CN108387857A - 一种用于磁共振成像的局部匀场系统及匀场方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于磁共振成像的局部匀场系统及匀场方法。具体地，本发明提供了一种用于磁共振成像的匀场方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：采用二维梯度回波采集B0场图信息；计算并评估B0的均匀度；优化每通道匀场线圈的电流；判定是否获得Δf的最小标准偏差值；输出最优电流组合值，并在电流控制软件上设置每通道匀场线圈对应的最优电流值；以及测试并评估B0的均匀度，实现匀场目标。本发明还提供了用于磁共振成像的匀场系统。这种设计用较少通道数的匀场线圈实现较好的匀场效果，系统较为简单，成本相对低；并且提供的匀场方法较为简便，耗时相对较短；同时该系统适用于磁共振温度成像，提高了测温的精度。

Description

一种用于磁共振成像的局部匀场系统及匀场方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像技术领域，尤其涉及用于磁共振成像的局部匀场系统及匀场方法。

背景技术

在磁共振成像系统中，磁体本身通常能够在一定的空间里提供较为均匀的静态磁场B0，然而由于组织的磁化率差异，会在交界处产生局部磁场变化，造成图像伪影。特别是在单次激发自旋回波平面回波成像(EPI)中，会引起几何失真、信号丢失和图像模糊。一般来说，增加匀场线圈可以减少磁场的非均匀性，从而提高图像的质量。

大体而言，匀场线圈主要包括两类：球谐函数(SH)匀场线圈和多线圈(MC)匀场线圈。SH匀场线圈一般用于主磁体的磁场非均匀性校正，而商用的MRI系统中SH匀场线圈的阶数最高包含二阶。在动物和人脑实验中，组织和空气交界之处的磁场非均匀性常常高达5阶，则SH匀场线圈的阶数需要增加到5阶才能实现较好的匀场效果。但是增加SH匀场线圈的阶数会带来一些实际问题，如有效的利用空间缩小、线圈的效率变差、需要额外考虑匀场线圈的冷却系统、需要增加功率放大器的数目。相对于SH匀场线圈，MC匀场线圈以多个简单的线圈回路产生较为复杂的高阶磁场，获得了较好的匀场能力。而且MC匀场线圈的电感比较小，同时离主磁体较远，不会引起很大的涡流。

目前，在磁共振成像中，匀场多线圈的单元数目越多，能补偿的非均匀磁场的阶数越高，带来的问题是，需要更多的功率放大器数目；而且匀场过程中需要对每通道线圈单元进行灵敏度场图采集，耗时较长。

例如，CN 201510629760公开了一种对病人胸部进行医学磁共振成像器件期间补偿主磁场不均匀性的匀场线圈装置。CN201210202891,CN201410414924和CN201510173911也针对人体的头部和身体的磁共振成像开发了匀场系统。Juchem C等人著写的论文"Magnetic field modeling with a set of individual localized coils",Journal ofMagnetic Resonance,2010,204(2):281-289，以及Juchem C等人的"Multicoil shimmingof the mouse brain[J].Magnetic resonance in medicine",2011,66(3):893-900中描述了应用于老鼠大脑磁共振成像的匀场线圈，其中采用的通道数为24到48，功率放大器数目也为24到48，成本较高，系统较为复杂。

有鉴于此，需要开发一种能够采用较少通道数的匀场线圈实现较好的匀场效果的局部匀场系统和匀场方法，以适用于磁共振成像。

发明内容

针对以上技术的不足，本发明的目的在于提供可适用于动物的磁共振成像系统和方法，同时该系统和方法适用于磁共振温度成像。本发明具体提供了一种可用于磁共振成像的局部匀场系统和匀场方法，以减小高阶的非均匀磁场偏移，提高B0磁场的均匀性。本发明的局部匀场系统采用了通道数目较少、非对称分布的局部匀场线圈来解决磁共振成像过程中B0磁场的不均匀问题。本发明的局部匀场方法采用快速二维梯度回波序列进行场图采集场图B0，耗时相对较短，较为简便。

为了达到上述目的，针对当前技术中的缺陷，本发明提供了一种用于磁共振成像的匀场方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：采用二维梯度回波采集B0场图信息；计算并评估B0的均匀度；优化每通道匀场线圈的电流；判定是否获得Δf的最小标准偏差值；输出最优电流组合值，并在电流控制软件上设置每通道匀场线圈对应的最优电流值；以及测试并评估B0的均匀度，实现匀场目标。

