CN112345990A - 一种三回波平衡稳态自由进动脉冲序列成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三回波平衡稳态自由进动脉冲序列成像方法，涉及磁共振成像领域，包括以下步骤：步骤1、三回波平衡稳态自由进动序列成像数据采集，在重复时间不变的情况下采集三个具有不同TE时间的回波：第一回波，第二回波，第三回波；步骤2、三回波平衡稳态自由进动序列图像重建；步骤3、对步骤2所述图像重建进行K空间轨迹校正。本发明经过多个TR的径向采样后，可以获得三幅三维图像,利用这三个回波的图像，可以获得传统的平衡稳态自由进动脉冲序列无法显示的组织信息，可提升图像信噪比，并可获得组织衰减参数的定量测量。通过本发明获得骨、肌腱、肺及各种软组织的三维成像，适用于正电子发射成像的衰减矫正。

Description

一种三回波平衡稳态自由进动脉冲序列成像方法
技术领域
本发明涉及磁共振成像领域，尤其涉及一种三回波平衡稳态自由进动脉冲序列成像方法。
背景技术
传统的平衡稳态自由进动脉冲序列中，在一个重复时间(repetition time,TR)内仅仅采集一个回波。经过多个TR采样后，可以获得一幅图像。
平衡稳态自由进动序列(balanced steady state free precession,bSSFP)是相干稳态梯度回波脉冲序列(gradient recalled acquisition in the steady state，GRASS)中的一种。bSSFP序列的主要特征，是梯度波形在一个TR内完全对称，三个方向净梯度面积为零。并且该序列常常采用交变相位射频脉冲进行激发。此外，该序列所得图像对比度为T2/T1加权，这提供了一种区别于传统序列T1加权或T2加权的对比度。对于T2/T1较大的组织，比如脑脊液、血液等T2/T1值比较大，在图像中就表现为高信号。
bSSFP具有TR短，信噪比高，独特的T2/T1对比度，特别适用于T2/T1值较高组织的成像，比如心脏电影MRI，使用bSSFP序列所得的心肌-血之间的对比度很高。然而bSSFP序列对磁场不均匀度、磁化率效应十分敏感，在TR较长时，所得图像中会产生严重的黑带伪影(banding artifact)。随着现代MRI磁体硬件技术(B0均匀度提高)以及梯度系统性能的提升，可使序列TR很短,近年来bSSFP序列获得多种临床应用。可是，由于骨、肌腱、肺等组织信号的T2衰减很快，bSSFP不适用于这些短T2组织的成像。
将bSSFP序列与三维球形径向采集轨迹结合可进一步缩短TR，减少黑带伪影。在进行二维或者三维笛卡尔采样时，由于需要进行选层或层方向相位编码以及二维平面内的相位编码，又会使得TR时间加长。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种合适的采样方法，能够获得传统的平衡稳态自由进动脉冲序列无法显示的组织信息，提升图像信噪比，并获得组织衰减参数的定量测量。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在不增加成像时间的情况下，发明一种采用三回波平衡稳态自由进动脉冲序列的三维径向采样磁共振成像方法，获得多种常规平衡稳态自由进动脉冲序列无法获得的组织信号，譬如骨、肌腱、和肺的信号。
为实现上述目的，本发明提供了一种三回波平衡稳态自由进动脉冲序列成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、三回波平衡稳态自由进动序列成像数据采集，在重复时间(repetitiontime,TR)不变的情况下采集三个具有不同TE时间的回波：第一回波，第二回波，第三回波；
步骤2、三回波平衡稳态自由进动序列图像重建；
步骤3、对步骤2所述图像重建进行K空间轨迹校正。
进一步地，所述步骤1具体包括：
步骤1.1、射频脉冲激发：射频脉冲采用硬脉冲形式，使用交变相位激发成像区域；
步骤1.2、施加净面积为零的读出梯度；
步骤1.3、三回波成像数据采集。
进一步地，所述步骤1.2具体包括：在所述平衡稳态自由进动序列中，为保证在一个重复时间(repetition time,TR)内施加的总梯度面积为零，在第一正向采样梯度之前和之后各施加一个面积减半的第二反向梯度和第三反向梯度。
进一步地，所述步骤1.3具体包括：在步骤1.2所述读出梯度施加期间保持模数转换器(analog to digital converter，ADC)采样窗口开启进行成像数据的采集。
进一步地，所述步骤1所采集轨迹为三维球形径向形式，因此X、Y、Z三个梯度轴均为读出梯度，无需施加相位编码梯度。
进一步地，所述步骤2具体包括：由所述步骤1得到的三回波的信号，通过使用非笛卡尔重建算法获得图像。
进一步地，步骤2所述非笛卡尔重建算法包括非均匀快速傅里叶变换(NonUniform Fast Fourier Transform，NUFFT)、压缩感知算法。
进一步地，所述步骤3具体包括：测量第一回波与第三回波梯度在斜坡期的实际波形及第二回波在X、Y、Z三个梯度轴的相对延迟时间，并对所述第一、第三回波进行梯度波形校正，对第二回波进行梯度相对延迟校正。
进一步地，对施加的读出梯度进行积分计算得到K空间轨迹。
本项发明提出的成像方法，使用了与传统的平衡稳态自由进动脉冲序列相同的梯度和射频脉冲波形，通过拓宽采样窗口，在一个TR中采集到三个回波。其中，第一个回波是K空间由中心向外的半回波，该半回波具有超短回波时间(ultrashort echo time,UTE)；第二个回波是传统的平衡稳态自由进动全回波；第三个回波是K空间由外向中心的半回波，该半回波具有与前面两个回波不同的图像对比度。经过多个TR的径向采样后，可以获得三幅三维图像。其中第一个图像是UTE图像，可以用于获得骨、肌腱、肺组织的三维显示。第二个图像是平衡稳态自由进动图像。这样，在不改变平衡稳态自由进动脉冲序列波形及不增加成像时间的情况下，额外采集到两个回波。利用这三个回波的图像，可以通过本发明获得骨、肌腱、肺及各种软组织的三维成像，适用于正电子发射成像的衰减矫正。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的三回波平衡稳态自由进动序列的示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的一个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
