CN103529411B - 一种基于梯度编码的自动匀场方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于梯度编码的自动匀场方法。在重建的过程中利用测量所得的相位分布信息重建出准确的场图以及当前磁场分布。此外，新的自动匀场方法在测量场图时还考虑了由于涡流等影响引起的非线性作用，即线性增加的匀场电流所引起的磁场空间分布并不完全是线性的，消除这种非线性影响可以获得更符合实际情况的单位电流引起的磁场空间分布。相比于现有的梯度匀场方法本发明具有如下优点：可以适应于包括磁场不均匀较大的各种情况，如在“冷场”情况下的匀场；提高匀场的准确性，在拟合的情况下，比现有的梯度匀场提高7%左右的精度，并可以获得更好的匀场指标（优于0.5Hz/6Hz/12Hz）。

Description

一种基于梯度编码的自动匀场方法

技术领域

本发明涉及核磁共振线圈匀场方法，尤其是涉及一种基于梯度编码的自动匀场方法。适用于核磁共振波谱仪、磁共振成像仪以及需要高度均匀磁场的各种设备。

背景技术

核磁共振仪器主要包括核磁共振波谱仪和磁共振成像仪（MRI），目前已被广泛应用于科学研究、食品安全、临床医学等众多领域，其实验基本条件都需要一个高度均匀的外加强磁场。如核磁共振波谱仪就要求样品空间内静磁场B0的不均匀度小于0.01ppm。目前，超导磁体由于线圈长度、应力变化、样品磁导率变化、磁体外部铁磁环境变化等原因，只能提供均匀度约10ppm的静磁场，远不能满足现代核磁共振仪器的要求。为了获得高分辨核磁共振数据，核磁共振谱仪必须对静磁场进一步调控，目前普遍方法都是利用匀场线圈来提高磁场空间均匀性，其基本原理是通过改变各组匀场线圈的电流来分别消除静磁场在空间分布中的各阶不均匀分量，从而提高磁场的均匀性。为了节省大量的实验前准备时间，提高实验效率，核磁共振谱仪必须具备自动匀场功能。

梯度匀场方法是目前最为实用，也是应用最为广泛的自动匀场技术，其最大优点就是可以利用梯度直接测量出磁场不均匀性的空间分布，然后基于这种空间分布进行匀场。为实现梯度匀场，必须具备两个方面的信息。具体来说，首先必须获得表征各组匀场线圈单位电流对磁场影响的数据，即通常所说的场图数据，其次必须获得表征当前磁场空间分布的数据，最后通过最小二乘法来计算出各组匀场线圈所需电流并将其设置到匀场电源硬件。目前各个谱仪生产商都采用了这种自动匀场技术，但这种自动匀场技术仍存在一定的局限性：首先其在测量计算场图数据及当前磁场分布数据时都需假定梯度场强度远大于所需测试的场图数据或是当前磁场分布数据，但在很多情况下，这个假设并不一定满足，如对于刚刚进行升场的磁体，完全不知道各组匀场线圈电流的情况（“冷场”情况）。这种不考虑考虑磁场不均匀性本身对信噪比和测量影响的自动匀场，不能适用于磁场不均匀性较差的环境，且对匀场的准确性产生影响；其次，梯度匀场还需假设匀场线圈中匀场电流的影响是完全线性的（线性增加的匀场电流产生的磁场空间分布也是线性增加），但在实际的情况下由于匀场线圈设计、涡流等各种因素的影响，匀场电流所产生的磁场空间分布并不完全线性变化，因此降低了梯度匀场的准确性。

近年来，海量、多样的实验样品、复杂多变的脉冲序列都对谱仪的自动匀场提出更高的要求，因此，如何实现高效、准确、适应性强的自动匀场是核磁共振谱仪系统开发研制的重大挑战。

发明内容

本发明针对现有匀场技术方法存在的上述技术问题，提供了一种基于梯度编码的自动匀场方法。

一种基于梯度编码的自动匀场方法，包括以下步骤：

步骤1、输入梯度匀场所需的一维或者三维梯度匀场脉冲序列；

步骤2、采集两次回波时间TE不同的回波数据，并根据所得的两次回波数据的强度之比选择自旋回波或者梯度回波；

步骤3、采集场图回波数据；

步骤4、利用步骤3中的场图回波数据，采用迭代算法重构出准确的相位数据，并进一步获得各组测试的匀场线圈中单位电流产生的磁场分布Shim_Unit_matrix矩阵，矩阵每一个行向量为一个匀场线圈单位电流所造成的磁场空间分布；

