CN114839573B - 磁共振系统的控制方法和控制装置 - Google Patents

磁共振系统的控制方法和控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种磁共振系统的控制方法和控制装置。其中，所述控制方法包括：测量并记录射频场数据；基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值；基于所述幅值估算值设置射频脉冲的幅度控制参数；获取所述射频脉冲的序列模式的设定指令；以及，基于所述幅度控制参数和所述设定指令输出控制信号。如此配置，一方面能够通过测量以发现射频场的实际数据，另一方面能够基于粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值，减少噪声误差的影响，提高射频幅值校准的精度和速度。从而，解决了现有技术中存在的射频场场强受到各种因素影响导致与预期场强发生变化，从而影响成像效果的问题。

Description

磁共振系统的控制方法和控制装置
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，特别涉及一种磁共振系统的控制方法和控制装置。
背景技术
当磁共振成像对象(例如，人体)进入射频线圈后，射频场的场强会受到磁共振成像对象的影响而发生变化，另外，其他因素也可能改变射频场的场强。
因此，若使用射频场场强的预期场强设置射频参数，则可能造成成像效果不佳或者出错等问题。
在现有技术中，有一种方法是利用最小二乘法对射频场进行拟合，通过最小化目标拟合函数值和实际值之间的平方和误差为目标，由于拟合函数为非线性函数，需要通过迭代来求得最优解，需要求解矩阵的广义逆，需要计算参数矩阵的一阶导数即梯度矩阵或者是二阶导数海塞矩阵，当数据量大以及要求的精度高时，会产生巨大的计算量，迭代速率慢从而导致计算效率低下。
总之，现有技术中存在射频场场强受到各种因素影响导致与预期场强发生变化，从而影响成像效果的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁共振系统的控制方法和控制装置，以解决现有技术中存在的射频场场强受到各种因素影响导致与预期场强发生变化，从而影响成像效果的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种磁共振系统的控制方法，用于控制所述磁共振系统产生脉冲序列，包括：测量并记录射频场数据，所述射频场数据包括相对应的射频场相位角和射频场场强；基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值；基于所述幅值估算值设置射频脉冲的幅度控制参数；获取所述射频脉冲的序列模式的设定指令；以及，基于所述幅度控制参数和所述设定指令输出控制信号，其中，所述控制信号用于驱使所述磁共振系统产生射频脉冲序列。
可选的，所述基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值的步骤包括：基于所述粒子群算法获取所述射频场数据与目标函数的拟合结果，得到待拟合参数；以及，基于所述待拟合参数得到所述射频场的幅值估算值。
可选的，所述基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值的步骤包括：基于所述粒子群算法获取所述射频场数据与形式为y＝Asin(θ)+b或者形式为y＝Asin(θ)的目标函数的拟合结果，其中，y代表所述射频场场强，θ代表所述射频场相位角，A和b为所述待拟合参数；以及，将所述拟合结果中的A配置为所述射频场的幅值估算值。
可选的，所述粒子群算法的步骤包括：随机初始化多个粒子的速度和位置，其中，每个所述粒子对应于一组待拟合参数的潜在解；评估每个所述粒子的函数适应值，得到全局最优位置；判断当前情况是否满足结束条件；若满足，则将当前的全局最优拟合结果作为最终的拟合结果；若不满足，则更新每个所述粒子的速度和位置；评估每个所述粒子的所述函数适应值；更新每个所述粒子的历史最优位置；以及，更新所述全局最优位置，并继续判断当前的情况是否满足结束条件。
可选的，所述更新每个所述粒子的速度和位置的步骤包括：基于所述粒子上一次的速度、所述历史最优位置和全局最优位置更新速度；以及，基于所述粒子上一次的位置和所述粒子更新后的速度更新位置。
可选的，所述函数适应值的计算方式为所述粒子的位置对应的拟合函数与所述射频场数据的方差。
