CN102428382A - 通过k空间相关rf脉冲选择来降低并行发射中的sar - Google Patents

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Abstract

当使用多通道发射线圈布置生成MR图像时，通过在单个扫描中采用若干不同RF脉冲来减小SAR。每个RF脉冲呈现不同的性能和/或精度，得到不同的特定RF脉冲的SAR值。结果，所述RF脉冲在实际激励图样、B1波形和/或k空间轨迹等有些许不同。与固定RF脉冲相比，单个扫描上的平均SAR因此减小，而不损坏图像质量。

Description

通过K空间相关RF脉冲选择来降低并行发射中的SAR
技术领域
本发明具体应用在磁共振成像(MRI)系统中。然而，将意识到所描述的技术也可应用在其他成像系统、其他磁共振方案、其他图像数据收集技术等中。
背景技术
在MRI系统中的并行发射在最近几年来已成为重要的兴趣主题。多个单个射频发射线圈的使用被用于克服B1均匀性的限制，并用于通过缩短多维RF脉冲的持续时间来改善多维RF脉冲。在所有这些发射应用中特别关注的是比吸收率(SAR)，所述SAR须被保持在一定限制之下，以避免过多地加热患者。已经讨论了不同的途径来降低并行发射中的SAR。RF脉冲设计中的自由度允许选择具有最小SAR的方案，例如通过正规化技术帮助执行低SAR。此外，k空间轨迹和RF波形之间的相互作用可被用于降低SAR(例如，以可变速率的选择性激励或VERSE的技术)。然后因此获得的最佳RF脉冲被用于相应的MR扫描。从这一角度上说，并行发射RF脉冲几乎独立于MR信号采样过程被最佳化。SAR限制，尤其在高强度场，是MR中严重的问题。
本应用提供用于减小MR检查中的SAR的新的和改进的系统和方法，所述系统和方法克服了上面提到的问题和其他问题。
发明内容
根据一方面，一种以减小的比吸收率(SAR)采集MR数据的方法包括：使用两个或更多个发射线圈在MR采集扫描期间施加磁共振序列以生成MR扫描数据，其中在该磁共振序列中重复施加至少一个RF脉冲；改变重复施加的RF脉冲的成分，从而RF脉冲在一些重复中比在其他重复中带来更低的SAR；以及采集k空间中的MR扫描数据。
根据另一方面，用于减小比吸收率(SAR)的磁共振系统包括：两个或更多个发射RF线圈、RF脉冲发生器和控制RF脉冲发生器以施加具有至少一个重复施加的RF脉冲的MR扫描序列的处理器。处理器还在重复施加的RF脉冲的至少两个预生成的形式之中进行选择，其中每个形式呈现不同的SAR并具有不同频率成分。而且，当从k空间的第一个区域中采集MR数据时，处理器向RF脉冲发生器供应重复施加的RF脉冲的更高频率形式，而当从k空间的第二区域中采集MR数据时，处理器向RF脉冲发生器供应重复施加的RF脉冲的更低频率形式，并且处理器处理MR数据。所述系统还包括显示所处理的MR数据的显示器。
一个优点是减小了整个扫描的总体SAR。
另一个优点是改善或至少保持图像质量。
本领域普通技术人员在阅读和理解以下详细的说明书的基础上将意识到本主题发明的进一步的优点。
附图说明
附图仅为了说明不同方面的目的，而不将其解释为限制性的。相应的附图标记当被用于不同附图中时表示在所述附图中的相应元件。
图1图示了通过在采集扫描期间根据k空间位置改变RF脉冲以便于减小多发射MRI设备中的SAR的系统。
图2图示了RF脉冲的SAR及其总体精度和/或性能之间的关系的曲线图。
图3图示了在四通道并行发射系统中使用2D空间选择性RF脉冲用于局部激励的激励读出。
图4图示了使用一类在其空间定义上不同的RF脉冲针对k空间中的单个线执行的信号激励的表示。
图5图示了在2D采样k空间中不同区域的圆形段布置。如果测量相应的相位编码步骤kx、ky，则预先计算且应用八个不同并行发射的RF脉冲。
图6显示了八通道发射线圈中的八个横向B1线圈的线圈灵敏度。
