CN110857972B - 用于对倾斜扫描进行波形优化的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“用于对倾斜扫描进行波形优化的系统和方法”。提供了用于对倾斜成像的梯度波形进行优化的方法和系统。在一个实施方案中，方法包括：在逻辑轴中生成初始梯度波形；评估初始梯度波形中的每个初始梯度波形的面积需求；增加第一逻辑轴中的初始梯度波形的最大振幅；减小第二逻辑轴中的初始梯度波形的最大振幅，其中第一逻辑轴中的面积需求大于第二逻辑轴中的面积需求；将梯度波形转换为物理梯度波形；以及在扫描期间利用物理梯度波形来驱动成像系统的物理放大器。这样，可在不具有因回波时间、重复时间和回波间隔增加引起的性能降低的情况下执行倾斜扫描。

Description

用于对倾斜扫描进行波形优化的系统和方法
技术领域
本文所公开的主题的实施方案涉及磁共振成像(MRI)，并且更具体地讲，涉及对倾斜成像的梯度波形进行优化。
背景技术
磁共振成像(MRI)是一种可在不使用x射线或其他电离辐射的情况下产生人体内部影像的医学成像模态。MRI使用超导磁体来产生强大、一致、稳恒的磁场。当将人体或人体的一部分被放置在磁场中时，与组织水中的氢原子核相关联的核自旋变得极化，其中与这些自旋相关联的磁矩变得优先沿磁场的方向对准，从而导致沿着该轴的小的净组织磁化。MRI系统进一步包括梯度线圈，该梯度线圈利用正交轴产生较小振幅、在空间上变化的磁场，以通过在身体中的每个位置处产生特征共振频率来对MR信号进行空间编码。然后，使用射频(RF)线圈在处于氢原子核的共振频率下或接近该共振频率处产生RF能量脉冲，该RF能量脉冲会给核自旋系统添加能量。随着核自旋弛豫回到其静能状态，这些核自旋以RF信号的形式释放所吸收的能量。该信号由MRI系统检测并使用重建算法变换为图像。
发明内容
在一个实施方案中，用于执行磁共振(MR)的倾斜扫描的方法包括：在逻辑轴中生成初始梯度波形，这些逻辑轴包括频率编码轴、相位编码轴和切片选择轴，其中逻辑轴中的初始梯度波形的最大振幅相等；评估初始梯度波形中的每个初始梯度波形的面积需求；增加第一逻辑轴中的初始梯度波形的最大振幅；减小第二逻辑轴中的初始梯度波形的最大振幅，其中第一逻辑轴中的面积需求大于第二逻辑轴中的面积需求；将梯度波形转换为物理梯度波形；以及在扫描期间利用物理梯度波形来驱动成像系统的物理放大器。这样，可在不具有因回波时间、重复时间和回波间隔增加引起的性能降低的情况下执行倾斜扫描。
应当理解，提供上面的简要描述来以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的精选概念。这并不意味着识别所要求保护的主题的关键或必要特征，该主题范围由具体实施方式后的权利要求书唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上文或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。
附图说明
通过参考附图阅读以下对非限制性实施方案的描述将更好地理解本发明，在以下附图中：
图1是根据一个示例性实施方案的MRI系统的框图；
图2示出了一组曲线图，该组曲线图示出轴向成像平面的示例性波形；
图3示出了一组曲线图，该组曲线图示出倾斜成像平面的示例性波形；
图4示出了根据一个示例性实施方案的一组曲线图，该组曲线图示出从正交成像平面到倾斜成像平面的振幅改变；
图5示出了根据一个示例性实施方案的一组曲线图，该组曲线图示出倾斜成像平面中优化的脉冲振幅；
图6示出了曲线图，该曲线图示出逻辑轴中的沿着物理轴的梯度波形的波形分量，其中在倾斜扫描的最大规格下利用物理梯度；
图7示出了根据一个实施方案的曲线图，该曲线图示出沿着物理轴的梯度波形的波形分量的示例性优化，其中在倾斜扫描的最大规格下不利用物理梯度；
图8示出了曲线图，该曲线图示出梯度波形的波形分量的示例性优化，其中使用如图7所示的物理梯度的未用容量；
图9示出了曲线图，该曲线图示出如图8所示的优化的沿着物理轴的梯度波形的波形分量的示例；
图10示出了一组曲线图，该组曲线图示出未优化的梯度波形；
图11示出了根据一个示例性实施方案的一组曲线图，该组曲线图示出在一次优化迭代之后的图10的梯度波形；
图12示出了根据一个示例性实施方案的一组曲线图，该组曲线图示出在二十次优化迭代之后的图10的梯度波形；
图13示出了根据一个示例性实施方案的一组曲线图，该组曲线图示出在五十次优化迭代之后的图10的梯度波形；
图14示出了一组曲线图，该组曲线图示出未优化的梯度波形；
图15示出了根据一个示例性实施方案的一组曲线图，该组曲线图示出优化之后的图14的梯度波形；
图16示出了一组曲线图，该组曲线图示出未优化的梯度波形；
图17示出了根据一个示例性实施方案的一组曲线图，该组曲线图示出在一次优化迭代之后的图16的梯度波形；
图18示出了根据一个示例性实施方案的一组曲线图，该组曲线图示出在十次优化迭代之后的图16的梯度波形；
图19示出了根据一个示例性实施方案的一组曲线图，该组曲线图示出在二十五次优化迭代之后的图16的梯度波形；
图20示出了根据一个实施方案的高级流程图，该高级流程图示出用于利用优化的波形来执行倾斜扫描的示例性方法；
图21示出了根据一个实施方案的高级流程图，该高级流程图示出用于对波形进行优化的示例性方法；并且
图22示出了根据一个示例性实施方案的曲线图，该曲线图示出优化的波形的回波间隔变化。
