代谢物与大脑扩展映射报道使用快速Multisection MRSI脉冲序列和多通道线圈

文摘

Multisection磁共振光谱成像是一种广泛使用的脉冲序列,具有明显的优势超过其他光谱成像序列,如动态匀场,大的范围内片,和快速数据采集。它具有局限性,然而,在片的数量可以获得现实的扫描时间和信息损失从片之间的间距。在本文中,我们加强多节光谱成像脉冲序列与多通道线圈技术来克服这些限制。这些组合技术现在允许消除片之间的间隙和收购更多的片实现全脑代谢物映射不会导致更长的重复时间的惩罚(因此更长的采集时间)或更低信噪比。

1。介绍

质子核磁共振光谱成像的应用(1 h MRSI)的大脑可以受益于技术先进的脉冲序列和硬件的发展,克服各种MRSI的局限性,包括低信噪比、长时间采集,脂质污染。在脉冲序列开发、2 d PRESS-MRSI [1)和2 d STEAM-MRSI (2]开发了解决这些限制的几个,现在广泛使用。由兴奋大脑内感兴趣的只是一个小区域,这两个序列允许减少的视野(FOV),从而允许相位编码步骤的数目的减少,从而减少了扫描所需的时间达到一个给定的空间分辨率(3]。这些脉冲序列也减少污染的代谢物从头皮信号由脂质信号。这些和其他的优势积极扩展的新闻,STEAM-MRSI从传统使用3 d或多个2 d应用程序,或结合其他技术,如echo-planar光谱成像(4]和螺旋MRSI [5]。媒体和蒸汽MRSI,然而,也有一些不足之处,如大脑相对较小的覆盖率和扫描时间仍然渴望人类应用,特别是用于3 d或多个2 d模式(6]。

另一个发展快速MRSI序列已经多节MRSI [7]。这个序列具有两个优势其他媒体或蒸汽底驱快速序列。(1)多个切片连续兴奋,在一个重复采样时间(TR),而脂质信号从皮下脂肪抑制通过斜饱和带的应用程序把用户放在定位器的图片(3]。(2)每个片是动态补偿,因此可以实现更好的光谱质量比与全球匀场。此外,多节MRSI还具有以下特性。(1)完整的回声,而不是自由感应衰减(fid),收购,所以光谱级可以使用没有采用相位校正。获得完整的回声的重建提供了一个额外优势MRSI使用多通道接收机射频线圈信号采样,在残余水信号灵敏度可以作为参考,结合信号从各个渠道的线圈8]。(2)间距切片避免了信号取消由相邻切片之间的“相声”造成的。

的传统实现multisection MRSI技术(7然而,还有服务员问题。片之间的间距要求未能获取信息在整个体积成像,不仅失去重要的信息,而且创造困难的coregistration MRSI的高分辨率核磁共振图像数据,这是很重要的细分MRSI片和MRSI的分析数据。尽管使用288 ms的回波时间(TE)是必要的,以适应回声的全部数量为512数据点采样率为2000 Hz,它还降低了信噪比,需要很长一段TR2.3秒的样本phase-encoded信号从4片。因为每个TR是“完整的”(图1),进一步增加片的数量可能只有通过线性增加TR,从而削弱了“快速”特性的脉冲序列。片也限制了数量有限的体积范围,要求增加切片厚度和权衡妥协空间分辨率覆盖更大的体积相同的4片。

硬件开发,使用多通道线圈尤其受益1 h MRSI的应用。最初的和传统的应用多通道线圈在夫人是提高信噪比9- - - - - -12),表面线圈阵列的体积提供了优越的敏感性与更传统的正交线圈(10]。近年来,并行MRSI采用多通道线圈加速数据采集(13]。信噪比的增长或减少扫描时间,虽然本身有价值,可以进一步交易对于其他潜在优势,比如MRSI的空间分辨率14]。

