CN109901088A - 用于磁共振成像的运动追踪方法、计算机程序、存储设备 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种用于磁共振成像的运动追踪方法，包括：激发被检测对象的一个成像体积；使成像体积产生的自由感应衰减信号的频率随着成像体积的位置的改变而相对于中心频率发生频率偏移；多次采集该自由感应衰减信号并计算采集的自由感应衰减信号相对于中心频率的频率偏移；以及，根据该频率偏移随时间的变化获取被检测对象的运动轨迹。

Description

用于磁共振成像的运动追踪方法、计算机程序、存储设备

技术领域

本发明涉及医疗检测领域，尤其涉及一种用于磁共振成像的运动追踪方法。

背景技术

在利用磁共振(Magnetic Resonance,MR)成像技术对人体的诸如胸部、腹部等器官进行成像时，常常会出现由于患者的呼吸运动产生的图像伪影，影响医生对这些器官的诊断，为了去除或降低呼吸运动伪影，通常需要对呼吸运动进行实时监测，以能够利用呼吸触发/门控技术来实现在呼吸运动的特定阶段(如呼气末尾阶段)来采集成像数据。

现有技术中，一种方法是通过外部的监测设备来监测呼吸运动，并根据实时监测结果来确定何时进行图像数据的采集，这种方法具有以下几个缺点：增加了设备设置的时间；需要花费较多的时间对患者进行摆位；增加了额外的设备成本。

另一种方法是基于对用户选择的覆盖器官边界的一小块区域的位置追踪来分析呼吸运动，这种方法无需额外的设备，可以通过在脉冲序列中增加相应的导航序列来实现对该区域的位置追踪，但是也存在一些问题需要改进，例如：需要用户选择需要追踪的位置，不利于简化流程；导航序列重复时间较长，运动检测的分辨率低；采用较大翻转角度的激发脉冲，存在饱和风险。

还有一种方法，其采用导航序列来激发成像检查体积的层并相继产生两个导航回波，通过计算两个导航回波之间的相位差来产生代表运动轨迹的运动信号，显然，这种方法至少需要采集两个回波。

因此，有必要寻求新的呼吸运动的追踪方法，以能够解决上述至少一个技术问题，例如，简化流程、缩短导航序列重复时间、减少饱和风险等。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种能够简化流程、缩短导航序列重复时间、减少饱和风险、简化运算的用于磁共振成像的运动追踪方法。

本发明的实施例提供了一种用于用于磁共振成像的运动追踪方法，包括：

激发被检测对象的一个成像体积；

使成像体积产生的自由感应衰减信号的频率随着成像体积的位置的改变而相对于中心频率发生频率偏移；

多次采集该自由感应衰减信号并计算采集的自由感应衰减信号相对于中心频率的频率偏移；以及，

根据频率偏移随时间的变化获取被检测对象的运动轨迹。

本发明的示例性实施例还提供了一种计算机程序，当该计算机程序运行于一磁共振成像系统中时，使该磁共振成像系统执行上述的运动追踪方法。

本发明的示例性实施例还提供了一种存储设备，用于存储上述计算机程序。

通过下面的详细描述、附图以及权利要求，其他特征和方面会变得清楚。

附图说明

通过结合附图对于本发明的示例性实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1为本发明第一实施例和第二实施例的用于磁共振成像的运动追踪方法的流程图；

图2为一种实施例中的磁共振成像系统的框图；

图3为本发明第一实施例中采用的脉冲控制序列的示例图；

图4为本发明第二实施例中采用的脉冲控制序列的示例图；

图5为利用本发明的实施例获得的呼吸运动轨迹。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。

实施例一

图1为本发明第一实施例和第二实施例的用于磁共振成像的运动追踪方法的流程图，其中该方法可以在磁共振成像系统中被执行；图2为一种实施例中的磁共振成像系统的框图。

如图2所示，上述磁共振成像系统包括主磁体210、射频系统220、梯度系统230和计算机系统240。主磁体210中空部分形成扫描腔，用于承载被检测对象(例如人体)的承载床能够进入扫描腔，以对该被检测对象进行磁共振成像。主磁体210产生的静磁场B0使得处于扫描腔中的被检测对象产生纵向宏观磁化矢量。

