CN103782184B - 磁共振系统以及用于噪声系数最小化的方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁共振（MR）系统（10）针对线圈（281、282、…、28n）的阵列的模式对噪声进行最小化。所述系统（10）包括共享阻抗的线圈（281、282、…、28n）的阵列。多个前置放大器（301、302、…、30n）接收来自所述线圈（281、282、…、28n）的阵列的多个信号，并且多个匹配电路（321、322、…、32n）将所述线圈（281、282、…、28n）的阵列与所述多个前置放大器（301、302、…、30n）进行阻抗匹配。多个接收器（361、362、…、36n）在多个不同匹配值处对多个被前置放大的信号进行过采样。之后，可以从过采样的数据重建多幅独立的图像，每幅图像对应于特定匹配值。最后，可以选择具有最高SNR的图像。
Description
技术领域
本申请大体上涉及射频(RF)阵列。本发明尤其适于与磁共振成像(MRI)和磁共振波谱分析(MRS)共同使用，并将特别参考它们得以描述。然而，应理解，本发明还适用于其他使用情形，例如雷达、移动通信、射电天文学等，而不必限于上述应用。
背景技术
磁共振(MR)系统通常采用了多个接收通道，每个接收通道都对应于接收线圈，以进行数据采集。这样的方式有利地允许更快的数据采集，但事实证明其是昂贵的，因为必须要为每个接收通道复制部件。因此，一些系统通过对来自多个接收线圈的数据进行过采样和时分多路复用，为多个接收线圈采用单个接收通道。这些系统认识到现代的接收器一般会收集到比所需更多的数据样本。要获得关于多路复用系统的更多信息，可以关注Porter等人的“A Sixteen Channel Multiplexing Upgrade for Single ChannelReceivers”(Magnetic Resonance Imaging，第19卷，第7期，第1009-1016页(2001年))。
尽管有这种用于数据采集的方式，但采用多个接收线圈的一项挑战是优化信噪比(SNR)。当所有其他接收线圈大致处于“打开”状态，并因此被假定为处于隔离时，通常通过使用接收线圈的端口阻抗将每个接收线圈噪声匹配到前置放大器来优化多个接收线圈的SNR。然而，这种方式在一些模式和模式组合中产生非最优的SNR。本申请认识到，接收线圈一般具有共享的阻抗。这样一来，决定噪声系数的阻抗不是端口阻抗，而是共享阻抗的特征值。只要在接收线圈之间有共享的阻抗，则每个接收线圈和前置放大器之间的无源噪声匹配电路就不能针对所有模式产生最优的SNR。
本申请提供了克服上述问题和其他问题的新的改进系统和方法。
发明内容
根据一个方面，提供了一种磁共振(MR)系统，其具有针对线圈的阵列的模式的噪声系数最小化。所述系统包括共享阻抗的线圈的阵列。多个前置放大器接收来自所述阵列的多个信号，并且多个匹配电路将所述阵列与所述前置放大器进行阻抗匹配。多个接收器在多个不同匹配值处对多个被前置放大的信号进行过采样。
根据另一方面，提供了一种针对磁共振(MR)系统中采用的线圈的阵列的模式进行噪声系数最小化的方法。接收来自共享阻抗的线圈的阵列的多个信号。使用多个前置放大器对所述信号进行前置放大，并且将所述阵列与所述前置放大器进行阻抗匹配。在多个不同匹配值处对被前置放大的信号进行过采样。
一个优点在于能够改善相对深的内部结构处的SNR。
另一个优点在于通过提高几种模式的SNR改善并行成像。
另一个优点在于相比于解决由互感导致的SNR劣化的其他方案相比成本较低。
在阅读和理解以下详细描述之后，本领域技术人员将认识到本发明的其他优点。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件布置，以及各种步骤和步骤安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，而不得被解释为对本发明的限制。
图1是根据本公开各方面的磁共振系统的框图。
图2是根据本公开各方面的用于噪声系数最小化的方法的框图。
具体实施方式
参考图1，磁共振(MR)系统10利用磁共振形成受检者12的二维或三维图像。受检者12被布置于强的静态B0磁场中，这令受检者12体内的氢偶极子优先与静态B0磁场一致排列。向氢偶极子施加处于激励频率(例如拉莫尔频率或MR频率)的电磁场(例如RF脉冲)，以令氢偶极子吸收能量并共振。吸收的能量和激励频率取决于磁场的强度和待共振的氢偶极子。
