CN105517495A - 用于校正与磁共振成像无线射频线圈中的发送和接收时钟之间的异步定时偏移相关联的误差的方法 - Google Patents

Abstract

一种校正与射频线圈中的定时偏移相关联的误差的方法和装置。方法和装置包括存储器元件和控制器。控制器被配置为执行指令集以接收多个信号的数据，该多个信号包括至少一个投影回波。控制器还被配置为基于该至少一个投影回波来识别多个信号的多个偏移。控制器还被配置为将多个偏移应用到多个信号的k-空间。

Description

用于校正与磁共振成像无线射频线圈中的发送和接收时钟之间的异步定时偏移相关联的误差的方法

技术领域

本申请一般涉及用于信号校正的方法和装置，并且更具体地，涉及校正用于磁共振成像系统中的无线射频线圈的发送和接收时钟之间的定时。

背景技术

磁共振成像(MRI)是用于评估组织结构和功能的治疗设备(modality)。若干MRI技术被常规地用于临床和研究环境(settings)中，以解答与急性和慢性疾病阶段的解剖学、生理学和病理学有关的问题。在MRI的许多发展的子领域中，更加快速增长的领域之一涉及用于信号发送和/或接收的多通道射频(RF)线圈。特别地，在过去的十年里，由于与有线RF线圈相关联的若干问题，一直广泛地关注实现无线RF解决方案。

第一，有线RF线圈中的同轴电缆对安装(setup)过程给予了一定等级的不可变更性(rigidity)，并且在安装期间限制发送-接收(Tx-Rx)和仅Rx线圈组件两者的运动范围。沿着这些线路，随着布置(array)的数目增加(多达128个通道)，电缆管理变得非常复杂。对于每个通道需要平衡-不平衡转换器(balun)，并且电缆必须被有效地路由(route)以便使线圈相互作用最小化。第二，由于在临床扫描仪上线圈组件在常规的一天过程中的开关(假定检查不同的解剖学身体部位)，电缆也经受随时间引起的损害它们的弹性的应力，从而导致增加磨损并且有可能需要频繁更换。第三，同轴电缆可以发挥捕获外部噪声的天线的作用，并且导致所获取的图像的信噪比(SNR)降低。出于这些主要原因，高度期望实现用于RF子系统的无线模式。

发明内容

提供了一种用于校正与射频线圈中的定时偏移相关联的误差的装置。该装置包括存储器元件和控制器。该控制器被配置为执行指令集以接收多个信号的数据，该多个信号包括至少一个投影回波(projectionecho)。该控制器还被配置为基于该至少一个投影回波来识别多个信号的多个偏移。该控制器还被配置为将多个偏移应用到多个信号的k-空间。

提供了一种用于校正与射频线圈中的定时偏移相关联的误差的方法。该方法包括接收多个信号的数据，该多个信号包括至少一个投影回波。该方法还包括基于该至少一个投影回波来识别多个信号的多个偏移。该方法还包括将多个偏移应用到多个信号的k-空间。

提供了一种用于校正与射频线圈中的定时偏移相关联的误差的非暂态计算机可读存储介质，包括存储在计算机可读存储介质上、用于在多个处理器上执行的逻辑。该逻辑包括接收多个信号的数据，该多个信号包括至少一个投影回波。该逻辑还包括基于该至少一个投影回波来识别多个信号的多个偏移。该逻辑还包括将多个偏移应用到多个信号的k-空间。

在着手开始(undertake)下面的具体实施方式之前，对贯穿此专利文件所使用的某些词语和短语的定义进行阐明可能是有利的：术语“包括(include)”和“包含(comprise)”以及其派生词意味着包括但不限于；术语“或”是包含性的，意味着和/或；短语“与……相关联”和“与其相关联”以及其派生词可以意味着包括、被包括在内、与……互连、包含、被包含在内、连接到或与……连接、耦接到或与……耦接、可与……通信、与……合作、交错(interleave)、并置(juxtapose)、接近于……、绑定到或与……绑定、具有、具有……属性等；以及术语“控制器”意味着控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分，这样的设备可以以硬件、固件或软件，或者硬件、固件或软件中的至少两个的某一组合来实现。应当注意的是，与任何特定控制器相关联的功能可以被集中或分布，无论本地地还是远程地。贯穿此专利文件提供了某些词语和短语的定义，本领域普通技术人员应该理解的是，在很多情况下——如果不是在大多数情况下——这样的定义适用于这样所定义的词语和短语的之前的以及将来的使用。

附图说明

为了更完整的理解本公开及其优点，现在参考以下结合附图的描述，在附图中相同的附图标记代表相同的部件：

图1示出了根据本公开的实施例的MRI系统；

图2示出了根据本公开的计算系统中的示例处理设备；

图3示出了根据本公开的实施例的Tx-Rx子系统；

图4示出了根据本公开的实施例的2D自旋回波序列的图；

图5示出了根据本公开的实施例的具有导航模块的自旋回波脉冲序列的图；

图6示出了根据本公开的实施例用于时钟失配的基于导航回波校正的处理；

图7a至图7e示出了根据本公开的实施例用于识别图像移位和纠正这样的移位的处理；

图8示出了根据本公开的实施例在k-空间中进行的和经由导航回波在k-空间中进行的不同等级的歪斜校正(skewcorrection)；

图9示出了根据本公开的实施例、在被定义为峰噪声(peaknoise)除以峰k-空间信号的若干噪声等级上，在从两个样本频率失配条件(100ppb和1ppm)进行基于导航回波的k-空间歪斜校正之后的噪声等级对绝对误差的标绘图(plot)；

