CN106569158B - 一种降低特殊吸收率的压缩型螺旋梯度射频脉冲设计方法 - Google Patents

Abstract

一种降低特殊吸收率的压缩型螺旋梯度射频脉冲设计方法，在磁共振仪器上进行预扫描，得到扫描对象激发射频场的分布；根据目标激发轮廓计算出激发傅里叶空间即k空间能量的分布情况；由激发分辨率以及激发视野设计得到传统螺旋梯度轨迹；根据上述梯度轨迹结合k空间的能量分布情况设计螺旋梯度轨迹的压缩因子，得到压缩型螺旋梯度轨迹；根据激发目标和预扫描中射频场的分布，利用空间域的并行激发脉冲设计方法，计算出在压缩型螺旋梯度轨迹下，各个激发通道的射频脉冲波形及大小。相较于现有的螺旋梯度轨迹，本发明提出的方法可以在相近的激发效果下，降低各个发射通道的峰值射频强度，从而降低扫描对象所吸收的射频能量，即特殊吸收率(SAR)。

Description

一种降低特殊吸收率的压缩型螺旋梯度射频脉冲设计方法

技术领域

本发明属于信息处理技术领域，涉及一种降低特殊吸收率的压缩型螺旋梯度射频脉冲设计方法。

背景技术

磁共振成像(MRI)是一种非侵入式无电离辐射的成像技术，其在软组织成像中的良好对比度，使磁共振成像在临床医学领域被广泛应用。为满足临床中对小病灶的检测需求，磁共振成像技术向着高分辨率、高信噪比发展，通常使得扫描时间延长，使扫描结果对运动、磁场不均匀性等更加敏感，从而导致图像模糊，或者信号丢失，反过来引起诊断的误差，限制了临床上的应用。

局部成像技术(rFOV)是一种通过减小成像区域来降低扫描时间、运动伪影、磁敏感伪影的技术。通常在扫描感兴趣的区域小于整个扫描区域的组织成像时使用，如：心脏、肝脏、小脑等。实现方案包括：正交激励法；扫描外区域抑制法；以及多维射频脉冲激励法。相较于正交激励法和扫描外区域抑制法，多维射频脉冲激励法的局部激发区域形状不局限于矩形或者其他多边形，可以实现任意形状的激发，因此多维射频脉冲激发法是激发形状有特殊要求的应用的首选。

多维脉冲激励法利用射频脉冲与梯度场的共同作用，对激发k空间进行合理填充，达到任意形状激发的目的，射频脉冲设计中需要考虑的问题包括：射频脉冲的安全性、脉冲长度等。首先，射频脉冲的安全性一直是脉冲设计中重点考虑的问题，临床以及科学研究中通常用特殊吸收率(SAR)或者温度的改变来定量表征脉冲的安全性，SAR的使用更为频繁。在数值上，SAR正比于射频脉冲峰值能量以及主磁场强度的平方。特别是在高场中，SAR过高更可能会引起扫描被试的体表灼伤。其次，待激发区域的轮廓边界越清晰以及结构越细微，所需激发时间就越长，从而使得激发结果对主磁场的不均匀性的敏感度越大，造成实际激发边界模糊。并行激发技术可以利用多个激发线圈具有不同空间敏感性的特点，加快激发时间，比如：双通道的并行激发线圈，可以将激发时长缩短为原来的一半。并行激发技术有效缩短了射频脉冲的激发时间，但该技术的缺点在于增大了脉冲的SAR，带来了潜在的安全隐患。

常用的降低SAR的技术包括：在射频脉冲设计过程中引入射频能量或者SAR的正则约束项；变切换率的选择性激发脉冲设计(VERSE)方法；采用螺旋梯度轨迹脉冲设计方法；以及梯度射频脉冲联合设计的方法。将射频能量或者SAR引入到射频脉冲的设计正则项中，虽然一定程度上可以约束所设计脉冲的SAR值，但需在激发轮廓的准确性上做出折衷。VERSE脉冲设计的方法，根据设计出的射频脉冲的能量情况，对激发梯度轨迹进行优化调整，已达到降低SAR的目的，该技术可以定量的约束脉冲的峰值能量，但可能需要多次迭代才能达到目标。梯度以及射频脉冲联合优化的设计方法将梯度轨迹进行参数化，采用双重优化的设计方案：第一重按照初始化的射频脉冲对梯度轨迹进行优化；第二重根据优化后的梯度轨迹对射频脉冲进行优化；将优化后的射频脉冲带入第一重梯度轨迹的优化中，再次优化梯度轨迹。由于优化参数众多，需要进行大量的迭代操作，普通电脑的脉冲设计时间较长,通常达数小时，限制了其在临床中的应用。

