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使用磁共振波譜系統的化學平衡比的測量.pdf

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使用 磁共振 波譜 系統 化學平衡 測量
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摘要
申請專利號:

CN201210553117.3

申請日:

20121219

公開號:

CN103156609B

公開日:

20160817

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A61B5/055 主分類號: A61B5/055
申請人: 通用電氣公司
發明人: A.P-F.陳,R.E.赫德
地址: 美國紐約州
優先權: 13/330451
專利代理機構: 中國專利代理(香港)有限公司 代理人: 葉曉勇;李浩
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法律狀態
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CN201210553117.3

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法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

一種使用磁共振波譜系統的化學平衡比的測量。本發明論述選擇性RF激勵的使用。波譜選擇性大頂錐角RF脈沖用于檢測來自第一化學物種的弱信號。非選擇性小頂錐角脈沖用于測量來自與第一化學物種交換的第二化學物種的信號。所獲取共振數據供給可用于測量交換中的波譜上不同的物種的比率。

權利要求書

1.一種用于測量交換中的兩個或更多波譜上不同的化學物種的比率的方法,所述方法包括下列步驟:生成有選擇地激勵第一化學物種的第一RF激勵脈沖,其中第一頂錐角相對于第二頂錐角增加所述第一化學物種的信噪比;基于響應所述第一RF激勵脈沖而生成的共振信號來量化所述第一化學物種;在所述第一化學物種與第二化學物種之間的平衡條件下,以所述第二頂錐角來生成至少激勵所述第二化學物種的第二RF激勵脈沖,其中所述第二頂錐角基本保存所述第一化學物種和所述第二化學物種的總交換池;基于響應所述第二RF激勵脈沖而生成的共振信號來量化所述第二化學物種;將生成所述第一RF激勵脈沖、量化所述第一化學物種、生成所述第二RF激勵脈沖并且量化所述第二化學物種的步驟重復進行設定的重復次數;以及得到交換中的所述第一化學物種與所述第二化學物種的比率,校正所述第一頂錐角和所述第二頂錐角的差別效應。2.如權利要求1所述的方法,其中,交織生成所述第一RF激勵脈沖和生成所述第二RF激勵脈沖的步驟。3.如權利要求1所述的方法,其中,使用多頻帶RF脈沖同時執行生成所述第一RF激勵脈沖和生成所述第二RF激勵脈沖的步驟。4.如權利要求1所述的方法,包括基于所述比率來確定pH的步驟。5.如權利要求1所述的方法,其中,重復步驟對于對所述第一化學物種所獲取的共振信號求平均。6.如權利要求1所述的方法,其中,重復步驟提供所述第一化學物種與所述第二化學物種之間的交換比率的時間解析測量或空間編碼。7.如權利要求1所述的方法,其中,所述第一頂錐角具有30°或更大的第一頂錐角。8.如權利要求1所述的方法,其中,所述第二頂錐角基本保存所述第一化學物種和所述第二化學物種的總交換池,并且具有小于30°的第二頂錐角。9.一種磁共振裝置,包括:用于生成有選擇地激勵第一化學物種的第一RF激勵脈沖的裝置,其中第一頂錐角相對于第二頂錐角增加所述第一化學物種的信噪比;用于基于響應所述第一RF激勵脈沖而生成的共振信號來量化所述第一化學物種的裝置;用于在所述第一化學物種與第二化學物種之間的平衡條件下,以所述第二頂錐角來生成至少激勵所述第二化學物種的第二RF激勵脈沖的裝置,其中所述第二頂錐角基本保存所述第一化學物種和所述第二化學物種的總交換池;用于基于響應所述第二RF激勵脈沖而生成的共振信號來量化所述第二化學物種的裝置;用于將生成所述第一RF激勵脈沖、量化所述第一化學物種、生成所述第二RF激勵脈沖并且量化所述第二化學物種的步驟重復進行設定的重復次數的裝置;以及用于得到交換中的所述第一化學物種與所述第二化學物種的比率,校正所述第一頂錐角和所述第二頂錐角的差別效應的裝置。10.如權利要求9所述的磁共振裝置,還包括:用于交織所述第一RF激勵脈沖和所述第二RF激勵脈沖的裝置。11.如權利要求9所述的磁共振裝置,還包括:用于使用多頻帶RF脈沖同時生成所述第一RF激勵脈沖和所述第二RF激勵脈沖的裝置。12.如權利要求9所述的磁共振裝置,還包括:用于基于所述比率來確定pH的裝置。13.如權利要求9所述的磁共振裝置,還包括:用于重復動作對于對所述第一化學物種所獲取的共振信號求平均的裝置。14.如權利要求9所述的磁共振裝置,還包括:用于重復動作提供所述第一化學物種與所述第二化學物種之間的交換比率的時間或空間解析測量的裝置。15.一種磁共振波譜系統,包括:主磁場線圈,配置成生成體積中的主磁場;射頻(RF)線圈,配置成生成RF脈沖;一個或多個控制電路,用于控制所述主磁場線圈和所述RF線圈的操作;存儲指令的存儲器,所述一個或多個控制電路運行所述指令以用于實現脈沖序列,其中所述脈沖序列在被運行時造成:生成有選擇地激勵第一化學物種并且具有相對于第二頂錐角來增加所述第一化學物種的信噪比的第一RF激勵脈沖;在所述第一化學物種與第二化學物種之間的平衡條件下,以所述第二頂錐角來生成至少激勵所述第二化學物種的第二RF激勵脈沖;將生成所述第一RF激勵脈沖和生成所述第二RF激勵脈沖的動作重復進行設定的重復次數。16.如權利要求15所述的磁共振波譜系統,其中,所述RF線圈還配置成用作檢測響應所述RF脈沖而生成的共振信號的接收線圈。17.如權利要求15所述的磁共振波譜系統,包括檢測響應所述RF脈沖而生成的共振信號的獨立接收線圈。18.如權利要求15所述的磁共振波譜系統,其中,交織所述第一RF激勵脈沖和所述第二RF激勵脈沖。19.如權利要求15所述的磁共振波譜系統,其中,使用多頻帶RF脈沖同時生成所述第一RF激勵脈沖和所述第二RF激勵脈沖。20.如權利要求15所述的磁共振波譜系統,其中,所述一個或多個控制電路運行所述指令以用于基于第一頂錐角和所述第二頂錐角的差別效應來確定交換中的所述第一化學物種和所述第二化學物種的比率。