具体实施方式
以下描述涉及用于在MRI系统中对梯度波形进行优化的各种系统和方法。具体地讲，提供了用于在MRI系统(诸如图1所描绘的MRI系统)中对梯度波形进行优化的方法。如图2和图3所描绘，对于倾斜成像平面而言，与正交成像平面相比，表征梯度波形的扫描参数(诸如回波间隔、回波时间和重复时间)可增加，这降低了倾斜扫描的成像性能。如图4所示，对于倾斜视图而言，不同梯度波形的振幅减小，因为单个梯度放大器生成了多个梯度的分量。如图5所示，可针对倾斜视图来对梯度波形的振幅和脉冲宽度进行优化。如图6至图9所描绘，可根据梯度波形的逻辑轴与梯度放大器或线圈的物理轴之间的角度来对梯度波形的振幅进行优化。图10至图19中描绘了梯度波形的示例性迭代优化。倾斜成像的示例性方法(诸如图20所描绘的方法)包括：根据面积需求来对逻辑轴中的波形进行优化，以及将优化的波形转换为物理梯度波形以驱动梯度放大器。用于对波形进行优化的方法(诸如图21所描绘的方法)包括调节波形的振幅和转换速率。根据本文所述方法来对梯度波形进行优化继而对扫描参数进行优化(如图22所描绘)，使得可在不具有性能损失的情况下执行倾斜成像。
图1示出了磁共振成像(MRI)装置10，该MRI装置包括静磁场磁体单元12、梯度线圈单元13、RF线圈单元14、RF体线圈单元15、发送/接收(T/R)开关20、RF驱动器单元22、梯度线圈驱动器单元23、数据获取单元24、控制器单元25、病床26、数据处理单元31、操作控制台单元32和显示单元33。MRI装置10将电磁脉冲信号发送到放置在成像空间18中的受检者16，该成像空间形成有静磁场以执行从受检者16获得磁共振(MR)信号的扫描，从而基于通过扫描由此获得的MR信号重建受检者16的切片的图像。
静磁场磁体单元12通常包括例如安装在环形真空容器内的环形超导磁体。磁体限定了围绕受检者16的圆柱形空间并生成恒定的主静磁场B0。
MRI装置10进一步包括梯度线圈单元13，该梯度线圈单元在成像空间18中生成梯度磁场，以便为RF线圈单元14接收的MR信号提供三维位置信息。梯度线圈单元13包括三个梯度线圈系统，梯度线圈系统中的每个梯度线圈系统生成梯度磁场(该梯度磁场包括在彼此垂直的三个空间轴中的一个空间轴中)，并且根据成像条件在每个频率编码方向、相位编码方向和切片选择方向上生成梯度场。更具体地讲，梯度线圈单元13在受检者16的切片选择方向上施加梯度场以选择切片；并且RF线圈单元14将RF脉冲发送到受检者16的所选切片并对该所选切片进行激励。梯度线圈单元13还在受检者16的相位编码方向上施加梯度场，以对来自由RF脉冲激励的切片的MR信号进行相位编码。然后，梯度线圈单元13在受检者16的频率编码方向上施加梯度场，以对来自由RF脉冲激励的切片的MR信号进行频率编码。
RF线圈单元14例如被设置为包围受检者16的待成像区域。在由静磁场磁体单元12形成静磁场B0的静磁场空间或成像空间18中，RF线圈单元14基于来自控制器单元25的控制信号将作为电磁波的RF脉冲发送到受检者16，并因此生成高频磁场B1。这激发了受检者16的待成像的切片中的质子自旋。RF线圈单元14接收当在受检者16的待成像的切片中如此激发的质子自旋返回到与初始磁化矢量对准时生成的电磁波作为MR信号。RF线圈单元14可以使用相同RF线圈来发送和接收RF脉冲。
RF体线圈单元15例如被设置为包围成像空间18，并且产生与由成像空间18内的静磁场磁体单元12产生的主磁场B0正交的RF磁场脉冲B1以激发原子核。与可以容易地与MR装置10断开并用另一个RF线圈单元替换的RF线圈单元14相比，RF体线圈单元15固定地附接并连接到MRI装置10。此外，尽管局部线圈诸如包括RF线圈单元14的那些局部线圈可以向受检者16的局部区域发送信号或仅从该局部区域接收信号，RF体线圈单元15通常具有较大的覆盖区域，并且可用于向受检者16的整个身体发送信号或从该整个身体接收信号。使用仅接收局部线圈、和发射体线圈提供均匀的RF激发和良好的图像均匀性，代价是沉积在受检者16中的高RF功率。对于发射-接收局部线圈而言，局部线圈向感兴趣区域提供RF激发并接收MR信号，从而减小沉积在受检者16中的RF功率。应当理解，RF线圈单元14和/或RF体线圈单元15的特定用途取决于成像应用。
当在接收模式下操作时，T/R开关20可以将RF体线圈单元15选择性地电连接到数据获取单元24，并且当在发送模式下操作时，该T/R开关可以将该RF体线圈单元选择性地电连接到RF驱动器单元22。类似地，当RF线圈单元14以接收模式操作时，T/R开关20可以将RF线圈单元14选择性地电连接到数据获取单元24，并且当以发送模式操作时，该T/R开关可以将该RF线圈单元选择性地电连接到RF驱动器单元22。当RF线圈单元14和RF体线圈单元15两者都用于单次扫描时，例如，如果RF线圈单元14被配置为接收MR信号且RF体线圈单元15被配置为发送RF信号，则T/R开关20可以将来自RF驱动器单元22的控制信号引导到RF体线圈单元15，同时将接收的MR信号从RF线圈单元14引导到数据获取单元24。RF体线圈单元15的线圈可以被配置为以仅发送模式、仅接收模式或发送-接收模式操作。局部RF线圈单元14的线圈可以被配置为以发送-接收模式或仅接收模式操作。