步骤5、采集和计算自动匀场所需的当前磁场空间分布B0_Map_vector；

步骤6、根据步骤4获得的场图数据Shim_Unit_matrix以及步骤5获得当前磁场空间分布B0_Map_vector，计算出各组匀场线圈所需的匀场电流值Shim_Change,

步骤7，将步骤6计算所得的匀场电流中，判断匀场电流是否满足自定义的收敛条件，若满足则退出自动匀场，否则返回步骤5继续进行匀场，自定义的收敛条件为计算残留磁场的L2范数。

如上所述的步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、针对两次回波时间不同的回波数据分别进行快速Fourier变换，并计算出两个幅度谱B1Map和B2Map；

步骤2.2、若则选择梯度回波，否则选择自旋回波。

如上所述的步骤3中采集自动匀场所需的场图回波数据包括以下步骤：

步骤3.1、以当前磁场为基础，采集两个回波时间不同的数据；

步骤3.2、依次改变所需测试的各组匀场线圈电流，并通过对同组匀场线圈采用多组电流值来消除匀场线圈非线性影响，并针对每个匀场电流，都采集两次回波时间不同的回波数据。

如上所述的获得准确的场图数据包括以下步骤：

步骤4.1、根据步骤3.1中所采集的以当前磁场为基础的两个回波数据，利用考虑磁场不均匀性影响的迭代重建算法，计算出当前静磁场空间分布；

步骤4.2、利用考虑磁场不均匀性影响的迭代重建算法作用于步骤3.2采集所得的一个匀场线圈一个匀场电流值所对应的两个回波数据，分别重建出各组匀场线圈、各个匀场电流值所对应静磁场空间分布；

步骤4.3、利用步骤4.2中重建出的静磁场空间分布分别减去步骤4.1中所计算的当前磁场空间分布，获得单纯的匀场线圈影响空间分布；

步骤4.4、根据步骤4.3中所获得的单纯的匀场线圈影响空间分布，利用最小二乘法获得各组匀场线圈单位电流所造成的磁场空间分布，即所求的场图数据。

如上所述的步骤4.1、步骤4.2中所采用的考虑磁场不均匀性影响的迭代重建算法包括如下步骤：

步骤4.1a、针对两次回波时间不同的数据分别作快速Fourier变换，并计算出相位值及其中r代表空间分布，TE1和TE2代表回波时间，然后将两次回波时间TE1，TE2不同的相位做差，获得由于磁场不均匀性引起的相位差空间分布

步骤4.1b、计算初始的磁场不均匀性，公式为：

上式中Gama为采样核旋磁比；

步骤4.1c、将步骤4.1b计算所得的磁场不均匀分布ΔB(r)，代入下式，重建出新的表征磁场空间分布的相位数据

上式中函数phase(X)代表求幅角操作，具体计算如下：

而S_TE2(r)和S_TE1(r)分别代表采集获得的回波数据，Gz代表采样期间梯度强度大小，Kz代表采样期间K空间演化，k_z=Gama*G_z*Δt，Δt为两个采样点之间的时间间隔；

步骤4.1d、将新计算出来的与前一次计算获得的比较，若两者之差的L2范数小于设定的阈值，则退出计算，否则将设置为并返回步骤4.1b重新计算。

如上所述的采集并计算自动匀场所需的当前磁场空间分布的步骤包括；

步骤5.1、采用步骤2中所选取的脉冲序列采集获得两次回波时间不同的回波数据；

步骤5.2、采用步骤4.1中考虑磁场不均匀性影响的迭代重建算法计算获得表征当前磁场空间分布的相位数据；

步骤5.3、采用如下公式计算当前磁场空间分布B0_Map_vector；

上式中Gama为采样核旋磁比。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.由于本发明首次提出并采用了考虑静磁场不均匀性本身影响的迭代重建算法，因此这种自动匀场方法可以适用于磁场均匀性较差的环境，如“冷场”的情况，适用范围更广；

2.考虑静磁场不均匀性本身影响的迭代重建算法比普通的快速Fourier重建算法更准确，当磁场不均匀性与梯度编码强度之比大于0.05时，采用迭代重建算法比常规算法精度提高7%；

