用于量化人体中肝脏脂肪的方法和系统

摘要

一种探头单元（100），包括在检查区域中生成静态B0磁场的磁体（102、103）和RF线圈（105）。输入-输出模块（201）包括发射器（203）和接收器（204），所述发射器控制所述RF线圈（105）以激励共振并导致回波（210），所述接收器（204）对所述回波（210）进行解调和数字化。数据处理模块（206）包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被编程以根据数字化回波（210）系列计算T2弛豫分布曲线图，计算所述T2分布曲线图上的脂肪峰下方的第一面积，计算所述T2分布曲线图上的水峰下方的第二面积，并对所述第一面积和所述第二面积进行归一化以确定脂肪与水的比率。

说明书

技术领域

本申请涉及通过核磁共振（NMR）监测受检者体内的肝脏脂肪。

背景技术

近来的医疗共振成像（MRI）研究集中于量化患者体内肝脏脂肪量。肝 脏脂肪量化能够用于检测非酒精脂肪肝疾病（NAFLD）并监测疾病的处置 效果。当肝脏中保持异常量的脂肪时会发生NAFLD，因为不涉及过度的酒 精使用，这种累积被已知为脂肪变性。如果患者不进行处置，他们可能会 退行性发展成肝脏疾病，包括纤维化、硬化和肝细胞癌。

当前，已经通过MRI以及通过以mDIXON方法生成脂肪分数图来提供 用于检测和监测NAFLD的相关临床信息。有创活检程序也已经用于检测 NAFLD和监测处置。与这些方法相关联的主要缺点是过高的成本、有限的 患者使用以及有创性。处于风险中的患者（糖尿病前期、II型糖尿病患者、 肥胖患者等）会受益于更低成本的测试肝脏脂肪的方法，在门诊患者诊所 或医师办公室中能够容易地执行这样的方法。

本申请提供了一种通过提供低成本、无创以及易获取的方案克服上述 问题和其他问题的新型改进监测系统。类似于石油测井系统中采用的装置， 提出了一种便携式磁体系统，其检测外部环境的NMR性质（R.L.Kleinberg  等人，Novel NMR Apparatus for Investigating an External Sample，Journal of  Magnetic Resonance97，第466-485页（1992））。这种系统与常规NMR装 置不同，其中，通过沿外表面生成静态磁场并研究磁体和线圈外部的样本， 将样本适当放置在周围磁体和RF线圈内部。这种配置又称为内-外NMR。 沿外表面形成均匀性相对低的磁场，并使用小的RF线圈在患者肝脏上执行 NMR。类似于在台式食物分析器中执行的时间弛豫常数的分析允许容易地 量化肝脏脂肪的量。

尽管已经在石油测井行业中大量公开了使用NMR装置研究外部样本， 但需要生成低成本且易获取的NMR系统，以用于检测和监测患者体内的肝 脏脂肪的水平。

发明内容

根据一个方面，提供了一种用于量化患者体内的脂肪量的磁共振系统。 该系统包括具有磁体和RF线圈的探头单元以及具有输入-输出模块和至少 一个处理器的数据采集装置。所述磁体在所述探头单元外部的检查区域中 生成静态B₀磁场。所述输入-输出模块从所述RF线圈接收RF共振信号并 将所述RF共振信号转换成数字数据。所述至少一个处理器分析所述数字数 据信号以便确定患者体内的脂肪量。

根据另一方面，提供了一种用于量化患者体内的脂肪量的方法。该方 法包括与感兴趣区域相邻地定位探头单元以生成静态B₀磁场，利用所述探 头单元中包括的RF线圈向所述感兴趣区域发射RF激励信号以激励共振， 从所述感兴趣区域接收RF信号，将所述共振信号转换成数字MR数据，并 分析所述数字MR数据以计算脂肪与水的比率。

根据另一方面，提供了一种用于量化患者体内的肝脏脂肪量的装置。 该装置包括便携式NMR探头和至少一个处理器，所述至少一个处理器被编 程以根据数字化磁共振回波信号计算T₂弛豫分布曲线图，计算位于所述T₂分布曲线图上的肝脏脂肪峰下方的第一面积和水峰下方的第二面积，并对 所述第一面积和所述第二面积进行归一化以生成肝脏脂肪与水的比率。

