CN102096054A - 一种快速自旋回波脉冲序列的梯度系统延时校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速自旋回波脉冲序列的梯度系统延时校正方法，该方法通过校正梯度脉冲对梯度系统延时进行校正，并利用归一化梯度系统延时计算校正梯度脉冲的幅度合成矩阵。该方法在克服梯度系统延时对快速自旋回波脉冲序列的影响的同时，不增加磁共振成像系统的硬件成本和系统复杂性，即使x、y、z三个方向的梯度系统延时不相等，梯度功率放大器的功率不足以提供梯度波形中幅度较大的过冲，采用本发明所述方法仍然可以对梯度系统延时进行校正，提高快速自旋回波成像中矢状面、冠状面、横断面以及各种斜切面的图像质量。

Description

一种快速自旋回波脉冲序列的梯度系统延时校正方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像(MRI)方法，具体而言，涉及磁共振快速自旋回波(FSE)成像技术中，为减小梯度系统延时导致的图像伪影而采取的脉冲序列校正方法。

背景技术

磁共振成像(MRI)技术已经成为医学诊断中非常有用的手段。通常，在磁共振成像系统中，当被测样品（病人）放入静磁场B₀（B₀方向定义为物理坐标系的z轴方向）中达到平衡时，样品中的原子核（核自旋）因被B₀极化而产生一个宏观的磁化矢量M₀。M₀在射频脉冲的激发下被旋转到水平面（xy平面）里，然后绕z轴作进动。在被测样品周围放置一个接收线圈，它就会感应出磁化矢量进动信号。接收线圈得到的磁共振信号经过放大以及模数转换（ADC）后，进入计算机进行图像重建。一般而言，为了进行磁共振成像，系统还需产生三路正交的梯度磁场，以便对磁共振信号进行空间编码。

采用常规磁共振成像序列进行扫描，单次扫描时间可达几分钟。如此长的扫描时间不仅会给病人带来不适，而且由于呼吸、心搏、胃肠蠕动以及某些自主运动所造成的伪影，使图像质量大大退化。采用快速成像序列可以将单次扫描时间缩短至几秒钟，从而减少图像的运动伪影和病人在扫描过程中的不适。快速自旋回波(FSE)序列是快速成像序列中的一种，已在多数MRI系统中得到应用。与标准自旋回波序列相比，FSE序列的扫描时间大大地缩短。然而，FSE序列成像技术对系统性能的要求较高。

梯度系统的性能对FSE序列图像质量的影响是非常显著的。MRI的梯度系统主要包括梯度波形发生器、梯度功率放大器和梯度线圈。梯度波形发生器产生脉冲序列所需的梯度波形，梯度功率放大器根据脉冲序列参数将梯度波形信号放大，并输出给梯度线圈产生梯度磁场。为了提高图像质量，采用FSE序列扫描之前除了要进行预扫描，一般还需要采用梯度波形预加重（简称预加重）技术对梯度涡流（简称涡流）和梯度系统延时进行补偿和校正。梯度涡流是指梯度磁场快速变换时，在周围金属材料上产生的涡电流。梯度系统延时是指梯度系统中的滤波器及电感等所引起的延时，包括梯度波形发生器、梯度功率放大器和梯度线圈引起的延时。采用预加重技术对梯度系统延时进行校正存在以下问题：

问题1：磁共振系统中，在xyz三个梯度方向上，每一个方向的预加重通道数为3～5。这些通道的时间常数需要根据涡流的特点来设置，由于通道数较少，难以在补偿涡流的同时准确地校正梯度系统延时。

问题2：梯度系统延时是由梯度系统决定的。而涡流除了受到梯度系统影响外，还受到匀场等其他系统的影响。当MRI系统的匀场状态发生改变，涡流会随之改变，需要改变预加重参数来补偿涡流。而梯度系统延时没有改变，此时不能灵活、准确地校正梯度系统延时。

问题3：根据涡流的特点，预加重各个通道输出的信号幅度随时间变化满足e指数衰减规律。预加重输出的e指数波形被叠加在常规的梯度波形上，在短时间内（相对于梯度波形持续时间而言）实现过冲，用于补偿涡流、梯度系统延时产生的影响。为了在短时间内实现过冲，需要配备更大功率的梯度功率放大器。然而，在大部分时间里（梯度波形持续时间），并不需要如此大功率的梯度功率放大器。可见，采用预加重技术校正梯度系统延时，会造成仪器成本提高。

