CN1144562A

CN1144562A - 核自旋层析x摄影机的脉冲序列法

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Publication number: CN1144562A
Application number: CN95192306A
Authority: CN
Inventors: 奥利弗·海德
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 1997-03-05
Anticipated expiration: 2015-03-28
Also published as: DE59502349D1; US6034528A; JPH09510898A; CN1103926C; EP0753158B1; WO1995027218A1; EP0753158A1

Abstract

一种核自旋层析X摄影机的脉冲序列法，包括下列步骤：a)在第一阶段(I)辐射一个强的高频脉冲序列(RF1-RF8)，同时有一个梯度在第一方向(G_R ^-)上接通，b)在第三阶段(III)，第一方向的梯度被反转(G_R ⁺)，序列中由扫描间隔(I1-I8)形成的核共振信号被扫描，c)由步骤a和b组成的部分序列被重复n次。

Description

核自旋层析X摄影机的脉冲序列法

本发明涉及一种核自旋层析X摄影机的脉冲序列法。其特殊的意义在于短的摄像时间。它不仅在考虑到尽可能高的患者吞吐量时适用，也适用于例如避免运动赝象。对于某些摄影技术，例如电影方式(运动图象的摄取)，短的摄影时间是必要的。

高速的脉冲序列对于例如强反差介质扩散的测定，心脏运动的观察，大脑功能及关节运动学有特殊意义，因为需要在更快的周期中拍摄更多的影像。

在迄今为止所知的方法中用EPI方法可得到最短的摄影时间(40至100毫秒)。这种EPI方法例如在欧洲专利说明书0076054中有所描述。

其中，为了开始脉冲序列，高频的激发脉冲在层选梯度作用下在第一方向上被辐射到被检测对象上。由此在被检测对象一层内的核自旋也被激发。在激发之后，相位编码梯度被接通在第二方向，读取梯度被接通在第三方向上。第一、二、三方向相互垂直。读取梯度由前相脉冲以及不固定极性的部分脉冲构成。通过读取梯度中不固定的极性使核自旋在有、无相位差之间变化，从而产生了一个核自旋共振信号的脉冲序列。因此在一单次激发后便可得到许多信号来探测总体K空间，也就是说，现有信息已足够用来进行完整剖面图的重建。

在每次读取梯度的极性转换时，相位编码梯度被短暂接通。于是，每次核自旋的相位被继续接通到一个档次。产生的核自旋共振信号在时间区间内被检测、数字化，并把如此得到的数字值计入一个原始数据矩阵中。通过此原始数据矩阵，根据二维傅立叶变换使被检测对象的图象被重建。EPI方法的速度上的优点主要在于：一个单次激发就可得到足够重建完整剖面图的大量信号。描述最近一次梯度响应的所有信号，必须在T2^*衰变之内被得到。因此，读取梯度必须被很快地双向接通，以至于对设备提出了大量技术上的要求。

此外，如在EPI方法中出现的梯度响应与自旋响应相比有个缺点：它对局部的场的多向性是敏感的。

在US-PS4,818,940中已知有一种脉冲序列，在90°高频脉冲之后通过多个连续不断的180°高频脉冲得到多个自旋响应。然而这种方法比EPI方法的摄像时间长，而且在高速复制时很快就会达到患者允许的高频载荷。

在US-专利说明书5,126,673中已知有一种脉冲序列，为了激发一个试件，辐射出一种所谓“脉冲刷”的等距高频脉冲的序列。此高频脉冲具有极其小的，数量级在0.1°到2°的触发角。在与高频脉冲序列连通后将得到一个尽可能等振幅的等距响应信号序列。为了保持响应信号振幅尽可能恒定，要控制高频脉冲的振幅和相位。为了得到影像，预先准备了有选择性的激发或散焦，甚至读取梯度和相位编码梯度。

此外还要谈到一种可能性：等距高频脉冲序列中一或多或少数量的高频脉冲可予以忽略。给出的不等距高频脉冲序列有一个缺点是，响应信号的振幅恒定难以被最佳化。此外，在读取阶段中每次同时产生许多响应，以至于实际上无法准确分析以产生图象。此外，激发时小的触发角使信噪比变得很不利。