RF驱动器单元22包括栅极调制器(未示出)、RF功率放大器(未示出)和RF振荡器(未示出)，这些部件用于驱动RF线圈单元14并在成像空间18中形成高频磁场。RF驱动器单元22基于来自控制器单元25的控制信号并使用栅极调制器来将从RF振荡器接收的RF信号调制成具有预定包络的预定定时的信号。由栅极调制器调制的RF信号由RF功率放大器放大，并且然后输出到RF线圈单元14或RF体线圈单元15。
梯度线圈驱动器单元23基于来自控制器单元25的控制信号驱动梯度线圈单元13，并因此在成像空间18中生成梯度磁场。梯度线圈驱动器单元23包括与梯度线圈单元13中包括的三个梯度线圈系统相对应的驱动器电路或梯度放大器53的三个系统。如图所描绘，梯度放大器53包括z方向上的梯度的Gz放大器54、y方向上的梯度的Gy放大器55以及x方向上的梯度的Gx放大器56。
数据获取单元24包括前置放大器(未示出)、相位检测器(未示出)和模拟/数字转换器(未示出)，用于获取由RF线圈单元14接收的MR信号。在数据获取单元24中，相位检测器使用来自RF驱动器单元22的RF振荡器的输出作为参考信号来对从RF线圈单元14接收并由前置放大器放大的MR信号进行相位检测，并且将相位检测的模拟MR信号输出到模拟/数字转换器以转换成数字信号。由此获得的数字信号被输出到数据处理单元31。
MRI装置10包括用于在其上放置受检者16的工作台26。通过基于来自控制器单元25的控制信号移动工作台26，可以使受检者16在成像空间18的内部和外部移动。
控制器单元25包括计算机和记录介质，在该记录介质上记录有待计算机执行的程序的记录介质。程序当由计算机执行时使设备的各个部分执行与预定扫描相对应的操作。记录介质可包括例如ROM、软盘、硬盘、光盘、磁光盘、CD-ROM或非易失性存储卡。控制器单元25连接到操作控制台单元32并处理输入到操作控制台单元32的操作信号，并且还通过向工作台26、RF驱动器单元22、梯度线圈驱动器单元23和数据获取单元24输出控制信号来控制该工作台、该RF驱动器单元、该梯度线圈驱动器单元和该数据获取单元。控制器单元25还基于从操作控制台单元32接收的操作信号来控制数据处理单元31和显示单元33以获得期望的图像。
操作控制台单元32包括用户输入设备，诸如作为非限制性示例，键盘和鼠标。操作员使用操作控制台单元32，例如，输入此类数据作为成像协议并设定要执行成像序列的区域。关于成像协议和成像序列执行区域的数据被输出到控制器单元25。
数据处理单元31包括计算机和记录介质，在该记录介质上记录有待计算机执行以执行预定数据处理的程序。数据处理单元31连接到控制器单元25，并且基于从控制器单元25接收的控制信号执行数据处理。数据处理单元31还连接到数据获取单元24，并且通过对从数据获取单元24输出的MR信号施加各种成像处理操作来生成光谱数据。
显示单元33包括显示设备，并且基于从控制器单元25接收的控制信号在显示设备的显示屏上显示图像。显示单元33显示例如有关关于操作者从操作控制台单元32输入操作数据的输入项目的图像。显示单元33还显示由数据处理单元31生成的受检者16的切片图像。
这些梯度场可被视为既在物理平面上取向，也由逻辑轴来取向。在物理意义上，这些场互相正交地取向以形成坐标系，可通过适当操纵施加到单独场线圈的脉冲电流来旋转该坐标系。在逻辑意义上，该坐标系定义通常称为切片选择梯度、频率编码梯度和相位编码梯度的梯度。
切片选择梯度确定在患者体内的待成像的组织或解剖结构的切块。因此切片选择梯度场可与选择性RF脉冲同时施加以激发在相同频率下进动的期望的切片内的已知自旋体积。切片厚度由RF脉冲的带宽和整个视场中的梯度强度来确定。
在垂直于切片选择梯度的方向上施加第二逻辑梯度轴(即，频率编码梯度轴，也称为读出梯度轴)。一般来讲，在RF激发所引起的MR回波信号的形成之前和期间施加频率编码梯度。旋磁材料在该梯度的影响下的自旋根据这些自旋在整个梯度场中的空间位置来进行频率编码。通过傅里叶变换，可分析所获取的信号以借助于频率编码来识别这些信号在所选切片中的位置。
最后，通常在读出梯度之前且在切片选择梯度之后按序列施加相位编码梯度。通过以下方式实现旋磁材料中的自旋在相位编码方向上的定域化：通过使用在数据获取序列期间按顺序施加的略微不同梯度振幅来按顺序引起材料的进动质子的相位变化。因此在整个视场中线性地施加相位变化，并且切片内的空间位置由极性及相对于零位积累的相位差程度来编码。相位编码梯度允许根据自旋在相位编码方向上的位置来在材料的这些自旋间产生相位差。
由放大器53驱动的梯度线圈单元13所生成的物理梯度可相对于成像系统进行配置，使得在轴向参考平面、矢状参考平面和冠状参考平面中成像时，物理梯度与逻辑轴对准。例如，对于轴向成像、冠状成像或矢状成像而言，GZ放大器54可用于生成切片选择梯度，GY放大器55可用于生成相位编码梯度，并且GX放大器56可用于生成频率编码梯度。这样，实现了轴向处方、矢状处方和冠状处方的最短扫描参数(例如，回波时间(TE)、重复时间(TR)和回波间隔(ESP))。
然而，当规定倾斜扫描时，这些扫描参数会变得更长，这导致倾斜扫描的应用性能降低。作为例示性示例，图2示出了一组曲线图200，该组曲线图示出轴向成像平面的示例性波形，包括波形振幅的曲线图202和波形转换速率随时间变化的曲线图203。具体地讲，曲线图202描绘了GX波形振幅210、GZ波形振幅220和GY波形振幅230，而曲线图203描绘了对应的GX波形转换速率215、GZ波形转换速率225和GY波形转换速率235。