可选的，所述判断当前情况是否满足结束条件的步骤包括：若所述全局最优位置对应的所述函数适应值小于预设值或者迭代次数达到预设上限，结果为满足；否则，结果为不满足。
可选的，所述基于所述幅值估算值设置射频脉冲的幅度控制参数的步骤包括：将所述幅度控制参数设置为等于所述幅值估算值。
可选的，所述基于所述幅度控制参数和所述设定指令输出控制信号的步骤包括：基于所述设定指令，按照对应的翻转角序列，输出所述控制信号。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种磁共振系统的控制装置，包括：测量模块，用于测量并记录射频场数据，所述射频场数据包括相对应的射频场相位角和射频场场强；数据处理模块，用于基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值；基于所述幅值估算值设置射频脉冲的幅度控制参数；输入模块，用于获取所述射频脉冲的序列模式的设定指令；以及，控制模块，用于基于所述幅度控制参数和所述设定指令输出控制信号，其中，所述控制信号用于驱使所述磁共振系统产生射频脉冲序列。
与现有技术相比，本发明提供的一种磁共振系统的控制方法和控制装置中，所述控制方法包括：测量并记录射频场数据；基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值；基于所述幅值估算值设置射频脉冲的幅度控制参数；获取所述射频脉冲的序列模式的设定指令；以及，基于所述幅度控制参数和所述设定指令输出控制信号。如此配置，一方面能够通过测量以发现射频场的实际数据，另一方面能够基于粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值，减少噪声误差的影响，提高射频幅值校准的精度和速度。从而，解决了现有技术中存在的射频场场强受到各种因素影响导致与预期场强发生变化，从而影响成像效果的问题。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
图1是本发明一实施例的控制方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例的粒子群算法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的核心思想在于提供一种磁共振系统的控制方法和控制装置，以解决现有技术中存在的射频场场强受到各种因素影响导致与预期场强发生变化，从而影响成像效果的问题。
以下参考附图进行描述。
请参考图1至图2，其中，图1是本发明一实施例的控制方法的流程示意图；图2是本发明一实施例的粒子群算法的流程示意图。
如图1所示，本实施例提供了一种磁共振系统的控制方法，用于控制所述磁共振系统产生脉冲序列，包括：
S11获取开始指令，所述开始指令用于表示成像对象已经进入射频区域；
S12测量并记录射频场数据，所述射频场数据包括相对应的射频场相位角和射频场场强；
S13基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值；
S14基于所述幅值估算值设置射频脉冲的幅度控制参数；
S15获取所述射频脉冲的序列模式的设定指令；以及，
S16基于所述幅度控制参数和所述设定指令输出控制信号，其中，所述控制信号用于驱使所述磁共振系统产生射频脉冲序列。
在步骤S11中，所述开始指令可能的触发情景如下：在一实施例中，操作者通过肉眼观察确认所述成像对象(例如是人体)已经进入所述射频区域，然后通过相应的操作发送所述开始指令。在另一实施例中，由一检测装置确认(例如红外线探头)后发送所述开始指令。所述射频区域可以理解为射频线圈的内部。
在步骤S12中，所述射频场相位角可从相关的磁共振成像装置的内部读取，而所述射频场场强则通过传感器进行测量。具体的测量位置可以根据需求和相关空间结构的合理性出发进行配置，在此不进行展开说明。
在步骤S13中，将测量得到的射频场数据，通过粒子群算法进行拟合，得到相应的射频场的幅值关于射频场相位角的函数表达式。然后再根据函数表达式中的系数提取所述幅值估算值。函数表达式的形式被提前设定，函数表达式的系数通过拟合得到。具体的函数表达式的选择方案，在后文中描述。在后文中，用“目标函数”的称呼表述这种特定的函数表达式。
在步骤S14中,所述基于所述幅值估算值设置射频脉冲的幅度控制参数的步骤包括：将所述幅度控制参数设置为等于所述幅值估算值。如此能够得到较优的成像结果。
