零回波時間MR成像的製作方法
2023-04-24 10:22:21 3
本發明涉及磁共振(mr)成像領域。本發明涉及一種mr成像方法。本發明還涉及mr設備和在mr設備上運行的電腦程式。
背景技術：
圖像形成mr方法，其利用磁場與核自旋之間的相互作用以形成二維圖像或三維圖像，現今被廣泛使用，尤其是在醫學診斷的領域中，這是因為對於軟組織的成像，它們在許多方面優於其他成像方法，其不要求電離輻射並且通常是無創的。
根據一般的mr方法，要被檢查的患者的身體被布置在強的、均勻磁場(b0場)中，該磁場的方向同時定義了測量所基於的坐標系的軸(通常為z軸)。磁場針對取決於磁場強度的個體核自旋產生不同的能級，所述個體核自旋能夠通過應用定義頻率(所謂的拉莫爾頻率或mr頻率)的電磁交變場(rf場，也被稱為b1場)來激勵(自旋共振)。從宏觀角度來看，個體核自旋的分布產生總體磁化，通過應用適當頻率的電磁脈衝(rf脈衝)能夠使所述總體磁化偏離平衡狀態，使得所述磁化執行繞z軸的進動運動。所述進動運動描繪了錐形的表面，所述錐形的孔徑角被稱為翻轉角。翻轉角的幅度取決於所應用的電磁脈衝的強度和持續時間。在所謂的90°脈衝的情況下，所述自旋從z軸偏轉到橫向平面(翻轉角90°)。
在rf脈衝終止之後，所述磁化弛豫返回到最初的平衡狀態，在所述最初的平衡狀態中，再次以第一時間常量t1(自旋晶格或縱向弛豫時間)建立z方向上的磁化，並且垂直於z方向的方向上的磁化以第二時間常量t2(自旋-自旋或橫向弛豫時間)弛豫。藉助於一個或多個接收rf線圈能夠檢測到磁化的變化，所述一個或多個接收rf線圈以這樣的方式在mr設備的檢查體積之內進行布置和取向，使得在垂直於z軸的方向上測量到磁化的變化。在應用例如90°的脈衝之後，橫向磁化的衰減伴隨有核自旋(由局部磁場不均勻感生的)從具有相同相位的有序狀態到其中所有相位角不均勻分布(失相)的狀態的轉變。所述失相能夠藉助於重聚焦脈衝(例如，180°的脈衝)來補償。這在接收線圈中產生回波信號(自旋迴波)。
為了在身體中實現空間分辨，沿三個主軸延伸的線性磁場梯度被疊加在均勻磁場上，得到自旋響應頻率的線性空間相關性。然後在接收線圈中拾取的信號包含不同頻率的成分，其與身體中的不同位置相關聯。經由所述rf線圈獲得的mr信號數據對應於空間頻率域並且被稱為k空間數據。所述k空間數據通常包括利用不同的相位編碼採集的多條線。每條線通過收集若干樣本來數位化。藉助於傅立葉變換或其他適當的重建算法，k空間數據的集合被轉換為mr圖像。
對具有非常短的橫向弛豫時間的組織(例如，骨骼或肺)的mr成像變得越來越重要。用於該目的的已知方法基本上都採用三維(3d)徑向k空間採樣。在所謂的零回波時間(zte)技術中，在利用高帶寬以及由此短、硬rf脈衝來激勵磁共振之前設置讀出梯度。通過這種方式，在激勵磁共振之後立即開始梯度編碼。在導致有效零「回波時間」(te)的rf脈衝的輻射之後立即開始對自由感應衰減(fid)信號的採集。在fid讀出之後，僅要求最小的時間用於在能夠應用下一rf脈衝之前來設置下一讀出梯度，由此實現非常短的重複時間(tr)。讀出方向是隨著逐次重複漸增變化的，直到k空間中的球形體積被採樣到所要求的程度。在無需關閉在tr間隔之間的讀出梯度的情況下，能夠幾乎無聲地執行zte成像(參見weiger等人，magneticresonanceinmedicine，第70卷，第328-332頁，2013年)。
zte成像中的挑戰在於，歸因於由rf脈衝、發射-接收切換和信號濾波的有限持續時間引起的初始死區時間，k空間數據在k空間中心是略微不完整的。
