CN111157932B - 一种快速自旋回波脉冲序列中射频脉冲的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速自旋回波脉冲序列中射频脉冲的优化方法，该方法利用扰相梯度对自旋回波和受激回波作用的差异将两者分离，结合倾倒角θ相同而相位不同的反转脉冲，分别使受激回波或者自旋回波消失，从而实现独立调节自旋回波和受激回波；并利用自旋回波和受激回波与反转脉冲在相位上的关系，优化反转脉冲的相位。本发明针对由于反转脉冲不采用π脉冲而导致FSE序列优化过程受到影响的问题，直接采用实际扫描时所用的倾倒角θ对反转脉冲进行优化，提高了射频脉冲优化的效率和准确性，特别适用于介入磁共振等需要连续多次重复执行FSE序列的场景。

Description

一种快速自旋回波脉冲序列中射频脉冲的优化方法

技术领域

本发明属于磁共振成像技术领域，涉及一种快速自旋回波脉冲序列中射频脉冲的优化方法。

背景技术

磁共振成像(MRI)技术已经成为医学诊断中非常有用的手段。通常，在MRI仪器中，当被测样品(如人体组织)处于静磁场B₀(B₀方向定义为直角坐标系的Z轴方向)中达到平衡时，样品中的原子核(核自旋)因被B₀极化而产生一个宏观的磁化矢量M₀；该M₀在射频脉冲的激发下被旋转到水平面(XY平面)，然后绕Z轴做进动。在被测样品周围放置一个接收线圈，它就会感应出磁化矢量进动信号。接收线圈采集到的磁共振信号经过放大以及模数转换以后，进入计算机进行图像重建。一般而言，为了进行成像，MRI仪器还需要产生三路正交的梯度磁场，以便对磁共振信号进行三维空间定位。

在临床诊断中，快速自旋回波(FSE)序列是常规磁共振扫描序列之一，已在多数MRI系统中得到应用。FSE序列中包含一个射频激发脉冲(以下简称激发脉冲)和多个射频反转脉冲(以下简称反转脉冲)。实际应用中，通常选择倾倒角为π/2的射频脉冲(以下简称π/2脉冲)作为激发脉冲，选择倾倒角为π的射频脉冲(以下简称π脉冲)作为反转脉冲。

FSE序列是多回波序列，回波个数与反转脉冲个数相等。各个回波的相位易受到相位编码梯度以外的其他因素的影响，导致图像中产生伪影以及明暗交替的条纹。要消除这些伪影和条纹，一类方法是通过调节成像序列中射频脉冲的相位，使得回波信号中的两种成分同相位，即自旋回波信号和受激回波信号同相位；另一类方法是通过调节成像序列中梯度脉冲，消除受激回波信号。第二类方法得到的图像信噪比要比第一类方法得到的图像差。

调节FSE序列中反转脉冲的相位，可以使自旋回波信号和受激回波信号相位一致，从而消除图像中的伪影和条纹，同时得到较好的图像信噪比。然而，这一调节过程是比较复杂的，对仪器精度的要求也比较高。一般而言，硬件系统的时间精度优于其幅度步进精度。在FSE序列中，梯度子系统的幅度步进精度往往不足以保证自旋回波和受激回波的峰点完全重合，而回波信号中相邻采样点的相位变化较大，一般接近+/-π。这意味着要调整自旋回波和受激回波同相位，需要以较高的精度步进反转脉冲的相位，才能找到最优参数。因此，要对FSE序列中反转脉冲的相位进行优化，往往需要花费较长的时间。

