CN105005011A - 在三维快速自旋回波中的混合采集的磁共振成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供提出了一种用于加速磁共振成像的方法。在3D？MRI中，其包含在每一个重复时间内的两个子回波链以用于同时采集两个对比图。第一子回波链是快速自旋回波链，第二子回波链是梯度回波链。本发明的方法在一次采集中同时采集到两幅不同的对比图，例如一幅水图像加上一幅脂肪图像，或者一幅快速自旋回波图像加上一幅磁化加权图像。

Description

在三维快速自旋回波中的混合采集的磁共振成像方法
技术领域
本发明涉及一种用于两组三维数据集的采集的磁共振成像方法，其中执行根据三个相互正交的磁场梯度的空间编码以在一个空间方向k1的读出梯度下读出信号，并且在信号采集之前通过在另外两个空间方向上应用相位编码梯度执行在另外两个空间方向k2和k3上的空间编码，并且按照顺序方式进行数据采集而使在所述读出梯度下以两个相位编码梯度的不同组合采集每个采集阶跃信号，该方法包括使用快速自旋回波链以获取三维数据组中的一个，其中，
在一个激发RF脉冲后跟随多个重聚RF脉冲，
激发RF脉冲与第一重聚RF脉冲之间的时间间隔为两个相邻重聚RF脉冲之间的时间间隔的一半，
在两个重聚RF脉冲之间采集一个k-空间读出，
在每两个连续的重聚脉冲之间的相位编码梯度被改变以采集不同的相位编码步，
具有在连续的回波链之间的等待时间的两个回波链中的最小值被用于三维数据集的编码。
由Klaus Scheffler和Jürgen Hennig Magn Reson.Med 45:720–723(2001)已知这种类型的方法(＝参考文献[3])。
背景技术
本发明的一般背景
本发明主要涉及磁共振成像(＝MRI)技术。其具体涉及磁共振成像的数据采集方法。
磁共振成像与计算机断层扫描(＝CT)相比是一种相对新的技术，1973年P.C.Lauterbur在“Image Formation by Induced Local Interactions:Examples of Employing Nuclear Magnetic Resonance”，Nature242,190141公开了第一幅磁共振图像。其主要是一种最广泛应用于放射学以可视化身体的结构和功能的医学成像技术。它可以提供身体在任何平面上的详细图像。MRI提供在身体不同的软组织之间比CT更强的对比，使其在神经学、心血管和肿瘤成像中特别有用。其利用强磁场校准身体中水的氢原子的核磁化。利用射频场系统地改变这种磁化的校准，导致氢原子核产生可以被扫描器检测到的旋转磁场。这种信号能够通过附加磁场被操纵以建立重建身体图像的足够的信息。
MRI系统典型地建立一个均匀的磁场，该磁场大体上沿经受MRI过程的物体的中心轴。该均匀主磁场通过校准在组成身体软组织的原子或者分子中的核自旋而影响被成像物体的磁特性。如果核自旋的方向被扰动失准，原子核会尝试随磁场重新排列它们的自旋。通过应用调谐到感兴趣材料的拉莫儿频率的射频(RF)脉冲典型地引发核自旋的方向的扰动。在重校准过程中，原子核大约在主磁场的方向上行进并发射可以被一个或者多个位于物体上或者在物体周围的RF检测线圈检测到的电磁场信号。
通过影响自旋的局域拉莫尔频率，磁共振成像采用时间上和空间上变化的磁场以编码位置。典型地用于该目的的梯度线圈生成叠加到主磁场上的空间编码磁场(＝SEMs)。这就允许图像切片的局域选择并且也提供相位编码和频率编码。该编码允许在图像重建期间的共振信号源的识别。图像质量和分辨率显著取决于强度和如何控制所应用的编码磁场。执行梯度线圈的控制一般与预先建立的协议或者事件序列相一致，该序列称为脉冲序列，允许要被成像的对比机制的不同类型。
详细的背景技术
在3D自旋回波链(又叫做TSE、FSE、RARE、SPACE)顺序中(见参考文献[1,2])，长重复时间TR通常用于T2加权成像和质子-密度加权成像。为了减少在每一次重复时间TR中一系列的采集到的回波中的信号衰减所导致的图像模糊，使用相对短的回波链长度，这样会导致低的时间利用率：仅重复时间的小部分用于获取数据，且剩余时间纯粹花费在等待信号恢复(下文中称为等待时间)。
非选择性的、具有不同翻转角的重聚RF脉冲被用于实现短回波间隙，并且使得3D TSE成像具有相对较长的回波链。但是，在典型的检查中，典型的时间利用率仍不到30％。
采用在3D SE成像中多层获取的应用是通过在每一个TR中利用隔行扫描多层激发以提高时间利用率。然而，由于空间上变化的RF激发轮廓，通过多层采集得到的组合3D图像倾向于切片边界伪影。
发明内容
