CN102890255B - 一种用于缩短回波时间的由内而外平面回波成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于缩短回波时间的由内而外平面回波成像方法，在该方法中，k空间轨迹从中间开始逐渐往相位编码方向的外侧延伸，其中产生该轨迹的梯度由正反向切换的读出梯度和正反向切换且面积从零开始逐渐增大的相位编码梯度组成。该方法还包括：为了在不增加回波间隙的条件下容纳面积逐渐增大的相位编码梯度，相位编码梯度与数据采集窗口容许有重叠。由于在该方法的序列中有效回波时间位于第一个回波的中心，回波时间大大缩短，信噪比相应提高。由于图像的对比取决于k空间中心信号，而k空间中心的数据来源于初始的回波，所得到图像的T2或T2*加权很小。在扩散成像和动脉自旋标记成像中，减少T2或T2*加权有利于提高图像质量。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振成像领域，尤其涉及一种由内而外的平面回波成像方法。
背景技术
平面回波成像（EPI）序列是磁共振成像序列中最快中的一种。随着现代梯度系统和射频系统的出现，EPI产生一幅二维的图像仅需几十毫秒。正是因其成像速度快，使得EPI在扩散成像、灌注成像、脑功能谱图成像、心脏成像、动态研究和实时成像等应用中起到至关重要的作用。在单次激发EPI中，一个完整的二维k空间数据通过单个射频激发脉冲和一系列回波链就可采集得到，具有非常高的时间分辨率。然而，EPI对硬件的要求很高，产生的图像分辨率低并可能产生显著的伪影。其中的伪影包括奈奎斯特（Nyquist）伪影、化学位移伪影、几何畸变伪影以及T2/T2*衰减产生的模糊伪影。
缩短回波时间可提高信噪比，可减少T2/T2*加权，在一些磁共振成像应用如扩散加权成像和动脉自旋标记中有很重要的作用，因为扩散加权成像需要的是扩散加权，因而T2/T2*加权的影响越小越好；与此类似，在动脉自旋标记中采用的是T1加权，也需要尽量减小T2/T2*加权。因此，在采用常规EPI序列进行扫描的基础上，进行了一系列用来缩短回波时间的改进，现有的改进方法主要包括以下几种： 第一，提高梯度幅值和/或提高切变率。提高梯度幅值和/或提高切变率可缩短回波间隙。第二，采用部分k空间采集。部分k空间采集会缩短回波间隙或者减少回波链的数目，进而减轻畸变和对T2/T2*的敏感性。部分k空间采集依赖k空间的共轭对称性，通常相位编码方向上做部分k空间采集。第三，采用多次激发EPI。在交错式多次激发EPI中，各次激发得到的数据在k空间中交错填充。由于回波链的长度缩短、相位编码方向上的有效带宽相应增加以及T2*衰减的影响减轻，所以图像的信噪比更高，模糊更小。在马赛克式多次激发EPI中，采集的数据以块状方式填充到k空间中。为了获得足够的鲁棒性，通常在块状数据交界附近会进行过采样，以进行块状数据间相位不一致的校正。
上述方法本身存在一定的缺陷，第一种方法依赖于更高的梯度性能，在现有系统的情况下，依靠提高梯度幅值和/或切变率来缩短回波时间的空间不大，同时会产生更多的梯度线圈和梯度功放的发热和更大的噪声，且dB/dt值会增加带来外周神经刺激的风险。第二种方法由于信号读出时累积的相位误差通常会采集超过一半的k空间（一般为55%-75%），因此回波时间至少为（5%-25%）*相位编码数*回波间隙。若相位编码数为128，则回波时间至少为6-32个回波间隙的时间。第三种方法多次激发EPI以增加激发次数来获得较短的回波时间，而多次激发EPI的采集时间相应增加，同时对运动也更加敏感。由此可见，这三种方法都不能有效地缩短回波时间。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，发明一种用于缩短回波时间的由内而外平面回波成像方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于缩短回波时间的由内而外平面回波成像方法，该方法包括以下步骤：
