CN116893382A - 磁共振成像中的同时多切片采集的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种磁共振(MR)采集加速方法(250)，该方法包括：对于多次采集中的每次采集，生成(252)激励多个切片的激励射频(RF)脉冲，通过MR系统向受检者施加(254)该激励RF脉冲，以及采集(256)多个切片的MR信号。多个切片中的切片数量不是2的幂，其中生成激励RF脉冲还包括在每次采集期间利用不同调制函数来调制基本激励RF脉冲。采集次数等于切片的数量，并且来自每次采集的MR信号是各个切片的MR信号的代数组合。该方法还包括：基于来自多次采集的MR信号来重建各个切片的MR图像；以及输出各个切片的重建的图像。

Description

磁共振成像中的同时多切片采集的系统和方法
背景技术
本公开的领域整体涉及加速采集的系统和方法，并且更具体地涉及加速磁共振(MR)采集的系统和方法。
磁共振成像(MRI)已证明可用于许多疾病的诊断。MRI提供通过其他成像模态诸如计算机断层扫描(CT)不能容易地成像的软组织、异常组织(诸如肿瘤)和其他结构的详细图像。此外，MRI在不将患者暴露于在模态诸如CT和X射线中经历的电离辐射的情况下操作。
与其他成像模态相比，MRI相对较慢，其中MRI扫描可持续一小时或更长时间，而CT扫描通常持续少于30分钟。因此，需要加速采集。已知的加速采集方法在一些方面是不利的，并且需要改进。
发明内容
在一个方面，提供了一种磁共振(MR)采集加速方法。该方法包括：对于多次采集中的每次采集，生成激励多个切片的激励射频(RF)脉冲，通过MR系统向受检者施加该激励RF脉冲，以及采集多个切片的MR信号。多个切片中的切片数量不是2的幂，其中生成激励RF脉冲还包括在每次采集期间利用不同调制函数来调制基本激励RF脉冲。采集次数等于切片的数量，并且来自每次采集的MR信号是各个切片的MR信号的代数组合。该方法还包括：基于来自多次采集的MR信号来重建各个切片的MR图像；以及输出各个切片的重建的图像。
在另一方面，提供了一种MR采集加速方法。该方法包括：对于多次采集中的每次采集，生成激励多个板坯的RF脉冲，通过MR系统向受检者施加该激励RF脉冲，以及采集多个板坯的MR信号。多个板坯中的板坯数量不是2的幂，其中生成激励RF脉冲还包括在每次采集期间利用不同调制函数来调制基本激励RF脉冲。采集次数等于板坯的数量，并且来自每次采集的MR信号是各个板坯的MR信号的代数组合。该方法还包括：基于来自多次采集的MR信号来重建各个板坯的MR图像；以及输出各个板坯的重建的图像。
附图说明
图1是示例性磁共振成像(MRI)系统的示意图。
图2A是示例性采集加速系统的示意图。
图2B是采集加速的示例性方法的流程图。
图3A示出了来自各次采集的MR信号与来自各个切片的MR信号之间的示例性关系。
图3B示出了当同时多切片(SMS)因子为三时的示例性关系。
图3C示出了当SMS因子为五时的示例性关系。
图3D示出了当SMS因子为六时的示例性关系。
图3E示出了当SMS因子为七时的示例性关系。
图4是示例性SMS方案中的射频(RF)脉冲的示意图。
图5示出了通过示例性SMS方案采集的体模图像。
图6示出了通过示例性SMS方案采集的脑图像。
图7是示例性计算设备的框图。
图8是服务器计算设备的示意图。
具体实施方式
本公开包括受检者的磁共振(MR)图像中的加速采集的系统和方法。如本文所用，受检者是人、动物或体模，或者是人、动物或体模的一部分，诸如器官或组织。通过在一次采集中激励并采集多个切片来加速图像采集，这与在一次采集中采集一个切片的常规MR图像采集不同。方法方面在以下描述中部分将是显而易见的并且部分将明确地讨论。
在磁共振成像(MRI)中，将受检者置于磁体中。当受检者处于由磁体生成的磁场中时，核诸如质子的磁矩尝试与磁场对准，但在核的拉莫尔频率下以随机顺序围绕磁场进动。磁体的磁场被称为B0并且在纵向或z方向上延伸。在采集MRI图像的过程中，处于x-y平面中且接近拉莫尔频率的磁场(称为激励场B1)由射频(RF)线圈生成，并且可用于将核的净磁矩Mz从z方向朝横向或x-y平面旋转或“倾斜”。在激励信号B1终止之后，核发射信号，该信号被称为MR信号。为了使用MR信号来生成受检者的图像，使用磁场梯度脉冲(Gx、Gy和Gz)。梯度脉冲用于扫描通过k空间、空间频率的空间或距离的反向。在所采集的MR信号和受检者的图像之间存在傅立叶关系，因此可以通过重建MR信号来导出受检者的图像。
图1示出示例性MRI系统10的示意图。在示例性实施方案中，MRI系统10包括具有显示器14和键盘16的工作站12。工作站12包括处理器18，诸如运行可商购获得的操作系统的可商购获得的可编程机器。工作站12提供操作者界面，该操作者界面允许将扫描方案输入到MRI系统10中。工作站12耦接到脉冲序列服务器20、数据采集服务器22、数据处理服务器24和数据存储服务器26。工作站12以及每个服务器20、22、24和26彼此通信。
