CN108303665A - 一种磁共振成像系统涡流补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磁共振成像系统涡流补偿方法，属于磁共振成像技术领域，包括以下步骤：步骤a、磁共振谱仪根据扫描序列参数产生梯度磁场的波形并输出到梯度放大器，驱动磁共振扫描仪工作，并由磁共振谱仪采集磁共振数据；步骤b、根据扫描序列参数和涡流补偿参数，进行梯度轨迹校正，即计算出受涡流影响后的梯度磁场随时间变化的波形，进而得到校正后的K空间轨迹；步骤c、将步骤a采集到的磁共振数据按照步骤b得到的校正后的K空间轨迹进行网格化重建或者利用非均匀傅里叶变换重建出磁共振图像。本发明基于软件进行涡流补偿，避免了硬件投入，提高了成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，尤其涉及一种磁共振成像系统涡流补偿方法。
背景技术
在磁共振成像过程中，梯度磁场与主磁场及射频磁场共同组成磁共振成像的三大要素。梯度磁场由梯度线圈产生，梯度线圈中的电流随时间快速切换，会在周围导体结构中产生涡流，涡流会产生一个空间和时间上都不断变化的磁场，使成像区域内的梯度场发生畸变，进而影响成像质量，如图1所示，图中实线为理想梯度磁场波形，虚线为受涡流影响的波形(横轴为时间，纵轴为梯度磁场强度)。因此需要对脉冲序列发出的梯度波形进行校正，使得实际产生的梯度场接近于理想的波形，该过程称为“涡流补偿”。
传统的涡流补偿方法通过梯度预加重(Gradient Pre-emphasis)，即依据涡流的数学物理模型，预先加大梯度磁场驱动输入，使得实际产生的梯度磁场逼近期望值，如图2所示，图中虚线为输入梯度波形即梯度预加重后的波形，实线为实际产生的梯度磁场波形(横轴为时间，纵轴为梯度磁场强度)。
基于梯度预加重涡流补偿技术的磁共振成像系统如图3所示，在系统安装校正阶段，根据涡流的数学物理模型测出涡流补偿参数并设置到磁共振扫描工作站；在进行磁共振扫描时，磁共振谱仪根据扫描序列参数产生梯度磁场的波形，该波形通过磁共振谱仪中的梯度预加重模块进行梯度预加重，并输出到梯度放大器，驱动磁共振扫描仪工作，采集到的磁共振信号可直接重建出图像。
但是，这种传统的涡流补偿方案，主要存在以下几方面问题。第一、磁共振谱仪中需要增加梯度预加重模块，增加了磁共振谱仪设计复杂度和硬件成本；第二、梯度预加重使得实际驱动电流增加，需要牺牲5％～10％的性能来保证预加重后的梯度电流不超过梯度放大器的工作区间；第三、梯度预加重模块有数字补偿和模拟补偿两种方案，受系统实时性以及硬件规模的限制，梯度预加重的指数项数目有限，一般商业磁共振系统仅支持4～8个指数项用于涡流补偿；第四，磁共振系统中由梯度放大器，滤波器，梯度线圈等组成的梯度系统，其频率响应带宽有限，一般为5～10KHz，对于超短时涡流，例如时间常数小于0.1ms的涡流，其频率响应会大于10KHz，梯度系统不能很好的响应这种超短时涡流的梯度预加重，使得涡流补偿达不到预期效果。
发明内容
本发明旨在提供一种磁共振成像系统涡流补偿方法，用于解决现有的涡流补偿方式硬件成本高、降低系统性能、使用限制大、响应频段窄的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种磁共振成像系统涡流补偿方法，包括以下步骤：
步骤a、磁共振谱仪根据扫描序列参数产生梯度磁场的波形并输出到梯度放大器，驱动磁共振扫描仪工作，并由磁共振谱仪采集磁共振数据；
步骤b、根据理想梯度波形和涡流补偿参数进行梯度轨迹校正，即计算出受涡流影响后的梯度磁场随时间变化的波形，进而得到校正后的K空间轨迹；
步骤c、将步骤a采集到的磁共振数据按照步骤b得到的校正后的K空间轨迹进行网格化重建或者利用非均匀傅里叶变换重建出磁共振图像。
进一步的，在步骤b中，包括以下步骤：
