CN103154761A - 在并行发射mri中的虚拟线圈仿真 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于磁共振成像扫描中以采集对象（10）的磁共振图像的虚拟线圈仿真方法，其中，由MR系统（1）利用包括个体发射线圈组的物理线圈布置（9、11、12、13）执行扫描，线圈适于向对象（10）发射期望的RF发射场，用于对象（10）的磁共振自旋激励，其中，每个线圈与一物理发射通道相关联，其中，RF发射场对应于两个或更多个所述线圈的虚拟布置，其中，虚拟发射通道性质包括分配给RF发射场的虚拟发射通道权重，所述虚拟发射通道权重描述为了生成RF发射场而需要施加到物理线圈（9、11、12、13）的关于虚拟线圈布置的每个个体线圈的虚拟复RF场幅度。

Description

在并行发射MRI中的虚拟线圈仿真

技术领域

本发明涉及一种执行磁共振成像扫描以采集对象的磁共振图像的方法、一种适于执行磁共振成像扫描以采集对象的磁共振图像的磁共振成像（MRI）系统、一种在用于采集对象的磁共振图像的磁共振成像扫描中使用的虚拟线圈仿真方法、一种虚拟线圈仿真系统和计算机程序产品。

当前，尤其是在医学诊断领域中，广泛使用了磁共振（MR）成像方法，该方法利用磁场和核自旋之间的交互，以便形成二维或三维图像，因为对于软组织的成像而言，它们在很多方面优于其他成像方法，不需要电离辐射，并且通常不是侵入性的。

根据一般的MR方法，患者的身体或者待检查的一般对象被布置在强的均匀磁场B₀中，磁场的方向同时定义测量所依据的坐标系的轴，通常为z轴。

磁场根据所施加的磁场强度针对个体核自旋产生不同的能级，能够通过施加具有定义频率（所谓的拉莫尔频率或MR频率）的交变电磁射频场（RF场）来激励个体核自旋（自旋共振）。从宏观角度讲，个体核自旋的分布产生总体磁化，通过施加具有适当频率的电磁脉冲（RF脉冲）能够使总体磁化偏离平衡状态，同时磁场垂直于z轴延伸，使得磁化绕z轴执行进动。

能够利用接收RF天线检测磁化的变化，在MR装置的检查体积之内布置并定向所述接收RF天线，从而在垂直于z轴的方向上测量磁化的变化。

为了在身体中实现空间分辨率，在均匀磁场上叠加沿三个主轴延伸的磁场梯度，导致自旋共振频率的线性空间相关性。那么接收天线中拾取的信号包含可能与身体中不同位置相关联的不同频率分量。

经由接收天线获得的信号数据对应于空间频率域，并且被称为k空间数据。k空间数据通常包括利用不同相位编码采集的多条线。通过收集若干样本对每条线进行数字化。例如利用傅里叶变换将一组k空间数据的样本转换成MR图像。

于是可以总结出，线圈在磁共振成像中起到重要作用，相对于用于向自旋系统施加RF激励脉冲的传输线圈以及相对于从被激励自旋系统接收RF响应的接收线圈两者都是这样的。

背景技术

在MRI中利用包括一组线圈（例如8、16、32个线圈）的发射线圈阵列进行并行发射代表了一种新兴技术，实现了各种令人感兴趣的应用，诸如RF匀场和发送SENSE，以改善MR的性能，尤其是在高场强下（KatscherU等人，Magn Reson Med.2003；49（1）：144-5；Zhu Y.Magn Reson Med.2004；51（4）：775-84）。在当前语境中，发射线圈的配置对于目标并行发射应用而言至关重要，已经提出了具有不同通道数量或线圈拓扑结构的线圈设置（Vernickel P等人，Magn Reson Med.2007；58：381-9；Alagappan V等人，Magn Reson Med.2007；57：1148-1158；Adriany G等人，Magn ResonMed.2008；59：590-597）。

然而，最优的线圈概念表示各种重要约束之间的不同折衷关系，例如RF功效、比吸收率（SAR）属性、相对于目标应用和解剖结构的B1绘图和匀场的时间和性能约束。

在整个本说明书中，B1绘图被理解为确定发射线圈的发射线圈灵敏度的方法。此外，匀场被理解为考虑所采集的B1图来调节这些线圈的发射性质的流程，以便在检查体积中的特定空间MR激励区之内获得期望的、例如均匀的发射分布图。

需要良好的发射线圈匀场，同时确保暴露至待成像对象的SAR水平在小水平，这给出了各种约束之间的上述折衷关系的一个范例：高质量的线圈匀场需要采集用于每个个体线圈的B1图，在发射线圈的数量很大时，这需要大量的时间，并且导致待成像对象暴露于不希望的高SAR水平。

在实践中，基于很多发射通道（例如N=8）的临床并行发射应用面临各种问题，例如工作流程繁琐、SAR控制困难以及RF功率约束的限制。例如，基于很多发射通道的RF匀场困难能够导致对一些发射通道的高RF功率需求的匀场设置，并且因此，提高了SAR值。这是由于如下事实：一些线圈本征模（eigenmode）对匀场结果几乎没有影响。因此，仅可以利用低B1播放经匀场的RF脉冲，限制了很多应用的临床使用。然而，规则化技术能够抑制这些线圈模式，这通常表示匀场结果与RF功率/SAR之间的仔细折衷，在自动样式中不能始终这样做。此外，不同线圈模式的性能可能在目标应用和解剖结构方面不同。

为了提供这种冲突的解决方案，Nehrke K.和

P.在“EigenmodeAnalysis of Transmit Coil Array for Tailored B1mapping”，MRM63：754-764（2010）中建议使用虚拟发射线圈阵列，因为发送链路的线性允许经由适当的变换矩阵相对于源自实际线圈元件的叠加的任何虚拟线圈阵列测量发送灵敏度矩阵。于是，MR发送链路的线性性质能够实现虚拟发射线圈的概念。在虚拟线圈的数量被选择为小于物理发射线圈的数量时，这种虚拟发射线圈的概念允许执行加速的B1绘图扫描，因为需要从更少数量的虚拟线圈元件采集B1图。

