parseval)定理。注意，对于实验室系中的不同轴，扩散时间(32)可以不同。
[0203] 可以用散相谱(2)或其归一化对应物(6)来表征频谱内容。归一化功率谱的分量由下式给出：
[0204]
[0205] 关于与宏观序(macroscopic order)分解(disentangle)的微观扩散各向异性的信息可以根据定向平均(即，粉末平均)信号(1、2、4)的特征衰减被恢复(retrieve)。对于定向平均信号，单指数衰减的偏差可归因于表观扩散率的传播，这说明了各向同性扩散率(迹)和隔室各向异性(特征值)的多分散性(5)。(1)(10)(2)(4)中提出的方法允许通过改变扩散加权张量的各向异性来分离各向同性和各向异性扩散贡献的影响。
[0206] 平均信号衰减由下式给出
[0207]
[0208] 其中
[0209] βn＝＜M(n)，D(n)＞。 (35)
[0210] 等式(34)中的第一指数项由下式给出
[0211]
[0212] 等式(34)中的第二指数项由下式给出
[0213]
[0214] 或者以矩阵形式
[0215]
[0216] 仅考虑i＝0和2的项，我们有
[0217]
[0218] 注意， 和 对应于高斯项，参见(10)中的等式3和等式6。
[0219] 在没有各向同性分散的情况下，与扩散分布的矩相关的信号累积展开系数反映了微观扩散各向异性。
[0220] 对于由等式(2)定义的具有散相向量(F⊥，F||，F⊥)的轴对称扩散编码以及PASC中的扩散谱，
[0221]
[0222] 等式(20)得出了
[0223]
[0224] 其中，P2(x)＝(3x2-1)/2是第二勒让德多项式(Legendre polynomial)，π/2±θ是扩散张量的主对称轴和扩散编码之间的角度。对于高斯扩散，包含散相谱的叉积的(41)中的最后一项在 的情况下成为零。根据普朗克公式(Plancherel’s formula)，上述条件转化为 如果向量q(t)总是平行于右圆锥面，
并且q轨迹(trajectory)具有至少三重对称性(3)，或者简单地说，当乘积始终为q⊥(t)q||(t)＝0时，就满足了上述条件。很明显，(41)中的最后一项对于低隔室各向异性成为零，而使用q-MAS波形(2，11)，我们的数值计算表明，对于大部分各向异性隔室(例如，由圆柱体组成的隔室)，该项可能很小。
并且q轨迹(trajectory)具有至少三重对称性(3)，或者简单地说，当乘积始终为q⊥(t)q||(t)＝0时，就满足了上述条件。很明显，(41)中的最后一项对于低隔室各向异性成为零，而使用q-MAS波形(2，11)，我们的数值计算表明，对于大部分各向异性隔室(例如，由圆柱体组成的隔室)，该项可能很小。
[0225] 没有叉积项的情况下，表达式(41)可以被重写为
[0226] β＝β++β-P2(cos2(θ)) (42)其中
[0227]
[0228]
[0229] 这里我们使用了符号 并且
[0230]
[0231] 其中，i，j∈⊥，||。Λij是由于扩散编码波形i引起的沿PASC中的j轴的表观扩散系数。
[0232] 假设体素中的所有隔室都相同，则定向平均值由下式给出
[0233]
[0234] 其中， 平均扩散率(MD)由MD＝β+/b给出。请注意，当两个波形具有相等的频谱内容时，β+＝bD并且 其中，b＝b||+2b⊥、D＝(D||+2D⊥)/3、Δb＝b||-b⊥和ΔD＝D||-D⊥。因此，通过Δb改变扩散编码的形状允许量化隔室各向异性(2)。隔室各向异性引起表观扩散系数的分散，这也将受到频率相关扩散效应的影响。二阶中心矩(即，扩散分布的方差)等于信号的第二累积量，μ2(2，4)，并且与平均峰态(kurtosis)相关，[0235]
[0236] 对于具有b||＝b⊥的各向同性编码，我们有并且对于具有
b⊥＝0的定向编码，我们有 和
请注意，μ2>0仅适用于各向异性约束/隔室。对于球体来说，我们有μ2＝0、
和
b⊥＝0的定向编码，我们有 和
请注意，μ2>0仅适用于各向异性约束/隔室。对于球体来说，我们有μ2＝0、
和
