CN1199044C - 用于抵消mri系统中剩余磁化的一种方法 - Google Patents

用于抵消mri系统中剩余磁化的一种方法 Download PDF

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Abstract

一种MRI系统包括一个梯度抵消系统，该系统将磁化复位梯度波形附加于在扫描过程中产生的成象梯度波形上。所说磁化抵消梯度将所说MRI系统中的剩余磁化强度保持在恒定的量值上，以减小图象失真。

Description

用于抵消MRI系统中剩余磁化的一种方法
技术领域
本发明领域为核磁共振成象方法和系统。更具体地说，本发明涉及对于由MRI系统中磁场梯度产生的剩余磁化的抵消。
背景技术
当一种物质如人体组织受到均匀磁场(静磁场Bo)的作用时，所说组织中的各个自旋磁矩倾向于按照极化场方向排列，但是以它们的特征拉摩尔频率围绕所说极化场随机地进动。如果所说物质，或组织，受到处于x-y平面内和具有接近拉摩尔频率的一个磁场(激励磁场B1)的作用，则沿同一方向排列的净磁矩，Mz，可能会旋转和“翻转”到所说x-y平面内以产生一个净横向磁矩Mt。所说受激自旋发射一个信号，在所说激发信号B1结束之后，可以接收和处理这个信号以构成一个图象。
将磁共振应用于成象和其它许多局部光谱学技术依赖于使用线性磁场梯度有选择地激发特定区域和将空间信息编码在NMR信号中。在NMR试验过程中，使用了具有特别选择的时间变化的磁场梯度波形。所以，可以预料与理想磁场梯度波形的任何偏差都会引起图像畸变、强度损失、虚影、和其它影象失真。例如，如果在所说180°RF脉冲之前和之后所说片选磁场梯度不均衡，就会使核自旋产生不完善的再定相和伴随出现信号的损失。这影响到随后多回波(Carr-Purcell-Mieboom-Gill)序列中的自旋回波的合成。此外，如果所说梯度场当它应当为零时却不为零(由于梯度脉冲结束后剩余磁化的作用)，则不曾预料到的相位离散可能导致化学位移成象序列中光谱畸变以及无法正确地确定多回波序列中的自旋-自旋驰豫时间(T2)。因此本领域的技术人员特别关注磁场梯度产生的精度。
如果所说梯度场耦合到极化磁体内的导电结构诸如它的低温保持器(如果所说磁体是超导体结构)、或调整线圈系统、或用于将所说梯度线圈与所说RF线圈隔离开的RF屏蔽板，则在磁场梯度产生中会出现一个畸变源。在这些周边结构中感生的电流被称为涡流。由于涡流的作用，可以观察到，在向梯度线圈施加梯形电流脉冲过程中和之后，所说磁场梯度通常会分别发生指数上升和下降的情况。
在发明名称为“A Method for Magnetic Field Gradient EddyCurrent Compendsation”的美国专利US-4698591中公开了一种方法，该方法在梯度电源中使用了一个模拟前置增强滤波器，以调整施加到所说梯度线圈中的电流，使得涡流感生的梯度场畸变减小。所说滤波器包括多个指数衰变元件和可调电位计，它们必须在系统标定过程中设定。在系统标定之前使用一种测量技术，按照这种技术测量所说不正确磁场的脉冲响应，然后计算所说前置增强滤波器的电位计设置值。在美国专利US-4950994；4698591和4591789中记载有这种技术。
在铁芯永磁体或铁芯增强超导体磁体中，存在另一种类型的梯度感生的磁场扰动。这种被称为磁滞现象的扰动，还没有被很好地研究，并且没有开发出通用的校正技术。为了理解磁滞现象，考虑图2所示双极性梯度波形的影响，并假定铁的磁化处于图3所示的初始状态8。这种初始磁化状态被定义为未磁化状态，但是在这种情况下，在磁场开始增大，但是尚没有施加任何梯度之前，就可能处于这种状态。在第一次电平上升期间，所说梯度线圈中的电流，以及所说铁芯经受的磁场H逐渐增大。结果，磁感应强度B随着H增大，如图3中曲线11所示。但是当所说梯度在12处下降到零时，所说磁感应强度B不恢复到零。相反，它与磁场的相关性由另一条曲线14表征。这种现象被称为磁滞现象，剩余的磁感应强度(ΔB)被称为剩磁，或剩余磁化强度。如果所说梯度继续下降在16处变为负值，则所说磁感应强度B按照曲线18变化。在其后的梯度变化20中，H相对于B的曲线22以负值剩磁(-ΔB)结束。其后的梯度脉冲激励被称为磁滞回路的一个回路中的磁化。
上述分析表明当使用一个与时间相关的磁场梯度脉冲进行成象时，可能在铁磁材料中产生一个扰动磁场ΔB。如果不消除这种磁滞效应，就会产生许多图像失真。例如，由相位编码梯度脉冲在快速自旋回波(FSE)中感生的剩余磁化强度可能在k-空间数据中产生不一致的相位误差，从而导致图像模糊和虚象。
在美国专利US-5729139中提及这个问题。在该现有技术专利中提出的解决方案是校正由剩余磁化强度产生的相位误差。提出了十种实现这个目的的具体方法，并且所有方法都需要改变特定脉冲序列中的梯度脉冲波形。由于可以规定的脉冲序列中可能存在无数的变化，所以根据这种现有技术的方法改变每一个脉冲序列是不实际的。
