CN114167331B - 一种非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法和设备，包括：在非均匀磁场下，根据被测物体的预估纵向弛豫时间，设置包含不同重复时间的测量序列组；其中，每一重复时间内包括一个主序列，该主序列前设有对应的纵向磁化矢量调制时间；在第一个重复时间之前施加预饱和脉冲模块，并利用测量序列组对被测物体进行扫描，以采集磁共振信号；对磁共振信号进行信号处理，得到有效磁共振信号；对有效磁共振信号进行非线性拟合，计算得到纵向弛豫时间。本发明能够有效减少测量序列扫描的时间，极大提高纵向弛豫时间的测量效率。

Description

一种非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法和设备

技术领域

本发明属于核磁共振技术领域，具体涉及一种非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法和设备。

背景技术

在非均匀磁场的磁共振系统中，磁共振信号的调制受到重复时间TR(Time ofRepetition)的控制，从而影响纵向弛豫时间T1(Relaxation Time One)对信号的加权作用。对于不断变更TR的脉冲序列，采集准确的磁共振信号要求其纵向磁化矢量Mz(Longitudinal Magnetization Vector)达到稳态。序列脉冲将纵向磁化矢量转向横向磁化矢量M_⊥(Transverse Magnetization Vector)来进行信号的采集，而脉冲之后其磁化矢量逐渐向纵向磁化矢量恢复。其中，TR决定了纵向磁化矢量的恢复时间，进而决定了纵向弛豫时间的大小。

现有技术中，测量物质的纵向弛豫时间通常是在相同的TR下，通过反转脉冲或者饱和脉冲调制不同的纵向磁化矢量，进而根据纵向磁化矢量的调制时间以及测量信号的强度，实现对纵向弛豫时间参数的计算。

其中，如图1所示，对于反转恢复的序列方法，在非均匀场下扫描时，先通过180°的脉冲翻转角，将宏观磁化矢量转向反方向，即反向纵向磁化矢量，然后经过不同的反转恢复时间TI后，调制不同的纵向磁化矢量强度，再通过测量序列来获取此时的磁共振信号强度，测量结束后，需要等待足够时间进行磁化恢复，一般是3-5倍的纵向弛豫时间，才能进行下一次的测量。每次测量时，通过设定不同的反转恢复时间值来调制纵向磁化矢量，并且采用相同的TR来保证信号的一致性。对于采用多次扫描后的数据，一般用关系式：

来求解纵向弛豫时间T1的值，其中，Mz表示调制后的磁化矢量强度，M₀表示初始的磁化矢量强度。

其中，饱和恢复序列的方法与上述方法类似，在非均匀场下时，先通过90°的脉冲翻转角，将宏观磁化矢量由纵向磁化矢量转向横向磁化矢量，然后等待不同的调制时间MT来调制不同的纵向磁化矢量，再通过测量序列获得信号强度，同样需要等待足够的恢复时间，再进行下一次的不同恢复时间参数的信号采集。对于采用多次扫描后的数据，一般用关系式：

来求解纵向弛豫时间T1的值，其中MT表示饱和调制时间，Mz表示调制后的磁化矢量强度，M₀表示初始的磁化矢量强度。

然而，上述的两种测量纵向弛豫时间的方法，均存在以下缺陷：在一次扫描中的反转恢复时间TI(或饱和调制时间MT)和信号恢复时间均非常漫长，导致整个序列的重复时间TR值长达数秒，特别是在非均匀磁场中，需要多次平均来获取较好的信噪比信号，以及矫正测量中其他干扰带来的误差。此外，如果要准确估计纵向弛豫时间值，还需要扫描多次不同反转恢复时间TI(饱和调制时间MT)参数的信号，而这使得整个测量过程十分耗时。

发明内容

本发明的目的是提供一种非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法和设备，用于解决现有技术中存在的至少一个技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法，包括：