在共振激励脉冲之后，氢偶极子衰变到更低能态，并将吸收的能量发射为磁共振信号。被激励的氢偶极子根据氢偶极子所在的组织而以不同速率衰变。此外，共振信号的频率和相位取决于磁场的强度，使得能够采用磁场梯度对共振信号中的空间信息编码。因此，通过施加磁场梯度，并观测氢偶极子的衰变以及所发射共振信号的频率和相位，能够形成二维或三维图像。
主磁体16生成通过检查体积18延伸的强静态B0磁场。检查体积18容纳着受检者12。膛型MR扫描器中的静态B0磁场通常沿受检者12的长度延伸通过检查体积18。在开放型或C型MR扫描器中，B0磁场通常垂直延伸，与俯卧患者的长度相交。此外，静态B0磁场的强度在检查区域18中通常是0.23特斯拉、0.5特斯拉、1.5特斯拉、3特斯拉、7特斯拉等之一，但也预见到其他强度。在一些实施例中，主磁体16为设置于适当低温致冷剂中的超导磁体。在其他实施例中，主磁体16为常导磁体，其任选地由水等冷却。对于更高的静态B0磁场，通常使用膛或螺管磁体，并且对于更低的B0磁场，常常使用开放或C型磁体。
梯度控制器20控制多个磁场梯度线圈22以选择性地在检查体积18中的静态B0磁场上叠加磁场梯度，例如x、y和z梯度。发射器24经由全身线圈26向检查体积18中发射B1共振激励和操控RF脉冲。B1脉冲通常为短持续时间的，并且当与磁场梯度一起获取时，其实现磁共振的选定操控。例如，B1脉冲激励氢偶极子共振，并且磁场梯度在共振信号的频率和相位中编码空间信息。
多个接收线圈281、282、…、28n形成阵列，其接收被空间编码的磁共振信号。由多个信号适当地实现被空间编码的磁共振信号，所述多个信号中的一个针对接收线圈281、282、…、28n的每个。接收线圈281、282、…、28n固有地耦合并共享阻抗。能够使用基本任意数量的接收线圈，并且线圈能够具有基本任何空间布置。在并行成像中，例如在SENSE中，绕着受检者12沿周边定位8、16或更多个接收线圈。
多个前置放大器301、302、…、30n经由设置于接收线圈281、282、…、28n和前置放大器301、302、…、30n之间的多个匹配电路321、322、…、32n接收来自接收线圈281、282、…、28n的信号。匹配电路321、322、…、32n将接收线圈281、282、…、28n与前置放大器301、302、…、30n进行阻抗匹配，以便改善功率传输和SNR。最优地，前置放大器301、302、…、30n的输入阻抗是接收线圈281、282、…、28n的阻抗的复共轭。为了便于进行阻抗匹配，每个匹配电路都包括匹配值，例如阻抗，其被添加到对应接收线圈的阻抗。通常，每个匹配电路包括可变电抗器、变容二极管、可调电阻器等中的一种或多种，以允许远程调节匹配值。
阻抗匹配的一个挑战是电抗依赖于频率。由于频率针对阵列的不同工作模式而变化，匹配电路单一的匹配值将不能最优地针对所有模式消除对应接收线圈和对应前置放大器之间的电抗。这又使SNR和功率传输劣化。为了解决这个挑战，匹配控制器34控制匹配电路321、322、…、32n以在不同匹配值之间切换，同时对共振信号进行过采样。通过针对阵列的所有模式在最优匹配值范围上的不同匹配值处对共振信号进行过采样，将针对阵列的所有模式捕获具有至少与最优SNR接近的SNR的样本。匹配值能够是离散的或连续的。对于前一种情况，能够周期性地(例如每5秒)改变匹配值。至于后者，能够将匹配值定义为时间的函数，例如正弦曲线。当由于切换阻抗，以对于采样方案而言足够快的速度在离散匹配值之间进行切换不可行时，连续匹配值是有利的。
匹配控制器34还向多个接收器361、362、…、36n和扫描器控制器38提供同步信号，下文将对每个进行讨论。同步信号指示何时应当将激励脉冲发射到检查体积18以及数据采集何时应当开始维持与匹配值的一致性。因此，匹配控制器34确保了匹配电路321、322、…、32n，361、362、…、36n与扫描器控制器38之间的准确同步。在一些实施例中，匹配控制器34是接收器361、362、…、36n的一部分。例如，一些数字接收器能够产生能够用于控制匹配电路321、322、…、32n的匹配值的电压。