在US专利说明书5,212,448中已知有一种脉冲序列，其中，每次在层选梯度下辐射一个激发高频脉冲序列。通过后面的高频反向脉冲的使用，被激发的自旋按时间先后被散焦(Refokussierung)。

在1992年磁共振与医学协会年度会议文摘第433页，有一篇文章“QUEST-一种快速反应剖面成像技术”也同样描述了一种脉冲序列。其中，在激发阶段一个时间上不等距的激发脉冲序列和一第一梯度被引入。通过每个跟随第一激发脉冲的激发脉冲，当前的自旋磁化被分为子集。在读取阶段期间，在一另外梯度之下伴随有单个子集的按时间分段的散焦。因此可以在一单独激发阶段之后得到大量核共振信号，使短的摄像时间成为可能。它对梯度电气上要求不高。然而这种方法有个缺点：由于被分出的子集的增加，得到的信号难以被分析。

本发明的目的在于，构成一个脉冲序列，使之在硬件要求不高的情况下达到短的摄像时间。

本发明的实施例将由图1到22说明如下：

图1到图5为仅在第一阶段的具有核自旋激发的本发明的第一实施例，

图6到图9为第一阶段和第三阶段带有核自旋激发的本发明的第二实施例，

图10到图14为本发明的另一个实施例，

图15、图16为带预饱和的实施例，

图17为带有准备脉冲的实施例，

图18为K空间分段，

图19、图20为在K空间中分组取样时核共振信号的分类，

图21为带恒定触发角的激发脉冲序列的频谱，

图22为带优化的触发角分配的激发脉冲序列的频谱。

根据本发明的第一实施例，参见图1到5：如图1所示，首先一个所谓“强”的高频脉冲序列，在所述情况下8个高频脉冲RF1到RF8辐射到所检测对象上。对于“强”的高频脉冲可理解为也在梯度作用下没被层选的宽带频谱。为了激发核自旋而进行高频脉冲设计的方法已经在IEEE会刊医学图象1991年3月第1号第10卷中的题为“用于Shinnar-le Roux选择激发脉冲设计算法的参数关系式”的论文中给出。高频脉冲RF1至RF8具有的触发角明显低于90°，例如为6°。

在高频脉冲辐射期间(记为阶段I)，一个梯度G_P11在第一相位编码方向G_P1上被接通，并且负梯度G_R ^-在读取方向上被接通。如上所述，高频脉冲RF1到RF8停留在未选状态。

图5中描述了在读取方向上的被激发的核自旋的相位。在梯度G_R ^-的作用下，在阶段I的核自旋的相位差在增加。

在阶段II，梯度G_P12在第一相位编码方向上被接通，梯度G_P2在第二相位编码方向上被接通。此外，梯度的方向转换到读取方向G_R上。在阶段III期间，核自旋在梯度G_R ⁺作用下依次变为没有相位差。在无相位差的时刻，在读取间隔I1到I8中生成的核共振信号S1到S8被扫描。参见图5可知，图中，第一核共振信号S1是通过激发的散焦从最后一个高频脉冲RF8产生的，最后一个核共振信号S8是通过以第一个高频脉冲RF1激发的核自旋的散焦产生的。

核共振信号S1到S8是通过梯度G_R ⁺并在其方向上按频率编码的。此外它们在第一和第二相位编码方向G_P1上和G_P2上按相位编码。在第一相位编码方向G_P1上，它们通过梯度G_P11各不相同地按相位编码，因为各个核共振信号梯度的有效持续时间各不相同。通过相位编码梯度G_P12，一个附加相位被记上核共振信号S1到S8的记号，该相位对于所有核共振信号S1到S8都一样。

所述的序列被执行n次。由此总的三维K空间通过梯度G_P12的步进运行被扫描到。

因此，一种特别快的数据采集成为可能。因为梯度场比激发的接通次数少得多(例如在8次激发之后有一次在读取方向上的梯度G_R的转换)，而且不需要高变化率，所以对梯度放大器没有特殊要求。