一个优点在于提供了一种低成本系统来量化肝脏脂肪。

另一个优点，尤其对于处于风险中的患者而言，是能够在门诊患者诊 所或医生办公室中执行肝脏脂肪的监测。

另一个优点在于在显示器上以视觉方式显示患者的肝脏脂肪量和脂肪 与水的比率的量化。

又一个优点在于向关心其肝脏环境的患者迅速提供诊断信息，例如铁 过剩的可能性或退行性肝脏疾病。

在阅读和理解以下详细描述之后，本领域技术人员将认识到本发明的 其他优点。

附图说明

本发明可以采取各种部件和部件布置，以及各种步骤和步骤安排的形 式。附图仅出于图示优选实施例的目的，而不得被解释为对本发明的限制。

图1是根据本申请的一个实施例的，用于量化患者体内的肝脏脂肪量 的系统的示意图和功能框图；

图2是曲线图，其示出了由图1的系统的一个实施例实施的 Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）自旋回声技术；

图3是曲线图，其示出了T₂弛豫分布曲线图，T₂弛豫分布曲线图示出 了肝脏脂肪、结合水和自由水的峰；

图4是根据本申请的另一实施例的，量化患者体内的脂肪量的方法的 流程图；

图5是流程图，其示出了根据本申请的另一实施例的图4中的方法。

具体实施方式

参考图1，便携式NMR探头100在定义为敏感区域301的区域中，在 患者300的目标组织（例如肝脏）内部执行低场强时域核磁共振（TD-NMR）。 由安装于生物相容基底或外壳部分101中的两个或更多相反极性的磁体件 102和103生成静态B₀磁场。这一B₀磁场将敏感区域301之内发现的氢核 的自旋态对齐。用于磁体的适当材料包括钐钴、铌、其他稀土磁体、电磁 体等。然而，也预见到本领域技术人员已知的其他磁性材料。生物相容基 底部分优选位于患者肝脏的右下叶的上方。在一个实施例中，磁体被配置 使得在磁体件102和103的5cm之内，静态磁场线以大约100ppm的均匀 性横向延伸，且敏感区域301为几厘米。这个相对场均匀性的区域是最容 易且最准确采集NMR数据的地方。

在一个实施例中，通过磁体件102和103的几何结构，控制磁均匀性 区域的位置。增大磁体件102和103之间的间隙距离110减小了敏感区域 301中均匀场区域的深度，而减小间隙增大了深度。在另一实施例中，可以 在两个磁体件102和103之间可移动地设置额外的磁体件104以改变均匀 场区域的深度。例如，将敏感区域中增大深度的磁场线指示为107、108和 109。

也能够利用设置于磁体和敏感区域之间的无源或有源聚焦元件106聚 焦磁场。这一元件能够采取多种形状和尺寸，包括固定的、伸缩式或可调 节的环形圈。聚焦元件106收缩以缩窄磁场，并且膨胀以加宽磁场。

用于手持式实施例的把手或手枪式把手，或用于以机器人方式支撑的 实施例的支座结构还从生物相容基底或外壳101伸出，以定位便携式NMR 探头100，从而在敏感区域301中生成静态B₀磁场，例如接触要检查的肝 脏区域上方的患者皮肤。

便携式NMR探头100还包括RF线圈105，RF线圈105被置于两个磁 体件102和103之间的腔中。RF线圈105能够有变化的尺寸和配置。RF 线圈105优选由使信噪比最大化的高电导率材料制成。一个实施例中的RF 线圈105包括两个电流反向的环路，所述两个电流反向的环路产生垂直于 线圈面的RF或B₁场。另一实施例中的RF线圈105是数字八形状的线圈。 还预见到其他线圈配置，包括单环路线圈、线圈阵列、聚焦线圈、方向性 线圈、正交线圈等。还预见到不同配置的独立发射和接收线圈。

在诸如107、108和109的可选深度的B₀场强下，RF线圈105的RF 频率可调节到拉莫尔频率。继续参考图1并进一步参考图2，输入输出模块 的发射器203控制RF线圈105以在拉莫尔频率处生成RF激励脉冲208， 例如90°脉冲，以形成垂直于B₀静态磁场的激励场或脉冲。本申请中的拉 莫尔频率（?_L）被定义为?_L=λ_HB₀，其中λ_H为氢的回转磁比（42.57MHz/T）， B₀为静态B₀磁场的强度。因为氢的回转磁比随着氢结合到其他原子额定方 式而变化，RF频率通常是跨越目标组织的共振频率的谱。这一RF激励脉 冲208激励（倾斜）灵敏区域301之内的氢核并令它们绕B₀磁场的轴以拉 莫尔频率进动。发射器203还控制RF线圈105以生成180°的反转脉冲209， 以反转进动并导致磁共振回波。RF线圈105还从被激励为共振的核接收共 振RF信号，具体而言接收回波210。