[0237] 等式(24)中受约束的扩散谱的第二展开系数由(7)给出
[0238]
[0239] 其中，Ci是几何因数，ri是沿主轴i的约束大小。考虑等式(7)中的定义，等式(25)变成
[0240]
[0241] 以矩阵形式
[0242]
[0243] 其中， 假设 与方向无关且等于D0，则上面的第一项由trace(M(0))D0给出。
[0244] 改变有效梯度波形允许改变m(2)，从而探测约束R4的大小。
[0245] 对于多个隔室，由等式(42)中的β+给出的平均扩散率需要在所有隔室上取平均值，β+＝∑ipiβ+i，其中pi是归一化权重(来自不同隔室的信号)，∑ipi＝1。等式(47)中的二阶中心矩μ2(即，扩散方差)具有来自各向同性扩散率的方差的附加贡献，由给出。
[0246] 考虑两个各向同性隔室的情况，一个具有带有权重f和扩散率D1的高斯扩散，并且另一个具有权重1-f和带有用于定向编码的D⊥z和用于各向同性编码的Ds＝2D⊥⊥+D⊥||的球形约束。在这种情况下，对于定向和各向同性编码，我们分别有平均扩散率
[0247] Dz＝fD1+(1-f)D⊥z，
[0248] Diso＝fD1+(1-f)Ds (51)
[0249] 以及扩散方差
[0250] μ2z＝f(1-f)(D1-D⊥z)2，
[0251] μ2iso＝f(1-f)(D1-Ds)2 (52)
[0252] 请注意，观察到的扩散系数和μ2取决于散相波形的频谱内容。当微观扩散各向异性根据(2)中的等式14由差值Δμ2＝μ2z-μ2iso进行估计时，由于受约束的扩散效应，结果μFA>0。
[0253] 示例实验
[0254] 从上面可以理解，与传统的扩散编码相比，多维扩散编码可以在多隔室系统中的各向同性和各向异性扩散方差之间消除歧义。这可以通过改变编码张量的形状来实现，即从测量扩散张量的一个投影到测量扩散张量的迹。附加的形态学特征(诸如，细胞的大小)被反映在扩散谱中，并且可以通过改变扩散编码波形的频谱内容来被探测。根据本公开，可以组合具有编码张量的不同形状的实验和具有不同频谱内容的波形。如下文所示，该增强方案在模体中和在固定猴脑中的白质、大脑皮层和小脑皮层中显示出明显不同水平的微观各向异性分数(μFA)和时间相关扩散。
[0255] 多维梯度编码方案提供了测量微观各向异性分数(μFA)的可能性，这不同于传统的FA测量，其对分散不敏感。这使得测量能够反映下层组织的更多特征，从而从MRI中提取更具体的微观结构信息，而无需模型假设。一种方法结合了传统的定向1D编码和通过q向量方法的魔角旋转(q-MAS)执行的各向同性3D编码。最初的方法假设测量的扩散频谱是恒定的，这可能导致在呈现时间相关扩散的系统中出现μFA偏差。为了校正该偏差且同时探测反映底层微观结构的长度尺度的扩散的时间相关性，发明人提出了对不同时间尺度敏感的频谱调制方案的组合。下面的方法在具有众所周知的微观结构和死后神经元组织的模体上进行了实验演示。
[0256] 扩散编码描述了扩散频谱的灵敏度滤波器，其对于时间相关扩散为非常数(图1)。各向同性3D编码所呈现的示例(图1)在各个轴上具有足够相似的频谱内容。调谐的定向1D编码(即，具有相似的频谱内容)可以被实现为3D轴之一的投影。根据各向同性3D编码梯度轨迹的幅度(比较图1中的实线和短划线)获得在较低频率处具有更大编码功率的失谐的定向1D。
[0257] 图1B所示的不同编码/散相功率谱导致各向同性和定向编码中不同梯度通道的不同MSD(如图2A所示)。在半径为R的球体中受约束的扩散的情况下，由图1所示的q-MAS幅度和x，y，z波形实现的定向(1D)和各向同性(3D)产生不同的表观扩散率D1D和D3D。它们的比率D3D/D1D如图2B所示。
[0258] 脉冲序列可以包括重复3D梯度波形一次或几次，在连续重复之间具有变化的分离时间，在此期间可以施加或不施加RF脉冲。梯度的极性可以在波形的连续执行中变化。调整编码梯度的连续重复之间的时间以及它们的极性可以用来改变散相功率谱，从而获得对时间相关扩散的不同灵敏度。