本发明显示一种基本克服了以上讨论的现有技术中的一个或者多个缺点的方法。
本发明的一个具体目的是提出一种在MRI中的数据采集方法，其中通过重复一系列的RF脉冲的时序和改变读出的空间相位编码步获取数据。对RF脉冲的相同系列的两个连续的应用之间的时间间隔称为重复时间TR。
这些目的通过修正以上讨论的方法而实现，在等待时间内使用一个附加梯度回波链以获取三维数据集中的一个，包括在一个激发RF脉冲后跟随一个或者多个k空间读出，通过将频率编码方向中的每一个激发脉冲之后应用的梯度时刻归零而形成在读出中央的回波，梯度回波链包括一系列重复的所述激发RF脉冲和具有不同的空间相位编码步的K空间读出；并且通过重复一系列的RF脉冲的所述时序和包含按时间顺序应用到每一次重复中的两个子回波链的梯度而实现使用快速自旋回波链和梯度回波链的两组三维数据集的同时采集；直到在子回波链中的每一个中都获取到重建一个三维数据集所需的所有数据。
在现有技术中的3D自旋回波链的实施例中，重复时间TR典型地比回波链的持续时间长得多。这是因为自旋的z方向磁化通过用于产生回波链的多重重聚脉冲非常饱和的事实。因此不得不通过T1-弛豫引入一个相当大的等待时间以恢复到足够大的用于下一次激发的磁化。作为一个说明性的和典型值，相比于典型的1500-2500ms的TR，具有64个回波和4ms的回波间隙的回波链的持续时间是256ms。结果是总采集时间的大部分花费在等待磁化的恢复。
本发明的想法在于使用成像序列的数据采集而填充此等待时间，其不会干扰或仅最低限度地干扰T1-自旋恢复。这通过使用梯度回波(低翻转角FLASH或true FISP)顺序实现，其已知仅最低限度地干扰T1-恢复(参见参考文献[3])。
在每一个所述重复时间TR内，首先应用一个自旋回波链，之后跟随一个梯度回波链。这样在所述TR它包含两个子回波链。两个子回波链按照时间顺序被应用(分别称为第一子回波链和第二子回波链)。
所述第一子回波链是快速自旋回波链，特征在于以下特点：
在一个激发RF脉冲后跟随多个重聚RF脉冲；
在激发RF脉冲和第一重聚RF脉冲之间的时间间隔为两个相邻重聚RF脉冲之间的时间间隔的一半；
在两个重聚RF脉冲之间采集一个k-空间读出；
在每两个连续的重聚脉冲之间的相位编码梯度被改变以采集不同的相位编码步。
所述第二子回波链是梯度回波链，特征在于以下特点：
在一个激发RF脉冲后跟随一个或者多个k空间读出；
通过将频率编码方向中的每一个激发脉冲之后应用的梯度时刻归零而形成在读出中央的回波；
梯度回波链包括一系列重复的所述激发脉冲和具有改变的空间相位编码步的K空间读出。
将相位编码应用到在信号读出之前的每一个回波中，在每一个回波之后应用相位编码回退(rewinder)，从而相对于所有三个梯度，自旋系统在下一个脉冲之前达到相同的退相状态。
为了实现true FISP(真实稳态进动快速成像序列)，所有梯度的梯度时刻在连续的脉冲之间被归零。
在所述第一子回波链中两个相邻重聚RF脉冲之间的时间间隔和在所述第二子回波链中两个激发RF脉冲之间的时间间隔被称为回波间隙。
在所述第一子回波链中采集的数据被填充到第一k空间数据集以重建一幅图像。
在所述第二子回波链中采集的数据被填充到第二k空间数据集以重建另一幅图像。
在所述第一子回波链和第二子回波链中填充k空间的方法是相互独立的。比如，在ky-kz平面的直线视图排序可以被应用于所述第一子回波链中，同时在ky-kz平面的拟径向视图排序(pseudo radial view)可以被应用于所述第二子回波链中(见参考文献[4])。
隔行扫描采集方法优选应用在3D MRI，但是不限于3D MRI。
因此，本发明提供了一种加速磁共振成像方法，包括：在3D MRI中，在每一个重复时间内包含两个子回波链以同时获取两幅对比图。第一子回波链是自旋回波链，第二子回波链是梯度回波链。本发明方法在一次采集中同时获取两幅不同的对比图，比如一幅水图像加上一幅脂肪图像，或者一幅快速自旋回波图像加上一幅磁化加权图像。
虽然此处仅举例说明和阐述了本发明的必要特征，本领域技术人员能够想到很多修正和变化。因此，能够理解附加的权利要求可以覆盖在本发明的构思范围内的所有这些修正和变化。
附图说明
通过结合这些附图对下文中关于本发明优选的典型实施例的具体描述的详细说明，可以对本发明的这些以及其他目的和优点有更好的理解和领会。
为了使上述和本发明的其他特征和优点对于本领域技术人员来说更容易理解，下面通过参考附图对本发明优选的实施例进行阐述，其中相同的数字编号表示相同的部分。
图1示出了根据本发明的每一个具有两个用于笛卡尔k空间采集的子回波链的TR的序列时序图；
