有選擇性的激勵方法和裝置以及磁共振成像方法和裝置的製作方法

2023-06-16 19:55:41 3

專利名稱：有選擇性的激勵方法和裝置以及磁共振成像方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種有選擇性的激勵方法和裝置以及磁共振成像方法和裝置，更具體地說，本發明提供一種有選擇地激發原子核自旋的方法和裝置，以及提供一種應用這種有選擇性的激勵裝置的磁共振成像方法和裝置。
在磁共振成像中，在要成像的空間中產生梯度磁場以使通過原子核(比如質子)的自旋頻率能夠識別體素的三維位置。在視場(FOV)中產生梯度磁場包括產生一種具有均勻的磁場強度B0的靜態磁場a，如在附

圖1中示出了一種示例性的磁場強度分布，應用一種對稱的梯度磁場b，相對於靜態磁場的中心O該磁場b在一側的方向與在另一側的方向彼此相反，結合磁場a和b得到一種具有梯度的複合磁場c。為產生靜態磁場a，應用超導電磁體、普通導電電磁體、永磁體或類似的磁體。為產生梯度磁場b，應用具有合適的環形形狀的梯度線圈。
由於複合磁場c具有梯度，自旋頻率隨著在視場中距離Z線性變化，因此可以通過適當地選擇RF(射頻)激勵信號來有選擇性地激發所需的片段，基於來自該片段所產生的磁共振信號產生(即，重構)層析成象的圖象。
在如上所產生的梯度磁場中，隨著距FOV中心O的距離越來越大梯度線性趨於變壞。雖然可以通過精確設計梯度線圈環的形狀來改善梯度的線性，在線性和其它條件(比如抑制渦流)之間存在折衷方案，但是線性總是不理想。因此，當在距中心O的某一位置(即，偏離中心的位置)選擇片段時，通過應用一種RF激勵頻率(偏移頻率)激勵與理想位置不同的片段位置，通過與該理想的片段位置相對應的公稱梯度磁場確定該RF激勵頻率。
因此本發明的一個目的是提供一種有選擇性的激勵方法和裝置，其不受梯度磁場的非線性的影響，以及一種應用這種有選擇性的激勵裝置的磁共振成像方法和裝置。
依據本發明的第一方面，提供一種有選擇性的激勵方法，該方法通過RF信號有選擇性地激勵在要成像的目標內部的原子核的自旋，在相對於具有梯度的磁場空間的中心的預定距離處確定的片段位置上實施有選擇性的激勵，該方法包括如下步驟應用具有這樣一種頻率的RF信號作為RF信號，即該頻率對應於不同於依據在梯度中的非線性誤差確定的片段位置所再次確定的片段位置。
依據本發明的第二方面，提供一種有選擇性的激勵方法，該方法通過RF信號有選擇性地激勵在要成像的目標內部的原子核的自旋，在相對於具有梯度的磁場空間的中心的預定距離處確定的片段位置上實施有選擇性的激勵，該方法包括如下步驟調整梯度以使在所確定的片段位置處的自旋頻率等於RF信號的頻率。
依據本發明的第三方面，提供一種有選擇性的激勵裝置，該裝置通過RF信號有選擇性地激勵在要成像的目標內部的原子核的自旋，在相對於具有梯度的磁場空間的中心的預定距離處確定的片段位置上實施有選擇性的激勵，該裝置包括RF激勵裝置，該RF激勵裝置應用具有這樣一種頻率的RF信號作為RF信號，即該頻率對應於不同於依據在梯度中的非線性誤差確定的片段位置所再次確定的片段位置。
依據本發明的第四方面，提供一種有選擇性的激勵裝置，該裝置通過RF信號有選擇性地激勵在要成像的目標內部的原子核的自旋，在相對於具有梯度的磁場空間的中心的預定距離處確定的片段位置上實施有選擇性的激勵，該裝置包括梯度調整裝置，該梯度調整裝置調整梯度以使在所確定的片段位置的自旋頻率等於RF信號的頻率。
(效果)依據本發明，應用具有這樣一種頻率的RF信號作為RF信號進行激勵自旋，即該頻率對應於與依據在梯度磁場中的非線性誤差預先確定的片段位置不同地再次確定的片段位置。可替換的是，可以調整磁場梯度，以使在預先確定的片段位置的自旋頻率等於RF激勵信號的頻率。