图10示出了根据本公开的实施例用于校正MRI图像的处理；以及

图11示出了根据本公开的实施例的运动检测处理。

具体实施方式

下面讨论的图1至图11，以及用于描述此专利文件中本公开的原理的各种实施例仅是说明性的，并且不应当被解释为以任何方式限制本公开的范围。本领域普通技术人员将理解，本公开的原理可以在任何适当布置的系统或方法中实现。

图1示出了根据本公开的实施例的MRI系统。MRI系统100操作被用于放射学中的医学成像技术，以用于研究健康的身体和患病的身体两者的解剖学和生理学。MRI扫描仪使用强磁场和无线电波来形成身体的图像。在本文中，身体可以被称为组织、被试(subject)、样本和/或对象。MRI系统100包括如下所述的诸如磁体102、梯度线圈104、RF线圈106、梯度放大器108、梯度脉冲编程器110、RF检测器112、数字转换器114、RF放大器116、脉冲编程器118、RF源120、计算系统122和显示器124的组件。图1中所示的MRI系统100的实施例仅用于说明。可以使用MRI系统的其他实施例而不脱离本公开的范围。

磁体102可以是电磁体(诸如超导和/或电阻磁体)、永磁体和/或类似物。磁体102在要被成像的区域周围形成强磁场。在一个或多个实施例中，在操作术语中，磁体102可以是亥姆霍兹线圈对，其由电源驱动以生成沿z轴的稳定、均匀的静态主磁场以用于使原子核极化。

梯度线圈104也可以是电磁体(诸如超导和/或电阻磁体)、永磁体和/或类似物。梯度线圈104被用于通过使得磁场在成像体积上线性地变化来在空间上编码质子的位置。在一个或多个实施例中，在操作术语中，由梯度场线圈驱动器所驱动的三组梯度线圈104沿x、y和z轴创建不均匀线性梯度磁场，该磁场被用于MRI信号的空间定位。

RF线圈106也可以被用作接收(Rx)线圈，并且在一个实施例中，依赖于期望的线圈间隙因数(fillingfactor)。RF线圈106拾取由被试内部的原子核弛豫(relaxation)所产生的RF电磁辐射。假定这种现象在激发(通过RF线圈106)之后出现，则RF线圈106现在操作为Rx线圈，并且信号接收现在由也可以用作Tx线圈的功能的Rx线圈执行，从而使得这样的线圈成为收发器。RF线圈106可以用作Rx和Tx线圈。在其他实施例中，Rx和Tx线圈可以是分离的。

在一个或多个实施例中，在操作术语中，生成激发原子核和测量MR信号所需的时变(timevarying)和旋转磁场的RF线圈106被定位在磁体102和梯度线圈104的结构(setup)内。检查中的样本被放置在RF线圈106内。RF放大器116被配置为将电流存储(deposit)在RF线圈106中，该RF线圈106表现为生成RF场的发射器。RF场对样本的原子核磁化——更具体地，样本中的氢分子——施加扭矩。

梯度线圈104中的每个的驱动定时和RF场生成的定时是由计算系统122根据由脉冲编程器118的事件的编程序列——被称为脉冲序列——来监督(oversee)的。RF场可以在Rx接收器Rx线圈中感应电动势(EMF)，该电动势通过前置放大器和相敏检测器被发送到信号处理器。然后，接收到的数据被处理并且被转换为图像。因此，RF线圈可以提供(serve)原子核自旋激发和信号接收的功能。激发的信号发送的过程导致通过功率放大器将信号放大到若干千瓦(KW)，并且然后发送信号到RF线圈。在接收时，检测到的来自样本的信号被前置放大器放大若干μV，并且然后被发送到相敏检测器。在这两种情况下，信号发送在传统上使用同轴电缆进行。

计算系统122代表任何合适的计算或处理设备。计算系统122可以通过网络与服务器或(一个或多个)其他计算设备交互。在此示例中，计算系统122可以包括台式计算机、移动电话或智能电话、个人数字助理(PDA)、膝上型计算机以及平板式计算机。然而，任何其他的或附加处理设备可以被用于MRI系统100中。

虽然图1示出了MRI系统100的一个示例，但是可以对图1进行各种改变。例如，MRI系统100可以以任何合适的排列(arrangement)包括任意数目的每个组件。在一般情况下，MRI系统采用各种各样的配置，并且图1不将本公开的范围限制为任何特定的配置。虽然图1示出了此专利文件中所公开的各种特征可以在其中使用的一个操作环境，但是这些特征可以在任何其他合适的系统中使用。

所有MRI系统的基本硬件组件是：产生稳定和非常强的磁场的磁体(永磁体或超导磁体)、创建可变场并且编码空间定位的梯度线圈以及被用于发送能量并且检测材料/组织共振感应的辐射RF信号的射频(RF)线圈。计算机控制MRI扫描操作并且处理信息。

RF线圈是具有相当尺寸和所限定的波长的大的电感器(围绕线圈的芯成环的导线或迹线)。线圈被用于通过在导线中感应的电压来创建磁场或检测改变的磁场。线圈通常是小天线。RF线圈可以按照它们的功能被分化成三个通常的类别：1)只发送(Tx)，2)只接收(Rx)，3)Tx-Rx线圈。在MRI中，不同形状和大小的RF线圈被用于不同的身体部位，并且应对(handle)个别的应用。依赖于所感兴趣的解剖结构，这些线圈落入体线圈(volumecoil)或表面线圈类别。体线圈包括鸟笼(birdcage)、圆极化线圈、交叉(crossed)线圈、亥姆霍兹对、成对的鞍形线圈和单匝线圈。表面线圈包括相控阵、体环绕(bodywarp-around)线圈和线性极化线圈。RF信号在10至300兆赫的范围内，这被认为对于临床的全身扫描仪是安全的。在典型的临床成像扫描期间，感兴趣的整个频谱为大约10kHz～1MHz，考虑到中心频率是大约100MHz，这是极窄的频带。