相比之下，图3示出了一组曲线图300，该组曲线图示出倾斜成像平面的示例性波形，包括波形振幅的曲线图302和波形转换速率随时间变化的曲线图303。波形振幅的曲线图302描绘了GX波形振幅310、GZ波形振幅320和GY波形振幅330，而曲线图303描绘了对应的GX波形转换速率315、GZ波形转换速率325和GY波形转换速率335。
如图2和图3所描绘，与GX波形振幅210的最大值相比，GX波形振幅310的最大值减小。此外，GX波形振幅310的脉冲持续时间基本上长于轴向成像平面的GX波形振幅210的脉冲持续时间。由于相对较长的扫描参数(诸如TE、TR和ESP)以及相对减小的倾斜扫描振幅，因此与正交成像平面相比，倾斜扫描的应用性能一般会降低。
图4示出了一组曲线图400，该组曲线图示出正交成像平面和倾斜成像平面的两个逻辑轴中的示例性脉冲振幅。该组曲线图400包括逻辑轴X和Y中的正交脉冲和倾斜脉冲的振幅的最大值的示意图401、逻辑轴X中的轴向脉冲410和倾斜脉冲420的振幅的曲线图402以及与逻辑轴X正交的逻辑轴Y中的轴向脉冲430和倾斜脉冲440的振幅的曲线图403。
对于正交成像平面(诸如轴向成像平面、矢状成像平面或冠状成像平面)而言，由GX放大器(例如，GX放大器56)驱动的GX线圈所生成的轴向脉冲410和由GY放大器(例如，GY放大器55)驱动的GY线圈所生成的轴向脉冲430可被分配可能的最大振幅，因为逻辑轴X和逻辑轴Y与梯度线圈的物理轴X和物理轴Y对准。具体地讲，脉冲410可达到GX放大器可实现的最大振幅412，而脉冲430可达到GY放大器可实现的最大振幅432。即使第一轴向脉冲410和第二轴向脉冲430按时间排列，也可实现振幅412和振幅432两者。
在倾斜平面中，逻辑轴X和Y相对于轴向平面的逻辑轴旋转角度α，如示意图401所示。GX线圈可有助于逻辑轴X中的波形的一部分和逻辑轴Y中的波形的一部分(将在下文结合图6详细描述)。为了确保逻辑轴X和Y中的波形的组合不超过GX放大器和GY放大器可实现的最大振幅，减小逻辑轴X和Y中的倾斜脉冲的波形振幅的最大值。具体地讲，如示意图401所示，倾斜平面的逻辑轴X和Y中的波形振幅的最大值422和442所形成的正方形被限制在物理轴中的波形振幅的最大值412和432所形成的正方形内。因此，倾斜脉冲420可在逻辑轴X中实现的最大振幅422小于物理轴X中的最大振幅412，并且倾斜脉冲440可在逻辑轴Y中实现的最大振幅442小于物理轴Y中的最大振幅432。如果脉冲所围面积保持不变，则倾斜扫描的脉冲的持续时间(即，宽度)长于正交扫描的脉冲的持续时间。具体地讲，脉冲420的持续时间长于脉冲410的持续时间，并且脉冲440的持续时间长于脉冲430的持续时间，如曲线图402和曲线图403所示。
虽然为简单起见在图4中描绘了两个逻辑轴X和Y，但应当理解，实际上可使用三个逻辑轴X、Y和Z。例如，如果使用三个逻辑轴，则可将示意图401所示的正方形改变为立方体。
因此，如图2至图4所示，当规定倾斜扫描时，减小最大逻辑振幅并增加扫描参数(例如，回波时间(TE)、重复时间(TR)和回波间隔(ESP))。对于一些应用而言，不同逻辑轴中的脉冲同时开始并具有相同面积需求。例如，在一个应用中，在不同逻辑轴上同时具有相同面积需求的两个“破碎器”用于在每个TR周期结束时中止信号。对于其他应用而言，重叠脉冲的面积需求和/或重叠脉冲的起始时间可因不同逻辑轴而不同。每个梯度波形的面积需求可取决于处方。例如，如果一个方向上的分辨率改变，则对应波形的面积需求将相应地改变。因此，即使对于相同脉冲序列图(PSD)而言，一个处方可能要求不同逻辑轴中的脉冲同时开始并具有相同面积需求，而对于另一个处方(例如，沿着一个方向具有较低分辨率)而言，重叠脉冲的面积需求可不同。
对于重叠脉冲的面积需求和/或重叠脉冲的起始时间不同的那些应用而言，可执行脉冲优化。作为例示性示例，图5示出了根据一个实施方案的一组曲线图500，该组曲线图示出倾斜成像平面中的脉冲振幅的优化。该组曲线图500包括逻辑轴X中的第一未优化的倾斜脉冲510和第一优化的倾斜脉冲520的振幅的曲线图502、以及逻辑轴Y中的第二未优化的倾斜脉冲530和第二优化的倾斜脉冲540的振幅的曲线图503。
在逻辑轴X中，第一未优化的倾斜脉冲510具有振幅512和脉冲宽度(即，持续时间)514，其中振幅512小于物理轴X中的最大可实现的振幅522。与此同时，在逻辑轴Y中，第二未优化的倾斜脉冲530具有振幅532和脉冲宽度534。如图所描绘，存在逻辑轴X上的高面积需求和逻辑轴Y上的低面积需求。
为了对第一未优化的倾斜脉冲510和第二未优化的倾斜脉冲530进行优化，可在逻辑轴X中增加转换速率和振幅，同时可在逻辑轴Y中减小或降额振幅和转换速率。因此，第一优化的倾斜脉冲520的振幅522等于物理轴X中可实现的最大振幅，其中由于转换速率增加，脉冲宽度524相对于脉冲宽度514减小。第二优化的倾斜脉冲540的振幅542低于振幅532，并且尤其是低于物理轴Y中可实现的最大振幅550，同时由于该降额，脉冲宽度544相对于脉冲宽度534增加。
因此，在该示例中对脉冲510和530进行优化以生成优化的脉冲520和540包括逻辑轴Y中的降额以使得可在逻辑轴X中增加转换速率，并且基于逻辑轴Y中降额的振幅来计算逻辑轴X中可实现的最大振幅。
图6示出了曲线图600，该曲线图示出逻辑轴中的沿着物理轴的梯度波形的波形分量。具体地讲，曲线图600描绘了第一逻辑轴605(例如，逻辑轴Y)以及相对于物理轴615(例如，物理轴X)旋转了角度612的第二逻辑轴610(例如，逻辑轴X)。
与物理轴615相关联的梯度放大器具有被描绘为沿着物理轴615的最大振幅617的输出容量。