发明内容

本发明提供了一种执行磁共振成像扫描以采集对象的磁共振图像的改进方法、一种适于执行磁共振成像扫描以采集对象的磁共振图像的改进磁共振成像（MRI）系统、一种在用于采集对象的磁共振图像的磁共振成像扫描中使用的改进虚拟线圈仿真方法、一种虚拟线圈仿真系统和计算机程序产品。

根据本发明，提供了一种执行磁共振成像扫描以采集对象的磁共振图像的方法，其中，利用包括个体发射线圈组的物理线圈布置执行扫描，所述线圈适于向对象发射期望的RF发射场，用于对象的磁共振自旋激励，其中，每个线圈与一物理发射通道相关联，所述方法包括：

a）选择要由所述线圈生成的期望的RF发射场，所述RF发射场对应于两个或更多个所述线圈的虚拟布置，其中，向RF发射场分配包括虚拟发射通道权重的虚拟发射通道性质，所述虚拟发射通道权重描述为了生成RF发射场而需要施加到物理线圈的关于虚拟线圈布置的每个个体线圈的虚拟复RF场幅度，

b）利用通道编码矩阵变换所述虚拟发射通道性质，所述发射通道编码矩阵描述所述虚拟线圈布置的虚拟发射通道性质到物理线圈布置的物理发射通道性质的变换，

c）利用针对每个虚拟线圈的相应变换的个体虚拟发射通道性质测量两个或更多个虚拟线圈的个体虚拟线圈灵敏度，其中，由对应虚拟发射通道性质和对应虚拟线圈灵敏度的组合给出每个个体虚拟线圈的RF发射场，

d）利用测量的虚拟线圈灵敏度针对每个虚拟线圈优化个体虚拟发射通道性质，以便以更高的精确度获得期望的RF发射场，

e）利用所述通道编码矩阵变换优化的虚拟发射通道性质，所述变换获得包括物理发射通道权重的物理发射通道性质，所述物理发射通道权重描述关于物理线圈布置的每个个体线圈的物理复RF场幅度，

f）利用所述无线发射通道性质执行磁共振成像扫描。

根据本发明的实施例具有如下优点：可以在现有MR系统中实施该方法，其适于并行RF场发射，而无需修改一般的系统布置。这是由于如下事实：现有的MR系统能够保持其设置，包括其B1绘图和匀场特征，同时可以由独立模块实现虚拟线圈概念。现有的MR系统于是能够执行已经实施的操作，像B1绘图和匀场，而升级这种系统以采用虚拟线圈概念所需的任何的额外特征能够排他地限于所述额外的独立模块。因此，这可以用于提高B1绘图的鲁棒性和速度，以改善RF功率和SAR控制，并简化并行发射应用的工作流程。

详细地讲，在现有技术中，经由虚拟线圈灵敏度变换到物理线圈灵敏度并为匀场过程考虑物理线圈灵敏度来执行匀场。相反，本发明仅利用虚拟线圈灵敏度执行匀场。为此目的，不需要虚拟线圈灵敏度的变换。即使这“仅仅”实现了优化的个体虚拟发射通道性质，同时允许现有技术获得优化的真实的物理发射通道性质，本发明确保了能够在现有MR系统中实施该方法，这不需要区分虚拟和物理线圈布置。于是，尽管在现有技术中，必须修改现有的MR系统以在虚拟线圈与物理线圈之间进行区分，但根据本发明，可以提供独立的模块，其允许实施虚拟线圈概念而无需显著修改现有MR系统。

根据本发明的实施例，物理和虚拟发射通道性质此外或备选地包括针对每个虚拟线圈与时间有关的RF脉冲波形，其中，所述虚拟发射通道性质和优化的虚拟发射通道性质的变换考虑了所述RF脉冲波形的时间相关性。

例如，在这一实施例中，在不同时间点针对MR成像序列的不同的期望的RF发射场重复步骤a）到e），其中，在步骤f）中，利用与不同时间点的不同的期望的RF发射场对应的物理发射通道性质执行磁共振成像扫描。因此，这允许优化提供针对个体脉冲序列的设计精确定制的RF功率和SAR控制：例如，根据用于成像扫描的脉冲序列的个体RF脉冲的目的，能够改变物理发射通道性质。在实施例中，RF脉冲的“目的”可以包括反转恢复、饱和、区域或全局抑制化学物类，例如脂肪或T2准备。

根据本发明的实施例，执行利用测量的虚拟线圈灵敏度针对每个虚拟线圈对个体虚拟发射通道性质的优化，以便在被成像对象处以更高的空间均匀性获得期望的RF发射场。

根据本发明的另一实施例，所述方法还包括确定发射通道编码矩阵，其中，通过如下方式进行所述确定：

-考虑被成像对象的存在，对期望的RF发射场进行数学模拟（例如，采用描述被成像对象中的电磁场分布的对象图集，或者一般的，被成像人体的身体图集），和/或

-指导线圈的物理发射线圈灵敏度的先验测量，和/或

-从所述接收性质确定所述线圈的RF接收性质并计算所述线圈的物理发射线圈灵敏度。

这样允许以更快速方式执行MR成像，因为即使在存在被成像对象时，也可以根据MR扫描器检查体积体内的实际“成像条件”来选择虚拟线圈布置。通常，检查体积中发射的RF场强烈取决于目标应用和被成像对象的解剖结构。通过选择如上所述的适当发射通道编码矩阵，能够适应关于目标对象（例如人体）处关于期望的RF发射场分布的实际需要，从而改善相应的匀场流程。

根据本发明的另一实施例，由磁共振成像系统的控制器执行所述方法，其中，所述控制器包括方法部件、虚拟线圈仿真部件和驱动器部件，其中，-方法部件控制执行步骤a）、c）、d）和f），以及

-虚拟线圈仿真部件控制执行步骤b）和e），

其中，所述方法部件经由虚拟线圈仿真部件控制所述驱动器部件以驱动线圈，其中，所述虚拟线圈仿真部件仿真仅存在虚拟线圈部件给所述方法部件。

换言之，提出了向MRI系统中插入仿真层以充当方法软件与基本硬件相关软件之间的接口。这允许从方法软件看到的自由选择的虚拟线圈阵列的N'个虚拟通道映射到实际线圈阵列的N个物理通道b，实现给定系统平台的灵活实施。

