CN1226415A - 用epi脉冲序列采集分段的mri心脏数据 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种再现可精确显示整个心脏循环的多相MR图象的方法。在每次心脏循环时用分段的回波平面成象(EPI)脉冲序列来连续获取数据。通过在心脏相位的基础上根据每一次心跳选择视图来追溯地再现图象。

Description

用EPI脉冲序列采集分段的MRI心脏数据
本发明的领域是核磁共振成象方法和系统。更确切地说，本发明涉及在快速心脏MRI采集过程中图象生成的方法和系统。
当物体例如人体组织受到均匀磁场(偏振场B0)作用时，组织中的各个自旋磁矩都试图对准这个偏振场，但是它们是在其特有的拉莫尔频率下以任意顺序绕偏振场旋进的。如果物体或组织受到x-y平面、且频率接近拉莫尔频率的磁场(激励磁场B1)作用时，便会使呈网状对准的磁矩Mz转动或“翻转”到x-y平面从而产生网状的横向磁矩Mt。在激励信号B1终止之后因受激自旋而发出一信号并接收该信号和对其进行处理便可形成图象。
在利用这些信号形成图象时，使用了磁场梯度(GxGy和Gz)。通常，按测量周期的序列对成象区进行扫描，在测量周期中这些梯度随所采用的特别定位方法而改变。对最终接收到的一组NMR信号进行数字化处理并用多种公知的再现技术中的一种技术再现图象。
目前用于产生医学图象的大部分NMR扫描都需要数分钟的时间以获取所需的数据。减少扫描时间是需要考虑的重要问题，这是因为减少扫描时间可以加快患者的通过速度，改善患者的舒适度，通过减少运动过程中的人为因素而改善图象质量，而且能够完成医学实验过程，例如定时的药理学病理实验(例如，多级杜丁胺病理实验)。现在存在一种具有极短重复时间(TR)和能在数秒而不是数分钟内完成全部扫描过程的脉冲序列。当应用于心脏成象，例如，一个完整的扫描时，可以在屏住一次呼吸的时间内获取一个完整的扫描，通过这个扫描可形成表示心脏在循环过程中不同相位上或不同切面位置上的情况的一组图象。
有两种常用的获取心脏MR图象的技术。第一种是传统的预期选通、单相、多切面自旋回波序列。在每一次心脏循环中，用相同的k空间相位编码值来获取在不同空间位置上的数据。然后在心脏循环的不同时域相上获取不同空间位置上的图象。由于在每次心脏起博时只能获取一条k空间线，所以，通常用128个k空间视图在相位编码方向上进行的扫描要在128次心脏跳动下才能完成。序列重复时间(TR)就是心脏的R-R间隔时间。
可以用短TR选通梯度回波脉冲序列(CINE)在心脏循环的多个时间帧内获取图象。如US专利4710717中描述的那样，在每一次R波起动使相位编码值变为新值时，传统的CINE脉冲序列与心脏循环不同步动作。在CINE中，在同一空间位置上施加每个rf激励脉冲而且在心脏循环中以TR间隔重复激励脉冲。由于序列不同步动作，所以在从一次心脏循环到另一次循环的过程中rf激励脉冲可能会产生相对R波不同时间的滞后。在检测下一次心脏R波时，存储从前一个R-R间隔获取的数据并在心脏循环的过程中将其内插到均匀分配的时间帧内。这种选通法与公知的追溯选通法相同，即，只有当检测到当前的R波起动之后才存储先前的R-R间隔数据。
与选通的自旋回波一样，在每次心脏跳动时只获取一个k空间相位编码视图。完成全部图象搜索的时间建立在128次心跳的基础上。
通过把k空间分段和在每个R-R间隔内获取多个经相位编码的k空间视图将能加快扫描时间。能以一个等于在每个R-R间隔中每个图象上获取的k空间视图数量的系数加快扫描时间。用这种方式，当获取每段中的8k空间视图时，只需在16次心脏博动的时间内便同完成用128象素阵列在相位编码方向上的CINE采集。