发明内容
本发明涉及用于控制MRI系统中剩余磁化强度使得图像失真减少的方法和装置。更具体地说，所说MRI系统具有一种剩余磁化强度抵消功能，其将所说剩余磁化强度激励到预先选定状态，并在每个标称成象梯度波形上附加一个磁化复位梯度波形，该波形将所说剩余磁化强度恢复到预先选定状态。因为在每个梯度波形结束之后总是将所说剩余磁化强度激励到相同值，所以在所获取的NMR数据中产生的相位误差在扫描中保持不变。当利用富立叶变换将所获取的NMR数据重构成一个幅值图像时，可以有效地消除这种恒定的相位误差。
本发明易于在商业MRI系统中实施。因为可以在每个成象梯度波形中附加相同的磁化复位梯度波形，所以不需要进行复杂的计算，也不需要定制每个可能的脉冲序列。只需在扫描过程中在由所说MRI系统产生的每个成象梯度波形末尾简单地附加所说磁化复位梯度波形。
附图说明
图1为应用本发明的一种MRI系统的方框示意图；
图2为由图1所示MRI系统产生的一个示例性成象梯度波形的曲线图表示；
图3为由图2所示成象梯度波形产生的磁滞曲线的简化曲线图表示；
图4为用于解释本发明理论的一组梯度波形的曲线图表示；
图5为由图4所示梯度产生的磁滞曲线的曲线图表示；
图6为用于图1所示MRI系统的磁化复位梯度波形的一个优选实施例的曲线图表示；和
图7为构成图1所示MRI系统一部分的一个梯度抵消系统的电路方框图。
具体实施方式
如果如图4所示在一个MRI系统中施加具有递减幅值的一组梯度波形24-27，则所说MRI系统中的铁磁结构将沿着图5所示的各自的磁滞曲线28-31被激励。因为首先施加最大幅值梯度脉冲，在每个梯度波形结束之后所说剩余磁化强度在点32处恢复到相同值。如所看到的，较小梯度脉冲的磁滞回路包含在所说第一梯度脉冲24的较大磁滞回路28中。如果所说第一梯度脉冲24是所说MRI系统中可能的最大幅值，则其后的所有正值梯度脉冲将使所说剩余磁化强度保持在相同量值，ΔBs，max。当产生一组负值梯度波形时，结果是一样的，但是，在这种情况下所说剩余磁化强度被激励到并保持在一个值ΔBs，max。
本发明认识到并且利用了在MR扫描过程中剩余磁化强度能够容易地保持在±ΔBs，max的事实。由于使用了富立叶变换方法进行重构，所以在重构的幅值图像中看不到任何由这种不变的剩余磁化强度产生的相位误差。
本发明可以用多种方式实现。在扫描开始时，施加一个梯度脉冲以将所说剩余磁化强度激励为正或负的ΔBs，max。如果需要的话，可以在所有三个轴上施加这样的脉冲，顺序地或同时地。然后，当在所说成象脉冲序列过程中施加所说梯度脉冲时，根据需要在所说梯度波形上附加一个磁化复位波形以将剩余磁化激励恢复到±ΔBs，max。举例来说，如果选择了正ΔBs，max，则所说磁化复位梯度波形是在所说成象脉冲序列过程中产生的各个负值梯度脉冲之后的一个持续时间非常短的最大幅值正梯度脉冲。如果所说成象梯度脉冲的极性是正的，则根据上文中参照图5讨论的理论可以忽略所说剩余磁化复位脉冲。但是，如果所说成象梯度脉冲的极性是负的，则必须施加所说复位脉冲。
在下述的优选实施例中，磁化复位梯度波形是一个双极梯度波形，如图6所示。它包括一个负的半波36，其后为一个相同幅值的正的半波，以保持零梯度磁矩。所说梯度半波36和37具有可能的最大幅值，并且它们的持续时间尽可能地短。所说脉冲的长短主要是由梯度放大器的转换速率决定的。
图6中剩余磁化复位梯度波形的正半波37将所说剩余磁化激励到正ΔBs，max。所说负梯度半波36的面积等于所说正梯度半波37，从而整个梯度波形的净面积为零。这使得能够将所说磁化复位梯度波形附加到成象梯度脉冲上，而不会干扰横向磁化的净相位。如果选择负ΔBs，max的剩余磁化，则所说梯度半波36和37的极性转换，使得最后一个梯度半波将所说剩余磁化激励到负ΔBs，max。
本领域技术人员应当清楚，所说剩余磁化复位梯度波形可以具有多种不同形状。例如，它可以具有正弦波形，其中每个半波都处于最大梯度幅值。而且，当所说成象脉冲序列包括一个再聚焦RF脉冲时，可以将所说剩余磁化复位梯度波形分为两个部分，一个半波在所说再聚焦脉冲之前结束，而另一个半波在所说再聚焦脉冲之后结束。由于所说自旋磁化的极性被所说再聚焦脉冲翻转，所以所说的两个复位梯度半波的极性保持相同。
首先参见图1，其中表示了结合本发明的一个优选MRI系统的主要部分。所说系统的操作由一个操作者控制台100控制，所说控制台包括一个键盘102和一个控制面板104。所说控制台100通过一条连线116与一个独立的计算机系统107相连，使得操作者能够控制在屏幕104上生成和显示图象。所说计算机系统107包括多个模块，它们相互之间通过背板相连。这些模块包括一个图象处理器模块106、一个CPU模块108和一个存储器模块113，所说存储器模块在本领域中被称为帧缓冲存储器，用于存储图象数据阵列。所说计算机系统107与一个磁盘存储器111和一个磁带驱动器112相连，用于保存图象数据和程序，它还通过一条高速串行链路115与一个独立的系统控制器122相连。
