CN113406546A - 一种抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列设计方法,提出了一种创新性的射频间歇激励回文对称重复回波序列设计方法,实现抗涡流效应的目的。采用这种创新的序列设计方法,我们实现了抗涡流跨膜水交换磁共振成像序列中过滤单元和探测单元的三种序列设计组合。在第一种组合中,过滤单元采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计,探测单元采用常规脉冲梯度自旋回波序列设计。在第二种组合中,过滤单元采用常规脉冲梯度自旋回波序列设计,探测单元采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计。在第三种组合中,过滤单元和探测单元均采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振序列技术领域,具体涉及一种抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列设计方法。
背景技术
人体内含有大量水分子,广泛地分布于细胞内空间、细胞外基质等微环境中。细胞内外的水分子可以通过细胞膜上的磷脂双分子层或水通道蛋白实现跨细胞膜的交换,交换速率与细胞膜对水分子的渗透率成正比。在人体生理异常反应伴随的水肿过程中,细胞膜渗透性发挥着关键作用。通过量化水交换速率,能够反映不同生理状态下细胞膜渗透性的变化。因此,发展一种无创的可用于活体的跨膜水交换磁共振成像方法具有重要价值。
现有的跨膜水交换磁共振成像序列基于常规扩散加权成像序列。由于扩散编码梯度幅值高、持续时间长,当扩散编码梯度进行切换时,变化的梯度磁场会使梯度线圈周围的导电体产生涡流,涡流又进一步产生阻碍梯度磁场变化的磁场,使梯度波形发生形变。从磁共振信号的角度分析,涡流引起的梯度波形形变又使磁共振信号的相位发生偏移,相位偏移在磁共振图像上表现为图像畸变。当沿不同方向施加扩散编码梯度时,不同方向上都会产生图像畸变,并且图像畸变具有方向依赖性。为了量化旋转不变性的跨膜水交换速率,需要组合沿不同方向施加扩散编码梯度采集的图像,此时,必然产生图像不匹配的问题,影响跨膜水交换速率的精确测量。因此,总的来说,现有的跨膜水交换磁共振成像序列设计中存在的涡流效应会产生显著的图像畸变,量化水交换速率的精确性和稳定性不足。
涡流效应无法完全消除,目前主要采取降低涡流效应影响的策略。在现有的跨膜水交换序列设计中,可以采用两种方法降低涡流效应。一种方法是在执行序列之前,基于硬件补偿涡流效应。目前,磁共振厂家大多采用自屏蔽梯度线圈搭配梯度波形预加重技术的方式。自屏蔽梯度线圈通过施加与梯度线圈相反的电流补偿涡流,然而自屏蔽梯度线圈无法消除显著的时变涡流场。梯度波形预加重技术是对梯度波形进行预处理,使波形预失真到特定的程度,经涡流衰减后使实际输出的梯度波形达到预期,但这种技术只能在一定程度上补偿涡流场的线性项,无法处理非线性项。即使同时使用自屏蔽梯度线圈和梯度波形预加重技术,磁共振图像上依然存在显著的图像畸变。另一种方法是在图像后处理阶段对图像进行配准,矫正涡流引起的图像畸变。然而,后处理方法依赖特定的算法,只能在图像层面上操作,无法直接作用于涡流效应。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷,提供一种抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列设计方法,用于降低涡流效应,减少图像畸变,提高水交换速率的测量精确性。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
一种抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列设计方法,该抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列依次由过滤单元、探测单元和混合单元构成,所述设计方法包括如下步骤:
S1、设计90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列;
S2、确定过滤单元和探测单元的序列设计组合;
S3、在选择的序列设计组合下,根据期望的扩散加权因子,计算过滤单元和探测单元中扩散编码梯度脉冲;
S4、根据期望的破碎梯度散相,计算过滤单元和探测单元中的破碎梯度脉冲;
