CN102540125B

CN102540125B - 一种磁共振成像系统磁场梯度延时的快速测量方法

Info

Publication number: CN102540125B
Application number: CN201210006720.XA
Authority: CN
Inventors: 宁瑞鹏; 李鲠颖
Original assignee: KALEFU MAGNETIC RESONANCE TECH Co Ltd SHANGHAI; East China Normal University
Current assignee: SHANGHAI KANGDA COLORFUL MEDICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.; East China Normal University
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-01-11
Also published as: CN102540125A

Abstract

本发明公开了一种磁共振成像系统磁场梯度延时的快速测量方法，该方法采集两组回波信号，然后利用回波峰点出现的时间计算梯度延时。本发明在不对接收机带宽提出更高要求的前提下，提高了梯度延时的测量精度；该方法执行一次即可测量一个梯度通道的梯度延时，可以减小主磁场不稳定性对梯度延时测量所产生的不利影响；该方法所采用的序列执行一次可以获得两组回波信号，这两组回波信号在K空间的填充方向是对称的，可以减小主磁场非均匀性对梯度延时测量所产生的不利影响。

Description

一种磁共振成像系统磁场梯度延时的快速测量方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像系统中的磁场梯度技术，具体涉及磁场梯度延时的测量方法。

背景技术

磁共振成像技术已经成为医学诊断中非常有用的手段。磁共振成像硬件系统主要包括以下几个部分：磁体子系统、磁场梯度（以下简称梯度）子系统、射频子系统、谱仪子系统、主计算机。其中，梯度子系统主要包括：梯度电流放大器、梯度线圈；射频子系统主要包括发射线圈和接收线圈；而谱仪子系统主要包括以下单元部件：脉冲序列发生器、梯度波形发生器、发射机和接收机等。

成像过程中，在脉冲序列发生器的控制下，发射机输出射频脉冲信号至射频发射线圈产生用以激发样品中氢原子核的射频场。在射频脉冲激发之后，样品中氢原子核将发出核磁共振信号，而这个核磁共振信号被置于样品附近的接收线圈所接收，并在接收机内被采集。在核磁共振信号数据采集过程中，梯度波形发生器产生成像所需的梯度波形信号，该信号经过梯度电流放大器放大之后，输出到梯度线圈，在成像空间区域内产生线性梯度磁场，从而实现核磁共振信号的空间编码。谱仪子系统中的梯度波形发生器、梯度子系统中的梯度电流放大器以及梯度线圈组成一个完整的梯度通道。一般而言，为了在成像过程中进行空间定位，需要三个相互独立和正交的梯度通道（x、y、z）。

为了提高电气性能，梯度波形发生器、梯度电流放大器的设计中一般都采用了滤波器。滤波器的使用不可避免地导致梯度通道的波形信号产生延时。也就是说实际梯度波形与理想梯度波形之间存在延时。因为梯度波形数据的触发是由脉冲序列发生器产生的，所以梯度波形的延时是相对其触发信号而言的。此外，梯度线圈的电感也将导致延时的产生；每个梯度通道的总延时称为该梯度通道的梯度延时。由于三个梯度线圈（x、y、z）的结构不同，因此通常情况下三个梯度通道的梯度延时不相等。另外，即使是相同型号，每台成像设备的梯度延时也存在一定差异。

对于非网格点扫描成像而言，梯度延时对图像质量的负面影响是非常显著的。因此要解决这一问题，准确测量梯度延时是非常关键的。

梯度延时可以用一个“捡拾线圈”来测量 [Inductive measurement of magnetic field gradients for magnetic resonance Imaging, V. Senaj, G. Guillot and L. Darrasse，Rev. Sci. Instrum., 1998, 69:2400-2405]。该方法采用一对线圈来捡拾成像区域的磁通量变化，再通过模拟积分电路得到梯度随时间变化的曲线。尽管这个方法的测量精度高、速度快，然而它需要附加一套特殊装置。

此外，梯度延时也可以利用核磁共振信号来测量，这样就不需要添加任何附加装置了。一种比较简单的方法是利用磁共振成像回波信号与采用窗的相对位置来计算梯度延时。但是，受到磁共振成像接收机的带宽（采样速率）等条件的限制，该方法仍不能满足梯度延时测量精度的要求。为了解决这个问题，可以将采集得到的K空间数据通过傅立叶变换至物体空间域（物体空间坐标可用r表示），再得到信号的相位F(r)。然后将梯度延时与信号相位F关联起来 [Centering the Projection Reconstruction Trajectory: Reducing Gradient Delay Errors, Dana C. Peters, J. Andrew Derbyshire, and Elliot R. McVeigh, Magnetic Resonance in Medicine, 2003, 50:1-6]，通过拟合得到梯度延时。为了消除该方法获得的梯度延时受偏共振和磁场非均匀性的影响，需要将梯度极性反向并进行第二次测量[Characterization and Correction of System Delays and Eddy Currents for MR Imaging with Ultrashort Echo-Time and Time-Varying Gradients, Ian C. Atkinson, Aiming Lu, and Keith R. Thulborn, Magnetic Resonance in Medicine, 2009, 62:532–537]。显然，这将导致测量时间的增加。另外，两次测量之间不可避免地存在时间间隔，因此仪器的不稳定性对该方法的测量精度会产生较大影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种磁共振成像系统磁场梯度延时的快速测量方法。

