CN108272452A - 一种磁共振偏中心成像二阶匀场方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁共振偏中心成像二阶匀场方法，包括：1.3D双回波梯度回波数据采集及重建；2.定量计算三维B0场图；3.测量一阶匀场输出刻度；4.测量二阶匀场输出刻度；5.自动匀场计算；6.偏磁体中心的一阶匀场修正；7.匀场输出，通过步骤5和6最终计算得到的各匀场分量数值，并利用步骤3和4中得到的刻度值转换为匀场功放的输出值，实现偏磁体中心的二阶匀场。本发明消除或减小了来自于图像中有磁共振中心频率的误差、化学位移的影响、部分容积效应、图像上距离与物体实际距离的误差，匀场功率放大器输出的误差等原因造成的匀场效果不准确；有效地消除或减小了离磁体中心较远位置所受到的二阶以上的高阶不均匀项引起的误差。

Description

一种磁共振偏中心成像二阶匀场方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像领域，尤其涉及一种磁共振偏中心成像二阶匀场方法。

背景技术

磁共振成像具有无损伤、软组织对比度高、任意方向断层等特点，目前已广泛用于医学临床诊断。而磁共振成像中主磁场的均匀性是影响成像质量最重要的因素之一。这在对磁场均匀性要求较高的磁共振成像序列和应用中尤为重要，比如脂肪抑制，成像波谱，EPI成像等。目前磁共振成像中的最常用的自动匀场技术包括有FID匀场、STEAM交互式匀场、3D B0场图匀场和FASTMAP匀场等。

其中FID匀场方法是通过实时采集自由感应衰减(FID)信号并观测频谱水峰谱宽，并且实时调节匀场梯度值使其频谱达到最优化来判定达到匀场效果的方法，该方法的优点是原理简便，效果稳定；但由于其过程是个实时迭代过程，所以耗时较长，而且精确性不足，难以实现二阶或二阶以上的高阶匀场。

而STEAM交互式匀场方法的基本物理原理与FID匀场原理一样，而不同在于STEAM可以采集所选的局部范围内的磁共振信号，不过该方法需要用户手动介入匀场，耗时较长，而且同样难以实现高阶匀场。

3D B0场图匀场的方法是通过采集双回波的梯度回波成像，利用前后两个回波之间的相位差计算主磁场场图，然后利用勒让德多项式的二阶近似形式对主磁场球谐函数进行广义线性拟合，计算得到主磁场不均匀性一阶项和二阶项的分量值，并让匀场线圈产生相应磁场对主磁场的不均匀性进行校正。

FASTMAP匀场方法的原理本质上与3D B0场图匀场方法一致，不同之处在于FASTMAP只采集若干投影平面的场图而不是整个3D空间的场图，以便提高匀场速度效率，该方法其实是在3D B0场图方法上匀场效果和匀场时间这两方面之间的寻求一个平衡优化的方法。

3D B0场图自动匀场的方法是目前商业磁共振成像仪器上所用的最广泛效率最高的方法之一。但是目前该方法在匀场过程中会在一下两个方面产生较大的误差：

第一，在匀场电流数值刻度标定上的误差。目前几乎所有商业化的磁共振成像仪器上的匀场系统对匀场电流数值的刻度标定往往只是考虑并测量实际电流输出(mA)和模数转换器DAC之间的刻度关系，然后再利用匀场线圈固有的电流和实际梯度磁场输出之间的转换关系，将计算B0场图得到的匀场值交由匀场线圈进行输出。然而在实际中，图像上所代表的磁场强度值和梯度线圈实际输出的磁场之间必定会存在一定的误差，该误差主要来自有：磁共振中心频率的误差、化学位移的影响、部分容积效应、图像上距离与物体实际距离的误差，匀场功率放大器输出的误差等等，这些都会使最终匀场线圈输出的磁场与B0场图上计算得到的值之间不一致。