变密度螺旋的梯度轨迹设计方法是一种仅利用梯度轨迹降低SAR的脉冲设计方法，其中梯度轨迹在激发k空间中心过采样，即同样的k空间能量分散给更多的脉冲时间，从而使得射频脉冲峰值能量降低。其射频脉冲的设计方法可以采用带正则项约束的脉冲设计方法，可适当放松对正则项的约束，使脉冲的设计轮廓更加准确。在射频脉冲设计方面，该方法实现较为简单，但没有考虑k空间能量的分布特性，例如：考虑通常方块形的激发形状，k空间能量主要集中于k空间中心及kx、ky坐标轴上。

发明内容

本发明提供了一种利用不同激发形状的k空间能量分布特性进一步降低SAR的压缩型螺旋梯度射频脉冲设计方法。

本发明采用的技术方案是：

一种降低特殊吸收率的压缩型螺旋梯度射频脉冲设计方法，其步骤如下：

(1)预扫描：在磁共振仪器扫描得到待扫描对象所在的激发射频场的空间分布；

(2)计算激发k空间能量分布：根据一定形状的目标激发轮廓直接傅里叶变换得到激发k空间能量分布；

(3)设计传统螺旋梯度轨迹：根据激发分辨率以及激发视野设计出传统的螺旋梯度轨迹K，传统螺旋梯度轨迹K在复数空间内的极坐标表示可以写成K＝re^jθ(r)，其中r为k空间轨迹上的点到k空间中心的圆心距，θ为该点对应的方向角，可以由激发视野大小以及圆心距共同定义：该螺旋梯度轨迹的定义方式，允许设计者在k空间不同位置自定义梯度轨迹密度，由随空间变化的激发视野FOV(r)控制实现；

(4)压缩型螺旋梯度轨迹：利用傅里叶空间的能量分布情况，对传统螺旋梯度轨迹进行压缩因子设计，使得k空间能量分布高的位置梯度轨迹更加密集，k空间能量分布低的位置梯度轨迹更加稀疏，与传统螺旋梯度轨迹进行逐点乘积得到压缩型螺旋梯度轨迹；其中对于压缩因子的设计，定义在复空间下的压缩因子S，极坐标表示为其中λ为压缩强度，为压缩的方向角，基于传统的螺旋梯度轨迹的参数<r,θ>，定义正弦变化压缩强度和压缩方向角如下：

λ＝0.5(1-λ₀(r))·cos(κ₁(θ+κ₂))+0.5(1+λ₀(r))，其中，λ₀(r)为根据k空间圆心距定义的压缩强度；为根据k空间圆心距定义的压缩角强度；κ₁为压缩轨迹的极化角，对于矩形的激发轮廓，k空间能量集中分布在k空间中心和两个垂直的坐标轴上，极化角取4；κ₂为压缩轨迹的旋转角度，激发轮廓旋转时k空间能量也会发生对应的旋转，通过调整κ₂使压缩轨迹的旋转与k空间的旋转匹配；λ₀(r)和的设计与FOV(r)相同，可由脉冲设计者根据需求决定，于此可以设计得到压缩强度λ和压缩方向角

(5)局部激发的并行发射射频脉冲设计：根据激发目标和步骤(1)预扫描中得到的射频场的分布情况，利用空间域的并行激发脉冲设计方法计算出在步骤(4)得到的压缩型螺旋梯度轨迹下的各个激发通道的射频脉冲波形及大小。

本发明根据目标激发轮廓傅里叶变换得到激发k空间能量分布，结合传统的螺旋梯度轨迹，设计梯度轨迹的压缩因子，使得k空间能量高的区域，梯度轨迹密度增大，从而降低射频脉冲的峰值能量，进而达到降低特殊吸收率(SAR)的目的；同时也使得k空间能量低的区域，梯度轨迹密度减少，从而缩短梯度轨迹覆盖k空间的时长，降低激发脉冲的激发时间，也可减轻射频激发结果对主磁场不均匀性的敏感度，降低磁敏感伪影。