射频系统220包括射频发生器221以及射频线圈222，射频线圈222可以包括射频发射线圈和射频接收线圈，射频发生器221用于向射频发射线圈发射射频激发脉冲，以激发被检测对象的纵向磁化矢量发生翻转，从而产生横向磁化矢量，在射频激发脉冲结束后，该横向磁化矢量以固定的角频率绕外磁场进行螺旋状的衰减，以产生自由感应衰减(freeinduction decay,FID)信号，射频线圈通过采集、分析自由感应衰减信号可产生用于对被检测对象进行成像的磁共振信号，射频接收线圈可用于接收该自由感应衰减信号。

梯度系统包括分别在不同方向(例如人体的上下、左右、前后方向，对应于重建坐标的Z轴、X轴和Y轴)上布置的梯度线圈231、232、233以及梯度控制器234，梯度控制器234用于向梯度线圈231、232、233发射梯度脉冲，以线性地在静磁场上叠加梯度磁场，实现对磁共振信号进行空间定位，使得产生任一层面或体积的磁共振图像。

计算机系统240一方面用于产生脉冲控制序列，该脉冲控制序列经序列发生器发送至射频发生器、梯度控制器等，以使得射频发生器、梯度控制器等分别执行该脉冲控制序列中的射频时序和梯度时序，并在时序的特定时段采集磁共振信号。该计算机系统240另一方面还用于对采集的磁共振信号进行空间梯度编码以进行图像重建。

一般来说，当某一成像体积(或成像层)被激发后，如果该成像体积所在的外磁场不等于静磁场B0，则采集的自由感应衰减信号会随着位置的改变而线性地发生频率偏移，本发明旨在利用这种现象，通过成像体积或成像层的自由感应衰减信号的频率偏移变化映射至该成像体积的位置变化来分析被检测对象的运动轨迹。

如图1所示，该运动追踪方法包括步骤S110、S120、S130和S140。

在步骤S110中，激发被检测对象的一个成像体积。本领域技术人员应当理解，该成像体积可以为人体体素形成的一个三维体积，对于较薄的成像体积，也可称为成像层。

在步骤S120中，使上述成像体积产生的自由感应衰减信号的频率随着该成像体积的位置的改变而相对于中心频率发生频率偏移。上述中心频率是指，当被激发的人体组织处于静磁场B0时，其进动频率，该中心频率也称为拉莫尔频率。

在步骤S130中，多次采集上述自由感应衰减信号并计算采集的自由感应衰减信号相对于中心频率的频率偏移。

在步骤S140中，根据该频率偏移随时间的变化获取被检测对象的运动轨迹。

可选地，本实施例的方法可以通过执行导航序列来追踪被检测对象的运动轨迹，并结合成像序列来实现运动的门控(Gating)或触发(Trigger)。本领域技术人员应当理解，就像成像序列一样，导航序列也具有多个重复时间(TR)，其中在每个重复时间具有相同的时序。作为一个示例，现有技术中的成像序列，可以包括按照预设的时序设定的射频激发脉冲、选层梯度、相位编码梯度和频率编码梯度，在一个示例中，射频激发脉冲和选层梯度同时被施加时，可以使特定成像体积的人体组织被激发以产生横向宏观磁化矢量，射频激发脉冲结束后，该横向宏观磁化矢量衰减以产生自由感应衰减信号。对于不同应用中的成像序列，还包括其它特定用途的脉冲或梯度，例如射频恢复脉冲等，在成像序列执行期间采集的磁共振图像信号(例如回波)可以用于进行图像重建。

本实施例中，可以在成像序列的每个重复时间内嵌入导航序列的一个重复时间，这种方式可以适用于运动门控，例如，在一个示例中，如果在成像序列的当前的重复时间内获取的导航信号(追踪到的被检测对象的运动轨迹)显示被检测对象处于吸气阶段(用户预设的非信号采集阶段)，则在当前重复时间内采集的图像信号被弃用；而如果在成像序列的当前的重复时间内获取的导航信号(追踪到的被检测对象的运动轨迹)显示被检测对象处于呼气阶段(用户预设的信号采集阶段)，则在当前重复时间内采集的图像信号可以被用于后续的图像重建。