S5、确定混合单元的持续时间,并根据期望的绕相梯度散相,计算绕相梯度脉冲;
S6、确定探测单元中数据读出序列。
进一步地,所述90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列由两个90°激励射频脉冲、两个180°重聚焦射频脉冲、以及两组双极性扩散编码梯度构成,所述90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列具有回文对称重复结构。
进一步地,所述过滤单元和探测单元的序列设计组合包括以下三种:在第一种组合中,过滤单元采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计,探测单元采用常规脉冲梯度自旋回波序列设计;在第二种组合中,过滤单元采用常规脉冲梯度自旋回波序列设计,探测单元采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计;在第三种组合中,过滤单元和探测单元均采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计。
进一步地,所述步骤S3中,按以下关系式计算扩散编码梯度脉冲:
b=γ2Gd 2δ2(Δ-δ/3)
式中,γ为旋磁比,b为扩散加权因子,Gd为扩散编码梯度幅值,δ为扩散编码梯度的持续时间,Δ为两个扩散编码梯度起始点之间的时间间隔。
进一步地,所述步骤S4中,按以下关系式计算破碎梯度脉冲:
式中,为破碎梯度散相,Gc为破碎梯度幅值,tc为破碎梯度持续时间,破碎梯度施加在z方向上,Δz为z方向上的体素大小。在水平放置的主磁体10内,通常定义z方向是指向观察者的方向,y方向是从下到上的方向,x方向是从左到右的方向。
进一步地,所述步骤S5中,扰相梯度脉冲按以下关系式计算:
进一步地,所述步骤S6中,探测单元中的数据读出采用回波平面成像序列。
进一步地,所述常规脉冲梯度自旋回波序列由一个90°激励射频脉冲、一个180°重聚焦射频脉冲、以及一组单极性扩散编码梯度构成。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
(1)本发明公开的序列设计方法简单易行,不需要额外的硬件设备以及专门的处理算法。
(2)本发明公开的序列设计方法能与现有技术完全兼容。在应用基于硬件的涡流补偿技术的基础上,通过优化跨膜水交换磁共振成像序列中扩散编码梯度的施加方式,包括扩散编码梯度的数量、极性以及幅值,在源头上抑制扩散编码梯度的切换产生的涡流效应,大幅度提高涡流补偿的效果。使用本发明的序列设计方法获取数据并重建图像后,可配合后处理算法能够进一步降低可能残余的图像畸变。
附图说明
图1是本发明公开的磁共振成像系统的组成结构及工作流程示意图;
图2是传统跨膜水交换磁共振成像序列时序图;
图3是本发明过滤单元和探测单元的第一种序列设计组合示意图;
图4是本发明过滤单元和探测单元的第二种序列设计组合示意图;
图5是本发明过滤单元和探测单元的第三种序列设计组合示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例
图1示出了适用于本发明提出的序列设计方法的磁共振成像系统的组成结构。磁共振成像系统的关键部件包括计算机1、磁共振成像扫描装置2、脉冲序列生成器3、梯度驱动模块4、射频驱动模块5、数据采集模块6、数据处理模块7、扫描室接口模块8、扫描物体定位模块9。本发明提出的跨膜水交换磁共振成像序列的实施完全依赖设备各关键部件的实施。因此,下文首先介绍各关键部件的具体实施方式,在此基础上,介绍跨膜水交换磁共振成像序列的具体实施方式。
计算机1主要包括主计算机、射频脉冲控制器和梯度脉冲控制器。计算机1通过特定接口与磁共振成像系统中的三个模块进行通讯和实时数据交换,这三个模块主要是脉冲序列生成器3、数据采集模块6和数据处理模块7。磁共振成像扫描装置2主要包括产生主磁场的主磁体10、产生梯度磁场的梯度线圈11以及产生射频磁场的射频线圈(鸟笼线圈12或阵列线圈13)。主磁体10产生随时间恒定的主磁场,可极化扫描对象在成像区域内的核自旋。单位体积内被极化的核自旋的矢量之和为磁化强度矢量,磁化强度矢量的方向与主磁场方向一致,通常为z方向。梯度线圈11包括三个独立的子线圈,可分别在z、y和z三个方向上产生梯度磁场Gx、Gy和Gz。射频线圈采用鸟笼线圈12或阵列线圈13,其中,鸟笼线圈12既可以作为发射射频线圈,也可以作为接收射频线圈,阵列线圈13只能作为接收射频线圈。
