CN108387856A - 一种磁共振中心频率和射频功率校正扫描序列及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种磁共振中心频率和射频功率校正扫描序列及方法，属于磁共振成像技术领域，在现有的用于90度翻转角校正的经典三脉冲序列的基础上，增加了一个大于原恒定梯度场的第二梯度场，使得在第二梯度场作用下能够采集到被回聚的第二自旋回波信号；在新的梯度场下依次获取第一自旋回波信号、受激回波信号、被回聚的第二自旋回波信号的后半个回波，根据第一自旋回波信号和受激回波信号获取校正后的射频功率；根据被回聚的第二自旋回波信号的后半个回波获取校正后的中心频率。本发明提供的技术方案，能够在进行射频功率校正的同时，实现中心频率的校正，从而大大缩短预扫描校正时间。

Description

一种磁共振中心频率和射频功率校正扫描序列及方法
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中心频率和射频功率校正扫描序列及方法。
背景技术
磁共振成像技术是利用氢质子的核磁共振现象进行成像的一种技术。人体内包含单数质子的原子核，例如广泛存在的氢原子核，其质子具有自旋运动。带电原子核的自旋运动，在物理上类似于单独的小磁体，而且在没有外部条件影响下这些小磁体的方向性分布是随机的。当人体置于外部磁场中时，这些小磁体将按照外部磁场的磁力线重新排列，具体为在平行于或反平行于外在磁场磁力线的两个方向排列，将上述平行于外在磁场磁力线的方向称为正纵向轴，将上述反平行于外在磁场磁力线的方向称为负纵向轴，原子核只具有纵向磁化分量，该纵向磁化分量既具有方向又具有幅度。
用特定频率的射频(Radio Frequency，RF)脉冲激发处于外在磁场中的原子核，使这些原子核的自旋轴偏离正纵向轴或负纵向轴，产生共振，这就是磁共振现象。上述被激发原子核的自旋轴偏离正纵向轴或负纵向轴之后，原子核具有了横向磁化分量。停止发射射频脉冲后，被激发的原子核发射回波信号，将吸收的能量逐步以电磁波的形式释放出来，其相位和能级都恢复到激发前的状态，将原子核发射的回波信号经过空间编码等进一步处理即可重建图像。
在每次磁共振扫描开始之前，需要进行系统校正，确保系统工作在最佳状态。其中，中心频率校正和射频功率校正是必须的校正步骤。
在人体不同组织中，氢质子的拉莫尔频率略有不同，例如在1.5T磁场中，水和脂肪中的氢质子的拉莫尔频率大约相差225Hz；另一方面，人体不同组织的磁化率存在差异，当人体进入磁体中心后，会改变磁场分布，也会导致拉莫尔频率发生微小改变。温度改变也会导致拉莫尔频率改变。因此，对于不同的时间、不同的病人、同一病人不同的扫描部位，拉莫尔频率都可能发生改变，需要在磁共振扫描前重新调整发射机的射频频率，以确保磁共振信号激励在最佳的拉莫尔频率，该过程称作中心频率校正。
人体体型差异、人体组织介电常数差异、人体与空气的介电常数差异等多种因素，使得不同的病人、不同的扫描部位，需要用不同的射频能量，才能将氢质子激发到指定的状态。因此，在扫描前需要重新调整发射机的射频能量，确保将扫描部位的氢质子激发到指定的状态，该过程称为射频功率校正或翻转角校正。
在现有的中心频率校正过程中，用于采集磁共振信号的扫描序列主要有两种。第一种采用FID(Free Induction Decay)序列，该序列不需要梯度磁场进行编码，适用于较大范围中心频率查找，但不能进行空间选择，中心频率校正精度较低。第二种序列基于自旋回波序列，可以进行一定的空间选择，但信噪比较高，其将采集到的磁共振信号进行傅里叶变换得到频谱，通过计算水峰信号与零频率基线的偏差调整中心频率。
在现有的射频功率校正过程中，用于采集磁共振信号的扫描序列大多采用经典的3脉冲序列，根据3个脉冲翻转角的不同，又分为(α-α-α)型和(α-β-β)型。(α-α-α)型用于校正90度脉冲的射频功率，如图1所示。(α-β-β)用于校正180度脉冲的射频功率。只要校正出90度或180度脉冲中的任意一个，其他任意翻转角的脉冲可通过线性关系计算得到。