图7显示了八通道线圈布置中对应的本征模。
图8图示了用于根据在此描述的一个或多个方面减小多通道发射线圈MRI设备中的SAR的方法。
具体实施方式
图1图示了通过在采集扫描期间根据k空间位置改变RF脉冲以便于减小多发射MRI设备中的SAR的系统10。例如，RF脉冲被设计为具有预选择的空间定义。具有更高空间定义的脉冲给出更精确的图像，但是具有更高的SAR。通过在k空间的一些区域中使用具有序列的标准空间定义的RF脉冲，及在其他区域使用减小的空间定义的脉冲，减小了序列的总体SAR。例如，更高空间定义的脉冲被用于k空间的低效率部分，而更低空间定义的脉冲被用于k空间的高频率区域中，但还可能有其他的分配。尤其在具有多个独立操作的RF发射器的MR扫描器中，在设计B1匀场脉冲上具有更高的灵活性。这一灵活性被所描述的系统和方法采用以根据k空间区域也调整B1匀场来减小序列的总体SAR。
系统10包括耦合到处理器14的MR设备或扫描器12、存储器16(例如计算机可读介质)以及将信息显示给用户的显示器18。存储器存储，且处理器执行，用于执行在此描述的各种功能的一个或多个计算机可执行指令。将意识到存储器、处理器和/或显示器可以与MR设备12分离或集成到MR设备12中。
MR设备12包括生成射频(RF)B1脉冲的RF脉冲发生器20，每个脉冲根据处理器的指示进行配置。MR设备还包括通过多通道发射RF脉冲的多通道发射器(MCTx)22。存储器16存储RF脉冲查询表(LUT)24，所述查询表包括与k空间中的特定位置交叉参照的多个预生成的RF脉冲图样。LUT 24在MR采集扫描期间由处理器访问，以识别特定RF脉冲，所述RF脉冲将由RFPG20生成且在扫描k空间的相应区域时通过MCTx22以特定序列或图样发射。根据另一方面，RF脉冲是预计算的，被存储在LUT 24中，且根据需要被调用。在扫描期间检测到的k空间数据26被存储到存储器16中。在多通道MR系统中，通常具有多个独立RF线圈，每个线圈被相应的RF发射器或多通道发射器22的通道独立驱动。
存储器存储归一化的均方根误差(NRMSE)计算算法28，处理器执行该算法以相对于在极大SNR下利用固定的最佳RF脉冲的采集扫描，估计一个或多个可变RF脉冲序列或方案的性能。对于给定的NRMSE，处理器将在一个扫描中使用不同或可变RF脉冲的本征模的平均SAR(SARv)与固定RF脉冲模式的本征模的平均SAR(SARf)进行比较。匀场算法30也被存储在存储器16中，且由处理器14执行以根据k空间的区域调整B1匀场。例如，当采集k空间的高频(周边)区域的扫描数据时，一个或多个本征模被用于对B1场匀场，而当采集k空间的低频(中间)区域的扫描数据时，单个的中心本征值被用于对B1场匀场。然而，将意识到其他方案也是可想到的。
存储器存储MR设备12中的多元件线圈的发射线圈灵敏度数据32，该数据32的信息由处理器14进行分析。例如，每个线圈的线圈灵敏度信息被分解为相应的本征模34。基于所要求的精度水平，考虑不同数量的本征模用于RF匀场。在这一方式下，处理器选择适当的匀场算法30用于在给定的k空间区域中实现需要的SAR。
存储器还存储一个或多个重建算法36(例如计算机可读指令)，所述重建算法36由处理器执行以将所采集的k空间数据26重建为SAR减小的MR图像38。
由MCTx22实现的并行发射是一种改善高强度场MRI(例如大于3T)下的B1发射场的均匀性，或者加速精密的多维RF脉冲的有效途径。与典型的高强度场应用相关联的一个问题是限制比吸收率(SAR)。系统10便于在采用并行发射技术的MR设备12中减小SAR。在磁共振成像扫描器(MRI)或者MR光谱学扫描器(MRS)的数据采集中所采样的k空间的不同区域对信号瑕疵呈现不同的灵敏度。