在示例性实施方案中，脉冲序列服务器20响应于从工作站12下载的指令而操作梯度系统28和射频(“RF”)系统30。指令用于在MR脉冲序列中产生梯度波形和RF波形。RF线圈38和梯度线圈组件32用于执行规定的MR脉冲序列。RF线圈38被示出为全身RF线圈。RF线圈38也可以是可放置在待成像的解剖结构附近的局部线圈，或者是包括多个线圈的线圈阵列。
在示例性实施方案中，产生用于执行界定扫描的梯度波形并将其应用于梯度系统28，该梯度系统激励梯度线圈组件32中的梯度线圈以产生用于对MR信号进行位置编码的磁场梯度Gx、Gy和Gz。梯度线圈组件32形成磁体组件34的一部分，该磁体组件还包括极化磁体36和RF线圈38。
在示例性实施方案中，RF系统30包括用于产生MR脉冲序列中使用的RF脉冲的RF发射器。RF发射器响应于来自脉冲序列服务器20的扫描方案和方向，以产生具有期望频率、相位和脉冲振幅波形的RF脉冲。产生的RF脉冲可通过RF系统30施加到RF线圈38。由RF线圈38检测的响应MR信号由RF系统30接收，在由脉冲序列服务器20产生的命令的指示下被放大、解调、滤波和数字化。RF线圈38被描述为发射器和接收器线圈，使得RF线圈38发射RF脉冲并检测MR信号。在一个实施方案中，MRI系统10可包括发射RF脉冲的发射器RF线圈和检测MR信号的单独的接收器线圈。RF系统30的传输通道可连接到RF发射线圈，并且接收器通道可连接到单独的RF接收器线圈。通常，传输通道连接到全身RF线圈38，并且每个接收器区段连接到单独的局部RF线圈。
在示例性实施方案中，RF系统30还包括一个或多个RF接收器通道。每个RF接收器通道包括RF放大器，该RF放大器放大由通道所连接到的RF线圈38接收的MR信号；以及检测器，该检测器检测并数字化所接收的MR信号的I正交分量和Q正交分量。然后，所接收的MR信号的量值可以被确定为I分量和Q分量的平方和的平方根，如下面等式(1)所示：
并且所接收的MR信号的相位也可以如下面等式(2)所示来确定：
在示例性实施方案中，由RF系统30产生的数字化MR信号样本由数据采集服务器22接收。数据采集服务器22可以响应于从工作站12下载的指令而操作，以接收实时MR数据并提供缓冲存储器，使得没有数据因数据溢出而丢失。在一些扫描中，数据采集服务器22仅将所采集的MR数据传递到数据处理服务器24。然而，在需要从所采集的MR数据导出的信息来控制扫描的进一步执行的扫描中，数据采集服务器22被编程为产生所需的信息并将其传送到脉冲序列服务器20。例如，在预扫描期间，采集MR数据并将其用于校准由脉冲序列服务器20执行的脉冲序列。另外，导航器信号可在扫描期间被采集并且用于调整RF系统30或梯度系统28的操作参数，或者用于控制对k空间进行采样的视图顺序。
在示例性实施方案中，数据处理服务器24从数据采集服务器22接收MR数据，并且根据从工作站12下载的指令对MR数据进行处理。此类处理可以包括例如对原始k空间MR数据进行傅里叶变换以产生二维或三维图像，将滤波器应用于重建的图像，对所采集的MR数据执行反投影图像重建，生成功能MR图像，以及计算运动或流动图像。
在示例性实施方案中，由数据处理服务器24重建的图像被传送回工作站12并且存储在该工作站处。在一些实施方案中，实时图像存储在数据库存储器高速缓存(图1中未示出)中，实时图像可从该数据库存储器高速缓存输出到操作者显示器14或位于磁体组件34附近的显示器46，以供主治医生使用。批处理模式图像或所选择的实时图像可存储在磁盘存储装置48或云端上的主机数据库中。当这样的图像已经被重建并传输到存储装置时，数据处理服务器24通知数据存储服务器26。操作者可以使用工作站12来归档图像、产生胶片(film)或经由网络将图像发送到其他设施。
在2D MRI中，图像是通过切片来采集的。对于每个切片，通过切片选择梯度来选择切片，施加激励RF脉冲(或简称为激励脉冲)以激励该切片，其中该切片中的自旋或质子由激励脉冲激励。施加成像脉冲序列以对k空间进行采样以及采集MR信号。在MR中，脉冲序列是MR系统10在采集MR信号时施加的RF脉冲、梯度脉冲和数据采集的序列。在一些脉冲序列(诸如回波平面成像序列或快速自旋回波(FSE)序列)中，kx-ky平面中对应于切片的多个kx线或甚至整个kx-ky平面在一个激励RF脉冲之后被采集。在一些脉冲序列(诸如自旋回波序列或梯度回波序列)中，kx-ky平面中处于某个ky处的kx线在一个激励RF脉冲之后被采集。为了扫描kx-ky平面，相位编码梯度被改变以采集kx-ky平面中所有所需kx线。在2D脉冲序列中，FSE提供图像质量和速度的最佳组合。激励和对kx-ky平面进行采样的过程针对要采集的多个切片进行重复。因此，令人期望的是一次激励和采集多个切片，从而大大减少扫描时间。
为了提高信噪比(SNR)，应用了多次采集，其中采集次数(NEX)大于1。在常规多次采集中，对多个切片进行多次采集。SNR的提高与NEX的平方根大致成正比。通常应用Multi-NEX(多采集次数)来提高SNR。