另一种校正梯度系统延时的方法是提前启动梯度波形发生器发出波形。该方法可以解决上述问题，但存在下列问题：

问题4：在磁共振系统中，有物理坐标系x-y-z和成像坐标系s-p-r（即选层方向s、相位编码方向p、读方向r）。选择矢状面、冠状面或者横断面进行成像时，s轴、p轴、r轴分别与x轴、y轴、z轴中的一个轴对应。此时，s、p、r方向的延时可以分别设置为与之对应的x、y、z的延时。当选择斜切面进行成像时，s轴、p轴、r轴均与x轴、y轴、z轴中的两个或者三个轴对应。由于x、y、z方向的梯度系统延时通常是不相等的，而延时校正不足或者过大都会在FSE图像中引起伪影。此时，采用该方法无法兼顾x、y、z的延时。

发明内容

本发明的目的：旨在提供一种快速自旋回波脉冲序列的梯度系统延时校正方法。该方法在克服梯度系统延时对快速自旋回波脉冲序列的影响的同时，不增加磁共振成像系统的硬件成本和系统复杂性。即使x、y、z三个方向的梯度系统延时不相等，梯度功率放大器的功率不足以提供梯度波形中幅度较大的过冲，采用本发明所述方法仍然可以对梯度系统延时进行校正，提高快速自旋回波成像中矢状面、冠状面、横断面以及各种斜切面的图像质量。

本发明包括以下具体步骤：

（1）在读梯度脉冲、选层梯度脉冲之前增加校正梯度脉冲。

（2）已知x、y、z三个方向上的梯度系统延时分别为Dx、Dy、Dz，令Dm等于Dx、Dy、Dz中最大的值，则读梯度脉冲的校正梯度脉冲的持续时间等于2×Dm。该校正梯度脉冲的幅度值与读梯度脉冲的幅度值相等。物理坐标系-成像坐标系转换矩阵中读方向分量与该校正梯度脉冲相关，该读方向分量与归一化梯度系统延时的乘积构成该校正梯度脉冲的幅度合成矩阵。

（3）已知x、y、z三个方向上的梯度系统延时分别为Dx、Dy、Dz，令Dm等于Dx、Dy、Dz中最大的值，则反转脉冲所对应的选层梯度脉冲的校正梯度脉冲的持续时间等于2×Dm。该校正梯度脉冲的幅度值与选层梯度脉冲的幅度值相等。物理坐标系-成像坐标系转换矩阵中选层方向分量与该校正梯度脉冲相关，该选层方向分量与归一化梯度系统延时的乘积构成该校正梯度脉冲的幅度合成矩阵。

（4）激发脉冲所对应的选层梯度脉冲的校正梯度脉冲的持续时间等于成像序列中的默认值T。已知成像序列中该校正梯度脉冲的幅度默认值G_1，选层梯度的幅度值G_0，等效延时Te，则该校正梯度脉冲的幅度值等于                                                

。物理坐标系-成像坐标系转换矩阵中选层方向分量与该校正梯度脉冲相关，该选层方向分量与归一化梯度系统延时的乘积构成该校正梯度脉冲的幅度合成矩阵。

其中：

所述的归一化梯度系统延时是指x、y、z三个方向上的梯度系统延时与三者中最大值的比值，即Dx/Dm，Dy/Dm，Dz/Dm。

所述的等效延时Te是指物理坐标系-成像坐标系转换矩阵中选层方向分量与归一化梯度系统延时相乘，然后再对选层方向分量的x、y、z三个元素的平方和进行开平方运算，所得的非负解为Te。

本发明步骤（2）、（3）、（4）的顺序为任意。 

本发明在克服梯度系统延时对快速自旋回波脉冲序列的影响的同时，不增加磁共振成像系统的硬件成本和系统复杂性。即使x、y、z三个方向的梯度系统延时不相等，梯度功率放大器的功率不足以提供梯度波形中幅度较大的过冲，采用本发明所述方法仍然可以对梯度系统延时进行校正，提高快速自旋回波成像中矢状面、冠状面、横断面以及各种斜切面的图像质量。

附图说明

图1 为本发明所述MRI系统框图；

图2 为本发明实施方式示意图。

图中：RF—射频脉冲；90°_x—激发脉冲；180°_y—反转脉冲；Gs—选层梯度； Gp—相位编码梯度；Gr—读梯度；Echo—回波。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步阐述。