优选地，仿真给所述方法部件的虚拟线圈布置包括若干虚拟线圈。例如，虚拟线圈的数量可以取决于：

-所述对象，尤其是被成像的目标解剖结构，和/或

-用于执行磁共振成像扫描的期望成像序列，和/或

-用于执行磁共振成像扫描的期望线圈类型，和/或

-控制器的用户的身份验证。

在实践中，对于对应的编码矩阵，可以在系统上存储针对不同应用（例如RF匀场，发射SENSE）、不同解剖结构（例如身体、头部、四肢）、硬件平台（通道数量和发射线圈拓扑）和用户（研究用户，临床用户）的预定义矩阵。另外，可以经由产品/研究安全装置控制/限制不同虚拟线圈阵列的使用。此外，可以通过针对特定应用锁定特定线圈布置来简化SAR的控制，即，虚拟线圈的数量可以取决于要暴露至对象的最大比吸收率水平。

另一应用可以是逐步对虚拟线圈解锁。例如，用户可以获得包括8个物理线圈的MR系统，但仅具有用于同时使用最多5个线圈的许可。于是，将向用户仿真最多5个虚拟线圈。在另一范例中，对于一个通道有缺陷的8发射通道系统，仍然可以利用剩余7个物理通道的适当叠加来仿真8个虚拟通道。

在另一方面中，本发明涉及一种适于执行磁共振成像扫描以采集对象的磁共振图像的磁共振成像系统，其中，所述系统包括物理线圈布置，其包括适于执行扫描的个体发射线圈组，所述线圈适于向所述对象发射RF发射场用于所述对象的磁共振自旋激励，其中，每个线圈与一物理发射通道相关联，所述系统适于：

a）选择要由所述线圈生成的期望的RF发射场，所述RF发射场对应于两个或更多个所述线圈的虚拟布置，其中，向RF发射场分配包括虚拟发射通道权重的虚拟发射通道性质，所述虚拟发射通道权重描述为了生成RF发射场而需要施加到物理线圈的关于虚拟线圈布置的每个个体线圈的虚拟复RF场幅度，

b）利用通道编码矩阵变换所述虚拟发射通道性质，所述发射通道编码矩阵描述所述虚拟线圈布置的虚拟发射通道性质到物理线圈布置的物理发射通道性质的变换，

c）利用针对每个虚拟线圈的相应变换的个体虚拟发射通道性质测量两个或更多个虚拟线圈的个体虚拟线圈灵敏度，其中，由对应虚拟发射通道性质和对应虚拟线圈灵敏度的组合给出每个个体虚拟线圈的RF发射场，

d）利用测量的虚拟线圈灵敏度针对每个虚拟线圈优化个体虚拟发射通道性质，以便以更高的精确度获得期望的RF发射场，

e）利用所述通道编码矩阵变换优化的虚拟发射通道性质，所述变换获得包括物理发射通道权重的物理发射通道性质，所述物理发射通道权重描述关于物理线圈布置的每个个体线圈的物理复RF场幅度，

f）利用所述无线发射通道性质执行磁共振成像扫描。

根据本发明的实施例，该系统还包括控制器，用于控制步骤a）到f），其中，所述控制器包括方法部件、虚拟线圈仿真部件和驱动器部件，其中，

-所述方法部件适于控制步骤a）、c）、d）和f），并且

-所述虚拟线圈仿真部件适于控制执行步骤b）和e），

其中，所述方法部件适于经由虚拟线圈仿真部件控制所述驱动器部件以驱动线圈，其中，所述虚拟线圈仿真部件适于仿真仅存在虚拟线圈部件给所述方法部件。

在另一方面中，本发明涉及一种计算机程序产品，其包括计算机可执行指令，以执行上述方法步骤。

在另一方面中，本发明涉及一种在用于采集对象的磁共振图像的磁共振成像扫描中使用的虚拟线圈仿真方法，其中，由MR系统利用包括个体发射线圈组的物理线圈布置执行扫描，所述线圈适于向所述对象发射期望的RF发射场用于所述对象的磁共振自旋激励，其中，每个线圈与一物理发射通道相关联，其中，所述RF发射场对应于两个或更多个所述线圈的虚拟布置，其中，向RF发射场分配包括虚拟发射通道权重的虚拟发射通道性质，所述虚拟发射通道权重描述为了生成RF发射场而需要施加到物理线圈的关于虚拟线圈布置的每个个体线圈的虚拟复RF场幅度，所述方法包括：

a）从MR系统接收虚拟发射通道性质，

b）利用通道编码矩阵变换所述虚拟发射通道性质，所述发射通道编码矩阵描述所述虚拟线圈布置的虚拟发射通道性质到物理线圈布置的物理发射通道性质的变换，

c）接收优化的虚拟发射通道性质，所述优化的虚拟发射通道性质是从所述MR系统接收的，从如下操作获得：

i.由所述MR系统利用针对每个虚拟线圈的相应变换的个体虚拟发射通道性质来测量两个或更多个虚拟线圈的个体虚拟线圈灵敏度，其中，由对应虚拟发射通道性质和对应虚拟线圈灵敏度的组合给出每个个体虚拟线圈的RF发射场，

ii.由所述MR系统利用测量的虚拟线圈灵敏度针对每个虚拟线圈优化个体虚拟发射通道性质，以更高的精确度获得期望的RF发射场，

d）利用所述通道编码矩阵变换优化的虚拟发射通道性质，所述变换获得包括物理发射通道权重的物理发射通道性质，所述物理发射通道权重描述关于物理线圈布置的每个个体线圈的物理复RF场幅度，

