CN104155621A - 一种准确测量静磁场b0分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准确测量静磁场B0分布的方法，包括以下步骤：输入脉冲序列及参数；自动优化回波间隔时间；采集两次回波数据，处理回波数据获得相位差数据；将频率编码梯度反向，采集两次回波数据，处理回波数据获得相位差数据；获得最终的相位差数据；计算获得磁场分布数据。本发明采用自旋回波重聚磁场不均匀性对静磁场B0测量的影响，减小由于磁场不均匀性引入的信噪比损失。自动优化两次回波时间ΔTE，可自动获得最大信噪比的相位差数据。采用正向、反向梯度方式两次测量相位差数据的方式消除由于磁场不均匀性引入的编码不准确，提高相位差数据的准确性，以拟合的静磁场分布说明新方法的有效性。

Description

一种准确测量静磁场B0分布的方法

技术领域

本发明涉及静磁场B0分布测量领域，具体涉及一种准确测量静磁场B0分布的方法。适用于核磁共振波谱仪、磁共振成像仪以及需要测量静磁场分布的仪器设备。

背景技术

静磁场B0分布的测量对核磁共振仪器，包括核磁共振波谱仪及磁共振成像仪有着重要的意义。首先准确的静磁场B0分布可以有效的提高磁共振仪器的自动匀场效率，大幅提高仪器的使用率。其次静磁场B0分布还可以作为核磁共振数据(包括谱图及图像)后期处理的最为重要的先验信息，可有效地提高核磁共振谱图或图像的准确性。

目前，基于核磁共振原理测量静磁场B0分布的测量方法主要包括以下三种，第一种为小样品核磁共振波谱法，其需利用特殊的设备将小样品精确地放置于磁场空间的各个位置，然后通过测量各个位置的核磁共振频率反算出空间中各个位置的磁场强度；第二种为水膜成像(Phantom Imaging)，其需利用特殊的水膜样品，通过已知水膜的位置信息和磁共振成像方法采集获得的水膜图像对比，从而计算出空间中磁场的分布；最后一种为相位差成像法(Phase differenceimaging)，其利用磁场强度不同将造成磁共振信号相位不同的原理测得静磁场分布。由于相位差成像具有不需要其他的辅助仪器设备的优点，因此在磁共振设备中应用最为广泛。

尽管基于相位差成像的静磁场B0分布测量方法已普遍应用于核磁共振仪器，但其仍存在一定的局限性，这是由于目前的测量方法没有考虑到静磁场不均匀分布对相位差成像产生的干扰，因此在磁场不均匀性较差的条件下采集获得的表征静磁场B0分布的相位差数据不够准确。静磁场不均匀性对相位差成像的影响主要包括两个方面：首先不均匀磁场会显著影响核磁共振谱图或图像的信噪比，影响核磁共振图像的精度，从而造成相位差数据不准确；其次不均匀的磁场将在频率编码方向产生位置偏移，造成相位差数据表征的静磁场分布数据存在位置偏差。

近年来，随着磁场强度的不断提高以及各种复杂脉冲序列不断发展，都对核磁共振谱仪所必需的静磁场测量提出了更高的要求，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

本发明针对现有的基于相位差成像的静磁场B0分布测量方法存在的问题，提供一种准确测量静磁场B0分布的方法，利用梯度反向和自旋回波的方法消除磁场不均匀性对测量的影响，提高测量的准确性，具体步骤如下：

一种准确测量静磁场B0分布的方法，包括以下步骤：

步骤1，输入静磁场测量所需的自旋回波脉冲序列及实验所需的采样原子核；

步骤2，通过计算两次回波幅度大小，自动优化两次回波的时间间隔ΔTE，使得两次回波幅度比控制在预定比例AmpRatio；

步骤3，根据步骤1和步骤2所确定的自旋回波脉冲序列和时间间隔ΔTE采集两次回波数据EchoData1，EchoData2；

步骤4，处理步骤3采集获得的两次回波数据，分别获得相应的幅度图像数据AmpData1和AmpData2、相位图像数据PhaseData1和PhaseData2以及相位差数据PhaseDiffData；

步骤5，反转实验所需的频率编码梯度，采集获得梯度反向之后的两次回波数据NegativeEchoData1，NegativeEchoData2；

步骤6，处理步骤5所采集获得的两次回波数据，分别获得相应的梯度反向后的幅度图像数据NegativeAmpData1和NegativeAmpData2、梯度反向后的相位图像数据NegativePhaseData1和NegativePhaseData2以及相位差数据NegativePhaseDiffData；

