CN109596659B - 二维以及三维快速自旋回波成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维快速自旋回波成像方法以及一种三维快速自旋回波成像方法。在二维快速自旋回波成像方法中，数据采集窗口与相位编码梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，形成的K‑空间轨迹为非笛卡尔采样。由于在该方法中数据采集窗口与相位编码梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，在不增加回波间隙的条件下，通过延长读出窗口的时间，增大K‑空间Kx的最大值，提高图像空间分辨率；在不提高图像空间分辨率的条件下，保持K‑空间Kx的最大值不变，缩短回波间隙。本发明还公开了一种三维快速自旋回波成像方法，该方法可提高图像空间分辨率或缩短回波间隙。

Description

二维以及三维快速自旋回波成像方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像领域，尤其涉及一种用于提高图像空间分辨率或缩短回波间隙的二维快速自旋回波成像方法以及一种用于提高图像空间分辨率或缩短回波间隙的三维快速自旋回波成像方法。

背景技术

快速自旋回波成像(FSE)利用一个激发脉冲和多个重聚焦脉冲产生多个自旋回波，每个回波的相位编码或者选片编码不相同，所以每次激发脉冲作用后，可以得到多条K-空间的数据，从而使得成像时间大大缩短。FSE对偏共振效应，如B0场不均匀性和组织磁敏感性变化，不敏感，从而可以减少磁敏感效应引起的信号丢失以及伪影。目前FSE已经取代单回波自旋回波序列成为临床上的常规序列之一。

提高图像空间分辨率可使得采集到的图像更清晰，有利于临床医生做出正确的诊断。因此，在采用常规FSE序列进行扫描的基础上，进行了一些用来提高图像空间分辨率的改进，现有的改进方法主要包括以下几种：第一，提高采样带宽。提高采样带宽可以缩短采样点之间的时间间隔，在相同的数据采集时间内，采集到更多的数据点，提高所得图像的空间分辨率。第二，增加回波间隙。增加回波间隙可以延长数据采集时间，从而在采样带宽不变时，采集数据点增加，图像的空间分辨率提高。

第一种方法提高采样带宽，由于图像的信噪比和采样带宽的开方成反比关系，增大采样带宽必然会导致图像信噪比降低。第二种方法增加回波间隙会导致更严重的T2衰减，引起图像的模糊和伪影，同时图像的信噪比降低；其次在快速回波成像中回波链的长度正比于组织的平均T2而反比于回波间隙，回波间隙增加，回波链的长度减小，扫描一幅图像需要的TR数增加，扫描时间延长。由此可见，这二种方法都不能很有效地提高图像的分辨率。

因此，本领域急需开发新的能够提高图像空间分辨率或缩短回波间隙的成像方法。

发明内容

在本发明的第一方面，本发明的目的在于针对现有技术的不足，发明一种二维快速自旋回波成像方法，包括以下内容：

a.射频脉冲激发一个层面，

b.施加连续选层重聚焦射频脉冲和损毁梯度，每个重聚焦射频脉冲结束后施加相位编码梯度，每个回波对应的相位编码步Ky由相位编码梯度的作用面积决定，相位编码反绕梯度在下一个重聚焦射频脉冲开始前结束；频率编码梯度以一个预补偿梯度Gx,p开始，后续都是一连串同向的频率编码梯度。每个重聚焦射频脉冲对应的右损毁梯度结束后频率编码梯度到达平台期，并在下一个重聚焦射频脉冲对应的左损毁梯度开始前平台期结束。频率编码梯度平台期即数据采集窗口与相位编码梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，形成的K空间轨迹为非笛卡尔采样，

c.在频率编码梯度平台期的持续时间内采集信号，

d.相位误差校正，对序列增加参考扫描，多采集一个零相位编码的TR，从而得到多个零相位编码的回波。每个回波的相位误差可由这些回波的数据通过线性拟合得到，再将这个相位误差用于校正后面采得的回波。

进一步地，可采用部分k空间采集的方法进一步缩短采集时间，减小伪影。

进一步地，数据采集窗口与相位编码梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，在不增加回波间隙的条件下，通过延长读出窗口的时间，增大K-空间Kx的最大值，提高图像分辨率。

进一步地，数据采集窗口与相位编码梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，在不提高图像空间分辨率的条件下，保持K-空间Kx的最大值不变，缩短回波间隙。