（1）由内而外平面回波成像扫描，该步骤通过以下子步骤来实现：
（1.1）射频脉冲激发层面；
（1.2）施加一连串的正反向切换的读出梯度和相位编码梯度，相位编码梯度的方向是正反向切换的，面积是从零开始或很小的值逐渐增加的；
（1.3）在读出梯度的持续时间内采集受激发层面的信号；
（2）由内而外平面回波图像重建：由步骤（1）得到的受激发层面的信号，需进行非笛卡尔重建得到图像，其中所需的k空间轨迹信息可由施加梯度的积分计算得到或由其他k空间轨迹测量方法测量得到；重建得到的图像进行相位误差校正来消除奇数回波和偶数回波之间位不一致带来的影响，并进行其他伪影如畸变校正。
进一步地，所述步骤（1.2）中，可采用部分k空间采集的方法进一步缩短采集时间，减小伪影。
进一步地，所述步骤（1.3）中，数据采集窗口和相位编码梯度存在重叠，来确保在不增加或减少增加回波间隙的条件下，容纳面积逐渐增大的相位编码梯度。
进一步地，所述步骤（1）中，第一个回波即为相位编码梯度最小的回波，数据相应地填充到k空间中心，因而，回波时间为射频脉冲的中心与第一个回波的中心之间的时间间隔，相较于常规平面回波成像的回波时间大大地缩短了。
本发明的有益效果是，由于序列的有效回波时间位于第一个回波的中心，回波时间大大缩短，信噪比相应提高。由于k空间中心信号决定图像的对比，而k空间中心的数据来源于初始的回波， T2或T2*衰减作用小，所得图像的T2/T2*加权的成分会很小。在一些应用如扩散成像（扩散加权）和动脉自旋标记（T1加权）中，采用这种T2或T2*加权小的序列可以改善图像质量。
附图说明
图1是本发明由内而外平面回波成像方法的序列图，图中有两种数据采集模式acq1和acq2；
图2是图1中一种方案对应的k空间填充轨迹的示意图；
图3是图1中另一种方案对应的k空间填充轨迹的示意图；
图4是图1中方框1内梯度波形和采集窗口波形的放大图；
图5是EPI序列的梯度波形和采集窗口波形示意图；
图6是EPI的k空间轨迹图；
图7是本发明由内而外平面回波成像方法的实施流程图；
图8是本发明结合部分傅里叶采集方式的k空间轨迹示意图；
图9是本发明结合部分回波采集方式的k空间轨迹示意图；
图10是本发明结合相位误差校正扫描的序列图。
具体实施方式
如图7所示，本发明用于缩短回波时间的由内而外平面回波成像方法包括以下步骤：
1. 由内而外平面回波成像扫描
1.1 射频脉冲激发层面。
射频脉冲可以通过自旋回波、梯度回波以及扩散加权成像等方式激发层面，依据成像需求决定。图1为本发明提出的梯度回波的由内而外平面回波成像（CO-EPI）。
1.2 施加一连串的正反向切换的读出梯度和相位编码梯度。
CO-EPI在一次射频激发后，利用正反向交替的读出梯度产生一系列的回波，有效地使用横向磁化矢量。回波链长度直接决定扫描时间。若保持采集时间一定（时间由组织的T2*值决定），最大的回波链长度反比于回波间隙。回波间隙可以达到的最小长度由很多因素决定，如梯度切变率、梯度幅值、接收器带宽和读出方向的k空间矩阵尺寸等。
1.2.1 CO-EPI的读出梯度如图1所示，与EPI中使用的读出梯度类似，都是以一个预补偿梯度Gx,p开始，紧接着一连串正反向交替的读出梯度。K空间采集采用斜坡采集（ramp sampling），即在读出梯度的平台和斜坡处都采集数据。以EPI采集为例，图5中的acq即为ramp sampling，对应的k空间轨迹为图6的61，图中每一行的中间一段对应平台处的均匀采样，两侧为斜坡处的不均匀采样。Ramp sampling是一种缩短回波间隙的方式。之所以要缩短回波间隙是因为长的回波间隙不仅会降低数据采集效率而且会增加图像伪影，如畸变、化学位移、信号丢失和模糊。