3.针对每个匀场线圈采用多个匀场线圈电流改变量来测试匀场线圈对磁场的影响，并通过最小二乘法计算单位电流引起的磁场空间分布，有效的消除了由于梯度涡流等引起一些非线性影响。采用该方法后，匀场线圈中电流引起的磁场空间分布线性度提高约为5%。

4.有效的提高了梯度匀场的准确性，在拟合实验中，与传统的梯度自动匀场方法相比，新的匀场方法可以提高约为7%的精度，具体计算结果如下表1所示：

表1新的自动匀场和常规梯度匀场效果对比

附图说明

图1本发明方法所需的硬件框架图；

图2基于梯度编码的自动匀场方法流程图；

图3基于最小二乘法消除匀场线圈非线性流程图；

图4考虑磁场均匀性影响的迭代重建算法流程图；

图5利用迭代重建算法和快速Fourier变换算法重建出的磁场不均匀性对比，图中‘*’线代表利用快速Fourier变换算法重建出的磁场不均匀性，‘o’线代表利用迭代重建算法重建出的磁场不均匀性，‘+’线代表实际的磁场不均匀性。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

一种基于梯度编码的自动匀场方法其硬件基础框架如图1所示，包括以下步骤，总体流程如图2所示:

步骤1，输入梯度匀场所需的一维或者三维梯度匀场脉冲序列，默认为基于梯度回波的脉冲序列；

步骤2，采集两次回波时间TE不同的回波数据，并根据所得的两次回波数据的强度之比选择适合的脉冲序列（自旋回波或者梯度回波）；

如上所述的步骤2中，自动选择自旋回波还是梯度回波包括以下步骤：

步骤2.1，针对两次回波时间不同的回波数据分别进行快速Fourier变换，并计算出两个幅度谱B1Map和B2Map；

步骤2.2，根据步骤2.1中计算所得B1Map和B2Map选择出自旋回波或者梯度回波，若则选择梯度回波以节约实验时间、反之选择自旋回波以提高信噪比；

步骤3、采集自动匀场所需的场图回波数据。

如上所述的步骤3中，采集自动匀场所需的场图回波数据包括以下步骤：

步骤3.1，以当前磁场为基础，采集两个回波时间不同的数据；

步骤3.2，依次改变所需测试的各组匀场线圈电流，以突出该组匀场线圈影响。与普通梯度匀场制作场图时只改变一次匀场电流值不同，这里采用多组电流值改变量用消除匀场线圈非线性影响，如在测试Z1匀场线圈时，将Z1匀场线圈电流分别设置为[-0.1安培,-0.05安培,0.05安培,0.1安培],并针对每个匀场电流，都采集两次回波时间不同的回波数据，总共8组回波数据。

步骤4，利用步骤3所采集的场图回波数据，采用迭代算法重构出准确的相位数据，并进一步获得准确的场图数据，即各组测试的匀场线圈中单位电流产生的磁场空间分布Shim_Unit_matrix，Shim_Unit_matrix为一矩阵，矩阵每一个行向量为一个匀场线圈单位电流所造成的磁场空间分布：

$\mathrm{Shim}\_\mathrm{Unit}\_\mathrm{matrix}=\left[\begin{array}{c}Z1\_\mathrm{unit}\\ Z2\_\mathrm{Unit}\\ ......\\ Z5\_\mathrm{Unit}\\ Z6\_\mathrm{Unit}\end{array}\right]---\left(1\right)$

如上所述的步骤4中，计算获得准确的场图数据包括以下步骤：

步骤4.1，根据步骤3.1中所采集的以当前磁场为基础的两个回波数据，利用考虑磁场不均匀性影响的迭代重建算法，计算出当前静磁场空间分布；

步骤4.2，利用迭代重建算法作用于步骤3.2采集所得的一个匀场线圈一个匀场电流值所对应的两个回波数据，分别重建出各组匀场线圈、各个匀场电流值所对应静磁场空间分布。举例说明，当所测试的匀场线圈包括Z1，Z2，Z3，X1，Y1时，而每组匀场线圈电流改变量为[-0.1安培,-0.05安培,0.05安培,0.1安培]，则需要重建出5×4组磁场空间分布数据；