图2示出了根据本公开的计算系统200中的示例处理设备210。计算系统200可以代表图1中的计算系统122。

如图2所示，计算系统200包括总线系统205，该总线系统205支持至少一个处理设备210、至少一个储存设备215、至少一个通信单元220以及至少一个输入/输出(I/O)单元225之间的通信。

处理设备210执行可以加载到存储器230中的指令。处理设备210可以以任何合适的排列包括任何适当数目和类型的处理器或其他设备。处理设备210的示例类型包括控制器、微处理器、微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列、专用集成电路和分立电路。

存储器230和永久储存235是储存设备215的示例，其代表能够存储和便于检索信息(诸如临时或永久的数据、程序代码、和/或其他合适的信息)的(一个或多个)任何结构。存储器230可以表示随机存取存储器或(一个或多个)任何其他合适的易失性或非易失性存储设备。永久存储235可以包含支持数据的长期存储的一个或多个组件或设备，诸如只读存储器、硬驱、闪速存储器或光盘。

通信单元220支持与其他系统或设备通信。例如，通信单元220可以包括便于通过网络通信的网络接口卡或无线收发器。通信单元220可以支持通过(一个或多个)任何适合的物理或无线通信链路的通信。

I/O单元225允许数据的输入和输出。例如，I/O单元225可以通过键盘、鼠标、小键盘、触摸屏或其他合适的输入设备提供用户输入的连接。I/O单元225也可以将输出发送到显示器、打印机或其他合适的输出设备。

本公开的一个或多个实施例认识并且考虑到，实现无线RF线圈解决方案的主要挑战之一是RFTx和Rx信号之间的同步。不好的同步可以导致图像质量的劣化，其归因于由于Tx和Rx时钟之间的频率失配引起的相位旋转。在当前的系统中，接收器被连接到MR系统时钟并且发送器以无线方式发送信号。因此，系统不涉及完全无线的Rx系统。替代的建议需要使用双向无线链路，其中，数字化的MR信号被从Rx线圈发送到MR系统，并且时钟信号沿相反的方向被路由。该系统需要振幅调制发送器和基于包络检测的接收器，在振幅调制发送器中，利用源自现有系统的2兆赫(MHz)时钟来调制2.4千兆赫(GHz)的载波。虽然在该系统中相位误差可能是低的，但是假定发送器时钟是固有噪声的，则接收器可能变成异步的。这可以导致在核磁共振(NMR)傅里叶空间或k-空间中，每个数据读出从一行到下一行的随机位移。这样的误差可以延伸超出有效校正的范围。此外，可能存在附加k-空间误差和产生的图像域伪影(artifact)。

另一个系统是用于将导频(pilot)信号与MR信号一起发送的双叉(tow-pronged)系统。这里的一个方法是在自由感应衰减(FID)频率附近以一定的频率偏移来广播导频信号。然后，接收器中的应答器可以将导频信号与FID信号一起上转换以用于发送。然后，接收到的导频信号用作图像数据的相位基准，利用从FID信号中减去导频相位变化。这里，尽管提出减法，但是相位误差累积可能不容易解决，特别是在存在增加的系统噪声的情况下。此外，系统噪声的等级可以支配接收到的导频信号的精度。这里的不精确性可能导致从一行到下一数据读出行的k-空间位置的移位，并且将需要有效的后处理校正。第二发送方法着重于通过振幅调制来上转换FID和导频信号，利用被发送到通过解调来恢复导频和FID信号两者的处理单元的调制载波信号的单边带。然后，导频和FID被混合以得到与相位误差抵消的差分信号。然后，差分信号可以根据需要被下转换以获得FID信号。另外，相位误差累积可能不容易解决，并且可能导致在图像中引起模糊的相移。

本公开的一个或多个实施例提供了一种误差校正方法，该方法能够纠正与用于MRI扫描的无线RF线圈结构中的发送和接收时钟之间的定时偏移相关联的图像伪影。不同于之前的系统，本公开提供了非硬件级解决方案。假定由于Tx和Rx时钟频率失配引起的预期误差的性质(nature)，本公开的一个或多个实施例中的系统和方法获取额外数据而不显著延长扫描采集时间，该额外数据要被利用来调整原始数据中偏移的影响。在示例实施例中，系统和方法提供了可追溯的(retrospective)解决方案。

本公开中的一个或多个实施例涉及核磁共振检查设备。尤其是，通过测量来自诸如生物组织中的氢的磁性原子核的感应MR信号，来对包括弛豫时间分布的原子核密度分布进行可视化和后处理的MRI扫描仪。这些现象与被用于生成和/或接收时变RF磁场的射频(RF)线圈相链接。

图3示出了根据本公开的实施例的Tx-Rx子系统。Tx-Rx子系统300是MRI系统100的一部分。MRI扫描仪使用强磁场和无线电波以形成身体的图像。Tx-Rx子系统300包括RF线圈106，以及被用于利用RF线圈106并且分析通过RF线圈106接收到的数据的组件。Tx-Rx子系统300包括组件，诸如，RF线圈106、RF放大器116、计算系统122、发送器/接收器(T/R)开关302、前置放大器304、混频器306、具有PTS频率合成器的本机(local)振荡器308、BP滤波器/放大器310和模数转换器312。图3中所示的Tx-Rx子系统300的实施例仅用于说明。可以使用Tx-Rx子系统的其他实施例而不脱离本公开的范围。