步骤b1、根据理想梯度波形和涡流的物理数学模型计算出校正后的物理梯度波形，即X、Y、Z轴受涡流影响后的实际梯度波形；
步骤b2、将校正后的物理梯度波形从物理轴映射到逻辑轴，得到校正后的逻辑梯度波形；
步骤b3、根据校正后的逻辑梯度波形，得出校正后的K空间轨迹。
进一步的，在步骤b1中，X轴受涡流影响后的实际波形计算公式如下：
其中GX(t)、GY(t)、GZ(t)分别为X轴、Y轴、Z轴的理想波形，G′X(t)为X轴受涡流影响的实际波形，为第i个时间常数对应的自相关涡流补偿卷积核函数，和为第i个交叉项涡流补偿卷积核函数，即Y轴和Z轴对X轴的影响，卷积核函数表示为如下形式：
其中，和分别为系统校正阶段测量到的第i项涡流补偿参数，即根据涡流物理数学模型得到的补偿增益和时间常数，
上述公式计算出了X轴受涡流影响后的实际梯度波形，按照相同原理，分别计算出Y轴和Z轴受涡流影响后的实际梯度波形G′Y(t)和G′Z(t)，即得到了校正后的物理轴梯度波形。
进一步的，在步骤b2中，映射关系如下：
其中，R为旋转矩阵，即由切片层面所在坐标系转换到物理坐标系的变换矩阵，R-1为旋转矩阵的逆矩阵，GR(t)、GP(t)、GS(t)分别对应逻辑坐标系中的频率编码方向校正后的逻辑梯度波形、相位编码方向校正后的逻辑梯度波形、层面选择方向校正后的逻辑梯度波形。
进一步的，在步骤b3中，对于第n步相位编码，其在相位编码方向的K空间坐标按下式计算：
其中，γ为氢核的磁旋比，GP(t，n)为第n步相位编码校正后的梯度波形，te xcite表示射频激发时刻，techc表示采集到回波信号中心时刻；
频率编码方向的K空间坐标按下式计算：
其中，tm表示采集回波信号中第m个数据点时对应的时刻。
优选的，所述涡流补偿参数是根据涡流的数学物理模型测出。
优选的，所述理想梯度波形由磁共振扫描序列参数得到。
本发明相对于现有技术，有效降低了硬件成本，提高了系统性能，操作简便，成像效果好。
附图说明
图1为梯度磁场波形受涡流影响示意图；
图2为梯度预加重后梯度磁场波形受涡流影响示意图；
图3为基于梯度预加重涡流补偿技术的磁共振成像系统示意图；
图4为本发明涡流补偿方法磁共振成像系统示意图；
图5为本发明K空间轨迹校正及成像流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图4、图5所示，一种磁共振成像系统涡流补偿方法，包括以下步骤：
步骤a、磁共振谱仪根据扫描序列参数产生梯度磁场的波形并输出到梯度放大器，驱动磁共振扫描仪工作，并由磁共振谱仪采集磁共振数据；
步骤b、根据理想梯度波形和涡流补偿参数进行梯度轨迹校正，即计算出受涡流影响后的梯度磁场随时间变化的波形，进而得到校正后的K空间轨迹；
步骤c、将步骤a采集到的磁共振数据按照步骤b得到的校正后的K空间轨迹利于傅里叶变换重新网格化到笛卡尔坐标系中，或者利用非均匀傅里叶变换重建出磁共振图像。
所述涡流补偿参数是根据涡流的数学物理模型测出。
所述理想梯度波形由磁共振扫描序列参数得到。
在步骤b中，还包括以下步骤：
步骤b1、根据X轴、Y轴、Z轴(分别对应三个梯度线圈)的理想梯度波形和涡流补偿参数分别计算出X、Y、Z轴受涡流影响后的实际梯度波形，即可得到校正后的物理梯度波形；
步骤b2、将校正后的物理梯度波形从物理轴映射到逻辑轴，得到校正后的逻辑梯度波形；
步骤b3、根据校正后的逻辑梯度波形，得出校正后的K空间轨迹。
在步骤b1中，X轴受涡流影响后的实际波形计算公式如下：
其中GX(t)、GY(t)、GZ(t)分别为X轴、Y轴、Z轴的理想波形，G′X(t)为X轴受涡流影响的实际波形，为第i个时间常数对应的自相关涡流补偿卷积核函数，和为第i个交叉项涡流补偿卷积核函数，即Y轴和Z轴对X轴的影响，卷积核函数表示为如下形式：
其中，和分别为系统校正阶段测量到的第i项涡流补偿参数，即根据涡流物理数学模型得到的补偿增益和时间常数，