步骤7，根据步骤4和步骤6所得的数据，获得最终的准确的可表征静磁场B0分布的相位差数据FinalPhaseDiffData；

步骤8，根据步骤7处理获得的相位差数据FinalPhaseDiffData、步骤1中输入的采样原子核及步骤2自动优化的时间间隔ΔTE，计算出当前磁场分布数据FieldMap，计算依据如下公式：

FieldMap＝FinalPhaseDiffData/(Gama*ΔTE)

其中Gama为采样核旋磁比。

如上所述的步骤2中，自动优化回波时间包含如下步骤：

步骤2.1，选取两次回波时间差ΔTE为0.1秒，采集两次回波数据；

步骤2.2，将两次回波数据分别进行快速Fourier变换，逐点计算每个点的幅度获得幅度谱，并对两个幅度谱求和获得SumAbsTE1，SumAbsTE2；

步骤2.3，根据如下公式

$\mathrm{RelaxRate}=\frac{\log \left(\mathrm{SumAbsTE}1\right)-\log \left(\mathrm{SumAbsTE}2\right)}{0.1}$ 计算出弛豫速率；

步骤2.4，按如下公式ΔTE＝-RelaxRate*log(AmpRatio)，计算出实验所需的ΔTE。

如上所述的步骤3和步骤6中处理两次回波数据主要包含如下步骤：

步骤4.1，将步骤3和步骤6中采集获得的两次回波数据分别进行快速Fourier变换，逐点计算每个点的幅度获得两个幅度谱AmpData1和AmpData2，NegativeAmpData1和NegativeAmpData2；

步骤4.2，按如下公式逐点计算步骤4.1快速Fourier变换之后数据的相位，分别得到两个相位数据PhaseData1和PhaseData2，NegativePhaseData1和NegativePhaseData2，

步骤4.3，对步骤4.2求的两个相位数据作差，分别求得相位差数据PhaseDiffData和NegativePhaseDiffData。

如上所述步骤7中获得最终的表征静磁场B0的相位差数据，包含如下步骤：

步骤7.1，确定梯度反向前样品边缘在幅度谱图数据AmpData1中的位置索引，具体方法为依次遍历幅度数据AmpData1，当幅度谱数据值显著变大时，将显著变大点的索引作为样品边缘位置XBegin1；

步骤7.2，确定样品边缘在梯度反向后的幅度谱图数据NegativeAmpData1中的位置索引，具体方法为依次遍历幅度数据NegativeAmpData1，当幅度谱数据值显著变大时，将显著变大点的索引作为样品边缘位置YNegBegin2；

步骤7.3，在梯度反向前的幅度谱图数据AmpData1中，从XBegin1开始逐点遍历谱图数据AmpData1，计算从XBegin1到当前遍历位置点XCurrent的幅度和，并以此幅度和确定梯度反向后的幅度图像数据NegativeAmpData1中与当前位置XCurrent对应的位置索引YNegCurrent,其判断标准是梯度反向后幅度数据NegativeAmpData1中从样品边缘索引YNegBegin2到索引YNegCurrent的和等于梯度反向前数据AmpData1中XBegin1到XCurrent之和，即

$\underset{i=\mathrm{XBegin}1}{\overset{\mathrm{XCurrent}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{AmpDatal}\left(i\right)=\underset{i=\mathrm{YNegBegin}2}{\overset{\mathrm{YNegCurrent}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{NegativeAmpData}1\left(i\right);$

步骤7.4，根据步骤7.3中计算所得的梯度反向前数据位置索引XCurrent以及梯度反向后数据位置索引位置YNegCurrent计算准确的索引位置AccurateIndex，计算公式如下：

AccurateIndex＝(XCurrent+YNegCurrent)/2

步骤7.5，根据步骤7.3及7.4结果，计算准确的相位差数据，其在准确的索引位置AccurateIndex上的值为梯度反向前相位差数据与梯度反向后相位差数据的平均值，即：

$\mathrm{FinalPhaseDiff}\left(\mathrm{AccurateIndex}\right)=\frac{[\mathrm{PhaseDiffData}\left(\mathrm{XCurrent}\right)+\mathrm{NegativePhaseDiffData}\left(\mathrm{YNegCurrent}\right)]}{2}.$