曲线图600描绘了沿着第一逻辑轴605具有振幅620的第一波形以及沿着第二逻辑轴610具有振幅630的第二波形。当逻辑轴610相对于物理轴615旋转角度612时，沿着物理轴615生成的梯度有助于第一逻辑轴605中的波形的一部分和第二逻辑轴610中的波形的一部分。最初将振幅620和630分配给相应波形，使得第一波形的分量622和第二波形的分量632相等并充分利用梯度放大器的容量，如最大振幅617所指示。例如，最初可根据图4的示意图401来确定振幅620和630。
由于在逻辑轴605和610两者中分别由振幅620和630描绘高面积需求，因此在其倾斜扫描的最大规格下利用物理梯度。
图7示出了曲线图700，该曲线图示出如果逻辑轴中的一个逻辑轴中存在低面积需求，则在其倾斜扫描的最大规格下不利用沿着物理轴615生成的梯度。例如，如果第二波形的需求对应于振幅730而非振幅630，则振幅630的分量732同样较小。由于物理轴615上的总需求705小于最大振幅617，因此存在沿着物理轴615的未用容量750。
由于沿着第一逻辑轴605的需求(如振幅620所描绘)大于沿着第二逻辑轴610的需求(如振幅730所描绘)，因此可增加第一波形的振幅以利用物理轴615的未用容量750。例如，如图8中的曲线图800所描绘，第一逻辑轴605中的第一波形的振幅从振幅620增加到优化的振幅820以便使物理轴615中的放大器的利用率最大化。因此增加沿着物理轴615的第一波形的波形分量822以利用未用容量750，使得物理轴615上的总需求等于最大振幅617。
因此，如图9中的曲线图900所描绘，增加第一波形的振幅820以考虑第二波形的较低振幅730，并且分别沿着物理轴615的第一波形和第二波形的分量822和732加起来达到物理轴615的最大振幅617。虽然为了简化讨论，图6至图9描述了两个物理轴和两个逻辑轴，但应当理解，可类似地执行三个物理轴(即，物理轴X、物理轴Y和物理轴Z)以及三个逻辑轴(即，逻辑轴X、逻辑轴Y和逻辑轴Z)的波形振幅的优化。
逻辑梯度波形与物理梯度波形之间的关系可表示为：
Figure BDA0002163543490000121
其中GphyX、GphyY和GphyZ是物理轴中的梯度波形，GlogicX、GlogicY和GlogicZ是逻辑轴中的梯度波形，并且R是3×3旋转矩阵。如本领域所熟知，旋转矩阵的元素由切片取向确定。
在评估了每个逻辑轴中的梯度面积需求后，可确定第一逻辑轴X需求GlogicDemX、第二逻辑轴Y需求GlogicDemY和第三逻辑轴Z需求GlogicDemZ。当设计PSD时，可获知每个梯度波形的面积需求以及将每个波形置于播出中的位置。可使用旋转矩阵来计算来自每个物理轴的振幅需求：
Figure BDA0002163543490000122
其中GphyDemX、GphyDemY和GphyDemZ分别是来自物理X、Y和Z轴的振幅需求。使用来自每个物理轴的这些振幅需求时，可通过将来自每个物理轴的振幅需求除以每个物理轴可提供的最大振幅来计算三个比例因子scaleX、scaleY和scaleZ。通过在所有比例因子中取最大值来获得最终比例因子scaleXYZ：
Figure BDA0002163543490000123
该共同比例因子scaleXYZ确保了每个物理轴上的梯度振幅在优化之后不超过梯度放大器能力。最后，可使用以下公式计算逻辑轴上的优化的梯度振幅：
Figure BDA0002163543490000131
其中GlogicOptX、GlogicOptY和GlogicOptZ分别是逻辑X、Y和Z轴中的优化的梯度波形振幅。
图10示出了示出未优化的梯度波形的一组曲线图1000，该未优化的梯度波形包括三个梯度波形1010、1020和1030的振幅随时间变化的曲线图1002，以及分别与曲线图1002的梯度波形相对应的转换速率1012、1022和1032的曲线图1003。
图11至图13示出了根据一个示例性实施方案的一组曲线图，该组曲线图示出图10的梯度波形的迭代优化。上述公式示出了分析方法。另一方面，可使用迭代方法，其中可逐渐看到从未优化的波形到优化的波形的改变。具体地讲，图11示出了一组曲线图1100，该组曲线图包括分别示出一次优化迭代之后的振幅和转换速率的曲线图1102和曲线图1103。如图所描绘，转换速率1122相对于转换速率1022减小，并且此外波形1120中的脉冲的振幅相对于波形1020减小。波形1120中的脉冲的起始时间还相对于波形1020中的脉冲的起始时间进行调节以便调节波形1010和1020的重叠面积需求。由于波形1020的降额，波形1110的振幅相对于波形1010的振幅增加。此外，波形1110的脉冲的脉冲宽度随振幅增加而减小，使得面积需求保持不变。
图12示出了一组曲线图1200，该组曲线图包括分别示出二十次优化迭代之后的振幅1210、1220和1230以及转换速率1212、1222和1232的曲线图1202和曲线图1203。如图所描绘，第二波形1220的脉冲的转换速率1222和起始时间相对于波形1120进行调节。此外，在波形1220中的脉冲的脉冲宽度增加时波形1210的振幅增加到2.5G/cm以上。
图13示出了一组曲线图1300，该组曲线图包括分别示出五十次优化迭代之后的振幅和转换速率的曲线图1302和曲线图1303。如图所描绘，第一波形1310的振幅达到3.0G/cm，这与图10所描绘的2.4G/cm的未优化的振幅相比是大幅的振幅增加。第二波形1320的振幅相对于图10所描绘的第二波形1020基本上减小，并且时序和转换速率1322已基本上进行调节，使得波形1320的面积需求相当于波形1020的面积需求。