图3为本发明第一实施例中采用的导航序列及其所在的成像序列的示例图，结合图1、图3所示，具体地，在步骤S110中，可以通过发射射频激发脉冲RF和选层梯度Gs来激发被检测对象的一个成像体积；在步骤S120中，通过在射频激发脉冲RF和选层梯度Gs结束后发射导航梯度Gn来使该成像体积产生的自由感应衰减信号的频率随着该成像体积的位置的改变而相对于中心频率发生频率偏移。

可见，本实施例中，在成像序列中嵌入了导航序列，其具有导航梯度Gn，使得能够利用自由感应衰减信号的频率特征变化来表示被激发的人体组织在梯度上的位置变化(当被激发的组织层运动至不同位置处时，其所在的梯度磁场的强度不同)，进而追踪运动轨迹，下文将对此进行详细描述。

正如上文中提到的，在具有固定强度的外磁场的情况下，自由感应衰减信号是以固定的角速度进行进动的，因此如果计算得到的自由感应衰减信号的频率相对于中心频率出现了频率偏移，说明被激发的成像体积所在的外磁场强度相对于主磁场强度B0发生了变化，并且变化的程度与频率的偏移呈线性关系，可以通过以下公式(1)进行描述：

Δf＝γGx (1)

上式中，Δf表示频率偏移，x为被激发的成像体积所在的位置，其可以为，例如在X轴梯度、Y轴梯度或Z轴梯度上的位置，G表示在主磁场上叠加的磁场梯度，其表示梯度磁场强度随位置x的变化率，例如，其单位可以为高斯/厘米。

因此，通过执行导航序列而使得外磁场强度线性变化，当被激发的成像层运动到具有不同强度的外磁场的位置时，其产生的自由感应衰减信号的频率相对于中心频率频率偏移也不同。进而，可以在步骤S140中，根据该频率偏移随时间(或位置)的变化获取被检测对象的运动轨迹，具体地，通过频率偏移的变化曲线来描述成像层的位置轨迹，实现运动追踪。

上述导航序列的一个重复时间在图3中标示为Navigator，上述成像序列一个重复时间在图3中标示为Imaging，如图3所示，其中导航序列中的射频激发脉冲RF和选层梯度Gs分别复用该成像序列的射频激发脉冲RF和选层梯度Gs。

可以在该成像序列的每个重复时间TR内发射该导航梯度Gn，并在每个导航梯度Gn持续期间采集该自由感应衰减信号(如图3中的RTB0ACQ)。在导航梯度Gn结束之后，可以继续执行成像序列Imaging的未完成部分，例如采集图像信号(如图3中的图像信号采集脉冲Image ACQ)。换言之，导航梯度脉冲Gn穿插在成像序列Imaging之中，例如该导航梯度Gn在采集图像信号(如图3中的图像信号采集脉冲Image ACQ)之前被执行。

可选地，上述导航梯度Gn可以包括一个或多个方向上的梯度。该一个或多个方向可以被设定为图像重建坐标的X轴、Y轴和/或Z轴的方向，只要被检测对象在任一坐标轴方向上具有运动，则可以在该运动方向上施加导航梯度，因此可以实现在任一运动方向上追踪运动轨迹。

本实施例的导航序列比较适合于当导航序列占用的时间对于整个成像序列没有影响或影响较小的情况，例如，当导航序列占用的时间为50μs，对于一些种类的成像序列来说，该50μs的时间不会造成例如图像信号质量下降的问题，而对于另一些种类的成像序列来说，如果导航梯度占用的时间会造成这样的问题，则可以考虑不将其穿插在成像序列中，而是与成像序列分开，这种方式将在第二实施例中进行详细描述。