图4示出了根据本公开的实施例的2D自旋回波序列400的图。自旋回波序列400由一系列事件组成：90°激励脉冲402、在TE/2处的180°重聚(refocus)脉冲404以及在TE处的DRO406。在每个时间间隔TR(重复时间)中重复这一系列的事件。利用每个重复，根据相位编码梯度的变化来填充k-空间线。180°重聚脉冲404补偿恒定场不均匀性来获得以T2而不是以T2*加权的回波。图4中所示的自旋回波序列400的实施例仅用于说明。可以使用自旋回波序列的其他实施例而不脱离本公开的范围。此外，在示例中，图4包括与图5中所示的自旋回波502相似的自旋回波(未示出)。

梯度包括层面(slice)选择梯度408、相位编码梯度410和频率编码梯度412。自旋回波序列400示出了示例序列，其中，180°重聚脉冲404反转横向磁化平面从而倒转导致信号失相(dephasing)的独立于时间的场变化(如在梯度回波(gradientrecalledecho)或“GRE”成像中所见)。这些方法的特征在于，在数据采集期间频率编码梯度412被开启(switchon)，从而导致共振频率变为位置的函数。然后，通过傅里叶变换来分析复合信号，傅里叶变换将不同频率分量的信号强度分解到特定位置。

在与频率编码梯度412垂直的第二维度中，关于磁化向量的位置的信息(相位)被用于编码空间信息。首先，相位编码梯度410被短暂地(briefly)开启，以在磁场梯度的方向上在每个体元内建立用于磁化向量的相位位置的差。在此之后，应用频率编码梯度412。

沿相位编码方向的相邻点(或频率编码点的线)之间的时间等于TR，因为其T2在大多数情况下比5至10毫秒(ms)读出时段更长的信号必须在k-空间中在每个读出行的积累之间的间隔中重整(reform)。在示例中，相位编码梯度可以短暂地脉冲化，从而取代NMR傅里叶空间或K-空间中在Ky或相位方向上的信号，并且读出处理被重复。包括激励、之后的相位编码、之后的读出的循环被重复，直到达到沿相位编码轴的期望净位移(或空间分辨率)为止。在传统的K-空间图中，原始数据线在以范围为(range)从10ms到3000ms的TR时段分离的时间处被逐一(oneatatime)收集。测量时间等于相位编码步骤(step)的数目乘以TR以及乘以采集(或平均)的数目。

在一个实施例中，在操作术语中，自旋回波序列具有两个必要(essential)参数：TR和TE。TR为两个相继的90°激励RF脉冲之间的时间间隔。它以被探索的组织的纵向弛豫为条件(依赖于T1)。TR越长，则纵向磁化再生越完全(Mz趋于M0)。缩短TR将使T1中的图像具有重要性(weigh)，这是因为组织磁化的纵向弛豫之间的差异将被突出显示。在典型的自旋回波中，在TR时间之后，将获取单个k-空间线。因此，TR重复负责序列的持续时间。TE是回波的90°翻转角度和接收之间的时间间隔，信号通过横向磁化被产生。横向磁化根据每个样本的时间常量T2而降低(场不均匀性[其对T2*效应有贡献]由在TE/2处被施加的180°翻转角度补偿)。

本公开的一个或多个实施例认识并且考虑到，无线RF线圈提供了(afford)避免许多上述涉及电缆管理的问题的更实际的解决方案。尽管如此，在无线RF线圈结构中，如果Tx和Rx时钟不良好地同步或经历差的同步，则这可能导致MR图像中的相位编码抖动或偏移。

本公开的一个或多个实施例认识并且考虑到，在(使用有线RF结构的)传统的MRI中，所记录的时域信号的傅里叶变换分析可以帮助在应用梯度期间在每个频率或位置处恢复磁化。在空间编码中，x和y梯度(Gx，Gy)被应用于自旋系统以便分别执行频率编码和相位编码。接收器线圈横跨(span)样本的范围，并且通过在x和y位置的范围上对由I(x，y，z₀)给出的磁化进行积分，检测到的信号S(t)被给出为，

$S\left(t\right)=S(k_x,k_y)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}I(x,y,z_0)e^{{\mathrm{jk}}_{y}y}{e}^{{\mathrm{jk}}_{x}x}dxdy,---\left(1\right)$

其中，

k_x＝γG_xt，(2)

k_y＝γG_yT_p，(3)

并且

$(x,y,z_0)=\frac{{\mathrm{j\ω}}_0\mathrm{\Δ}z}{\sqrt{2}}{M}_{xy}^0(x,y,z_0)B_{1T}(x,y,z_0)e^{-\frac{t}{T_2}}---\left(4\right)$

在上述等式中，k_x和k_y是k-空间位置，T_p是相位编码持续时间，Δz是层面厚度，是xy平面上的初始磁化，ω₀是拉莫尔(Larmor)频率以及B_1T是RF场强。在示例中，ω₀＝γB₀，其中，γ是旋磁比而B₀是静磁场强度。