通过在每一个R-R间隔内重复进行相同k空间段的采集但把在心脏循环中不同时刻获取的数据分配到不同的心脏相位中便可以显现心脏循环的多个相位。因此，用相当于获取单个区段数据所需时间的时域分辨率对心脏循环进行采样，使得
     时域分辨率=vps×TR
其中vps是每段中k空间线的数量，TR是脉冲序列重复时间。所以全部的扫描时间为
Figure A9910088100041
其中yres是图象中相位编码视图的数量。通常，一个图象使用128或更多个相位编码视图，也常常使用每段8个视图。
在分段的k空间扫描中，通过增加每段中视图(vps)的数量可以明显减少全部的扫描时间。然而，这是以降低图象时域分辨率为代价的。正如US专利5377680中所述，通过在相邻的时间段之间分配视图使之形成在不同时间点上平均的图象可以提高图象的时域分辨率。在这种情况下，实际上并没改变图象时域分辨率然而却使有效时域分辨率得以加倍。所以在不影响获取k空间数据方式的情况下通过视图分配可以增加再现的心脏相位图象的数量。
主要是由于只需屏住一次呼吸就可以获得图象而不必遭受人为抑制呼吸造成的痛苦，所以利用预期选通的分段k空间序列进行心脏成象已受到广泛关注。在选通到ECG的QRS集合体上进行数据采集的同时通过在多次心脏博动期间获取数据来形成图象。一般用选通的ECG分段k空间快速梯度回波(FGRE)脉冲序列来评价心脏的功能。用这种方法，一般在暂停呼吸(屏住呼吸)期间，可以在10-25秒内获取具有近似为40-80ms时域分辨率的心脏多相位图象。在一次心跳中，重复播放一段(在多个心脏相位的情况下)，其中每一段由重复的Nvps个FGRE脉冲序列构成，Nvps是每段中视图的数量。在一段中，每个重复的FGRE脉冲序列采集一条不同的数据线(一个视图)，因此在每段中获取Nvps个不同的视图。如果，例如，每个图象需要128个视图，而且Nvps=8，和TR=10ms，那么要在每个心脏位置上获取一组完整的多相位心脏图象需要16次心跳的时间(约为16秒)，而通常每个图象的时域分辨率是80ns。实际上，一般是对在短轴方向上覆盖整个心脏的12-15个位置进行扫描。因此，若使用传统的分段k空间FGRE脉冲序列将需要屏住12-15次呼吸，每次约为16秒。这一屏住呼吸的数量可能会超出某些心脏病患者的能力，对这些患者来说应禁止进行需满足时间要求的功能性心脏受力实验。
本发明是一种改进的用于获取心脏相位图象的方法，特别是一种明显缩短了获取图象时所用扫描时间的方法。该方法包括以下步骤：产生表示在每次心脏循环期间受测心脏相位的心脏信号；在每个连续的心脏循环期间在一个或多个心脏相位上获取一段或多段k空间NMR数据从而用连续段对k空间进行采样并在一个或多个心脏相位上再现图象；和其中每一段都是以多个回波平面成象(EPI)脉冲序列的形式得到的，而且在每个EPI脉冲序列期间获取多个独立的相位编码NMR回波信号。
本发明的主要目的是缩短获取NMR心脏相位图象所需的扫描时间。通过在所述段的每个脉冲序列期间获取多个NMR回波信号，可用更高的速率对k空间进行采样。结果，只需极少量的连续心脏循环便可累积足够的可再现心脏图象用的k空间NMR数据。可以把常规的扫描从16次心脏循环减到8或4次，由此明显减少了患者必须屏住呼吸所需保持的时间。
图1是采用本发明的MRI系统的方框图；
图2是表示在本发明的优选实施例中使用的EPI脉冲序列的曲线图；和
图3是在心脏循环期间用图2的EPI脉冲序列搜索MR数据的曲线图。
