CN110604571A - 一种分段编码的双核同步磁共振成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分段编码的双核同步磁共振成像方法，设置检查区域、层厚、采样矩阵；相位编码梯度通道GP中，首先施加第一段相位编码梯度，等待核2磁共振信号信号采集完成后，施加第二段相位编码梯度，第一段相位编码梯度的强度为相位编码梯度数组乘以第二段相位编码梯度的强度为若γ₁>γ₂，第二段相位编码梯度反方向施加；否则第二段相位编码梯度与第一段相位编码梯度同方向施加。本发明重建出两种核素的图像分辨率一致，像素位置一一对应，实现了两核同步成像获得的不同核素图像的精确配准，解决了不同核素层厚、FOV相差较大问题。

Description

一种分段编码的双核同步磁共振成像方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像技术领域，具体涉及一种分段编码的双核同步磁共振成像方法。

背景技术

核磁共振成像(MRI)已广泛应用于临床前研究和医学诊断中。水在生物体广泛而密集的存在，氢核的核磁灵敏度高，从而成为生物体成像的首选原子核。然而，对于观测生命活动、疾病的发展过程，最基本、最重要的生理活动之一是代谢，氢核能够提供的代谢信息少，钠(²³Na)、磷(³¹P)、氧(¹⁷O)等核直接参与代谢活动；此外，外源性氟(¹⁹F)纳米探针能够获取分子靶点信息，可用于定位病变的位置等；因而随着MRI技术的进步，同一关注区域，多种核素的磁共振成像成为研究热点。

传统MRI成像方法，获得两种核素的图像需进行两次检查，这不仅使成像时间过长，而且若两次检查过程中被测对象移动还会导致两种核素的图像像素难以精确配准，双核同步成像方法则为上述问题提供了潜在的解决方案。

磁共振成像中检查区域的大小记为FOV，层厚记为Th，FOV、梯度强度与射频脉冲、采样参数之间满足以下关系：

选层梯度与射频脉冲配合，激发层面内的原子核产生横向磁化，层厚、选层梯度强度Gslevel和射频脉冲激发的频域宽度BW满足式(1)，

γ×Gslevel×Th＝BW 式(1)

其中γ是原子核的磁旋比。

获得一个层面的图像需要对两个正交方向进行梯度编码。其中相位编码方向，对横向磁化进行多步编码，梯度强度逐步变化，若第n步编码梯度强度记为Gp(t,n)，梯度强度与时间的积分面积记为Kp(n)，如式(2)，相邻编码步的面积之差记为△Kp，如式(3)，则△Kp与相位编码方向FOVp之间满足式(4)，

Kp(n)＝γ×∫Gp(t,n)×dt 式(2)

△Kp＝Kp(n)-Kp(n-1) 式(3)

△Kp＝1/FOVp 式(4)

读出梯度编码的同时采集回波信号或部分回波信号，读出梯度方向FOVr、梯度强度Grlevel和采样谱宽SW之间满足式(5)，

γ×Grlevel×FOVr＝SW 式(5)

双核同步磁共振成像过程中，施加的梯度是同时作用于两种核素的，然而不同核素的磁旋比是原子核的固有属性，且差别大，由公式(1)(4)(5)易知，对于不同核素，施加同一梯度，采集的信号对应的层厚和FOV是不同的，导致图像的大小及分辨率不同，不利于不同核素图像之间的配准、比较。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种分段编码的双核同步磁共振成像方法，在进行双核同步成像中保持两种核素所对应的层厚Th、检查区域大小FOV一致，图像重建后，两种核素对应图像的分辨率和像素位置一一对应，确保配准，便于进一步的研究工作。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种分段编码的双核同步磁共振成像方法，包括以下步骤：