因此，本發明能夠提供一種有選擇性的激勵方法和裝置，其不受磁場梯度的非線性的影響，以及提供一種應用這種有選擇性的激勵裝置的磁共振成像方法和裝置。
通過下文對如附圖所示的優選實施例的詳細描述本發明的進一步目的和優點將會清楚。
附圖1所示為在磁共振成像裝置中的磁場強度的分布。
附圖2所示為依據本發明的一個實施例的裝置的方塊圖。
附圖3所示為依據本發明的另一個實施例的裝置的方塊圖。
附圖4所示為在附圖2或3所示的裝置中的梯度驅動段的方塊圖。
附圖5所示為在附圖2或3所示的裝置中的RF驅動段的方塊圖。
附圖6所示為附圖2或3所示的裝置所實施的脈衝序列實例。
附圖7所示為附圖2或3所示的裝置所實施的脈衝序列實例。
附圖8和9所示為在附圖2或3中所示的裝置中的偏移頻率曲線。
參考附圖下文將更詳細地描述幾個實施例。附圖2所示為本發明的一個實施例的磁共振成像裝置的方塊圖。該裝置的結構代表依據本發明的裝置一種實施例，並且該裝置的操作代表依據本發明的方法的一種實施例。
如在附圖2中所示，本發明裝置具有磁體系統100。磁體系統100具有主磁場線圈段102、梯度線圈段106和RF(射頻)線圈段108。這些線圈段一般為圓柱形外形，並且同心設置。要成像的對象300躺在託架500上，並通過輸送裝置(未示)可以將成像對象送入磁體系統100的內部空間或送出該空間。
主磁場線圈段102在磁體系統100的內部空間產生靜態磁場。靜態磁場的方向通常與要成像的對象300的軀體軸線的方向平行，即所謂產生水平磁場。主磁場線圈段102包括例如超導線圈。人們容易認識到主磁場線圈段102並不限於包括超導線圈，也可以包括常規導電線圈或類似的線圈。
梯度線圈段106產生梯度磁場以將梯度施加到靜態磁場強度中。所產生的梯度磁場包括三種類型的磁場片段梯度磁場、讀出梯度磁場和相位編碼梯度磁場，而梯度線圈段106具有與這三種梯度磁場相對應的三種梯度線圈(未示)。
射頻線圈段108在靜態磁場空間中產生高頻磁場以激勵在要成像的對象300內部的自旋。在下文中將產生高頻磁場稱為發射RF激勵信號。RF線圈段108也接收由所激勵的自旋產生的電磁波，即磁共振信號。射頻線圈段108具有發射線圈和接收線圈(未示)。發射線圈和接收線圈可以是相同的線圈或不同的專用線圈。
將梯度線圈段106與梯度驅動段130相連接，以給梯度線圈段106輸送驅動信號來產生梯度磁場。梯度驅動段130具有與在梯度線圈段106中的三個梯度線圈相對應的三種驅動電路。驅動段將在下文更詳細地描述。
射頻線圈段108與射頻驅動段140相連接，以給射頻線圈段108輸送驅動信號來發射射頻激勵信號，由此激勵在要成像的對象300內部的自旋。射頻驅動段140將在下文更詳細地描述。
由梯度線圈段106、梯度驅動段130、射頻線圈段108和射頻驅動段140組成的部分構成本發明的有選擇性的激勵裝置的實施例。該裝置的結構代表依據本發明的裝置的一種實施例，而該裝置的操作代表依據本發明的方法的一種實施例。
射頻線圈段108還與數據採集段150相連接以聚集由射頻線圈段108所接收的信號並採集該信號作為數位訊號。
梯度驅動段130、射頻驅動段140和數據採集段150都與控制段160相連接以控制這些段130-150。
將數據採集段150的輸出連接到數據處理段170。數據處理段170將從數據採集段150聚集的數據存儲在存儲器(未示)中。因此，在存儲器中形成數據空間，其構成了二維傅立葉空間。數據處理段170對在二維傅立葉空間中的數據進行反向的二維傅立葉變換以重構對象300的圖象。