本发明可以适用于所有采用螺旋梯度轨迹，可以应用但不局限于局部视野的成像技术、频率选择或者空间选择性的并行激发射频脉冲设计技术、采用螺旋轨迹的大角度并行激发射频脉冲设计技术等。

本发明的有益效果：对螺旋梯度引入压缩因子，降低并行激发射频脉冲的SAR值，提高磁共振扫描中人体射频的安全性。

附图说明

图1是压缩型变密度螺旋梯度轨迹的局部激发并行脉冲设计流程图。

图2是基于激发目标轮廓的梯度轨迹压缩示意图。

图3是不同旋转角κ₁和极化角κ₂的压缩轨迹示意图。

图4是压缩型变密度螺旋梯度轨迹在局部激发中的磁共振水膜示例，包括三种类型的激发轮廓，并对比了传统变密度螺旋梯度轨迹，以及自旋回波扫描序列的扫描结果。

图5是压缩型变密度螺旋梯度轨迹在人体脑部局部成像的应用示例。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

参照图1，一种降低特殊吸收率的压缩型螺旋梯度射频脉冲设计方法，其步骤如下：

(1)预扫描。采用预饱和的TurboFLASH序列，成像区域大小为250×250mm²，成像矩阵为125×125，在磁共振仪器扫描得到待扫描对象所在的射频场的空间分布。本发明中使用的实验平台为装载了2通道并行发射线圈的西门子3T Prisma磁共振扫描仪。

(2)计算激发k空间能量分布。根据一定形状的目标激发轮廓直接傅里叶变换得到激发k空间能量分布。图2a中给出了3种不同的激发形状对应的k空间能量分布示意图。图2b给出了根据k空间能量的分布情况对传统螺旋梯度轨迹进行压缩的示意图，箭头方向即为轨迹的压缩方向。示意图中显示的压缩方向并未指向k空间中心，原因在于在螺旋梯度轨迹中k空间中心通常会过采样，使得射频能量峰值并未出现在k空间中心，而是k空间中心附近位置。因此，临近k空间中心的梯度轨迹的挤压方向是向着k空间外围的。

(3)设计传统螺旋梯度轨迹。根据激发分辨率以及激发视野设计出传统的螺旋梯度轨迹。激发分辨率为0.5cm，其倒数对应于最大的激发圆心距。螺旋梯度轨迹的FOV(r)按照[25,22,16,4,2]cm的模式减小，对应圆心距的百分比分别为[0,10,30,50,100]。激发视野的大小决定了激发k空间的采样密度，上述设计的螺旋梯度轨迹根据激发k空间边缘能量分布低，中心能量分布高的特点，对k空间中心进行过采样，k空间边缘进行欠采样，即k空间中心圆心距为0，对应的螺旋梯度轨迹的视野为25cm，当轨迹由k空间中心走向k空间外围时，激发k空间的视野逐渐减少到2cm，其中缺失的点由插值的方法得到其对应的激发视野。所设计的轨迹时长为6.37ms。

(4)压缩型螺旋梯度轨迹。按照上述激发视野的设计方法，同样的对压缩强度λ₀(r)和压缩角强度进行设计。这里λ₀(r)分别取[0.5,0.6,0.7,0.9,1.3]分别对应圆心距百分比[0,30,50,70,100]，考虑到激发k空间的能量分布主要呈现轴向集中特性，对于压缩角强度统一取π/20，。对于常规的目标激发轮廓，如：方形或矩形，极化角κ₁取4；κ₂为压缩轨迹的旋转角度，通常当激发轮廓不需要旋转时κ₂取0。图3中给出了6组压缩因子的示意图。极化角和轨迹的旋转角为：(4，0)、(2，0)、(1，0)、(4，π/4)、(2，π/2)、其中以π/20随r连续等间隔变化。

