CN102298129A - 一种用于核磁共振成像系统的涡流测量及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于核磁共振成像系统的涡流测量及补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：（ 1 ）使用核磁共振成像系统对样品施加一个梯度脉冲；（ 2 ）使用 90 °脉冲激发样品并采集 90 °脉冲激发之后样品产生的自由衰减信号；（ 3 ）用多指数函数拟合所述自由衰减信号的时间序列，得到所需的校正参数；（ 4 ）将所述校正参数输出到谱仪中实现涡流补偿。本发明提供的涡流测量序列能够高效率地采集完整的涡流相位信息；测试支架能够精确定位样品位置；采用四组指数函数模型，能够快速、精确地拟合出涡流曲线；通过多次迭代校正幅度常数，实现了补偿效果的最优化。

Description

一种用于核磁共振成像系统的涡流测量及补偿方法

技术领域

本发明属于核磁共振成像技术领域，尤其是一种用于核磁共振成像系统的涡流测量及补偿方法。

背景技术

在核磁共振系统成像过程中，梯度线圈中的电流随时间快速切换，会在周围导体结构中产生涡流，涡流会产生一个空间和时间上都不断变化的磁场，使成像区域内的梯度场产生畸变，进而影响成像质量。因此需要对脉冲序列发出的梯度波形进行预加重校正，使得实际产生的梯度场更接近理想形状，该过程被称为“涡流补偿”。涡流补偿通常采用的方法是，首先测量并采集涡流的相位信息，然后建立涡流的数学物理模型，最后依据该模型对梯度波形进行预加重校正。普遍公认的模型是多指数函数模型，相应的幅度和时间常数作为校正梯度波形的参数。测量涡流的序列及方法在实际应用中各不相同，多指数函数的具体形式也各异。但是现有的测量以及补偿方法不能高效率地采集完整的涡流相位信息，并且不能实现补偿效果的最优化。

发明内容

本发明目的是：提供一种能够快速、精确地拟合出涡流曲线，实现补偿效果的最优化的用于核磁共振成像系统的涡流测量及补偿方法。

本发明的技术方案是：对样品施加一个梯度脉冲，然后用90°脉冲激发样品，采集90°脉冲之后样品产生的自由衰减（FID）信号。该信号的相位是一个以90°脉冲中心为时间起点的时间函数。然后用一套多指数函数拟合该信号时间序列，得到所需的校正参数，将这些参数输出到谱仪中即可实现涡流补偿。X, Y, Z三个方向的涡流相互独立，可以各自独立测量，分别补偿来消除其对梯度场产生的畸变影响。以X方向为例，具体过程如下：

（1）以系统主磁场中心为坐标系原点，建立测试支架。样品为装满水的试管，可以在测试支架的X轴、Y轴、Z轴三个方向上移动。测试架上标有刻度，能够精确定位样品。

（2）设计涡流测量序列：脉冲序列时序如图1所示，在X轴方向上，对测试样品先后发出两个方向相反、幅度相同的梯度脉冲。其平台期时间较长，以保证梯度上升期所激励的涡流衰减至可以忽略不计。梯度脉冲结束后，利用90°脉冲激发样品，产生FID信号，分别采集两个正负梯度之后的FID信号，记为

和

。信号

满足：

                          [1]

其中

，即为信号的相位。 是实际梯度场，是涡流产

的涡流场

和理想梯度场

的叠加：

。

的大小是梯度变化率与系统响应函数的卷积：

                            [2]

其中

，

为幅度常数， 为时间常数。归一化之后的正负梯度相位差为：

            [3]

                                                             [4]

其中G为梯度强度，

为梯度脉冲下降期时间长度，

为梯度脉冲结束与90°脉冲之间的间隔时间，积分时间零点取为90°脉冲的中心。

（3）分别在X轴正负对称的两个位置

和

运行测量序列，得到两组归一化相位差和 ，则可以得到：

                            [5]

（4）根据公式 [4]和 [5]，用最小二乘法拟合出幅度常数

和时间常数

。

（5）根据校正参数补偿之后的实际梯度场会激发出新的涡流，因此不可能通过一次补偿完全消除涡流，需要重复上述（3）和（4）的过程，多次迭代。由于系统的物理结构固定，所以涡流响应函数的时间常数应该为固定值，所以只需要多次迭代校正幅度常数，最后确定的幅度常数为多次迭代结果

之和。

本发明的优点是：

本发明提供的涡流测量序列能够高效率地采集完整的涡流相位信息；测试支架能够精确定位样品位置；采用四组指数函数模型，能够快速、精确地拟合出涡流曲线；固定时间常数，通过多次迭代校正幅度常数，实现了补偿效果的最优化。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的梯度脉冲序列时序图。