全局设置步骤，具体为：

设置检查区域FOV、层厚Th、采样矩阵[M N]；

其中，M是采样点数，N是相位编码方向的编码步数，检查区域FOV包括读出梯度方向检查区域FOVr和相位编码方向检查区域FOVp；

相位编码梯度分段施加步骤，具体为：

根据相位编码梯度的函数形式、选层回聚梯度脉宽和核1的磁旋比γ₁，计算出相位编码梯度强度数组Gp，

相位编码梯度强度数组Gp有N个相位编码梯度强度值Gp(t,n)，相位编码梯度强度数组Gp的第n个相位编码梯度强度值Gp(t,n)分别与第n步相位编码相对应，其中t为时间，n∈{1-N}，相邻两步相位编码的梯度面积差△Kp满足下式：△Kp＝γ₁∫Gp(t,n)dt-γ₁∫Gp(t,n-1)dt＝1/FOVp，

相位编码梯度通道GP中，首先施加第一段相位编码梯度，等待核2磁共振信号echo2采集完成后，施加第二段相位编码梯度，

第一段相位编码梯度的强度为相位编码梯度数组Gp乘以其中γ₂为核2的磁旋比，

第二段相位编码梯度的强度为若γ₁>γ₂，第二段相位编码梯度反方向施加；否则第二段相位编码梯度与第一段相位编码梯度同方向施加，

第二段相位编码梯度的脉冲宽度与第一段相位编码梯度的脉冲宽度相等。

一种分段编码的双核同步磁共振成像方法，还包括以下步骤：

设置F1通道和F2通道的参数，F1通道为核1对应的射频激发通道，F2通道为核2对应的射频激发通道，具体为：

设置F1通道的参数，F1通道的参数包括：核1激发脉冲、脉冲宽度P₁、采样谱宽SW，

根据核1激发脉冲的属性参数，计算出核1激发脉冲的频域宽度BW₁，

根据γ₁×Gslevel×Th＝BW₁，计算出选层梯度的强度Gslevel，γ₁为核1的磁旋比，

根据γ₂×Gslevel×Th＝BW₂，计算出核2激发脉冲的频域宽度BW₂，γ₂为核2的磁旋比，

设置F2通道的参数，F2通道的参数包括：核2激发脉冲、脉冲宽度P₂、采样谱宽SW，

F2通道的参数中，根据核2激发脉冲的属性参数计算出频域宽度为BW₂时需要设置的脉冲宽度P₂，F2通道的参数中的采样谱宽SW与F1通道的采样谱宽SW参数一致，

核1激发脉冲的中心、核2激发脉冲的中心和选层梯度的中心在时序上对齐。

一种分段编码的双核同步磁共振成像方法，还包括设置选层梯度通道GS的参数，选层梯度通道GS的参数包括选层梯度的强度Gslevel、选层梯度的宽度和选层回聚梯度的宽度，选层梯度的宽度设置为脉冲宽度P₁和脉冲宽度P₂中的较大值，选层回聚梯度在选层梯度后施加。

一种分段编码的双核同步磁共振成像方法，还包括设置读出梯度通道Gr的参数，具体为

根据γ₁×Grlevel₁×FOVr＝SW计算出核1读出梯度的强度Grlevel₁，

根据计算出核2读出梯度的强度Grlevel₂，

根据0.5×S1＝S2+0.5×S3计算出核1读出补偿梯度的面积S2，其中S1表示核2读出梯度的面积，S3表示核1读出梯度的面积，根据核1读出补偿梯度的面积S2获得核1读出补偿梯度的强度，

读出梯度通道GR依次施加核2读出准备梯度、核2读出梯度、核1读出补偿梯度和核1读出梯度，核1读出梯度的强度为Grlevel₁。

第一段相位编码梯度的中心、选层回聚梯度的中心、核2读出准备梯度的中心在时序上对齐，且第一段相位编码梯度的脉宽、选层回聚梯度的脉宽、核2读出准备梯度的脉宽一致；核1读出补偿梯度的中心与第二段相位编码梯度的中心在时序上对齐，且核1读出补偿梯度的脉宽与第二段相位编码梯度的脉宽相同。

在读出梯度通道GR施加核2读出梯度期间，核2对应的信号接收通道R2采集核2磁共振信号echo2；

在读出梯度通道GR施加核1读出梯度期间，核1对应的信号接收通道R1采集核1磁共振信号echo1。

将核2磁共振信号echo2填充到核2的K空间进行图像重建，获得核2的图像；将核1磁共振信号echo1填充到核1的K空间，沿K空间矩阵的读出梯度方向首尾翻转，进行重建，获得核1的图像。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明通过调整激发脉冲的参数，确保了两种核素的层厚一致；