同时多切片(SMS)采集的方法也多次重复采集。如本文所用，SMS采集是通过一个激励RF脉冲对多个切片的激励，并且来自多个切片的MR信号是通过扫描k空间并且接收多个切片的经扫描k空间数据来同时采集。与multi-NEX采集不同，在SMS采集中，多个切片在一次采集中被激励和采集。因为来自多个切片的信号被混合在一起，所以应用了多次采集以便从各个切片导出或解码图像或MR信号。
在多频带方法的已知SMS方法中，彼此相距较远的多个切片被一次激励和采集，并且来自各个切片的MR信号是使用来自多通道线圈的线圈灵敏度图来解析的。除了需要多通道线圈之外，多频带还极大地增加了具有重聚焦脉冲的脉冲序列的特定吸收率(SAR)。SAR是组织中由RF场沉积的功率量的量度。激励脉冲使切片的磁化旋转90°或更小的翻转角。重聚焦RF脉冲通常使磁化旋转180°,其中脉冲持续时间比激励脉冲长或者脉冲的振幅比激励脉冲高，并且因此重聚焦脉冲是脉冲序列的SAR的主要贡献者。在多频带SMS方法中，因为切片必须相距很远，使得线圈灵敏度图不重叠并且适于解码来自各个切片的MR信号，所以需要多个重聚焦脉冲来对来自多个切片的信号进行重聚焦。结果，在用于自旋回波类型的序列(诸如FSE)的多频带SMS方法中，SAR急剧增加。此外，要求多频带SMS中的多个切片彼此平行，从而使得该方法不适于对具有曲率的解剖结构(诸如脊髓)进行成像。如上所述，为了选择切片，在施加RF脉冲的同时施加切片选择梯度。当同时选择平行切片时，使用相同的切片选择梯度。选择彼此不平行的切片需要针对不同切片的不同切片选择梯度，这不能由MR系统提供。因此，多频带SMS方法不适于对脊髓进行成像。
在Hadamard方法的另一种已知SMS方法中，同时激励和采集的切片的数量被限制为2的幂，诸如2、4或8。由于RF放大器的限制，所以多个切片的数量可被限制为2。从2到4或从4到8的进一步增加急剧地增加了对MR系统的需求，从而使得使用Hadamard方法采集4个或8个切片的SMS难以实现。
在相位偏移多平面(POMP)方法的又一已知SMS方法中，两个或更多个切片(通常为两个)同时被激励。为了解码不同切片的MR信号，相位编码方向上的视场(FOV)被加倍或增加等于切片数量的倍数，从而限制了POMP方法的应用。
本文所述的系统和方法提供了多个切片的SMS采集，其克服已知SMS方法中的上述问题。本文所述的SMS方案的切片的数量不限于2的幂。同时激励和采集的切片的数量可被称为SMS因子。切片的数量可以是三个、五个、六个或七个。对于自旋回波类型序列，施加相同的单重聚焦脉冲以对多个切片中的自旋进行重聚焦。因为施加了一个单重聚焦脉冲，所以本文所述的SMS采集不会急剧增加脉冲序列的SAR。连续切片和/或非平面切片(其中切片中的一个切片不平行于切片中的另一个切片或与切片中的另一个切片具有不同角度)可同时成像，从而拓宽SMS采集的应用。可通过对来自多次SMS采集的MR信号的代数计算来导出各个切片的MR信号，从而简化解码计算。代数计算是诸如加法、减法、乘法或除法的运算。本文所述的系统和方法通过同时采集多个切片以及增加来自重复采集的图像的SNR来提高扫描速度，从而使得本文所述的SMS方案在具有低SNR或相对慢的系统或应用(诸如低SNR系统/应用和/或扩散应用)中是有利的。例如，在具有低RF放大器功率规格的系统中，该系统可不具有局部RF线圈或多通道RF线圈，并且因此总体SNR较低，因为局部RF线圈或多通道RF线圈可靠近受检者放置并且因此具有相对高的SNR。在另一示例中，在为骨盆或腹部成像提供最佳空间覆盖时，使用身体RF线圈，而不是局部RF线圈或多通道RF线圈，并且因此SNR相对低。在又一个示例中，应用(诸如前列腺扩散)由于2D选择性激励中的高分辨率和/或固有低SNR而具有相对低的SNR。本文所述的SMS方案用于提高SNR以及扫描速度。
图2A是示例性采集加速系统200的示意图。在示例性实施方案中，系统200包括采集加速计算设备202，该采集加速计算设备被配置为同时对多个切片进行成像。采集加速计算设备202可被包括在MRI系统10的工作站12中，或者可被包括在通过有线或无线通信与工作站12通信的单独的计算设备中。在一个示例中，采集加速计算设备202是服务器计算设备，并且可以是基于云的。在一些实施方案中，采集加速计算设备202是与工作站12分开的计算设备，并且通过便携式存储设备(诸如闪存驱动器或拇指驱动器)接收由工作站12采集的MR图像。
图2B是采集加速的示例性方法250的流程图。方法250可使用采集加速计算设备202来实现。在示例性实施方案中，方法250包括生成252激励多个切片的激励RF脉冲。该多个切片中的切片数量不是2的幂或不等于2n，其中n为整数。例如，切片的数量是3、5、6或7。生成252激励RF脉冲还包括利用调制函数来调制基本激励RF脉冲。方法250还包括通过MR系统向受检者施加254激励RF脉冲。方法250还包括采集256多个切片的MR信号。生成252、应用254和采集256被重复多次，该次数等于切片的数量。调制函数每次都不同。