說明書

技術領域

本公開涉及磁共振(MR)波譜用于測量化學性質或相對濃度。

背景技術

磁共振波譜(MRS)和磁共振成像(MRSI)技術是醫療診斷和醫療診斷成像領域中已知的。磁共振(MR)手段使受檢者經受易受一個或多個射頻(RF)脈沖的擾動的均勻磁場。具體來說,均勻磁場使對象中的響應物質(responsive material)的自旋均勻,使得自旋有效地對齊。然后可施加激勵RF脈沖,以便通過定向地使自旋傾斜到橫斷均勻磁場的平面中使響應物質的自旋同步。在去除激勵RF脈沖時,自旋與均勻磁場重新對齊,并且在該過程中發射共振信號。可歸因于各核素的這些共振信號的差由成像系統使用MRS系統來檢測,提供與被分析化學物種有關的有用信息。

具體來說,當響應物質(例如氫(H)或碳-13(13C)原子)是分子的成分時,分子的電子云影響響應物質所遇到的磁場強度。有效磁場強度的變化引起對響應物質的旋進頻率(precession frequency)或自旋的小變化。旋進頻率的這種變化表示為允許包含響應物質的不同分子相互區分的化學位移(chemical shift)。例如,這種化學位移可允許識別體內的不同化學品并且確定這類化學品的濃度。