[0259] 设计了四种扩散模体以产生特定的扩散特性：i)通过使用与水混合的PEG(聚乙二醇)来构建各向同性多组分高斯扩散，ii)通过酵母细胞悬浮液而具有各向同性和受约束的扩散的两隔室系统，iii)通过使用液晶形成直径为7nm的六边形水通道的阵列(HEX)而具有时间无关的微观各向异性但完全取向分散的系统，以及iv)通过使用平均直径为13.4μm的中空电纺纤维而具有时间相关各向异性扩散的系统。从一只3.5岁的长尾猴身上切除的大脑准备进行离体成像。活的动物是按照地方当局的道德准则进行处理的。在临床前4.7 T Agilent MRI扫描仪上进行实验，扫描仪带有正交线圈。使用了三种不同的梯度波形：具有q-MAS 3D脉冲的优化各向同性3D编码、根据3D编码的x投影按√3缩放的调谐的定向1D编码，以及根据3D编码的幅度的失谐的1D编码。以15个均匀分布的方向和使用最大梯度幅度为500mT/m在200和4800s/mm2之间的12个b值来应用23ms长的q-MAS脉冲。模体实验的图像分辨率为0.375×0.375×2mm3，猴子实验的图像分辨率为0.25×0.25×2mm3。具有TE/TR的2D自旋回波序列：对于两个实验都使用了68/2500ms。在ROI上的粉末平均信号被拟合到b中的三阶累积展开，并且基于调谐的1D和3D编码数据来计算μFA。
[0260] 所有四个模体都定性地显示了不同的粉末平均信号衰减，其中更高的方差具有与各向异性介质中的各向同性3D编码相关的定向1D编码，且具有在时间相关性域中调谐和失谐的1D编码之间的对比(图5)。当使用调谐脉冲时，μFA值与预期一致。来自猴脑中的ROI的信号也在胼胝体和在小脑皮质中显示出不同程度的各向异性和时间相关性(图6)，与来自中空电纺纤维的调查结果定性地匹配(图5)。大脑皮层是各向异性的，其中时间相关性可以忽略不计，定性地类似于HEX模体，其很可能是由于来自薄树突的主要μFA贡献。
[0261] 鉴于上述情况，建议在一个实验可行的成像框架中使用各向同性3D扩散加权和定向1D扩散加权的频谱调谐和失谐的组合来探测μFA和时间相关扩散。来自固定猴脑的结果进一步说明了该方法在没有模型假设的情况下直接从数据中提取神经组织的微观结构特异性参数的潜力。这对于模型参数的验证和改进的组织表征提供了新的机会。
[0262] 实施例的描述
[0263] 图7示出了提取关于样本的信息的方法的一般流程图。样本可以是例如包括水的生物样本，诸如脑组织或任何器官细胞的(悬浮液的)活组织样本。更一般地，样本包括核自旋系统，其性质可以通过核磁共振技术来被测量。
[0264] 为了便于理解该方法，下面将参考来自单个体素的回波信号，即单个空间通道(在MRI方法的情况下)或单个频率通道(在NMR方法的情况下)。如本领域众所周知的，可以通过在编码序列期间对样本施加进一步的磁梯度(例如，在MRI方法的情况下的成像梯度)来实现该分辨率。为了从对应于体素的样本的部分体积中识别/分离回波信号分量，可以对来自样本的测量信号进行本领域公知的快速傅立叶变换，从而将来自样本的每个回波信号的频谱分量变换成样本的多个空间或频率区域。
[0265] 如本领域众所周知的，NMR光谱仪或MRI设备的空间分辨率尤其受到磁场强度、施加到样本上的梯度脉冲序列的幅度和转换速率的限制。因此，对于体素的回波信号通常将包括来自对应于体素的样本的部分体积内的多个微观隔室的贡献。
[0266] 可以使用最先进的NMR光谱仪或MRI设备来执行该方法。如本领域众所周知的，这种设备可以包括控制器，用于控制设备的操作，尤其是磁梯度脉冲序列的生成、信号的获取以及测量信号的采样和数字化，以用于形成表示获取的信号(即测量的信号)的数据。可以在MRI设备的一个或更多个处理器上实现控制器，其中可以使用软件指令来实现弛豫编码序列和磁梯度脉冲序列的生成，该软件指令可以存储在计算机可读介质上(例如，非暂时性计算机可读存储介质上)，并且可以由设备的一个或更多个处理器执行。软件指令可以例如存储在设备的存储器的程序/控制部分中，设备的一个或更多个处理器可以访问该程序/控制部分。然而，也可能不是使用软件指令，而是可以以设备/计算机的专用电路的形式来实现控制器方法，诸如在一个或更多个集成电路中，在一个或更多个专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)中，仅举几个例子。