我们不注意,多节MRSI的局限性造成的固有缺点的序列,而是技术的局限性和妥协的结果,可以使用多通道线圈技术有力地解决。我们假设使用多通道线圈多节光谱成像技术可以消除需要片之间的缝隙和允许的片数的增加没有采取更长的采集时间和较低的空间分辨率提高大脑的报道。因此,我们的目标在这个报告是加强多节光谱成像(SI)脉冲序列(7)与多通道线圈技术实现全脑代谢物映射通过消除片之间的差距和增加片的数量不通过交易时间TR年代,因此再收购时间或空间分辨率较差的更多大脑报道。

2。方法

2.1。MRSI序列

简化的时机射频脉冲序列多节MRSI示意图如图1。T_p是时候准备段,包括水抑制和外卷抑制;τ₁和τ₂,90°和180°脉冲的持续时间,分别;TE是自旋回波时间;T_d是数据采集前的时间延迟,这是用于片选择的呢z方向和相位编码的x- - - - - -y平面片(图中未显示);收集时间;是一片的时候了;总重复时间TR为片是。

的时间序列是由硬件能力和实际问题。《纽约时报》的T_p和T_d,以及τ₁和τ₂例如,与硬件和优化的最短的时间在设计脉冲序列。他们被视为常数在这个应用程序中。和变量选择的用户。=N/西南,N数据点的数量在回声和西南是光谱宽度,两者都是由实际问题和妥协。例如,一个方法减少扫描时间,,是减少TE,这是可能的减少。增加光谱宽度可以减少为代价,但这样做增加噪音。减少N减少了,但它将减少光谱分辨率和产生截断效应,随着采集回波信号后会完全建立之前和结束回波信号完全腐烂,如虚线框,如图所示1。虽然零填充前截回声傅里叶变换可以提高光谱分辨率,它也会产生光谱中摆动。低分辨率数字和摆动都将阻碍在频域谱拟合(15]。考虑到所有这些因素,西南和N是传统指定为1000赫兹和256年,分别为1.5 t扫描仪(7)和2000赫兹和512年3 t扫描仪。与这些参数和,TE是280 ms,屈服吗575毫秒,TR= 2300毫秒,扫描时间30分钟。一起准备时间,包括片和外卷抑制(ov)乐队的处方,填隙和预扫描,扫描时间总计50分钟。进一步增加片的数量比例会增加扫描时间。

我们减少了数据点的数量在3 t扫描仪的回声了从512年到256年,这7片将在一个TR2300毫秒。为了避免光谱分辨率低的缺点,截断的影响在频域谱拟合与收购数量有限的数据点,我们采用了在时域谱拟合的算法。这些细节将在下面描述数据处理部分。

2.2。计算机模拟

我们进行了计算机模拟比较的影响光谱拟合的算法对信号在时域截断和光谱分辨率或sinc摆动在频域。信号模拟Ch 3汗衫,Cr、NAA和振幅的24岁,36岁,分别为48 (a.u)。线宽是为洛伦兹或高斯lineshape 10赫兹。对于一个Voigtian lineshape,洛伦兹衰变为2.5赫兹,高斯衰减为所有三行是7.5赫兹。光谱宽度是2000 Hz,回波数据点的数量是256,这是zero-filled 512年或1024年。我们还进行了蒙特卡罗模拟信号在时域拟合和标准差的估计相比振幅与克莱默Rao下界(CRLBs),基准评估光谱匹配算法的准确性。