發明內容

本公開包括用于生成平衡交換(equilibrium exchange)中的兩種或更多化學物種的磁共振數據的實施例。例如,在一個實施例中,提供一種用于測量交換中的兩種或更多波譜上不同的化學物種的比率的方法。按照這種方法,生成第一頂錐角(tip angle)為30°或更大的波譜選擇性RF激勵脈沖,以便有選擇地激勵第一化學物種。在第一化學物種與第二化學物種之間的平衡條件下,生成第二頂錐角小于30°的非選擇性RF激勵脈沖,以便至少激勵第二化學物種。生成波譜選擇性RF激勵脈沖和生成非選擇性RF激勵脈沖的步驟重復進行設定的重復次數。交換中的第一化學物種與第二化學物種的比率基于第一頂錐角和第二頂錐角的差別效應(differential effect)來得到。

在另一個實施例中,提供一種物理上編碼一個或多個可執行例程的存儲器結構。在被運行時,例程使動作被執行,包括:生成第一頂錐角為30°或更大的波譜選擇性RF激勵脈沖,以便有選擇地激勵第一化學物種;在第一化學物種與第二化學物種之間的平衡條件下,生成第二頂錐角小于30°的非選擇性RF激勵脈沖,以便至少激勵第二化學物種;將生成波譜選擇性RF激勵脈沖和生成非選擇性RF激勵脈沖的步驟重復進行設定的重復次數;以及基于第一頂錐角和第二頂錐角的差別效應來得到交換中的第一化學物種和第二化學物種的比率。

在另一個實施例中,提供一種磁共振波譜系統。磁共振波譜系統至少包括:主磁場線圈,配置成在體積中生成主磁場;射頻(RF)線圈,配置成生成RF脈沖;以及一個或多個控制電路,用于控制主磁場線圈和RF線圈的操作。磁共振波譜系統還包括存儲器,存儲將要由一個或多個控制電路來運行以用于實現脈沖序列的指令。脈沖序列在被運行時造成:生成第一頂錐角為30°或更大的波譜選擇性RF激勵脈沖,以便有選擇地激勵第一化學物種;在第一化學物種與第二化學物種之間的平衡條件下,生成第二頂錐角小于30°的非選擇性RF激勵脈沖,以便至少激勵第二化學物種;將生成波譜選擇性RF激勵脈沖和生成非選擇性RF激勵脈沖的動作重復進行設定的重復次數。

附圖說明

通過參照附圖閱讀以下詳細描述,將會更好地了解本公開的這些及其它特征、方面和優點,附圖中,相似標號通篇表示相似部件,其中:

圖1是本文所述的配置成執行數據獲取的磁共振波譜成像系統的一個實施例的示意圖;

圖2示出使用常規方式所得到的H13CO3-和13CO2的共振數據;

圖3示出按照本發明、用于施加交織脈沖(interleaved pulse)序列并且隨后獲取和使用所產生共振數據的控制步驟或邏輯的流程圖;

圖4示出按照本公開、使用RF脈沖的交織集合體外(in vitro)得到的共振數據;

圖5示出按照本公開、基于使用交織RF脈沖所得到的共振數據的所計算pH;以及

圖6示出按照本公開、使用RF脈沖的交織集合體內(in vivo)得到的共振數據。

具體實施方式

本文所述的實施例可由諸如磁共振波譜(MRS)或磁共振波譜成像(MRSI)系統之類的適當磁共振(MR)系統來執行。如本文所述,由這類磁共振系統所構成的一種用途是通過測量13C碳酸氫鹽/13CO2的比率來測量患者(或其它適當活體)體內的局部環境(例如心臟環境或者在可疑腫瘤中)的pH。通過使用磁共振手段,可無創地在體內獲得pH信息。由于pH的變化與許多疾病或者其它感興趣狀況關聯,pH信息在臨床或診斷情況中會是特別關注的。