一种三回波平衡稳态自由进动序列成像方法包括以下步骤：
1.三回波平衡稳态自由进动序列成像扫描
1.1射频脉冲激发。
射频脉冲采用硬脉冲形式，使用交变相位激发成像区域。图1中相邻射频脉冲10、11为硬脉冲，且二者的激发相位相差180°。
1.2施加净面积为零的读出梯度。
在平衡稳态自由进动序列中，在一个TR内要求施加的总梯度面积为零，因此在该序列中，采样梯度13之前和之后各施加一个面积减半的反向梯度12和14。此外采集轨迹为三维球形径向形式，因此X、Y、Z三个梯度轴均为读出梯度，无需施加相位编码梯度。
1.3三回波成像数据的采集。
在读出梯度12～14施加期间保持ADC 15开启进行成像数据的采集。在读出梯度12打开期间采集到的数据是K空间由中心向外的半回波16，在读出梯度13打开期间采集到的数据是K空间沿球的直径从一端到另一端的全回波17，在读出梯度14打开期间采集到的数据是K空间由外向中心的半回波18。
2.三回波平衡稳态自由进动序列图像重建
在三回波平衡稳态自由进动序列中，用三个回波的数据可以重建出三幅图像。三个回波的K空间均为三维球形径向轨迹采集所得，数据分布是不均匀的，所以重建时不能采用常规的傅里叶反变换方法，而是利用NUFFT重建算法。进行NUFFT的步骤为先对K空间数据进行密度补偿，再将不均匀的数据进行网格化得到重采样到笛卡尔坐标系中的数据，最后进行傅里叶反变换得到图像。
3.三回波图像重建K空间轨迹校正
在进行密度补偿和网格化时需要数据采集过程中实际的K空间轨迹，对施加的读出梯度进行积分可以计算得到K空间轨迹。当磁共振系统存在不可忽略的不完善性时，可能导致K空间中的实际采样轨迹与设计轨迹的明显差异。这种系统不完善性可能由涡流以及射频-梯度-ADC的相对延迟产生。在这种情况下，步骤2中的图像重建需要加入K空间轨迹校正。三回波平衡稳态自由进动序列轨迹校正可以采用以下方式：在步骤2中重建三个回波图像时，由于第一个回波16与第三个回波18的K空间分别是由内向外与由外向内采集，这两个回波的K空间中心数据是在梯度斜坡期采集到的，由涡流和相对延迟可能导致比较严重的轨迹改变，因此需要测量梯度在斜坡期的实际波形，可选用Zhang Weiguo的专利方法(Method and system for measuring and compensating for eddy currents inducedduring NMR imaging operations)来测量第一和第三个回波对应梯度12、14的实际波形；第二个回波17的K空间中心虽然是在梯度平台期进行采集，但是梯度的相对延迟对其影响仍然较大，需要测量X、Y、Z三个梯度轴的相对延迟，并对该回波进行梯度相对延迟校正。
本发明的有益效果是，在不改变bSSFP脉冲序列波形及不增加成像时间的情况下，额外采集到两个回波。利用这三个回波的图像，可以获得传统的平衡稳态自由进动脉冲序列无法显示的组织信息，可提升图像信噪比，并可获得组织衰减参数的定量测量。通过本发明获得骨、肌腱、肺及各种软组织的三维成像，适用于正电子发射成像的衰减矫正。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种三回波平衡稳态自由进动脉冲序列成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、三回波平衡稳态自由进动序列成像数据采集，在重复时间(repetition time,TR)不变的情况下采集三个具有不同TE时间的回波：第一回波，第二回波，第三回波；
步骤2、三回波平衡稳态自由进动序列图像重建；
步骤3、对步骤2所述图像重建进行K空间轨迹校正。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤1.1、射频脉冲激发：射频脉冲采用硬脉冲形式，使用交变相位激发成像区域；
步骤1.2、施加净面积为零的读出梯度；
步骤1.3、三回波成像数据采集。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1.2具体包括：在所述平衡稳态自由进动序列中，为保证在一个重复时间(repetition time,TR)内施加的总梯度面积为零，在第一正向采样梯度之前和之后各施加一个面积减半的第二反向梯度和第三反向梯度。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1.3具体包括：在步骤1.2所述读出梯度施加期间保持模数转换器(analog to digital converter，ADC)采样窗口开启进行成像数据的采集。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1所采集轨迹为三维球形径向形式，因此X、Y、Z三个梯度轴均为读出梯度，无需施加相位编码梯度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：由所述步骤1得到的三回波的信号，通过使用非笛卡尔重建算法获得图像。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2所述非笛卡尔重建算法包括非均匀快速傅里叶变换(Non Uniform Fast Fourier Transform，NUFFT)、压缩感知算法。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：测量第一回波与第三回波梯度在斜坡期的实际波形及第二回波在X、Y、Z三个梯度轴的相对延迟时间，并对所述第一、第三回波进行梯度波形校正，对第二回波进行梯度相对延迟校正。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，对施加的读出梯度进行积分计算得到K空间轨迹。
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