在本发明的第二方面，本发明的目的在于针对现有技术的不足，发明一种三维快速自旋回波成像方法，包括以下内容：

a.射频脉冲激发一个块层，

b.施加连续选块重聚焦射频脉冲和损毁梯度，每个重聚焦射频脉冲对应的右损毁梯度结束后施加选片编码梯度，选片编码反绕梯度在下一个重聚焦射频脉冲对应的左损毁梯度开始前结束；每个重聚焦射频脉冲结束后施加相位编码梯度，相位编码反绕梯度在下一个重聚焦射频脉冲开始前结束；每个重聚焦射频脉冲对应的右损毁梯度结束后频率编码梯度到达平台期，并在下一个重聚焦射频脉冲对应的左损毁梯度开始前平台期结束。频率编码梯度以一个预补偿梯度Gx,p开始，后续都是连续同向的频率编码梯度。每个重聚焦射频脉冲对应的右损毁梯度结束后频率编码梯度到达平台期，并在下一个重聚焦射频脉冲对应的左损毁梯度开始前平台期结束。数据采集窗口与选片编码梯度、相位编码梯度、选片编码反绕梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，形成的K-空间轨迹为非笛卡尔采样，

c.在频率编码梯度平台期的持续时间内采集信号，

d.相位误差校正，对序列增加参考扫描，多采集一个零相位编码的TR，从而得到多个零相位编码的回波。每个回波的相位误差可由这些回波的数据通过线性拟合得到，再将这个相位误差用于校正后面采得的回波，

e.三维快速自旋回波图像非笛卡尔重建，K-空间轨迹信息可由施加梯度的积分计算得到或由其他K-空间轨迹测量方法测量得到。

进一步地，可采用部分k空间采集的方法进一步缩短采集时间，减小伪影。

进一步地，频率编码梯度和数据采集窗口与选片编码梯度、相位编码梯度、选片编码反绕梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，在不增加回波间隙的条件下，延长读出窗口的时间，采样数量增加，图像分辨率相应提高。

进一步地，频率编码梯度和数据采集窗口与选片编码梯度、相位编码梯度、选片编码反绕梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，在不增大K-空间Kx的最大值的条件下，回波间隙相应缩短。

本发明的有益效果是，由于序列数据采集窗口与相位编码梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，在不增加回波间隙的条件下，通过延长读出窗口的时间，增大K-空间Kx的最大值，提高图像分辨率；在不提高图像空间分辨率的条件下，保持K-空间Kx的最大值不变，缩短回波间隙。

本发明的有益效果是，由于序列频率编码梯度和数据采集窗口与选片编码梯度、相位编码梯度、选片编码反绕梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，在不增加回波间隙的条件下，通过延长读出窗口的时间，增大K-空间Kx的最大值，提高图像分辨率；在不提高图像空间分辨率的条件下，保持K-空间Kx的最大值不变，缩短回波间隙。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是本发明一种二维快速自旋回波成像方法的序列图；

图2是本发明一种三维快速自旋回波成像方法的序列图；

图3是图1对应的K-空间轨迹的示意图；

图4是采用变相位编码梯度施加情况下图1对应的K-空间轨迹的示意图；

图5是图1中方框内梯度波形和采样窗口波形的放大图；

图6是图2中方框内梯度波形和采样窗口波形的放大图；

图7是图2对应的kx-Kz平面的K-空间轨迹示意图；

图8是常规FSE序列的梯度波形和采样窗口波形的示意图；

图9是常规FSE序列的K-空间轨迹图；

图10是本发明一种提高图像分辨率的二维/三维快速自旋回波成像方法的实施流程图；

图11是本发明结合部分回波采集方式的K-空间轨迹示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种二维快速自旋回波成像方法以及一种三维快速自旋回波成像方法。在二维快速自旋回波成像方法中，数据采集窗口与相位编码梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，形成的K-空间轨迹为非笛卡尔采样。由于在该方法中数据采集窗口与相位编码梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，在不增加回波间隙的条件下，通过延长读出窗口的时间，增大K-空间Kx的最大值，提高图像空间分辨率；在不提高图像空间分辨率的条件下，保持K-空间Kx的最大值不变，缩短回波间隙。

在三维快速自旋回波成像方法中，数据采集窗口与选片编码梯度、相位编码梯度、选片编码反绕梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，形成的K-空间轨迹为非笛卡尔采样。由于在该方法中数据采集窗口与选片编码梯度、相位编码梯度、选片编码反绕梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，在不增加回波间隙的条件下，通过延长读出窗口的时间，增大K-空间Kx的最大值，提高图像空间分辨率；在不提高图像空间分辨率的条件下，保持K-空间Kx的最大值不变，缩短回波间隙。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数是重量百分比和重量份数。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例