有鑒于此,并且參照圖1,磁共振波譜系統10示意地示為包括掃描儀12、掃描儀控制電路14和系統控制電路16。在所示實施例中,MRS系統10一般配置成執行波譜成像,其中得到空間和時間解析波譜數據。系統10還包括諸如圖片存檔和通信系統(PACS)18之類的遠程訪問和存儲系統或裝置或者諸如遠程放射設備之類的其它裝置或者與其通信,使得由系統10所獲取的數據可在現場或不在現場訪問。這樣,可獲取所獲取的數據,之后接著在現場或不在現場處理和評估。雖然MRS系統10可包括任何適當掃描儀或探測器,但是在所示實施例中,系統10包括全身掃描儀12,全身掃描儀12具有通過其中形成膛22的殼體20。臺架24可活動地進入膛22,以便準許患者26定位在其中以供對患者體內的所選解剖構造進行成像。適當系統10的一個示例是配備有多核波譜(MNS)硬件包的3T GE MR750掃描儀(兩者均可從GE Healthcare(Waukesha,WI)獲得)。

掃描儀12包括一系列關聯線圈,用于產生受控磁場并且用于探測來自被成像受檢者的解剖構造內的一個或多個旋磁物質的放射。提供主磁場線圈28以用于生成與膛22大體對齊的主磁場。在空間解析所獲取信號的掃描儀12中(即,在波譜成像系統中),存在一系列梯度線圈30、32和34,它們準許在檢查序列期間生成受控梯度磁場。提供射頻(RF)線圈36以用于生成射頻脈沖,供激勵旋磁物質,例如用于自旋擾動或切片選擇。獨立接收線圈或相同RF線圈36可在檢查序列期間接收來自旋磁物質的磁共振信號。

掃描儀12的各種線圈由外部電路來控制,以便生成預期磁場和脈沖,并且按照受控方式讀取來自旋磁物質的放射。在所示實施例中,提供主電源38以用于為主磁場線圈28供電。提供驅動器電路40以用于在梯度磁場線圈30、32和34存在時對這類線圈施以脈沖。這種驅動器電路40通常包括用于例如按照掃描儀控制電路14所輸出的數字化脈沖序列來向線圈提供電流的放大和控制電路。提供另一控制電路42以用于調節RF線圈36的操作。控制電路42通常將包括用于在有源和無源操作模式之間進行交替的切換裝置,其中RF線圈分別傳送和接收信號。控制電路42還包括用于生成RF脈沖并且用于處理所接收磁共振信號的放大電路。按照本公開,控制電路可操作RF線圈36,以使得生成交織脈沖或者同時生成差別地刺激(即,傾斜)兩個或更多不同目標物質的脈沖。

掃描儀控制電路14包括接口電路44,接口電路44輸出用于驅動梯度磁場線圈30、32、34和RF線圈36以及用于接收表示檢查序列中產生的磁共振信號的數據的信號。接口電路44耦合到控制電路46。控制電路46運行用于基于經由系統控制電路16而選的所定義規程(protocol)來驅動電路42和電路40的命令。控制電路46還用于接收磁共振信號,并且在將數據傳送給系統控制電路16之前執行后續處理。掃描儀控制電路14還包括在操作期間存儲配置參數、脈沖序列描述、檢查結果等的一個或多個存儲器結構或電路48。接口電路50耦合到控制電路46以用于在掃描儀控制電路14與系統控制電路16之間交換數據。這類數據通常將包括待執行的特定檢查序列(例如用于生成交織或同時RF脈沖的檢查序列或例程,如本文所述)的選擇、這些序列的配置參數以及可采取原始或經處理的形式傳送自掃描儀控制電路14以供后續處理、存儲、傳送和顯示的所獲取數據(例如欠采樣數據(undersampleddata))。