在多通道发射扫描器中，每个B1脉冲是来自每个通道的B1分量的级联。通过调整每个通道的相应配置，可以建立不同配置的但是“相似”或类似的RF脉冲。例如，在自旋回波序列中，重复施加180°翻转的脉冲。取代针对整个图像采集使用单个类型或固定的RF脉冲，系统10以k空间相关方式使用不同配置的RF脉冲，例如，不同配置的180°脉冲。这些不同配置的相似RF脉冲中的每个可呈现不同的性能(例如，精度、k空间轨迹、通道幅值、相位、采用的B1通道等等)，得到不同的SAR值。通过针对扫描中的一些脉冲使用更低SAR的RF脉冲，与采用同样配置的RF脉冲的扫描相比，使用不同配置的RF脉冲的单个扫描的平均SAR可因此被减小而不损坏主要图像质量。这一概念也可适用于RF匀场、重聚焦RF脉冲和其他在信号采样之前用来调整纵向磁化的磁化准备RF脉冲。后者还包括非空间选择性但是例如化学位移选择性脉冲的RF脉冲。在这种情况下，将使用的对应类的RF脉冲可在这一方面不同。
图2图示了RF脉冲的SAR及其总体精度之间的关系的曲线图50。高定义的RF脉冲性能与高SAR对应。在所描述的系统和方法中，RF脉冲设计被认为与信号采样过程相关。这一方法的一个考虑是k空间中的不同区域对信号缺陷显示不同的灵敏度(参看，例如Fuderer M.IEEE TMI1988；7：368-80；van Vaals J.等人JMRI 1993；3：671-75；Weiger M等人MRM1997；38：322-33)，这一点从匙孔成像(参看，例如van Vaals J.等人JMRI1993；3：671-75)和运动适应门控(参看，例如Weiger M等人MRM1997；38：322-33)中可知。因而，替代对于整个MR扫描使用固定的RF脉冲配置，在单个扫描中采用两个或更多个不同配置的重复RF脉冲。这些RF脉冲中的每个可呈现不同的性能和/或精度，得到不同的特定RF脉冲的SAR值。因而，RF脉冲可在实际激励图样、B1波形和/或k空间轨迹等等上些许不同。因此与使用固定RF脉冲的扫描相比在扫描上的平均SAR可被减小，而不牺牲图像质量。
图3图示了针对使用2D空间选择性RF脉冲的局部激励的激励读出60。所述读出允许使用四个单个发射RF通道(相应标记为RF1(i)、RF2(i)、RF3(i)和RF4(i))的2D放大的自旋扭曲成像。Gx和Gy表示正交磁性梯度的波形，且ADC是模数转换器，显示当设备在序列期间处于激活的时候。应当注意的是，对于每个ky，可以使用单个RF脉冲RF(i)来优化整个扫描的平均SAR。
根据示例，考虑笛卡尔自旋扭曲采样方案。2D RF激励脉冲被用于局部性MR，限制信号产生的区域。采样在比所使用的RF脉冲的激励场(FOX)更小的视场(FOV)中执行。
图4图示了使用一类在其空间定义上不同的RF脉冲针对k空间中的单个线执行的信号激励的表示70。在包括采样FOV74(点划线框)在内(左边)的FOX72中给出的RF脉冲图样与成像k空间76对应。色条78指示，具有不同空间定义的RF脉冲被用于ky采样。通过利用高斯核(相对于采样FOV而言0.1-4.0像素FWHM)对RF脉冲靶标磁化进行滤波，且根据Grissom等人(MRM 2006；56：620-29)计算并行发射RF脉冲，同时估计所述并行发射RF脉冲对应的SAR(参见，例如Graesslin I，等人2008；ISMRM 621)，来实现空间定义RFj(1)、RFj(2)、RFj(3)、RFj(4)。用不同度的空间定义来建立重复施加的RF脉冲，并因而具有不同水平的SAR，所述不同度的空间定义为从接近k空间的中心的低定义RFj(4)逐渐到邻近k空间的边缘的更高水平的空间定义。从单个RF脉冲到对应的k空间位置的映射可以根据经验完成，或者可使用先前提到的NRMSE计算算法。MR信号采样可在假定128×128的矩阵的前提下来执行。为了针对给定的相位编码步骤ky确定使用哪一RF脉冲来生成信号，可在考虑激励图样的k空间表示的能量的情况下进行试错法搜寻(例如通过图1中的处理器14)。