(5)局部激发的并行发射射频脉冲设计。并行发射脉冲的设计采用空间域并行发射脉冲的设计算法(Grissom W et al.Magnetic resonance in medicine,2006,56(3):620-629.)，该算法中引入了脉冲能量约束的正则项，此处取L曲线的拐点作为其正则化系数，数值大小为2.6。其他的成像参数如下：所有并行激发脉冲的发射电压均固定为200V，SE参考图像的成像翻转角为90°；成像层厚为3mm；全采样图像的视野为200×200mm²，局部成像的视野大小100×100mm²；TR为200ms，TE为14ms。局部激发的目标形状分别取方形、矩形和线形，分别对应了图4中的第1、3、4行。对于水膜的实验分别利用自旋回波(SE)序列采集了3种的形状的完整视野的激发结果。对于方形的激发，我们也采集了其在局部视野下的激发结果，如图4第2行。实验中压缩型螺旋梯度脉冲结果，均与标准自旋回波图像以及传统螺旋梯度轨迹的脉冲结果作对比，结果如图4第4列。人体头部扫描时，在并行发射射频脉冲激发前，增加了脂肪抑制脉冲，以抑制头皮的脂肪信号。扫描序列的TR调整为400ms。图5给出了压缩型螺旋梯度脉冲在人体上扫描得到的完整视野采集以及局部视野采集的结果。本发明的扫描所使用的脉冲序列为SE-PTX，该序列是基于西门子IDEA序列开发平台在系统原始FLASH-PTX序列上改进得到。本发明所采用的脉冲设计算法以及图像重建均在在美国MathWork公司的MATLAB 2012b软件上完成。

与SE的全采样参考图像相比，采用传统螺旋梯度轨迹脉冲和压缩型螺旋梯度轨迹脉冲均可得到良好的非感兴趣区域的抑制效果。所有图像中压缩型螺旋梯度轨迹的激发信号强度均优于传统螺旋梯度轨迹，且在矩形目标区域的激发中尤其显著，信号强度从0.25提高到0.48，提高近一倍。对方形目标区域的激发中，压缩型螺旋梯度轨迹在激发目标的均匀性上得到了提高，如图4第2行局部视野采集的结果所示，中心区域的圆形结构信号更加均匀。

研究表明降低射频激发脉冲峰值电压可以有效的缩短SAR，图3中g和h分别表示了传统以及压缩性变密度梯度轨迹在相同激发目标情况下，所设计的RF信号强度，以及射频能量强度及其分布情况。采用压缩型螺旋梯度轨迹的射频脉冲其峰值脉冲强度从0.12高斯降低到0.06高斯。图4中所有脉冲采用同样发射电压，即传统螺旋梯度轨迹与压缩型螺旋梯度轨迹具有相同的峰值电压时，压缩型螺旋梯度轨迹的激发信号强度在三种激发目标下均强于传统螺旋梯度轨迹。

Claims (1)

1.一种降低特殊吸收率的压缩型螺旋梯度射频脉冲设计方法，其步骤如下：

(1)预扫描：在磁共振仪器扫描得到待扫描对象所在的激发射频场的空间分布；

(2)计算激发k空间能量分布：根据一定形状的目标激发轮廓直接傅里叶变换得到激发k空间能量分布；

(3)设计传统螺旋梯度轨迹：根据激发分辨率以及激发视野设计出传统的螺旋梯度轨迹K，传统螺旋梯度轨迹K在复数空间内的极坐标表示可以写成K＝re^jθ(r)，其中r为k空间轨迹上的点到k空间中心的圆心距，θ为该点对应的方向角，可以由激发视野大小以及圆心距共同定义：

(4)压缩型螺旋梯度轨迹：利用傅里叶空间的能量分布情况，对传统螺旋梯度轨迹进行压缩因子设计，使得k空间能量分布高的位置梯度轨迹更加密集，k空间能量分布低的位置梯度轨迹更加稀疏，与传统螺旋梯度轨迹进行逐点乘积得到压缩型螺旋梯度轨迹；其中对于压缩因子的设计，定义在复空间下的压缩因子S，极坐标表示为其中λ为压缩强度，为压缩的方向角，基于传统的螺旋梯度轨迹的参数<r,θ>，定义正弦变化压缩强度和压缩方向角如下：

其中，λ₀(r)为根据k空间圆心距定义的压缩强度；为根据k空间圆心距定义的压缩角强度；κ₁为压缩轨迹的极化角，对于矩形的激发轮廓，k空间能量集中分布在k空间中心和两个垂直的坐标轴上，极化角取4；κ₂为压缩轨迹的旋转角度，激发轮廓旋转时k空间能量也会发生对应的旋转，通过调整κ₂使压缩轨迹的旋转与k空间的旋转匹配；

(5)局部激发的并行发射射频脉冲设计：根据激发目标和步骤(1)预扫描中得到的激发射频场的空间分布情况，利用空间域的并行激发脉冲设计方法计算出在步骤(4)得到的压缩型螺旋梯度轨迹下的各个激发通道的射频脉冲波形及大小。