系統控制電路16包括接口電路52,接口電路52從掃描儀控制電路14接收數據,并且向掃描儀控制電路14回送數據和命令。接口電路52耦合到控制電路54,控制電路54可包括多用途或專用計算機或工作站中的CPU。控制電路54耦合到存儲器結構或電路56,以便存儲用于MRS系統10的操作的編程代碼,并且存儲經處理的圖像數據供以后重構、顯示和傳輸。例如,編程代碼可運行能夠執行適合于穩健pH測量的交織RF脈沖信號的一個或多個算法,如本文所述。可提供附加接口電路58以用于與諸如遠程訪問和存儲裝置18之類的外部系統組件交換圖像數據、配置參數等。最后,系統控制電路54可包括用于有助于操作員接口并且用于產生重構圖像的硬拷貝的各種外圍裝置。在所示實施例中,這些外設包括打印機60、監視器62以及其中包括諸如鍵盤或鼠標之類的裝置的用戶接口64。

掃描儀12以及與其關聯的控制電路46按照受控方式來產生磁場和射頻脈沖,以便激勵和編碼患者26體內的特定旋磁物質。掃描儀12和控制電路46還感測從這類物質發出的信號,并且基于這些信號來執行計算,例如基于兩個或更多目標物質的差別測量來確定生理定域pH測量(localized pH measurement)。應當注意,本文所述的MRS系統只作為適當系統的一個示例來提供,并且也可使用其它磁共振波譜系統類型。類似地,這類系統可通過其主磁體的強度來定級,并且可采用能夠執行以下所述的數據獲取和處理的任何適當定級的系統。

上述MRS系統10可執行本文所述的數據獲取技術,以及在一些實施例中可執行本文所述的數據處理技術。應當注意,在本文所述的數據獲取之后,系統10可以簡單地例如在存儲器電路(例如存儲器56)中存儲所獲取數據供以后本地和/或遠程訪問。因此,當本地和/或遠程訪問時,所獲取數據可由專用或通用計算機中包含的一個或多個處理器來操縱。一個或多個處理器可訪問所獲取數據,并且運行適合于處理或分析數據的例程,如本文所述。

鑒于適當系統10的以上論述,下面論述這種基于MR的波譜系統用于計算定域pH測量。作為舉例,在生理系統中,局部環境的pH能夠基于Henderson-Hasselbach方程來計算:

(1)

使用感興趣環境中的碳酸氫鹽(HCO3-)和二氧化碳(CO2)的所觀測比。在這種生理環境中,HCO3-與CO2的比率可通過碳酸酐酶的活性來建立和保持。在這種酶平衡下,[HCO3-]/[CO2]的比率在正常生理pH(例如7.0至7.4的pH)可以是大約15比20,其中碳酸氫鹽有利得在平衡時為大于10比1。

用于測量pH的某些方式利用能夠在患者的感興趣測量部位測量13C標記分子、例如超極化H13CO3-和13CO2的測量濃度的磁共振波譜系統。這些分子能夠從溶液中的靜脈注射預極化H13CO3-來得出,或者可在體內從預極化[1-13C]丙酮酸鹽來生成,預極化[1-13C]丙酮酸鹽通過丙酮酸鹽脫氫酶的作用而分解為13CO2和H13CO3-。系統中存在的碳酸酐酶則基于系統的pH來建立H13CO3-和13CO2的平衡。

超極化H13CO3-和13CO2的濃度可使用諸如上述系統10之類的MRS或MRSI系統在感興趣定域部位來測量。來看圖2,示出共振測量集合,其中使用在pH 7.4的常規小頂錐角RF激勵脈沖(例如5°)并且以13CO3-/13CO2的比率為大約20來生成。在這種測量規程中,可歸因于13CO2共振80的測量信號因經歷測量的13CO2的池(pool)的小尺寸以及用于得到時間和空間解析數據的RF激勵脈沖的小頂錐角(例如5°-10°或者小于20°)其中之一或兩者而對于穩健準確pH測量可能是不充分的。具體來說,常規小頂錐角RF脈沖可以是非選擇性的,并且因此可同等地傾斜兩個物種(例如H13CO3-和13CO2)的自旋。但是,由于H13CO3-和13CO2的相應池的大小的差異,對于H13CO3-共振82比對于13CO2的較小池可觀測到充分大的信號。在這種實現中對于13CO2所觀測到的潛在小信噪比可妨礙感興趣局部環境中的pH的準確穩健測量。