上述公式计算出了X轴受涡流影响后的实际梯度波形，按照相同原理，分别计算出Y轴和Z轴受涡流影响后的实际梯度波形G′Y(t)和G′z(t)，即得到了校正后的物理轴梯度波形。
在步骤b2中，映射关系如下：
其中，R为旋转矩阵，即由切片层面所在坐标系转换到物理坐标系的变换矩阵，R-1为旋转矩阵的逆矩阵，GR(t)、GP(t)、GS(t)分别对应逻辑坐标系中的频率编码方向校正后的逻辑梯度波形、相位编码方向校正后的逻辑梯度波形、层面选择方向校正后的逻辑梯度波形。
在步骤b3中，对于第n步相位编码，其在相位编码方向的K空间坐标按下式计算：
其中，γ为氢核的磁旋比，Gp(t，n)为第n步相位编码校正后的梯度波形，te xcite表示射频激发时刻，techc表示采集到回波信号中心时刻；
频率编码方向的K空间坐标按下式计算：
其中，tm表示采集回波信号中第m个数据点时对应的时刻。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种磁共振成像系统涡流补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤a、磁共振谱仪根据扫描序列参数产生梯度磁场的波形并输出到梯度放大器，驱动磁共振扫描仪工作，并由磁共振谱仪采集磁共振数据；
步骤b、根据理想梯度波形和涡流补偿参数进行梯度轨迹校正，即计算出受涡流影响后的梯度磁场随时间变化的波形，进而得到校正后的K空间轨迹；
步骤c、将步骤a采集到的磁共振数据按照步骤b得到的校正后的K空间轨迹进行网格化重建或者利用非均匀傅里叶变换重建出磁共振图像。
2.根据权利要求1所述的磁共振成像系统涡流补偿方法，其特征在于：在步骤b中，包括以下步骤：
步骤b1、根据理想梯度波形和涡流补偿参数计算出校正后的物理梯度波形；
步骤b2、将校正后的物理梯度波形从物理轴映射到逻辑轴，得到校正后的逻辑梯度波形；
步骤b3、根据校正后的逻辑梯度波形，得出校正后的K空间轨迹。
3.根据权利要求2所述的磁共振成像系统涡流补偿方法，其特征在于：在步骤b1中，X轴受涡流影响后的实际波形计算公式如下：
其中GX(t)、GY(t)、GZ(t)分别为X轴、Y轴、Z轴的理想波形，G′X(t)为X轴受涡流影响的实际波形，为第i个时间常数对应的自相关涡流补偿卷积核函数，和为第i个交叉项涡流补偿卷积核函数，即Y轴和Z轴对X轴的影响，卷积核函数表示为如下形式：
其中，和分别为系统校正阶段测量到的第i项涡流补偿参数，即根据涡流物理数学模型得到的补偿增益和时间常数，
上述公式计算出了X轴受涡流影响后的实际梯度波形，按照相同原理，分别计算出Y轴和Z轴受涡流影响后的实际梯度波形G′Y(t)和G′z(t)，即得到了校正后的物理轴梯度波形。
4.根据权利要求3所述的磁共振成像系统涡流补偿方法，其特征在于：在步骤b2中，映射关系如下：
其中，R为旋转矩阵，即由切片层面所在坐标系转换到物理坐标系的变换矩阵，R-1为旋转矩阵的逆矩阵，GR(t)、GP(t)、GS(t)分别对应逻辑坐标系中的频率编码方向校正后的逻辑梯度波形、相位编码方向校正后的逻辑梯度波形、层面选择方向校正后的逻辑梯度波形。
5.根据权利要求4所述的磁共振成像系统涡流补偿方法，其特征在于：在步骤b3中，对于第n步相位编码，其在相位编码方向的K空间坐标按下式计算：
其中，γ为氢核的磁旋比，GP(t，n)为第n步相位编码校正后的梯度波形，texcite表示射频激发时刻，techc表示采集到回波信号中心时刻；
频率编码方向的K空间坐标按下式计算：
其中，tm表示采集回波信号中第m个数据点时对应的时刻。
6.根据权利要求1或2所述的磁共振成像系统涡流补偿方法，其特征在于：所述涡流补偿参数是根据涡流的数学物理模型测出。
7.根据权利要求1或2所述的磁共振成像系统涡流补偿方法，其特征在于：所述理想梯度波形由磁共振扫描序列参数得到。
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