时钟失配主要可以归因于由于常量偏移所产生的△t项，该常量偏移依赖于在无线RFMRI领域中被指定用于Tx和Rx功能的时钟之间的频率偏移。

检测到的信号现在可以表示为：

$S(t+\mathrm{\Δ}t)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}I(x,y,z_0)e^{{\mathrm{jk}}_{y}y}{e}^{{\mathrm{jk}}_{x}x}{e}^{-\frac{\mathrm{\Δ}t}{T_2}}{e}^{{\mathrm{j\γG}}_x\mathrm{\Δ}tx}{e}^{j\mathrm{\γ}B\mathrm{\Δ}t}dxdy.---\left(5\right)$

将弛豫和k-空间偏移与△t一起考虑的项现在已经并入等式(5)。项涉及频率编码梯度和采集窗口之间的偏移，其导致引起信号抵消的T₂滤波效果。项还涉及频率编码梯度和采集窗口之间的偏移，但其导致了对象形状的失真和畸变。这种效果被耦合到以上的源自解调，并且导致视场(FOV)内的对象的移位。

信号表达式现在被改写为，

$\begin{array}{c}S(t+\mathrm{\Δ}t)=S(k_x^{\′},k_y)=\\ {\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}{I}^{\′}(x,y,z_0)e^{{\mathrm{jk}}_{y}y}{e}^{{\mathrm{jk}}_x^{\′}x}{e}^{{\mathrm{j\γG}}_x\mathrm{\Δ}tx}{e}^{j\mathrm{\γ}B\mathrm{\Δ}t}dxdy\end{array}---\left(6\right)$

其中，

k′_x＝γG_x(t+Δt)(7)

并且

$I^{\′}(x,y,z_0)=\frac{{\mathrm{j\ω}}_0\mathrm{\Δ}z}{\sqrt{2}}{M}_{xy}^0(x,y,z_0)B_{1T}(x,y,z_0)e^{-\frac{t+\mathrm{\Δ}t}{T_2}}.---\left(8\right)$

项涉及频率编码梯度和采集窗口之间的偏移，其导致图像中沿x方向的线性移位。项涉及频率编码梯度和采集窗口之间的偏移，其导致k-空间中心的偏移和对象形状的失真。源自解调，并且导致视场(FOV)内的对象的移位。

MRI中误差的常见来源是，在图像采集过程期间由于平移或旋转位移所引起的被试的运动。这可以被视为可能在扫描期间随机发生的刚体运动。这导致沿x和y的线性相移。处理平移运动的最直接的解决方案是使用导航回波，其中，在重复时间(TR)内获取额外数据以允许跟踪对象运动，该额外数据之后可以被用于恢复相移和校正图像模糊。导航回波或投影信号可以是附加自旋或梯度回波，其被用于监视扫描时间(TR)期间样本的位置改变。导航回波可以是投影回波、投影信号、交错跟踪回波、视图跟踪回波和/或1D、2D或3D对象投影中的一种类型。

对于刚体平移运动，对象的所有位置经历相同位移，其中，损坏的信号与真实信号通过下式相关，

其中，s(k_x，k_y)是真实的未损坏的信号，并且相位由下式给出

φ(k_x，k_y)＝2π(k_xΔx，k_yΔy)(10)

△x和△y是对于每个k-空间线分别在x和y方向上施加的平移相移。

导航回波为跟踪运动和校正相移提供了具有成本效益的解决方案。在每个视图或相位编码之前，在频率编码方向上获取非相位编码投影(导航)。单个导航投影被选择为参考，并且相对于其他导航投影中的每个来确定交叉相关函数。一种方法依赖于最大交叉相关，其产生相对于参考位置的某一级别的位移。必须获取至少两个导航以查看在两轴上的平移运动。

图5示出了根据本公开的实施例的具有导航模块的自旋回波脉冲序列500的图。自旋回波序列500由一系列事件组成：90°激励脉冲402、在TE/2处的180°重聚脉冲404、在TE处的DRO406、自旋回波502、导航脉冲504、和移板(shiftedslab)导航信号506、扰流(spoiler)梯度508和对象移位检测导航510。在每个时间间隔TR中重复这一系列事件。利用每个重复，根据不同的相位编码来填充k-空间线。图5中所示的自旋回波序列500的实施例仅用于说明。可以使用自旋回波序列的其他实施例而不脱离本公开的范围。

在实施例中，序列500具有自旋回波502。自旋回波502是通过共振电磁辐射的脉冲进行的自旋磁化的重聚。重聚可以包括自旋-自旋弛豫(T2)和自旋-晶格弛豫(T1)。

具有导航脉冲504的导航模块、单独激励脉冲和投影读出可以被包含在任何脉冲序列的一个TR中提供的“死时间(deadtime)”内。通过在相继的TR之间交替x和y投影510，获得在每个方向上对象移位或相移的估计，并且可以确定正确的k-空间位置。在此时间期间，移位板导航信号506被获取、接收或读出。

在实施例中，扰流梯度508是磁场梯度脉冲，其被施加以通过沿梯度方向产生其相位的快速变化来有效地去除投影信号之后的残留横向磁化。

一个或多个实施例包括独立于硬件的解决方案，其涉及在序列的每个TR内采集导航回波作为附加数据采集模块。此解决方案将使得能够校正由无线RF领域中的相位失配和频率失配两者而产生的误差。导航技术被广泛用于在MRI扫描期间跟踪和校正平移的被感应的被试的运动。这里，这些回波可以被用来跟踪k-空间中的线性相移和整体歪斜、无线RF线圈实现方式中的发送和接收时钟之间的TR失配的结果。