在本发明中，梯度延时在一次测量中完成，所采用的脉冲序列由以下部分组成：

S0时刻，发射90°射频脉；S0至S1期间，等待；S1至S4期间，输出梯度波形；S4至S5期间，等待；S5至S8期间，采集回波echo_1，并输出梯度波形；S8至S9期间，等待；S9时刻，发射180°射频脉；S9至S10期间，等待；S10至S13期间，输出梯度波形；S13至S14期间，等待；S14至S17期间，采集回波echo_2，并输出梯度波形。

在脉冲序列中，S0至S5的时间间隔为D1，S0至S9的时间间隔为D2，S9至S14的时间间隔为D3。脉冲序列执行之前，通过主计算机设置时间值D1、D2和D3，且满足等式D3=D1+D2。

本发明的目的是通过以下步骤实现的：

1、在磁共振成像系统上，执行图2所示的脉冲序列，先后采集到两组回波信号echo_1和echo_2。

2、计算echo_1的峰点与采样窗起始点的相对时间T₁；计算echo_2的峰点与采样窗起始点的相对时间T₂。

3、利用T₁和T₂的平均值计算梯度延时Td。

上述步骤用于测量一个梯度通道的梯度延时。例如，若测量x通道的梯度延时，测试梯度施加在x通道。同理，若测量y、z通道的梯度延时，则测试梯度施加在y、z通道。

所述的“计算echo_1的峰点与采样窗起始点的相对时间T₁”可以通过两种方法实现：第一种方法是利用回波信号的对称性，采用内插法计算echo_1的峰点出现的时间T₁；第二种方法是先对echo_1进行傅立叶变换和填零，再进行反傅立叶变换得到echo_1′，然后计算echo_1′的峰点出现的时间T′₁，T₁ =T′₁。

所述的“计算echo_2的峰点与采样窗起始点的相对时间T₂”可以通过两种方法实现：第一种方法是利用回波信号的对称性，采用内插法计算echo_2的峰点出现的时间T₂；第二种方法是先对echo_2进行傅立叶变换和填零，再进行反傅立叶变换得到echo_2′，然后计算echo_2′的峰点出现的时间T′₂，T₂ =T′₂。

本发明的有益效果是：

1、在不对接收机带宽提出更高要求的前提下，提高了梯度延时的测量精度。

2、本发明执行一次即可测量一个梯度通道的梯度延时，可以减小主磁场不稳定性对梯度延时测量所产生的不利影响。

3、本发明所采用的脉冲序列执行一次可以获得两组回波信号，这两组回波信号在K空间的填充方向是对称的，可以减小主磁场非均匀性对梯度延时测量所产生的不利影响。

附图说明

图1为本发明所述磁共振成像系统结构示意图；

图2为本发明所采用的脉冲序列示意图；

图3为本发明的流程图；

图4为本发明另一实施方式流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步阐述。

参阅图1，在磁共振成像系统中，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、相位编码方向和读出方向的梯度，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与梯度电流放大器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，脉冲序列发生器125根据存储于其中的脉冲序列数据对梯度波形发生器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，该信号经过梯度电流放大器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。在脉冲序列发生器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。

在磁共振成像系统中，梯度波形发生器、梯度电流放大器以及梯度线圈组成一个完整的梯度通道。一般而言，为了在成像过程中进行空间定位，需要三个梯度通道（x、y、z）。

参阅图2，本发明所采用的脉冲序列由以下部分组成：

在90°射频脉冲和180°射频脉冲之间采集回波信号echo_1，在180°射频脉冲之后采集回波信号echo_2。两次采样（ACQ）过程中，接收机的参数是相同的。其中，采样带宽为SW，采样点数为TD。脉冲序列执行之前，通过主计算机设置SW和TD的值。

测试梯度施加在待测梯度通道。即，测量x通道的梯度延时，则测试梯度施加在x通道。同理，测量y、z通道的梯度延时，则测试梯度施加在y、z通道。

实施例1

参阅图3，本发明的目标是通过以下步骤实现的：

1）、将echo_1的幅度最大值记为Y_{1_2}，幅度最大值所对应的采样点的序数记为X₁；与X₁相邻，且位于X₁之前的采样点的幅度值记为Y_{1_1}；与X₁相邻，且位于X₁之后的采样点的幅度值记为Y_{1_3}。采用等式 [Eq-1-1] 计算echo_1的峰点出现的时间T₁。

Figure 201210006720X100002DEST_PATH_IMAGE001

[Eq-1-1]