e）向所述MR系统提供物理发射通道性质以利用所述无线发射通道性质执行磁共振成像扫描。

在另一方面中，本发明涉及一种适于在用于采集对象的磁共振图像的磁共振成像扫描中使用的虚拟线圈仿真系统，其中，由MR系统利用包括个体发射线圈组的物理线圈布置执行扫描，所述线圈适于向所述对象发射期望的RF发射场用于所述对象的磁共振自旋激励，其中，每个线圈与一物理发射通道相关联，其中，所述RF发射场对应于两个或更多个所述线圈的虚拟布置，其中，向RF发射场分配包括虚拟发射通道权重的虚拟发射通道性质，所述虚拟发射通道权重描述为了生成RF发射场而需要施加到物理线圈的关于虚拟线圈布置的每个个体线圈的虚拟复RF场幅度，所述仿真系统适于：

f）从MR系统接收虚拟发射通道性质，

g）利用通道编码矩阵变换所述虚拟发射通道性质，所述发射通道编码矩阵描述所述虚拟线圈布置的虚拟发射通道性质到物理线圈布置的物理发射通道性质的变换，

h）接收优化的虚拟发射通道性质，所述优化的虚拟发射通道性质是从所述MR系统接收的，从如下操作获得：

i.由所述MR系统利用针对每个虚拟线圈的相应变换的个体虚拟发射通道性质来测量两个或更多个虚拟线圈的个体虚拟线圈灵敏度，其中，由对应虚拟发射通道性质和对应虚拟线圈灵敏度的组合给出每个个体虚拟线圈的RF发射场，

ii.由所述MR系统利用测量的虚拟线圈灵敏度针对每个虚拟线圈优化个体虚拟发射通道性质，以更高的精确度获得期望的RF发射场，

i）利用所述通道编码矩阵变换优化的虚拟发射通道性质，所述变换获得包括物理发射通道权重的物理发射通道性质，所述物理发射通道权重描述关于物理线圈布置的每个个体线圈的物理复RF场幅度，

j）向所述MR系统提供物理发射通道性质以利用所述无线发射通道性质执行磁共振成像扫描。

在另一方面中，本发明涉及一种计算机程序产品，其包括计算机可执行指令，以执行虚拟线圈仿真方法的方法步骤。

附图说明

在下文中，仅通过举例的方式更详细地描述本发明的优选实施例。于是，仅仅出于例示的目的设计如下附图，并非用作限制本发明的定义。在附图中：

图1示出了根据本发明的用于实施线圈布置的MR系统的示意图；

图2示出了根据本发明的方法的流程图；

图3示出了软件模拟层的用法；

图4示出了不同虚拟线圈配置的模拟；

图5示出了各种B1图。

具体实施方式

参考图1，示出了MR成像系统1的示意图。

该系统包括超导或电阻主磁体线圈2，从而沿着通过检查体积的z轴生成基本均匀的、时间上恒定的主磁场B0。

磁共振生成和操纵系统施加一系列RF脉冲和切变的磁场梯度，以反转或激励核磁自旋、诱发磁共振、对磁共振重新聚焦、操纵磁共振、对磁共振进行空间或其他编码、使自旋饱和等，以执行MR成像。

更具体而言，梯度脉冲放大器3施加电流脉冲以沿着检查体积的x、y和z轴选择全身梯度线圈4、5和6中的一些。RF发射器7经由发送/接收开关8向RF天线9发射RF脉冲或脉冲群，以向检查体积中发射RF脉冲。典型的MR成像序列包括一组短持续时间的RF脉冲序列，它们彼此结合在一起，并且任何施加的磁场梯度实现对核磁共振的选定操纵。RF脉冲用于饱和、激励共振、反转磁化、对共振重新聚焦或操纵共振并选择定位于检查体积中的身体10的部分。MR信号也可以由RF天线9拾取。

为了利用例如并行成像来生成身体或一般对象10限制区域的MR图像，毗邻选定成像的区域放置一组本地阵列RF线圈11、12和13。阵列线圈11、12和13能够用于接收经由RF天线实现的RF发射诱发的MR信号。然而，也可以使用阵列线圈11、12和13向检查体积发射RF信号。

即使在上文中仅有单个RF发射器7、发送/接收开关8和天线9，根据本发明，这必须要被理解为多个RF发射器7、对应开关8和对应天线9的布置，即包括一组个体发射线圈和关联的发射通道的物理线圈布置。

所得的MR信号被RF天线9和/或RF线圈11、12和13的阵列拾取并被接收器14解调，接收器14优选包括前置放大器（未示出）。接收器14经由发送/接收开关8连接到RF线圈9、11、12和13。

主计算机15控制梯度脉冲放大器3和发射器7以生成多种成像序列中的任一种，诸如回波平面成像（EPI）、回波体积成像、梯度和自旋回波成像、快速自旋回波成像等。

对于选定的序列，接收器14接收每个RF激励脉冲之后迅速相继的单个或多个MR数据线。数据采集系统16执行对接收的信号的模拟到数字转换，并将每个MR数据线转换成适于进一步处理的数字格式。在现代MR装置中，数据采集系统16是专用于采集原始图像数据的独立计算机。

最后，通过重建处理器17将数字原始图像数据重建成图像表示，重建处理器采用傅里叶变换或其他适当的重建算法。MR图像可以表示通过患者的平面切片、平行平面切片的阵列、三维体积等。然后在图像存储器中存储图像，可以经由例如视频监视器18访问图像存储器，以将图像表示的切片或其他部分转换成用于可视化的适当格式，视频监视器18提供了所得MR图像的人可读显示。

图2是比较利用虚拟线圈布置执行MR成像（图2a）的上述方法与现有技术方法（图2b）的流程图。为了更深入地理解该概念，必须要考虑如下基本问题：

在并行发射应用中，使用线圈阵列生成B1发射场。于是，总有效B1发射场表示阵列的N个个体线圈生成的场的叠加，

$B_1(r,t)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_n\left(r\right)b_n\left(t\right)---\left[1\right]$

其中，S_n（r）表示第n个发射线圈的实际空间发射灵敏度，b_n（t）表示对应的驱动波形。高级并行发射应用，像发射SENSE（Katscher U等人，MagnReson Med.2003；49（1）：144-5；Zhu Y.Magn Reson Med.2004；51（4）：775-84），采用每个通道独立的波形实现RF脉冲的加速或改进的脉冲性能。一种更简单但当前在临床上更相关的发射应用是RF匀场，其中，采用固定的复合通道权重b_n实现空间均匀的B1，