由此可见，在现有技术中，中心频率校正和射频功率校正是两个独立的步骤，采用了独立的扫描序列和独立的数据采集过程。由于磁共振信号被激发后需要一定的弛豫时间进行恢复，因此要求较长的TR(Repetition Time,重复时间)来恢复信号，使得整个校正过程时间较长。
发明内容
本发明旨在提供一种磁共振中心频率和射频功率校正扫描序列及方法，能够在进行射频功率校正的同时，实现中心频率的校正，从而大大缩短预扫描校正时间。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种磁共振中心频率和射频功率校正扫描序列，包括：三个射频脉冲，第一梯度场；所述三个射频脉冲包括：第一射频脉冲，第二射频脉冲，第三射频脉冲；所述三个射频脉冲具有相同的发射功率；所述第一射频脉冲与第二射频脉冲之间的时间间隔为TE/2，所述第二射频脉冲和第三射频脉冲之间的时间间隔为TM，TM>TE/2，其中，TE为回波时间；所述第一梯度场为恒定的梯度场，加载于Z轴方向；在所述第一梯度场下能够依次采集到第一自旋回波信号和受激回波信号；所述第一梯度场起始于所述第一射频脉冲开始时或第一射频脉冲开始前，第一梯度场终止于所述受激回波信号采集完成时；还包括：第二梯度场；所述第二梯度场加载于Z轴方向；所述第二梯度场大于所述第一梯度场；在所述第二梯度场作用下能够采集到被回聚的第二自旋回波信号；所述第二梯度场起始于所述受激回波信号采集完成时，第二梯度场的终止处满足以下公式：
BA＝BB
其中，BA为所述第二射频脉冲后TE/2处到第三射频脉冲中点的梯度面积，BB为所述第三射频脉冲中点到所述第二梯度场的终止处的梯度面积。
优选地，所述第二射频脉冲和第三射频脉冲之间的时间间隔，大于或等于第一射频脉冲和第二射频脉冲之间的时间间隔的3倍。
一种磁共振中心频率和射频功率校正方法，包括：
步骤101，根据预设的发射功率序列设置射频脉冲的发射功率；
步骤102，使用权利要求1或2所述的磁共振中心频率和射频功率校正扫描序列采集数据，依次获取第一自旋回波信号、受激回波信号、被回聚的第二自旋回波信号的后半个回波；其中，所述第一自旋回波信号的采样窗口中心位于所述第二射频脉冲的后TE/2处；所述受激回波信号的采样窗口中心位于所述第三射频脉冲的后TE/2处；所述被回聚的第二自旋回波信号的采样窗口起点位于所述第三射频脉冲后TM-TE/2处；
步骤103，根据所述第一自旋回波信号和受激回波信号，计算出所述发射功率对应的翻转角；根据所述被回聚的第二自旋回波信号的后半个回波，计算出中心频率；
重复步骤101～步骤103，直到预定的扫描周期结束，获取翻转角序列和中心频率序列；
步骤104，根据所述预设的发射功率序列和所述翻转角序列，获取校正后的射频功率；根据所述中心频率序列获取校正后的中心频率。
优选地，所述根据所述第一自旋回波信号和受激回波信号，计算出所述发射功率对应的翻转角的方法为：
其中，S1为所述第一自旋回波信号，S2为所述受激回波信号。
优选地，所述根据所述预设的发射功率序列和所述翻转角序列，获取校正后的射频功率的方法为：将所述预设的发射功率序列和所述翻转角序列通过最小二乘拟合，获取校正后的射频功率。
优选地，所述根据所述中心频率序列获取校正后的中心频率的方法为：计算所述中心频率序列的平均数，获取校正后的中心频率。
本发明实施例提供的磁共振中心频率和射频功率校正扫描序列及方法，在现有的用于90度翻转角校正的经典三脉冲序列的基础上，增加了一个大于原恒定梯度场的第二梯度场，使得在第二梯度场作用下能够采集到被回聚的第二自旋回波信号；在新的梯度场下依次获取第一自旋回波信号、受激回波信号、被回聚的第二自旋回波信号的后半个回波，根据第一自旋回波信号和受激回波信号获取校正后的射频功率；根据被回聚的第二自旋回波信号的后半个回波获取校正后的中心频率。可见，本发明提供的技术方案能够在进行射频功率校正的同时，实现中心频率的校正，即一次扫描完成两种校正，从而大大缩短预扫描校正时间。
附图说明
图1为现有的用于磁共振射频功率校正的扫描序列图；