中国专利201310207957.9公开了一种快速自旋回波脉冲序列中射频脉冲相位的优化方法。在该技术方案中，先利用“扰相梯度”使受激回波消失，单独调节自旋回波；再利用“扰相梯度”恢复受激回波，通过调节反转脉冲相位使重合的受激回波和自旋回波的合成最大。但该方案没有考虑射频场非均匀性对优化过程的影响。由于射频线圈产生的射频场存在一定的非均匀性，成像区域内不同空间位置上实际感受到的并不都是有效的反转脉冲，导致不同位置上受激回波和自旋回波的比例不同。因此，利用该方案调节两者的合成信号有时无法获得最优结果，特别是在高场磁共振成像系统中，射频场非均匀性更加显著，该方案的优化结果往往不理想。

针对这一问题，中国专利201910042695.2公开了一种技术方案。该方案利用扰相梯度对自旋回波和受激回波作用的差异将两者分离，结合不同倾倒角的反转脉冲，分别使受激回波或者自旋回波消失，从而实现独立调节自旋回波和受激回波；并利用自旋回波、受激回波与反转脉冲在相位上的关系，优化反转脉冲的相位。该方案可以减小射频场非均匀性对FSE序列参数优化过程的影响。

然而，在一些特殊应用场景中，例如MRI引导的介入手术中，需要在短时间内对人体同一部位进行连续多次MRI扫描。为了避免因密集扫描而导致人体局部组织热损伤，必须限制脉冲序列的射频能量吸收率，即SAR值。为了满足SAR值的限制条件，对于FSE序列而言，需要将反转脉冲的倾倒角设置为θ，即实际扫描时反转脉冲采用的是θ脉冲，其中θ取值小于π，例如3π/4。通常，由倾倒角θ与π之间的差距所导致的影响，远大于射频场非均匀性所产生的影响。当θ取不同值时，反转脉冲对受激回波和自旋回波两者各自产生的影响也不同。此时若采用中国专利201310207957.9和201910042695.2公开的技术方案，则无法得到稳定收敛的优化结果。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提出的一种快速自旋回波脉冲序列中射频脉冲的优化方法。该方法利用扰相梯度对自旋回波和受激回波作用的差异将两者分离，结合倾倒角θ相同而相位不同的反转脉冲，分别使受激回波或者自旋回波消失，从而实现独立调节自旋回波和受激回波；并利用自旋回波和受激回波与反转脉冲在相位上的关系，优化反转脉冲的相位。本发明针对由于反转脉冲不采用π脉冲而导致FSE序列优化过程受到影响的问题，直接采用实际扫描时所用的倾倒角θ对反转脉冲进行优化，提高了射频脉冲优化的效率和准确性，特别适用于介入磁共振等需要连续多次重复执行FSE序列的场景。

为达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种快速自旋回波脉冲序列中射频脉冲的优化方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：将相位编码梯度的幅度由初始值设置为0；激发脉冲采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；反转脉冲全部采用θ脉冲，反转脉冲相位全部设置为

将相邻两组扰相梯度幅度设置为不等，同一组内的一对扰相梯度幅度设置为相等；

步骤2：调节读出梯度的启动时间，使回波链上各回波信号峰点位于采样窗口的正中；

步骤3：记录第二个反转脉冲之后出现的各回波峰点的相位α_i，i＝2,3…N；

步骤4：将相位编码梯度的幅度设置为0；激发脉冲采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；反转脉冲全部采用θ脉冲，反转脉冲相位全部设置为

将相邻两组扰相梯度设置为：前一组中在选层梯度脉冲之前的扰相梯度与后一组中在选层梯度脉冲之后的扰相梯度幅度相等，前一组中在选层梯度脉冲之后的扰相梯度与后一组中在选层梯度脉冲之前的扰相梯度幅度相等；同一组内的一对扰相梯度幅度设置为不等；

步骤5：记录第二个反转脉冲之后出现的各回波峰点的相位β_i，i＝2,3…N；

步骤6：将相位编码梯度的幅度恢复为初始值；激发脉冲采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；将所有扰相梯度的幅度设置为相等；反转脉冲全部采用θ脉冲，各反转脉冲的相位与初始相位和所述各回波峰点相位的关系如下：