$B_1(r,t)=w\left(t\right)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_n\left(r\right)b_n---\left[2\right]$

其中，w(t)表示用于例如切片选择的公共RF脉冲波形。通过这种方式，可以补偿更高场强（≥3T）下MRI的典型的电介质阴影伪影。

由于发射灵敏度取决于患者，所以必须要在并行发射应用之前执行B1绘图，以确定每个个体线圈元件的发射灵敏度。利用布洛赫方程的非线性，可以从针对不同翻转角、回波或重复时间采集的两个或更多个MR图像导出B1图（参见Nehrke K.Magn Reson Med2009；61：84-92中的参考文献），这是一个耗时的流程。此外，线圈灵敏度通常大的动态范围挑战着基于MR的B1绘图，其固有地会在小翻转角产生不利的错误传播。

MR发送链路的线性性质能够实现虚拟线圈阵列的概念。因此，可以使用通道编码矩阵E从N'个虚拟发射通道到物理线圈阵列的N个实际发射通道进行映射：

$b=E\·b^{\′},E={\left(e_{\mathrm{ij}}\right)}_{N^{\′}\×N}---\left[3\right]$

其中，b表示写为列矢量的发射通道权重。因此，所得的虚拟发射通道对应于虚拟线圈灵敏度S′：

S′=S·E   [4]

其中，S表示写为矩阵（行：体素，列：通道）的物理线圈阵列的线圈灵敏度。为了改善B1绘图的性能，能够定制编码矩阵以优化个体虚拟线圈灵敏度的动态范围和互补性。为了加快B1绘图，能够选择N′<N的编码矩阵以挑选出对匀场结果（7）几乎没有影响的线圈模式。这通常还导致B1效率增大，并且因此，减小了SAR。此外，通常基于数值巨大的幅度最小二乘拟合的RF匀场流程，由于自由度减少而变得更快且更鲁棒。能够基于先验知识（即目标应用和解剖结构）选择编码矩阵并利用来自例如调查扫描的信息通过患者特异性校淮加以细化。

在图2a的流程图中，示出了利用虚拟线圈布置执行MR成像的上述方法。该方法开始于步骤200a），选择要由线圈生成的期望的RF发射场，所述RF发射场对应于两个或更多个所述线圈的虚拟布置，其中，向RF发射场分配虚拟发射通道权重b'。必须要指出，尽管图2仅考虑了虚拟发射通道权重，但该概念意在也能够一般化扩展到虚拟发射通道性质，包括虚拟发射通道权重和与时间有关的RF脉冲波形w（t）。

在步骤202中，选择适当的通道编码矩阵E，继之以步骤204，其中，利用通道编码矩阵E变换虚拟发射通道权重b'，获得b。

在后续步骤206中，利用针对每个虚拟线圈的相应变换的个体虚拟发射通道性质b测量两个或更多个虚拟线圈的个体虚拟线圈灵敏度S'。

在下一步骤208中，利用测量的虚拟线圈灵敏度针对每个虚拟线圈优化个体虚拟发射通道权重，以便以更高的精确度获得期望的RF发射场。这导致优化的虚拟发射通道权重b'。

接下来，在步骤210中，利用通道编码矩阵E变换优化的虚拟发射通道权重b'，所述变换获得物理发射通道权重b。

最后，在步骤212中，利用物理发射通道权重执行期望的磁共振成像扫描。

相反，在现有技术的方法中（图2b），仅有步骤200-206和212与根据本发明的方法相同。关于步骤208和210存在显著差异，在现有技术中由相应步骤214和216取代步骤208和210：在步骤106中已测量虚拟线圈灵敏度S'之后，在图2b中，利用矩阵E变换虚拟线圈灵敏度S'，获得物理线圈灵敏度S。然后，在步骤216中，利用测量的物理线圈灵敏度S针对每个虚拟线圈优化个体物理发射通道权重b，以便以更高的精确度获得期望的RF发射场。这导致优化的物理发射通道权重b。

对于已经能够执行多通道RF发射的给定MR系统平台中现有技术方法的实际实现，这具有如下结果：该平台通常仅利用物理线圈布置执行步骤200、206、216和212。即，在步骤200中，选择相应的物理线圈布置。

当向系统平台提供虚拟线圈布置能力时，系统平台必须在步骤206中额外识别测量的线圈灵敏度是虚拟线圈灵敏度，并指示相应的软件附件提供虚拟线圈设置以执行步骤214。因此，必须相应地在硬件或软件中修改系统平台，以执行这一步骤。

相反，遵循图2a中的方法，可以提供软件（或硬件）仿真层，其允许系统平台保持不变。作为执行步骤214的替代，系统平台执行步骤208，无需在虚拟线圈布置与物理线圈布置之间进行区分。

当考虑关于图3论述的层方法时，这将变得更加清楚。

为了在临床扫描器上实现虚拟线圈概念，向MRI系统中插入仿真层302，以充当方法软件300和用于控制物理线圈阵列306的基本硬件304相关的软件之间的接口。这样允许从方法软件看到的自由选择的虚拟线圈阵列的N'个虚拟通道b'映射到实际线圈阵列（参考方程3）的N个物理通道b，实现给定系统平台（图3）的灵活实施。如附图标记308所示，对于对应的编码矩阵E，在系统上存储用于不同应用（例如RF匀场，发射SENSE）、不同解剖结构（例如身体、头部、四肢）、硬件平台（通道数量和发射线圈拓扑）和用户（研究用户，临床用户）的预定义矩阵。另外，能够经由产品/研究安全装置控制/限制不同虚拟线圈阵列的使用。此外，能够通过针对特定应用锁定特定线圈模式来简化SAR的控制。