該k空間間隙能夠例如通過將徑向zte採樣與k空間中心的額外的笛卡爾採樣進行組合來解決，如在已知的petra技術中(參見grodzki等人，magneticresonanceinmedicine，第67卷，第510-518頁，2012年)已知的。
技術實現要素：
根據前述內容容易認識到，需要一種改進的zte成像方法。本發明的目的是使用k空間中心的採樣來實現「無聲(silent)」zte成像。
根據本發明，公開了一種對被定位在mr設備的檢查體積中的對象進行mr成像的方法。本發明的方法包括以下步驟：
-使對象經受rf脈衝的成像序列和切換的磁場梯度，所述成像序列是零回波時間序列，包括：
i)設置具有讀出方向和讀出強度的讀出磁場梯度；
ii)在存在所述讀出磁場梯度的情況下輻射rf脈衝；
iii)在存在所述讀出磁場梯度的情況下採集fid信號，其中，fid信號表示徑向k空間樣本，其中，fid信號的採集已在接收器死區時間(deadtime)期間開始，即開始於採集時間處，在所述採集時間處，mr設備的接收器增益在rf脈衝的輻射之後尚未穩定；
iv)逐漸改變讀出方向；
v)通過多次重複步驟i)至iv)來對k空間中的球形體積進行採樣；
-根據所採集的fid信號來重建mr圖像。
根據本發明，徑向zte採集主要以常規方式應用。mr信號通過重複rf脈衝的輻射被採集為徑向k空間樣本，同時逐漸變化讀出方向直到k空間中的期望體積被採樣，並且可以根據所採集的mr信號重建mr圖像。然而，本發明提出改變讀出強度，使得利用不同的讀出強度採集fid信號中的至少一些。
優選地，改變讀取強度，使得採集至少兩個fid信號，兩者具有基本上相同的讀出方向，但是具有不同讀出強度。
如上所述，由於由rf脈衝的持續時間、發送-接收切換和信號濾波導致的有限死區時間，從k空間的中心區域對fid信號的採集主要被破壞。換句話說，在死區時間期間，mr設備的接收器增益尚未達到其穩定電平。本發明的一個見解是接收器增益的起始可能不穩定，但仍然是很好地可再現的。因此，根據本發明通過比較rf脈衝輻射後在相同k空間位置處但在不同的獲取時間上獲取的k空間採樣來導出在死區時間期間時間的接收器增益變化。這使得能夠在死區時間期間，即在rf脈衝的輻射之後mr設備的接收器增益尚未穩定的採集時間處開始fid信號的採集。根據本發明，可以在所採集的fid信號中補償接收器增益的時間變化，使得可以從fid信號重建mr圖像，所述fid信號沒有由在接收器死區時間期間的信號損壞導致的偽跡。本發明的一個見解是接收增益可以變化，但是起始變化是相當可重現的，使得其可以被補償。所需的補償可以從時間rf接收器增益的單獨校準、模擬獲得。時間接收器增益還可以從rf接收器裝備的硬體性質確定。根據本發明的另一任選方面，通過比較在相同k空間位置處但在不同採集時間處的k空間樣本，在zte序列內獲得所需的補償。來自相同k空間位置但不同採集時間的信號之間的信號水平的任何差異表示有效接收器增益變化。因此，可以根據該差異計算接收器增益變化。該計算的確切細節是任選實現細節。
因此，本發明使得能夠在zte採集方案中從k空間的中心更準確地採集fid信號。因此本發明改進了zte/無聲掃描的圖像質量。
在本發明的優選實施例中，在零讀出強度處採集fid信號中的至少一個。零讀出強度處的測量結果直接提供k＝0處的缺失信息。這樣的測量結果可以在方便點處插入到zte序列中，例如在掃描的開始或結束處。
此外，可以從在零讀出強度處採集的fid信號導出時間接收器增益變化。fid信號的所有信號值對應於k＝0，使得信號變化直接反映死區時間期間的接收器增益的時間變化。從在零梯度強度處採集的fid信號導出的時間接收器增益曲線然後可以用於補償在非零讀出強度處採集的fid信號中的死區時間效應。