图6示出了根据本公开的实施例用于时钟失配的基于导航回波校正的处理600。时钟失配效应由线性位移和k-空间歪斜引起。图6中所示的处理600的实施例仅用于说明。可以使用处理600的其他实施例而不脱离本公开的范围。

处理600包括与MR无线线圈实现方式中的时钟失配效应的基于导航回波的校正相关联的操作。在1D逆傅里叶变换之后，对于每个导航回波获得导航相位剖面(profile)，其中继每个TR中沿x和y的每个(交替的)投影的横向(x-y)磁化向量的响应。获得的每个导航相位剖面可以被并入线性回归，从该线性回归可以恢复斜率或相位估计量(estimator)。然后，这样的估计的集合可以被用于识别最大k-空间移位，并且允许对于k-空间数据全局地校正这样的移位。

在操作602中，控制器被配置为识别k-空间中的导航信号的幅度和相位表示。在操作604中，控制器被配置为执行导航幅度和相位的逆傅里叶变换，以获得基于图像域的表示。在操作606中，控制器被配置为在基于图像域的表示中选择相位。在操作608中，控制器被配置为标绘所选择的相位的线性回归。在步骤610中，控制器被配置为根据线性回归来计算斜率或相位估计量这样的导航估计的集合，等可以被用于根据下面的关系式来识别最大k-空间移位：

$\mathrm{\Δ}\hat{K}=\frac{1}{L}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^L\frac{L-1}{l}\mathrm{\Δ}{\hat{K}}_x^l---\left(10\right)$

处理600允许校正无线RF线圈实现方式中的Tx和Rx时钟失配所引起的歪斜或移位。

图7a至图7e示出了根据本公开的实施例用于识别图像移位和纠正这样的移位的处理。图7a示出了在中心k-空间线中的导航回波信号的图702。

图7b示出了具有斜率705的图704，其来自702的1D逆FFT之后的模拟导航相位剖面。这是由扫描过程期间的对象移位或位移引起的。作为由于在使用无线RF线圈的传统的扫描中从TR到TR的失配所引起的时钟频率失配的结果，斜率705类似于将被观察到的情况并且与k-空间中的线性相移相关。

图7c示出了产生与从TR到TR的移位相关联的斜率的十个导航相位剖面的集合706。这些剖面与移位的k-空间线相关，根据所述移位的k-空间线，通过y＝ax+b形式的线性等式可以恢复斜率或移位的量以及还有截距或起始k-空间点。在表1中给出了对于上述十个导航相位剖面的实际斜率和截距值。基于用于每个导航相位剖面的这些斜率和截距值，每个k-空间线(或者全局地对于整个k-空间歪斜)的校正可以被执行以生成无伪影的图像，如图7d至图7E所示。

表1：图7c中所示的十个选择导航相位剖面的斜率和截距值。

图7c示出了十九个读数的k-空间子样本708的线性相移的效果。显示了来自表1的行1、11和19的斜率和相位值。

图7e示出了用于使用导航回波的图像校正的处理。如图7d中所见的k-空间歪斜导致图像域中的对象的移位和失真。图像710中的对象可以首先通过将k-空间信号乘以从导航相位剖面获得的截距或起始点，来在视场中重新被置于中心(图像712)。接下来，使用也是从导航相位剖面获得的斜率来恢复由于频率编码梯度和采集窗口之间的失配所导致的沿相位编码轴的k-空间歪斜或偏移(图像714)。这种二次校正调整了源于线性相移和T2滤波效果的组合效果的相位误差。

图8示出了根据本公开的实施例在k-空间802中进行的和在经由导航回波在k-空间804中进行的不同等级的歪斜校正。针对在3T相差一个幅度量级的两个不同的频率失配条件(k-空间802中的100ppb对比k-空间804中的1ppm)获取导航回波。对于所示的示例，k-空间起始点或截距也相差一个幅度量级(k-空间802中的0.312对比k-空间804中的3.12rad/cm)。

图9示出了根据本公开的实施例、在被定义为峰噪声除以峰k-空间信号的若干噪声等级上，在从两个样本频率失配条件(100ppb和1ppm)进行基于导航回波的k-空间歪斜校正之后的噪声等级对绝对误差的标绘图。图表900中的数据示出，由于对于100ppb的曲线902和对于1ppm的曲线904的并置，因此校正独立于频率失配的等级。此外，即使在高噪音等级(例如9％)，基于导航回波的校正方法也基于在该噪声等级的0.003的绝对误差产生了鲁棒的结果。在理想的情况下，具有大约100ppb的频率失配的Tx和Rx时钟将确保最小偏移，从而导致在导航回波校正之后较低的误差率。

图10示出了根据本公开的实施例用于校正MRI图像的处理1000。这里的控制器可以表示处理设备210，并且存储器元件可以是图2中的存储器230。图10中示出的处理1000的实施例仅用于说明。可以使用处理1000的其他实施例而不脱离本公开的范围。

在操作1002中，控制器被配置为执行指令集以接收多个信号的数据。多个信号包括至少一个导航回波。

在操作1004中，控制器还被配置为基于至少一个导航回波来识别多个信号的多个偏移。项涉及频率编码梯度和采集窗口之间的偏移，其导致引起信号抵消的T₂滤波效果。项还涉及频率编码梯度和采集窗口之间的偏移，但其导致了对象形状的失真和畸变。这种效果被耦合到以上的项源自解调，并且导致视场(FOV)内的对象的移位。