纵向磁化不断被T₁驰豫所重新充满，从而一个纵向磁化的稳态状态产生了。因此，原则上测量可以没有时间延迟地任意多次重复，其中每次测量出于相同的纵向磁化。通过逐段采集图象形成所需的数组可以有很短的响应时间(信号的激发至读取之间的时间)。因此，信号强度和图象质量受T2^*衰变、场多向性、漫反射和运动赝象影响小。此外，在化学变化相干时间内响应时间的变化可被保持并且与此相关的赝象被大大避免了。在所述的实施例中，带有每个部分序列8个响应和64个K空间行，根据图1到5例如可以达到响应时间在2.277毫秒到18.517毫秒，其中在相位编码方向上得到有效K空间扫描带宽为每个像素61.6Hz。因此在场强为1T时，油和水之间140Hz化学变化引起的图象失真只有大约2.5个像素。

图6到9描述的是本发明另一个实施例。与第一实施例不同的是：在阶段III的读取间隔I1到I8之间的停歇时，辐射出其它高频信号RF9到RF16。此外，在读取间隔I9到I16间的间隔I中，同样有核共振信号被读取。当然，只有在所述部分序列之前就有相同的部分序列发生的情况下这种情况才有可能。在所述部分序列的读取间隔I9到I16中，通过前面所述部分序列的高频脉冲RF9到RF16所激发核自旋的相位差归零，产生了核共振信号。通过这种形式的激发可以在不延长测量时间的前提下得到两倍数量的核共振信号。其高频发送和接收系统所必需的高速转换远不如EPI测量法梯度变换那么棘手。

在第二实施例中，如图7所示，阶段I中相位编码的实现不是通过在第一相位编码方向G_P1上的一个连续的相位编码梯度，而是通过单独脉冲G_P11实现。因此，K空间中的相位编码是一行一行逐步被连通的，也就是说，它的实现不是采用图2实施例中K空间的倾斜的扫描。

如果在阶段I或阶段III，一个相位编码梯度在第一相位编码方向上被接通，则第二实施例就足够了，因为它不仅对阶段I扫描到的核共振信号产生影响，也对阶段I激发的核自旋进行相位编码。与图2不同的是：根据图7和图9的相位编码仅在阶段III之后的阶段IV才出现相位编码梯度G_P2，它统一连接所有已述的脉冲序列的阶段。

图10到14描述了本发明的另一个实施例，在此根据图12，梯度G_R在读取方向上不是一次而是两次被反相(G_R2 ^-)。因此，如图14所示，在梯度G_R ⁺作用下产生了相位差的自旋又恢复为无相位差，从而产生了另外一组核共振信号S9到S16。在此，当然可以在读取方向通过其它梯度G_R的再反相再产生其它核共振信号。在所述实施例中，在第一相位编码方向上的相位编码是通过短的相位编码脉冲G_P11在每个核共振信号S之前实现的。因此，K空间相位编码是一行一行逐步被连通的。

在第二相位编码方向，在读取阶段之前一个相位编码梯度G_P2被接通。它在第二相位编码方向为后面的读取阶段中的核共振信号S1到S16统一编码。

在图10到14的实施例中，每次激发后还可以得到比前面的实施例中更多的核共振信号。

原则上，如果根据T2^*衰变在其间产生的核共振信号也有强烈衰减的振幅，则一次部分序列中激发的核自旋不仅在下一部分序列中无相位差，而且在后面许多部分序列中也无相位差。然而通过附加的信号可能产生干扰性的相干。为了避免这一点，可以把完整脉冲序列的相在部分序列的连续阶段I、III反转。相应的，在解调每个附属响应时，基准相也必须反转。通过这种被称为“高频掠夺”的方法可使干扰的相干赝象被避免。相干赝象的产生与防止在医学磁共振1988年第八期248至260页的“在FLASH-MRI的横向相干性的排除”一文中有详细描述。

在所描述的响应产生的方法中响应时间在变化。参见图5可知：例如在第一高频脉冲RF1和它附属的响应S8之间的响应时间明显大于高频脉冲RF8和它附属的响应S1之间的响应时间。然而，响应时间越长响应振幅越小。不同的振幅是不希望的，对此可以通过前面的高频脉冲比后面高频脉冲的触发角大的方法尽可能地避免，也就是说，触发角从高频脉冲RF1减小到RF8。