2）、将echo_2的幅度最大值记为Y_{2_2}，幅度最大值所对应的采样点的序数记为X₂；与X₂相邻，且位于X₂之前的采样点的幅度值记为Y_{2_1}；与X₂相邻，且位于X₂之后的采样点的幅度值记为Y_{2_3}。采用等式 [Eq-1-2] 计算echo_2的峰点出现的时间T₂。

Figure 201210006720X100002DEST_PATH_IMAGE002

[Eq-1-2]

3、利用T₁和T₂的平均值计算梯度延时Td。

Figure 201210006720X100002DEST_PATH_IMAGE003

上述步骤用于测量一个梯度通道的梯度延时。例如，若测量x通道的梯度延时，则图2所示的测试梯度施加在x通道。同理，若测量y、z通道的梯度延时，则图2所示的测试梯度施加在y、z通道。

实施例2

参阅图4，本发明的目标是通过以下步骤实现的：

1、在磁共振成像系统上，执行图2所示的梯度延时测量序列，先后采集到两组回波信号echo_1和echo_2。

1）对echo_1进行傅立叶变换和填零操作，再进行反傅立叶变换得到echo_1′，然后将echo_1′的幅度最大值所对应的采样点的序数记为X₁。采用等式 [Eq-2-1] 计算echo_1′的峰点出现的时间T′₁和T₁。

Figure 201210006720X100002DEST_PATH_IMAGE004

[Eq-2-1]

2）对echo_2进行傅立叶变换和填零操作，再进行反傅立叶变换得到echo_2′，然后将echo_2′的幅度最大值所对应的采样点的序数记为X₂。采用等式 [Eq-2-2] 计算echo_2′的峰点出现的时间T′₂和T₂。

Figure 201210006720X100002DEST_PATH_IMAGE005

[Eq-2-2]

3、利用T₁和T₂的平均值计算梯度延时Td。

Claims

1.一种磁共振成像系统磁场梯度延时的快速测量方法，其特征在于：在磁共振成像系统上，执行一定的脉冲序列，先后采集到两组回波信号echo_1和echo_2；计算echo_1的峰点与采样窗起始点的相对时间T₁；计算echo_2的峰点与采样窗起始点的相对时间T₂；利用T₁和T₂的平均值计算梯度延时Td；Td为一个梯度通道的梯度延时；其中：

所述计算echo_1的峰点与采样窗起始点的相对时间T₁是利用回波信号的对称性，采用内插法计算echo_1的峰点出现的时间T₁；或者先对echo_1进行傅立叶变换和填零，再进行反傅立叶变换得到echo_1′，然后计算echo_1′的峰点出现的时间T′₁，T₁ =T′₁；

所述计算echo_2的峰点与采样窗起始点的相对时间T₂是采用内插法计算echo_2的峰点出现的时间T₂；或者先对echo_2进行傅立叶变换和填零，再进行反傅立叶变换得到echo_2′，然后计算echo_2′的峰点出现的时间T′₂，T₂ =T′₂；

所述一定的脉冲序列由以下部分组成：

S0时刻，发射90° 射频脉；S0至S1期间，等待；S1至S4期间，输出一个梯度波形；S4至S5期间，等待；S5至S8期间，采集回波echo_1，并输出一个梯度波形；S8至S9期间，等待；S9时刻，发射180° 射频脉；S9至S10期间，等待；S10至S13期间，输出一个梯度波形；S13至S14期间，等待；S14至S17期间，采集回波echo_2，并输出一个梯度波形；

所述S1至S4期间输出的梯度波形的极性为正；其中，S1至S2期间，梯度幅度从零线性变化至该梯度波形的最大值；S2至S3期间，梯度幅度保持最大值；S3至S4期间，梯度幅度从最大值线性变化至零；

所述S5至S8期间输出的梯度波形的极性与S1至S4期间输出的梯度波形的极性相反；其中，S5至S6期间，梯度幅度从零线性变化至该梯度波形的最小值；S6至S7期间，梯度幅度保持最小值；S7至S8期间，梯度幅度从最小值线性变化至零；

所述S10至S13期间输出的梯度波形的极性与S1至S4期间输出的梯度波形的极性相反；其中，S10至S11期间，梯度幅度从零线性变化至该梯度波形的最小值；S11至S12期间，梯度幅度保持最小值；S12至S13期间，梯度幅度从最小值线性变化至零；

所述S14至S17期间输出的梯度波形的极性与S1至S4期间输出的梯度波形的极性相同；其中，S14至S15期间，梯度幅度从零线性变化至该梯度波形的最大值；S15至S16期间，梯度幅度保持最大值；S16至S17期间，梯度幅度从最大值线性变化至零；

在脉冲序列中，S0至S5的时间间隔为D1，S0至S9的时间间隔为D2，S9至S14的时间间隔为D3；脉冲序列执行之前，通过主计算机设置时间值D1、D2和D3，且满足等式D3=D1+D2。