1.2.2 CO-EPI的相位编码梯度一开始没有预补偿梯度，以使得相位编码线保留在k空间的中心，或者添加一个很小的预补偿梯度Gy,p，使得第一个回波时在k空间中处于偏离中心半个单位相位编码的位置。接下来，一系列的相位编码梯度施加在每两回波之间，实现每个回波在k空间中跳转。本发明中这一系列的相位编码梯度是正反向交替的，并且面积是逐渐增加的。假如第一个相位编码梯度的面积为A，那么第j个相位编码梯度面积为 ，方向为 。因此，第j个回波处于k空间的轨迹值为（其中为磁旋比）。采用公式（其中d ky 为k空间相位编码方向的单位间隔，fov y 为成像时相位编码方向的视野大小），得出面积A为。因为本发明的相位编码的面积相较于常规EPI中的大得多，特别是在后面一些回波中使用的相位编码，所以在这里均采用梯形波形的梯度。
本发明的相位编码梯度有两种实施方案。方案一为保持每个相位编码梯度的上升时间、持续时间以及下降时间均一致，线性增加的相位编码梯度的面积就转化为线性增加的相位编码梯度的幅值。如图1中显示，相位编码梯度101到109的幅值是逐渐增加的，方向是交替变化的。K空间轨迹填充方式如图2。其中21为读出梯度平台期间未与相位编码重叠部分的数据。方案二为逐渐增加相位编码梯度的持续时间，以减少前面梯度与数据采集窗口的重叠。换句话说，就是减少曲线段填充的数据。K空间轨迹填充方式如图3。其中31为读出梯度平台期间未与相位编码重叠部分的数据。比较而言，方案一比较容易实施，而方案二由于更多地数据分布在直线位置上而更便于图像重建。
为了缩短回波间隙，本发明中的相位编码梯度是可以和读出窗口重叠的。由于读出时采用ramp sampling，即读出梯度的斜坡处也是进行采样的，因此，读出梯度的斜坡与相位编码梯度也将重叠。由图4可以看出，阴影部分41，42，43是重叠部分。采集窗口43与读出梯度的斜坡41重叠会引起k空间数据在读出方向的不均匀性，采集窗口43与相位编码梯度42的重叠会引起k空间数据在相位编码方向的不均匀性。因此，如图2和3所示，本发明对应的k空间轨迹按填充时的分布可分为三类，一类是二维不均匀分布，二类是一维不均匀分布，三类是均匀分布。
尽管回波间隙有一定的缩短，但是读出梯度与相位编码梯度的重叠可能会带来一个问题，就是梯度的重叠可能引起dB/dt的升高。当切变率和梯度幅度超过一定阈值时，可能会引起病人的不适，如疼痛、外周神经刺激。因此，需要对读出梯度和相位编码梯度做优化设计，使得在确保安全的条件下达到最小的回波间隙。
在保持分辨率不变的条件下，上述用于缩短回波时间的CO-EPI可通过部分k空间的方式缩短采集时间，从而减轻化学位移伪影、几何畸变和模糊。部分k空间采集依赖k空间的共轭对称性，通常部分k空间采集施加在相位编码方向。然而实际上，信号读出时累积的相位误差会破坏k空间的对称性，因此，通常会采集超过一半的k空间（一般为55%-75%）以便做相位校正。部分k空间的采集方式有两种，一为部分傅里叶采集如图8，它可缩短回波链数目，从而缩短采集时间。为了实施部分傅里叶采集，在k空间中心采用CO-EPI序列采集，当采集外周一侧时采用EPI序列采集。这样，CO-EPI中最大面积的相位编码梯度将比全采集中的最大面积的相位编码梯度大大减小。因而可有效缓解对梯度重叠时可能产生过高dB/dt的问题。另一种部分k空间采集方式为部分回波采集，如图9，它可缩短回波间隙，从而减少采集时间。
1.3 在读出梯度的持续时间内采集受激发层面的信号。
数据采集窗口有两种方案，方案一（图1的Acq1）为ramp sampling，方案二（图1的Acq2）为不间断采集。根据以上的说明，CO-EPI的k空间轨迹如图2或3所示，从k空间中心开始，逐渐往两侧延伸。图中的1-15为回波次序，由此可见，奇数回波都位于下半k空间，偶数回波都位于上半k空间。其中，方框23内的数据为acq1采集得到，方框24内的数据为acq2采集得到。
2. 由内而外平面回波图像重建