根据本发明方法的脉冲序列，在原理上是没有层选的，因此一般来说一个三维体积可被激发和读取。然而有时应该选取确定的层或者消隐相邻的层。人们可以做到对层或区域的消隐，其中根据图15和16的脉冲序列有选择的填充一个区域或层。为此，可以把在层选梯度G_PIS作用下被辐射的、经过频率选择的高频脉冲RF_S置于例如本身的脉冲序列之前。然后一个扰流梯度G_PISP(Spoiler-Gradient)被接通，它使通过激发而产生的磁化产生相位差。因此通过高频脉冲RF_S的频宽、带宽和梯度G_PIS的振幅，一个层的位置和厚度被确定，这个层被填充。因为这个被填充的层中的核自旋被去掉了极性，后面的脉冲序列在这个层不会有核共振信号被激发。

通过人们在本身测量脉冲前纵向磁化的准备，可以对图象对比度产生影响。为此，例如根据图17在第一部分序列之前高频准备脉冲RF_P以180°脉冲的形式被辐射。

在部分脉冲中根据上述方法通过典型形式不能得到完整三维图象所需的所有原始数据或者表达为：完整的K空间不能被扫描。在此，一种可取的方法是按照图18、19中二维的描述方法对K空间进行分段，也就是说分为单一的段Sg1到Sgm，分别把行中一相关的块归入段，段Sg的数量相当于每个部分序列得到的核共振信号的数量，在图1所示脉冲序列情况下分为8段，在图6所示脉冲序列情况下分为16段。通过连续的部分序列连续的行被填充在每个段Sg中，在此，部分序列将一直被执行，直至原始数据矩阵中的所有行都被填充。

把一个核共振信号归入原始数据矩阵的一行是通过它的相位因子确定的。通过相位因子相应的调整可以任意预定归类的次序。如上所述，核共振信号在一个部分序列中表现出不同的振幅。原始数据矩阵中行与行之间较大的振幅差别要尽可能避免，因为这将在图象中导致赝象。因此被扫描的核共振信号根据图19在原始数据矩阵R中排列如下：单个部分序列的所有第一响应被归入第一段Sg1，所有第二响应被归入第二段Sg2，等等。

在如图6的脉冲序列情况下，不仅在阶段I，而且在阶段II都会得到核共振信号，则得到如图20的排列。在此，所有部分序列的第一响应被列入第一段Sg1，所有部分序列的第九响应被列入第二段Sg2，因为第一和第九响应具有基本相等的振幅。相应的，第二和第十响应，第三和第十一响应等等被依次排列在Sg1段到Sg16段。

即使单个“强”高频脉冲的谱是宽带的，然而由于全部脉冲序列长度的影响，也只产生一个按比例变窄的谱，如图21所示。这个谱由单一的线构成，其中由这条谱线只能得到一个信号，但是有可能把所有脉冲序列的谱加宽，即通过单个脉冲的相位调制。例如通过下面的相位序列谱可以得到明显的加宽：

180°，45°，(-45°)，(-90°)，(-90°)，(-45°)，45°，180°用这个脉冲序列得到的激发谱如图22所示。

脉冲序列中高频脉冲的相位调制在SMRM文摘1991年第10期第269页的“瞬时激发脉冲”一文中也有论述。

所述方法的特殊优点在于：与被读取信号的数量相比读取梯度的变换数量少。在所有已述实施形式中读取梯度在每个部分测量中只有四个斜坡。陡峭的脉冲斜坡根据梯度线圈的电感决定一个高的开关电压，并决定对梯度放大器和梯度线圈耐压强度的相应的要求。在传统的高速脉冲序列和传统的梯度放大器-梯度线圈系统中，斜坡时间已完全被记入脉冲序列的全部时间中，该斜坡时间一般不供核共振信号的激发和读取使用。因为在此所述的脉冲序列法信号的数量明显大于斜坡数量，所以斜坡时间所占比重较小。这将在后面进一步研究。

可以根据一个被称为扫描效率的值η来对一个脉冲序列进行评价：

η＝有效读取时间/总的获取时间

这个值受到不供核共振信号扫描使用的时间的限制。如果把直接决定信噪比的有效接收带宽Δf同上面所定义的扫描效率η和序列的重选时间T_R联系起来，就明白了因子η的意义：