[0267] 代表测量结果的收集数据可以存储在设备的数据存储器中，或者存储在可以连接到设备的计算机等的数据存储器中。
[0268] 形成该方法一部分的数据处理可以由处理设备来执行。可以在一组软件指令中实现这些操作，这些软件指令可以存储或体现在非暂时性计算机可读介质上，并由处理设备执行。例如，软件指令可以存储在NMR光谱仪/MRI设备的存储器的程序/控制部分中，并由光谱仪/设备的一个或更多个处理器单元执行。然而，同样可以在与NMR光谱仪或MRI设备分离的设备(例如，在计算机上)上执行。设备和计算机可以例如被布置成经由诸如LAN/WLAN的通信网络或者经由某个其他串行或并行通信接口进行通信。还应当注意，可以不使用软件指令，而是可以以设备/计算机的专用电路的形式在处理设备中实现数据处理，诸如在一个或更多个集成电路中，在一个或更多个ASIC或FPGA中，仅举几个例子。
[0269] 参考图7，方法包括对样本执行多个扩散加权磁共振测量(步骤702-1至702-n)。
[0270] 每个测量可以包括编码块，随后是检测块。编码块可以包括RF序列和扩散编码磁梯度序列。如本领域公知的，为了获取回波信号，可以用一个或更多个成像磁梯度和可选的磁梯度校正梯度来补充每个扩散编码磁梯度脉冲序列。
[0271] 图8a中示出了包括在具有信号检测的块之前的具有弛豫和扩散编码的块的脉冲序列的示例，并且图8b中示出了具体实现。因此，图8a示出了编码块和检测块，该编码块根据弛豫速率的值和扩散编码磁梯度序列来调制回波信号，回波信号在该检测块中被读出(例如作为频谱或图像)。图8b示出了具有90°和180° RF脉冲(窄和宽垂直线)、三个正交方向上的调制梯度(实线、短划线和点线)和检测的信号(粗实线)的脉冲序列。通过纵向恢复、横向弛豫和扩散对信号进行调制。
[0272] 从复横向磁化mxy等于零的初始状态开始，第一个90° RF脉冲将纵向磁化mz翻转到横向平面。在具有持续时间τ1的延时期间，纵向磁化恢复到热均衡值m0，其中纵向弛豫速率为R1。第二个90°脉冲将恢复的磁化翻转到横向平面中，其中在检测到磁化之前的时间段τ2内，磁化以横向弛豫速率R1向零衰减。在τ2时段期间，应用时间相关的磁场梯度。
[0273] 通常，自旋回波编码和受激(stimulated)回波编码都可以使用。在任一种情况下，RF信号序列可以对由于仅纵向、仅横向弛豫或者纵向和横向弛豫二者引起的衰减进行编码。一个示例序列可以包括单个90°脉冲和单个180°脉冲。梯度脉冲序列相对于180°脉冲的定时可以变化。例如，梯度脉冲序列可以在180°脉冲之前或之后被执行。在采集/检测之前，可以重复几个这样的序列。受激回波序列的示例可以包括第一90°脉冲、第二90°脉冲和第三90°脉冲。可以在第一和第二90°脉冲之间和/或在第三90脉冲之后(即，在检测块之前)执行梯度脉冲序列。然而，这些示例序列仅仅是作为说明性示例提供的，其他序列也是可能的。优选地，在所有的多个测量中(即，在第一组、第二组和第三组的所有测量中)使用相同的RF信号序列。
[0274] 多个测量可以包括第一组测量值。第一组测量中的每一个的扩散编码磁梯度序列可以具有带有彼此相等的三个非零特征值的张量表示。第一组测量的扩散编码磁梯度序列可以具有不同的扩散编码强度(即，扩散加权张量表示的b值/不同迹)。第一组测量的扩散编码磁梯度序列可以具有相同的频谱内容(即，有效梯度序列，或者相应地，散相向量可以被频谱调谐或者彼此匹配)。
[0275] 每个测量的检测块可以包括检测编码块之后的回波信号。由多个测量产生的信号可以被记录为数据。回波信号可以被采样并数字化以形成数据。
[0276] 数据可以被存储用于进一步的数据处理。数据可以例如存储在设备的数据存储器中，或者存储在可以连接到设备的计算机等的数据存储器中。