將數據處理段170連接到控制段160。數據處理段170優於控制段160並對段160進行控制。數據處理段170與顯示段180和操作段190相連接，該顯示段180顯示重構的圖象和從數據處理段170輸出的信息，該操作段190由人工操作員操作並輸入一些指令、信息等到數據處理段170。
附圖3所示為另一個磁共振成像裝置的方塊圖，其為本發明的一個實施例。該裝置的結構代表依據本發明的裝置的一種實施例，而該裝置的操作代表依據本發明的方法的一種實施例。
在附圖3中所示的裝置具有與在附圖2中所示的裝置不同的磁體系統100′。除了磁體系統100′外其它部件都與在附圖2中所示的裝置中的部件類似，並且通過參考類似的參考標號可以設計類似的部件，因此下文省略對這些的解釋。
磁體系統100′具有主磁場磁體段102′、梯度線圈段106′和射頻線圈段108′。主磁場磁體段102′和線圈段106′和108′每個都包括一對彼此正對著的單個部件，並在它們之間插有間隔。這些段的外形一般為盤形，並且設置有公共的中心軸線。要成像的對象300躺在託架500上，並且通過輸送裝置(未示)可以將成像對象送入磁體系統100′的內部空間或送出該空間。
主磁場線磁體102′在磁體系統100′的內部空間產生靜態磁場。靜態磁場的方向通常與要成像的對象300的軀體軸線的方向垂直，即所謂產生垂直磁場。例如主磁場磁體段102′包括永磁體。人們容易認識到主磁場磁體段102′並不限於包括永磁體，也可以包括超導磁體或常規導電電磁體等。
梯度線圈段106′產生梯度磁場以將梯度施加到靜態磁場強度中。要產生的梯度磁場包括三種類型的磁場片段梯度磁場、讀出梯度磁場和相位編碼梯度磁場，並且梯度線圈段106′具有與這三種梯度磁場相對應的三種梯度線圈(未示)。
射頻線圈段108′發射射頻激勵信號到靜態磁場空間中以激勵在要成像的對象300內部的自旋。RF線圈段108′也接收由所激勵的自旋產生的磁共振信號。射頻線圈段108′具有發射線圈和接收線圈(未示)。發射線圈和接收線圈可以是相同的線圈或不同的專用線圈。
附圖4所示為在梯度驅動段130中的一個驅動電路的方塊圖，比如片段梯度線圈的驅動電路。如圖所示，驅動電路具有信號產生電路312，該信號產生電路312產生具有預定波形的梯度線圈驅動信號。控制段160控制梯度線圈驅動信號的產生。
通過幅值調整電路314調整梯度線圈驅動信號的幅值。控制段160控制幅值調整電路314要調整的幅值量。由幅值調整電路314和控制段160組成的部分是本發明的梯度調整裝置的實施例。通過功率放大器316對經調整幅值的梯度線圈驅動信號進行功率放大，並輸送到在梯度線圈段106中的片段梯度線圈。
附圖5所示為射頻驅動段140的方塊圖。如圖所示，驅動段具有射頻信號產生電路412。在該射頻信號產生電路412中，通過控制段160控制信號產生時序和射頻信號頻率。在幅值調製電路414中調製所產生的射頻信號幅值，通過功率放大器416進行功率放大，並輸送到射頻線圈段108中。
由射頻信號產生電路412、幅值調製電路414、功率放大器416、射頻線圈段108和控制段160組成的部分是本發明的射頻激勵裝置的現在描述本裝置的操作。在附圖2中所示的裝置的操作和在附圖3中所示的裝置操作沒有本質的區別。該裝置的操作受控制段160的控制。附圖6示出了用在磁共振成像中的示例性的脈衝序列。所示的一種脈衝序列是一種用於自旋迴波(SE)技術中的脈衝。
具體地說，(1)是一種用於SE技術的射頻激勵的90°和180°脈衝序列，而(2)、(3)、(4)和(5)分別是SE技術的片段梯度Gs、讀出梯度Gr、相位編碼梯度Gp和自旋迴波MR的序列。需指出的是，90°和180°脈衝都是通過它們各自中心信號表示的。脈衝序列沿著時間軸t自左至右行進。