其中，所述θ脉冲，是指倾倒角为θ的射频脉冲，θ值大于π/2且小于π；实际扫描时反转脉冲采用的是θ脉冲；所述N为反转脉冲个数，取值范围2～256；

为反转脉冲相位的初始值，设置为90°或者270°；

为反转脉冲相位的初始值，设置为0°或者180°。

本发明还可采用如下技术方案：

一种快速自旋回波脉冲序列中射频脉冲的优化方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：将相位编码梯度的幅度由初始值设置为0；激发脉冲采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；反转脉冲全部采用θ脉冲，反转脉冲相位全部设置为

将相邻两组扰相梯度设置为：前一组中在选层梯度脉冲之前的扰相梯度与后一组中在选层梯度脉冲之后的扰相梯度幅度相等，前一组中在选层梯度脉冲之后的扰相梯度与后一组中在选层梯度脉冲之前的扰相梯度幅度相等；同一组内的一对扰相梯度幅度设置为不等；

步骤2：调节读出梯度的启动时间，使回波链上各回波信号峰点位于采样窗口的正中；

步骤3：记录第二个反转脉冲之后出现的各回波峰点的相位β_i，i＝2,3…N；

步骤4：将相位编码梯度的幅度设置为0；激发脉冲采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；反转脉冲全部采用θ脉冲，反转脉冲相位全部设置为

将相邻两组扰相梯度幅度设置为不等，同一组内的一对扰相梯度幅度设置为相等；

步骤5：记录第二个反转脉冲之后出现的各回波峰点的相位α_i，i＝2,3…N；

步骤6：将相位编码梯度的幅度恢复为初始值；激发脉冲采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；将所有扰相梯度的幅度设置为相等；反转脉冲全部采用θ脉冲，各反转脉冲的相位与初始相位和所述各回波峰点相位的关系如下：

其中，所述θ脉冲，是指倾倒角为θ的射频脉冲，θ值大于π/2且小于π；实际扫描时反转脉冲采用的是θ脉冲；所述N为反转脉冲个数，取值范围2～256；

为反转脉冲相位的初始值，设置为90°或者270°；

为反转脉冲相位的初始值，设置为0°或者180°。

本发明的有益效果是：利用扰相梯度对自旋回波和受激回波作用的差异将两者分离，结合倾倒角θ相同而相位不同的反转脉冲，分别使受激回波或者自旋回波消失，从而实现独立调节自旋回波和受激回波；并利用自旋回波和受激回波与反转脉冲在相位上的关系，优化反转脉冲的相位；针对由于反转脉冲不采用π脉冲而导致FSE序列优化过程受到影响的问题，直接采用实际扫描时所用的倾倒角θ对反转脉冲进行优化，提高了射频脉冲优化的效率和准确性，特别适用于介入磁共振等需要连续多次重复执行FSE序列的场景。

附图说明

图1为本发明所述MRI系统结构框图；

图2为本发明所述的快速自旋回波脉冲序列示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

图1为本发明所述MRI系统的结构框图。MRI系统中，磁体101上有用于放置样品的空腔。空腔周围放置梯度线圈102，用于产生选层方向、相位编码方向和读方向的梯度磁场，从而对样品进行空间定位。空腔周围放置射频发射线圈103和射频接收线圈104，发射线圈用于发射射频脉冲来激发样品的磁化矢量，接收线圈用于接收磁化矢量进动信号。梯度线圈102与梯度电流放大器112连接，发射线圈103和接收线圈104分别与射频功率放大器113和前置放大器114连接。

基于计算机130给出的指令，脉冲序列存储电路125根据存储于其中的脉冲序列对梯度波形发生器122和发射机123进行控制。梯度波形发生器122输出具有预定时序和波形的梯度脉冲信号，该信号经过梯度电流放大器112放大，再通过梯度线圈102在磁体空腔内产生梯度磁场。发射机123输出具有预定时序和包络的射频脉冲信号，该信号经过射频功率放大器113放大，再通过射频发射线圈103激发样品中的核自旋。