[0277] 多个测量还包括第二组和第三组测量。第二组和第三组测量中的每一个的扩散编码磁梯度序列可以具有带有恰好一个非零特征值的张量表示。第二组测量包括具有不同扩散编码强度的扩散编码磁梯度序列(即，扩散加权张量表示的b值/不同迹)。第三组测量包括具有不同扩散编码强度的扩散编码磁梯度序列(即，扩散加权张量表示的b值/不同迹)。
[0278] 第二组测量的扩散编码磁梯度序列可以具有相同的频谱内容(即，有效梯度序列，或者相应地，散相向量可以被频谱调谐或者彼此匹配)。
[0279] 第二组测量的扩散编码磁梯度序列可以进一步与第一组测量的扩散编码磁梯度序列频谱匹配。
[0280] 匹配频谱内容或“调谐”多维扩散编码方案和定向编码方案可以用数字来完成。当已经基于某个先前的优化获得了多维编码梯度波形时，以下过程是有用的。1.对于输入波形(例如，沿x、y、z轴)的旋转范围，计算乘积 n的选择取决于在“调谐”中可以选择优先处理的频率范围，即匹配频谱功率；可以计算若干矩。2.找出上一步骤中计算的p的最大值以及产生p最大值的旋度R。3.使用旋度R来变换输入波形。4.对于每个变换的波形，计算矩m(n)并选择矩m(n)最接近平均矩的波形(考虑两个或三个波形和相应的矩)。
5.使用步骤4中选择的波形的形状进行定向编码。
5.使用步骤4中选择的波形的形状进行定向编码。
[0281] 回到该方法，第三组测量的扩散编码磁梯度序列可以进一步从第二组测量的扩散编码磁梯度序列进行频谱失谐。
[0282] 具有给定b值的第二组的每个测量可以针对多个不同的方向(优选地多个方向)重复。这使得能够确定方向上平均的信号衰减(也称为“粉末平均”)。
[0283] 同样，具有给定b值的第三组的每个测量可以针对多个不同的方向(优选地多个方向)重复。第二组和第三组的测量可以针对同一组多个方向重复。
[0284] 为了提高数据拟合的精度，如下所述，第一组、第二组和第三组测量优选地各自包括对于多个不同扩散编码强度的测量。然而，该方法原则上不限于任何特定数量的测量。
[0285] 根据该方法，第二组的扩散编码磁梯度序列的频谱内容不同于第三组的扩散编码磁梯度序列的每一个。
[0286] 参考图5的“各向同性3D”测量、“调谐的定向1D”测量和“失谐的定向1D”测量(分别标记为1、2和3)描述的测量代表这样的第一组、第二组和第三组测量。
[0287] 在方法的步骤704中，处理设备基于由多个磁共振测量702-1，…，702-n产生的信号来生成输出。处理设备可以将第一函数拟合到表示所述第一组测量的第一数据集以估计第一信号衰减曲线，将第二函数拟合到表示所述第二组测量的第二数据集以估计第二信号衰减曲线，并将第三函数拟合到表示所述第三组测量的第三数据集以估计第三信号衰减曲线。
[0288] 处理设备可以生成包括在第一组、第二组和第三组测量中测量的信号电平(可以被归一化)的输出。处理设备可以生成包括信号衰减曲线的输出，该信号衰减曲线拟合到来自第一组、第二组和第三组测量的数据。处理设备可以生成包括拟合函数的任何拟合参数的值的输出。
[0289] 在具有给定b值的第二组和第三组的测量已经针对多个不同方向重复的情况下，每个b值的测量结果可以在不同方向上被平均，以针对第二组和第三组测量的每个b值获得单个“粉末平均”回波信号。可以基于粉末平均回波信号来估计第二和第三信号衰减曲线。
[0290] 图5表示通过将函数拟合到第一、第二和第三数据集而获得的第一、第二和第三信号衰减曲线的一个示例。
[0291] 可以被拟合到表示一组测量的数据集的拟合函数的第一示例是(参见等式(34)-(38))
[0292] S＝S0exp(-β+γ)， (53)
[0293] 其中，S0是没有扩散加权的信号，
[0294]
[0295] 并且
[0296]
[0297] 拟合函数的另一个示例是(参见等式(43)-(46))
[0298]
[0299] S0、Λ⊥⊥、Λ||⊥、Λ⊥||和Λ|| ||可以用作拟合参数。注意，对于定向编码(即，第二组和第三组测量)，只需要两个参数，例如Λ⊥和Λ||。
[0300] 拟合函数的另一个示例基于以下累积展开
[0301]
[0302] 如果忽略给出信号相位的虚数项，上述展开可以被写成
[0303]