在步骤S15中，所述射频脉冲的序列模式包括磁共振成像装置能够支持的多种序列，例如自旋回波序列，快速自旋回波序列及更为细分的子序列等。所述设定指令由操作者通过交互界面选择，或者由其他的高一级的控制程序所发出。一般根据成像目的和成像的具体位置进行确定。
在步骤S16中，所述磁共振系统产生射频脉冲序列的具体原理，例如，如何用电流进行激发，如何控制射频的翻转角和幅值等，可以根据本领域公知常识进行配置，在本说明书中不进行展开说明。
步骤S16中，所述基于所述幅度控制参数和所述设定指令输出控制信号的步骤包括：基于所述设定指令，按照对应的翻转角序列，输出所述控制信号，其中，所述翻转角序列中的翻转角的可选取值包括90°和180°。例如，在常规的自旋回波序列中，翻转角序列为90°、180°交替循环反复。在其他实施例中，所述翻转角也可以选择其他的取值，例如90°～180°之间的任意值。
如此配置，一方面通过实际测量的数据来得到射频场的实际幅值，能够排除外部干扰造成的影响；另一方面采用粒子群算法进行拟合，避免了最小二乘法等拟合算法需要求解矩阵的广义逆以及计算梯度矩阵和/或海塞矩阵的所带来的巨大的计算量，加快了计算速度，提高了效率。粒子群算法是一种模拟自然界的生物活动以及群体智能的全局搜索算法，是通过模拟鸟群觅食行为而发展起来的一种基于群体协作的随机搜索算法，每一个粒子可以被认为是问题的一种潜在解。粒子群算法对优化目标函数没有连续性等严格要求，容易实现，需要设置调节的参数少，因此能够较快地确定受影响后的场强，降低了场强变化所带来的影响。
可以理解的，粒子群算法作为一种启发式搜索算法，一般会认为在求解速度上是劣于其他算法的，但是，发明人通过比较采用粒子群算法的方案和其他潜在方案(例如采用求解矩阵的广义逆以及计算梯度矩阵和/或海塞矩阵等方法)，认为尽管粒子群算法在计算上需要一定的等待时间，但是可以得到正确的效果，而且等待时间是可以接收的。其他的方案或者因为缺少必要的参数而无法实施，或者即使实施，等待的时间在本工况下反而比粒子群算法更久。因此，在此使用粒子群算法克服了技术偏见，并且比其他的潜在方案取得了更好的效果。
具体地，所述基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值的步骤包括：基于所述粒子群算法获取所述射频场数据与形式为y＝Asin(θ)+b的目标函数的拟合结果，其中，y代表所述射频场场强，θ代表所述射频场相位角，A和b为待拟合参数；根据拟合参数的数目来设置解的维数，以及最大迭代次数和粒子数规模，学习因子等初始参数条件。以及，将所述拟合结果中的A配置为所述射频场的幅值估算值。具体的拟合流程可以参考本说明书的后文。可以理解的，在本实施例中选择与形式为y＝Asin(θ)+b的目标函数，如果RF脉冲包络比较复杂的话，可以根据实际情况和背后的物理逻辑进行分析，采用其他形式的目标函数。
在又一实施例中，所述基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值的步骤包括：基于所述粒子群算法获取所述射频场数据与形式为y＝Asin(θ)的目标函数的拟合结果，其中，y代表所述射频场场强，θ代表所述射频场相位角，A为待拟合参数；以及，将所述拟合结果中的A配置为所述射频场的幅值估算值。在本实施例中，通过减少了拟合参数的数量，进一步提高了算法的速度。
上述实施例也可以总结归纳为：所述基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值的步骤包括：基于所述粒子群算法获取所述射频场数据与目标函数的拟合结果，得到待拟合参数；以及，基于所述待拟合参数得到所述射频场的幅值估算值。
图2展示了所述粒子群算法的具体步骤，包括：
S21随机初始化多个粒子的速度和位置，其中，每个所述粒子对应于一组待拟合参数的潜在解；以形式为y＝Asin(θ)+b的目标函数为例，每个所述例子对应于一组潜在的(A,b)的值。
S22评估每个所述粒子的函数适应值，得到全局最优位置；S23判断当前情况是否满足结束条件；
S24若满足，则将当前的全局最优拟合结果作为最终的拟合结果；
S25若不满足，则更新每个所述粒子的速度和位置；
S26评估每个所述粒子的所述函数适应值；
S27更新每个所述粒子的历史最优位置；
以及，S28更新所述全局最优位置，并继续判断当前的情况是否满足结束条件。