有鑒于此,并且按照本方式,可采用差別地激勵(例如傾斜)經歷測量的相應物種的交織RF激勵脈沖序列。例如,如圖3的流程圖100所示,可生成引起被暴露物種的小頂錐角(例如5°-30°)的RF激勵脈沖102的第一集合(框104)。在這個示例所述的一個實現中,RF激勵脈沖的第一集合可以是波譜非選擇性的,但是在其它實現中,RF脈沖對一個或多個感興趣化學物種可以是波譜選擇性的。例如,在一個實現中,非選擇性RF激勵脈沖102各可以是200 μs強脈沖。在本文所述的pH測量情況中,脈沖102的第一集合使更主流物種H13CO3-以及其它物種傾斜小頂錐角。共振數據讀出(框106)可在各脈沖之后發起,以便生成與非選擇性脈沖所激勵的物種對應的共振數據108。

在小頂錐角RF脈沖102的生成之間,生成作為波譜選擇性的并且引起波譜選擇物種中的大頂錐角(例如大約40°或更大)的RF激勵脈沖112的第二集合(框110)。例如,在本文所述的pH測量情況中,脈沖112的第二集合使13CO2傾斜大頂錐角。獲取波譜選擇物種的所產生的共振數據116(框114)。在一個這種實施例中,波譜選擇性RF脈沖112是10 ms高斯型脈沖,例如設計成具有150 Hz通帶(95%)和10-4阻帶(自通帶中心的400Hz)的10 ms波譜選擇性RF脈沖。在這種實施例中,交織RF激勵脈沖112的較大頂錐角增強13CO2靈敏度(即,產生13CO2共振的更大信噪),而交織脈沖的波譜選擇性防止H13CO3-池的飽和。雖然前面的示例描述獨立和離散交織脈沖的使用,但是在其它實施例中,小頂錐角RF脈沖102和波譜選擇性RF脈沖112可使用多頻帶RF脈沖同時生成。

對于針對pH測量的體內實現,可以理解,在獲取期間,因交織RF脈沖之間的頂錐角差而使13HCO3-和13CO2池飽和不同的量。但是,在碳酸酐酶存在的情況下,在共振數據的獲取之間、即在獲取下一時間點或k空間點之前,恢復13HCO3-和13CO2平衡。因此,盡管這種差別飽和,也仍然能夠獲取穩定的時間解析pH測量或準確pH圖。也就是說,在通過碳酸酐酶活性所調和的平衡狀態中,通過選擇性CO2磁化對組合13HCO3-和13CO2池的磁化的飽和,因表示小于總13C池的10%的13CO2而較小。因此,基本上不會影響13HCO3-的信噪比。

回到圖3,RF脈沖102和波譜選擇性RF脈沖112的交織生成可繼續進行到確定掃描規程完成為止(框118)。這樣,可收集相應的第一和第二感興趣物種的共振數據108、116的多個交織集合。共振數據108、116的重復測量的獲取可允許較弱信號的信號求平均,或者可允許得到相應物種的化學交換率的時間解析測量或空間編碼。

按照上述方式所收集的MRS數據隨后可例如使用SAGE?軟件(GE Healthcare)來處理。在一個體外實現中,超極化13C仿真數據(phantom data)可在FFT之前由5 Hz高斯濾波器在時域來變換(apodize)。在一個體內實現中,13C數據可由10 Hz高斯濾波器來變換。峰值高度可從超極化H13CO3-/13CO2仿真波譜和體內波譜來測量,并且這個共振數據可用于計算感興趣診斷參數,例如計算(框120)患者體內的感興趣局部pH 122。