如图10所示，本发明用于提高图像空间分辨率的二维和三维快速自旋回波成像(FSE，fast spin echo)方法包括：

1.二维和三维快速自旋回波成像扫描

1.1射频脉冲激发层面(二维)或块层(三维)

通过射频脉冲和选层梯度或选块梯度相结合，只激发成像的层面(二维)或块层(三维)。使用90°的射频脉冲可得到最大的横向磁化矢量。

1.2多个重聚焦脉冲及相对应的损毁梯度

与常规FSE中使用的重聚焦脉冲相似，都是利用多个重聚焦脉冲形成多个自旋回波，使用对称的损毁梯度，消除重聚焦脉冲不完美造成的自由衰减信号。

1.3二维成像时，相邻重聚焦脉冲间施加相位编码梯度以及相位编码反绕梯度以及频率编码梯度。三维成像时，相邻重聚焦脉冲间施加相位编码梯度、相位编码反绕梯度、选片编码梯度、选片编码反绕梯度以及频率编码梯度。FSE成像在一次射频激发后，利用多个重聚焦脉冲产生一系列自旋回波，有效地使用横向磁化矢量。成像得到图像读出方向的分辨率由K-空间读出方向的最大值(Kx_max)决定，而Kx_max取决于频率编码梯度的大小以及读出窗口持续的时间。本发明中提出的提高图像分辨率的成像方法即是一种延长读出窗口持续时间的方法。

1.3.1二维和三维快速自旋回波的频率编码梯度如图1和2所示，与常规FSE中使用的频率编码梯度类似，都是以一个预补偿梯度Gx,p开始，后续都是一连串同向的频率编码梯度。K-空间采集也是普通的平台采集，即在频率编码梯度的平台期采集数据。图1中，频率编码梯度110在损毁梯度109结束时到达。图2中，频率编码梯度205的平台期在损毁梯度202结束时到达。

1.3.2二维快速自旋回波的相位编码梯度与常规FSE中使用的相位梯度类似如图1所示，由于相位编码梯度101的时间一般比损毁梯度109的作用时间长，所以相位编码梯度与频率编码梯度的平台期存在部分重合。但相位编码梯度与损毁梯度之间的具体施加时间差由成像系统的硬件条件决定，如梯度切变率、最大梯度值等因素。例如，在最大梯度值为33mT/m、最大切变率为120T/m/s的1.5T磁共振成像系统中，相位编码梯度的施加时间为1.2ms,单个损毁梯度的施加时间为684us，二者的时间差为516us,采样窗可以延长1.031ms，若采样带宽为50KHz，则可多采集51(不规范)个数据点。若不提高图像空间分辨率的条件下，保持K-空间Kx的最大值不变，则回波间隙可缩1.031ms。

1.3.3三维的快速自旋回波成像在相位编码方向和频率编码梯度和上述1.3.2中二维的梯度相同，如图2所示。由于选片编码梯度201只能施加在损毁梯度202之后，选片编码反绕梯度203只能施加在损毁梯度204之前，所以选片编码梯度与频率编码梯度的平台期重合。例如，在最大梯度值为33mT/m、最大切变率为120T/m/s的1.5T磁共振成像系统中，选片编码梯度和相位编码梯度的施加时间均为1.2ms,单个损毁梯度的施加时间为684us，那么利用本本发明提高图像空间分辨率的三维快速自旋回波成像，采样窗可以延长2.4ms,若采样带宽为50KHz,则可多采集120个数据点。若不提高图像空间分辨率的条件下，保持K-空间Kx的最大值不变，则回波间隙可缩短2.4ms。

本发明的相位编码梯度和选片编码梯度有两种实施方案，这两种梯度的实施方案类似，下面以相位编码为例进行说明。

方案一为保持每个相位编码梯度的上坡时间、持续时间以及下降时间均一致，那么线性增加的面积就转化为线性增加的幅值。如图1中显示，相位编码梯度101、103、105和107的幅值是逐渐增加的。K-空间轨迹填充方式如图3。其中31为频率编码梯度平台期未与相位编码梯度重叠时采集的数据,32为频率编码梯度平台期与相位编码梯度下降部分重叠时采集的数据，而33为频率编码梯度平台期与相位编码梯度平台期部分重叠时采集的数据。

方案二为依据相位编码偏离K-空间的程度增加逐渐增加相位编码梯度的持续时间，以增加相位编码梯度与数据采集窗口的重叠，换句话说，减少数据填充时的直线填充。K-空间轨迹填充方式如图4所示。其中45为频率编码梯度平台期未与相位编码重叠时采集的数据。比较而言，方案一容易实施，而方案二易于重建。