随着时间推移，随着磁化以与1/T₂弛豫时间成比例的速率211进动回 与B₀场对齐，共振信号失去能量。由于氢在脂肪、结合水、自由水和其他 化学结合状态中的T₂弛豫时间不同，所以NMR能够在诸如脂质和水的分 子之间进行区分。脂质具有比水更大的电子密度，并且来自脂质的共振信 号比来自水的共振信号更快，即，脂质的T₂比水的T₂更短。

输入-输出模块201包括发射/接收开关202、发射器203和接收器204。 发射/接收开关202将发射器或接收器中的任一个连接到RF线圈105。发射 器203通常是现代MRI设备中发现的那些，其包括将数字信号输入调制成 输出RF信号的能力。接收器204通常也是现代MRI设备中发现的那些， 其包括对接收的RF共振回波信号进行解调、放大和数字化的能力。发射器 203连接到控制器205，控制器205控制发射器203从而以在选定深度的磁 场中激励和操控共振的频率发射选定的磁共振序列。例如，控制器令发射 器203发射Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）序列，以激励共振并操控 共振，从而生成一系列回波210。如图2中所示，CPMG序列包括激励脉冲 208，例如90°脉冲，以激励共振，以及一系列180°反转脉冲209，以重 复将磁化聚焦到一系列回波210中。

具体参考图2，从RF线圈105发射的RF激励脉冲208激励指数衰减 的共振信号211。随着共振信号的衰减，氢核通过各种弛豫过程返回其平衡 状态。它们的进动频率取决于局部磁场强度B₀。由于氢在不同化学键状态、 静态B₀磁场的均匀性变化等中具有不同的共振（拉莫尔）频率，所以氢核 的磁化随着其衰减而随时间发生失相。反转脉冲209使磁化反转180°，以 令各种共振频率的磁化矢量分量开始重新同相。尽管图示了CPMG脉冲序 列，但也预见到其他序列，例如脉冲场梯度自旋回波（PFGSE）、Carr-Purcell （CP）等。

自旋回波峰值210的衰减211的多指数速率特征在于T₂弛豫时间，也 称为自旋-自旋弛豫时间。衰减的共振信号包括一系列自旋回波峰210，一 系列自旋回波峰210发生于相位恢复反转脉冲209之间。由CPMG序列生 成的一系列回波210随着激励的共振衰减而逐渐变得更小。

数据采集单元200被内置于或连接到便携式NMR探头100。数据采集 单元200由控制器205的控制，以向患者300施加脉冲序列射频，执行数 据采集并处理数据以生成敏感区域301中脂肪和水的定性测量。数据处理 单元206从接收器204接收回波信号212。因为在自由水、结合水（例如肝 脏组织）和脂质（例如肝脏脂肪）中的H¹偶极子以特征性不同但接近的频 率共振，所以每个信号都是自由水、结合水和脂质信号的复合。如下面的 方程1中所示，能够由指数的和表示实测的每个信号，其中，衰减211的 总体多指数速率包含来自自由水、结合水和脂质的衰减的贡献。

S是接收器203在时间t测得的信号，其与在时间t共振的H¹偶极子总 数成正比。A表示信号的幅度。从T₂=0ms到“T₂最大”执行求和，“T₂最 大”是CPMG序列末尾上的最长T₂值。在方程（1）中将有针对自由水、 结合水和脂质的独立项。参考图2，使用在对应于自旋回波峰210的多个时 点（例如2t、4t、6t、8t）处的信号读数从方程（1）求解出T₂。

分析器单元或模块207使用拟合技术计算多指数方程（1）的反转并确 定T₂弛豫分布，在图3中以曲线图方式示出了这种情况。例如，分析器单 元207向来自频域的一串回波210应用变换，例如傅里叶变换。拟合技术 包括平滑法、奇异值分解（SVD）、联立迭代重建技术（SIRT）和通常用于 求解线性反转问题的那些其他方法。分析器绘制出类似图3中所示的T₂弛 豫分布曲线图，其示出了将来自自旋回波210的信号分离成自由水峰210a、 结合水峰210b和脂质峰210c。

继续参考图3，由于与水相比，在脂质中氢核附近的电子密度增大，脂 质T₂峰210c相对于水具有更短的T₂弛豫时间。结合水相对于自由水具有 更大的电子密度，因此比脂质具有更长的T₂，比纯水具有更短的T₂。结合 水和自由水可以出现部分交叠的峰。