第二，偏离磁体中心位移产生的误差。在磁共振成像中在很多情况下成像中心并不在磁体中心。而目前商业化的磁共振成像仪器上的匀场系统中，一般都将匀场区域的中心固定设置在磁体中心上，即磁场球谐函数的原点在磁体中心。但是当有时成像FOV范围较大时而且又需要对局部解剖位置进行成像时(如头颈联合，胸腹联合成像)，如果将匀场中心固定在磁体中心，那么离磁体中心较远的解剖位置区域必然会很大程度地受到磁场不均匀性中高阶项(二阶以上)影响而使得匀场效果受到很大的局限。因此将匀场区域中心与成像区域中心一致可以显著地改善局部区域的匀场效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种磁共振偏中心成像二阶匀场方法，以解决现有技术中的不足。

为了达到上述目的，本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

提供一种磁共振偏中心成像二阶匀场方法，包括如下步骤：

1)利用磁共振三维双梯度回波采集水模数据，计算三维模图和回波相位差图并作多通道组合，以第一个回波模图上最大信号的10％作为mask阈值分离图像中的水模和背景；

2)利用三维最优路径去相位折叠算法将步骤1)中得到的回波相位差图进行去折叠，然后定量计算三维B0场图；

3)在不改变二阶匀场功放各分量数值情况下，改变一阶匀场功放的电流输出数值采集若干份(不少于6份)3D B0场图并计算一阶匀场项磁场梯度大小，并通过线性回归得到各一阶匀场功放输出数值与图像上的一阶匀场梯度之间的精确转换的刻度关系；

4)在不改变一阶匀场功放各分量数值情况下，改变二阶匀场功放的电流输出数值采集若干份3D B0场图并计算二阶匀场项磁场梯度大小，并通过线性回归得到各二阶匀场功放输出数值与图像上的二阶匀场梯度之间的精确转换的刻度关系；

5)将步骤3)和4)中得到的各个匀场刻度值保存在成像系统中，在具体匀场应用过程中，建立以成像感兴趣区域中心为原点的球谐函数模型对得到的三维B0定量场图进行拟合，计算得到磁场不均匀的一阶和二阶分量；

6)根据偏离磁体中心的位移和将要补偿的磁场不均匀二阶分量值的大小以及将会额外引起的一阶不均匀项之间的线性关系，再对一阶项进行计算修正；

7)将最终计算得到的各匀场分量数值，利用步骤3)和4)中得到的刻度值转换为匀场功放的输出值，实现偏磁体中心的二阶匀场。

上述磁共振偏中心成像二阶匀场方法，其中，在步骤3)中，改变一阶匀场功放的电流输出数值采集3D B0场图并计算一阶匀场项磁场梯度大小的份数为不少于6份。

与已有技术相比，本发明的有益效果在于：

第一，通过对匀场功放电流输出的数字值与计算B0场图得到的磁场不均匀分量值之间的转换刻度地精确测量，消除或减小了来自于图像中有磁共振中心频率的误差、化学位移的影响、部分容积效应、图像上距离与物体实际距离的误差，匀场功率放大器输出的误差等原因造成的匀场效果不准确；第二，将匀场区域中心设置为成像区域中心，建立偏磁体中心的球谐函数计算匀场值，有效地消除或减小了离磁体中心较远位置所受到的二阶以上的高阶不均匀项引起的误差。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

附图1是实施例中测量一阶匀场输出刻度的线性回归图；

附图2是实施例中测量二阶匀场输出刻度的线性回归图；

附图3是实施例中对水模偏磁体中心二阶匀场的场图比较：a)匀场前水模的场图；b)不做偏磁体中心一阶修正的匀场后的场图；c)做偏磁体中心一阶修正的匀场后的场图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参考图1、图2和图3所示，本发明在传统的3D B0场图自动匀场的方法的基础上进行改进，提出了一种对偏磁体中心区域进行自动快速准确的二阶匀场的方法。本方法通过对消除匀场功放电流输出的数字值与图像上计算得到的磁场不均匀项之间的转换关系的精确测量，消除了来自于图像中有磁共振中心频率的误差、化学位移的影响、部分容积效应、图像上距离与物体实际距离的误差，匀场功率放大器输出的误差等原因造成的匀场效果不准确；为了消除或减小主磁场中二阶以上高阶不均匀分量对偏离磁体中心较远的区域的误差，通过使匀场区域中心偏离磁体中心并与成像区域中心一致，建立偏离磁体中心的球谐函数对三维场图进行拟合计算，当匀场区域中心与磁体中心有位移偏离时，当改变二阶线圈中电流对磁场不均匀二阶项进行补偿校正时会产生额外的一阶项的磁场梯度，从而导致最终匀场不准确。根据偏离磁体中心的位移和额外产生的一阶不均匀项的线性关系，再对一阶项进行计算修正，最终能准确实现偏磁体中心的二阶匀场。