射频接收线圈104检测到磁化矢量进动信号，该信号经过前置放大器114放大后输入到接收机124。在脉冲序列存储电路125的控制下，接收机124对已放大的信号进行检波和数模转换，得到数字信号。将得到的数字信号传输给计算机130重建图像。显示器/打印机126用于显示/打印扫描得到的图像。

参阅图2，图中：RF-射频脉冲(激发脉冲/反转脉冲)；Gs-选层梯度；Gp-相位编码梯度；Gr-读出梯度；ACQ-采样；Echo-回波。为简要起见，图中只给出了3个回波信号201、202和203。实际扫描中，回波个数不限于3。在选层梯度脉冲220和激发脉冲210的共同作用下，样品中被选层面内的磁化矢量(从Z方向)被旋转到XY平面。磁化矢量在XY平面内绕Z轴做进动，同时发生“散相”。经过一段时间后，在选层梯度脉冲221、222和反转脉冲211的共同作用下，磁化矢量在XY平面内反转。在210与211之间，施加读出方向梯度脉冲240。经过一段(与“散相”过程相同)时间，磁化矢量在XY平面内“会聚”，形成回波201。磁化矢量“会聚”之后再“散相”，反转脉冲212、213使“散相”的磁化矢量再“会聚”。在“散相”与“会聚”交替过程中，形成202、203回波。在“会聚”过程中施加相位梯度脉冲231、233和235，分别与回波信号201、202和203相对应。在“散相”过程中施加去相位梯度脉冲232、234和236，分别与231、233和235相对应，梯度幅度相等且方向相反。采集回波信号过程中，先后施加读梯度脉冲241、242和243。

为了消除211、212和213产生的自由感应衰减信号，在222的后面施加扰相梯度223b和224b。为了满足回波信号产生的条件，在222的前面施加扰相梯度223a和224a。当(223a＝223b)≠(224a＝224b)时，受激回波消失，回波信号主要由自旋回波构成；当(223a＝224b)≠(223b＝224a)时，自旋回波消失，回波信号主要由受激回波构成。当反转脉冲211、212和213的倾倒角相等并且介于π/2和π之间时，反转脉冲的相位为0°或者180°时受激回波信号最强，反转脉冲的相位为90°或者270°时自旋回波信号最强。

实施例1

参阅图2，本发明提供的快速自旋回波脉冲序列中射频脉冲的优化方法，包括以下具体步骤：

a)将“相位编码梯度”231、232、233、234、235和236的幅度由各自的初始值设置为0；激发脉冲210采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；反转脉冲211、212和213全部采用θ脉冲，反转脉冲相位全部设置为

将相邻两组“扰相梯度”的幅度设置为不等，同一组内的一对“扰相梯度”幅度设置为相等，即设置(223a＝223b)≠(224a＝224b)；

b)调节“读出梯度”241、242和243的启动时间，使回波链上各回波信号201、202和203峰点位于采样窗口的正中。若202的峰点与采样窗口中心的时间差为De，203的峰点与采样窗口中心的时间差为Do，则奇数回波所对应的“读出梯度”的启动时间提前Do，偶数回波所对应的“读出梯度”的启动时间提前De；

c)记录第二个反转脉冲之后出现的回波峰点的相位，即202和203峰点的相位，α_i(i＝2,3)；

d)将“相位编码梯度”231、232、233、234、235和236的幅度设置为0；激发脉冲210采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；反转脉冲211、212和213全部采用θ脉冲，反转脉冲相位全部设置为