所说系统控制器122包括由一个背板118连接在一起的多个模块。这些模块包括一个CPU模块119和一个脉冲发生器模块121，所说脉冲发生器模块通过一条串行链路125与一个操作者控制台100相连。所说系统控制器正是通过这条链路125从操作者处接收指示执行扫描序列的命令。所说脉冲发生器模块121控制各个系统部分执行所需的扫描序列。它产生指示将要产生的RF脉冲的时序、强度、和形状，以及数据采集窗口的时序和长度的数据。所说脉冲发生器模块121通过一个梯度抵消系统129与一组梯度放大器127相连。以指示将在扫描过程中产生的梯度脉冲的时序和形状。所说脉冲发生器模块121还与一个扫描室接口电路133相连，所说接口电路133从与病人护理以及磁体系统相关的多个传感器中接收信号。一个病人定位系统134也通过所说扫描室接口电路133接收命令，以将病人移动到所需的扫描位置。
由所说脉冲发生器模块121产生的梯度波形被如下详述的系统129抵消，并且传输到由Gx、Gy和Gz放大器构成的一个梯度放大器系统127中。每个梯度放大器激励一个相应的梯度线圈(未示出)。如在本领域中所熟知的，所说梯度线圈产生用于对所获得的信号进行空间编码的线性磁场梯度。一个磁体组件141还包括一个极化磁体(未示出)和一个整体RF线圈(未示出)。在优选实施例中，利用一个永磁体和相关的铁心产生所说极化场，所说铁心用于调整和引导所说磁场，如在发明名称为“Magnet Assembly For MRI Apparatus”美国专利US-5652517中所述。正是这些元件被所说梯度磁场磁化，并且产生本发明所解决的问题。但是，本发明还可以应用于其它磁体结构中，例如铁心增强的超导体磁体。
所说系统控制器122中的一个收发器模块150产生脉冲，这些脉冲由一个RF放大器151放大，并利用一个发送/接收开关154将这些脉冲传送到所说磁体组件141中的所说RF线圈。由病人体内被激发自旋产生的结果信号可以被同一个RF线圈检测到，并通过所说发送/接收开关154传送到一个前置放大器153。经过放大的NMR信号在所说收发器150的接收器部分进行解调制、滤波、和数字化。所说发送/接收开关154由所说脉冲发生器模块121的信号控制，在发送模式下使所说RF放大器151与所说RF线圈电相连，而在接收模式下与所说前置放大器153相连。所说发送/接收开关154还使得在所说发送或接收模式中可以使用一个独立的RF线圈(例如，一个头部线圈或表面线圈)。
由所说RF线圈拾取的NMR信号由所说发送接收器模块150进行数字化处理，并传送到所说系统控制器122中的一个存储器模块160中。当扫描完成，并且在所说存储器模块160中已经获取了整个数据阵列时，一个阵列处理器161将所说数据转换为一个图象数据阵列。这个图象数据阵列通过所说串行链路115传送到所说计算机系统107，保存在所说磁盘存储装置111中。响应从所说操作者控制台100接收的命令，可以将所说图象数据归档保存在外部驱动器112中，或者，可以如下详述的，可以利用所说图象处理器106进行进一步处理，并传送到所说操作者控制台100和显示在所说显示器104上。
关于所说发送接收器150的详细描述，可以参见美国专利US-4952877和4992736，它们以引用方式结合在本申请中。
特别参见图1和图7，本发明以所说脉冲发生器模块121和所说梯度抵消系统129来实现。所说梯度抵消系统129包括一个波形存储器200，它以数字形式保存图6所示的磁化复位梯度波形。当控制器202通过控制总线204接收到所说脉冲发生器模块121的命令时，所说控制器读出所存储的波形。
从所说波形存储器200读出的数字值通过一条数据总线210传送到一个或多个A/D转换器206-208。所说控制器202启动相应的D/A转换器206-208，并从存储器200中读出所说波形，以在所说的一个或多个A/D转换器206-208的输出端产生图6所示波形的模拟波形。这些输出信号驱动对应的x轴、y轴和z轴梯度放大器127。
当利用图1中所说MRI系统执行一个成象脉冲序列时，所说脉冲发生器模块121在所说数据总线210上产生所说成象梯度波形，并将它们传送到相应的D/A转换器206-208。然后所说控制器202通过控制总线204发出信号，以附加如图6所示的一个磁化复位波形。所说控制器202从所说存储器200读取适合的波形，并将其传送到对应的A/D转换器206-208。如上所述，可以在由所说脉冲发生器模块121产生的每个成象波形之后附加所说磁化复位梯度波形，或者仅仅附加在具有与选定的正或负ΔBs，max极性相反的梯度半波的波形之后。