在非均匀磁场下，根据被测物体的预估纵向弛豫时间，设置包含不同重复时间的测量序列组；其中，每一重复时间内包括一个主序列，该主序列前设有对应的纵向磁化矢量调制时间；

在第一个重复时间之前施加预饱和脉冲模块，并利用所述测量序列组对所述被测物体进行扫描，以采集磁共振信号；

对所述磁共振信号进行信号处理，得到有效磁共振信号；

对所述有效磁共振信号进行非线性拟合，计算得到纵向弛豫时间。

在一种可能的设计中，在设置包含不同重复时间的测量序列组时，所述方法还包括：

设置所述测量序列组的平均周期性相位循环组合；

利用所述测量序列组对所述被测物体进行扫描，采集磁共振信号，包括：

利用所述测量序列按照所述平均周期性相位循环组合对所述被测物体进行扫描，以采集磁共振信号。

在一种可能的设计中，所述主序列为FID序列、梯度回波序列或CPMG序列。

在一种可能的设计中，当所述主序列为FID序列、梯度回波序列或回波数量小于阈值的CPMG序列时，所述方法还包括：

在每一主序列之后分别施加一个第一90度饱和脉冲模块。

在一种可能的设计中，所述预饱和脉冲模块是与包含第一个重复时间的主序列相同的序列块，或者是一个第二90度脉冲饱和模块。

在一种可能的设计中，对所述磁共振信号进行信号处理，得到有效磁共振信号，包括：

对周期性相位循环采集的磁共振信号进行平均，得到第一磁共振信号；对所述第一磁共振信号进行降噪处理、傅里叶变换以及信号截取，得到第二磁共振信号；其中，所述第二磁共振信号为多个纵向磁化矢量调制时间MT_i下的有效磁共振信号S_i。

在一种可能的设计中，对所述有效磁共振信号进行非线性拟合，计算得到纵向弛豫时间，包括：

根据所述有效磁共振信号S_i，利用如下公式构建多个方程组；

其中，M₀表示初始的磁化矢量强度，T1表示纵向弛豫时间；

利用最小二乘法，对纵向磁化矢量调制时间MT_i和纵向弛豫时间T1所决定的目标函数进行非线性拟合，计算得到纵向弛豫时间T1，计算公式如下：

其中，Q表示纵向磁化矢量调制时间的参数数量。

第二方面，本发明提供一种计算机设备，其包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法。

第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法。

第五方面，本发明提供一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如第一方面任意一种可能的设计中第一方面任意一种可能的设计中所述的非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法。

有益效果：

本发明通过在非均匀磁场下，根据被测物体的预估纵向弛豫时间，设置包含不同重复时间的测量序列组；其中，每一重复时间内包括一个主序列，该主序列前设有对应的纵向磁化矢量调制时间，从而保证在每个主序列结束时的纵向磁化矢量为零，进而在下一个重复时间开始后的调制时间就是当前纵向磁化矢量的恢复时间，从而不需要设置多次空的重复时间序列来保证纵向磁化矢量的稳态。通过在第一个重复时间之前施加预饱和脉冲模块，以保证纵向磁化矢量被完全饱和，进而利用所述测量序列组对所述被测物体进行扫描，以采集磁共振信号；然后对所述磁共振信号进行信号处理，得到有效磁共振信号；最后对所述有效磁共振信号进行非线性拟合，计算得到纵向弛豫时间。

本发明在保证采样信号的准确性下，极大的节省了扫描时间，消除了传统恢复序列扫描方法中，需要先固定好序列的重复时间TR值，并且在TR扫描时间限制下不能获取更多不同调制参数的信号的限制。通过灵活改变TR值，允许反复交替多次不同TR值来进行扫描，减小运动对信号的影响，提高采集信号的准确性。在连续扫描中，可以获取更多的扫描参数的对应信号，从而更加准确地测量纵向弛豫时间值。