2.3。数据采集先生

我们进行测量光谱幻影和先生3人类志愿者,分别使用全身3 t扫描仪(标记HDx 3.0 t,通用电气医疗集团,沃基肖,WI),配备了正交线圈传输/接收头,和一个8路只收头线圈。首先,我们收购了侦察图像使用商业梯度召回echo-based 3-planar MRI序列,然后规定定位器MRSI切片的图像,这是在伪扫描轴面和斜轴面平行于前commissure-posterior连合线在人类主题。然后,我们本地化MRSI片通过复制定位器的位置图片和获得使用多平面MRSI脉冲序列(MRSI数据7]。片的数量、切片厚度和间距变化符合不同MRSI的会话(见下页)。然而,MRSI的典型参数的脉冲序列如下幻影和人类主题:片的数量= 7;切片厚度= 10毫米;片= 4或0毫米之间的间距;名义相位编码(PEs)的数量=或;TR/TE= 2300/144的女士;光谱宽度= 2000赫兹;回声的数据点数量= 256。MRSI扫描的时间是8或30分钟,这取决于栓塞形成后症状(PEs)的数量。总扫描时间包括MRI定位器,MRSI片处方,ov带放置和字段填隙约26或50分钟。当重复MRSI扫描片间距不同,我们只改变间隔但不是中央的位置(4)切片。因此,我们使用信号从这片来评估不同片间距的影响之间的“相声”片。为每个MRSI扫描片间距不同,我们执行一个autoprescan字段填隙和发射机获得优化。然后接收器收益(该公司)手动调整如果需要保留所有MRSI扫描RG值相同。机构审查委员会批准的协议是纽约州精神病学研究所。 Written informed consent was obtained from each human participant.

2.4。数据处理

2.4.1。结合多通道数据

的k讨论从单个线圈MRSI数据元素转换为使用一个2 d图像域空间傅里叶变换空间过滤后,用汉明窗函数。多个线圈的数据元素结合使用下面的程序。

(1)水信号去除
我们使用matrix-pencil-method-based过程(16分解信号,确定水分量的频率,并删除它们从信号16]。这种方法能够消除水信号几乎完全没有干扰(> 98%)感兴趣的代谢物的信号。

(2)删除损坏的点
我们取代了前6回波数据点(17],被激活的analogue-to-digit转换器,外推6分来自信号参数估计使用矩阵铅笔从未堕落的数据点的方法。

(3)数据切趾法
我们下一个清洗回波数据乘以一个高斯函数,,抑制噪声和减少基线变形,虽然牺牲谱线增宽。谱线增宽是伪数据和4赫兹10赫兹在活的有机体内数据。

(4)相位对齐
我们排除了voxelwise阶段不同的回声从单个线圈元素通过减去阶段顶部的回声。

(5)加权求和
我们总结phase-aligned回声使用加权因子成正比的回波振幅和线圈的噪音水平成反比的元素。噪音是由测量数据点的标准差signal-free地区频域光谱的幻影。

2.4.2。光谱拟合

我们使用以下一般模型量化谱组件功能以适应回声: 在哪里一个_米,f_米,φ_米,α_米代表了振幅、频率、相位和洛伦兹峰值的衰减米分别;β_米是高斯衰减。请注意,t从来,dt住时间和N在回波数据点的数量。还要注意与纯洛伦兹模型拟合的光谱时,我们组β_米是零;当与纯高斯模型拟合的光谱时,我们设置了α_米是零;当与Voigtian模型拟合的光谱时,我们设置β_米是一样的米峰值。

进一步指出在保证光谱拟合的过程。信号参数(1)确定使用非线性最小二乘拟合程序在Matlab©(2007、MathWorks纳蒂克,马萨诸塞州)。确保这些参数是实数,实部和虚部的模型函数(1)和测量回波信号连接,分别形成实数系列。是很重要的,以确定准确的初始值一个_米,f_米,α_米,以及峰值的数量,以确保配件的鲁棒性。他们估计从回波频谱通过补零级4096点,然后执行FFT,而全球的初始阶段取得了阶段的回声。

2.4.3。有或没有获得片间距比较数据

获得连续的片对信号强度的影响是由比较信号振幅的两个扫描有或没有片之间的间距。我们选择压区域内的4片的位置是相同的扫描有或没有间隔。的振幅米th信号组件(在频域峰值区域),一个_米被用来计算获得的信号的相对差异有或没有间距 我们使用的均值和标准差(美国)d '年代评估造成的减少信号之间的“相声”介绍了片间距时删除。