如圖所示，90°脈衝產生90°的自旋激勵。同時，施加片段梯度Gs以在某一片段位置實現有選擇性的激勵。在自90°激勵的預定時間後，通過180°脈衝執行180°激勵或自旋反向。同時再次施加片段梯度Gs以對相同的片段位置實現有選擇性的反向。
在90°激勵和自旋反向之間的周期中，施加讀出梯度Gr和相位編碼梯度Gp。讀出梯度Gr使自旋失相(dephase)，而相位編碼梯度Gp對該自旋進行相位編碼。
在自旋反向後，通過讀出梯度使自旋恢復相位(rephase)以產生自旋迴波MR。自旋迴波MR是一種RF信號，其波形相對於回波中心對稱。在從90°激勵的TE(回波時間)後產生中心回波。通過數據採集段150採集自旋迴波MR作為可視數據。在一個TR(重複時間)周期中重複這種脈衝序列128-256次。在每個重複時間中都改變相位編碼梯度Gp以每次提供都不同的相位編碼。因此得到可顯示128-256種視圖的可視數據。
在附圖7中所示為用於磁共振成像中的脈衝序列的另一實例。這種脈衝序列是一種用於產生梯度回波(GRE)技術的脈衝序列。
具體地說，(1)是一種用於GRE技術的射頻激勵的α°脈衝序列，而(2)、(3)、(4)和(5)分別是GRE技術的片段梯度Gs、讀出梯度Gr、相位編碼梯度Gp和梯度自旋迴波MR的序列。需指出的是，α°脈衝都是通過它的中心信號表示。脈衝序列沿著時間軸t自左至右行進。
如圖所示，α°脈衝產生α°的自旋激勵，其中α不大於90。同時，施加片段梯度Gs以在某一片段位置實現有選擇性的激勵。
在自α°激勵後，通過相位編碼梯度Gp對自旋進行相位編碼。接著，首先使自旋失相，隨後在通過讀出梯度Gr使其恢復相位以產生梯度回波MR。梯度回波MR是一種RF信號，其波形相對於回波中心對稱。在從α°激勵的TE後產生中心回波。
通過數據採集段150採集梯度回波MR作為可視數據。在一個TR周期中重複這種脈衝序列128-256次。在每個重複時間中都改變相位編碼梯度Gp以每次都提供不同的相位編碼。因此，可以得到可顯示128-256種視圖的可視數據。
將通過附圖6或7所示的脈衝序列所得到的可視數據採集到在數據處理段170的存儲器中。容易理解的是該脈衝序列並不限於SE或GRE技術，而可以是任何適當的技術，比如快速自旋迴波(FSE)技術。數據處理段170對可視數據進行反向二維傅立葉變換以重構對象300的層析圖象。通過顯示段180顯示所重構的圖象作為可視圖象。
在附圖8中示例性地示出了當在上述裝置中片段梯度Gs包含有非線性誤差時在與片段平面正交的方向上的偏移頻率。具體地說，隨著距磁場中心O的距離的加大梯度G(Z)的誤差從正確的線性梯度g·Z(公稱梯度)不斷增加，偏移頻率F具有相同的非線性。
如果人工操作員例如在偏移距離Za處確定一片段位置，則在上述條件下控制段160控制射頻產生信號412以將射頻激勵信號的頻率改變為在公稱梯度g·Z下的與偏移位置Zc相對應的頻率f′。通過下式計算距離ZcZc=G(Za)g------(1)]]>其中G(Za)在距離Za處的梯度磁場強度，和g公稱磁場梯度。基於片段梯度Gs的已知非線性計算G(Za)。g的值已知。因此，可以將偏移頻率f′表示為 其中γ為旋磁比。由此將射頻激勵頻率調整到偏移距離Za的頻率，因此在偏移距離Za處可以精確地激勵片段。
