CN105548928B - 一种基于分段激发时空编码的多层超快速磁共振成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于分段激发时空编码的多层超快速磁共振成像方法,涉及磁共振成像的方法。将成像物体分成几段,在激发阶段使用90°段选sinc脉冲选择成像段,通过180°的线性调频脉冲使段内质子自旋获得二次相位,从而对成像段内的质子自旋进行时空编码;通过与90°段选脉冲相同的脉冲将二次相位信息存储;衔接层选90°sinc脉冲,对该层质子解码和采样。通过设计层选脉冲的中心频率和解码采样梯度,获得段内多个层面的磁共振数据。通过修改段选脉冲的中心频率选择不同的成像段,并重复上述操作获得整个成像物体的多层数据。将获得的每一层的磁共振数据,依次进行高分辨重建,最后得到多层高分辨磁共振图像。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振成像的方法,尤其是涉及一种基于分段激发时空编码的多层超快速磁共振成像方法。
背景技术
超快速磁共振成像技术在一些需要高时间分辨的医疗应用与研究中发挥着重要的作用,如扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)、功能成像(functional MRI,fMRI)、实时动态成像(real-time imaging)等。在众多的超快速方法中,单扫描的平面回波成像(echo planar imaging,EPI)凭借它高的时间分辨率成为最受欢迎的超快速成像技术。EPI通过一系列快速切换的梯度回波进行快速采样,一次激发就可以获得一幅磁共振像。但是EPI成像方法很容易受到磁场不均匀和化学位移效应的影响,导致重建图像出现几何畸变。针对上述问题,以色列威兹曼研究所的Frydman小组提出单扫描的时空编码(spatiotemporally-encoded,SPEN)磁共振成像方法,此方法通过chirp脉冲(线性调频脉冲),在相位编码方向引入了二次相位信息。二次相位信息的引入结合稳定相位理论可以使的我们可以减少采样回波链的长度,以缩短由不均匀场和化学位移效应带来的相位误差的积累时间,从而减轻畸变程度。
尽管单层时空编码技术拥有上述有点,但是若引入多层成像技术,势必会由于多个chirp脉冲的施加而导致特定吸收率(SAR)过大而无法真正得到应用。2013年Frydman小组提出一次全局空间编码分层采样的多层时空编码成像技术(Schmidt R,Frydman L.Newspatiotemporal approaches for fully refocused,multislice ultrafast 2DMRI.Magn Reson Med 2014;71:711-722),虽然该技术大大降低了SAR,但是随着层数的增加,由于T1的弛豫效应却导致了采样信号大幅衰减,图像信噪比亦随之降低。
发明内容
本发明的目的在于提供低SAR值、具有很强抵抗不均匀场能力和空间分辨率高的一种基于分段激发时空编码的多层超快速磁共振成像方法。
本发明包括如下步骤:
(1)首先对成像物体进行感兴趣区域定位,然后进行调谐、匀场、功率校正和频率校正;
(2)导入事先编译好的多层分段激发时空编码序列;根据实验情况,设置脉冲序列的各个参数;
所述多层分段激发时空编码序列的结构依次为:90°段选脉冲、延时τ0、扫频率的180°线性扫频脉冲、180°硬脉冲、90°段选脉冲、90°层选脉冲、采样回波链;
所述90°段选脉冲结合z方向段选梯度Gses与脉冲的中心频率,对成像物体进行段选,此参数根据段数与每一段的厚度相关,重聚梯度Gsesr紧接着作用在所述空间编码梯度Gses之后,其梯度面积为所述空间编码梯度Gses面积的一半,正负与所述空间编码梯度Gses相反;
所述180°线性扫频脉冲结合空间编码梯度G180对y方向进行空间编码,时间长度为T180;
所述180°硬脉冲将未被90°段选脉冲激发的质子自旋打回到+z方向;
所述90°层选脉冲和层选梯度Gss进行层选;
所述180°硬脉冲和采样回波链前分别施加两个破坏梯度Gcr1、Gcr2,时间长度分别为Tcr1、Tcr2,以使得在采样阶段可以获得单一的时空编码信号,同时去除平面回波信号,Gcr1、Gcr2的大小通过下面的公式计算得到:
Gcr1Tcr1=-Gcr2Tcr2
Gcr1Tcr1=n·G180T180 n=1,2,3,......