以下实例分步介绍本发明方法的具体实现过程：本实施例采集的磁共振图像数据为水模双回波梯度回波序列，本匀场方法实现于1.5T超导高场磁共振成像仪器。

(1)3D双回波梯度回波数据采集及重建

首先利用磁共振三维双梯度回波采集水模数据，两个回波时间分别为TE1＝4.5ms,TE2＝9.0ms,回波间隔设置为4.5ms的目的是为了能使水和脂肪的相位保持一致(In-phase)。分别计算三维模图和回波相位差图并作多通道组合。多通道组合的目的是为了消除采集线圈的不均匀性以及提高图像信噪比。最后以第一个回波模图上最大信号的10％作为mask阈值分离图像中的水模和背景。

以上公式[1]为多通道的模图组合公式，其中Mag_combo表示组合后的信号模值，N表示总的通道数，Rj和Ij分别表示第j个通道采集得到的实部和虚部信号值。Phase_combo表示组合后的回波间相位差值；Rj1和Ij1分别表示第j个通道采集第一个回波得到的实部和虚部信号值，Rj2和Ij2分别表示第j个通道采集第二个回波得到的实部和虚部信号值。

(2)定量计算三维B0场图

利用三维最优路径去相位折叠(Phase unwrap)算法将步骤1)中得到的回波相位差图进行去折叠，然后利用公式[3]定量计算三维B0场图。

ΔB₀＝ΔPhase/γ(TE₂-TE₁) [3]

其中ΔB₀表示磁场强度，ΔPhase表示两个回波间的相位差，γ表示旋磁比(106·rad·s-1·T-1)，TE1和TE2分别表示第一和第二个回波时间。

(3)测量一阶匀场输出刻度

保持当前二阶匀场功放各分量输出数值不变，改变一阶匀场功放三路分量(X、Y和Z)的电流输出数值(数字值)，分别为：0、50、100、150、200、250、300和350。采集7份三维B0场图，并以水模为中心，120cm直径的球范围做采样拟合计算一阶磁场不均匀分量。具体实际测量值见表一，然后通过线性回归得到各一阶匀场功放输出数值与图像上的一阶匀场梯度之间的精确转换的刻度关系，见附图1。最后精确测得X，Y，Z的匀场功放输出的刻度值分别为：0.307、-0.3014和-0.3105(μT/m)。本实施例中在进行一阶匀场输出刻度测量时，每次都同时改变一阶匀场功放输出的3个分量值，这样做的目的为了节省时间，提高测量效率。其效果和单独测量单路匀场输出刻度是等效的。

(4)测量二阶匀场输出刻度

保持当前一阶匀场功放各分量输出数值不变，改变二阶匀场功放五路分量(Z2、ZX、ZY、X2-Y2和XY)的电流输出数值，分别为:-10000、-6000、-2000、+2000、+6000和+10000。采集6份三维B0场图，并以水模为中心，200cm直径的球范围做采样拟合计算一阶磁场不均匀分量。具体实际测量值见表二，然后通过线性回归得到各二阶匀场功放输出数值与图像上的二阶匀场梯度之间的精确转换的刻度关系，见附图2。最后精确测得Z2、ZX、ZY、X2-Y2和XY的匀场功放输出的刻度值分别为：-0.041、0.0824、-0.0814、-0.0749和0.145(μT/m2)。本实施例中在进行二阶匀场输出刻度测量时，每次都同时改变二阶匀场功放输出的5个分量值，这样做的目的为了节省时间，提高测量效率。其效果和单独测量单路匀场输出刻度是等效的。