将相邻两组“扰相梯度”设置为：前一组中在选层梯度脉冲之前的“扰相梯度”与后一组中在选层梯度脉冲之后的“扰相梯度”幅度相等，前一组中在选层梯度脉冲之后的“扰相梯度”与后一组中在选层梯度脉冲之前的“扰相梯度”幅度相等；同一组内的一对“扰相梯度”幅度设置为不等，即设置(223a＝224b)≠(223b＝224a)；

e)记录第二个反转脉冲之后出现的回波峰点的相位，即202和203峰点的相位，β_i(i＝2,3)；

f)将“相位编码梯度”231、232、233、234、235和236的幅度恢复为各自的初始值；激发脉冲210采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；将所有“扰相梯度”的幅度设置为相等，即设置223a＝223b＝224a＝224b；反转脉冲211、212和213全部采用θ脉冲，各反转脉冲的相位与初始相位和所述回波峰点相位的关系如下：

所述步骤中，θ脉冲是指倾倒角为θ的射频脉冲，θ值大于π/2且小于π，例如θ＝3π/4；实际扫描时反转脉冲采用的是θ脉冲；所述N为反转脉冲个数，取值范围2～256；

为反转脉冲相位的初始值，设置为90°或者270°；

为反转脉冲相位的初始值，设置为0°或者180°。

实施例2

参阅图2，本发明提供的快速自旋回波脉冲序列中射频脉冲的优化方法，包括以下具体步骤：

a)将“相位编码梯度”231、232、233、234、235和236的幅度由各自的初始值设置为0；激发脉冲210采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；反转脉冲211、212和213全部采用θ脉冲，反转脉冲相位全部设置为

将相邻两组“扰相梯度”设置为：前一组中在选层梯度脉冲之前的“扰相梯度”与后一组中在选层梯度脉冲之后的“扰相梯度”幅度相等，前一组中在选层梯度脉冲之后的“扰相梯度”与后一组中在选层梯度脉冲之前的“扰相梯度”幅度相等；同一组内的一对“扰相梯度”幅度设置为不等，即设置(223a＝224b)≠(223b＝224a)；

b)调节“读出梯度”241、242和243的启动时间，使回波链上各回波信号201、202和203峰点位于采样窗口的正中。若202的峰点与采样窗口中心的时间差为De，203的峰点与采样窗口中心的时间差为Do，则奇数回波所对应的“读出梯度”的启动时间提前Do，偶数回波所对应的“读出梯度”的启动时间提前De；

c)记录第二个反转脉冲之后出现的回波峰点的相位，即202和203峰点的相位，β_i(i＝2,3)；

d)将“相位编码梯度”231、232、233、234、235和236的幅度设置为0；激发脉冲210采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；反转脉冲211、212和213全部采用θ脉冲，反转脉冲相位全部设置为

将相邻两组“扰相梯度”的幅度设置为不等，同一组内的一对“扰相梯度”幅度设置为相等，即设置(223a＝223b)≠(224a＝224b)；

e)记录第二个反转脉冲之后出现的回波峰点的相位，即202和203峰点的相位，α_i(i＝2,3)；

f)将“相位编码梯度”231、232、233、234、235和236的幅度恢复为各自的初始值；激发脉冲210采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；将所有“扰相梯度”的幅度设置为相等，即设置223a＝223b＝224a＝224b；反转脉冲211、212和213全部采用θ脉冲，各反转脉冲的相位与初始相位和所述回波峰点相位的关系如下：

所述步骤中，θ脉冲是指倾倒角为θ的射频脉冲，θ值大于π/2且小于π，例如θ＝3π/4；实际扫描时反转脉冲采用的是θ脉冲；所述N为反转脉冲个数，取值范围2～256；

为反转脉冲相位的初始值，设置为90°或者270°；

为反转脉冲相位的初始值，设置为0°或者180°。

Claims (2)

1.一种快速自旋回波脉冲序列中射频脉冲的优化方法，利用扰相梯度对自旋回波和受激回波作用的差异将两者分离，其特征在于，结合倾倒角θ相同而相位不同的反转脉冲，分别使受激回波或者自旋回波消失，从而实现独立调节自旋回波和受激回波；并利用自旋回波和受激回波与反转脉冲在相位上的关系，优化反转脉冲的相位，用于连续多次扫描的应用场景中，包括以下具体步骤：