[0304] 其中，S0是没有扩散加权的信号，b是由扩散加权张量的迹给出的扩散加权，是平均扩散系数，以及μn是扩散分布中心矩。在拟合中可以使用任意数量的累积展开项。
[0305] 拟合函数的另一个示例是
[0306]
[0307] 其中，S0是没有扩散加权的信号，b是由扩散加权张量的迹给出的扩散加权，是平均扩散系数，以及μ2是扩散分布的二阶中心矩。
[0308] 拟合函数的另一个示例使用
[0309]
[0310] 拟合函数使得扩散张量D的元素和约束的大小或维度能够由处理设备估计。
[0311] 也可以用拟合函数Sn的任意组合来拟合信号，而不限于等式(53)-(59)中的示例，如下给出
[0312] S＝∑nPnSn， (61)
[0313] 其中，Pn是不同的权重。
[0315] 例如，尽管在上面假设第一组的每个测量包括3D各向同性扩散加权，但是也可以使用第一组测量中的每个测量的扩散编码磁梯度序列，该磁梯度序列具有带有三个非零特征值的张量表示，至少一个特征值不同于其他特征值。
[0316] 另外，可选方法并不是执行第一组、第二组和第三组测量，而是可以包括执行利用第一扩散磁梯度编码序列的第一测量，所述第一扩散磁梯度编码序列具有带三个非零特征值的张量表示，利用第二扩散编码磁梯度序列的第二测量，以及利用第三扩散编码磁梯度序列的第三测量，其中，第二和第三扩散编码磁梯度序列具有不同的频谱内容。此外，第一扩散编码磁梯度序列的扩散编码强度等于所述第二扩散编码磁梯度序列的扩散编码强度，并且等于所述扩散编码磁梯度序列的扩散编码强度。因此，可以针对相同的b值执行第一、第二和第三测量。特别地，第一测量可以包括对3D各向同性扩散加权进行编码，并且第二和第三测量可以包括对1D扩散加权进行编码。第二和第三测量可以针对多个不同方向重复，优选地多个方向和定向平均的回波信号可以针对第二和第三测量来被估计。该测量方案对应于测量相同b值的回波信号，用于三个不同的信号衰减曲线，例如图5中的第一、第二和第三曲线(1、2和3)。
[0317] 处理设备可以相应地基于由磁共振测量产生的测量的第一(可选地粉末平均)、第二(可选地粉末平均)信号衰减来生成输出。该输出可以例如指示第一和第二信号衰减之间的差异或第一和第二信号衰减的比率，以及第一或第二信号衰减和第三信号衰减之间的差异或第一或第二信号衰减和第三信号衰减的比率。
[0318] 处理设备可以基于对样本的感兴趣区域内的多个体素中的每一个测量的信号衰减来生成相应的输出。处理设备可以生成包括对于在第一测量中获取的信号衰减不同于在第二测量中获取的信号衰减的体素的指示的数字图像形式的输出。数字图像还可以包括对于在第二测量中获取的信号衰减不同于在第三测量中获取的信号衰减的体素的指示。可以通过增加亮度的高亮显示、偏向色(deviating color)、边界框和/或某个其他图形元素来指示体素。
[0319] 根据执行扩散加权磁共振测量的又一变型，该方法可以包括：利用第一扩散编码序列的第一测量，该第一扩散编码序列具有带有三个匹配非零特征值的张量表示；利用第二扩散编码序列的第二测量，该第二扩散编码序列具有带有恰好一个非零特征值或至少两个彼此不同的特征值的张量表示，其中，第一和第二扩散编码序列如上所述被频谱调谐。由此提供了结合3D各向同性测量和1D“棒”测量(可选地可以是粉末平均)的测量方案。处理设备可以相应地生成输出，该输出指示由磁共振测量产生的测量的第一和第二(可选地粉末平均)信号衰减之间的差异。由于编码序列的频谱匹配，差分输出中的时间相关扩散的影响将被抑制。类似于上述内容，这允许处理设备生成包括对于在所述第一测量中获取的信号衰减不同于在所述第二测量中获取的信号衰减的体素的指示的数字图像形式的输出。所指示的体素将相应地对应于呈现各向异性扩散的样本的子体积，而不会由于时间相关扩散的影响而出现错误指示。
[0320] 参考文献列表
[0321] 在以上公开中，圆括号或括号中的一个或更多个数字指的是以下参考文献列表中相应编号的参考文献：
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