所述采样回波链是由分别作用在x、y方向的梯度链组成;x方向的梯度链是由一系列正负切换的梯度构成;y方向的梯度链是由一系列大小相等的“blips”梯度构成,且所述“blips”梯度的总面积和等于所述空间编码梯度G180的面积,正负和所述空间编码梯度G180一致;
在所述采样回波链之前,x和y方向分别施加了重聚梯度kRO和kSPEN,所述kRO的面积是x方向第一个梯度面积的一半,方向与之相反;所述kSPEN的面积是所有所述“blips”梯度的总面积的一半,方向与所述“blips”梯度相反;
在所述采样回波链后施加三个方向的破坏梯度Gsp,将残余的xy平面的磁化矢量散相,以保证不影响后续编码与采样过程的进行;
(3)执行步骤(2)设置好所述多层分段激发时空编码序列,通过array功能设置不同段的90°段选脉冲的中心频率,同时设置每一段内的层数及不同层的位置,继而进行数据采样;数据采样完成后,对采样数据进行高分辨率重建,获得高分辨的正交时空编码磁共振图像。
在步骤(3)中,所述高分辨率重建的步骤是将获得的每层的时空编码数据先进行一维傅里叶变换,在对相位编码为进行相位平滑处理,然后进行一维的插值,最后进行高分辨率重建。
本发明提供的基于分段激发时空编码的多层超快速磁共振成像方法,该方法可以克服由于磁场不均匀以及化学位移效应带来的重建图像的几何畸变。同时,本方法将分段激发的多层成像方法与时空编码技术相结合,可以有效降低SAR值,减缓由于T1弛豫效应带来的信号衰减。除此之外,由于本方法结合全重聚技术,即使在局部不均匀场十分严重的区域,诸如鼻腔和口腔等位置,结合超分辨重建技术,可以得到高质量无畸变的多层磁共振图像。
附图说明
图1是本发明中多层超快速分段激发时空编码磁共振成像序列结构图;
图2展示了不同序列获得的磁共振图像,其中:
a为多扫描的梯度回波图像(Reference multi-scan GE);
b为多层自旋回波EPI图像(Spin-echo EPI);
c为多层自旋回波时空编码图像(Spin-echo SPEN);
d为多层全局时空编码图像(GISPEN);
e为多层分段时空编码图像(SeSPEN)。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明:
本发明具体实施过程中的各个步骤如下:
(1)首先对成像物体进行感兴趣区域定位,然后进行调谐、匀场、功率校正和频率校正;
(2)导入事先编译好的多层分段激发时空编码序列;根据实验情况,设置脉冲序列的各个参数;
所述多层分段激发时空编码序列的结构依次为:90°段选脉冲、延时τ0、扫频率的180°线性扫频脉冲、180°硬脉冲、90°段选脉冲、90°层选脉冲、采样回波链;
所述90°段选脉冲结合z方向段选梯度Gses与脉冲的中心频率,对成像物体进行段选,此参数根据段数与每一段的厚度相关,重聚梯度Gsesr紧接着作用在所述空间编码梯度Gses之后,其梯度面积为所述空间编码梯度Gses面积的一半,正负与所述空间编码梯度Gses相反;
所述180°线性扫频脉冲结合空间编码梯度G180对y方向进行空间编码,时间长度为T180;
所述180°硬脉冲将未被90°段选脉冲激发的质子自旋打回到+z方向;
所述90°层选脉冲和层选梯度Gss进行层选;
所述180°硬脉冲和采样回波链前分别施加两个破坏梯度Gcr1、Gcr2,时间长度分别为Tcr1、Tcr2,以使得在采样阶段可以获得单一的时空编码信号,同时去除平面回波信号,Gcr1、Gcr2的大小通过下面的公式计算得到:
Gcr1Tcr1=-Gcr2Tcr2
Gcr1Tcr1=n·G180T180 n=1,2,3,......