图1为本发明所述MRI系统框图。MRI系统中，磁体101上有用于放置样品的空腔。空腔周围放置梯度线圈102，用于产生选层方向、相位编码方向和读方向的梯度磁场，从而对样品进行空间定位。空腔周围放置射频发射线圈103和射频接收线圈104，发射线圈用于发射射频脉冲来激发样品的磁化矢量，接收线圈用于接收磁化矢量进动信号。梯度线圈102与梯度功率放大器112连接，发射线圈103和接收线圈104分别与射频功率放大器113和前置放大器114连接。

基于计算机130给出的指令，脉冲序列存储电路125根据存储于其中的脉冲序列对梯度波形发生器122和发射机123进行控制。梯度波形发生器122输出具有预定时序和波形的梯度脉冲信号，该信号经过梯度功率放大器112放大，再通过梯度线圈102在磁体空腔内产生梯度磁场。发射机123输出具有预定时序和包络的射频脉冲信号，该信号经过射频功率放大器113放大，再通过射频发射线圈103激发样品中的核自旋。

射频接收线圈104检测到磁化矢量进动信号，该信号经过前置放大器114放大后输入到接收机124。在脉冲序列存储电路125的控制下，接收机124对已放大的信号进行检波和数模转换，得到数字信号。将得到的数字信号传输给计算机130重建图像。显示器/打印机126用于显示/打印扫描得到的图像。

图2为本发明所述快速自旋回波脉冲序列的梯度系统延时校正方法的实施方式示意图。为简要起见，图中只给出了2个回波信号201、202。实际扫描中，回波数目ETL不限于2。在选层梯度脉冲221和激发射频脉冲211的共同作用下，样品中被选层面内的磁化矢量（从z方向）被旋转到xy平面。磁化矢量在xy平面内绕z轴做进动，同时发生“散相”。经过一段时间后，在选层梯度脉冲222和反转射频脉冲212的共同作用下，磁化矢量在xy平面内反转。经过一段（与“散相”过程相同）时间，磁化矢量在xy平面内“会聚”，形成回波201。磁化矢量“会聚”之后再“散相”，反转射频脉冲212使“散相”的磁化矢量再“会聚”。在“散相”与“会聚”交替过程中，形成202等回波。在“会聚”过程中施加相位梯度脉冲231、232，它们分别与回波信号201、202相对应。在“散相”过程中施加去相位梯度脉冲233、234，它们分别与231、232相对应，梯度幅度相等且方向相反。采集回波信号过程中，先后施加读梯度脉冲242和243。

FSE序列中，由磁场不均匀性引起的“相移”，通过反转射频脉冲212加以校正。选层梯度脉冲221和222引起的“相移”，分别通过梯度脉冲223和反转脉冲212加以校正。读梯度脉冲242引起的“相移”，通过梯度脉冲241和243加以校正。相位编码梯度脉冲231(232 ……)引起的“相移”用于该方向上空间定位，因此采样前应保留；采样结束，为了不影响下一次相位编码，通过梯度脉冲233(234 ……)校正。

由于梯度系统延时的存在，会导致采用FSE得到的图像中产生伪影。图2中，选层梯度脉冲224、读梯度脉冲244，用于校正梯度系统延时。此外，选层梯度脉冲223也需要校正。

在磁共振系统中，有物理坐标系x-y-z和成像坐标系s-p-r（即选层方向s、相位编码方向p、读方向r）。选择矢状面、冠状面或者横断面进行成像时，s轴、p轴、r轴分别与x轴、y轴、z轴中的一个轴对应。此时，s、p、r方向的延时可以分别设置为与之对应的x、y、z的延时。当选择斜切面进行成像时，s轴、p轴、r轴均与x轴、y轴、z轴中的两个或者三个轴对应。由于x、y、z方向的梯度系统延时通常是不相等的，而延时校正不足或者过大都会在FSE图像中引起伪影。本发明采用优化223、224、244各自的幅度合成矩阵，以及223的幅度值来达到同时校正x、y、z方向上的梯度系统延时的目的。

以下为本发明所述梯度系统延时的校正步骤。

（1）如图2所示，在快速自旋回波脉冲序列中增加校正梯度脉冲223、224、244。其中，校正梯度脉冲223与原有梯度脉冲223在时间上重合。

（2）已知x、y、z三个方向上的梯度系统延时分别为Dx、Dy、Dz，令Dm等于Dx、Dy、Dz中最大的值，则梯度脉冲244的持续时间等于2×Dm。梯度脉冲244的幅度值与梯度脉冲242的幅度值相等。已知x-y-z坐标系与s-p-r坐标系的转换矩阵A_xyz_spr为[Axs, Axp, Axr; Ays, Ayp, Ayr; Azs, Azp, Azr]，则244的幅度合成矩阵为[Axr×Dx/Dm; Ayr×Dy/Dm; Azr×Dz/Dm] 。