如上所述的步骤7.1和步骤7.2幅度谱数据显著变大的判断标准为当前点幅值谱数据值大于前M个点的平均值的N倍,M和N均为预定数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1，采用自旋回波重聚磁场不均匀性对静磁场B0测量的影响，减小由于磁场不均匀性引入的信噪比损失。

2，自动优化两次回波时间ΔTE，可自动获得最大信噪比的相位差数据。

3，采用正向、反向梯度方式两次测量相位差数据的方式消除由于磁场不均匀性引入的编码不准确，提高相位差数据的准确性，以拟合的静磁场分布说明新方法的有效性，如图3所示。

附图说明

图1利用梯度反向准确测量静磁场B0分布的脉冲序列，其中(a)为梯度反向前的脉冲序列，(b)为梯度反向后的脉冲序列；

图2本发明的测量流程控制图；

图3本发明的测量方法与传统相位差成像测量静磁场分布效果对比图，图中‘o’线代表基于梯度反向测量所得的静磁场分布，‘*’线代表利用相位差成像所测量的静磁场B0分布，‘+’线代表实际的静磁场B0分布；

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：

一种准确的基于核磁共振相位差数据测量静磁场B0分布的方法总体流程如图2所示:

步骤1，输入静磁场测量所需的自旋回波脉冲序列及实验所需的采样原子核(¹H氢核或者是²H氘核)。

步骤2，通过计算两次回波幅度大小，自动优化两次回波的时间间隔ΔTE，使得两次回波幅度比控制在预定比例AmpRatio；

步骤3，根据步骤1和步骤2所确定的自旋回波脉冲序列和时间间隔ΔTE采集两次回波数据(EchoData1，EchoData2)；

步骤4，处理步骤3采集获得的两次回波数据，分别获得相应的幅度图像数据(AmpData1，AmpData2)、相位图像数据(PhaseData1，PhaseData2)以及相位差数据(PhaseDiffData)；

步骤5，反转实验所需的频率编码梯度，此时脉冲序列如图1(b)所示，采集获得梯度反向之后的两次回波数据(NegativeEchoData1，NegativeEchoData2)；

步骤6，处理步骤5所采集获得的两次回波数据，分别获得相应的梯度反向后的幅度图像数据(NegativeAmpData1，NegativeAmpData2)和梯度反向后的相位图像数据(NegativePhaseData1，NegativePhaseData2)以及相位差数据(NegativePhaseDiffData)

步骤7，根据步骤4和步骤6所得的数据，获得最终的准确的可表征静磁场B0分布的相位差数据(FinalPhaseDiffData)。

步骤8，根据步骤7处理获得的相位差数据(FinalPhaseDiffData)、步骤1中输入的采样原子核及步骤2自动优化的时间间隔ΔTE，计算出当前磁场分布数据(FieldMap)，计算依据如下公式：

FieldMap＝FinalPhaseDiffData/(Gama*ΔTE)

其中Gama为采样核旋磁比，当采样核为¹H时Gama＝2.6752*10⁸，当采样核为²H时Gama＝4.107*10⁷。

如上所述步骤2中，自动优化回波时间主要包含如下步骤：

步骤2.1，选取两次回波时间差ΔTE为0.1秒，采集两次回波数据；

步骤2.2，将两次回波数据分别进行快速Fourier变换，逐点计算每个点的幅度(Re和Im分别表示数据实部和虚部)获得幅度谱，并对两个幅度谱求和获得SumAbsTE1，SumAbsTE2；

步骤2.3，根据如下公式

$\mathrm{RelaxRate}=\frac{\log \left(\mathrm{SumAbsTE}1\right)-\log \left(\mathrm{SumAbsTE}2\right)}{0.1}$ 计算出弛豫速率；

步骤2.4，按如下公式ΔTE＝-RelaxRate*log(AmpRatio)，计算出实验所需的ΔTE。

如上所述的步骤3和步骤6中处理两次回波数据主要包含如下步骤：

步骤4.1，将步骤3和步骤6中采集获得的两次回波数据分别进行快速Fourier变换，逐点计算每个点的幅度获得两个幅度谱(AmpData1，AmpData2)和(NegativeAmpData1，NegativeAmpData2)；