在示例性实施方案中，方法250包括：对于多个切片中的每个切片，通过对在多次采集处采集的多个切片的MR信号应用代数计算，来导出258对应于该切片的MR信号，以及基于对应于该切片的MR信号来重建260该切片的MR图像。方法250还包括输出262多个切片的重建的图像。
在一些实施方案中，MR图像是基于多个切片的MR信号来重建的，而不是导出或解码258各个切片的MR信号并基于各个切片的MR信号来重建260MR图像。换言之，多个切片的组合MR图像被重建，并且各个切片的MR图像从组合MR图像进行解码。各个切片的MR图像是使用与在从来自多次采集的MR信号解码258对应于切片的MR信号时相同的代数计算，基于多个切片的MR图像来解码的。
在示例性实施方案中，多个切片在每次采集时同时被激励。从每次采集采集的MR信号是各个切片的MR信号的代数组合。在一个示例中，来自每次采集的MR信号是来自各个切片的MR信号的相加或相减。在各次采集之间，通过不同的调制函数来调制激励脉冲，使得来自每次采集的MR信号是来自各个切片的MR信号的不同组合。结果，来自每个切片的MR信号是通过来自各次采集的MR信号的代数计算来解码的。
在示例性实施方案中，来自每次采集的MR信号S1-S8是来自各个切片的MR信号A-H乘以矩阵302。例如，S1表示从第一次采集采集的MR信号，其是来自各个切片的MR信号A-H的相加和/或相减。图3A至图3E示出了来自每次采集S1-S8的MR信号与来自各个切片的MR信号A-H之间的示例性关系，并且该关系被用于导出调制函数以实现该关系。当切片的数量是2的幂时，该矩阵是Hadamard矩阵。在Hadamard矩阵中，矩阵中的条目为1或-1。Hadamard矩阵是阶数为2的幂(例如，2、4或8)的方阵。通过以下规则生成Hadamard矩阵：
其中(2k+1)是通过连接子矩阵的元素来导出的，并且(2k)*表示矩阵中的条目的符号被反转的矩阵。例如，
在示例性实施方案中，矩阵302是类Hadamard的，其中矩阵中的条目为1或-1，但是矩阵302的阶数不是2的幂。相反，矩阵302的阶数可以是3、5、6或7。如上所述，由于MR系统10中的硬件限制，所以Hadamard编码将切片的数量限制为2的幂，这在将SMS应用从2扩展到4或从4扩展到8时带来了约束。相比之下，本文所述的系统和方法不会将切片的数量限制为2的幂，从而允许将SMS采集从2递增扩展到3或从4递增扩展到5、6或7。图3B至图3E分别示出了当切片的数量为3、5、6或7时的矩阵302-3、302-5、302-6、302-7。使用矩阵302-3作为示例，A、B、C分别是切片A、B或C的MR信号，并且S1-S3分别表示在第一次、第二次或第三次采集中采集的三个切片的MR信号。为了简化描述，使用字母表来表示单个切片和单个切片的MR信号。来自第一次采集的MR信号S1是来自每个切片的MR信号A、B和C的总和。来自第二次采集的MR信号S2是来自切片A的MR信号A减去来自切片B的MR信号B和来自切片C的MR信号C。来自第三次采集的MR信号S3是切片A的MR信号A与切片B的MR信号B之和减去切片C的MR信号C。即，
等式(3)是线性方程。可通过对多次采集的MR信号S1、S2或S3进行代数计算来导出各个切片的MR信号A、B或C。例如，通过求解上述等式(3)，各个切片的MR信号A、B或C为：
采集重复三次，并且信号增加两倍(参见等式(4))。结果，有效的NEX为2。如本文所用，有效NEX是具有相等SNR增加的常规NEX的数量。
在示例性实施方案中，为了实现不同采集的MR信号S1-S3与各个切片的MR信号A-C的线性关系，将激励脉冲生成为在不同采集期间由不同调制函数RF-mod调制的基本激励RF脉冲RF1。调制是通过将基本激励RF脉冲RF1乘以调制函数来实现的，其中激励脉冲是基本激励RF脉冲RF1乘以调制函数RF-mod的乘积。基本激励RF脉冲RF1是用于选择单个切片的激励RF脉冲。用于每次采集的调制函数是基于矩阵302来导出的。调制函数包括余弦函数、正弦函数或两者的组合。在一个示例中，余弦函数或正弦函数是ω0的函数。ω0是主切片和下一个共激励切片之间的共振频率差或频率偏移。如果SMS因子是奇数，则主切片是位于中心的共激励切片，或者如果SMS因子是偶数，则主切片是共激励切片的中心。例如，如果SMS因子是3，则主切片是切片2，并且下一个共激励切片是切片1或切片3。如果SMS因子是6，则主切片是6个切片的中心，并且下一个共激励切片是切片3或4。频率差是通过RF激励带宽和切片选择梯度的组合来生成的。调制函数可包括复指数函数eiωt，其中ω可被称为调制频率，并且针对不同切片被设定为不同值。在一个示例中，对于切片B，ω被设定为零，而对于切片A，ω被设定为ω0，并且对于切片C，ω被设定为-ω0(见图3B)。通过将类Hadamard矩阵302-3中的对应行与调制矩阵相乘，导出用于各次采集的调制函数RF-mod。结果，用于各次采集的调制函数RF-mod如下：