图4图示了不同线圈配置的模拟：针对8-通道TEM线圈（a）示出了真空B1灵敏度，其用于仿真不同的线圈配置（b：2-端口鸟笼，c：4-端口鸟笼，d：7-通道线圈，e：旋转360°/16的8-通道线圈，f：由Butler矩阵驱动的8-通道线圈）。中心（a-e）中所示的平面图对应于所有虚拟通道之和，展示了纯正交激励。针对选定的一组几何参数（线圈半径R=0.3m，屏蔽半径RS=0.32m，视场半径RFOV=0.2m）模拟8-通道TEM线圈的图。

详细地，已经采用了装备有八个发射通道（

I等人，ISMRM2006，p.129）和8-元件TX/RX TEM身体线圈（Vernickel p等人，Magn ResonMed.2007；58：381-9）的3T MRI系统（荷兰，Best，Philips Healthcare）。图4a中示出了对应的线圈灵敏度。向系统中插入了软件模拟层作为方法软件与基本硬件相关的软件之间的接口。这样允许将扫描软件看到的N'个自由选择的虚拟TX/RX通道映射到经由可调节的编码矩阵E的N个物理TX/RX通道（参考方程3）。因此，可以通过线性叠加从物理线圈导出虚拟线圈。作为范例，已经采用具有如下结构的编码矩阵仿真了2-端口鸟笼线圈：

$E=F_1^{-1}\&CenterDot;\mathrm{\&Gamma;}\&CenterDot;F_2---\left[5\right]$

其中，Γ=(γ_κλ)_Ν×Ν代表用于选择和加权不同本征模的对角矩阵。对于2-端口鸟笼而言，仅通过设置γ₁₁=γ₇₇=1以及使Γ的其余条目无效来选择正交和反正交模式。此外，F₁和F₂分别是从N=8个实际和N'=2个虚拟发射通道到线圈本征模的傅里叶矩阵变换：

其中，S表示相继虚拟线圈元件之间S·45°项的几何偏移。通过模式的对称性确定几何偏移，并且针对2-端口鸟笼线圈是S=2。所得的编码矩阵为：

$E_{2-\mathrm{port}}^T=\left(\begin{array}{cccccccc}2& 1-i& 0& 1+i& 2& 1-i& 0& 1+i\\ 0& 1+i& 2& 1-i& 0& 1+i& 2& 1-i\end{array}\right)---\left[7\right]$

采用所得的两个线性极化线圈模式（图4b）进行B1绘图和身体体模的RF匀场（冠状取向中具有400mm的水盘，图5左侧）和志愿者（腹部，图5右）。

详细地，在图5中，示出了针对仿真2-端口鸟笼的RF匀场。针对正交匀场设置（顶部）和调整的匀场设置（底部）示出了在体模（左）和活体内（右）上测量的B1图。调整的匀场设置是从针对两个线性偏振模（中心）测量的B1图导出的，针对所采用的8-通道TEM线圈仿真。注意在调整的RF匀场设置的情况下得到强烈改善的均匀性。

使用AFI（实际倒倾角成像）技术（Yarnykh VL.Magn Reson Med2007；57：192-200）进行虚拟线圈模式的B₁绘图（450×270×75mm³FOV，64×38×5矩阵，角度=60°，TR1=20ms，TR2=100ms，TE=2.3ms，横向扫描取向，改进型扰相方案（Nehrke K.Magn Reson Med2009；61：84-92），实现每个3D B1图18秒扫描时间）。对于RF匀场，利用局部变量交换方法的专用的Java实施进行图的幅度最小二乘拟合（Setsompop K等，MRM2008：59:908-15）。

为了评估调整的匀场设置，采集匀场的B1图并与利用默认正交设置采集的图比较。使用系统的默认正交匀场设置，B1图呈现出RF场的强不均匀性，导致活体内图中的阴影区域和人模图中的信号孔洞（图5）。使用调整的RF匀场设置，针对人模和活体内B1图强烈改善了均匀性。注意，调整的调节设置仅基于针对仿真线圈的两个线性偏振模测量的两个B1图，这与系统中存在的八个物理线圈元件相反。

2-端口鸟笼的仿真可能对预计省略的线圈本征模对RF匀场结果几乎没有影响的应用有益，例如在3T下的腹部RF匀场。于是，可以加快B1绘图，将减少RF功率/SAR。

非常类似于结合图4b所述的实施例，通过选择四个线圈本征模仿真了4-端口鸟笼线圈（图4c）：γ₁₁=γ₂₂=γ₆₆=γ₇₇=1。那么，虚拟线圈元件的数量N'=4，偏移S=2（图4c）。

所得的编码矩阵为：

$E_{4-\mathrm{port}}^T=\left(\begin{array}{cccccccc}4& 1-i& 2i& 1+i& 0& 1-i& -2i& 1+i\\ -2i& 1+i& 4& 1-i& 2i& 1+i& 0& 1-i\\ 0& 1-i& -2i& 1+i& 4& 1-i& 2i& 1+i\\ 2i& 1+i& 0& 1-i& -2i& 1+i& 4& 1-i\end{array}\right)---\left[8\right]$

对于预计省略线圈本征模对RF匀场结果几乎没有影响的应用，4-端口的仿真可能是有益的。于是，可以加快B1绘图，将减少RF功率/SAR。

类似于结合图4b所述的实施例，通过选择8-通道TEM线圈的七个本征模仿真（图4d）了7-通道线圈：（γ₁₁=γ₂₂=γ₃₃=γ₄₄=γ₅₅=γ₆₆=γ₇₇=1）。那么，虚拟线圈元件的数量N'=7，偏移S=8/7。在这种特定配置中，省略了共模（γ₇₇），其仅对RF匀场结果仅有很小影响，但显著增大了RF功率和SAR。

通过应用线圈本征模的线性相位仿真了旋转的8-通道线圈（旋转角）(γ_kk=exp(2πi(k-1)φ))。能够使用这将线圈阵列的对称轴对准到身体的对称轴（例如，左右或前后）以实现接收与发射调节之间的简单对称性质。

通过用身份矩阵取代方程5中的F₁和Γ，实现了从环形排序的物理线圈元件到线圈本征模的变换（图4a，f），这是相当于所谓的Butler矩阵的软件（Alagappan V.MRM2007；57：1148-58）。可以利用任意但适当的变换矩阵E对这进行更加的一般化。