为了提高图像空间分辨率，本发明中的相位编码梯度、选片编码梯度、相位编码反绕梯度以及选片编码反绕梯度是可以和读出窗口重叠的。在二维情况下，由图5可以看出，阴影部分501，502，503是重叠部分。采集窗口503与相位编码梯度501的重叠会引起K-空间数据在相位编码方向的不均匀性。因此，如图3所示，本发明对应的K-空间轨迹按填充时的分布可分为二类，一类是一维不均匀分布，二类是均匀分布。在三维情况下，选片编码和相位编码梯度都是可以和读出窗口重叠的。由图6可以看出，阴影部分601～607是重叠部分,同理可知此时K-空间的轨迹按填充时的分布可以分为三类，如图7所示,一类是二维不均匀,由601,602,603,604重叠引起；二类是一维不均匀，由605,606,607重叠引起，三类是均匀分布。

尽管图像空间分辨率有一定的提高，但是频率编码梯度与相位编码以及选片编码梯度的重叠可能会带来一个问题，就是梯度的组合重叠可能超出安全需求引起dB/dt的升高。当切变率和梯度幅度超过一定阈值时，可能会引起病人的不适以及一些安全问题，如疼痛、外周神经刺激、呼吸加快甚至心脏磁刺激。因此，需要对频率编码梯度和相位编码梯度做优化设计，使得在确保安全的条件下得到最高分辨率。

在回波间隙不变的条件下，上述用于提高图像分辨率的快速自旋成像可通过部分K-空间的方式缩短采集时间，减轻运动伪影,其K-空间如图11所示。部分K-空间采集依赖K-空间的共轭对称性，通常部分K-空间采集施加在相位编码和选片编码方向。然而实际上，信号读出时累积的相位误差会破坏K-空间的对称性，因此，通常会采集超过一半的K-空间(一般为55％-75％)以便做相位校正。部分K-空间的采集方式可缩短TR的个数，从而缩短采集时间。这样，提高图像分辨率的快速自旋成像中最大面积的相位编码梯度将比全采集中的最大面积的相位编码梯度大大减小。因而可有效缓解对梯度要求高的问题。

1.4在频率编码梯度的平台时间内采集受激发块层的信号

和常规FSE序列的数据采集类似，在频率编码梯度的平台时间内等间隔采样，使得K-空间轨迹在读出方向是均匀分布的。

2.提高图像分辨率快速自旋回波方法的图像重建

由于采集得到的K-空间数据是不均匀分布的，所以重建的时候需要非笛卡尔重建，而不是直接傅里叶变换。通常，非笛卡尔重建可以用网格化(regridding)实现，也就是说把数据重采样到笛卡尔坐标系上，再进行傅里叶变换。在regridding前，通常需要确定K-空间轨迹。K-空间轨迹可以通过对施加的梯度积分计算得到。然而，由于梯度的不完美，实际的梯度与预先想要施加的梯度存在一定偏差，所以，更精确的方法为K-空间轨迹测量方法，如Duyn的方法(Duyn J et al.Simple correction method for k-space trajectorydeviations in MRI,J.Magn.Reson.132(1)：150-3,1998)、自编码方法(Alley MT.etal.Gradient characterization using a Fourier-transform technique,Mang.Reson.Med.39(4)：581-7,1998)以及磁场监测方法(Barmet C.etal.Spatiotemporal magnetic field monitoring for MR,Magn Reson Med.60(1)：187-97,2008.)。

由于梯度的不完美，奇数回波和偶数回波之间存在相位不一致，因此在提高图像分辨率快速自旋回波中会引起类似多激发平面回波中(multi-shot echo planarimaging)的奈奎斯特伪影。因此，为了获得更高质量的图像，提高图像分辨率快速自旋回波数据经非笛卡尔重建之前需进行相位误差校正。在本方法中，可对序列增加参考扫描，即可多采集一个零相位编码的TR，从而得到多个零相位编码的回波。每个回波的相位误差可由这些回波的数据通过线性拟合得到，再将这个相位误差用于校正后面采得的回波。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种二维快速自旋回波成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a.提供射频脉冲，激发一个层面；

b.对所述层面连续施加选层的多个重聚焦射频脉冲和损毁梯度；

其中，在每组所述重聚焦射频脉冲结束后施加相位编码梯度，利用所述相位编码梯度的作用面积确定每个回波对应的相位编码步Ky，相位编码反绕梯度在下一个所述重聚焦射频脉冲开始前结束；