因此，至此描述的本發明的方法可以藉助於mr設備來執行，其包括：用於在檢查體積內生成均勻穩定的磁場的至少一個主磁體線圈；用於在檢查體積內生成在不同的空間方向上的切換的磁場梯度的多個梯度線圈；用於在檢查體積內生成rf脈衝和/或用於從位於檢查體積中的患者的身體接收mr信號的至少一個rf線圈；用於控制rf脈衝和切換的磁場梯度的時間演替的控制單元；以及重建單元。本發明的方法優選地通過mr設備的重建單元和/或控制單元的對應編程來實施。
本發明的方法可以有利地在當前臨床使用的大多數mr設備中執行。為此，僅需要利用通過其控制mr設備的電腦程式，使得其執行本發明的上述方法步驟。電腦程式可以存在於數據載體上或存在於數據網絡中，從而被下載以安裝在mr設備的控制單元中。
附圖說明
附圖公開了本發明的優選實施例。然而，應當理解，附圖僅僅是出於圖示說明的目的而設計的，並且不是對本發明的限制範圍的定義。在附圖中：
圖1示意性地示出了用於執行本發明方法的mr設備。
圖2示出了圖示根據本發明應用的zte序列的示意圖；
圖3示出了圖示根據本發明的實施例的k空間的徑向採樣的示意圖。
具體實施方式
參考圖1，示出了mr設備1，其能夠用於執行本發明的方法。所述設備包括超導或電阻性主磁體線圈2，使得沿著通過檢查體積的z軸創建基本上均勻的、在時間上恆定的主磁場b0。所述設備還包括一組(第1級、第2級，並且在適用時，第3級)勻場線圈2』，其中，出於使檢查體積之內的b0偏差最小化的目的，能夠控制通過所述組2』中的個體勻場線圈的電流。
磁共振生成和操控系統應用一系列rf脈衝和切換的磁場梯度，以反轉或激勵核磁自旋、引發磁共振、重聚焦磁共振、操縱磁共振、空間地或以其他方式對磁共振進行編碼、使自旋飽和等，以執行mr成像。
更具體地，梯度脈衝放大器3向沿著檢查體積的x軸、y軸和z軸的全身梯度線圈4、5和6中的選定的線圈應用電流脈衝。數字rf頻率發射器7經由發送/接收開關8向身體rf線圈9發射rf脈衝或rf脈衝包，以將rf脈衝發射到檢查體積中。典型的mr成像序列包括彼此一起獲取的短持續時間的rf脈衝段的包，並且任意應用的磁場梯度實現對核磁共振的選定操控。rf脈衝被用於使共振飽和、激勵共振、反轉共振、重聚焦共振，或操縱共振，並且選擇被定位在檢查體積中的身體10的部分。mr信號也被身體rf線圈9拾取。
為了藉助於並行成像來生成身體10的限定區域的mr圖像，鄰近選定用於成像的區域放置一組局部陣列rf線圈11、12、13。陣列線圈11、12、13能夠用於接收由身體線圈rf發射所引發的mr信號。
結果得到的mr信號被身體rf線圈9和/或被陣列rf線圈11、12、13拾取，並且由優選包括前置放大器(未示出)的接收器14進行解調。接收器14被經由發送/接收開關8連接到rf線圈9、11、12和13。
主計算機15控制流動通過勻場線圈2』的電流以及梯度脈衝放大器3和發射器7以生成根據本發明的zte成像序列。接收器14在每個rf激勵脈衝之後快速演替的接收多條mr數據線。數據採集系統16執行對接收到的信號的模擬-到-數字轉換，並且將每條mr數據線轉換為適合於進一步處理的數字格式。在現代mr設備中，數據採集系統16是單獨的計算機，所述單獨的計算機專用於原始圖像數據的採集。
最後，數字原始圖像數據被重建處理器17重建成圖像表示，所述重建處理器17應用適當的重建算法。mr圖像表示三維體積。所述圖像然後被存儲在圖像存儲器中，所述圖像存儲器可以被訪問，用於將圖像表示的投影或其他部分轉換成適當的格式以例如經由視頻監視器18進行可視化，所述視頻監視器18提供對結果得到的mr圖像的人類可讀的顯示。