在一些实施方式中，所述采集包括以脉冲序列回波数目为5，脉冲序列的重复时间为25ms，脉冲翻转角为10°对场图信息进行采集。所述计算包括对5个回波的相位图进行解缠绕，通过最小二乘法对5幅相位图同一位置的像素点在5个对应的回波时间TE上直线拟合，该位置的主磁场偏移值为斜率值，计算公式为：

其中，Δφ为两个回波的相位差，γ是成像原子核的旋磁比，ΔTE是两个回波时间差。

在一些实施方式中，所述优化每通道匀场线圈的电流包括将主磁场偏移值△f₀和每通道匀场线圈的灵敏度场图Δf_0i进行线性组合，以实现获得Δf的最小标准偏差值，施加匀场电流后的主磁场偏移值Δf表示为下式：

其中，i＝1,2,...,n，n为匀场线圈的通道数，Δf₀为没有施加匀场电流的主磁场偏移值，Δf_0i为匀场线圈的灵敏度场图，a_i为匀场线圈灵敏度场图的线性叠加系数。

本发明还提供了一种用于磁共振成像的匀场系统，其特征在于，所述匀场系统包括：多通道的局部匀场线圈单元，其安装在所述磁共振成像系统的检查台上，其中，所述局部匀场线圈单元包括局部多通道匀场线圈和用于磁共振信号接收的射频接收线圈，所述局部射频线圈放置在局部匀场线圈内部并隔开距离；计算机控制系统，其用于直流电源控制的软件的安装及设置、场图的计算和优化过程的计算；以及直流电源系统，其与计算机控制系统可通信地连接，以控制每个通道的电流的大小。

在一些实施方式中，所述多通道的局部匀场线圈单元还包括壳体，所述壳体上设置有多个孔，用于射频接收线圈的调试。在一些实施方式中，所述局部匀场线圈单元的通道数可以为5，所述局部匀场线圈呈非对称分布。

在一些实施方式中，所述局部匀场线圈可以为直径4cm的圆形回路。在一些实施方式中，所述壳体底部还可设置有作为超声消融治疗的预留通道的孔。在一些实施方式中，所述孔的直径为6cm。

本发明的局部匀场系统及匀场方法至少提供了以下优点：

用较少通道数的匀场线圈实现较好的匀场效果，系统较为简单，成本相对低；

提供的匀场方法较为简便，耗时相对较短；以及

该系统适用于磁共振温度成像，提高了测温的精度。

本领域技术人员在阅读整个说明书和权利要求书时将理解本发明的这些优点和其它优点。

附图说明

本发明中所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的用于磁共振成像的局部匀场系统的结构示意图。

图2示出了根据本发明的实施例的局部匀场线圈单元的立体结构示意图。

图3为本发明实施例的用于磁共振成像的匀场方法的流程图。

图4(a)和(b)分别显示了在匀场后和匀场前的情况下，所获得的主磁场偏移分布的对比。

图5(a)和(b)分别显示了在匀场后和匀场前的情况下，所感兴趣区域ROI内的磁场频率分布统计。

图6(a)和(b)分别显示了分别显示了在匀场后和匀场前的情况下，在常温情况下的水模测试的温度变化曲线。

图中：10-局部匀场线圈单元，11-磁共振成像系统，101-操作间，102-设备间，103-磁共振实验室，104-计算机控制系统，105-网线，106-直流电源系统，107-波导板和波导管，108-直流电源线，109-局部多通道匀场线圈，110-射频接收线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。在下文所描述的本发明的具体实施方式中，为了能更好地理解本发明而描述了一些很具体的技术特征，但是，很显然的是，对于本领域的技术人员来说，并不是所有的这些技术特征都是实现本发明的必要技术特征。下文所描述的本发明的一些具体实施方式只是本发明的一些示例性的具体实施方式，其不应被视为对本发明的限制。