形式上，也可以使用比通过线圈模式之间内插可用的物理发射通道更多的虚拟发射通道（N'>N）。例如，可以通过简单置换方程7中给出的编码矩阵在2-端口鸟笼上仿真8-通道线圈。能够将这用于改善B1绘图的稳定性，这代表了利用NSA=4求平均值的智能方式。此外，可以在物理2-通道系统上测试用于8-发射通道的工作流程。

可以使用提出的方法将线圈阵列切换到反正交模式中。例如，对于利用感应耦合的RF接收线圈进行跟踪的装置，这可能是有用的（Celik H等人，Magn Reson Med.2007；58：1224-31）。

能够利用适当的编码矩阵将提出的方法用于其他线圈拓扑（例如矩形发射阵列）。例如，可以将基于傅里叶的模式分解（参考方程5）一般化成奇异值分解（SVD），以在一般情况下导出线圈“本征模”。

也可以将提出的方法用于接收线圈阵列，例如用于改善的并行成像（例如，数据简化）。

Claims (15)

1.一种执行磁共振成像扫描以采集对象（10）的磁共振图像的方法，其中，利用包括个体发射线圈组的物理线圈布置（9、11、12、13）执行所述扫描，所述线圈适于向所述对象（10）发射RF发射场用于所述对象（10）的磁共振自旋激励，其中，每个线圈与一物理发射通道相关联，所述方法包括：

a）选择要由所述线圈生成的期望的RF发射场，所述RF发射场对应于两个或更多个所述线圈的虚拟布置，其中，向所述RF发射场分配包括虚拟发射通道权重的虚拟发射通道性质，所述虚拟发射通道权重描述为了生成所述RF发射场而需要施加到所述物理线圈（9、11、12、13）的关于所述虚拟线圈布置中的每个个体线圈的虚拟复RF场幅度，

b）利用通道编码矩阵变换所述虚拟发射通道性质，所述发射通道编码矩阵描述所述虚拟线圈布置的所述虚拟发射通道性质到所述物理线圈布置（9、11、12、13）的物理发射通道性质的变换，

c）利用针对每个虚拟线圈的相应变换的个体虚拟发射通道性质测量所述两个或更多个虚拟线圈的个体虚拟线圈灵敏度，其中，由对应虚拟发射通道性质和对应虚拟线圈灵敏度的组合给出每个个体虚拟线圈的所述RF发射场，

d）利用测量的虚拟线圈灵敏度针对每个虚拟线圈优化所述个体虚拟发射通道性质，以便以更高的精确度获得所述期望的RF发射场，

e）利用所述通道编码矩阵变换经优化的虚拟发射通道性质，所述变换获得包括物理发射通道权重的物理发射通道性质，所述物理发射通道权重描述关于所述物理线圈布置（9、11、12、13）中的每个个体线圈的物理复RF场幅度，

f）利用所述物理发射通道性质执行所述磁共振成像扫描。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物理发射通道性质和所述虚拟发射通道性质此外或备选地包括针对每个虚拟线圈的时间相关的RF脉冲波形，其中，所述虚拟发射通道性质和所述经优化的虚拟发射通道性质的变换考虑了所述RF脉冲波形的时间相关性。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在不同时间点针对MR成像序列的不同的期望的RF发射场重复步骤a）到e），其中，在步骤f）中，利用与在所述不同时间点的所述不同的期望的RF发射场对应的所述物理发射通道性质执行所述磁共振成像扫描。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，利用测量的虚拟线圈灵敏度针对每个虚拟线圈优化所述个体虚拟发射通道性质，以便在待成像的所述对象（10）处在以更高的空间均匀性获得所述期望的RF发射场。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括确定发射通道编码矩阵，其中，通过如下方式进行所述确定：

-考虑待成像的所述对象（10）的存在，对所述期望的RF发射场进行数学模拟，和/或

-指导所述线圈的所述物理发射线圈灵敏度的先验测量，和/或

-确定所述线圈的RF接收性质，并从所述接收性质计算所述线圈的所述物理发射线圈灵敏度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，由磁共振成像系统的控制器执行所述方法，其中，所述控制器包括方法部件（300）、虚拟线圈仿真部件（302）和驱动器部件（304），其中，

-所述方法部件（300）控制执行步骤a）、c）、d）和f），并且

-所述虚拟线圈仿真部件（302）控制执行步骤b）和e），

其中，所述方法部件（300）经由所述虚拟线圈仿真部件（302）控制所述驱动器部件（304）以驱动所述线圈，其中，所述虚拟线圈仿真部件（302）仿真仅存在所述虚拟线圈布置，给所述方法部件（300）。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，仿真给所述方法部件的所述虚拟线圈布置包括若干虚拟线圈。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，虚拟线圈的数量取决于：

-所述对象（10），特别是待成像的目标解剖结构，和/或

-用于执行所述磁共振成像扫描的期望的成像序列，和/或

-用于执行所述磁共振成像扫描的期望的线圈类型，和/或

-所述控制器的用户的身份验证。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，虚拟线圈的数量取决于要暴露至所述对象（10）的最大比吸收率水平。

10.一种适于执行磁共振成像扫描以采集对象（10）的磁共振图像的磁共振成像系统（1），其中，所述系统包括适于执行所述扫描的物理线圈布置（9、11、12、13），其包括个体发射线圈组，所述线圈适于向所述对象（10）发射RF发射场用于所述对象（10）的磁共振自旋激励，其中，每个线圈与一物理发射通道相关联，所述系统适于执行如下操作：

a）选择要由所述线圈生成的期望的RF发射场，所述RF发射场对应于两个或更多个所述线圈的虚拟布置，其中，向所述RF发射场分配包括虚拟发射通道权重的虚拟发射通道性质，所述虚拟发射通道权重描述为了生成所述RF发射场而需要施加到所述物理线圈（9、11、12、13）的关于所述虚拟线圈布置中的每个个体线圈的虚拟复RF场幅度，

b）利用通道编码矩阵变换所述虚拟发射通道性质，所述发射通道编码矩阵描述所述虚拟线圈布置的所述虚拟发射通道性质到所述物理线圈布置（9、11、12、13）的物理发射通道性质的变换，