所述采样回波链是由分别作用在x,y方向的梯度链组成;x方向的梯度链是由一系列正负切换的梯度构成;y方向的梯度链是由一系列大小相等的“blips”梯度构成,且所述“blips”梯度的总面积和等于所述空间编码梯度G180的面积,正负和所述空间编码梯度G180一致;
在所述采样回波链之前,x和y方向分别施加了重聚梯度kRO和kSPEN,所述kRO的面积是x方向第一个梯度面积的一半,方向与之相反;所述kSPEN的面积是所有所述“blips”梯度的总面积的一半,方向与所述“blips”梯度相反;
在所述回波链后施加三个方向的破坏梯度Gsp,将残余的xy平面的磁化矢量散相,以保证不影响后续编码与采样过程的进行;
(3)执行步骤(2)设置好所述多层分段激发时空编码序列,通过array功能设置不同段的90°段选脉冲的中心频率,同时设置每一段内的层数及不同层的位置,继而进行数据采样;数据采样完成后,对采样数据进行高分辨率重建,获得高分辨的正交时空编码磁共振图像。
所述高分辨率重建的步骤是将获得的每层的时空编码数据先进行一维傅里叶变换,在对相位编码为进行相位平滑处理,然后进行一维的插值,最后进行高分辨率重建。本发明所提供的基于单扫描超快速正交时空编码的小视野磁共振成像方法,在一次激发的情况下,就可以对空间内多个离散分布的区域进行小视野成像,并提高了图像的空间分辨率。
实施例:
将基于分段激发时空编码的多层超快速磁共振成像方法,在活体Wistar大鼠上进行实施例展示,用来验证本发明的可行性。实验测试是在一台Varian 7T成像仪(AgilentTechnologies,Santa Clara,CA,USA)下进行。实验所采用的成像样本是约300g的活体Wistar大鼠,实验前先用异氟烷混合氧气对大鼠进行气体麻醉,等老鼠进入休眠状态后进行相应的实验。进行实验之前,先把大鼠固定在实验床上,然后导入磁共振成像仪中。在磁共振成像仪操作台上,打开磁共振成像仪相应的操作软件,对感兴趣的大鼠部位进行定位,此处选择对大鼠的脑部进行Axial面成像。然后进行调谐、匀场、频率校正和功率校正。为了评价分段时空编码方法的有效性,在相同环境下进行了多层自旋回波平面回波成像、多层自旋回波时空编码成像和多层全局时空编码成像实验作为对比。
按照上述基于分段激发时空编码的多层成像方法的操作流程,在进行此实验前,首先用一维的时空编码序列分别测量所用到的180°线性扫频脉冲的功率。然后导入编译好的如图1所示的分段激发时空编码序列,打开脉冲序列的各个相关模块,设置实验参数,具体对于本实施例所采用的样本,其试验参数设置如下:共分三段激发,每段8层,层厚为1.5mm,90°段选脉冲激发频率宽度为2972Hz,中心频率依次为-2483Hz、488Hz、3460Hz,激发时间为2ms,180°线性扫频脉冲的激发频率宽度△O180为32kHz,激发时间T180为2ms,x方向采样点数Nx为64,y方向采样点数Ny为64,x方向的成像视野FOVx为4.5cm,y方向的成像视野FOVy为4.5cm,破坏梯度的强度为5.0gauss/cm,时间为1ms。将以上实验参数设置好后,直接运行整个序列的采样时间约为1.14s。采样结束后,就获得24层大鼠脑部磁共振数据,经过高分辨重建后,得到高分辨的大鼠脑部图像(图2e所示);在相同的场环境下,跳到其他实验区,调用梯度回波序列设置相同的视野和层厚后,进行实验,获得多扫描图像作为参考图(图2a所示);接着在相同的场环境下,跳到其他实验区,分别调用多层自旋回波平面回波序列、多层自旋回波时空编码序列、多层全局时空编码序列,设置相同的视野和层厚后,进行实验,获得多层图像作为对比图(图2b、c、d所示)。
从图2可以看出,相比较自旋回波平面回波图像,以时空编码为基础的序列拥有更强的抵抗磁场不均匀的性能,畸变更小。同时,与图2d相比,随着层数的增加,图2e的信号衰减得到一定程度的减缓,从而使得图像具有更高的信噪比。除此之外,在大鼠前面几层靠近鼻腔及口腔的层面,由于局部不均匀场十分严重,图2d因为不均场带来的相位错误导致重建结果出现较大偏差,而图2e由于有效结合了全重聚技术,有效抵抗了局部不均匀场,获得更好空间分辨率和完整度的重建图像。