在一示范性的实施例中，目标函数的形式为y＝Asin(θ)+b。函数适应值按照如下步骤计算。在该实施例中，所述射频场数据为{(θ1,E1),(θ2,E2),(θ3,E3)}。其中，θ1、θ2和θ3表示所述射频场相位角，而E1、E2和E3则表示所述射频场场强。可以理解的，实际操作中，所述射频场数据的数量是以万计的甚至更多，此处仅为解释说明。假设某个所述粒子对应于一组(Ai,bi)，其中，i为粒子的编号。计算y1＝Aisin(θ1)+bi,y2＝Aisin(θ2)+bi以及y3＝Aisin(θ3)+bi。然后再根据(E1-y1)、(E2-y2)和(E3-y3)计算所述函数适应值，例如是上述三者绝对值的平均数，或者平方和的平均数，又或者是根据实际需要设置的其他计算方式的所述函数适应值。然后就可以根据所述函数适应值判断当前粒子是否是全局最优位置，或者根据所述函数适应值计算当前粒子在参与迭代更新时的权重。以这样的方式反复计算，确定最终的粒子，而该粒子所对应的(A,b)的值则对应于最终的拟合结果。
如此配置，可以通过粒子的反复迭代获得全局最优解，一方面可以进行全局搜索，避免区域最小值陷阱；另一方面使得粒子种群的整体向最优解移动，最终收敛于最优解附近。
在本实施例中，多通道的RF脉冲是一致的，也就是说包络形状是一样的(也就是目标函数一样)，因此可以采用同一方法针对不同的通道进行求解。在其他实施例中，如果包络形状不一样，可以针对性地多个目标函数依次求解，求解步骤上述流程一致，具有通用性。
在步骤S21中，对多个粒子进行初始化，包括初始化所述多个粒子的速度和位置，所述粒子的位置可以解码为一个对应的函数，以拟合形式为y＝Asin(θ)+b的函数为例，可以令所述粒子的位置的一个维度为A，另一个维度为b进行迭代优化。而每个粒子代表的函数可以通过读取所述粒子的坐标来转换得到。
在步骤S22中，所述函数适应值的计算方式可以根据实际情况进行设置，在一实施例中，为所述粒子的位置对应的拟合函数与所述射频场数据的方差。在其他的实施例中，也可以选择其他的统计学指标，或者与磁共振成像的具体实际相结合进行设置。
进一步地，S23所述判断当前情况是否满足结束条件的步骤包括：若所述全局最优位置对应的所述函数适应值小于预设值或者迭代次数达到预设上限，结果为满足；否则，结果为不满足。所述预设值可以根据实际需要进行设置，例如，需要精度较高时可设置较小，需要速度较快时，可设置较大。
步骤S24，若所述全局最优位置对应的所述函数适应值小于预设值或者迭代次数达到预设上限，则将当前的全局最优拟合结果作为最终的拟合结果。
在步骤S25中，所述更新每个所述粒子的速度和位置，包括：基于所述粒子上一次的速度、所述历史最优位置和全局最优位置更新速度；以及，基于所述粒子上一次的位置和所述粒子更新后的速度更新位置。如此配置，可以兼顾收敛速度和全局搜索，得到较优的拟合效果。
在步骤S26中，在每次的更新和迭代过程中，计算并评估各粒子的适应度函数值。
在步骤S27中，如果该粒子当前的适应度函数值比历史最优值好，则历史最优将会被当前位置所替代，依照同样的方法，更新每个所述粒子的历史最优位置。
在步骤S28中，如果该粒子的历史最优比全局最优好，则全局最优将会被粒子的历史最优替代，更新所述全局最优位置，对每个粒子的不同的维数进行速度和位置的更新，直至满足结束条件，输出全局最优位置。
本实施例还提供了一种磁共振系统的控制装置，包括：开始模块，用于获取开始指令，所述开始指令用于表示成像对象已经进入射频区域；测量模块，用于测量并记录射频场数据，所述射频场数据包括相对应的射频场相位角和射频场场强；数据处理模块，用于基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值；基于所述幅值估算值设置射频脉冲的幅度控制参数；输入模块，用于获取所述射频脉冲的序列模式的设定指令；以及，控制模块，用于基于所述幅度控制参数和所述设定指令输出控制信号，其中，所述控制信号用于驱使所述磁共振系统产生射频脉冲序列。
所述控制装置的工作流程细节，可以参考本说明书前述内容进行理解。所述控制装置以及所述磁共振系统的其他元件可以根据本领域公知常识进行理解，在此不进行展开描述。