在实施例中，偏移是根据至少一个导航回波的相位剖面的斜率计算的。

在操作1006中，控制器还被配置为将多个偏移应用到多个信号的k-空间。

在示例实施例中，本文中的系统和方法可以提供：使用在无线通信系统中使用的具有微秒级精度的时钟同步方法可以提供这里的有用的解决方案。此外，RF脉冲可以被用作时钟同步信号，而无需将额外的硬件并入到结构方案。

在示例实施例中，本文中的系统和方法可以提供：在无线RF线圈中使用产生大约100ppb稳定性的高稳定精确的时钟源(TCXO/OCXO)。

在示例实施例中，本文中的系统和方法可以提供估计量，其可以被其他估计技术替代，例如基于不同噪声模型的极大似然估计量。

替代的图像后处理方法涉及利用自导航技术，其中，不获取附加数据而是执行相继的k-空间线之间的相关以确定k-空间中的从线到线的线性相移。

提出的基于导航回波的校正直接适用于任何无线RF线圈结构，其中，在MRI扫描期间在发送和接收RF功能之间可能存在频率偏移。它提供了相对直接的可追溯的解决方案，并且该校正可以机载地(onboard)执行以输出无误差或无伪影的图像数据。

一个或多个实施例提供的是，导航回波是最直接的方法之一，根据导航回波可以恢复具有沿x和y的位移的形式的线性相移。

此外，本公开的一个或多个实施例认识并考虑到，MR图像的运动退化可以归因于宏观运动，该宏观运动包括扫描期间的来自呼吸、心脏脉动或蠕动的生理运动以及不自主的被试移动两者。后者的影响是导致图像锐度损失的主要来源。问题仅当需要获得高分辨率数据(微米量级)时才恶化，其中，被试的毫米量级的移动影响高分辨率数据。对于刚体运动的许多校正方法依赖于对需要与校正例程解耦的姿势改变的检测。

本公开的一个或多个实施例提供了一种系统，该系统实现了用作用于预期运动检测的运动跟踪器的一组微型MRI无线线圈。此外，新颖的脉冲序列和运动校正算法也作为本发明的特征。RF线圈将作为另外的一组线圈(除了主成像接收线圈)，其仅用于根据法拉第感应原理进行的运动检测的目的。

本公开的一个或多个实施例提供了更小的运动跟踪无线线圈，其将被定位为更靠近要被扫描的组织或解剖学区域，从而在常规的扫描过程中提供更加精确的运动退化信息。此外，基于FID导航的脉冲序列将被并入以用于运动检测。在此预期方法中，运动退化数据或k-空间线可以被重新获取，因为作为主扫描的一部分所获取的实时FID数据可以提醒用户正在进行感应被试的运动。

本公开的一个或多个实施例提供的是，通过将无线微型RF线圈定位为更接近于被试(而不是针对特定解剖学区域的附属(accessory))，可以从经历MR扫描的若干不同解剖学位置更精确地拾取运动退化数据。此外，FID导航方法具有快速检测损坏数据点并且在完成整个主扫描之前重新获取它们的潜力。

无线RF线圈，无论是单个环形线圈还是螺线管，可以被集成到主有线或无线RF接收(Rx)线圈结构，以使能预期运动检测和校正。它们可以被称为“RF运动标注器(tagger)”。这些线圈中的几个可以在策略上被放置在Rx线圈阵列附近的被试上。它们的信号根据相互感应(电感耦合(磁通量，dΦ/dt))的法拉第定律，以无线方式链接到接收器阵列。在信号接收期间，无线RF运动标注器拾取附近的信号。该信号当它通过成像线圈时，在标注器中产生电流dI/dt以及相关联的磁场和磁通量。该通量在主RF线圈中感应电压V，该主RF线圈被路由到标准接收器。

本公开的一个或多个实施例提供的是，基于导航方法的新颖的脉冲序列可以被用于预期更新成像体积的取向和位置，以使得它在采集过程期间跟随病人或识别数据的运动退化部分，并且在图像重建之前去除这些数据或仅重新获取退化的部分。

刚体运动可以通过线圈阵列中自由感应衰减或FID信号随时间的改变来监测。来自本机线圈元件的FID信号根据(asafunctionof)对象距离而改变。来自多通道线圈的本机线圈灵敏度被使用，以在扫描过程期间检测运动位移。如果对象被线圈元件充分覆盖，则刚性体运动参数的倒退计算(back-calculation)的逆问题是随后可解的。

对于FID导航，在检测运动和运动发生了多少的信号组合步骤方面，在诸如磁化准备快速梯度回波(MP-RAGE)的给定脉冲序列中，前三个重复时间(TR)可以被跳过，因为在那里建立纵向磁化。也可以计算参考值(每线圈一个)。在下面的等式11中，“t”为重复数目，N为线圈元件的数目，以及navi(t)为在重复数目t中线圈元件I的复数导航数据。传入(incoming)导航的数目依赖于用于信号接收的线圈元件的数目。对于本公开的一个或多个实施例中的实现方式，传入导航的数目可以低至三。可以计算导航信号的百分比复数幅度。它可以产生现在可以随着时间被跟踪的单个值。

$\mathrm{\Δ}\left(t\right)=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N\frac{|{\mathrm{nav}}_i\left(t\right)-{\mathrm{ref}}_i|}{\left|{\mathrm{ref}}_i\right|}---\left(11\right)$

图11示出了根据本公开的实施例的运动检测处理1100。运动退化的原因是不自主的被试运动，其或者导致对于平移运动的k-空间视图或线的线性相移，或者导致在旋转运动的情况下相同k-空间线的旋转。这两种类型的运动退化可以导致图像域的模糊和锐度损失。这里，控制器可以表示处理设备210，并且存储器元件可以是图2中的存储器230。图11中所示的处理1100的实施例仅用于说明。可以使用处理1100的其他实施例而不脱离本公开的范围。