归一化单元212计算脂质峰下方的面积，并用脂质峰下方的面积除以 对应水峰下方的面积，以生成归一化的脂质值，例如百分比脂质。在健康 的肝脏区域中，脂质（肝脏脂肪）值将非常小。脂质值被显示在显示设备 216（例如视频监视器、打印机等）上和/或被保存到存储器中。诊断医师使 用该脂质值诊断脂肪肝疾病。

回波包含其他的诊断信息。如前所述，T₂弛豫时间与回波210的峰的 衰减速率成反比。T₂计算单元213针对水峰，尤其是结合水峰，计算平均 T₂弛豫时间值。平均T₂弛豫时间由T₂弛豫时间分布曲线图中的自由水峰 210a、结合水峰210b和脂质峰210c的峰值表示。肝脏组织中的铁（Fe）越 多，衰减率越快，结合水的T₂越短。转换单元或模块214，例如查找表， 将计算出的平均T₂弛豫时间转换成铁的水平，铁的水平被显示在显示单元 216上和/或被保存到存储器中。

T₂弛豫时间还指示肝脏或其他解剖区域的其他性质。截留的流体增加 了T₂弛豫时间。T₂计算单元212计算平均T₂弛豫时间，转换单元214将其 转换成指示截留的流体量的有意义值，该值被显示在显示单元216上和/或 被保存到存储器中。

肝脏结构中的其他变化也会改变T₂弛豫时间。例如，纤维化、硬化和 使肝脏变硬的其他状况，对于水和脂质而言都会缩短T₂弛豫时间。T₂计算 单元212针对水峰和脂质峰两者计算T₂弛豫时间，转换单元214将T₂弛豫 时间转换为适当的硬度单位，以进行显示和/或存储。

在一个实施例中，计算机分析系统，例如基于普通计算机的诊断建议 系统，连同其他可用信息一起，分析身体中各成分的T₂弛豫时间，以生成 在显示单元216上显示的提议诊断。

在另一实施例中，分析器单元或模块207通过应用傅里叶变换在频域 中将接收的回波峰信号分离成自由水峰、结合水峰和脂质峰。分析器单元 207包括快速傅里叶变换（FFT）算法、离散傅里叶变换（DFT）算法等。 类似于NMR谱仪那样生成频谱图，其中，肝脏脂肪峰相对于自由水和结合 水具有更低的共振频率。将脂质峰下方的面积除以水峰下方的面积以对数 据进行归一化。表示肝脏或其他解剖区域的不同状况的标准频谱图位于转 换单元214中，转换单元214将实测频谱图与标准频谱图进行比较，以生 成指示与（一种或多种）状况相关的临床信息的值。这一值被显示在显示 单元上和/或被保存到存储器中。

在另一实施例中，数据采集设备206至少与辅助磁体相互作用，以增 大敏感区域301之内B₀静态磁场的强度并提高频谱图的分辨率。这一辅助 磁体包括机器人摇动臂磁体、消除磁体等。以这样的方式放置辅助磁体即 使得减少敏感区域301中生成的磁场的泄露。

图1中示出的整个系统预计成本大约为$30000（€20000），大致的尺度 不大于10×40cm。即使是绝对误差<10%的脂肪分数确定仍然提供了相关的 临床价值。此外，利用弱场和所用的采样方法，应当不需要室内RF屏蔽， 使得在医师的办公室或门诊患者诊所之内安装该系统相对简单。

上述单元和模块可以包括个体单元，例如专用集成电路（ASIC）或处 理器、被编程为执行上述和下述步骤的一个或多个处理器的程序例程等。

在另一实施例中，分析器单元207的输出被发送到转换单元214，转换 单元214包括查找表格。查找表格包括针对脂质和水的常数，所述常数包 括分子大小和质量。该查找表格还包括经证实的试验数据，所述试验数据 指示在存在铁过剩、囊性病灶或诸如纤维化、硬化和肝脏细胞癌的退行性 肝脏疾病时，T₂值如何变化。转换单元214将从分析器207输出的计算数 据进行比较，以便表达诊断信息。报告生成器214决定输出哪些信息以及 用于显示单元216的显示格式，显示单元例如是视频监视器、打印机等， 和/或决定哪些信息被保存到存储器中。这种信息优选是指示肝脏异常的可 能性的诊断报告。该诊断报告至少指示肝脏脂肪分数信息，以由医师或其 他操作员审查。