3所示。结果

3.1。信号比较有和没有片之间的间距

表1和2显示的相对差异振幅,计算使用(2),幽灵和在活的有机体内信号获取和夫人没有片之间的间距。幽灵的数据并没有显示这些值的显著差异(表1)。的平均值的差异振幅减少(或信号)造成的“相声”在活的有机体内数据是< 7.5%为前两个测试,当TR= 2.3 s。平均信号减少第三测试时要小TR= 3.0(表2)。

3.2。时域和频域谱拟合的比较

错误可能多达4%配件无噪声的原始数据在频域与洛伦兹或高斯lineshape,或拟合数据15% Voigtian lineshape(表3)。这些错误是由于低光谱分辨率和频域(Voigtian)模型不匹配。当安装在信号(从原来的256 - 1024分)在频域中,相同的顺序的错误,而错误减少到零,拟合的光谱与原来的1024点。这一发现表明,错误使用的信号是由摆动(图2)。相反,当拟合原始无噪声的信号在时域的256点,信号可以完全恢复,不管洛伦兹线形状,高斯或Voigtian。与400年蒙特卡洛模拟噪声时域信号实现添加到256点显示估计的振幅,Cr,所有三个lineshapes Ch近似真实的值。洛伦兹的SDs和Voigtian lineshapes小于2倍的Cramer-Rao下界(CRLBs),而高斯线形状的SDs CRLB大约1.5倍(表4)。

3.3。多通道信号的组合

相位差异造成的不同位置的线圈元素被淘汰,产生精确对准的阵列信号在频域,从而提高信噪比(图3)。

3.4。光谱拟合和代谢物的地图

光谱数据的拟合性能的256点在时域进一步证明了使用在活的有机体内数据。一个例子的光谱拟合如图4的形式,在一个绝对光谱。整个大脑MRSI的图所示5,覆盖定位器图像。其他两门课也获得了类似的调查结果。

4所示。讨论

这里我们报道改进著名的和广泛使用的多节MRSI的技术。修改后的脉冲序列对其标准的实现:有几个重要的优势(1)消除片间距;(2)它允许增加片的数量(从4到7)在我们的研究中没有增加扫描时间为代价的;(3)它允许切片厚度的减少,因此提高了空间分辨率,可以实现没有减少总量保险的费用,因为收购的片数的增加;(4)这对数据采集采用多通道线圈来提高信噪比。还雇佣了拟合的严重截断回波在时域。这些改进使多节MRSI技术更多的诊断价值。

与原始的性能相比MRSI脉冲序列,每个单独修改可以有自己独特的优势,限制,和挑战。间距片为例,介绍了在原始序列的实现,以避免相邻切片之间的“相声”,这一现象引起的信号干扰边缘的不完美的部分资料不清楚,而是相互交错。“相声”会导致信号损失,从而降低信噪比。片间距,然而,信息损失为代价来自卷片之间没有成像,可一样大夫人成像总额的30%。这缩小体积的报道也会降低整体的空间分辨率。造成的减少信号消除片间距小于10%在活的有机体内使用我们的修改MRSI序列(表2)。这个信号将被视为实质性损失如果原始信号的信噪比很低,但它实际上是一个无关紧要的损失当使用摘要多通道线圈阵列,通常双打信噪比与使用标准正交线圈(8,11,12]。因此,即使有10%的减少信号引起的“相声”连续切片,信噪比使用多通道线圈与我们修改序列仍远高于信噪比当使用标准正交线圈没有“相声”(图4)。我们注意到,事实上,增加片的数量从4到7可以帮助减少“相声”片,因为交叉切励磁的暂时分离最多一个间隔如果片的数量是4(即。,1-3-2-4),而与7片,可以2或3的间隔时间交错相邻切片(如1-3-5-7-2-4-6、片1和2在哪里暂时隔开3间隔片4和5相距2间隔,等等)。此外,理论上切片厚度的减少将直接导致比例减少信噪比时匀场是完美的。然而,在现实中,特别是在地区附近air-tissue接口,减少量的影响在每个片信噪比不是线性的,因为小卷有更窄的线宽。因此,我们没有观察到显著的地区信号退出低额叶内的air-tissue界面(图5)。因此,我们修改多节MRSI的优势序列提供了整个大脑覆盖连续切片,潜在的改善空间分辨率,和改进的谱线宽度。