Δf = \frac{1}{η \cdot T_{R}}

在实际过程中，在短的测量时间内，扫描效率因为相对恒定地不用于扫描操作的斜坡时间而降低。在目前测量时间和信号强度均为最优值的二维EPI方法中，对一个正弦波形式的读取梯度，η也只是小于0.637。在图1到5的脉冲序列中，在读取梯度G_R的半波中只有高频脉冲被辐射，在另外半波中只有信号被读取，如果两个梯度半波有相同的振幅，则扫描效率保持在较小的0.5。但如果使阶段I的读取梯度G_R ^-的振幅比阶段III的大，则阶段I将变短，从而扫描效率可被提高到大于0.5。

与之相反，图6到9的脉冲序列中扫描段即延伸到阶段I也延伸到阶段III。因此这种技术快得多，高效得多，但技术上要求也高。一般用于收发转换开关的转换时间在不到几微秒的范围内，而读取周期也在几毫秒内，从而差不多可达到连续扫描的目的。

在高频脉冲的小触发角下，对纵向上动态T₁弛豫和稳态状态的分析可以被没有大误差地简化，即通过把它们看作是与平均重读时间T_R等距放置的。在一个比纵向驰豫时间T₁小得多，并且具有接收带宽Δf的重读时间T_R内，在M层三维扫描和傅立叶-重组的每时间单位的最优信噪比如下式：

\frac{S}{N \cdot \sqrt{T_{R}}} = \sqrt{\frac{η \cdot T_{R} \cdot M}{2 T_{1}}}

一个与序列无关的比例因子被省略。

在多层二维的EPI方法中带有一个完全被驰豫的初始磁化时，得到一个类似的结论：

\frac{S}{N \cdot \sqrt{T_{R}}} = \frac{1}{2} \sqrt{η}

出于比较的目的在此T_R被称为平均响应间隔。考虑到实际情况中观察的信号损失有约50％，故将因子1/2引入。其原因归于强烈的T2^*衰变和脂饱和。

为了对照，接下来研究一个驰豫时间T₁为500毫秒的物体。它将在64×64×128个K空间点中，即用扫描效率η＝0.41的二维多层自旋响应EPI方法，也用前面所述的方法来扫描。在一个实际已实现的根据图1至5的脉冲序列中能得到重读时间T_R为2.63毫秒，扫描效率η＝0.59。用这些参数，依据测量时间被标准化的信噪比对于这两种技术是大致一样的，即前面所述的三维方法为0.31，EPI方法为0.32。因此，前面所述的三维图形生成法与EPI方法在相同测量时间内提供了信噪比相近的图象。

根据图1到5的有128个区的脉冲序列已经在传统的西门子磁撞击核自旋层析X摄影机上实现，其梯度场强为每米15mT，其梯度变化率为15T/m·s。在一个部分序列中有8个触发角为α＝6°，延迟时间为每个10微秒的“强”高频脉冲被辐射。被辐射的高频效率SAR(比吸收率)比FDA(Foodand Drug Administration)的边界值小得多。其扫描效率可达η＝0.59，在83 KHz时128×64×128个K空间点的数字化所需的测量时间总共为21.5秒或每层为168毫秒。

用这种脉冲序列，对一个最小视窗(field of view)260×260×260mm³可得到一个达2mm的均匀线性的分辨率。一个280×280mm且有效单层厚度为2.15毫米的视场内的人头图象的信噪比S/N为大约30到40。

图6到9的脉冲序列已在同一个设备上实现。其触发角为α＝5°。在200 KHz的扫描率时，可得160×320×320mm³的图形空间(Volume ofView)。16×64×128个K空间点的测量共需1.35秒(每层84毫秒)。平均响应重读时间T_R＝1.31毫秒。由于所用的表层线圈上硬件的限制，其可能的扫描效率由η＝0.76降到η＝0.49。要认识到由于化学变化只造成弱的赝象，因此，原磁场调节和油的抑制都不是必要的。用一个循环极化的高频线圈在层厚为10毫米时可以得到一个大约为25的标准化的信噪比。一系列达到72个的连续三维脉冲序列(97秒内1152幅图象)显示出一个恒定的图象质量。这说明，在测量期间纵向上出现一个稳定状态。