频率编码梯度以一个预补偿梯度Gx,p开始，后续都是一连串同向的频率编码梯度；

每个所述重聚焦射频脉冲对应的右损毁梯度结束后所述频率编码梯度到达平台期，并在下一个所述重聚焦射频脉冲对应的左损毁梯度开始前平台期结束；以及

在频率编码梯度平台期内数据采集窗口与所述相位编码梯度以及所述相位编码反绕梯度部分重叠，形成K空间轨迹，所述K空间轨迹为非笛卡尔采样；

c.在所述频率编码梯度平台期的持续时间内采集信号；

d.相位误差校正，对序列增加参考扫描，多采集一个零相位编码的TR，从而得到多个零相位编码的回波；每个所述回波的相位误差可由所述回波的数据通过线性拟合得到，再将所述相位误差用于校正后面采得的回波；以及

e.二维快速自旋回波图像非笛卡尔重建，利用施加梯度的积分计算或由其他K-空间轨迹测量方法测量得到所述K-空间轨迹的信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位编码梯度的实施可采取如下步骤：保持所有所述回波的所述相位编码梯度的作用时间和所述相位编码反绕梯度的作用时间恒定不变，且上坡时间、持续时间以及下降时间均一致，不同回波相位编码步之间线性增加的面积就由线性增加的梯度强度实现。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位编码梯度的实施可采取如下步骤：保持所有所述回波的所述相位编码梯度和相位编码反绕梯度强度不变，随着相位编码步Ky增加，所述相位编码梯度和所述相位编码反绕梯度的作用时间增加。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述频率编码梯度平台期内，在不增加回波间隙的条件下，通过延长读出窗口的时间，增大K-空间Kx的最大值。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述频率编码梯度平台期内，在缩短回波间隙的条件下，保持K-空间Kx的最大值不变。

6.一种三维快速自旋回波成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a.提供射频脉冲，激发一个块层；

b.连续施加选块的多个重聚焦射频脉冲和损毁梯度；

其中，每个所述重聚焦射频脉冲对应的右损毁梯度结束后施加选片编码梯度，选片编码反绕梯度在下一个所述重聚焦射频脉冲对应的左损毁梯度开始前结束；

每个所述重聚焦射频脉冲结束后施加相位编码梯度，所述相位编码反绕梯度在下一个所述重聚焦射频脉冲开始前结束；

每个所述重聚焦射频脉冲对应的右损毁梯度结束后频率编码梯度到达平台期，并在下一个所述重聚焦射频脉冲对应的左损毁梯度开始前平台期结束；

所述频率编码梯度以一个预补偿梯度Gx,p开始，后续都是连续同向的频率编码梯度；

每个所述重聚焦射频脉冲对应的右损毁梯度结束后频率编码梯度到达平台期，并在下一个所述重聚焦射频脉冲对应的左损毁梯度开始前平台期结束；以及

在频率编码梯度平台期内数据采集窗口与所述选片编码梯度、相位编码梯度、选片编码反绕梯度以及相位编码反绕梯度部分重叠，形成K-空间轨迹，所述K-空间轨迹为非笛卡尔采样；

c.在频率编码梯度平台期的持续时间内采集信号；

d.相位误差校正，对序列增加参考扫描，多采集一个零相位编码的TR，从而得到多个零相位编码的回波；每个所述回波的相位误差可由这些回波的数据通过线性拟合得到，再将这个相位误差用于校正后面采得的回波；以及

e.三维快速自旋回波图像非笛卡尔重建，利用施加梯度的积分计算或其他K-空间轨迹测量方法测量得到所述K-空间轨迹的信息。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述选片编码梯度和所述相位编码梯度的实施均可采取如下步骤：保持所有所述回波的所述相位编码梯度的作用时间和所述相位编码反绕梯度的作用时间恒定不变，且上坡时间、持续时间以及下降时间均一致，不同回波相位编码步之间线性增加的面积就由线性增加的梯度强度实现。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述选片编码梯度和所述相位编码梯度的实施均可采取如下步骤：保持所有所述回波的所述相位编码梯度和所述相位编码反绕梯度强度不变，不同回波相位编码步之间线性增加的面积就由增加相位编码梯度的持续时间实现。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述频率编码梯度平台期内，在不增加回波间隙的条件下，通过延长读出窗口的时间，增大K-空间Kx的最大值。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述频率编码梯度平台期内，在缩短回波间隙的条件下，保持K-空间Kx的最大值不变。

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