可选地，为了避免产生的涡流对采集的自由感应衰减信号的影响，在上述导航序列中，相邻的选层梯度Gs和导航梯度Gn之间可以具有预设的延迟时间t。

可选地，步骤S130中“计算采集的自由感应衰减信号相对于中心频率的频率偏移”的步骤包括：将时域上的自由感应衰减信号变换为频域信号。例如，可以通过傅立叶变换或其它变换方法来获得自由感应衰减信号的频率，将该频率减去主磁场B0下的中心频率即可得到该频率偏移。

另外，上述这样的导航序列使得采用较小翻转角度的射频激发脉冲便可实现运动追踪，例如，该射频激发脉冲的翻转角度可以小于10度，因此饱和风险很小。

实施例二

本发明第二实施例的用于磁共振成像的运动追踪方法的流程图可以如图1所示，其与第一实施例的方案的原理、流程基本相同。

图4为发明第二实施例中采用的导航序列的示例图，如图4所示，同样的，在第二实施例中，通过发射射频激发脉冲RF和选层梯度Gs来激发被检测对象的一个成像体积，通过在射频激发脉冲RF和选层梯度Gs结束后发射导航梯度Gn使成像体积产生的自由感应衰减信号的频率随着成像体积的位置的改变而相对于中心频率发生频率偏移。

第二实施例与第一实施例的区别在于导航序列与成像序列之间的时序不同，以能够满足不同的应用场合。

如图4所示，在该实施例中，导航序列Navigator独立于成像序列Imaging。具体地，在成像序列的每个重复时间之前执行导航序列的一个或多个重复时间。导航序列的重复时间和成像序列的重复时间分别具有各自的射频激发脉冲RF和选层梯度Gs，导航序列不复用成像序列的射频激发脉冲RF和选层梯度Gs。

这种方式可以适用于运动触发，例如，在一个示例中，可以通过执行导航序列的多个重复时间来不断地检测运动轨迹，直至检测到被检测对象运动到特定位置(例如呼气末阶段的位置)时才触发成像序列，即采集图像信号。

在导航序列的每个重复时间内，首先发射射频激发脉冲RF和选层梯度Gs，射频激发脉冲RF和选层梯度Gs结束后发射导航梯度Gn，并在导航梯度Gn持续期间采集自由感应衰减信号；

同样地，该导航梯度Gn可以被施加在图像重建坐标的一个或多个方向轴上。

相邻的选层梯度Gs和导航梯度Gn之间具有预设的延迟时间t。

相较第一实施例，导航序列和成像序列分别具有各自的射频激发脉冲RF和选层梯度Gs，通过这样的方式，可以避免对成像序列造成影响。

实施例三

本发明的第三实施例还可以提供一种计算机程序，该计算机程序运行于一磁共振成像系统中时，使该磁共振成像系统执行上述第一实施例、第二实施例或第三实施例的运动追踪方法。具体地，该计算机程序可以运行于磁共振系统的计算机系统中。

例如，该计算机程序可以包括以下指令：

指令一：激发被检测对象的一个成像体积；

指令二：使该成像体积产生的自由感应衰减信号的频率随着成像体积的位置的改变而相对于中心频率发生频率偏移；

指令三：多次采集自由感应衰减信号并计算采集的自由感应衰减信号相对于中心频率的频率偏移；以及，

指令四：根据该频率偏移随时间的变化获取被检测对象的运动轨迹。

该计算机程序通过执行导航序列追踪被检测对象的运动轨迹，其中，指令一包括子指令：发射射频激发脉冲和选层梯度来激发被检测对象的一个成像体积；指令二包括子指令：在射频激发脉冲和选层梯度结束后发射导航梯度来使成像体积产生的自由感应衰减信号的频率随着成像体积的位置的改变而相对于中心频率发生频率偏移；指令三包括子指令：在导航梯度持续期间采集自由感应衰减信号。

可选地，在成像序列的每个重复时间内嵌入该导航序列的一个重复时间，其中该导航序列复用该成像序列的射频激发脉冲和选层梯度，即在成像序列的每个重复时间内执行上述指令一到指令四。