步骤4.3，利用步骤4.2中重建出的静磁场空间分布分别减去步骤4.1中所计算的当前磁场空间分布，获得单纯的匀场线圈影响空间分布；

步骤4.4，根据步骤4.3中所获得的单纯的匀场线圈影响空间分布，利用最小二乘法获得各组匀场线圈单位电流所造成的磁场空间分布，即所求的场图数据。举例说明，测试Z1匀场线圈时，各个电流改变量若为[-0.1安培，-0.05安培，0.05安培，0.1安培],而对应的由步骤4.3中获得的单纯的Z1匀场线圈影响空间分布为[Z1B0_1，Z1B0_2，Z1B0_3，Z1B0_4]，则所求的Z1匀场线圈单位电流磁场空间分布Z1_Unit应满足：

$Z1\_\mathrm{Unit}\×\left[\begin{array}{c}-0.1\\ -0.05\\ 0.05\\ 0.1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}Z1B0\_1\\ Z1B0\_2\\ Z1B0\_3\\ Z1B0\_4\end{array}\right]---\left(2\right)$

此时可以采用最小二乘法求得匀场线圈单位电流磁场空间分布。

如上所述的步骤4.1、步骤4.2中所采用的考虑磁场不均匀性影响的迭代重建算法包括如下步骤：

步骤4.1a，针对两次回波时间不同的数据分别作快速Fourier变换，

并计算出相位值及其中r代表空间分布，TE1和TE2代表回波时间），然后将两次回波时间（TE1，TE2）不同的相位做差，获得由于磁场不均匀性引起的相位差空间分布

步骤4.1b，计算初始的磁场不均匀性，公式为：

上式中Gama为采样核旋磁比。

步骤4.1c，将步骤4.1b计算所得的磁场不均匀分布ΔB(r)，代入下式，重建出新的表征磁场空间分布的相位数据新的相位数据由于考虑了磁场不均匀性的影响，将更加准确：

上式中函数phase(X)代表求幅角操作，具体计算如下：

而S_TE2(r)和S_TE1(r)分别代表采集获得的回波数据，Gz代表采样期间梯度强度大小，Kz代表采样期间K空间演化：

k_z=Gama*G_z*Δt(7)

Δt为两个采样点之间的时间间隔。

步骤4.1d，将新计算出来的与前一次计算获得的比较，若两者之差的L2范数小于设定的阈值，则退出计算，否则将设置为并返回步骤4.1b重新计算。

步骤5，利用步骤2所选定的脉冲序列，采集并计算自动匀场所需的当前磁场空间分布B0_Map_vector，B0_Map_vector为一向量；

如上所述步骤5，采集并计算自动匀场所需的当前磁场空间分布的步骤包括；

步骤5.1，采用步骤2中所选取的脉冲序列采集获得两次回波时间不同的回波数据；

步骤5.2，采用步骤4.1中考虑磁场不均匀性影响的迭代重建算法计算获得表征当前磁场空间分布的相位数据；

步骤5.3，采用如下公式计算当前磁场空间分布；

上式中Gama为采样核旋磁比。

步骤6，根据步骤4获得的场图数据Shim_Unit_matrix以及步骤5获得当前磁场空间分布B0_Map_vector，计算出各组匀场线圈所需的匀场电流值Shim_Change,计算依据如下公式：

求Shim_Change满足minimize||B0_Map_vector-Shim_Change*Shim_Unit_matrix||²

(9)

即寻求一组匀场线圈电流值Shim_Change，使其在匀场线圈中产生的磁场分布Shim_Change*Shim_Unit_matrix与当前磁场分布B0_Map_vector最为接近（均方差最小），可以采用常规的最小二乘法解决或者是规则化的方法求解，如Tikhonov正则化，截断奇异值分解算法TSVD等；

步骤7，将步骤6计算所得的匀场电流设置硬件（匀场电源）中，判断匀场电流是否满足自定义的收敛条件，若满足则退出自动匀场，否则返回步骤5继续进行匀场。自定义的收敛条件一般为计算残留磁场的L2范数，其中残留磁场B0_Residual计算方法如下：

B0_Residual＝B0_Map_vector-Shim_Change*Shim_Unit_matrix(10)

若残留磁场的L2范数大于设定阈值，则返回步骤5。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种基于梯度编码的自动匀场方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、输入梯度匀场所需的一维或者三维梯度匀场脉冲序列；

步骤2、采集两次回波时间TE不同的回波数据，并根据所得的两次回波数据的强度之比选择自旋回波或者梯度回波；

步骤3、采集场图回波数据；

步骤4、利用步骤3中的场图回波数据，采用迭代算法重构出准确的相位数据，并进一步获得各组测试的匀场线圈中单位电流产生的磁场分布Shim_Unit_matrix矩阵，矩阵每一个行向量为一个匀场线圈单位电流所造成的磁场空间分布；