步骤1：将相位编码梯度的幅度由初始值设置为0；激发脉冲采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；反转脉冲全部采用θ脉冲，反转脉冲相位全部设置为

将相邻两组扰相梯度幅度设置为不等，同一组内的一对扰相梯度幅度设置为相等；

步骤2：调节读出梯度的启动时间，使回波链上各回波信号峰点位于采样窗口的正中；

步骤3：记录第二个反转脉冲之后出现的各回波峰点的相位α_i，i＝2，3...N；

步骤4：将相位编码梯度的幅度设置为0；激发脉冲采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；反转脉冲全部采用θ脉冲，反转脉冲相位全部设置为

将相邻两组扰相梯度设置为：前一组中在选层梯度脉冲之前的扰相梯度与后一组中在选层梯度脉冲之后的扰相梯度幅度相等，前一组中在选层梯度脉冲之后的扰相梯度与后一组中在选层梯度脉冲之前的扰相梯度幅度相等；同一组内的一对扰相梯度幅度设置为不等；

步骤5：记录第二个反转脉冲之后出现的各回波峰点的相位βi，i＝2，3...N；

步骤6：将相位编码梯度的幅度恢复为初始值；激发脉冲采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；将所有扰相梯度的幅度设置为相等；反转脉冲全部采用θ脉冲，各反转脉冲的相位与初始相位和所述各回波峰点相位的关系如下：

其中，所述θ脉冲，是指倾倒角为θ的射频脉冲，θ值大于π/2且小于π；所述N为反转脉冲个数，取值范围2～256；为反转脉冲相位的初始值，设置为90°或者270°；为反转脉冲相位的初始值，设置为0°或者180°。

2.一种快速自旋回波脉冲序列中射频脉冲的优化方法，利用扰相梯度对自旋回波和受激回波作用的差异将两者分离，其特征在于，结合倾倒角θ相同而相位不同的反转脉冲，分别使受激回波或者自旋回波消失，从而实现独立调节自旋回波和受激回波；并利用自旋回波和受激回波与反转脉冲在相位上的关系，优化反转脉冲的相位，用于连续多次扫描的应用场景中，包括以下具体步骤：

步骤1：将相位编码梯度的幅度由初始值设置为0；激发脉冲采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；反转脉冲全部采用θ脉冲，反转脉冲相位全部设置为

将相邻两组扰相梯度设置为：前一组中在选层梯度脉冲之前的扰相梯度与后一组中在选层梯度脉冲之后的扰相梯度幅度相等，前一组中在选层梯度脉冲之后的扰相梯度与后一组中在选层梯度脉冲之前的扰相梯度幅度相等；同一组内的一对扰相梯度幅度设置为不等；

步骤2：调节读出梯度的启动时间，使回波链上各回波信号峰点位于采样窗口的正中；

步骤3：记录第二个反转脉冲之后出现的各回波峰点的相位βi，i＝2，3...N；

步骤4：将相位编码梯度的幅度设置为0；激发脉冲采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；反转脉冲全部采用θ脉冲，反转脉冲相位全部设置为将相邻两组扰相梯度幅度设置为不等，同一组内的一对扰相梯度幅度设置为相等；

步骤5：记录第二个反转脉冲之后出现的各回波峰点的相位αi，i＝2，3...N；

步骤6：将相位编码梯度的幅度恢复为初始值；激发脉冲采用π/2脉冲，激发脉冲相位设置为0；将所有扰相梯度的幅度设置为相等；反转脉冲全部采用θ脉冲，各反转脉冲的相位与初始相位和所述各回波峰点相位的关系如下：

其中，所述θ脉冲，是指倾倒角为θ的射频脉冲，θ值大于π/2且小于π；所述N为反转脉冲个数，取值范围2～256；为反转脉冲相位的初始值，设置为90°或者270°；为反转脉冲相位的初始值，设置为0°或者180°。

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