圖2示出了圖示根據本發明應用的經修改的zte序列的示意圖。本發明採用的「無聲」zte技術的本質是，在接通頻率-編碼讀出磁場梯度g1、g2的同時激勵rf脈衝20被發送。讀出磁場梯度g1、g2不旨在作為切片選擇梯度，這意味著rf脈衝20必須短(通常為1μs至8μs)，以便實現足夠的激勵帶寬。亦即，由於視場中的主磁場和疊加的應用的自旋磁梯度場，rf脈衝的頻率帶寬比共振射頻範圍寬得多。
在存在讀出磁場梯度g1、g2的情況下，在間隔21期間發生mr信號的讀出。每個間隔21具有在100μs與3ms之間的典型持續時間。讀出磁場梯度g1、g2具有在每個激勵/讀出周期上保持基本上恆定的讀出強度和讀出方向。在每個周期之後，讀出方向非常逐漸地變化(圖2中未描繪)。讀出方向僅稍微改變，例如幾度(例如2°)。對於k空間的完全採樣，讀出方向變化，直到球形體積由足夠的密度覆蓋。
如前所述，常規zte成像的已知約束是在每個rf脈衝的中心與相應採樣間隔的開始之間存在有限的時間。根據使用的裝備，該死區時間可以是2μs與200μs之間的任何值。因此，不能夠掃描k空間的中心。
在圖2描繪的本發明的實施例中，每個rf脈衝20的輻射與採集間隔21的開始之間的時間延遲短於圖2中由d指示的接收器死區時間。因此，由於由rf脈衝的持續時間、發送-接收切換和信號濾波導致的死區時間d，從k空間的中心區域對fid信號的採集被破壞。在死區時間d期間，mr設備1的接收器增益尚未達到其穩定水平。
根據本發明，改變讀出梯度的強度，使得利用不同的讀出強度採集fid信號中的至少一些。如圖2中示意性描繪的，在多次採集之後，讀出強度從g1切換到g2。控制讀出方向，使得利用基本相同的讀出方向和不同的讀出強度g1、g2來採集fid信號。根據本發明，通過比較在相同的k空間位置處但在rf脈衝的輻射後的不同採集時間處採集的k空間樣本，來導出在死區時間d期間的時間接收器增益變化，其由mr設備1的硬體性質確定並且變為通常是良好可再現的。接收器增益變化可以例如通過將從相同k空間位置處但在不同採集時間處採集的k空間採樣彼此相除來計算。然後根據確定的時間接收器增益變化通過校正信號樣本，來從所採集的fid信號中去除死區時間效應。最後，根拒經校正的fid信號重建mr圖像。
本發明的前述方法使得能夠在死區時間d期間即在接收器已經穩定之前開始fid信號的採集。因此，本發明提供從k空間的中心對fid信號的更準確的採集，使得顯著改進了zte/無聲掃描的圖像質量。
圖3示出了本發明的k空間採樣方案。為了圖示的目的，示意圖僅示出了kx和ky方向。然而，必須注意，通過本發明的方法執行k空間中的球形體積的三維徑向採樣。在讀出強度g1處的每個rf脈衝20之後，採集多條徑向k空間線31作為mr信號。以減小的讀出強度g2對另外的k空間線32進行採樣。在環形陰影區33中，梯度強度g1和g2處的k空間採樣交疊，使得可以根據本發明通過比較從區33採集的k空間樣本來導出在死區時間d期間的時間接收器增益變化。
中心球形間隙34的尺寸小於常規zte成像中的尺寸，因為k空間樣本31、32的採集已經在死區時間d期間開始，如上面詳細解釋的。
此外，在零讀出強度處採集k空間樣本集35。該測量直接提供k＝0處的信息。k空間樣本35的測量結果可以在方便點處插入到zte序列中，例如在掃描的開始或結束處。在圖2的示意圖中，在序列的結束處採集k＝0樣本集。時間接收器增益變化可以額外地或備選地直接從k空間樣本35導出。由於樣本35的fid信號的所有信號值對應於k＝0，因此它們的信號變化直接反映死區時間d期間的接收器增益的時間變化。從在零梯度強度處採集的fid信號導出的時間接收器增益曲線然後可以用於補償在非零讀出強度處採集的k空間樣本31、32中的死區時間效應。