步骤4.2，按如下公式逐点计算步骤4.1快速Fourier变换之后数据的相位，分别得到两个相位数据(PhaseData1，PhaseData2)和(NegativePhaseData1，NegativePhaseData2)。

步骤4.3，对步骤4.2求的两个相位数据作差，分别求得相位差数据(PhaseDiffData)和(NegativePhaseDiffData)

如上所述步骤7中获得最终的表征静磁场B0的相位差数据，包含如下步骤：

步骤7.1，确定梯度反向前样品边缘在幅度谱图数据AmpData1中的位置索引，具体方法为依次遍历幅度数据AmpData1，当幅度谱数据值显著变大时(即当前点幅值谱数据值大于前3个点平均值的3倍)，将显著变大点的索引作为样品边缘位置XBegin1；

步骤7.2，确定样品边缘在梯度反向后的幅度谱图数据NegativeAmpData1中的位置索引，具体方法为依次遍历幅度数据NegativeAmpData1，当幅度谱数据值显著变大时(即当前点幅值谱数据值大于前3个点平均值的3倍)，将显著变大点的索引作为样品边缘位置YNegBegin2；

步骤7.3，在梯度反向前的幅度谱图数据AmpData1中，从XBegin1开始逐点遍历谱图数据AmpData1，计算从XBegin1到当前遍历位置点XCurrent的幅度和，并以此幅度和确定梯度反向后的幅度图像数据NegativeAmpData1中与当前位置XCurrent对应的位置索引YNegCurrent,其判断标准是梯度反向后幅度数据NegativeAmpData1中从样品边缘索引YNegBegin2到索引YNegCurrent的和等于梯度反向前数据AmpData1中XBegin1到XCurrent之和，即

$\underset{i=\mathrm{XBegin}1}{\overset{\mathrm{XCurrent}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{AmpDatal}\left(i\right)=\underset{i=\mathrm{YNegBegin}2}{\overset{\mathrm{YNegCurrent}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{NegativeAmpData}1\left(i\right)$

步骤7.4，根据步骤7.3中计算所得的梯度反向前数据位置索引XCurrent以及梯度反向后数据位置索引位置YNegCurrent计算准确的索引位置AccurateIndex，计算公式如下：

AccurateIndex＝(XCurrent+YNegCurrent)/2

步骤7.5，根据步骤7.3及7.4结果，计算准确的相位差数据，其在准确的索引位置AccurateIndex上的值为梯度反向前相位差数据与梯度反向后相位差数据的平均值，即：

$\mathrm{FinalPhaseDiff}\left(\mathrm{AccurateIndex}\right)=\frac{[\mathrm{PhaseDiffData}\left(\mathrm{XCurrent}\right)+\mathrm{NegativePhaseDiffData}\left(\mathrm{YNegCurrent}\right)]}{2}.$

Claims (5)

1.一种准确测量静磁场B0分布的方法，包括以下步骤：

步骤1，输入静磁场测量所需的自旋回波脉冲序列及实验所需的采样原子核；

步骤2，通过计算两次回波幅度大小，自动优化两次回波的时间间隔ΔTE，使得两次回波幅度比控制在预定比例AmpRatio；

步骤3，根据步骤1和步骤2所确定的自旋回波脉冲序列和时间间隔ΔTE采集两次回波数据EchoData1，EchoData2；

步骤4，处理步骤3采集获得的两次回波数据，分别获得相应的幅度图像数据AmpData1和AmpData2、相位图像数据PhaseData1和PhaseData2以及相位差数据PhaseDiffData；

步骤5，反转实验所需的频率编码梯度，采集获得梯度反向之后的两次回波数据NegativeEchoData1，NegativeEchoData2；

步骤6，处理步骤5所采集获得的两次回波数据，分别获得相应的梯度反向后的幅度图像数据NegativeAmpData1和NegativeAmpData2、梯度反向后的相位图像数据NegativePhaseData1和NegativePhaseData2以及相位差数据NegativePhaseDiffData；

步骤7，根据步骤4和步骤6所得的数据，获得最终的准确的可表征静磁场B0分布的相位差数据FinalPhaseDiffData；

步骤8，根据步骤7处理获得的相位差数据FinalPhaseDiffData、步骤1中输入的采样原子核及步骤2自动优化的时间间隔ΔTE，计算出当前磁场分布数据FieldMap，计算依据如下公式：