可替換的是，可以調整梯度磁場以使自旋頻率等於射頻激勵信號的頻率，而不是調整射頻激勵信號的頻率。具體地說，如附圖9所示，在公稱片段梯度g下激勵偏移距離Za的頻率為f=γ·g·Za。然後，控制段160經過幅值調整電路314調整梯度驅動信號的幅值，以將公稱梯度改變為值g′，該值g′通過下式計算g=ZaZc------(3)]]>依據公式(3)公稱梯度g′的值是使在偏移距離Zc處的磁場強度g′·Zc(公稱)等於在公稱梯度g下在偏移距離Za處的磁場強度g′·Za(公稱)。梯度的改變產生了G′(Z)的實際梯度。G(Z)、G′(Z)和g′之間的關係如下式G(Za)=ggG(Za)------(4)]]>在這種情況下，頻率f為f=gZc------(5)]]>將Zc以關係式(1)代入得到f=gG(Za)g------(6)]]>將關係式(4)代入得到f=G(Za)------(7)]]>這就是說，在改變之後在實際梯度G′(Z)之下在偏移距離Za處的自旋頻率等於射頻激勵信號的頻率f。這就在偏移距離Za處允許進行精確的片段激勵。
上文描述了當在片段平面中梯度的非線性誤差均勻時對射頻激勵頻率或梯度磁場的調整方法。然而，如果在片段平面中非線性誤差為非均勻的，則可以基於在片段平面中的感興趣區(ROI)內部的非線性進行類似的調整。
在不脫離本發明的精神和範圍的前提下可以構造出本發明的許多不同的實施例。可以理解的是本發明的並不限於在上述中所描述這些特定的實施例中，而是由附加的權利要求確定。
權利要求
1．一種有選擇性的激勵方法，該方法通過RF信號有選擇性地激勵在要成像的目標內部的原子核的自旋，在相對於具有梯度的磁場空間的中心的預定距離確定的片段位置處實施所說的有選擇性的激勵，所說的方法包括如下步驟應用具有這樣一種頻率的RF信號作為所說的RF信號，即該頻率所對應的片段位置依據在所說的梯度中的非線性誤差而和所說的確定的片段位置不同地再次確定。
2．一種有選擇性的激勵方法，該方法通過RF信號有選擇性地激勵在要成像的目標內部的原子核的自旋，在相對於具有梯度的磁場空間的中心的預定距離確定的片段位置處實施所說的有選擇性的激勵，所說的方法包括如下步驟調整所說的梯度以使在所說的所確定的片段位置的自旋頻率等於所說的RF信號的頻率。
3．一種有選擇性的激勵裝置，該裝置通過RF信號有選擇性地激勵在要成像的目標內部的原子核的自旋，在相對於具有梯度的磁場空間的中心的預定距離確定的片段位置處實施所說的有選擇性的激勵，所說的裝置包括RF激勵裝置，該RF激勵裝置應用具有這樣一種頻率的RF信號作為所說的RF信號，即該頻率所對應的片段位置依據在所說的梯度中的非線性誤差而和所說的確定的片段位置不同地再次確定。
4．一種有選擇性的激勵裝置，該裝置通過RF信號有選擇性地激勵在要成像的目標內部的原子核的自旋，在相對於具有梯度的磁場空間的中心的預定距離確定的片段位置處實施所說的有選擇性的激勵，所說的裝置包括梯度調整裝置，該梯度調整裝置調整所說的梯度以使在所說的確定的片段位置的自旋頻率等於所說的RF信號的頻率。
5．一種磁共振成像裝置，該裝置通過RF信號有選擇性地激勵在要成像的目標內部的原子核的自旋，在相對於具有梯度的磁場空間的中心的預定距離確定的片段位置處實施所說的有選擇性的激勵，並基於由所激發的自旋產生的磁共振信號產生圖象，其中應用如在權利要求3或4中所定義的有選擇性的激勵裝置作為進行所說的有選擇性的激勵的裝置。
6．一種磁共振成像方法，該方法通過RF信號有選擇性地激勵在要成像的目標內部的原子核的自旋，在相對於具有梯度的磁場空間的中心的預定距離確定的片段位置處實施所說的有選擇性的激勵，並基於由所激發的自旋產生的磁共振信號產生圖象，其中在所說的有選擇性的激勵方法中應用如在權利要求1或2中所定義的有選擇性的激勵方法。
全文摘要
為提供一種不受磁場梯度的非線性影響的有選擇性的激勵方法和裝置以及一種應用這種有選擇性的激勵裝置的磁共振成像方法和裝置,將與依據在梯度磁場Gz中的非線性誤差指定的片段位置Z
文檔編號G01R33/48GK1286961SQ0011876
公開日2001年3月14日 申請日期2000年6月26日 優先權日1999年6月24日
發明者宮本昭榮, 小杉進 申請人:通用電器橫河醫療系統株式會社