减少数量的数据点的呼应,是当前修改的核心,为光谱拟合和谱量化带来了严重的挑战。计算机模拟(表3)表明,拟合光谱分辨率较低的频谱在频域中可以产生相当大的错误。相反,提高光谱分辨率可以提高在频域谱拟合的准确性。当原始回波数据点的数量是1024,频域匹配算法完全恢复。然而,重大错误仍然如果频谱得到zero-filling 256数据点1024(表3),反映出截断的不利影响或摆动构件在光谱拟合。相比之下,在时域光谱拟合精确符合回声使用256数据点,表明时域光谱拟合最好的信号与数据点较少,可能的蒙特卡罗模拟信号(表4)和光谱拟合的在活的有机体内数据(数据4和5)进行了验证。

实现的全脑代谢物映射使用多个二维MRSI序列也提供不同的优势3 d MRSI的相位编码(PE)步骤的数目在第三维度通常是818,19]。这个小数量的数据点需要明显、远程信号跨片污染的影响点扩散函数重建切片数据时直接使用FFT。空间滤波和汉明、汉宁或Kaiser窗函数前必须应用FFT抑制这个信号污染,但牺牲增加信号相邻切片之间的出血。因此,3 d MRSI的有效切片厚度大约是名义切片厚度的1.4倍,大大降低空间分辨率。片的有效厚度使用多个2 d MRSI,另一方面,接近其票面价值,尽管部分概要文件并不理想和片之间存在轻微的“相声”。3 d MRSI使用新闻本地化的另一个限制是,第一个和最后一个片不能使用,减少了有效的片数除以2 (18,19]。相比之下,我们的脉冲序列提供了高质量的MRSI图像在所有7片(图5)。3 d在多节MRSI MRSI有着明显的优势,然而,在这片在3 d MRSI的位置感兴趣的可以转移到特定的解剖区域采用傅里叶变换的相位偏移。

比较在幻影和信号损失在活的有机体内MRSI片之间没有间隔的数据显示,信号损失造成的“相声”相关切片,连续荷载之间的时空分离,和纵向弛豫时间的主题。我们的实验程序确保了时空分离的作用都是相同的幻影在活的有机体内扫描。分子的纵向弛豫时间幻影明显超过那些在人类的大脑,因此相对较大的信号损失可以预期如果所有其它条件保持不变。事实上,在幻影(表信号损失是微不足道的1),但在人类的大脑(表大约是10%2当间距被淘汰而4毫米间距可以归因于更好的切片在幻影。比较光谱拟合在时域与频域拟合[夫人一直长期存在的兴趣20.- - - - - -25]。时域和频域信号的傅里叶变换相关,它们在理论上有相同的信息内容。然而,适应时间和频率域可能有其独特的优点和缺点取决于信号的属性,如噪音水平和阶段或基线扭曲(20.- - - - - -25]。时域方法更可取的扭曲测量信号,包括截断(20.,23]。我们的计算机仿真提供了一个数值例子截断在频域中的不利影响,表明时域拟合是免疫的效果。

总之,我们提出了一个实现扩展脑代谢物映射使用多个二维MRSI脉冲序列结合使用多通道射频线圈,在时域光谱拟合。这些组合技术允许增加的数量从4到7片,不牺牲扫描时间和信噪比。扩展大脑的覆盖率,减少切片厚度、序列和信噪比的增加可能会使更多的临床价值。

给予的支持

这项研究的部分资金由NIMH赠款K02 74677年MH089582, MH068318, 1 p50mh090966, NIEHS格兰特ES015579,和尼达赠款DA027100 DA017820。

确认

作者要感谢Drs。简·范·德·维恩威廉和Dikoma Shungu在更新他们的帮助多节MRSI序列允许收购超过4片。他们要感谢匿名评论者的洞察力的评论和建议,帮助改善。

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