在单个采集扫描中使用不同配置的相似RF脉冲可导致数据的不一致性。因此，作出关于产生的错误是由普通图像噪声还是从本底噪声突起(即超出的值)的伪影支配的决定。在一个示例中，可以假定预定的SNR(例如15)。为了判断不同RF脉冲配置的性能，针对在极大SNR下利用固定的且最优的RF脉冲配置的采集扫描，计算出归一化的均方根误差(NRMSE)。
表1提供了图示出在以些许增加的激励误差(NRMSE)为代价的潜在SAR减小之间的折衷的示例性数据。
表1
Figure BDA0000104748010000061
对于给定误差(NRMSE)，将扫描中使用不同或可变RF脉冲配置的模式的平均SAR值(SARv)和对于在整个扫描采用最好的RF脉冲的固定配置的RF脉冲模式的平均SAR值(SARf)进行比较。当容忍更高的误差时，达到更大的SAR减小，这取决于给定的和/或期望的信噪比(SNR)。在对应于更高的NRMSE(参见上面表1中的0.25的实例)的低SNR的情况中，SAR减小了33％。然而，上面描述的示例性方案可能不是最优的，因为包括了可使结果模糊的频率编码。因而可采用纯粹的2D相位编码来提升所描述的技术的功效。例如，这一概念可被应用在重聚焦RF脉冲和所有类型的磁化预备RF脉冲中。
图5图示了在k空间的2D采样中的圆环布置80。在每个环82中，从不同部件(例如不同配置的)配置RF脉冲以带来不同量的SAR。在RF匀场的实例中，可以针对每个RF脉冲使用相同的基本RF波形和k空间轨迹，但是对于不同k空间位置中的单个通道可以使用一组不同的发射幅值和相位。曲线84示意性地以一维(径向)的方式指示用于匀场的本征模的数量，即最大的匀场处于k空间的中心，更小的匀场朝向周边。
在一个实施例中，针对每个类型的脉冲预计算两个或更多个脉冲配置(例如通过图1中的处理器14)且进行存储(例如在图1中的存储器16中)。例如，可提供计算机程序(例如存储在存储器16中且由处理器14执行)，所述计算机程序根据将要执行的k空间采样步骤选择对应的RF脉冲配置或RF脉冲。除了针对不同RF通道的不同B1波形，如果在扫描期间k空间轨迹也将被改变，则也可能预存储对应的梯度波形并在扫描期间将其激活。
为进一步便于理解所描述的系统和方法，提供了以下的示例，这一示例可由图1中的系统10执行。在高强度场系统中执行3D MRI扫描。采用B1匀场以减小由波的传播效应带来的B1变化。在每个RF通道上，传播相同的基本RF脉冲波形(例如在选择梯度中用于切片选择的正弦波形，或类似)，但是对于i个不同通道，幅值和相位
Figure BDA0000104748010000071
是不同的，以便于RF匀场。在扫描之前，计算若干不同RF匀场组
Figure BDA0000104748010000072
其对应的SAR是不同的，因而其B1匀场性能些许不同。
在采样方案的对应2D相位编码空间中，定义不同区域，针对该不同区域应用不同RF匀场设置。在这一特殊示例中，在k空间的中心部分，采用低SAR设置，因为这里将采集低空间频率，证明了使用RF匀场设置而忽略高空间频率。对于k空间中的更高相位编码步骤，使用具有更好空间定义但是具有更高SAR的RF匀场设置。在不了解将要扫描的对象的情况下，使用如图5中给出的简单的RF脉冲应用图样。曲线84指示线圈特定模式的预期数量，所述线圈特定模式与RF脉冲的空间精度和SAR有关。将意识到所描述的分布是用于说明性目的，而不被解释为限制性的含义，且根据这里描述的特征和方面，其他分布是可想到的。
为延续这一示例，图6和7图示了操控RF脉冲的性能和对应的SAR的本征模方法。图6显示在八通道发射线圈中的八个横向B1线圈的线圈灵敏度90，其中所述线圈被分别标记为线圈0-线圈7。图7显示了针对八通道发射线圈配置的本征模100，再次被分别标记为本征-线圈0-本征-线圈7。应当理解的是，这些本征模也可被认为是虚拟的线圈；因此，关于图7的对本征模的描述中使用名词“线圈”。