FieldMap＝FinalPhaseDiffData/(Gama*ΔTE)

其中Gama为采样核旋磁比。

2.根据权利要求1所述的一种准确测量静磁场B0分布的方法，其特征在于，所述的步骤2中，自动优化回波时间包含如下步骤：

步骤2.1，选取两次回波时间差ΔTE为0.1秒，采集两次回波数据；

步骤2.2，将两次回波数据分别进行快速Fourier变换，逐点计算每个点的幅度获得幅度谱，并对两个幅度谱求和获得SumAbsTE1，SumAbsTE2；

步骤2.3，根据如下公式

$\mathrm{RelaxRate}=\frac{\log \left(\mathrm{SumAbsTE}1\right)-\log \left(\mathrm{SumAbsTE}2\right)}{0.1}$ 计算出弛豫速率；

步骤2.4，按如下公式ΔTE＝-RelaxRate*log(AmpRatio)，计算出实验所需的ΔTE。

3.根据权利要求1所述的一种准确测量静磁场B0分布的方法，其特征在于，所述的步骤3和步骤6中处理两次回波数据主要包含如下步骤：

步骤4.1，将步骤3和步骤6中采集获得的两次回波数据分别进行快速Fourier变换，逐点计算每个点的幅度获得两个幅度谱AmpData1和AmpData2，NegativeAmpData1和NegativeAmpData2；

步骤4.2，按如下公式逐点计算步骤4.1快速Fourier变换之后数据的相位，分别得到两个相位数据PhaseData1和PhaseData2，NegativePhaseData1和NegativePhaseData2，

步骤4.3，对步骤4.2求的两个相位数据作差，分别求得相位差数据PhaseDiffData和NegativePhaseDiffData。

4.根据权利要求1所述的一种准确测量静磁场B0分布的方法，其特征在于，所述步骤7中获得最终的表征静磁场B0的相位差数据，包含如下步骤：

步骤7.1，确定梯度反向前样品边缘在幅度谱图数据AmpData1中的位置索引，具体方法为依次遍历幅度数据AmpData1，当幅度谱数据值显著变大时，将显著变大点的索引作为样品边缘位置XBegin1；

步骤7.2，确定样品边缘在梯度反向后的幅度谱图数据NegativeAmpData1中的位置索引，具体方法为依次遍历幅度数据NegativeAmpData1，当幅度谱数据值显著变大时，将显著变大点的索引作为样品边缘位置YNegBegin2；

步骤7.3，在梯度反向前的幅度谱图数据AmpData1中，从XBegin1开始逐点遍历谱图数据AmpData1，计算从XBegin1到当前遍历位置点XCurrent的幅度和，并以此幅度和确定梯度反向后的幅度图像数据NegativeAmpData1中与当前位置XCurrent对应的位置索引YNegCurrent,其判断标准是梯度反向后幅度数据NegativeAmpData1中从样品边缘索引YNegBegin2到索引YNegCurrent的和等于梯度反向前数据AmpData1中XBegin1到XCurrent之和，即

$\underset{i=\mathrm{XBegin}1}{\overset{\mathrm{XCurrent}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{AmpDatal}\left(i\right)=\underset{i=\mathrm{YNegBegin}2}{\overset{\mathrm{YNegCurrent}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{NegativeAmpData}1\left(i\right);$

步骤7.4，根据步骤7.3中计算所得的梯度反向前数据位置索引XCurrent以及梯度反向后数据位置索引位置YNegCurrent计算准确的索引位置AccurateIndex，计算公式如下：

AccurateIndex＝(XCurrent+YNegCurrent)/2

步骤7.5，根据步骤7.3及7.4结果，计算准确的相位差数据，其在准确的索引位置AccurateIndex上的值为梯度反向前相位差数据与梯度反向后相位差数据的平均值，即：

$\mathrm{FinalPhaseDiff}\left(\mathrm{AccurateIndex}\right)=\frac{[\mathrm{PhaseDiffData}\left(\mathrm{XCurrent}\right)+\mathrm{NegativePhaseDiffData}\left(\mathrm{YNegCurrent}\right)]}{2}.$

5.根据权利要求4所述的一种准确测量静磁场B0分布的方法，其特征在于，所述的步骤7.1和步骤7.2幅度谱数据显著变大的判断标准为当前点幅值谱数据值大于前M个点的平均值的N倍,M和N均为预定数。