c）利用针对每个虚拟线圈的相应变换的个体虚拟发射通道性质测量所述两个或更多个虚拟线圈的个体虚拟线圈灵敏度，其中，由对应虚拟发射通道性质和对应虚拟线圈灵敏度的组合给出每个个体虚拟线圈的所述RF发射场，

d）利用测量的虚拟线圈灵敏度针对每个虚拟线圈优化所述个体虚拟发射通道性质，以便以更高的精确度获得所述期望的RF发射场，

e）利用所述通道编码矩阵变换经优化的虚拟发射通道性质，所述变换获得包括物理发射通道权重的物理发射通道性质，所述物理发射通道权重描述关于所述物理线圈布置（9、11、12、13）中的每个个体线圈的物理复RF场幅度，

f）利用所述物理发射通道性质执行所述磁共振成像扫描。

11.根据权利要求10所述的系统（1），还包括控制器，其用于控制步骤a）到f），其中，所述控制器包括方法部件（300）、虚拟线圈仿真部件（302）和驱动器部件（304），其中，

-所述方法部件（300）适于控制步骤a）、c）、d）和f），并且

-所述虚拟线圈仿真部件（302）适于控制执行步骤b）和e），

其中，所述方法部件（300）适于经由所述虚拟线圈仿真部件（302）控制所述驱动器部件（304）以驱动所述线圈，其中，所述虚拟线圈仿真部件（302）适于仿真仅存在所述虚拟线圈布置给所述方法部件（300）。

12.一种计算机程序产品，其包括计算机可执行指令，以执行根据前述权利要求1到9所述的方法步骤。

13.一种用于磁共振成像扫描中以采集对象（10）的磁共振图像的虚拟线圈仿真方法，其中，由MR系统（1）利用包括个体发射线圈组的物理线圈布置（9、11、12、13）执行所述扫描，所述线圈适于向所述对象（10）发射期望的RF发射场以用于所述对象（10）的磁共振自旋激励，其中，每个线圈与一物理发射通道相关联，其中，所述RF发射场对应于两个或更多个所述线圈的虚拟布置，其中，向所述RF发射场分配包括虚拟发射通道权重的虚拟发射通道性质，所述虚拟发射通道权重描述为了生成所述RF发射场而需要施加到所述物理线圈（9、11、12、13）的关于所述虚拟线圈布置中的每个个体线圈的虚拟复RF场幅度，所述方法包括：

a）从所述MR系统接收所述虚拟发射通道性质，

b）利用通道编码矩阵变换所述虚拟发射通道性质，所述发射通道编码矩阵描述所述虚拟线圈布置的所述虚拟发射通道性质到所述物理线圈布置（9、11、12、13）的物理发射通道性质的变换，

c）接收经优化的虚拟发射通道性质，所述经优化的虚拟发射通道性质是从所述MR系统接收的并从如下操作获得：

i.由所述MR系统利用针对每个虚拟线圈的相应变换的个体虚拟发射通道性质测量所述两个或更多个虚拟线圈的个体虚拟线圈灵敏度，其中，由对应虚拟发射通道性质和对应虚拟线圈灵敏度的组合给出每个个体虚拟线圈的所述RF发射场，

ii.由所述MR系统利用测量的虚拟线圈灵敏度针对每个虚拟线圈优化所述个体虚拟发射通道性质，以更高的精确度获得所述期望的RF发射场，

d）利用所述通道编码矩阵变换所述经优化的虚拟发射通道性质，所述变换获得包括物理发射通道权重的物理发射通道性质，所述物理发射通道权重描述关于所述物理线圈布置（9、11、12、13）中的每个个体线圈的物理复RF场幅度，

e）向所述MR系统提供所述物理发射通道性质以利用所述物理发射通道性质执行所述磁共振成像扫描。

14.一种适于用于磁共振成像扫描中以采集对象（10）的磁共振图像的虚拟线圈仿真系统（302），其中，由MR系统（1）利用包括个体发射线圈组的物理线圈布置（9、11、12、13）执行所述扫描，所述线圈适于向所述对象（10）发射期望的RF发射场用于所述对象（10）的磁共振自旋激励，其中，每个线圈与一物理发射通道相关联，其中，所述RF发射场对应于两个或更多个所述线圈的虚拟布置，其中，向所述RF发射场分配包括虚拟发射通道权重的虚拟发射通道性质，所述虚拟发射通道权重描述为了生成所述RF发射场而需要施加到所述物理线圈（9、11、12、13）的关于所述虚拟线圈布置中的每个个体线圈的虚拟复RF场幅度，所述仿真系统适于执行如下操作：

a）从所述MR系统接收所述虚拟发射通道性质，

b）利用通道编码矩阵变换所述虚拟发射通道性质，所述发射通道编码矩阵描述所述虚拟线圈布置的所述虚拟发射通道性质到所述物理线圈布置（9、11、12、13）的物理发射通道性质的变换，

c）接收经优化的虚拟发射通道性质，所述经优化的虚拟发射通道性质是从所述MR系统接收的并从如下操作获得：

i.由所述MR系统利用针对每个虚拟线圈的相应变换的个体虚拟发射通道性质测量所述两个或更多个虚拟线圈的个体虚拟线圈灵敏度，其中，由对应虚拟发射通道性质和对应虚拟线圈灵敏度的组合给出每个个体虚拟线圈的所述RF发射场，

ii.由所述MR系统利用测量的虚拟线圈灵敏度针对每个虚拟线圈优化所述个体虚拟发射通道性质，以更高的精确度获得所述期望的RF发射场，

d）利用所述通道编码矩阵变换所述经优化的虚拟发射通道性质，所述变换获得包括物理发射通道权重的物理发射通道性质，所述物理发射通道权重描述关于所述物理线圈布置（9、11、12、13）中的每个个体线圈的物理复RF场幅度，

e）向所述MR系统提供所述物理发射通道性质以利用所述物理发射通道性质执行所述磁共振成像扫描。

15.一种计算机程序产品（302），其包括计算机可执行指令，以执行根据权利要求13所述的方法步骤。

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