多元件线圈的发射灵敏度可被分解为它们的本征模。基于预期的精度水平，考虑不同数量的本征模用于RF匀场。每个本征模的实现与对应于给定SAR的特定RF功率相关。然而，可考虑其他虚拟线圈分解，该其他虚拟线圈分解捕获阵列的空间发射属性，且与SAR相关。这样的分解也被称为“模式”。由于这一方法被迭代执行，因此能够省略当前最高的本征模，且使用剩余的本征模来解决B1匀场问题，以确定呈现减小的SAR的匀场系数
Figure BDA0000104748010000081
根据另一个示例，如图3中描述的那样，2D RF脉冲被用于选择性局部激励。附加地或替代地，使用不同范围的脉冲频率成分来生成多通道发射系统中的磁化预备RF脉冲。
图8图示了根据在此描述的一个或多个方面减小多通道发射线圈MRI设备12(图1)中的SAR的方法。在识别步骤110，识别将被MRI设备(12)采用的扫描序列。扫描序列包括描述k空间数据采集的顺序的信息，例如扫描外围(高分辨率)的k空间及然后扫描中心(低分辨率)的k空间，或反之亦然。在查询表的步骤112，执行表查询以识别与所识别的扫描序列匹配的预生成的脉冲图样。脉冲图样通常包括RF预备脉冲、激励脉冲和其他磁化操控脉冲。对于每个RF脉冲，存储至少两个不同的脉冲配置，例如具有低和高频率成分的空间上精确的脉冲配置和具有或不具有减少的高频成分的空间上较不精确的脉冲配置。在采集外围k空间数据期间采用更高频脉冲，在采集中心k空间数据期间采用更低频脉冲，尽管如此，将意识到，可设想其他顺序并旨在在此描述的本发明的范围内考虑该其他顺序。例如，如果所识别的扫描序列在采集外围k空间数据之后采集中心k空间数据，那么将识别出的脉冲图样包括高频RF脉冲及之后的低频RF脉冲。
在数据采集步骤114，使用所识别的脉冲图样执行所识别的扫描序列以采集MR扫描数据。在图像输出步骤116，在显示器上输出SAR减小的MR图像(例如，在重建所采集的扫描数据之后，等等)。以这一方式，采用可变RF脉冲以减小MR图像上的SAR。
根据另一个实施例，执行B1场匀场以减小SAR。例如，当采集外围k空间数据时，在匀场算法中可以采用一个或多个本征模，而当采集中心k空间数据时，在匀场算法中可采用单个中心本征模。
可以通过改变多发射系统的发射元件的相对贡献，改变频率成分等，来改变给定RF脉冲的成分。
已参考示例性实施例描述了本发明。在阅读和理解在先的详细描述的基础上其他人可以进行修改和变更。旨在将本发明解释为包括所有这种修改和变更，只要其落入所附权利要求或其等效物的范围内。在权利要求中，放置在括号内的任何附图标记都不应被解释为限制该权利要求。词语“包括”并不排除除在权利要求中列出的那些元件或步骤以外的元件或步骤的存在。元件之前的冠词不排除多个这样的元件的存在。所公开的方法可借助于包括若干独立元件的硬件，和借助于适当编程的计算机来实现。在系统权利要求中列举了若干装置，这些装置中的多个可体现为一个并且是同一计算机可读软件或硬件。在互不相同的从属权利要求中引用某些措施这一事实并不表明使用这些措施的组合是不利的。

Claims (15)

1.一种以减小的比吸收率(SAR)采集MR数据的方法，所述方法包括：
使用两个或更多个发射线圈在MR采集扫描期间施加磁共振序列以生成MR扫描数据，其中在所述磁共振序列中重复施加至少一个RF脉冲；
改变所述重复施加的RF脉冲的组成，从而使得所述RF脉冲在一些重复中比在其它重复中带来更低的SAR；以及
采集k空间中的所述MR扫描数据。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将所述扫描数据重建为图像；以及
进行以下中的至少一个：显示和存储所述图像