接收器361、362、…、36n定义多个接收通道，通常一个接收通道针对接收线圈281、282、…、28n的每个，并接收来自前置放大器301、302、…、30n的被前置放大的信号。接收器361、362、…、36n将多个被前置放大的信号转换成数字数据样本，所述数字数据样本被存储在数据缓冲器40中。由来自匹配控制器34的同步信号适当触发数据采集。通常，接收器361、362、…、36n包括模数转换器。在一个有利实施例中，前置放大器301、302、…、30n，匹配电路321、322、…、32n和接收器321、322、…、32n安装于线圈组件上或接近线圈组件，以使沿线圈组件到接收器361、362、…、36n的传输路径的任何噪声的效应最小化。
在数据采集期间，由匹配控制器34改变匹配值，并且接收器361、362、…、36n根据预定因子对多个被前置放大的信号进行过采样。如上所述，过采样认识到，现代的接收器能够以本来所需更快地对数据采样。当匹配控制器34在离散匹配值之间切换时，预定因子通常对应于离散匹配值的数量。例如，在匹配控制器34在四个离散值之间切换的情况下，预定因子为四，且采样速率是通常情况的四倍。另外，例如，对于连续匹配值，能够经由试错过程和/或为了使采集的数据量最大化而选择预定因子。
扫描器控制器38控制梯度控制器20和发射器24以生成多种MR序列(例如回波平面成像、回波体积成像、梯度和自旋回波成像、快速自旋回波成像等)的任一种。采用来自匹配控制器34的同步信号以调节脉冲序列在采集窗口处开始。对于选定的序列，接收器361、362、…、36n在每个发射的脉冲之后迅速相继地针对每个接收通道接收至少一条数据线。接收器361、362、…、36n对从接收线圈281、282、…、28n接收的信号执行模数转换，并将每条MR数据线转换成适于进一步处理的数字格式。尽管参照使用全身线圈26发射B1脉冲进行论述，但应认识到，接收线圈281、282、…、28n也能够被用作发射线圈。
由重建处理器42将数据缓冲器40中存储的针对每个接收通道的数字数据重建成图像表示，重建处理器42应用傅里叶变换或其他适当的重建算法。图像可以表示通过受检者12的平面切片、平行平面切片的阵列、三维体积等。当以并行成像模式操作线圈阵列时，由重建处理器42使用例如SENSE、SMASH或某种其他并行成像技术，构造和组合来自不同接收通道的图像。
在一个实施例中，每个接收通道都输出用于多幅图像的数据，每幅图像都处在不同的匹配值。在具有四叠过采样的实施例中，利用四个匹配值的每个生成四幅图像。然后在图像存储器44中存储图像，可以访问图像存储器44以将图像表示的切片、投影或其他部分转换成用于可视化的适当格式，例如经由显示所得图像的显示器46进行可视化。也能够将图像表示发送到存储设备，例如医疗记录数据库。
参考图2，提供了方法50，其用于针对由接收线圈281、282、…、28n定义的阵列的所有模式的噪声系数最小化。方法50包括接收52来自阵列的多个信号，其中，所述阵列共享阻抗。使用前置放大器301、302、…、30n对接收的信号进行前置放大54，并且将所述阵列阻抗匹配56到前置放大器301、302、…、30n。根据在数据采集期间变化的多个不同匹配值执行阻抗匹配。在数据采集期间在多个不同匹配值处对被前置放大的信号进行过采样58。任选地从根据样本生成的多幅图像生成60合成图像。
在四叠过采样的实施例中，利用四个不同匹配值的每个相继生成四幅图像。可以选择基于诸如SNR、最高分辨率、对比度等标准的最佳图像作为最终图像。或者，利用各种可选择的权重组合图像。例如，如果图像在不同的物理区域中是“最好的”，则能够区域性地调节加权。作为另一范例，利用相等加权组合图像。
在另一实施例中，由噪声分析器48分析来自每个接收通道的数据以获得SNR。将具有最高SNR的每个接收通道的输出发送到数据缓冲器40进行重建。在对成像区域中的受检者12进行初步校准扫描时，可以在很大范围值内改变匹配值。选择SNR最小的匹配值作为匹配值之一，能够在这一匹配值附近选择四叠过采样实施例中的其他三个匹配值。在扫描期间，再次检查四个输出信号以获得SNR。患者的运动，通过检查区域移动患者等能够导致接收线圈281、282、…、28n的阻抗变化。如果在成像期间，具有最高SNR的匹配值变化，能够动态地移动4个匹配值以跨过新的“最好”匹配值。
考虑到以上论述，对共振信号进行过采样，同时改变匹配值有利地允许从利用几个不同噪声匹配值生成的数据进行图像重建。这又提高了针对所有模式和成像中的所有感兴趣位置近似最佳匹配的能力。仿真表明，对于一些阵列和一些位置而言，SNR的提升能够是15％或更多。此外，如果利用非隔离阵列元件能够实现接近最优的噪声系数，那么也能够放松在制造期间确保最佳隔离的要求。