脉冲序列生成器3产生梯度脉冲波形和射频脉冲波形的数字信号,并将数字信号传送给梯度驱动模块4和射频驱动模块5。梯度驱动模块4根据数字信号产生梯度脉冲,施加在梯度线圈11上,产生梯度磁场。射频驱动模块5根据数字信号产生射频脉冲,施加在作为发射射频线圈的鸟笼线圈12的上,产生振荡的射频磁场,使磁化强度矢量偏离主磁场方向。射频驱动模块5控制作为接收射频线圈的鸟笼线圈12或阵列线圈13,感应核自旋产生的射频磁场,产生磁共振信号。数据采集模块6根据脉冲序列生成器3的序列时序信息,实时采集磁共振信号,并由数据处理模块7进行重建和后处理。脉冲序列生成器3与扫描室接口模块8通讯,控制扫描对象定位模块9将扫描对象送至磁体内特定位置。
本发明的序列设计方法由脉冲序列生成器3采用,能够生成具有抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列。下文将详细描述序列设计方法。首先完成如下定义:
Δf:过滤单元中施加扩散编码梯度之间的时间间隔。对于90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列,Δf指两组双极性扩散编码梯度的起始点之间的时间间隔。对于常规脉冲梯度自旋回波梯度序列,Δf指两个同极性扩散编码梯度起始点之间的时间间隔。
Δd:“探测模块”中施加扩散编码梯度之间的时间间隔。对于90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列,Δd指两组双极性扩散编码梯度的起始点之间的时间间隔。对于常规脉冲梯度自旋回波梯度,Δd指两个同极性扩散编码梯度起始点之间的时间间隔。
Gf和Gd:过滤单元和探测单元中扩散编码梯度的幅值。
Gc:探测单元和探测单元中破碎梯度的幅值。
Gs:混合单元中扰相梯度的幅值。
bf和bd:过滤单元和探测单元的扩散加权因子。
横向磁化强度矢量:在垂直主磁场方向(z方向)的x-y平面上产生可探测的磁化强度矢量的分量。
本发明的序列设计方法中,首先需要设计90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列。90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列由两个90°激励射频脉冲、两个180°重聚焦射频脉冲、以及两组双极性扩散编码梯度构成,该序列具有回文对称重复结构。90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列中每个扩散编码梯度的幅值是相同的,但极性交替改变,通过改变扩散编码梯度的极性,不同的扩散编码梯度的切换产生的涡流相互抵消,最终的涡流将衰减到较小的数值。
然后,确定过滤单元和探测单元的序列设计组合。图2示出了传统跨膜水交换磁共振成像序列时序图,过滤单元和探测单元都采用常规脉冲梯度自旋回波序列设计,这样的序列存在显著的涡流效应。本发明着重采用创新的射频间歇激励回文对称重复回波序列设计方法,实现了抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列。
本发明公开的抗涡流跨膜水交换磁共振成像序列设计方法实现了三种过滤单元和探测单元的序列设计组合。在第一种组合中,过滤单元采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计,探测单元采用常规脉冲梯度自旋回波序列设计。在第二种组合中,过滤单元采用常规脉冲梯度自旋回波序列设计,探测单元采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计。在第三种组合中,过滤单元和探测单元均采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计。
然后,根据期望的扩散加权因子,计算出过滤单元和探测单元中扩散编码梯度脉冲。
图3示出了过滤单元和探测单元的第一种序列设计组合。对于过滤单元,采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计。两组双极性梯度(梯度14、15、16和17)作为扩散编码梯度,第一组双极性梯度包括正梯度14和负梯度15,第二组双极性梯度包括正梯度16和负梯度17,每组正负梯度分别由一个x或y方向的180°重聚射频脉冲隔开。扩散编码梯度可以沿着任意方向施加,但单次扫描中所有扩散编码梯度的方向都是一致的。扩散编码梯度既可以单独施加在x、y或z方向上,也可以同时施加在z、y和z中的任意两个或全部三个方向上。所有扩散编码梯度的幅值都是Gf,持续时间分别为δ1、δ2、δ3、δ4,且满足关系式δ1+δ2=δ3+δ4,正梯度14和16的起始点之间的时间间隔为Δf。为产生期望的扩散加权因子bf,需满足如下关系:
bf=γ2Gf 2(δ1+δ2)2[Δf-(δ1+δ2)/3]
对于探测单元,采用常规脉冲梯度自旋回波序列设计。扩散编码梯度由一组单极性梯度(正梯度18和19)组成,两梯度由一个x或y方向的180°重聚射频脉冲隔开。扩散编码梯度方向同过滤单元。正梯度18和19的幅值和持续时间都相等,分别是Gd和δ5,正梯度18和19的起始点之间的时间间隔为Δd。为产生期望的扩散加权因子bd,需满足如下关系式:
bd=γ2Gd 2δ5 2[Δd-δ5/3]
图4示出了过滤单元和探测单元的第二种序列设计组合。对于过滤单元,采用常规脉冲梯度自旋回波序列设计。一组但极性梯度(正梯度20和21)组成扩散编码梯度,正梯度20和21由一个x或y方向的180°重聚射频脉冲隔开。扩散编码梯度的方向同第一种组合。正梯度20和21的幅值和持续时间都相等,分别是Gf和δ1,正梯度20和21的起始点之间的时间间隔为Δf。为产生期望的扩散加权因子bf,需满足如下关系式:
bf=γ2Gf 2δ1 2[Δf-δ1/3]
对于探测单元,采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计。正梯度22和负梯度23组成第一组双极性梯度,正梯度24和负梯度25组成第二组双极性梯度,两组双极性梯度组成扩散编码梯度,两组正负梯度分别由两个x或y方向的180°重聚射频脉冲隔开。扩散编码梯度的方向同第一种组合。所有扩散编码梯度的幅值都是Gd,持续时间分别为δ2、δ3、δ4和δ5,且满足关系式δ2+δ3=δ4+δ5,正梯度22和24的起始点之间的时间间隔为Δd。为产生期望的扩散加权因子bd,需满足如下关系式:
bd=γ2Gd 2(δ2+δ3)2[Δd-(δ2+δ3)/3]
图5示出了过滤单元和探测单元的第三种序列设计组合。对于过滤单元,采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计。正梯度26和负梯度27组成第一组双极性梯度,正梯度28和负梯度29组成第二组双极性梯度,两组双极性梯度组成扩散编码梯度,两组正负梯度分别由两个x或y方向的180°重聚射频脉冲隔开。扩散编码梯度方向同第一种组合。梯度26、27、28和29的幅值都是Gf,持续时间分别为δ1、δ2、δ3和δ4,且满足关系式δ1+δ2=δ3+δ4,正梯度26和28的起始点之间的时间间隔为Δf。为产生期望的扩散加权因子bf,需满足如下关系式:
bf=γ2Gf 2(δ1+δ2)2[Δd-(δ1+δ2)/3]
对于探测单元,也采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计。正梯度30和负梯度31组成第一组双极性梯度,正梯度32和负梯度33组成第二组双极性梯度,两组双极性梯度组成扩散编码梯度,两组正负梯度分别由两个x或y方向的180°重聚射频脉冲隔开。扩散编码梯度方向同第一种组合。梯度30、31、32和33的幅值都是Gd,持续时间分别为δ5、δ6、δ7和δ8,且满足关系式δ5+δ6=δ7+δ8,正梯度30和32的起始点之间的时间间隔为Δd。为产生期望的扩散加权因子bd,需满足如下关系式:
bd=γ2Gd 2(δ5+δ6)2[Δd-(δ5+δ6)/3]
然后,根据期望的破碎梯度散相,计算过滤单元和探测单元中的破碎梯度脉冲。破碎梯度的作用是消除不理想的信号通路。破碎梯度由两个独立梯度组成,第一个破碎梯度位于过滤单元中最后一个扩散编码梯度之后,第二个破碎梯度位于探测单元种第一个扩散编码梯度之前。两个破碎梯度都是正梯度,幅值都为Gc,持续时间为tc,且都施加在z方向上。为产生期望的散相需满足如下关系式:
在第一种和第三种序列设计组合中,过滤单元采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计,破碎梯度之后已经包含了一个90°射频脉冲。特别地,在第二种序列设计组合中,需要在过滤单元的破碎梯度之后,额外施加一个x方向的90°射频脉冲。破碎梯度之后的90°射频脉冲的作用是将x-y平面上的横向磁化强度矢量存储在z方向上。该90°射频脉冲中心到探测单元中的90°激发射频脉冲中心的时间为混合单元的持续时间tm。在tm期间,水分子发生跨膜交换,过滤单元中衰减的磁共振信号逐渐恢复,恢复程度取决于混合单元的持续时间tm和跨膜水交换速率。tm越长,跨膜水交换速率越大,磁共振信号恢复越快。特别的,探测单元中的90°激发射频脉冲将存储在z方向上的磁化强度矢量再次翻转到x-y平面上。