由于采集得到的k空间数据是不均匀分布的，所以重建的时候需要非笛卡尔重建，而不是常规的直接傅里叶变换重建。通常，非笛卡尔重建可以用网格化（regridding）实现，也就是说把数据重采样到笛卡尔坐标系上，再进行傅里叶变换。在regridding前，通常需要确定k空间轨迹。k空间轨迹可以通过对施加的梯度积分计算得到。然而，由于梯度的不完美，实际的梯度与预先想要施加的梯度存在一定偏差，所以，更精确的方法为k空间轨迹测量方法，如Duyn的方法(Duyn J et al. Simple correction method for k-space trajectory deviations in MRI, J. Magn. Reson. 132(1)：150-3, 1998)、自编码方法(Alley MT. et al. Gradient characterization using a Fourier-transform technique, Mang. Reson. Med. 39(4)：581-7, 1998)以及磁场监测方法（Barmet C. et al. Spatiotemporal magnetic field monitoring for MR, Magn Reson Med. 60(1)：187-97, 2008.）。
由于奇数回波和偶数回波之间存在相位不一致，因此在EPI中会引起奈奎斯特伪影。而在CO-EPI中，由于奇数回波和偶数回波不再交叉排列而是分别占据上下半k空间，它们之间的相位不一致不会产生奈奎斯特伪影，而出现相位误差引起的模糊伪影。因此，为了获得更高质量的图像，CO-EPI数据经非笛卡尔重建之前需进行相位误差校正。在本方法中，可对序列增加参考扫描，如图10所示，即可采集两个相邻的都是零相位编码的回波（如方框10），从而产生两条零相位编码线。相位误差可由这两回波的数据通过线性拟合得到，再将相位误差用于后面采得的回波之中。
由于在相位编码方向的采集带宽较低，在非共振（如磁场不均匀、磁敏感差异、长时间系数的涡流（>100毫秒）和伴生磁场）区域会产生图像畸变。又由于上半k空间和下半k空间的采集方向相反，畸变会朝相反两方向展开。如果物体上磁场分布已知，那么可以通过在k空间去除非共振频率来修正点扩散函数。物体上的主磁场不均匀性分布图可由采集B0图得到，再对图像进行畸变校正。
Claims (4)
1.一种用于缩短回波时间的由内而外平面回波成像（center-out echo-planar imaging, CO-EPI）方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）由内而外平面回波成像的相位编码在k空间中从中心开始，逐渐向外延伸；该步骤通过以下子步骤来实现：
（1.1）射频脉冲激发层面；
（1.2）施加一连串的正反向切换的读出梯度和相位编码梯度，相位编码梯度的方向是正反向切换的，相位编码梯度从零或一个很小的面积开始，随后面积逐渐增加；
（1.3）在读出梯度的持续时间内采集受激发层面的信号；
（2）由内而外平面回波图像重建：由步骤（1）得到的受激发层面的信号，需进行非笛卡尔重建得到图像，其中所需的k空间轨迹信息可由施加梯度的积分计算得到或由其他k空间轨迹测量方法测量得到；重建得到的图像进行相位误差校正来消除奇数回波和偶数回波之间相位不一致带来的影响，并进行其他校正如畸变校正。
2.根据权利要求1所述一种用于缩短回波时间的由内而外平面回波成像方法，其特征在于，所述步骤（1.2）中，通过部分k空间的采集方法可进一步缩短采集时间。
3.根据权利要求1所述一种用于缩短回波时间的由内而外平面回波成像方法，其特征在于，所述步骤（1.3）中，数据采集窗口和相位编码梯度存在重叠，来确保在不增加或减少增加回波间隙的条件下容纳面积逐渐增大的相位编码梯度。
4.根据权利要求1所述一种用于缩短回波时间的由内而外平面回波成像方法，其特征在于，所述步骤（1）中，第一个回波即为相位编码梯度最小的回波，相应地填充到k空间中心，因而，回波时间是射频脉冲的中心与第一个回波的中心之间的时间间隔，相较于常规平面回波成像中的回波时间大大地缩短了。
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