可选地，在成像序列的每个重复时间之前执行该导航序列的一个或多个重复时间，即在执行成像序列的每个重复时间之前重复执行一次或多次上述指令一到指令四。

可选地，指令二中，导航梯度被施加在图像重建坐标的一个或多个方向轴上。

可选地，还包括指令五：在选层梯度结束后的预设的延迟时间后发射导航梯度，即，相邻的选层梯度和导航梯度之间具有该预设的延迟时间。

可选地，指令三中的“计算采集的自由感应衰减信号相对于中心频率的频率偏移”的步骤包括：将时域上的自由感应衰减信号变换为频域信号。

实施例五

本发明的第五实施例还用于提供一种存储设备，其用于存储上述计算机程序。

图5为利用本发明的上述实施例获得志愿者的呼吸运动轨迹，其与志愿者实际的呼吸运动轨迹一致。

本发明的上述实施例中，通过激发被检测对象的成像体积，并使该成像体积产生的自由感应衰减信号的频率随着成像体积的位置的改变而相对于中心频率发生频率偏移，利用该频率偏移随时间的变化获取被检测对象的运动轨迹，获得的运动轨迹可以用于运动触发/门控，使得获得运动的特定阶段(如呼气末尾阶段)的成像数据进行图像重建。相较现有技术，无需增加额外的硬件设备；避免了设定器官边界的某一区域作为“追踪器(Tracker)”所付出的巨大代价，简化用户的操作流程；导航序列重复时间较短(在一个示例性地试验中，一个完整的导航序列所需的时间小于50微秒)，因此运动检测的分辨率较高；并且可以避免采用Tracker技术时必须采用大翻转角度的射频激发脉冲所带来的饱和风险；另外，上述实施例可以用于三维成像序列，也可用于二维成像序列。

上面已经描述了一些示例性实施例，然而，应该理解的是，可以做出各种修改。例如，如果所描述的技术以不同的顺序执行和/或如果所描述的系统、架构、设备或电路中的组件以不同方式被组合和/或被另外的组件或其等同物替代或补充，则可以实现合适的结果。相应地，其他实施方式也落入权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于磁共振成像的运动追踪方法，包括：

激发被检测对象的一个成像体积；

使所述成像体积产生的自由感应衰减信号的频率随着所述成像体积的位置的改变而相对于中心频率发生频率偏移；

多次采集所述自由感应衰减信号并计算采集的自由感应衰减信号相对于中心频率的频率偏移；以及，

根据所述频率偏移随时间的变化获取被检测对象的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的磁共振成像的运动追踪方法，其特征在于，通过执行导航序列追踪被检测对象的运动轨迹，所述导航序列的每个重复时间包括：

通过发射射频激发脉冲和选层梯度来激发被检测对象的一个成像体积；

通过在所述射频激发脉冲和选层梯度结束后发射导航梯度来使所述成像体积产生的自由感应衰减信号的频率随着所述成像体积的位置的改变而相对于中心频率发生频率偏移；

其中，在所述导航梯度持续期间采集所述自由感应衰减信号。

3.根据权利要求2所述的磁共振成像的运动追踪方法，其特征在于，在成像序列的每个重复时间内嵌入所述导航序列的一个重复时间，其中所述导航序列复用所述成像序列的射频激发脉冲和选层梯度。

4.根据权利要求2所述的磁共振成像的运动追踪方法，其特征在于，在成像序列的每个重复时间之前执行所述导航序列的一个或多个重复时间。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述导航梯度被施加在图像重建坐标的一个或多个方向轴上。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，相邻的选层梯度和导航梯度之间具有预设的延迟时间。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，“计算采集的自由感应衰减信号相对于中心频率的频率偏移”的步骤包括：将时域上的自由感应衰减信号变换为频域信号。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述射频激发脉冲的翻转角度小于10度。

9.一种计算机程序，当所述计算机程序运行于一磁共振成像系统中时，使所述磁共振成像系统执行权利要求1-8任一项所述的运动追踪方法。

10.一种存储设备，用于存储权利要求9所述的计算机程序。