图2本发明实施例的扫描序列图；
图3为本发明实施例的方法流程图。
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。
图1为现有的用于磁共振射频功率校正的扫描序列图，用于90度翻转角校正的经典(α-α-α)型3脉冲序列。三个射频脉冲具有相同的发射功率，仅在Z轴施加一个恒定的梯度场，该梯度场既是层选梯度，也是读出梯度。采集两个回波信号，S1为第一自旋回波信号，S2为受激回波信号，通过S1和S2的信号强度，可以计算出激发翻转角，用于修正射频功率。
图2本发明实施例的扫描序列图，该脉冲序列为(α-α-α)型3脉冲序列的改进型，包括：三个射频脉冲，第一梯度场；所述三个射频脉冲包括：第一射频脉冲，第二射频脉冲，第三射频脉冲；所述三个射频脉冲具有相同的发射功率；三个射频脉冲激发频率为默认中心频率；所述第一射频脉冲与第二射频脉冲之间的时间间隔为TE/2，所述第二射频脉冲和第三射频脉冲之间的时间间隔为TM，TM>TE/2，其中，TE为回波时间；所述第一梯度场为恒定的梯度场，加载于Z轴方向；在所述第一梯度场下能够依次采集到第一自旋回波信号和受激回波信号；所述第一梯度场起始于所述第一射频脉冲开始时或第一射频脉冲开始前，第一梯度场终止于所述受激回波信号采集完成时；与图1不同之处在于，还包括：第二梯度场；所述第二梯度场加载于Z轴方向；所述第二梯度场大于所述第一梯度场；在所述第二梯度场作用下能够采集到被回聚的第二自旋回波信号；所述第二梯度场起始于所述受激回波信号采集完成时，第二梯度场的终止处满足以下公式：
BA＝BB 公式(1)
其中，BA为所述第二射频脉冲后TE/2处到第三射频脉冲中点的梯度面积，BB为所述第三射频脉冲中点到所述第二梯度场的终止处的梯度面积。即在采集完受激回波信号后，进一步增大Z轴梯度场，使得第二自旋回波信号回聚。
本实施例中，第一梯度场的强度按以下公式计算，X轴和Y轴不需要额外的梯度输出：
其中，BWα为激发脉冲的带宽，γ为氢质子的磁旋比，ΔZ为激发区域的层厚。
本实施例中，优选地但不限于，所述第二射频脉冲和第三射频脉冲之间的时间间隔，大于或等于第一射频脉冲和第二射频脉冲之间的时间间隔的3倍。
本发明还提供一种磁共振中心频率和射频功率校正方法，包括：
步骤101，根据预设的发射功率序列设置射频脉冲的发射功率；射频脉冲的发射频率为系统默认中心频率。
步骤102，使用如图2所示的磁共振中心频率和射频功率校正扫描序列采集数据，依次获取第一自旋回波信号、受激回波信号、被回聚的第二自旋回波信号的后半个回波；其中，所述第一自旋回波信号的采样窗口中心位于所述第二射频脉冲的后TE/2处；所述受激回波信号的采样窗口中心位于所述第三射频脉冲的后TE/2处；所述被回聚的第二自旋回波信号的采样窗口起点位于所述第三射频脉冲后TM-TE/2处，即当撤销Z轴梯度后，才开始采集第二自旋回波信号；
步骤103，根据所述第一自旋回波信号和受激回波信号，计算出所述发射功率对应的翻转角；根据所述被回聚的第二自旋回波信号的后半个回波，计算出中心频率；
本实施例中，忽略T1弛豫时间的影响，第一自旋回波信号S1和受激回波信号S2有如下关系：
因此可根据公式(3)，计算出所述发射功率对应的翻转角：
其中，S1为所述第一自旋回波信号，S2为所述受激回波信号。
本实施例中，计算中心频率的方法为：将被回聚的第二自旋回波信号的后半个回波进行傅里叶变换得到频谱，通过计算水峰信号与零频率基线的偏差调整中心频率，得到新的中心频率。
重复步骤101～步骤103，直到预定的扫描周期N结束，获取翻转角序列和中心频率序列；本实施例中，N为大于1的自然数。
步骤104，根据所述预设的发射功率序列和所述翻转角序列，获取校正后的射频功率；根据所述中心频率序列获取校正后的中心频率。
具体地，获取校正后的射频功率的方法为：将所述预设的发射功率序列(P1,P2，...Pn)和所述翻转角序列(α1,α2，...αn)通过最小二乘拟合，得到90度翻转角对应的输出功率P90，将P90设置到系统中，即完成了射频功率的校正。