然后,根据期望的绕相梯度散相,计算绕相梯度脉冲。在混合单元中,绕相梯度的作用是使x-y平面上残余的横向磁化强度矢量完全散相。扰相梯度既可以单独施加在x、y或z方向上,也可以是同时施加在全部三个方向上。绕相梯度的幅值为Gs,持续时间为ts,Δr为扰相梯度施加方向上的体素大小。为产生期望的绕相梯度散相需满足如下关系式:
探测单元采用回波平面成像序列采集数据。在单次采集中,回波平面成像序列就能够获取用于重建磁共振图像的全部数据,是目前时间效率最高的数据读出序列之一。
最后,脉冲序列生成器3将过滤单元、探测单元和混合单元中所有梯度脉冲波形和射频脉冲波形数据传送给梯度驱动模块4和射频驱动模块5。按照设计的时序,梯度驱动模块4驱动梯度线圈11,产生梯度磁场。射频驱动模块5驱动作为发射射频线圈的鸟笼线圈12,产生振荡的射频磁场。射频驱动模块5驱动作为接收射频线圈的鸟笼线圈12或阵列线圈13,感应核自旋产生的射频磁场。由过滤单元、探测单元和混合单元构成的序列,便是脉冲序列生成器3采用本发明序列设计方法生成的抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列设计方法,其特征在于,该抗涡流跨膜水交换磁共振成像序列采用射频间歇激励回文对称重复设计方法,该抗涡流跨膜水交换磁共振成像序列依次由过滤单元、探测单元和混合单元构成,该抗涡流跨膜水交换磁共振成像序列设计方法包括如下步骤:
S1、设计90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列;
S2、确定过滤单元和探测单元的序列设计组合;
S3、在选择的序列设计组合下,根据期望的扩散加权因子,计算过滤单元和探测单元中扩散编码梯度脉冲;
S4、根据期望的破碎梯度散相,计算过滤单元和探测单元中的破碎梯度脉冲;
S5、确定混合单元的持续时间,并根据期望的绕相梯度散相,计算绕相梯度脉冲;
S6、确定探测单元中数据读出序列。
2.根据权利要求1所述的一种抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列设计方法,其特征在于,所述90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列由两个90°激励射频脉冲、两个180°重聚焦射频脉冲、以及两组双极性扩散编码梯度构成,所述90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列具有回文对称重复结构。
3.根据权利要求1所述的一种抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列设计方法,其特征在于,所述过滤单元和探测单元的序列设计组合包括以下三种:在第一种组合中,过滤单元采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计,探测单元采用常规脉冲梯度回波序列设计;在第二种组合中,过滤单元采用常规脉冲梯度回波序列设计,探测单元采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计;在第三种组合中,过滤单元和探测单元均采用90°和180°射频间歇激励回文对称重复回波序列设计。
4.根据权利要求1所述的一种抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列设计方法,其特征在于,所述步骤S3中,按以下关系式计算扩散编码梯度脉冲:
b=γ2Gd 2δ2(Δ-δ/3)
式中,γ为旋磁比,b为扩散加权因子,Gd为扩散编码梯度幅值,δ为扩散编码梯度的持续时间,Δ为两个扩散编码梯度起始点之间的时间间隔。
7.根据权利要求1所述的一种抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列设计方法,其特征在于,所述步骤S6中,探测单元中的数据读出采用回波平面成像序列。
8.根据权利要求3所述的一种抗涡流效应的跨膜水交换磁共振成像序列设计方法,其特征在于,所述常规脉冲梯度自旋回波序列由一个90°激励射频脉冲、一个180°重聚焦射频脉冲、以及一组单极性扩散编码梯度构成。
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