3.根据权利要求1所述的方法，其中，更低SAR的RF脉冲具有更低的频率成分，而其他RF脉冲还包括更高的频率成分。
4.根据权利要求1所述的方法，其中：
在k空间的外围区域中使用具有更高频率成分的所述重复施加的RF脉冲来采集所述MR扫描数据，而在k空间的中心区域中使用具有更低频率成分的所述RF脉冲来采集所述MR扫描数据；或者
在k空间的中心区域中使用具有更高频率成分的所述重复施加的RF脉冲来采集所述MR扫描数据，而在k空间的外围区域中使用具有更低频率成分的所述RF脉冲来采集所述MR扫描数据。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
当采集外围k空间数据时，使用一个或多个本征模对B1场匀场；以及
将采集中心k空间数据时，使用单个中心本征模对B1场匀场。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述重复施加的RF脉冲的所述成分包括来自多个发射通道中的每个的贡献，并且其中，改变所述重复施加的RF脉冲的组成包括改变所述贡献的权重和所述RF脉冲的k空间轨迹。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，低频率RF脉冲是一维RF脉冲，并且其中，高频率RF脉冲是至少二维RF脉冲。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述RF脉冲是在多通道发射系统中采用的磁化预备RF脉冲。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，具有更低SAR的所述重复施加的RF脉冲具有更低的空间分辨率，而具有更高SAR的重复施加的RF脉冲具有更高的空间分辨率。
10.一种多发射通道MRI设备(12)，其包括RF脉冲发生器(20)，所述RF脉冲发生器(20)生成用于执行根据权利要求1所述的方法的各种形式的所述重复施加的RF脉冲。
11.一种承载用于控制处理器(12)以执行根据权利要求1所述的方法的软件的计算机可读介质(14)。
12.一种用于减小比吸收率(SAR)的磁共振系统(12)，所述系统包括：
两个或更多个发射RF线圈；
RF脉冲发生器；
处理器，其被配置为：
控制所述RF脉冲发生器以施加具有至少一个重复施加的RF脉冲的MR扫描序列；
在所述重复施加的RF脉冲的至少两个预生成的形式中进行选择，其中每个形式呈现不同的SAR并且具有不同的频率成分；
当从k空间的第一个区域中采集MR数据时，向所述RF脉冲发生器供应所述重复施加的RF脉冲的更高频率形式，而当从k空间的第二区域中采集MR数据时，向所述RF脉冲发生器供应所述重复施加的RF脉冲的更低频率形式；以及
处理所述MR数据；以及
显示器，其被配置为显示经处理的MR数据。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述RF线圈包括多个RF发射线圈，每个RF线圈连接到对应的RF脉冲发生器，并且其中，高频率的RF脉冲任选地是至少二维的RF脉冲。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述处理器(14)执行计算机可执行的指令以用于：
当采集外围k空间数据时，使用一个或多个本征模对B1场匀场；以及
当采集中心k空间数据时，使用单个中心本征值对B1场匀场。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，k空间的所述第一区域是k空间的中心区域和k空间的外围区域中的一个，并且其中，k空间的所述第二区域是k空间的所述中心区域和k空间的所述外围区域中的另一个。
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