总之，本实施例提供的一种磁共振系统的控制方法和控制装置中，所述控制方法包括：S12测量并记录射频场数据；S13基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值；S14基于所述幅值估算值设置射频脉冲的幅度控制参数；S15获取所述射频脉冲的序列模式的设定指令；以及，S16基于所述幅度控制参数和所述设定指令输出控制信号，其中，所述控制信号驱使所述磁共振系统产生射频脉冲序列。如此配置，一方面能够通过测量以发现射频场的实际数据，另一方面能够基于粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值，减少噪声误差的影响，提高射频幅值校准的精度和速度。从而，解决了现有技术中存在的射频场场强受到各种因素影响导致与预期场强发生变化，从而影响成像效果的问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种磁共振系统的控制方法，用于控制所述磁共振系统产生脉冲序列，其特征在于，包括：
测量并记录射频场数据，所述射频场数据包括相对应的射频场相位角和射频场场强；
基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值；
基于所述幅值估算值设置射频脉冲的幅度控制参数；
获取所述射频脉冲的序列模式的设定指令；以及，
基于所述幅度控制参数和所述设定指令输出控制信号，其中，所述控制信号用于驱使所述磁共振系统产生射频脉冲序列；
所述基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值的步骤包括：
基于所述粒子群算法获取所述射频场数据与形式为y＝Asin(θ)+b或者形式为y＝Asin(θ)的目标函数的拟合结果，其中，y代表所述射频场场强，θ代表所述射频场相位角，A和b为待拟合参数；以及，
将所述拟合结果中的A配置为所述射频场的幅值估算值。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述粒子群算法的步骤包括：
随机初始化多个粒子的速度和位置，其中，每个所述粒子对应于一组待拟合参数的潜在解；
评估每个所述粒子的函数适应值，得到全局最优位置；
判断当前情况是否满足结束条件；
若满足，则将当前的全局最优拟合结果作为最终的拟合结果；
若不满足，则更新每个所述粒子的速度和位置；
评估每个所述粒子的所述函数适应值；
更新每个所述粒子的历史最优位置；以及，
更新所述全局最优位置，并继续判断当前的情况是否满足结束条件。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述更新每个所述粒子的速度和位置的步骤包括：
基于所述粒子上一次的速度、所述历史最优位置和全局最优位置更新速度；以及，
基于所述粒子上一次的位置和所述粒子更新后的速度更新位置。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述函数适应值的计算方式为所述粒子的位置对应的拟合函数与所述射频场数据的方差。
5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述判断当前情况是否满足结束条件的步骤包括：
若所述全局最优位置对应的所述函数适应值小于预设值或者迭代次数达到预设上限，结果为满足；否则，结果为不满足。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述基于所述幅值估算值设置射频脉冲的幅度控制参数的步骤包括：将所述幅度控制参数设置为等于所述幅值估算值。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述基于所述幅度控制参数和所述设定指令输出控制信号的步骤包括：基于所述设定指令，按照对应的翻转角序列，输出所述控制信号。
8.一种磁共振系统的控制装置，其特征在于，包括：
测量模块，用于测量并记录射频场数据，所述射频场数据包括相对应的射频场相位角和射频场场强；
数据处理模块，用于基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值；基于所述幅值估算值设置射频脉冲的幅度控制参数；
所述基于所述射频场数据和粒子群算法获取所述射频场的幅值估算值的步骤包括：基于所述粒子群算法获取所述射频场数据与形式为y＝Asin(θ)+b或者形式为y＝Asin(θ)的目标函数的拟合结果，其中，y代表所述射频场场强，θ代表所述射频场相位角，A和b为待拟合参数；以及，将所述拟合结果中的A配置为所述射频场的幅值估算值；
输入模块，用于获取所述射频脉冲的序列模式的设定指令；以及，
控制模块，用于基于所述幅度控制参数和所述设定指令输出控制信号，其中，所述控制信号用于驱使所述磁共振系统产生射频脉冲序列。
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