如本文使用的，存储器包括非暂态计算机可读介质；磁盘或其他磁存储介质；光盘或其他光学存储介质；随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或其他电子存储设备或芯片或操作性互连的芯片集合；可以经由因特网/内联网或局域网检索被存储指令的因特网/内联网服务器等中的一种或多种。此外，如本文使用的，处理器包括微处理器、微控制器、图形处理单元(GPU)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等中的一种或多种；用户输入设备包括鼠标、键盘、触摸屏显示器、一个或多个按钮、一个或多个开关、一个或多个触发器等中的一种或多种；并且显示器包括LCD显示器、LED显示器、等离子体显示器、投影显示器、触摸屏显示器等中的一种或多种。
已经参考优选实施例描述了本发明。他人在阅读和理解以上详细描述之后可以做出修改和变化。本发明旨在被解释为包括所有这样的修改和变化，只要它们落在权利要求书或其等价要件的范围之内。
Claims (15)
1.一种磁共振(MR)系统(10)，具有针对线圈(281、282、…、28n)的阵列的模式的噪声系数最小化，所述系统(10)包括：
线圈(281、282、…、28n)的阵列，所述线圈共享阻抗；
多个前置放大器(301、302、…、30n)，其接收来自所述线圈(281、282、…、28n)的阵列的多个信号；
多个匹配电路(321、322、…、32n)，其将所述线圈(281、282、…、28n)的阵列与所述多个前置放大器(301、302、…、30n)进行阻抗匹配；以及
多个接收器(361、362、…、36n)，其在多个不同匹配值处对多个被前置放大的信号进行过采样。
2.根据权利要求1所述的磁共振系统(10)，其中，所述线圈(281、282、…、28n)的阵列包括多个RF接收线圈。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的磁共振系统(10)，其中，所述匹配值对应于阻抗。
4.根据权利要求1和2中任一项所述的磁共振系统(10)，其中，所述多个接收器(361、362、…、36n)的每个对来自对应线圈的每个MR信号过采样n次，以产生针对每个MR信号的n条数据线。
5.根据权利要求4所述的磁共振系统(10)，还包括：
匹配控制器(34)，其在n个匹配值之间循环地选择，使得所述n条数据线的每条都对应于所述n个匹配值之一。
6.根据权利要求1和2中任一项所述的磁共振系统(10)，其中，样本包括针对接收线圈和匹配值的每种组合的图像。
7.根据权利要求6所述的磁共振系统(10)，其中，针对每个接收线圈的具有最佳SNR的图像是从对应于所述接收线圈的图像中选择的。
8.根据权利要求1和2中任一项所述的磁共振系统(10)，还包括：
重建处理器(42)，其从根据样本生成的多幅图像来生成合成图像。
9.一种针对在磁共振(MR)系统(10)中采用的线圈的阵列的模式进行噪声系数最小化的方法(50)，所述方法(50)包括：
接收来自共享阻抗的线圈(281、282、…、28n)的阵列的多个信号；
使用多个前置放大器(301、302、…、30n)对所述多个信号进行前置放大；
将所述线圈(281、282、…、28n)的阵列与所述多个前置放大器(301、302、…、30n)进行阻抗匹配；并且
在多个不同匹配值处对多个被前置放大的信号进行过采样。
10.根据权利要求9所述的方法(50)，其中，所述线圈(281、282、…、28n)的阵列包括多个RF接收线圈。
11.根据权利要求9和10中任一项所述的方法(50)，其中，所述线圈(281、282、…、28n)的阵列根据所述多个不同匹配值与所述多个前置放大器(301、302、…、30n)进行阻抗匹配。
12.根据权利要求9和10中任一项所述的方法(50)，其中，样本包括针对接收线圈和匹配值的每种组合的图像。
13.根据权利要求12所述的方法(50)，还包括：
针对每个线圈，从对应于所述接收线圈的图像中选择具有最佳SNR的图像。
14.根据权利要求9和10中任一项所述的方法(50)，还包括：
从根据样本生成的多幅图像来生成合成图像。
15.根据权利要求9和10中任一项所述的方法(50)，其中，所述过采样包括：
针对每个MR信号对每个被前置放大的信号过采样n次，以针对每个MR信号产生n条数据线；并且
在n个匹配值之间循环地选择，使得所述n条数据线的每条都对应于所述n个匹配值之一。
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