2、本发明通过调整读出梯度方向的梯度强度，并施加补偿梯度，确保两种核素读出梯度方向的散相信号均回聚且FOV一致；

3、本发明通过调整相位编码梯度的强度，分两段施加，在第一段相位编码梯度施加期间采集核2磁共振信号echo2，第二段相位编码梯度施加期间采集核1磁共振信号echo1，确保两种核素相位编码方向的FOV一致；

4、本发明重建出两种核素的图像分辨率一致，像素位置一一对应，实现了两核同步成像获得的不同核素图像的精确配准

5、本发明解决了不同核素层厚、FOV相差较大问题，有助于推动两核甚至多核同步磁共振成像技术在临床的应用进程。

附图说明

图1为本发明实施例一个扫描周期(TR)的磁共振成像脉冲序列时序图，横轴表示时间轴。

图2为相位编码梯度通道GP中两种核素相邻相位编码步的梯度强度值。其中：A表示常规MRI相位编码方式，B表示γ₁大于γ₂时编码分段方式，C表示γ₁小于γ₂时编码分段方式。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在支持两通道或多通道同步发射和接收的磁共振成像系统控制台装载如图1所示的脉冲序列；其中两个发射通道和两个接收通道的分别与核1和核2对应。

一种分段编码的双核同步磁共振成像方法，包括以下步骤：

步骤1、设置检查区域FOV(Field of View)、层厚Th、采样矩阵[M N]；

其中，M是采样点数，N是相位编码方向的编码步数，检查区域FOV包括读出梯度方向检查区域FOVr和相位编码方向检查区域FOVp；

步骤2、设置F1通道的参数，F1通道的参数包括：核1激发脉冲、脉冲宽度P₁、采样谱宽SW，

本实施例中，核1激发脉冲选为SINC脉冲，F1通道为核1对应的射频激发通道，F1通道施加SINC脉冲。

步骤3、根据SINC脉冲的属性参数，计算出核1激发脉冲的频域宽度BW₁。

步骤4、根据式子γ₁×Gslevel×Th＝BW₁，计算出选层梯度的强度Gslevel。γ₁为核1的磁旋比。

步骤4、根据式子γ₂×Gslevel×Th＝BW₂，计算出施加选层梯度的强度Gslevel，层厚为Th时，核2激发脉冲的频域宽度BW₂，γ₂为核2的磁旋比。

步骤5、设置F2通道的参数，F2通道的参数包括：核2激发脉冲、脉冲宽度P₂、采样谱宽SW，

F2通道的参数中，核2激发脉冲选为Gauss脉冲，根据Gauss脉冲的属性参数计算出频域宽度BW₂时需要设置的脉冲宽度P₂。F2通道的参数中的采样谱宽SW与F1通道的采样谱宽SW参数一致，F2通道施加Gauss脉冲。

其中，F2通道为核2对应的射频激发通道。

步骤6、设置选层梯度通道GS的参数，选层梯度通道GS的参数包括选层梯度的强度Gslevel、选层梯度的宽度和选层回聚梯度的宽度，选层梯度的宽度设置为脉冲宽度P₁和脉冲宽度P₂中的较大值，选层回聚梯度在选层梯度后施加。

优选的，核1激发脉冲中心、核2激发脉冲中心和选层梯度的中心在时序上对齐。

步骤7、根据相位编码梯度的函数形式、选层回聚梯度脉宽和核1的磁旋比γ₁，计算出相位编码梯度强度数组Gp，

相位编码梯度强度数组Gp有N个相位编码梯度强度值Gp(t,n)，相位编码梯度强度数组Gp的第n个相位编码梯度强度值Gp(t,n)分别与第n步相位编码相对应，其中t为时间，n∈{1-N}，相邻两步相位编码的梯度面积差△Kp满足下式：