由于波形1030指示无需求，因此优化的波形1130、1230和1330以及对应的转换速率1132、1232和1332相对于初始波形1030和对应的转换速率1032可不改变。
在逻辑轴中的梯度波形根据需求优化之后，这些波形被组合并转换为物理梯度波形以驱动单独梯度放大器。因此物理梯度波形有助于来自不同逻辑轴的优化的梯度波形。作为例示性示例，图14示出了示出未优化的物理梯度波形的一组曲线图1400，而图15示出了示出优化之后图14的物理梯度波形的一组曲线图1500。优化之后，不会违反物理梯度的最大振幅和最大转换速率。
在图10至图13所描绘的优化示例中，由于第三波形1030指示无需求，因此最佳地通过单独地降额第二波形1020来增加第一波形1010的振幅。应当理解，在许多情况下，可对所有三个梯度波形进行优化或调节。作为一个示例，图16示出了一组曲线图1600，该组曲线图示出未优化的梯度波形的振幅和转换速率。该组曲线图1600特别描绘了第一波形1610、第二波形1620和第三波形1630中的每一者中的脉冲以及对应的转换速率1612、1622和1632。在该示例中，波形1620下的面积(即，面积需求)大于波形1610和1630下的面积，并且因此波形1620具有最高面积需求。
在优化期间，可增加波形1620的振幅和对应的转换速率1622以使振幅最大化，同时可降额波形1610和1630以适应波形1620的最大化。图17示出了示出在一次优化迭代之后图16的梯度波形的一组曲线图1700，而图18示出了示出十次优化迭代之后图16的梯度波形的一组曲线图1800。如图所描绘，迭代地增加波形1620的振幅，同时降额波形1610和1630。图19示出了一组曲线图1900，该组曲线图示出在二十五次优化迭代之后图16的梯度波形。优化的第二波形1920的振幅为3.0G/cm，基本上大于未优化的第二波形1620的2.3G/cm振幅。优化的第二波形1920的优化的转换速率1922还相对于转换速率1622基本上增加。此外，第一优化的波形1910和第三优化的波形1930的振幅基本上接近于未优化的波形1610和1630的振幅。然而，第一优化的波形1910和第三优化的波形1930的脉冲的时序相对于未优化的波形1610和1630进行调节，并且转换速率1912和1932相对于转换速率1612和1632基本上减小。这样，保持了这三个波形的面积需求，同时用最高面积需求对波形的振幅进行优化。
图20示出了根据一个实施方案的高级流程图，该高级流程图示出利用优化的波形执行倾斜扫描的示例性方法2000。参照图1的系统和部件描述方法2000，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，方法2000可以用其他系统和部件来实现。例如，方法2000可被实现为MRI装置10的非暂态存储器中的可执行指令。
方法2000在2005处开始。在2005处，接收扫描处方。扫描处方可包括一个或多个扫描参数(包括但不限于扫描平面、分辨率、脉冲序列等)的用户选择。
在2010处，确定扫描处方是否规定倾斜扫描。如果扫描处方不包括倾斜扫描(“否”)，则方法2000进行到2015，在此根据扫描处方来执行扫描。根据具有所选扫描参数的扫描处方来生成梯度波形，并且利用梯度波形来驱动梯度放大器以经由梯度线圈产生梯度场，如上文参照图1所述。然后方法2000返回。
然而，如果扫描处方包括倾斜扫描(在2010处“是”)，则方法2000进行到2020。在2020处，评估每个逻辑轴的面积需求。例如，可基于脉冲序列、分辨率等来评估面积需求。如上所讨论，对于一个逻辑轴中的不同分辨率而言，该逻辑轴的面积需求可变化。
在2025处，根据该需求来对逻辑轴中的波形进行优化。如上文所讨论，可增加具有最高面积需求的波形的振幅和转换速率，同时减小一个或多个其他波形的振幅、时序和/或转换速率，使得实现每个波形的面积需求。此外，通过将物理轴上的逻辑梯度波形的分量限制到最大振幅和转换速率来遵守梯度放大器的物理约束。可通过分析方法(例如，如以上公式所示)或迭代方法来确定优化的波形。
在2030处，通过使用例如旋转矩阵将优化的波形转换为梯度放大器的物理梯度波形。即，将逻辑轴中优化的波形转换并组合为沿着物理轴的物理梯度波形，这将驱动对应的梯度放大器。尽管在优化期间调节了波形的振幅和转换速率，但物理梯度波形并未违反梯度放大器的最大振幅和转换速率。在2035处继续，利用物理梯度波形根据扫描处方来执行扫描。即，在扫描期间，梯度放大器利用物理梯度波形来驱动梯度线圈。然后方法2000返回。
因此，用于磁共振成像的方法包括：对逻辑轴中的梯度波形进行优化，这些逻辑轴相对于成像系统的梯度线圈的物理轴旋转；以及在利用成像系统扫描受检者期间，利用优化的梯度波形来控制梯度放大器。
图21示出了根据一个实施方案的高级流程图，该高级流程图示出用于对波形进行优化的示例性方法2100。参照图1的系统和部件描述方法2100，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，方法2100可以用其他系统和部件来实现。例如，方法2100可被实现为MRI装置10的非暂态存储器中的可执行指令。