附图说明

图1为本实施例中的反转恢复序列的磁化强度矢量的演变示意图；

图2为本实施例中的非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法的流程图；

图3为本实例中包含不同TR参数的扫描序列组的示意图；

图4为本实施例中的扫描序列组的磁化强度矢量的演变示意图。

具体实施方式

为使本说明书实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书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说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，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

如图2-4所示，第一方面，本发明提供一种非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法，包括但不限于由步骤S101～S104实现：

步骤S101.在非均匀磁场下，根据被测物体的预估纵向弛豫时间，设置包含不同重复时间的测量序列组；其中，每一重复时间内包括一个主序列，该主序列前设有对应的纵向磁化矢量调制时间；

如图2所示，本实例中的测量序列组设有不同的重复时间TR，如图中的TR1、TR2和TR3，在每一重复时间内，对应设有一个主序列，每一主序列前面设有对应的纵向磁化矢量调制时间，如图中的MT1、MT2和MT3。其中，需要说明的是，由于每一主序列的时间是不变的，那么，因为纵向磁化矢量调制时间MT＝重复时间TR-主序列的时间，如果TR是一组变化的值，MT对应着也是一组变化的值。从而不需要像传统方法那样，首先固定好序列的重复时间值，并且在TR扫描时间限制下不能获取更多不同调制参数的信号，序列设置更加包含灵活性。此外，由于在每个TR最前面有一段等待时间即纵向磁化矢量调制时间MT，在经过MT时间之后才开始时间测量序列。这样在TR值改变时也能保证纵向磁化矢量的调制和预期相符，从而不需要额外的空TR扫描来保证纵向磁化矢量达到稳态，可以节约扫描时间。

其中，在步骤S101一种具体的实施方式中，所述主序列为FID(free inductiondecay，自由衰减序列)序列、梯度回波序列或CPMG序列；优选的，当所述主序列为FID序列、梯度回波序列或回波数量小于阈值的CPMG序列时，所述方法还包括：在每一主序列之后分别施加一个第一90度饱和脉冲模块，从而可以进一步保证在90度饱和脉冲模块施加之后，纵向磁化矢量达到饱和，即纵向磁化矢量为0，进而使得在下一次序列扫描之前，纵向磁化矢量可以在预先设置的调制时间内恢复稳态，极大减少扫描时间。

由于在非均匀场下，扫描序列一般需要多次扫描来进行信号平均，因此，在步骤S101一种具体的实施方式中，在设置包含不同重复时间的测量序列组时，所述方法还包括：

设置所述测量序列组的平均周期性相位循环组合；优选的，所述测量序列组的平均周期性相位循环为4次。

其中，需要说明的是，所述平均周期性相位循环组合是指：针对一个测量序列组，需要从多少个相位进行序列扫描，其中，每一相位对应测量序列组扫描一次。例如：一个测量序列组，包括3组不同的重复时间，需要从4个相位施加射频信号进行序列扫描，那么，在每一相位对应扫描3组重复时间的序列，则4个相位对应扫描4×3组重复时间的序列，并按相位循环数的四个一组的平均来获取处理后的信号。

步骤S102.在第一个重复时间之前施加预饱和脉冲模块，并利用所述测量序列组对所述被测物体进行扫描，以采集磁共振信号；

其中，需要说明的是，由于序列开始扫描前的纵向磁化矢量强度可以认为是无限长时间恢复的强度，因此，在本实施例中，为了保证扫描信号达到第一个调制时间参数所指的纵向磁化矢量稳态，需要在第一重复时间之前施加预饱和脉冲模块。优选的，所述预饱和脉冲模块是与包含第一个重复时间的主序列相同的序列块，或者是一个第二90度脉冲饱和模块。