在操作1102中，控制器被配置为开始自适应阈值处理，以确定运动退化数据。在示例中，操作1102通过评估每个重复时间(TR)获取的传入导航点历史、FID导航信号或数据点的集合来执行。在操作1104中，控制器被配置为针对给定时间段或TR，将传入FID导航数据点Δ(n)与作为回归时间过程的一部分的先前点进行比较。回归时间过程是利用每个传入信号或数据点实时更新的导航数据点的标绘。

在操作1106中，控制器被配置为评估传入数据点以查看它们是否超过为回归时间过程中所有点的3倍标准差(3*std.deviation)的阈值(TH)。在示例实施例中，控制器还可以被配置为确定阈值并且将它与其他效果隔离，诸如由于冗长扫描可能发生的升温(heating)。此外，可以解决可能导致信号随时间漂移和改变的频率偏移。可以分配为点的三倍标准差的标称阈值(这意味着它在正态分布的99.7％的置信区间之外)。更宽松的阈值需要更高数目的标准差，诸如，例如但不限于，根据正在执行的成像应用可以使用4倍标准差(4*std.deviation)或更大。

在操作1108中，控制器被配置为确定传入数据点是否大于阈值。如果传入数据点不大于阈值，则在操作1110中，控制器被配置为继续馈送数据点到导航历史以用于随后与回归时间过程的比较，以及用于更新自适应阈值处理。如果等于或高于阈值，则在操作1112中，控制器被配置为将TR或k-空间线标记为运动损坏。

如果高于阈值，则在操作1114中，控制器被配置为发起运动校正方法或在扫描结束时丢弃并且重复相同的TR。在扫描结束时可以重新获取损坏的k-空间线或损坏的线的集合。在此示例中，基本假设是，被试可能已经将正在被扫描的感兴趣的解剖结构移动回到扫描开始时其所在的原始位置。

诸如浮动(floating)导航和自导航技术的其他技术也可以被研究并且可能与基于微型RF标注器的用于运动检测和校正的此独立硬件解决方案合并。

本公开的实施例不被归类为特定的解剖学位置，并且可以利用任何类型的主RF线圈(有线或无线)被应用于任何解剖学区域以用于运动跟踪。

虽然已经参照示例性实施例描述了本公开，但是可以向本领域技术人员建议各种改变和修改。意图是，本公开包括落入所附权利要求的范围内的这些改变和修改。

Claims (14)

1.一种装置，包括：

存储器元件；以及

控制器，耦接到所述存储器元件，所述控制器被配置为执行指令集以用于：

接收多个信号的数据，所述多个信号包括至少一个投影回波，

基于所述至少一个投影回波来识别所述多个信号的多个偏移，以及

将所述多个偏移应用到所述多个信号的k-空间。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制器被配置为执行指令集以基于所述至少一个投影回波来识别所述多个信号的多个偏移包括用于下述的指令：

将一维逆快速傅里叶变换应用到所述至少一个投影回波的振幅；以及

识别与至少一个投影回波相位剖面相对应的快速傅里叶变换后的振幅中的斜率。

3.一种方法，包括：

接收多个信号的数据，所述多个信号包括至少一个投影回波；

基于所述至少一个投影回波来识别所述多个信号的多个偏移；以及

将所述多个偏移应用到所述多个信号的k-空间。

4.如权利要求1所述的装置或如权利要求3所述的方法，其中，所述多个信号是在多个射频线圈处接收的。

5.如权利要求1所述的装置或如权利要求3所述的方法，其中，所述多个偏移包括相位偏移和频率偏移。

6.如权利要求1所述的装置或如权利要求3所述的方法，其中，所述多个偏移中的偏移在频率编码梯度和采集窗口之间。

7.如权利要求1所述的装置或如权利要求3所述的方法，其中，所述多个偏移中的偏移是所述多个信号的解调。

8.如权利要求3所述的方法，其中，基于所述至少一个投影回波来识别所述多个信号的多个偏移包括：

将一维逆快速傅里叶变换应用到所述至少一个投影回波的振幅；以及

识别与至少一个投影回波相位剖面相对应的快速傅里叶变换后的振幅中的斜率。

9.如权利要求6所述的装置或方法，其中，所述偏移是通过计算的，其中，△t是时间的改变而T₂是自旋-自旋弛豫时间。

10.如权利要求6所述的装置或方法，其中，所述偏移是通过计算的，其中，△t是时间的改变而G_x是频率编码梯度。

11.如权利要求7所述的装置或方法，其中，所述偏移是通过计算的，其中，△t是时间的改变而B是射频场强。

12.一种非暂态计算机可读存储介质，包括存储在计算机可读存储介质上、用于在多个处理器上执行的逻辑，以用于：

接收多个信号的数据，所述多个信号包括至少一个投影回波；

基于所述至少一个投影回波来识别所述多个信号的多个偏移；以及

将所述多个偏移应用到所述多个信号的k-空间。

13.如权利要求12所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，用于基于所述至少一个投影回波来识别所述多个信号的多个偏移的所述逻辑包括用于下述的逻辑：

将一维逆快速傅里叶变换应用到所述至少一个投影回波的振幅；以及

识别与至少一个投影回波相位剖面相对应的快速傅里叶变换后的振幅中的斜率。

14.如权利要求12所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述多个偏移包括相位偏移和频率偏移。