Claims (17)

1、用于减少由MRI系统的铁磁材料中的剩余磁化强度引起的MR图象失真的一种方法，所说剩余磁化强度是由在扫描过程中用于获取MR图象数据的成象梯度波形所产生的，所说方法包括：
将所说MRI系统的铁磁材料中的剩余磁化强度激励到一个预定值；和
在扫描过程中获取所说MR图象数据时通过在成象梯度波形上附加一个剩余磁化复位梯度波形而使所说剩余磁化保持在所说预定值。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于所说预定值为由所说成象梯度波形产生的最大剩余磁化强度。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于在所说扫描过程中在所产生的所有成象梯度波形上附加所说磁化复位梯度波形。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于所说磁化复位梯度波形具有极性相反的两个相同的梯度半波。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于每个梯度半波产生所说MRI系统中最大的梯度场。
6、如权利要求5所述的方法，其特征在于每个梯度半波的持续时间尽可能地短。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于所说将一个剩余磁化复位梯度波形附加到一个成象梯度波形上的步骤包括改变所说成象梯度波形的形状。
8、如权利要求7所述的方法，其特征在于改变所说成象梯度波形的持续时间。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于增大所说成象梯度波形的持续时间。
10、如权利要求8所述的方法，其特征在于减小所说成象梯度波形的持续时间。
11、一种MRI系统，具有用于在扫描过程中响应由一个脉冲发生器产生的成象梯度波形产生成象磁场梯度的一个梯度系统，所说MRI系统还包括：
梯度抵消系统，与所说梯度系统相连，通过在每个成象梯度波形上附加一个剩余磁化复位梯度波形以便在每个成象磁场梯度产生之后产生一个剩余磁化抵消磁场梯度；
其中所说MRI系统的铁磁材料中的剩余磁化强度在整个扫描过程中保持在一个预定的最大值。
12、如权利要求11所述的MRI系统，其特征在于所说梯度系统在扫描过程中产生的每个成象磁场之后产生所说剩余磁化抵消磁场。
13、如权利要求11所述的MRI系统，其特征在于所说梯度抵消系统产生具有极性相反的两个相同半波的剩余磁化复位梯度波形。
14、如权利要求13所述的MRI系统，其特征在于每个半波具有MRI系统的最大幅值。
15、如权利要求11所述的MRI系统，其特征在于所说梯度抵消系统通过改变所说成象磁场梯度产生所说剩余磁化复位磁场梯度。
16、如权利要求15所述的MRI系统，其特征在于通过减小所说成象磁场梯度的持续时间来改变所说成象磁场梯度。
17、如权利要求15所述的MRI系统，其特征在于通过增大所说成象磁场梯度的持续时间来改变所说成象磁场梯度。
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