方法2100在2105处开始。在2105处，使逻辑轴中的梯度波形初始化，其中每个逻辑轴有一个梯度波形。在规定的扫描平面正交的一些实施方案中，每个逻辑轴中的最大振幅可被设定为与物理轴中的最大振幅相同，因为逻辑轴与物理轴对准。在规定的扫描平面倾斜的一些实施方案中，可基于倾斜平面相对于正交平面的角度使逻辑轴中的梯度波初始化。例如，可根据图4的示意图401使梯度波初始化，其中倾斜平面的逻辑轴X和Y中的波形振幅的最大值422和442所形成的正方形被限制在物理轴中的波形振幅的最大值412和432所形成的正方形内。这样，分配给相应波形的最大振幅相等并且充分利用梯度放大器的容量(例如，如图6所示)。如果使用三个逻辑轴，则可将示意图401所示的正方形改变为立方体以使梯度波形初始化。
在2110处，确定规定的扫描平面是否倾斜。如果不是倾斜扫描(“否”)，则方法2100继续到2115，在此保持在2105处获得的初始梯度波形(即，其中最大振幅与物理轴中的最大振幅相同)。然后方法2100返回。
然而，如果规定的扫描平面倾斜(“是”)，则方法2100继续到2120。在2120处，评估每个波形的面积需求。可基于脉冲序列、分辨率等来评估面积需求。
在2125处，确定不同逻辑轴中的波形的面积需求是否不同。如上所讨论，对于一些应用而言，不同逻辑轴中的脉冲同时开始并具有相同面积需求。对于其他应用而言，重叠脉冲的面积需求和/或重叠脉冲的起始时间可因不同逻辑轴而不同。本文所讨论的波形优化可施加到后一场景。如果面积需求没有不同(“否”)，则方法2100继续到2130，在此保持在2105处获得的初始波形(即，逻辑轴中的相等最大振幅)。然后方法2100返回。
然而，如果面积需求不同(“是”)，则方法2100继续到2135。在2135处，增加具有较大面积需求的波形的最大振幅，并且减小具有较小面积需求的波形的最大振幅。此外，在2140处继续，根据面积需求和调节的最大振幅来对波形的转换速率、持续时间和时序进行调节。对转换速率、持续时间和时序进行调节，使得不超过梯度放大器可能达到的最大转换速率。然后方法2100返回。
图22示出了根据一个实施方案的曲线图2200，该曲线图示出优化的波形的回波间隔变化。具体地讲，曲线图2200包括示出利用不包括优化的波形的MRI装置在各种取向中成像的回波间隔的曲线图2205、以及示出利用利用根据本文所述方法优化的波形的MRI装置在各种取向中成像的回波间隔的曲线图2210。
第一取向(取向1)包括轴向取向，第二取向(取向2)包括单角倾斜取向，并且第三取向(取向3)包括双角倾斜取向。如曲线图2205所描绘，相对于第一取向而言第二取向(即，在规定单角倾斜取向时)的回波间隔基本上增加，并且第三取向(即，在规定双角倾斜取向时)的回波间隔进一步增加。具体地讲，在第一取向与第三取向之间观察到回波间隔增加6.7％。
回波间隔即使在优化波形时也类似地增加(如曲线图2210所描绘)，但相对增加率在各取向之间不太显著。具体地讲，在利用优化的波形的MRI装置的第一取向与第三取向之间仅观察到1.2％变化。因此，可通过根据面积需求对波形进行优化，在扫描参数(诸如回波时间、重复时间和回波间隔)不具有大幅的增加的情况下执行倾斜扫描。
本公开的技术效果包括根据逻辑轴与物理轴之间的角度来调节梯度波形的振幅和脉冲宽度。本公开的另一个技术效果包括在时序改善的情况下在倾斜成像平面中获取MR数据。
如本文所用，以单数形式列举并且以字词“一”或“一个”开头的元件或步骤应当被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明此类排除。此外，对本发明的“一个实施方案”的引用不旨在被解释为排除也包含所引用特征的附加实施方案的存在。此外，除非明确地相反说明，否则“包含”、“包括”或“具有”具有特定属性的元件或多个元件的实施方案可包括不具有该属性的附加此类元件。术语“包括”和“在……中”用作相应术语“包含”和“其中”的通俗语言等同物。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，而不旨在对其对象施加数字要求或特定位置次序。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使相关领域中的普通技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包含的方法。本发明可取得专利权的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有微小差别的等效结构元素，则此类其他示例旨在落入权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于执行磁共振的倾斜扫描的方法，包括：
在逻辑轴中生成初始梯度波形，所述逻辑轴包括频率编码轴、相位编码轴和切片选择轴；
评估所述逻辑轴中的每个逻辑轴的面积需求；
增加第一逻辑轴中的所述初始梯度波形的最大振幅；
减小第二逻辑轴中的所述初始梯度波形的最大振幅，其中所述第一逻辑轴中的所述面积需求大于所述第二逻辑轴中的所述面积需求；
将经改变的梯度波形转换为物理梯度波形，其中所述物理梯度波形中的至少一个包括两个经改变的梯度波形的分量；以及