△Kp＝γ₁∫Gp(t,n)dt-γ₁∫Gp(t,n-1)dt＝1/FOVp

步骤8、相位编码梯度通道GP中，相位编码梯度分两段施加，即依次施加第一段相位编码梯度和第二段相位编码梯度，时序如图1所示，首先施加第一段相位编码梯度，等待核2磁共振信号echo2采集完成后，施加第二段相位编码梯度。其中第一段相位编码梯度和第二段相位编码梯度的强度变换关系如图2所示：相位编码梯度数组Gp乘以作为第一段相位编码梯度的强度,

可知，对于核2通道而言，第一段相位编码梯度施加后，若相邻两步相位编码梯度的面积之差记为△Kp₂，则

此时，核2通道的FOV与设置的FOVp保持一致。

步骤9、相位编码梯度通道GP,施加第二段相位编码梯度，第二段相位编码梯度的脉冲宽度与第一段相位编码梯度的脉冲宽度相等，如图2所示，第二段相位编码梯度的强度为此时，若γ₁>γ₂，第二段相位编码梯度反方向施加，如图2B所示；否则第二段相位编码梯度与第一段相位编码梯度同方向施加，如图2C所示。

对于核1通道而言，两段相位编码梯度施加之后，相邻两步相位编码梯度的面积之和为：

即核1通道的FOV与设置的数值FOVp一致。

步骤10、设置读出梯度通道GR的参数，根据γ₁×Grlevel₁×FOVr＝SW，计算出核1读出梯度的强度Grlevel₁。

步骤11、根据计算出核2读出梯度的强度Grlevel₂。

步骤12、根据0.5×S1＝S2+0.5×S3计算出核1读出补偿梯度的面积S2，其中S1表示核2读出梯度的面积，S3表示核1读出梯度的面积，根据核1读出补偿梯度的面积S2获得核1读出补偿梯度的强度。

先后施加核2读出梯度和核1读出补偿梯度，可以微调核1读出补偿梯度的强度实现部分Fourier采样或补偿梯度系统的不理想性。

步骤13、读出梯度通道GR依次施加核2读出准备梯度、核2读出梯度、核1读出补偿梯度和核1读出梯度。核1读出梯度的强度Grlevel₁由步骤10获得。

第一段相位编码梯度的中心、选层回聚梯度的中心、核2读出准备梯度的中心在时序上对齐，且第一段相位编码梯度的脉宽、选层回聚梯度的脉宽、核2读出准备梯度的脉宽一致；核1读出补偿梯度的中心与第二段相位编码梯度的中心在时序对齐，且核1读出补偿梯度的脉宽与第二段相位编码梯度的脉宽相同。

步骤14、R2通道，采样谱宽设为SW，在施加核2读出梯度期间采集核2磁共振信号echo2，R2通道为核2对应的接收通道。

步骤15、R1通道，在施加核1读出梯度期间采集核1磁共振信号echo1，R1通道为核1对应的接收通道。

步骤17、核2磁共振信号echo2填充到核2的K空间进行图像重建，获得核2的图像；核1磁共振信号echo1填充到核1的K空间，沿K空间矩阵的读出梯度方向首尾翻转，进行重建，获得核1的图像。此时核1的图像和核2的图像分辨率相同，像素位置一一对应，实现了精确配准。

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种分段编码的双核同步磁共振成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

全局设置步骤，具体为：

设置检查区域FOV、层厚Th、采样矩阵[M N]；

其中，M是采样点数，N是相位编码方向的编码步数，检查区域FOV包括读出梯度方向检查区域FOVr和相位编码方向检查区域FOVp；

相位编码梯度分段施加步骤，具体为：

根据相位编码梯度的函数形式、选层回聚梯度脉宽和核1的磁旋比γ₁，计算出相位编码梯度强度数组Gp，

相位编码梯度强度数组Gp有N个相位编码梯度强度值Gp(t,n)，相位编码梯度强度数组Gp的第n个相位编码梯度强度值Gp(t,n)分别与第n步相位编码相对应，其中t为时间，n∈{1-N}，相邻两步相位编码的梯度面积差△Kp满足下式：△Kp＝γ₁∫Gp(t,n)dt-γ₁∫Gp(t,n-1)dt＝1/FOVp，