步骤5、采集和计算自动匀场所需的当前磁场空间分布B0_Map_vector；

步骤6、根据步骤4获得的磁场分布Shim_Unit_matrix矩阵以及步骤5获得当前磁场空间分布B0_Map_vector，计算出各组匀场线圈所需的匀场电流值Shim_Change,

步骤7，在步骤6计算所得的匀场电流值中，判断匀场电流是否满足自定义的收敛条件，若满足则退出自动匀场，否则返回步骤5继续进行匀场，自定义的收敛条件为计算残留磁场的L2范数。

2.根据权利要求1所述的一种基于梯度编码的自动匀场方法，其特征在于，所述的步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、针对两次回波时间不同的回波数据分别进行快速Fourier变换，并计算出两个幅度谱B1Map和B2Map；

步骤2.2、若则选择梯度回波，否则选择自旋回波。

3.根据权利要求2所述的一种基于梯度编码的自动匀场方法，其特征在于，所述的步骤3中采集自动匀场所需的场图回波数据包括以下步骤：

步骤3.1、以当前磁场为基础，采集两个回波时间不同的数据；

步骤3.2、依次改变所需测试的各组匀场线圈电流，并通过对同组匀场线圈采用多组电流值来消除匀场线圈非线性影响，并针对每个匀场电流，都采集两次回波时间不同的回波数据。

4.根据权利要求3所述的一种基于梯度编码的自动匀场方法，其特征在于，获得准确的磁场分布Shim_Unit_matrix矩阵包括以下步骤：

步骤4.1、根据步骤3.1中所采集的以当前磁场为基础的两个回波时间不同的数据，利用考虑磁场不均匀性影响的迭代重建算法，计算出当前静磁场空间分布；

步骤4.2、利用考虑磁场不均匀性影响的迭代重建算法作用于步骤3.2采集所得的一个匀场线圈一个匀场电流值所对应的两次回波时间不同的回波数据，分别重建出各组匀场线圈和各个匀场电流值所对应静磁场空间分布；

步骤4.3、利用步骤4.2中重建出的静磁场空间分布分别减去步骤4.1中所计算的当前静磁场空间分布，获得单纯的匀场线圈影响空间分布；

步骤4.4、根据步骤4.3中所获得的单纯的匀场线圈影响空间分布，利用最小二乘法获得各组匀场线圈单位电流所造成的磁场分布Shim_Unit_matrix矩阵，即所求的场图数据。

5.根据权利要求4所述的一种基于梯度编码的自动匀场方法，其特征在于，所述的步骤4.1、步骤4.2中所采用的考虑磁场不均匀性影响的迭代重建算法包括如下步骤：

步骤4.1a、针对两次回波时间不同的数据分别作快速Fourier变换，并计算出相位值及其中r代表空间分布，TE1和TE2代表回波时间，然后将两次回波时间TE1，TE2不同的相位做差，获得由于磁场不均匀性引起的相位差空间分布

步骤4.1b、计算初始的磁场不均匀性，公式为：

上式中Gama为采样核旋磁比；

步骤4.1c、将步骤4.1b计算所得的磁场不均匀分布ΔB(r)，代入下式，重建出新的表征磁场空间分布的相位数据

上式中函数phase(x)代表求幅角操作，具体计算如下：

而S_TE2(r)和S_TE1(r)分别代表采集获得的回波数据，Gz代表采样期间梯度强度大小，k_z代表采样期间K空间演化，k_z＝Gama*G_z*Δt，Δt为两个采样点之间的时间间隔；

步骤4.1d、将新计算出来的与前一次计算获得的比较，若两者之差的L2范数小于设定的阈值，则退出计算，否则将设置为并返回步骤4.1b重新计算。

6.根据权利要求5所述的一种基于梯度编码的自动匀场方法，其特征在于，所述的采集并计算自动匀场所需的当前磁场空间分布的步骤包括；

步骤5.1、采用步骤2中所选取的自旋回波或者梯度回波采集获得两次回波时间不同的回波数据；

步骤5.2、采用步骤4.1中考虑磁场不均匀性影响的迭代重建算法计算获得表征当前磁场空间分布的相位数据；

步骤5.3、采用如下公式计算当前磁场空间分布B0_Map_vector；

上式中Gama为采样核旋磁比。