在磁共振的倾斜扫描期间，利用所述物理梯度波形来驱动成像系统的物理放大器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述逻辑轴中的所述初始梯度波形的所述最大振幅相等，并且当增加所述第一逻辑轴中的所述初始梯度波形的所述最大振幅以及减小所述第二逻辑轴中的所述初始梯度波形的所述最大振幅时，所述两个经改变的梯度波形的分量通过所述物理放大器的物理约束而被限制。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括增加所述第一逻辑轴中的所述初始梯度波形的转换速率。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括减小所述第一逻辑轴中的所述初始梯度波形的脉冲宽度。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括减小所述第二逻辑轴中的所述初始梯度波形的转换速率。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括增加所述第二逻辑轴中的所述初始梯度波形的脉冲宽度。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括减小第三逻辑轴中的所述初始梯度波形的最大振幅，其中所述第一逻辑轴中的所述面积需求大于所述第三逻辑轴中的所述面积需求。
8.一种磁共振成像系统，包括：
梯度线圈单元，所述梯度线圈单元包括第一梯度线圈、第二梯度线圈和第三梯度线圈，每个梯度线圈限定物理轴；
梯度线圈驱动器单元，所述梯度线圈驱动器单元包括分别电耦接到所述第一梯度线圈、所述第二梯度线圈和所述第三梯度线圈的第一放大器、第二放大器和第三放大器；以及
处理器，所述处理器通信地耦接到所述梯度线圈驱动器单元并被配置为：
在逻辑轴中生成初始梯度波形，所述逻辑轴包括频率编码轴、相位编码轴和切片选择轴；
评估所述逻辑轴中的每个逻辑轴的面积需求；
增加第一逻辑轴中的所述初始梯度波形的最大振幅；
减小第二逻辑轴中的所述初始梯度波形的最大振幅，其中所述第一逻辑轴中的所述面积需求大于所述第二逻辑轴中的所述面积需求；
将经改变的梯度波形转换为物理梯度波形，其中所述物理梯度波形中的至少一个包括两个经改变的梯度波形的分量；以及
在倾斜扫描期间利用所述物理梯度波形来驱动所述梯度线圈驱动器单元。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述逻辑轴中的所述初始梯度波形的所述最大振幅相等，并且当增加所述第一逻辑轴中的所述初始梯度波形的所述最大振幅以及减小所述第二逻辑轴中的所述初始梯度波形的所述最大振幅时，所述两个经改变的梯度波形的分量通过所述第一放大器、第二放大器和第三放大器的物理约束而被限制。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器被进一步配置为增加所述第一逻辑轴中的所述初始梯度波形的转换速率。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器被进一步配置为减小所述第一逻辑轴中的所述初始梯度波形的脉冲宽度。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器被进一步配置为减小所述第二逻辑轴中的所述初始梯度波形的转换速率。
13.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器被进一步配置为增加所述第二逻辑轴中的所述初始梯度波形的脉冲宽度。
14.一种非暂态计算机可读介质，所述非暂态计算机可读介质包括指令，所述指令在被执行时引起处理器执行以下操作：
在逻辑轴中生成初始梯度波形，所述逻辑轴包括频率编码轴、相位编码轴和切片选择轴；
评估所述逻辑轴中的每个逻辑轴的面积需求；
增加第一逻辑轴中的所述初始梯度波形的最大振幅；
减小第二逻辑轴中的所述初始梯度波形的最大振幅，其中所述第一逻辑轴中的所述面积需求大于所述第二逻辑轴中的所述面积需求；
将经改变的梯度波形转换为物理梯度波形，其中所述物理梯度波形中的至少一个包括两个经改变的梯度波形的分量；以及
在倾斜扫描期间利用所述物理梯度波形来驱动磁共振成像系统的物理放大器。
15.根据权利要求14所述的计算机可读介质，其中所述逻辑轴中的所述初始梯度波形的所述最大振幅相等，并且当增加所述第一逻辑轴中的所述初始梯度波形的所述最大振幅以及减小所述第二逻辑轴中的所述初始梯度波形的所述最大振幅时，所述两个经改变的梯度波形的分量通过所述物理放大器的物理约束而被限制。
16.根据权利要求14所述的计算机可读介质，进一步包括指令，所述指令在被执行时引起所述处理器增加所述第一逻辑轴中的所述初始梯度波形的转换速率。
17.根据权利要求14所述的计算机可读介质，进一步包括指令，所述指令在被执行时引起所述处理器减小所述第一逻辑轴中的所述初始梯度波形的脉冲宽度。
18.根据权利要求14所述的计算机可读介质，进一步包括指令，所述指令在被执行时引起所述处理器减小所述第二逻辑轴中的所述初始梯度波形的转换速率。
19.根据权利要求14所述的计算机可读介质，进一步包括指令，所述指令在被执行时引起所述处理器增加所述第二逻辑轴中的所述初始梯度波形的脉冲宽度。
20.根据权利要求14所述的计算机可读介质，进一步包括指令，所述指令在被执行时引起所述处理器减小第三逻辑轴中的所述初始梯度波形的最大振幅，其中所述第一逻辑轴中的所述面积需求大于所述第三逻辑轴中的所述面积需求。
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