相位编码梯度通道GP中，首先施加第一段相位编码梯度，等待核2磁共振信号echo2采集完成后，施加第二段相位编码梯度，

第一段相位编码梯度的强度为相位编码梯度数组Gp乘以其中γ₂为核2的磁旋比，

第二段相位编码梯度的强度为若γ₁>γ₂，第二段相位编码梯度反方向施加；否则第二段相位编码梯度与第一段相位编码梯度同方向施加，

第二段相位编码梯度的脉冲宽度与第一段相位编码梯度的脉冲宽度相等。

2.根据权利要求1所述的一种分段编码的双核同步磁共振成像方法，其特征在于，还包括以下步骤：

设置F1通道和F2通道的参数，F1通道为核1对应的射频激发通道，F2通道为核2对应的射频激发通道，具体为：

设置F1通道的参数，F1通道的参数包括：核1激发脉冲、脉冲宽度P₁、采样谱宽SW，

根据核1激发脉冲的属性参数，计算出核1激发脉冲的频域宽度BW₁，

根据γ₁×Gslevel×Th＝BW₁，计算出选层梯度的强度Gslevel，γ₁为核1的磁旋比，

根据γ₂×Gslevel×Th＝BW₂，计算出核2激发脉冲的频域宽度BW₂，γ₂为核2的磁旋比，

设置F2通道的参数，F2通道的参数包括：核2激发脉冲、脉冲宽度P₂、采样谱宽SW，

F2通道的参数中，根据核2激发脉冲的属性参数计算出频域宽度为BW₂时需要设置的脉冲宽度P₂，F2通道的参数中的采样谱宽SW与F1通道的采样谱宽SW参数一致，

核1激发脉冲的中心、核2激发脉冲的中心和选层梯度的中心在时序上对齐。

3.根据权利要求2所述的一种分段编码的双核同步磁共振成像方法，其特征在于，还包括设置选层梯度通道GS的参数，选层梯度通道GS的参数包括选层梯度的强度Gslevel、选层梯度的宽度和选层回聚梯度的宽度，选层梯度的宽度设置为脉冲宽度P₁和脉冲宽度P₂中的较大值，选层回聚梯度在选层梯度后施加。

4.根据权利要求3所述的一种分段编码的双核同步磁共振成像方法，其特征在于，还包括设置读出梯度通道GR的参数，具体为

根据γ₁×Grlevel₁×FOVr＝SW计算出核1读出梯度的强度Grlevel₁，

根据计算出核2读出梯度的强度Grlevel₂，

根据0.5×S1＝S2+0.5×S3计算出核1读出补偿梯度的面积S2，其中S1表示核2读出梯度的面积，S3表示核1读出梯度的面积，根据核1读出补偿梯度的面积S2获得核1读出补偿梯度的强度，

读出梯度通道GR依次施加核2读出准备梯度、核2读出梯度、核1读出补偿梯度和核1读出梯度，核1读出梯度的强度为Grlevel₁。

5.根据权利要求4所述的一种分段编码的双核同步磁共振成像方法，其特征在于，第一段相位编码梯度的中心、选层回聚梯度的中心、核2读出准备梯度的中心在时序上对齐，且第一段相位编码梯度的脉宽、选层回聚梯度的脉宽、核2读出准备梯度的脉宽一致；核1读出补偿梯度的中心与第二段相位编码梯度的中心在时序上对齐，且核1读出补偿梯度的脉宽与第二段相位编码梯度的脉宽相同。

6.根据权利要求5所述的一种分段编码的双核同步磁共振成像方法，其特征在于，在读出梯度通道GR施加核2读出梯度期间，核2对应的信号接收通道R2采集核2磁共振信号echo2；

在读出梯度通道GR施加核1读出梯度期间，核1对应的信号接收通道R1采集核1磁共振信号echo1。

7.根据权利要求6所述的一种分段编码的双核同步磁共振成像方法，其特征在于，将核2磁共振信号echo2填充到核2的K空间进行图像重建，获得核2的图像；将核1磁共振信号echo1填充到核1的K空间，沿K空间矩阵的读出梯度方向首尾翻转，进行重建，获得核1的图像。