在等式(5)中，1之前的符号与矩阵302-3中的对应条目相同。矩阵302-3是8x8Hadamard矩阵301的前3x3个条目(见图3A)。
图3C示出了示例性矩阵302-5。在示例性实施方案中，同时激励和采集五个切片。矩阵302-5包括Hadamard矩阵301的前5x5个条目(见图3A)。应用了五次采集，其中针对每次采集通过不同调制函数来调制基本RF激励脉冲。针对切片A-E，调制函数中的调制频率ω分别被设定为3ω0、ω0、0、-ω0、-3ω0。通过将类Hadamard矩阵302-5中的对应行与调制矩阵相乘，导出用于各次采集的调制函数RF-mod。通过求解来自各次采集的MR信号S1-S5与来自各个切片的MR信号A-E之间的线性方程来导出各个切片的MR信号A-E，其被表达为矩阵302-5，其中MR信号S1-S5是来自各个切片的MR信号A-E乘以矩阵302-5中的对应行。例如，S1＝A+B+C+D+E。采集次数为五，并且有效NEX为4，其中SNR增加与常规采集中的4NEX 4相同。
图3D示出了示例性矩阵302-6。在示例性实施方案中，同时激励和采集六个切片。矩阵302-6包括Hadamard矩阵301的前6x6个条目(见图3A)。应用了六次采集，其中针对每次采集通过不同调制函数来调制RF基本激励脉冲。针对切片A-F，调制函数中的调制频率ω分别被设定为5ω0、3ω0、ω0、-ω0、-3ω0和-5ω0。通过将类Hadamard矩阵302-6中的对应行与调制矩阵相乘，导出用于各次采集的调制函数RF-mod。通过求解来自各次采集的MR信号S1-S6与来自各个切片的MR信号A-F之间的线性方程来导出各个切片的MR信号A-F，如矩阵302-6所表达的。采集次数为六，并且有效NEX为4。
图3E示出了示例性矩阵302-7。在示例性实施方案中，同时激励和采集七个切片。矩阵302-7包括Hadamard矩阵301的前7x7个条目(见图3A)。应用了七次采集，其中针对每次采集通过不同调制函数来调制RF基本激励脉冲。针对切片A-G，调制函数中的调制频率ω分别被设定为5ω0、3ω0、ω0、0、-ω0、-3ω0和-5ω0。通过将类Hadamard矩阵302-7中的对应行与调制矩阵相乘，导出用于各次采集的调制函数RF-mod。通过求解来自各次采集的MR信号S1-S7与来自各个切片的MR信号A-G之间的线性方程来导出各个切片的MR信号A-G，由矩阵302-7表达，采集次数为七并且有效NEX为4。
本文所述的SMS方案不限于如上所述的SMS因子3、5、6和7。本文所述的SMS方案可类似地应用于其他SMS因子，诸如9、10等。
图4是示出了当SMS切片的数量为三时的激励RF脉冲404和重聚焦脉冲402的示意图。在示例性实施方案中，为了同时激励和采集三个切片，激励脉冲是基本激励RF脉冲乘以调制函数。因为调制函数对于不同的采集是不同的，所以每次采集的激励脉冲404是不同的。在类自旋回波序列中，施加重聚焦脉冲402以对所激励的三个切片中的自旋进行重聚焦。与激励脉冲404不同，重聚焦脉冲402对于每次采集保持相同，并且不另外被调制。可使用原始脉冲序列(诸如FSE)的重聚焦脉冲402。
同时采集的切片可以是连续的，其中切片彼此相邻或者具有小间隙，该小间隙小于放置在相邻切片之间的单个切片的切片厚度。另选地，SMS切片是非连续的，其中相邻切片之间的间隙大于单个切片的切片厚度。对应于激励脉冲404和重聚焦脉冲402的切片选择梯度是覆盖包括SMS切片的板坯的梯度。例如，如果SMS切片的数量为五，则切片选择梯度覆盖包括五个切片及五个切片之间的间隙(如果包括间隙的话)的板坯。相反，在已知多频带SMS方法中，SMS切片需要彼此分离，以便具有不同线圈灵敏度图来解码各个切片的MR信号。
因为本文所述的系统和方法不对切片选择梯度施加额外的约束以实现同时多切片激励和采集，所以本文所述的系统和方法的应用不受切片角度的限制。切片的角度是在成像位置规定期间切片相对于定位图像中的读出方向的角度。例如，在对脊髓进行成像时，对于临床应用，可期望用于覆盖脊髓的至少一些切片具有不同的角度或不一定彼此平行，使得所采集的图像遵循脊髓的曲率。用于激励RF脉冲404和/或重聚焦脉冲402的切片选择梯度是覆盖包括切片的板坯的梯度。相比之下，在已知多频带SMS方法中，因为切片必须彼此间隔开并且一次仅可应用一组切片选择梯度，所以已知多频带SMS方法不适于同时采集非平行切片。
在一些实施方案中，使用一组切片来对脊髓进行成像，其中每组具有多个切片。每个椎间盘可由这些组中的一组进行成像。在多个组中，至少一个组的角度可不同于另一个组。组的角度是该组中切片的角度。结果，椎间盘由一组切片成像，其中切片组具有遵循脊髓的曲率的角度。在一个示例中，各组中的切片数量不相同，其中至少一个组具有与另一个组不同数量的切片。因此，每个椎间盘的切片覆盖范围可发生变化以适应解剖结构的尺寸。