图2示出了两个对比图的同时采集；
a)为使用在第一子回波链中采集的数据重建的T2加权图像；
b)为使用在第二子回波链中采集的数据重建的磁化加权图像；和
图3示出了两个对比图的同时采集；
a)为使用在第一子回波链中采集的数据重建的脂肪抑制图像；
b)为使用在第二子回波链中采集的数据重建的脂肪激发图像。
具体实施方式
在第一实施例中，第一子回波链的TSE-读出伴随着一个翻转角典型地低于20°的低翻转角FLASH序列。举例来说，第一子回波链可以被实施为，产生T2加权数据集，通过第二子回波链生成的图像将是质子密度加权的，以生成具有两种不同对比的图像。通过的切片选择、读出和相位编码的适当选择，梯度图像将具有相同的几何参数以允许直接的像素与像素的对比。
在另一个实施例中，第二子回波链包括梯度回波链，其在两个连续的脉冲之间的相位编码梯度的总梯度时刻为0，这是通过在每一个回波读出之后应用相位编码回退梯度实现的。
应用相位编码回退梯度的好处是：在两个连续脉冲之间的相位编码梯度的改变对信号演化的影响被消除。对于由于系统瑕疵引起的伪影，本成像方法更稳健。
在本发明可选的实施例中，第二个子回波链包含一个称为“trueFISP序列”的梯度回波链，true FISP序列中在连续的脉冲之间的所有梯度的总梯度时刻是0，这是通过在所有三个方向上应用回退梯度实现的，从而影响切片选择、读出和相位编码。
回退梯度在所有三个方向上的应用导致高信噪比(SNR)和更短的获取时间。
在进一步的和优选的实施例中，利用相对长的回波间隙(比如大于10ms)采集在所述第二子回波链中的数据以获得磁化加权图像(见参考文献[5])。
在进一步和优选的实施例中，在两个子回波链中应用不同的化学选择激发，如在所述第一子回波链中激发水信号，在所述第二子回波链中激发脂肪信号，反之亦然。
在进一步和优选的实施例中，通过在激发脉冲之前应用的另外程序，比如SPAIR脂肪抑制(见参考文献[6])，抑制所述第一子回波链中的脂肪信号。在所述第二子回波链中激发脂肪信号。
在进一步和优选的实施例中，在所述第二子回波链中，在开始时采集到的数据被填充到k空间的边缘部分，在结束时采集到的数据被填充到k空间的内部部分。
在进一步和优选的实施例中，在所述第二子回波链中应用在ky-kz平面的拟径向视图排列(见参考文献[4])。
进一步需要注意的是，采集方案不限于使用分别用于2D或者3D编码的读出和相位编码的傅里叶编码，也可以同样好地应用到其他编码方案，其中利用径向编码或者空间编码或者其他根据文献所知的编码方案对一个或者两个子回波链进行编码(见参考文献[7-9])。
同样地，第一子回波链被实施为，根据GRASE-技术的原理生成多个梯度回波(见参考文献[10,11])。
参考文献
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[2]Mugler JP.优化的三维快速自旋回波MRI(Optimized three-dimensional fast-spin–echo MRI)，J Magn Reson成像.2014年3月；39(4):745-67
[3]Klaus Scheffler和Jürgen Hennig Magn.Reson.Med 45:720–723(2001)
[4]Busse,R.F.,Brau,A.C.,Beatty P.J.,Bayram,E.,Michelich,C.R.,Kijowski,R.,和Rowley,H.A.(2008),用于具有周期信号调整的3D序列的灵活有效的视图顺序(Flexible and Efficient View Ordering for 3DSequences with Periodic Signal Modulation)，在：国际医学核磁共振协会第16届年会,多伦多,p837
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[6]Udayasankar,U.K.J.Magn.Reson.Imaging，28:1133-1140
[7]Scheffler,K.和Hennig,J.(1998),简化的循环的视图场成像(Reduced circular field-of-view imaging)Magn Reson Med,40:474-480.doi:10.1002/mrm.1910400319
[8]Mugler JP et al.国际医学核磁共振协会(Proc ISMRM)21(2013)；2368