图1示意性地示出了根据本发明实施例的用于磁共振成像的局部匀场系统。在本实施例中，局部匀场系统包括多通道的局部匀场线圈单元10、直流电源系统106和计算机控制系统104。局部匀场线圈单元10可以安装在磁共振成像系统11的检查台上，并经由通过波导板和波导管107的直流电源线108与直流电源系统106相连，波导板和波导管的作用是减小噪声。局部匀场线圈单元10包括局部多通道匀场线圈109和用于磁共振信号接收的射频接收线圈110。射频接收线圈110可以放置在局部多通道匀场线圈109内部，两者距离为在1cm到2cm的范围之内。直流电源系统106与计算机控制系统104可通信地连接。在一些实施例中，计算机控制系统104可以是用于直流电源控制的软件系统的安装及设置、场图的计算和优化过程计算，网线105用于电脑和直流电源系统106的连接。

图2示出了根据本发明实施例的局部匀场线圈单元的立体结构示意图。在本实施例中，局部匀场线圈202固定在壳体201上，所述壳体201可以是用三维(3D)打印的树脂外壳，外壳呈半圆筒形构造，并设置有一定数量的孔203，以便进行射频接收线圈的调试。如图2所示，在本实施例中，局部匀场线圈202的数量为5，并且局部匀场线圈为直径4cm的圆形回路，局部匀场线圈呈非对称分布。树脂外壳底部还设置有直径为6cm的孔205以便于进行与磁共振成像技术结合的超声消融治疗，以及用于射频接收线圈的定位的定位槽204。

图3示出了本发明实施例的用于磁共振成像的匀场方法的流程图。在本实施例中，匀场的优化目标为实现主磁场偏移标准偏差值最小，且优化后的主磁场偏移平均值比优化前的主磁场偏移平均值小。在步骤301中，采用二维(2D)多回波GRE(梯度回波)采集B0场图信息。在一些实施例中，采集每通道匀场线圈电流为100mA和0mA时的场图，两者相减即为每通道线圈的灵敏度图。在采集过程中，脉冲序列的回波数目设置为5个，以减小涡流对B0场图的影响。为了快速地采集场图信息，脉冲序列的重复时间(TR)为25ms，脉冲翻转角设置为10°。在步骤302中计算并评估B0的均匀度。在一些实施例中，对5个回波的相位图进行解缠绕，然后通过最小二乘法对5幅相位图同一位置的像素点在5个对应的回波时间TE上进行直线拟合，斜率值即为该位置的主磁场偏移值(单位为Hz)。由主磁场偏移的计算公式和公式Δω₀＝γ·ΔB₀，可以得到这一步骤的计算公式为：其中，Δφ为两个回波的相位差，γ是成像原子核的旋磁比，ΔTE是两个回波时间差，Δω₀为核磁共振角频率。

在步骤303中，优化每通道匀场线圈的电流。在一些实施例中，将主磁场偏移值Δf₀和每通道匀场线圈的灵敏度场图Δf_0i(i＝1,2,...,n，n为匀场线圈的通道数)进行线性组合，表示为下式：

其中，Δf₀为没有施加匀场电流的主磁场偏移值，Δf_0i为匀场线圈的灵敏度场图，a_i为匀场线圈灵敏度场图的线性叠加系数，Δf为施加匀场电流后的主磁场偏移值；通过上述过程，以获得△f的最小标准偏差值为目标，来优化每通道线圈的电流值，优化后的△f的平均值要比优化前的△f₀的平均值小时，为有效匀场。

在步骤304中，判定是否达到约束条件。如果没有达到约束条件，则重复操作303-304，直到满足约束条件。在步骤305中，输出最优电流组合值，并在电流控制软件上设置每通道匀场线圈对应的最优电流值。最后在步骤306中，测试并评估主磁场B0的均匀度，评估指标为主磁场偏移值的平均值和标准偏差值，其值越小，主磁场B0越均匀，实现匀场目的。

本发明在Siemens 3T磁共振系统上进行了实验验证，并将局部匀场系统和匀场方法应用于磁共振测温成像中。图4(a)和(b)分别显示了在匀场后和匀场前的情况下，即施加最优组合的匀场电流和没有施加匀场电流的情况下，所获得的主磁场偏移分布的对比，匀场前后，主磁场偏移值的平均值从16.04Hz变小到9.48Hz，标准偏差值从5.52Hz减小到3.80Hz，结果表明显著提高了主磁场均匀度。其中ROI代表感兴趣区域。图5(a)和(b)分别显示了在匀场后和匀场前的情况下，所感兴趣区域ROI内的磁场频率分布统计，其中频率分布越集中，表明主磁场B0的均匀度越高。图6(a)和(b)分别显示了分别显示了在匀场后和匀场前的情况下，在常温情况下的水模测试的温度变化曲线，在100s内，匀场前后的温度变化的平均值从-1.01摄氏度变小到0.74摄氏度，标准偏差值从1.42摄氏度减小为1.32摄氏度，结果表明提高了匀场后的测温精度。以上实验结果显示本发明制作的局部匀场系统和匀场方法能够提高主磁场B0的均匀性，同时提高了磁共振测温的精度。