本文所述的系统和方法通过同时采集多个切片来提高图像采集速度，以及由于来自多次采集的NEX的有效增加而提高图像的SNR。例如，当SMS切片的数量为三时，扫描时间的减少为大约三倍。同时，有效NEX为二，并且因此SNR的增加为大约因此，本文所述的系统和方法在MR系统和应用中是有利的，其中SNR在传统上较低。
本文所述的SMS方法不受系统配置限制，并且可与身体RF线圈或多通道RF线圈一起应用。例如，如果仅使用身体线圈，则多频带SMS方法不是选项，因为多频带SMS方法需要具有多通道线圈的MR系统。此外，与多频带SMS方法不同，在该多频带SMS方法中SMS因子受限于特定于多通道线圈的几何因子或g因子，本文所述的SMS方法中的SMS因子不受g因子影响，从而拓宽本文所述的SMS方法在具有多通道线圈的系统中的应用。另外，由于硬件约束，如Hadamard SMS方法所要求的将SMS因子从2增加到4或从4增加到8对于系统可能是具有挑战性的。因此，本文所述的系统和方法比其他SMS方法有利。
在另一个示例中，在应用了脂肪抑制/饱和脉冲的应用中，根据脂肪信号的抑制来降低SNR。本文所述的SMS方案可用于增加SNR而不以增加扫描时间为代价。在一些实施方案中，SMS方案可应用于脂肪饱和脉冲，使得脂肪饱和脉冲同时使来自多个切片(例如，连续切片)的信号饱和。结果，提高了脂肪饱和和/或制备过程的效率。在又一个示例中，由于扩散加权梯度的应用和来自扩散加权的低SNR，所以扩散加权成像具有相对长的扫描时间。随着使用本文所述的SMS方案对扫描速度的提高，可在相同扫描时间内应用更多b值或方向处的更多切片和/或扩散加权梯度，以采集具有更高SNR的图像。此外，因为同时采集了多个切片，所以使用比常规扩散加权成像或扩散张量成像更少的扩散加权梯度，从而减少梯度加热。因此，扩散加权成像(DWI)和扩散张量成像(其需要比DWI更多的扩散加权方向)在所有系统中是可用的和/或覆盖受检者的更大面积。
在MR系统中，为了提高SNR，可减小接收器的带宽。结果，减少了在一次采集中允许的切片的数量。本文所述的SMS方案允许通过减小带宽而不丢失所采集的切片来提高SNR。
本文所述的SMS方案不需要修改用于同时激励的重聚焦脉冲。如上所述，重聚焦脉冲是SAR的主要贡献者。结果，本文所述的SMS方案不会引起SAR的显著增加。此外，因为RF能量没有根据SMS采集显著增加，所以本文所述的SMS方案对金属植入物(诸如起搏器、刺激器或假体设备)上的RF加热没有显著增加，从而拓宽了MR系统10的应用。
在一些区域(诸如心脏区域或前列腺区域)中，如果使用多通道系统，则线圈之间的区域中的线圈灵敏度差异不够显著以对多个切片进行解码，从而使得多频带SMS方案不适用于心脏或前列腺成像。心脏或前列腺成像通常是在受检者屏住呼吸时执行，以便减少呼吸运动。对于一些受检者，屏住呼吸达二十秒或更长时间可能是困难的。本文所述的SMS方案可用于心脏或前列腺成像以减少扫描时间，使得屏住呼吸时间减少。
SMS方案与多通道系统兼容。例如，可将SMS方案应用于每个通道，并且基于来自每个通道的各次采集的信号来导出各个切片的MR信号。一旦来自各个切片的MR信号针对每个通道彼此解码，则来自通道的MR信号被进一步处理，诸如被组合以生成MR图像。在一些实施方案中，使用多频带激励脉冲，其中激励RF脉冲404包括激励非连续切片的多频带激励RF脉冲。例如，激励RF脉冲404进一步由多频带RF调制函数调制，使得激励RF脉冲404同时激励非连续切片。各个切片的信号或图像可通过与本文所述相同的代数计算来导出或重建。
2D采集在本文中被描述为仅用于说明目的的示例。系统和方法可应用于3D采集，其中切片选择梯度被板坯编码梯度替换以选择3D板坯。每个板坯是通过3D采集来采集的。各个板坯的信号或图像可基于多个板坯的信号或图像，通过与本文所述相同的代数计算来导出或重建。
图5和图6示出了使用本文所述的SMS方案采集的示例性图像。图5描绘了体模图像。图6包括头部的图像。两者均是由具有1.5T的场强的系统使用身体线圈来采集的。SMS因子为3。来自一次采集的输出是三个切片的图像的组合图像502-p、502-h。各个切片的图像504-p、504-h是通过代数计算来导出的，诸如来自各次采集的MR信号或图像的相加或相减。
本文所述的工作站12和采集加速计算设备202可以是任何合适的计算设备800和在其中实现的软件。图7是示例性计算设备800的框图。在该示例性实施方案中，计算设备800包括从用户接收至少一个输入的用户界面804。用户界面804可包括使得用户能够输入相关信息的键盘806。用户界面804还可包括例如指向设备、鼠标、触笔、触敏面板(例如，触摸板和触摸屏)、陀螺仪、加速度计、位置检测器和/或音频输入接口(例如，包括麦克风)。