[9]Lai,S.和Glover,G.H.(1998),三维空间fMRI技术：与2D空间获取的比较(Three-dimennsional spiral fMRI technique:A comparisonwith 2D spiral acquisition).Magn Reson Med,39:68–78.doi:10.1002/mrm.1910390112
[10]Oshio K1,Feinberg DA.GRASE(梯度和自旋回波)成像：一种新的快速MRI技术((Gradient-and spin-echo)imaging:a noval fast MRItechnique).Magn Reson Med.1991年8月；20(2):344-9
[11]Kim H,Kim DH,Park J.具有相独立图像重建的多偏转角单切片3D GRASE成像(Variable-flip-angle single-slab 3D GRASE imagingwith phase-independent image reconstruction).Magn Reson Med.2014Mar 17.doi:10.1002/mrm.25223[印刷前的电子公布]

Claims (9)

1.一种用于获取两组三维数据集的磁共振成像方法，其中通过三个相互正交的磁场梯度执行空间编码以在一个空间方向k1的读出梯度下读出信号，并且在信号采集之前通过在另外两个空间方向k2和k3上应用相位编码梯度而执行在所述另外两个空间方向上的空间编码，并且按照顺序执行数据采集，从而在所述读出梯度下以所述两个相位编码梯度的不同组合采集每个采集阶跃信号，所述方法包括：
使用快速自旋回波链采集所述三维数据组中的一个，从而，
在一个激发RF脉冲后跟随多个重聚RF脉冲；
激发RF脉冲与第一重聚RF脉冲之间的时间间隔为两个相邻重聚RF脉冲之间的时间间隔的一半；
在两个重聚RF脉冲之间采集的一个k-空间读出；
在每两个连续的重聚脉冲之间的相位编码梯度被改变以采集不同的相位编码步；
具有在连续的回波链之间的等待时间的两个回波链中的最小值被用于所述三数据集的编码；
其特征在于，
在所述等待时间内，使用附加的梯度回波链采集所述三维数据组中的一个，包括：
在一个激发RF脉冲后跟随一个或者多个k空间读出，
通过将频率编码方向中的每一个激发脉冲之后应用的梯度时刻归零而形成在读出中央的回波；
所述梯度回波链包括一系列重复的所述激发RF脉冲和具有改变的空间相位编码步的K空间读出；
并且通过重复一系列的RF脉冲的所述时序和包含在每一次重复中按时间顺序应用的两个子回波链的梯度，来实现利用自旋回波链和梯度回波链的两组三维数据集的同时采集；直到在所述子回波链中的每一个中都采集到重建所述三维数据集所需的所有数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二子回波链包括梯度回波序列，其中通过在所述回波读出之后应用相位编码回退梯度以使得在连续的脉冲之间的相位编码梯度的总梯度时刻为0。
3.如根据要求1所述的方法，其中所述第二子回波链包含称为“true FISP sequence”的梯度回波序列，其中通过在所有三个方向上应用回退梯度从而影响切片选择、读出和相位编码，而使得在连续的脉冲之间的所有梯度的总梯度时刻为0。
4.根据前述前权利要求中的任一项所述的方法，其中在两个子回波链中应用不同的化学选择激发，如在所述第一子回波链中激发水信号，在所述第二子回波链中激发脂肪信号，反之亦然。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中通过光谱脂肪抑制技术来抑制在所述第一子回波链中的脂肪信号，并激发在所述第二子回波链中的脂肪信号。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在所述第二子回波链中应用长回波间隙来获取磁化加权图像。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中用径向编码实现用于所述子回波链中的至少一个回波链的信号的空间编码。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中用螺旋编码实现用于所述子回波链中的至少一个回波链的信号的空间编码。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在所述第一子回波链上，根据GRASE序列在连续的重聚脉冲之间读出多个梯度回波。
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