获取校正后的中心频率的方法为：计算所述中心频率序列(f1,f2,...fn)的平均数f，将f设置到系统中，即完成了中心频率的校正。
本发明实施例提供的磁共振中心频率和射频功率校正扫描序列及方法，在现有的用于90度翻转角校正的经典三脉冲序列的基础上，增加了一个大于原恒定梯度场的第二梯度场，使得在第二梯度场作用下能够采集到被回聚的第二自旋回波信号；在新的梯度场下依次获取第一自旋回波信号、受激回波信号、被回聚的第二自旋回波信号的后半个回波，根据第一自旋回波信号和受激回波信号获取校正后的射频功率；根据被回聚的第二自旋回波信号的后半个回波获取校正后的中心频率。可见，本发明提供的技术方案能够在进行射频功率校正的同时，实现中心频率的校正，即一次扫描完成两种校正，从而大大缩短预扫描校正时间。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磁共振中心频率和射频功率校正扫描序列，包括：三个射频脉冲，第一梯度场；所述三个射频脉冲包括：第一射频脉冲，第二射频脉冲，第三射频脉冲；所述三个射频脉冲具有相同的发射功率；所述第一射频脉冲与第二射频脉冲之间的时间间隔为TE/2，所述第二射频脉冲和第三射频脉冲之间的时间间隔为TM，TM>TE/2，其中，TE为回波时间；所述第一梯度场为恒定的梯度场，加载于Z轴方向；在所述第一梯度场下能够依次采集到第一自旋回波信号和受激回波信号；所述第一梯度场起始于所述第一射频脉冲开始时或第一射频脉冲开始前，第一梯度场终止于所述受激回波信号采集完成时；其特征在于，还包括：第二梯度场；所述第二梯度场加载于Z轴方向；所述第二梯度场大于所述第一梯度场；在所述第二梯度场作用下能够采集到被回聚的第二自旋回波信号；所述第二梯度场起始于所述受激回波信号采集完成时，第二梯度场的终止处满足以下公式：
BA＝BB
其中，BA为所述第二射频脉冲后TE/2处到第三射频脉冲中点的梯度面积，BB为所述第三射频脉冲中点到所述第二梯度场的终止处的梯度面积。
2.根据权利要求1所述的磁共振中心频率和射频功率校正扫描序列，其特征在于，所述第二射频脉冲和第三射频脉冲之间的时间间隔，大于或等于第一射频脉冲和第二射频脉冲之间的时间间隔的3倍。
3.一种磁共振中心频率和射频功率校正方法，其特征在于，包括：
步骤101，根据预设的发射功率序列设置射频脉冲的发射功率；
步骤102，使用权利要求1或2所述的磁共振中心频率和射频功率校正扫描序列采集数据，依次获取第一自旋回波信号、受激回波信号、被回聚的第二自旋回波信号的后半个回波；其中，所述第一自旋回波信号的采样窗口中心位于所述第二射频脉冲的后TE/2处；所述受激回波信号的采样窗口中心位于所述第三射频脉冲的后TE/2处；所述被回聚的第二自旋回波信号的采样窗口起点位于所述第三射频脉冲后TM-TE/2处；
步骤103，根据所述第一自旋回波信号和受激回波信号，计算出所述发射功率对应的翻转角；根据所述被回聚的第二自旋回波信号的后半个回波，计算出中心频率；
重复步骤101～步骤103，直到预定的扫描周期结束，获取翻转角序列和中心频率序列；
步骤104，根据所述预设的发射功率序列和所述翻转角序列，获取校正后的射频功率；根据所述中心频率序列获取校正后的中心频率。
4.根据权利要求3所述的磁共振中心频率和射频功率校正方法，其特征在于，所述根据所述第一自旋回波信号和受激回波信号，计算出所述发射功率对应的翻转角的方法为：
其中，S1为所述第一自旋回波信号，S2为所述受激回波信号。
5.根据权利要求4所述的磁共振中心频率和射频功率校正方法，其特征在于，所述根据所述预设的发射功率序列和所述翻转角序列，获取校正后的射频功率的方法为：
将所述预设的发射功率序列和所述翻转角序列通过最小二乘拟合，获取校正后的射频功率。
6.根据权利要求3所述的磁共振中心频率和射频功率校正方法，其特征在于，所述根据所述中心频率序列获取校正后的中心频率的方法为：
计算所述中心频率序列的平均数，获取校正后的中心频率。
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