其中，矩阵A_xyz_spr由成像时所选择的断层方向来决定，例如，[1,0,0;0,1,0;0,0,1]代表x方向为选层方向s，y方向为相位编码方向p，z方向为读方向r。244为读方向上的梯度脉冲，因此其幅度合成矩阵中与A_xyz_spr中的Axr、Ayr、Azr有关。

（3）已知x、y、z三个方向上的梯度系统延时分别为Dx、Dy、Dz，令Dm等于Dx、Dy、Dz中最大的值，则梯度脉冲224的持续时间等于2×Dm。梯度脉冲224的幅度值与梯度脉冲222的幅度值相等。已知x-y-z坐标系与s-p-r坐标系的转换矩阵A_xyz_spr为[Axs, Axp, Axr; Ays, Ayp, Ayr; Azs, Azp, Azr]，则244的幅度合成矩阵为[Axs×Dx/Dm; Ays×Dy/Dm; Azs×Dz/Dm] 。

224为选层方向上的梯度脉冲，因此其幅度合成矩阵中与A_xyz_spr中的Axs、Ays、Azs有关。

（4）已知x-y-z坐标系与s-p-r坐标系的转换矩阵A_xyz_spr为[Axs, Axp, Axr; Ays, Ayp, Ayr; Azs, Azp, Azr]，223的幅度值的默认值为G_1，持续时间为T，221的幅度值为G_0。则223的幅度合成矩阵为[Axs×Dx/Dm; Ays×Dy/Dm; Azs×Dz/Dm] ，223的幅度值为Go_1,

。

223为选层方向上的梯度脉冲，因此其幅度合成矩阵中与A_xyz_spr中的Axs、Ays、Azs有关。

上述校正过程中，步骤（2）、（3）、（4）的顺序可以为（2）-（3）-（4）、（2）-（4）-（3）、（3）-（2）-（4）、（3）-（4）-（2）、（4）-（2）-（3）或（4）-（3）-（2）。

Claims (2)

1.一种快速自旋回波脉冲序列的梯度系统延时校正方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：

（1）在读梯度脉冲、选层梯度脉冲之前增加校正梯度脉冲；

（2）已知x、y、z三个方向上的梯度系统延时分别为Dx、Dy、Dz，令Dm等于Dx、Dy、Dz中最大的值，则读梯度脉冲的校正梯度脉冲的持续时间等于2×Dm；该校正梯度脉冲的幅度值与读梯度脉冲的幅度值相等；物理坐标系-成像坐标系转换矩阵中读方向分量与该校正梯度脉冲相关，该读方向分量与归一化梯度系统延时的乘积构成该校正梯度脉冲的幅度合成矩阵；

（3）已知x、y、z三个方向上的梯度系统延时分别为Dx、Dy、Dz，令Dm等于Dx、Dy、Dz中最大的值，则反转脉冲所对应的选层梯度脉冲的校正梯度脉冲的持续时间等于2×Dm；该校正梯度脉冲的幅度值与选层梯度脉冲的幅度值相等；物理坐标系-成像坐标系转换矩阵中选层方向分量与该校正梯度脉冲相关，该选层方向分量与归一化梯度系统延时的乘积构成该校正梯度脉冲的幅度合成矩阵；

（4）激发脉冲所对应的选层梯度脉冲的校正梯度脉冲的持续时间等于成像序列中的默认值T；已知成像序列中该校正梯度脉冲的幅度默认值G_1，选层梯度的幅度值G_0，等效延时Te，则该校正梯度脉冲的幅度值等于                                                

；物理坐标系-成像坐标系转换矩阵中选层方向分量与该校正梯度脉冲相关，该选层方向分量与归一化梯度系统延时的乘积构成该校正梯度脉冲的幅度合成矩阵；

其中：

所述的归一化梯度系统延时是指x、y、z三个方向上的梯度系统延时与三者中最大值的比值，即Dx/Dm，Dy/Dm，Dz/Dm；

所述的等效延时Te是指物理坐标系-成像坐标系转换矩阵中选层方向分量与归一化梯度系统延时相乘，然后再对选层方向分量的x、y、z三个元素的平方和进行开平方运算，所得的非负解为Te。

2.根据权利要求1所述的梯度系统延时校正方法，其特征在于该方法的步骤（2）、（3）、（4）的顺序为任意的。

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