鑒于前面所述,并且來看圖4和圖6,示出按照本方式所獲取的共振數據的相應體外和體內示例。

示例1 – 體外測量。對于當前體外和體內示例,所有研究均使用配備有多核波譜(MNS)硬件包的3 T GE MR750掃描儀(GE Healthcare(Waukesha,WI))來執行。具有8 cm內徑的微帶雙調諧1H-13C體積線圈用于仿真測量(Magvale(San Francisco,CA))。HyperSenseDNP極化器(Oxford Instruments(Abingdon,UK))用于使用已知極化方式以3.35 T和1.4 K來極化基底。鈉13C-碳酸氫鹽(Isotec(Miamisburg,OH))在具有OX063三苯甲基自由基(Oxford Instruments)的甘油中制備。純[1,2-13C2]丙酮酸(Isotec)摻雜有15 mM的OX063三苯甲基自由基(Oxford Instruments)和1 mM Gd螯合物(Prohance?,BraccoInternational)。

對于13C-碳酸氫鹽仿真測量,將~30 μl的13C鈉碳酸氫鈉/甘油混合物極化~80分鐘,并且使用4 ml的去離子水/EDTA(100 mg/L)來溶解。緊接溶解之后,將13C碳酸氫鹽溶液與包含6 μg的碳酸酐酶(Isozyme II,來自牛紅細胞,≥ 3000 W-A單位/毫克的蛋白質,Sigma Aldridge(St.Louis,MO))的4 ml的500 mM磷酸鈉緩沖劑(pH 7.25)相混合。在各仿真實驗中則使用大約5 ml的這種最終混合物。

對于數據獲取,脈沖獲取脈沖序列修改為允許激勵RF脈沖的切換(toggling)。設計成具有150 Hz通帶(95%)和10-4阻帶(自通帶中心的400 Hz)的10 ms波譜選擇性RF脈沖與瞬態(transient)之間的200 μs強脈沖進行交織。讀出(10000 Hz/4096 pts)緊接各RF脈沖之后開始。在將溶液中的預極化H13CO3-放入RF線圈內部(n=4,TR=2 s,96個瞬態)之后,使用交織RF脈沖方案來獲取動態磁共振波譜(MRS)數據。RF發射器當使用選擇性RF脈沖時在13CO2共振上居中,并且它當使用強脈沖時在H13CO3-與13CO2之間居中。選擇性脈沖和強脈沖的標稱頂錐角分別設置成40°和10°。應用Henderson-Hasselbalch方程,以便使用6.15的pKa值來估計溶液中的pH。當來自選擇性RF脈沖的13CO2信號用于計算pH時,執行頂錐角和回波時間(使用5 ms的有效回波時間)校正;還對H13CO3-信號進行T1校正(以便考慮測量H13CO3-信號的瞬態與測量選擇性13CO2信號的下一瞬態之間的H13CO3-的極化衰退)。回波時間校正使用T2*基于波譜中測量的13CO2的線寬進行。H13CO3- T1從僅使用強脈沖的實驗來估計。

鑒于上述方法,圖4中示出在這種體外實現中獲取的共振數據的圖形圖示。如圖4所示,所獲取共振數據130的第一集合對應于響應非選擇性小頂錐角(例如5°-30°)RF激勵脈沖102、即200 μs強脈沖而讀出的共振數據。如樣本共振數據所示,共振數據130的第一集合包括H13CO3-的共振(共振82)以及與13CO2對應的痕量共振(trace resonance)80。與響應非選擇性RF脈沖而讀出的數據所交織的是響應波譜選擇性大頂錐角(例如30°-90°)RF激勵脈沖112、即10 ms波譜選擇性脈沖而讀出的第二共振數據集132。共振數據132的第二集合包括與13CO2對應的共振數據80,但是提供比對于非選擇性獲取所觀測的要好的13CO2共振數據的信噪比。