参考图4，一种用于量化受检者体内的脂肪量的方法开始于步骤S402， 其中，定位NMR探头100，使得在感兴趣区域301中建立其静态B₀磁场。 在肝脏脂肪实施例中，这一感兴趣区域301包括几cm的磁场均匀性区域， 其理想地位于肝脏右下叶中。基于探头位置或通过调节磁场的几何结构、 磁场焦点等，将均匀磁场区域定位于感兴趣区域之内的选定深度。生成均 匀的静态B₀磁场导致感兴趣区域之内氢偶极子的自旋态优先在平行或反平 行取向上对齐。然而，也预见到具有已知不均匀性的B₀场。

在S403，向感兴趣区域301发射调制的RF信号以形成B₁激励场。调 制的信号作为由发射器203在数据处理单元206控制下向RF线圈105发送 的数字信号而产生，以传输到检查区域。B₁激励场脉冲208令氢核以拉莫 尔频率在B₀场附近进动。在S405，施加180°的B₁场反转脉冲209以使进 动反转，并导致磁共振回波210。在CPMG序列中，周期性施加180°脉冲 以生成图4中所示的一系列回波210。在S406，诱发的磁共振信号由线圈 105拾取并由接收器204转换成数字MR数据。

在S407，数字MR数据被从接收器204发送至分析器207并被分析以 生成T₂弛豫分布曲线图。该分析包括反转多指数衰减211的总和、方程（1） 中所示的总和，该反转能够由用于求解反转问题的常用算法执行。T₂弛豫 时间分布相对于类似于图3的T₂弛豫时间绘制幅度。从曲线图可以注意到 自由水峰210a、结合水峰210b和脂质峰210c的分离。

在S412，将T₂弛豫分布曲线图的相应峰下方的面积归一化以生成脂肪 与水的比率。为了计算脂肪与水的比率，归一化单元212计算脂质峰下方 的面积，并用脂质峰下方的面积除以对应水峰下方的面积，以生成归一化 的脂质值，例如脂肪与水的比率或百分比脂质。

参考图5，考虑了量化患者体内的脂肪量的方法的另一实施例。在步骤 S407，基于数字MR数据的分析生成T₂弛豫分布曲线图。在S412，将T₂弛豫分布曲线图下方的面积归一化以计算脂肪与水的比率。在S413，针对 T₂弛豫分布曲线图中的每个构成峰计算平均T₂弛豫时间。在S414A，将计 算出的脂肪与水的比率与转换单元214上的预定信息（例如查找表格）相 关，以生成关于患者的诊断信息。预定信息能够包括针对不同解剖条件的 常见脂肪与水的比率。与被检查的感兴趣区域相关的信息会由转换单元214 用于生成诊断信息。

在S414B，将来自S413的计算的平均T₂弛豫时间与存储于转换单元 214上的预定信息（例如查找表格）相关，以生成诊断信息。转换单元214 包括经验证的试验数据，该数据预测了对应于肝脏的不同环境条件的T₂的 向上和向下偏移。作为范例，结合水的T₂显著减小指示肝脏中有丰富的铁。 结合水的T₂稍微减小（比铁过剩实现的减小显著更小的减小）会指示退行 性肝脏疾病，例如纤维化、硬化和肝脏细胞癌。

在S415，生成诊断报告，其包括多种诊断信息，例如计算的脂肪与水 比率或其他诊断信息。诊断报告可以仅包括脂肪与水的比率或者在S414A 和/或S414B生成的诊断信息。利用综合的查找表格，对特定解剖状况的诊 断会变得越来越准确，因为采用了更多的诊断读数。在一个实施例中，在 显示器216，例如监视器或打印机上显示由报告生成器215生成的诊断报告。 诊断报告包括基于T₂变化的不同肝脏状况的百分比可能性。为了提高诊断 的准确性，可以将从计算的平均T₂值的偏移导出的信息与从计算的脂肪与 水的比率导出的信息组合。

在S416，在S415生成的诊断报告由医师或操作员审查以为受检者推荐 进一步处置并被存储在医疗记录数据库中。

还应当理解，尽管水和脂质一般具有在一定程度上类似的T₂弛豫常数， 但肝脏中的差异更突出。这增大了本申请对肝脏中TD-NMR的诊断价值。 肝脏环境中铁的正常量还被示为不影响结果。

已经参考优选实施例描述了本发明。他人在阅读和理解以上详细描述 之后可以做出修改和变化。本发明旨在被解释为包括所有这样的修改和变 化，只要它们落在权利要求书或其等价要件的范围之内。