此外，在示例性实施方案中，计算设备800包括向用户呈现信息(诸如输入事件和/或验证结果)的呈现界面817。呈现界面817还可包括耦接到至少一个显示设备810的显示适配器808。更具体地，在该示例性实施方案中，显示设备810可为可视显示设备，诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器和/或“电子墨水”显示器。另选地，呈现界面817可包括音频输出设备(例如，音频适配器和/或扬声器)和/或打印机。
计算设备800还包括处理器814和存储器设备818。处理器814经由系统总线820耦接到用户界面804、呈现界面817和存储器设备818。在该示例性实施方案中，处理器814与用户通信，诸如通过经由呈现界面817提示用户和/或通过经由用户界面804接收用户输入。术语“处理器”通常是指任何可编程系统，包括系统和微控制器、精简指令集计算机(RISC)、复杂指令集计算机(CISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)以及能够执行本文所述功能的任何其他电路或处理器。以上示例仅是示例性的，并且因此不旨在以任何方式限制术语“处理器”的定义和/或含义。
在该示例性实施方案中，存储器设备818包括使信息诸如可执行指令和/或其他数据能够被存储和检索的一个或多个设备。此外，存储器设备818包括一个或多个计算机可读介质，诸如但不限于动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、固态磁盘和/或硬盘。在该示例性实施方案中，存储器设备818存储但不限于应用程序源代码、应用程序对象代码、配置数据、附加输入事件、应用程序状态、断言语句、验证结果和/或任何其他类型的数据。在该示例性实施方案中，计算设备800还可包括经由系统总线820耦接到处理器814的通信接口830。此外，通信接口830通信地耦接到数据采集设备。
在该示例性实施方案中，处理器814可通过使用一个或多个可执行指令对操作进行编码以及在存储器设备818中提供可执行指令来编程。在该示例性实施方案中，处理器814被编程为选择从数据采集设备接收的多个测量值。
在操作中，计算机执行体现在存储在一个或多个计算机可读介质上的一个或多个计算机可执行部件中的计算机可执行指令，以实现本文所述和/或所示的本发明的各方面。除非另外指明，否则本文所示和所述的本发明实施方案中的操作的执行或实施顺序不是必需的。即，除非另外指明，否则这些操作可以任何顺序执行，并且本发明的实施方案可包括比本文所公开的那些操作更多或更少的操作。例如，可以设想，在另一个操作之前、同时或之后执行或实施特定操作在本发明的各方面的范围内。
图8示出了服务器计算机设备1001的示例性配置，诸如计算设备202。服务器计算机设备1001还包括用于执行指令的处理器1005。例如，指令可存储在存储器区域1030中。处理器1005可包括一个或多个处理单元(例如，在多核配置中)。
处理器1005操作地耦接到通信接口1015，使得服务器计算机设备1001能够与远程设备或另一服务器计算机设备1001通信。例如，通信接口1015可经由互联网从工作站12接收数据。
处理器1005还可被操作地耦接到存储设备1034。存储设备1034是适用于存储和/或检索数据(诸如但不限于波长变化、温度和应变)的任何计算机操作的硬件。在一些实施方案中，存储设备1034集成在服务器计算机设备1001中。例如，服务器计算机设备1001可包括一个或多个硬盘驱动器作为存储设备1034。在其他实施方案中，存储设备1034在服务器计算机设备1001外部，并且可由多个服务器计算机设备1001访问。例如，存储设备1034可在廉价磁盘冗余阵列(RAID)配置中包括多个存储单元(诸如硬盘和/或固态盘)。存储设备1034可包括存储区域网络(SAN)和/或网络附加存储(NAS)系统。
在一些实施方案中，处理器1005经由存储接口1020操作地耦接到存储设备1034。存储接口1020是能够为处理器1005提供对存储设备1034的访问的任何部件。存储接口1020可包括例如高级技术附件(ATA)适配器、串行ATA(SATA)适配器、小型计算机系统接口(SCSI)适配器、RAID控制器、SAN适配器、网络适配器和/或为处理器1005提供对存储设备1034的访问的任何部件。
本文所述的系统和方法的至少一个技术效果包括：(a)经由SMS减少扫描时间；(b)增加来自SMS的SNR；(c)SMS因子不是2的幂；(d)在不修改重聚焦脉冲的情况下进行SMS采集；以及(e)加速采集多个切片，该多个切片包括至少一个切片，该至少一个切片不与另一个切片平行。
上面详细描述了采集加速的系统和方法的示例性实施方案。这些系统和方法不限于本文所述的特定实施方案，而是系统的部件和/或方法的操作可与本文所述的其他部件和/或操作独立地和分开地使用。此外，所描述的部件和/或操作也可在其他系统、方法和/或设备中限定，或与其他系统、方法和/或设备结合使用，并且不限于仅用本文所述的系统来实践。