其中，优选的，利用所述测量序列组对所述被测物体进行扫描，采集磁共振信号，包括：

利用所述测量序列按照所述平均周期性相位循环组合对所述被测物体进行扫描，以采集磁共振信号。

步骤S103.对所述磁共振信号进行信号处理，得到有效磁共振信号；

在步骤S103一种具体的实施方式中，对所述磁共振信号进行信号处理，得到有效磁共振信号，包括：

对周期性相位循环采集的磁共振信号进行平均，得到第一磁共振信号；

对所述第一磁共振信号进行降噪处理、傅里叶变换以及信号截取，得到第二磁共振信号；其中，所述第二磁共振信号为多个纵向磁化矢量调制时间MT_i下的有效磁共振信号S_i。

步骤S104.对所述有效磁共振信号进行非线性拟合，计算得到纵向弛豫时间。

在步骤S104一种具体的实施方式中，对所述有效磁共振信号进行非线性拟合，计算得到纵向弛豫时间，包括：

根据所述有效磁共振信号S_i，利用如下公式构建多个方程组；

其中，M₀表示初始的磁化矢量强度，T1表示纵向弛豫时间；

利用最小二乘法，对纵向磁化矢量调制时间MT_i和纵向弛豫时间T1所决定的目标函数进行非线性拟合，计算得到纵向弛豫时间T1，计算公式如下：

其中，Q表示纵向磁化矢量调制时间的参数数量。

应用例

本应用例采用上述实施例来对油水模体的纵向弛豫时间进行测量，具体工作过程如下：

首先，根据被测油水模体的预估纵向弛豫时间值确定测量序列组的参数，包括多个不同的重复时间TR和多个不同的纵向磁化矢量调制时间MT，例如，设置多个纵向磁化矢量调制时间为[25ms，73ms，132ms，208ms，316ms，500ms]。

然后，选择多回波CPMG作为测量序列，在非均匀场下，多回波CPMG序列结束时可以认为其宏观磁化矢量指向横向磁化矢量，为了使得测量结果更加精确，在CPMG序列之后紧接施加90°饱和脉冲，保证其宏观磁化矢量指向横向磁化矢量。此外，采用平均4周期性相位循环组合：发射相位：90°依次是[π，0，π，0]，180°依次是[3π/2，π/2，π/2，3π/2]，接收相位依次是：[π，0，π，0]。

然后，扫描开始时，用第一个TR1的调制时间MT1＝25ms的扫描参数作为预饱和脉冲模块。从而可以确定单次扫描的时间：MT时间组的总和加MT第一个参数的时间共1279ms，加上7个CPMG测量序列时间128x7ms，以及90°饱和脉冲时间，共计2189ms。可见，相较于传统的饱和恢复序列，在相同的MT参数下，其一次扫描时间为(500+128+delay)*6ms，其中delay表示测量结束后纵向磁化矢量恢复时间，一般设为1800ms，共计约14568ms。

因此，本申请实施例极大的提升了纵向弛豫时间的测量效率。

基于上述公开的内容，本实施例通过在非均匀磁场下，根据被测物体的预估纵向弛豫时间，设置包含不同重复时间的测量序列组；其中，每一重复时间内包括一个主序列，该主序列前设有对应的纵向磁化矢量调制时间，从而保证在每个主序列结束时的纵向磁化矢量为零，进而在下一个重复时间开始后的调制时间就是当前纵向磁化矢量的恢复时间，从而不需要设置多次空的重复时间序列来保证纵向磁化矢量的稳态。通过在第一个重复时间之前施加预饱和脉冲模块，以保证纵向磁化矢量被完全饱和，进而利用所述测量序列组对所述被测物体进行扫描，以采集磁共振信号；然后对所述磁共振信号进行信号处理，得到有效磁共振信号；最后对所述有效磁共振信号进行非线性拟合，计算得到纵向弛豫时间。