(5)自动匀场计算

将以上步骤(3)和(4)中测得的各路匀场功放输出刻度值保存在系统中，除非系统有很大程度的变更，否则不需要对这些值重新进行测量及更改。在具体匀场应用过程中，对得到的三维B0定量场图建立以成像感兴趣区域中心(偏离磁体中心)为原点的球谐函数模型，对利用SVD算法拟合计算磁场不均匀的一阶和二阶分量。得到X、Y、Z、Z2、ZX、ZY、X2-Y2和XY各分量值，记为SX、SY、SZ、SZ2、SZX、SZY、SX2-Y2和SXY。

(6)偏磁体中心的一阶匀场修正

假设成像区域中心偏离磁体中心的位移为(X0,Y0,Z0)，那么当施加二阶匀场梯度时会对该成像区域产生一阶的磁场梯度，如果不加以校正会产生很大的匀场误差。所以通过建立公式[4]用以计算该偏中心区域中额外产生的一阶磁场梯度，并对步骤(5)中的一阶匀场结果加以修正，是得最终达到精确地匀场效果。

其中ξX，ξY和ξZ分别表示施加二阶匀场梯度时额外产生的一阶磁场不均匀项。本实施例中，水模成像中心偏离磁体中心位移为X0＝30.25mm,Y0＝3.59mm，Z0＝30.25mm。计算出的修正前的匀场各分量值为SX＝-7.7，SY＝-21.2，SZ＝-10.8，单位:μT/m；SZ2＝412.3、SZX＝21.5、SZY＝-81.4、SX2-Y2＝18.5和SXY＝-33.7,单位:μT/m2；利用公式[4]计算得到的一阶匀场修正值为ξX＝16.0，ξY＝-1.6和ξZ＝22.8，单位:μT/m。统计结果为：以匀场区域20cm范围统计B0场的均方差(RMS)，匀场前为63.7Hz(1.00ppm)，匀场后不做偏磁体中心一阶修正的均方差值为56.3Hz(0.88ppm)，匀场后做过偏磁体中心一阶修正的均方差值为11.3Hz(0.17ppm)。附图3列举比较了a)匀场前、b)不做偏磁体中心一阶修正的场后和c)做偏磁体中心一阶修正匀场后水模的场图。

(7)匀场输出

通过步骤5)和6)最终计算得到的各匀场分量数值，并利用步骤3)和4)中得到的刻度值转换为匀场功放的输出值，实现偏磁体中心的二阶匀场。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但本发明并不限制于以上描述的具体实施例，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (2)

1.一种磁共振偏中心成像二阶匀场方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用磁共振三维双梯度回波采集水模数据，计算三维模图和回波相位差图并作多通道组合，以第一个回波模图上最大信号的10％作为mask阈值分离图像中的水模和背景；

2)利用三维最优路径去相位折叠算法将步骤1)中得到的回波相位差图进行去折叠，然后定量计算三维B0场图；

3)在不改变二阶匀场功放各分量数值情况下，改变一阶匀场功放的电流输出数值采集若干份(不少于6份)3D B0场图并计算一阶匀场项磁场梯度大小，并通过线性回归得到各一阶匀场功放输出数值与图像上的一阶匀场梯度之间的精确转换的刻度关系；

4)在不改变一阶匀场功放各分量数值情况下，改变二阶匀场功放的电流输出数值采集若干份3D B0场图并计算二阶匀场项磁场梯度大小，并通过线性回归得到各二阶匀场功放输出数值与图像上的二阶匀场梯度之间的精确转换的刻度关系；

5)将步骤3)和4)中得到的各个匀场刻度值保存在成像系统中，在具体匀场应用过程中，建立以成像感兴趣区域中心为原点的球谐函数模型对得到的三维B0定量场图进行拟合，计算得到磁场不均匀的一阶和二阶分量；

6)根据偏离磁体中心的位移和将要补偿的磁场不均匀二阶分量值的大小以及将会额外引起的一阶不均匀项之间的线性关系，再对一阶项进行计算修正；

7)将最终计算得到的各匀场分量数值，利用步骤3)和4)中得到的刻度值转换为匀场功放的输出值，实现偏磁体中心的二阶匀场。

2.如权利要求1所述磁共振偏中心成像二阶匀场方法，其特征在于，在步骤3)中，改变一阶匀场功放的电流输出数值采集3D B0场图并计算一阶匀场项磁场梯度大小的份数为不少于6份。