尽管本发明的各种实施方案的特定特征可在一些附图中而不是在其他附图中示出，但这仅是为了方便起见。根据本发明的原理，附图的任何特征可结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有微小差别的等效结构元素，则此类其他示例旨在落入权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种磁共振(MR)采集加速方法，所述方法包括：
对于多次采集中的每次采集，
生成激励多个切片或多个板坯的激励射频(RF)脉冲，其中所述多个切片中的切片数量或所述多个板坯中的板坯数量不是2的幂，其中生成激励RF脉冲还包括在每次采集期间利用不同调制函数来调制基本激励RF脉冲；
通过MR系统向受检者施加所述激励RF脉冲；以及
采集所述多个切片或所述多个板坯的MR信号，
其中采集次数等于所述切片数量或所述板坯数量，并且来自每次采集的MR信号是各个切片或各个板坯的MR信号的代数组合；
基于来自所述多次采集的所述MR信号来重建各个切片或各个板坯的MR图像；以及
输出所述各个切片或各个板坯的所重建的图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
对于所述多个切片中的每个切片，
通过对来自所述多次采集的所述多个切片的MR信号应用代数计算，来导出对应于所述切片的MR信号；以及
基于对应于所述切片的所述MR信号来重建所述切片的MR图像。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述调制函数包括余弦函数或正弦函数中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的方法，其中来自所述多次采集的所述多个切片的所述MR信号是各个切片的所述MR信号乘以类Hadamard矩阵，其中所述类Hadamard矩阵中的条目为1或-1。
5.根据权利要求4所述的方法，其中生成激励RF脉冲还包括：
基于所述类Hadamard矩阵来导出所述调制函数；以及
通过将所述基本RF激励脉冲与所述调制函数相乘来生成所述激励RF脉冲；优选地
其中导出所述调制函数还包括：
通过将所述类Hadamard矩阵中的行与复指数函数相乘来导出所述调制函数；优选地
其中所述复指数函数是ω0的函数，其中ω0是主切片和下一个共激励切片之间的共振频率差。
6.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述激励RF脉冲还包括施加对所述多个切片进行重聚焦的相同RF重聚焦脉冲。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个切片是连续切片；和/或
其中所述多个切片中的至少一个切片具有与所述多个切片中的另一个切片不同的角度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中：
生成RF脉冲还包括生成激励所述多个切片的多个组的所述RF脉冲；并且
施加所述激励RF脉冲还包括通过所述MR系统向所述受检者的包括多个椎间盘的区域施加所述激励RF脉冲，其中所述椎间盘中的每个椎间盘由所述多个组中的一个组覆盖，并且所述多个组中的至少一个组具有与所述多个组中的另一个组不同的角度。
9.根据权利要求1所述的方法，其中：
生成RF脉冲还包括生成激励所述多个切片的多个组的所述RF脉冲；并且
施加所述激励RF脉冲还包括通过所述MR系统向所述受检者的包括多个椎间盘的区域施加所述激励RF脉冲，其中所述椎间盘中的每个椎间盘由所述多个组中的一个组覆盖，并且所述多个组中的至少一个组具有与所述多个组中的另一个组不同的切片数量。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括在所述多次采集中使用身体RF线圈。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述MR系统是多通道的。
12.根据权利要求1的方法，其中施加所述激励RF脉冲还包括：
应用扩散加权梯度。
13.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述激励RF脉冲还包括：
施加脂肪饱和脉冲；优选地
其中施加脂肪饱和脉冲还包括施加使多个切片饱和的脂肪饱和脉冲。
14.根据权利要求1所述的方法，其中生成RF脉冲还包括生成包括被配置为激励非连续切片的多频带激励RF脉冲的所述RF脉冲。
15.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述激励RF脉冲还包括：在所述受检者屏住呼吸时，通过所述MR系统向所述受检者的包括所述受检者的心脏或前列腺的区域施加所述激励RF脉冲。
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