本发明提供了一种用于磁共振测温的5通道局部匀场线圈，其补偿由于水与脂肪组织中氢质子磁化率差异引起局部磁场的变化，从而提高测温的精度和准确性。本发明实施例的磁共振匀场系统和匀场方法用较少通道数的匀场线圈实现较好的匀场效果，系统较为简单，成本相对低；并且提供的匀场方法较为简便，耗时相对较短；同时该系统适用于磁共振温度成像，提高了测温的精度。

尽管已经根据优选的实施方案对本发明进行了说明，但是存在落入本发明范围之内的改动、置换以及各种替代等同方案。还应当注意的是，存在多种实现本发明的方法和系统的可选方式。因此，意在将随附的权利要求书解释为包含落在本发明的主旨和范围之内的所有这些改动、置换以及各种替代等同方案。

Claims (10)

1.一种用于磁共振成像的匀场方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

采用二维梯度回波采集B0场图信息；

计算并评估B0的均匀度；

优化每通道匀场线圈的电流；

判定是否获得Δf的最小标准偏差值；

输出最优电流组合值，并在电流控制软件上设置每通道匀场线圈对应的最优电流值；以及

测试并评估B0的均匀度，实现匀场目标。

2.根据权利要求1所述的用于磁共振成像的匀场方法，其特征在于，所述采集包括以脉冲序列回波数目为5，脉冲序列的重复时间为25ms，脉冲翻转角为10°对场图信息进行采集。

3.根据权利要求2所述的用于磁共振成像的匀场方法，其特征在于，所述计算包括对5个回波的相位图进行解缠绕，通过最小二乘法对5幅相位图同一位置的像素点在5个对应的回波时间TE上直线拟合，该位置的主磁场偏移值为斜率值，计算公式为：

其中，Δφ为两个回波的相位差，γ是成像原子核的旋磁比，ΔTE是两个回波时间差。

4.根据权利要求1所述的用于磁共振成像的匀场方法，其特征在于，所述优化每通道匀场线圈的电流包括将主磁场偏移值△f₀和每通道匀场线圈的灵敏度场图Δf_0i进行线性组合，以实现获得Δf的最小标准偏差值，施加匀场电流后的主磁场偏移值Δf表示为下式：

其中，i＝1,2,...,n，n为匀场线圈的通道数，Δf₀为没有施加匀场电流的主磁场偏移值，Δf_0i为匀场线圈的灵敏度场图，a_i为匀场线圈灵敏度场图的线性叠加系数。

5.一种用于磁共振成像的匀场系统，其特征在于，所述匀场系统包括：

多通道的局部匀场线圈单元，其安装在所述磁共振成像系统的检查台上，其中，所述局部匀场线圈单元包括局部多通道匀场线圈和用于磁共振信号接收的射频接收线圈，所述局部射频线圈放置在局部匀场线圈内部并隔开距离；

计算机控制系统，其用于直流电源控制的软件的安装及设置、场图的计算和优化过程的计算；以及

直流电源系统，其与计算机控制系统可通信地连接，以控制每个通道的电流的大小。

6.根据权利要求5所述的匀场系统，其特征在于，所述多通道的局部匀场线圈单元还包括壳体，所述壳体上设置有多个孔，用于射频接收线圈的调试。

7.根据权利要求5所述的匀场系统，其特征在于，所述局部匀场线圈单元的通道数为5，所述局部匀场线圈呈非对称分布。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的匀场系统，其特征在于，所述局部匀场线圈为直径4cm的圆形回路。

9.根据权利要求5-7中任一项所述的匀场系统，其特征在于，所述壳体底部还设置有作为超声消融治疗的预留通道的孔。

10.根据权利要求9所述的匀场系统，其特征在于，所述孔的直径为6cm。