本实施例在保证采样信号的准确性下，极大的节省了扫描时间，消除了传统恢复序列扫描方法中，需要先固定好序列的重复时间TR值，并且在TR扫描时间限制下不能获取更多不同调制参数的信号的限制。通过灵活改变TR值，允许反复交替多次不同TR值来进行扫描，减小运动对信号的影响，提高采集信号的准确性。在连续扫描中，可以获取更多的扫描参数的对应信号，从而更加准确地测量纵向弛豫时间值。

第二方面，本发明提供一种计算机设备，其包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法。

具体举例的，所述存储器可以但不限于包括随机存取存储器(Random-AccessMemory，RAM)、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、闪存(Flash Memory)、先进先出存储器(First Input First Output，FIFO)和/或先进后出存储器(First Input Last Output，FILO)等等；所述收发器可以但不限于为WiFi(无线保真)无线收发器、蓝牙无线收发器、GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术)无线收发器和/或ZigBee(紫蜂协议，基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议)无线收发器等；所述处理器可以不限于采用型号为STM32F105系列的微处理器。此外，所述网关设备还可以但不限于包括有电源模块、显示屏和其它必要的部件。

第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法。

其中，所述可读存储介质是指存储数据的载体，可以但不限于包括软盘、光盘、硬盘、闪存、优盘和/或记忆棒(Memory Stick)等，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。

第五方面，本发明提供一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如第一方面任意一种可能的设计中第一方面任意一种可能的设计中所述的非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法。

其中，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法，其特征在于，包括：

在非均匀磁场下，根据被测物体的预估纵向弛豫时间，设置包含不同重复时间的测量序列组；其中，每一重复时间内包括一个主序列，该主序列前设有对应的纵向磁化矢量调制时间；所述主序列为FID序列、梯度回波序列或CPMG序列；

在第一个重复时间之前施加预饱和脉冲模块，并利用所述测量序列组对所述被测物体进行扫描，以采集磁共振信号；

对所述磁共振信号进行信号处理，得到有效磁共振信号；

对所述有效磁共振信号进行非线性拟合，计算得到纵向弛豫时间；

当所述主序列为FID序列、梯度回波序列或回波数量小于阈值的CPMG序列时，所述方法还包括：

在每一主序列之后分别施加一个第一90度饱和脉冲模块。

2.根据权利要求1所述的非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法，其特征在于，在设置包含不同重复时间的测量序列组时，所述方法还包括：

设置所述测量序列组的平均周期性相位循环组合；

利用所述测量序列组对所述被测物体进行扫描，采集磁共振信号，包括：

利用所述测量序列按照所述平均周期性相位循环组合对所述被测物体进行扫描，以采集磁共振信号。

3.根据权利要求1所述的非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法，其特征在于，所述预饱和脉冲模块是与所述第一个重复时间内的主序列相同的序列块，或者是一个第二90度脉冲饱和模块。

4.根据权利要求2所述的非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法，其特征在于，对所述磁共振信号进行信号处理，得到有效磁共振信号，包括：

对周期性相位循环采集的磁共振信号进行平均，得到第一磁共振信号；

对所述第一磁共振信号进行降噪处理、傅里叶变换以及信号截取，得到第二磁共振信号；其中，所述第二磁共振信号为多个纵向磁化矢量调制时间

下的有效磁共振信号

。

5.根据权利要求4所述的非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法，其特征在于，对所述有效磁共振信号进行非线性拟合，计算得到纵向弛豫时间，包括：

根据所述有效磁共振信号

，利用如下公式构建多个方程组；

（1）

其中，

表示初始的磁化矢量强度，T1表示纵向弛豫时间；

利用最小二乘法，对纵向磁化矢量调制时间

和纵向弛豫时间T1所决定的目标函数进行非线性拟合，计算得到纵向弛豫时间T1，计算公式如下：

（2）

其中，

表示纵向磁化矢量调制时间的参数数量。

6.一种计算机设备，其特征在于，包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如权利要求1-5任意一项所述的非均匀磁场下测量纵向弛豫时间的方法。

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