图2为本发明90°脉冲之后400ms内的涡流积分曲线。

图3为第一次补偿前的涡流曲线。

图4为第一次补偿后的涡流曲线。

图5为第一次补偿后的涡流积分曲线。

图6为第二次补偿后的涡流曲线。

图7为未补偿前和5次补偿之后的涡流曲线比较。

图8为FID信号的相位变化曲线。

具体实施方式

实施例：

以X轴方向为例，Y轴、Z轴同理：

（1）设置初始参数，梯度强度G为20mT/m，梯度脉冲平台期为300ms，上升和下降时间长度为1ms，数据采样时间为0.01ms，测试样品位置坐标为（0.06m, 0, 0）。

（2）运行涡流测量序列，并先后采集正负梯度脉冲之后的信号 和

，该信号相位反映了涡流在（0.06m, 0, 0）对梯度场的畸变影响，所得数据由公式[3]计算出未补偿涡流时的正负梯度相位差

。

（3）将样品移动到对称的坐标位置（-0.06m, 0, 0），再运行测量序列，测量并计算出 。

（4）由公式[5]整理所得数据，算得涡流对时间的积分。图2所示即为90°脉冲之后400ms内的涡流积分曲线。

（5）根据公式[4]，利用最小二乘法对（4）中所得曲线进行拟合，得到公式[4]中的待定参数。其中N取4，表示采用四组指数函数进行拟合，得到相应幅度常数

和时间常数 （n=1, 2, 3, 4）如表1所示。

表

	1	2	3	4
						3.445	-0.596	2.116	0.007
/ms	3.8343	27.6773	62.1389	198.1330

（6）将所得幅度常数和时间常数输入到谱仪中，对（1）中所设置的原梯度波形进行预加重，达到消除涡流的目的。图3和图4分别是第一次涡流补偿前后的涡流，可以看到，通过第一次梯度预加重，效果明显，消除了大部分涡流，但是在前2000个采样点的涡流仍然较大，即前20ms内的涡流仍然不能忽略，需要进行多次迭代予以消除。

（7）迭代补偿过程：由于系统的物理结构固定，所以涡流响应函数的时间常数应该为固定值，而幅度常数应该是多次迭代结果的累加。第一次补偿之后，重复前述（2）~（4）步操作，得到新的涡流积分，如图5所示。重复步骤（5）得到第二组指数常数，如表2所示。

表

	1	2	3	4
						-5.4373	-0.1127	-0.0524	0.1395
/ms	3.8343	27.6773	62.1389	198.1330

将表1和表2中 叠加，即得到第二次补偿的幅度常数，而时间常数不变。第二次补偿结果如图6所示。

（8）经过反复迭代4次，幅度常数逐步收敛，最终幅度及时间常数见表3。图7为未补偿和5次补偿之后涡流曲线比较。FID信号的相位变化趋于一条直线，如图8所示，表明涡流基本被消除，补偿完毕。

表3 

	1	2	3	4
						0.4760	-0.4370	1.8300	0.2760
/ms	3.8343	27.6773	62.1389	198.1330

Claims (4)

1.一种用于核磁共振成像系统的涡流测量及补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）使用核磁共振成像系统对样品施加一个梯度脉冲；

（2）使用90°脉冲激发样品并采集90°脉冲激发之后样品产生的自由衰减信号；

（3）用多指数函数拟合所述自由衰减信号的时间序列，得到所需的校正参数；

（4）将所述校正参数输出到谱仪中实现涡流补偿。

2.根据权利要求1所述的用于核磁共振成像系统的涡流测量及补偿方法，其特征在于，所述步骤（1）具体为：以所述核磁共振成像系统的主磁场中心为坐标系原点，建立测试支架，所述样品可以在测试架的X轴、Y轴、Z轴三个方向上移动；在X轴方向上，对测试样品先后发出两个方向相反、幅度相同的梯度脉冲，所述梯度脉冲平台期时间较长，以保证梯度上升期所激励的涡流衰减至可以忽略不计；Y轴、Z轴采用相同的操作。

3.根据权利要求2所述的用于核磁共振成像系统的涡流测量及补偿方法，其特征在于，所述步骤（2）、（3）具体为：所述梯度脉冲结束后，利用90°脉冲激发样品，产生自由衰减信号，分别采集两个正负梯度之后的自由衰减信号，记为                                                

和

，信号

满足：

，                          

其中

为信号的相位；

是实际梯度场，是涡流产生的涡流场

和理想梯度场

的叠加； 

的大小是梯度变化率与系统响应函数的卷积：

 ，                           

其中

，

为幅度常数， 

为时间常数；归一化之后的正负梯度相位差为：

            

                                                                  

其中G为梯度强度，为梯度脉冲下降期时间长度，

为梯度脉冲结束与90°脉冲之间的间隔时间，积分时间零点取为90°脉冲的中心；

分别在X轴正负对称的两个位置和

运行测量序列，得到两组归一化相位差

和

，则可以得到：

，根据所述公式

和，处理后的测量数据，用最小二乘法拟合出所需的幅度常数和时间常数。

4.根据权利要求3所述的用于核磁共振成像系统的涡流测量及补偿方法，其特征在于，将所述步骤（2）、步骤（3）多次重复，多次迭代，将多次迭代结果

求和得到最后的幅度常数。

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