本发明公开了基于分段激发时空编码的多层超快速磁共振成像方法。该方法将分段激发的多层成像方法与线性扫频脉冲的有机结合,首先将成像物体分成几段,在激发阶段使用90°段选sinc脉冲选择一定厚度的成像段,然后通过180°的线性调频脉冲使段内质子自旋获得一个和空间位置相关的二次相位,从而对成像段内的质子自旋进行时空编码;然后通过一个与前面的90°段选脉冲相同的脉冲将二次相位信息存储起来;为了获得段内每一层的信息,需要衔接层选90°sinc脉冲,进而对该层质子进行解码和采样。对于经过时空编码空间内的质子自旋,在解码采样期只有静态相位分布的质子自旋才能被检测到,通过设计层选脉冲的中心频率和解码采样梯度,就可以获得段内多个层面的磁共振数据。然后通过修改段选脉冲的中心频率选择不同的成像段,并重复上述操作就可以获得整个成像物体的多层数据。将获得的每一层的磁共振数据,依次进行高分辨重建,最后就可以得到多层高分辨磁共振图像。
Claims (2)
1.一种基于分段激发时空编码的多层超快速磁共振成像方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)首先对成像物体进行感兴趣区域定位,然后进行调谐、匀场、功率校正和频率校正;
(2)导入事先编译好的多层分段激发时空编码序列;根据实验情况,设置脉冲序列的各个参数;
所述多层分段激发时空编码序列的结构依次为:90°段选脉冲、延时τ0、扫频率的180°线性扫频脉冲、180°硬脉冲、90°层选脉冲、采样回波链;
所述90°段选脉冲结合z方向空间编码梯度Gses与脉冲的中心频率,对成像物体进行段选,90°段选脉冲根据段数与每一段的厚度相关,重聚梯度Gsesr紧接着作用在所述空间编码梯度Gses之后,其梯度面积为所述空间编码梯度Gses面积的一半,正负与所述空间编码梯度Gses相反;
所述180°线性扫频脉冲结合空间编码梯度G180对y方向进行空间编码,时间长度为T180;
所述180°硬脉冲将未被90°段选脉冲激发的质子自旋打回到+z方向;
所述90°层选脉冲和层选梯度Gss进行层选;
所述180°硬脉冲和采样回波链前分别施加两个破坏梯度Gcr1、Gcr2,时间长度分别为Tcr1、Tcr2,以使得在采样阶段可以获得单一的时空编码信号,同时去除平面回波信号,Gcr1、Gcr2的大小通过下面的公式计算得到:
Gcr1Tcr1=-Gcr2Tcr2
Gcr1Tcr1=n·G180T180 n=1,2,3,......
所述采样回波链是由分别作用在x、y方向的梯度链组成;x方向的梯度链是由一系列正负切换的梯度构成;y方向的梯度链是由一系列大小相等的“blips”梯度构成,且所述“blips”梯度的总面积和等于所述空间编码梯度G180的面积,正负和所述空间编码梯度G180一致;
在所述采样回波链之前,x和y方向分别施加了重聚梯度kRO和kSPEN,所述kRO的面积是x方向第一个梯度面积的一半,方向与x方向第一个梯度方向相反;所述kSPEN的面积是所有所述“blips”梯度的总面积的一半,方向与所述“blips”梯度相反;
在所述采样回波链后施加三个方向的破坏梯度Gsp,将残余的xy平面的磁化矢量散相,以保证不影响后续编码与采样过程的进行;
(3)执行步骤(2)设置好所述多层分段激发时空编码序列,通过array功能设置不同段的90°段选脉冲的中心频率,同时设置每一段内的层数及不同层的位置,继而进行数据采样;数据采样完成后,对采样数据进行高分辨率重建,获得高分辨的正交时空编码磁共振图像。
2.如权利要求1所述一种基于分段激发时空编码的多层超快速磁共振成像方法,其特征在于在步骤(3)中,所述高分辨率重建的步骤是将获得的每层的时空编码数据先进行一维傅里叶变换,再对相位编码为进行相位平滑处理,然后进行一维的插值,最后进行高分辨率重建。
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