來看圖5,示出使用如上所述所得到的體外13CO2測量所計算的兩個獨立pH測量的圖表138。使用僅采用非選擇性RF脈沖所生成的13CO2測量來計算第一測量140,而使用采用13CO2選擇性RF脈沖所生成的13CO2測量來計算第二測量142。在計算中使用峰值共振測量高度,并且對于來自交織獲取的數據執行頂錐角(T1, T2*)校正。如圖表138所證明,使用采用13CO2選擇性RF脈沖所生成的13CO2測量所計算的第二測量142隨時間是穩定的。在這個示例中,第二測量142對應于7.38至7.43的范圍中的pH測量,這一般與pH計所測量的7.35的ph一致。

示例2 – 體內測量。在對豬所執行的體內測量集合中,定制構建(custom build)13C傳送/接收具有1H阻塞(blocking)的表面線圈,并且采用5”的直徑。對于所采用的注入液(infusate),將105 μl的[1,2-13C2]丙酮酸/三苯甲基混合物極化~60分鐘,然后采用~6 ml的100 mM TRIS/250 mM NaOH溶液來溶解,從而給出250 mM的標稱丙酮酸鹽濃度和7.4的pH。這個丙酮酸鹽溶液采用生理鹽水來稀釋,以便使總容積增至三倍,并且在各實驗中將15ml的稀釋丙酮酸鹽溶液注入動物體內。

將13C表面線圈放置在豬的胸部之上,并且它在心臟之上的定位通過提供放置在線圈上的圖卡(fiduciary marker)的可視化的3平面1H定位圖像(scout image)(使用體線圈所獲取)來確認。使用示例1所述的13C碳酸氫鹽仿真實驗中使用的相同脈沖序列和交織RF脈沖方案從3個動物(~20 kg)來獲取心臟門控(cardiac gated)動態MRS數據。在與15 ml的溶液(大約0.06 mmol/kg的劑量)中的預極化[1,2-13C2]丙酮酸鹽的~15 s注入的開始的相同時間開始數據獲取。數據獲取經過心臟門控,使得每隔2 R-R間隔來執行一個瞬態(每隔4R-R一個完整RF交織循環),從而產生取決于心率的大約1-1.3 s的TR。

鑒于上述方法,圖6中示出在這種體內實現中獲取的共振數據的圖形圖示。如圖6所示,所獲取共振數據152的第一集合對應于響應非選擇性小頂錐角(例如10°)RF激勵脈沖102、即200 μs強脈沖而讀出的共振數據。如樣本共振數據所示,共振數據152的第一集合包括[1-13C2]丙酮酸鹽(共振150)、H13CO3-(共振82)的共振以及與13CO2對應的痕量共振80。與響應非選擇性RF脈沖而讀出的數據所交織的是響應波譜選擇性大頂錐角(例如40°)RF激勵脈沖112、即10 ms波譜選擇性脈沖而讀出的第二共振數據集154。共振數據154的第二集合包括與13CO2對應的共振數據80,但是提供比對于非選擇性獲取所觀測的要好的13CO2共振數據的信噪比。

本公開的技術效果包括磁共振波譜中的交織RF脈沖序列的使用,其中非選擇性小頂錐角RF脈沖與波譜選擇性大頂錐角RF脈沖交織。這種交織脈沖序列的使用的技術效果是獲取共振數據的兩個集合,其中之一是具有較弱信號的所選物種特定的,以使得生成那個所選物種的具有比響應非選擇性RF脈沖而生成的共振數據中所觀測的要高的信噪比的共振數據。本公開的另一個技術效果是改進生理環境內的定域pH的無創測量。

本書面描述使用示例來公開本發明,其中包括最佳模式,并且還使本領域的技術人員能夠實施本發明,包括制作和使用任何裝置或系統以及執行任何結合的方法。本發明的專利范圍由權利要求來定義,并且可包括本領域的技術人員想到的其它示例。如果這類其它示例具有與權利要求的文字語言完全相同的結構單元,或者如果它們包括具有與權利要求的文字語言的非實質差異的等效結構單元,則它們意在落入權利要求的范圍之內。

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