Claims

1、一种用于核自旋共振仪的脉冲序列法，它包括下列步骤：

a)在第一阶段(I)发射一个强的高频脉冲序列(RF1-RF8)，同时有一个梯度在第一方向(G_R ^-)上接通，

b)在第三阶段(III)，第一方向的梯度被反转(G_R ⁺)，在序列中从扫描间隔(I1-I8)产生的核共振信号被扫描，

c)由步骤a和b组成的部分序列被重复n次。

2、根据权利要求1的脉冲序列法，其特征在于：

在第三阶段(III)，梯度(G_R)在第一方向上被多次反转。

3、根据权利要求1或2的脉冲序列法，其特征在于：

在第三阶段期间的扫描间隔(I1-I8)之中，高频脉冲(RF9-RF16)也被发射，而且第一阶段期间扫描间隔(I9-I16)之中，核共振信号也被扫描。

4、根据权利要求1到3之一的脉冲序列法，其特征在于：

在介于第一和第三阶段之间的第二阶段(II)之中，一个相位编码梯度(G_P12)在与第一方向垂直的第二方向上被接通，其中该相位编码梯度(G_P12)从部分脉冲序列到部分脉冲序列具有变化的振幅-时间图。

5、根据权利要求3的脉冲序列法，其特征在于：

在介于第一和第三阶段之间的第二阶段(II)之中，或必要时位于第三阶段(III)之后的第四阶段(IV)之中，总有一个相位编码梯度(G_P12，G_P15)在与第一方向垂直的第二方向上被接通，其中该相位编码梯度(G_P12，G_P15)从部分序列到部分序列具有变化的振幅-时间图。

6、根据权利要求4或5的脉冲序列法，其特征在于：

在第二阶段(II)或者必要时在第四阶段(IV)，总有一个附加的相位编码梯度(G_P2)在与第一方向和第二方向都垂直的第三方向上接通，其中该相位编码梯度(G_P2)从部分序列到部分序列具有变化的振幅-时间图。

7、根据权利要求1到6之一的脉冲序列法，其特征在于：

在第一和/或第三阶段(I，III)期间，一个相位编码梯度(G_P11)在与第一方向垂直的第二方向上被接通。

8、根据权利要求7的脉冲序列法，其特征在于：

相位编码梯度(G_P11)在各阶段中保持接通状态。

9、根据权利要求7的脉冲序列法，其特征在于：

相位编码梯度(G_P11)由在读取间隔(I1-I16)之间的单一脉冲构成。

10、根据权利要求1到9之一的脉冲序列法，其特征在于：

被扫描的核共振信号根据其在K空间的相位编码分别被记入原始数据矩阵的一行，其中，原始数据矩阵被分为带有n个相关行的数段(Sg1-Sgm)，段(Sg1-Sgm)的数量与每个部分序列不同的被相位编码的核共振信号的数量相一致；通过将连续核共振信号(Sg1-Sg16)确定分配给一个段(Sg1-Sgm)进行核共振信号在阶段III或者是阶段IV的相位编码；通过将核共振信号(Sg1-S16)确定分配给每个段(Sg1-Sgm)的各个行，进行在阶段I到IV的相位编码。

11、根据权利要求10的脉冲序列法，其特征在于：

在原始数据矩阵中行的排列是这样实现的，即原始数据矩阵相邻行的核共振信号的振幅差别尽可能的小。

12、根据权利要求1到11之一的脉冲序列法，其特征在于：

高频脉冲(RF1-RF16)是以脉冲序列的激发谱被加宽的方式被调制的。

13、根据权利要求1到12之一的脉冲序列法，其特征在于：

高频脉冲(RF1-RF16)在第一或者必要时第三阶段(I，III)中，高频脉冲与高频脉冲之间表现出不同的振幅。

14、根据权利要求1到13之一的脉冲序列法，其特征在于：

在连续阶段中的高频脉冲在相位上被反转。

15、根据权利要求1到14之一的脉冲序列法，其特征在于：

在每个读取阶段(I，III)之后，核自旋的相位编码被还原。

16、根据权利要求1到15之一的脉冲序列法，其特征在于：

通过在至少一个部分脉冲序列之前的纵向磁化的准备，可以使图象对比度发生变化。

17、根据权利要求1到16之一的脉冲序列法，其特征在于：

通过在部分脉冲序列下激发和读取周期之间的时间间隔的变化，有效响应时间从K空间行到K空间行连续变化。