[发明专利]磁场不敏感的化学交换饱和转移成像

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在磁共振断层造影系统中降低CEST成像对于基本场和HF场的非均匀性的敏感性的方法以及一种相应构造的装置。

背景技术

除了使用对于形态学成像的临床的磁共振断层造影系统（MRT系统）（其中基于自由水分子的质子的磁特性产生在组织之间的对比度）之外，通过开发新的方法近年来越来越多地可以在临床断层造影中也确定生理参数。

在1990年提出了如下思路：利用与特定的分子不稳定地键合的质子与自由水分子的化学交换，以获得关于该特定的分子的化学环境的信息和关于该分子本身的信息。在此，特定的低浓度分子的质子经由该化学传输被传输到自由水分子。由此，可以基于水信号空间高分辨地表示该特定分子的特殊信息。该方法被称为CEST方法（Chemical Exchange Saturation Transfer，化学交换饱和转移）。该CEST方法特别地利用化学位移、饱和以及质子的化学交换：

化学位移（chemical shift）在核磁共振波谱法中被理解为样本的共振线（即，例如在特定的分子中特定的质子的共振或拉莫尔频率）与任意选择的标准的共振线（该标准被分配化学位移0）的距离。独立于所使用的波谱仪的磁场强度的化学位移以ppm给出。化学位移的原因是包围了各自的原子核的电子的磁化率这导致外部磁场通过电子部分地屏蔽。如果原子是分子的部分，则电子密度和由此屏蔽作用受到相邻原子影响。因此，在特定的分子中质子的谱线也与水质子的谱线以一定的频率位移。该位移通常位于1ppm和50ppm之间的范围中。因此，例如可以借助于选择性激励通过窄带HF场有针对地仅激励特定分子的选择的质子，而不激励水的质子。

饱和在核磁共振成像中被理解为如下可能性：经由相应频率的HF脉冲（饱和脉冲）激励特定的核，使得相应的核自旋系统的最大数量的自旋处于被激励的状态。这一点例如可以通过将激励的高频足够长地入射到特定的自旋系统来进行。由此状态的占用接近一种平衡，在该平衡情况下处于激励状态的自旋数量等于处于基本状态的自旋数量。占用数差（Besetzungszahlunterschied）的这种消失被称为饱和并且导致在随后的高频激励中不再能够探测核磁共振信号。

作为化学交换（CE，Chemical Exchange），指在两个化学环境之间交换隔离的核自旋的所有过程，由此其核磁共振参数（例如化学位移、弛豫时间，等等）被改变。该化学交换例如通过在自由水分子的质子和其中所溶解的物质的质子之间的交换来进行。这些质子的交换率位于10Hz和1000Hz的数量级。相应于该交换率，还可以定义1ms至100ms的键合时间（交换时间）。交换的速度特别地受到化学环境的pH值及其温度影响。

CEST可以通过利用该效应在磁共振断层造影中分辨不同分子的质子的不同信号。为此，选择性地这样激励（待检查的分子的、也就是CEST物质的质子的）特定的质子信号，使得其磁化饱和。由于通过该分子的饱和的质子与周围的水质子的化学交换，直接包围的水分子的质子的核共振信号被衰减。因此，利用以及不利用相应的饱和脉冲所拍摄的MRT图像，显示出相应的CEST物质的空间分布。该CEST物质通常是如下的化合物，其不能利用核磁共振成像的通常方法显示，因为例如其所属的T2时间太小或者物质的浓度小到产生的共振信号对于成像来说太弱。对于CEST成像，化学交换的速度应当位于特定的范围，从而其一方面足够快地进行以使得水信号饱和，另一方面其缓慢进行，从而在交换的质子和水质子之间形成化学位移的足够的差。CEST效应的大小由此既取决于交换率也取决于可交换的质子的数量。因为化学交换的率（Rate）取决于pH值，所以可以利用CEST进行pH加权的成像。

利用CEST方法示出了通过化学交换所产生的饱和的自由水质子的分布。与不饱和的水质子相反，这些水质子当利用具有水质子的频率的HF脉冲激励时几乎不产生共振信号（衰减）。特别地，通过比较两个拍摄可以获得CEST物质的分布的图形显示。在第一拍摄时测量水质子的信号的衰减，如上所述，而在第二拍摄时记录没有前面的饱和的情况下的信号分布。作为对于第二拍摄的激励频率，在此可以选择自由水质子的共振频率或者利用相对于水频率以化学位移的负的值位移的频率来激励。

基于CEST的对比度机制原则上具有如下潜力：显示重要的功能，诸如新陈代谢过程，或者活体测量组织的pH值。在此，对比度增强可以实现相对于感兴趣的分子的自然发生（natürlichen Vorkommen）10²至10⁶的值。