首先参见图1，其示出了体现本发明之优选MRI系统的主要部分。系统的工作由操作控制台100控制，该控制台包括键盘和控制面板102以及显示器104。控制台100通过线116与独立的计算机系统107连通，操作者可以通过计算机控制在屏幕104上产生和显示的图象。计算机系统107包括多个与底板彼此连通的模块。这些模块包括图象处理器模块106,CPU模块108，和存储器模块113，它们在已有技术中作为存储图象数据阵列的帧缓冲器是公知的。计算机系统107与磁盘存储器111以及磁带驱动器112相连以便存储图象数据和程序，而且计算机系统107还通过高速串联线115与独立的系统控制器122连通。
系统控制器122包括一组通过底板连在一起的模块。这些模块包括CPU模块119和脉冲发生器模块121，脉冲发生器模块121通过串联线125与操作控制台100相连。系统控制器122通过线125接收来自操作者的命令，该命令表示将要完成的扫描序列。脉冲发生器模块121控制系统部件完成所需的扫描序列。该模块产生表示将要生成的RF脉冲的定时、强度和形状、以及数据采集窗的定时和长度的数据。脉冲发生器模块121与一组梯度放大器127相连以便指示在扫描期间将要产生的梯度脉冲的定时和形状。脉冲发生器模块121还接收来自生理采集控制器129的信号，而该空制器129接收来自与患者相连的多个不同传感器的信号，例如从与患者相连的电极上输出的ECG信号。最后，脉冲发生器模块121与扫描室接口电路133相连，接口电路133接收从与患者情况以及磁系统相关的各传感器输出的信号。患者定位系统134可以通过扫描室接口电路133接收把患者移到所需扫描位置的命令。
把由脉冲发生器模块121产生的梯度波形施加到由Gx,Gy和Gz放大器构成的梯度放大器系统127。每个梯度放大器激励一个相应由139表示的组件中的梯度线圈以便产生用于对获取的信号进行位置编码的磁场梯度。梯度线圈组件139构成磁组件141的一部分，磁组件141包括偏振磁铁140和整体RF线圈152。系统空制器122中的收发器模块150产生脉冲，该脉冲被RF放大器151放大并通过发射/接收开关154耦接到RF线圈152上。由受激核子在患者体内发射的信号可以被同一个RF线圈152测到并通过发射/接收开关154耦接到前置放大器153上。在收发器150的接收部允对放大的NMR信号进行解调、滤波和数字化。发射/接收开关154由来自脉冲发生器模块121的信号控制以便在发送模式期间把RF放大器151与线圈152电连接而在接收模式期间把前置放大器153与线圈相连。发射/接收开关154还能够使独立的RF线圈(例如，表面线圈)在发射或接收模式下都可使用。
通过收发器模块150对由RF线圈152测得的NMR信号进行数字化处理并将该信号输送到系统控制器122中的存储器模块160。当完成扫描时便在存储器模块160中获取了一个原始k空间数据阵列。如将在下面更详细描述的那样，把该原始k空间数据重新排列成相对于每个将要再现的心脏相位图象的独立k空间数据阵列，并把每个数据输入到阵列处理器161中，该处理器利用傅里叶变换把所述数据转换成图象数据阵列。通过串联线115把该图象数据送到计算机系统107并把所述数据存储在磁盘存储器111中。根据从操作控制台100接收到的命令，使这些图象数据在磁带驱动器112上存档，或通过图象处理器106对其作进一步处理，然后将其送到操作控制台100并在显示器104上显示。为了更详细地描述收发器150，而引用了作为参考文献的US专利4952877和4992736。
图2中示出了在本发明的优选实施例中使用的EPI脉冲序列。在出现切面选择梯度脉冲251的情况下施加10E RF激励脉冲251从而在切面内产生横向磁化。在EPI脉冲序列期间获取用253表示的全部四个独立的NMR回波信号。分别对每个NMR回波信号253进行编码以便用下面将更详细描述的交叉方式对ky空间线进行采样。虽然在优选实施例中只获取四个NMR回波信号253，但是在某些情况下可以获取十六个NMR回波信号。
NMR回波信号253是梯度再调用回波，这些回波是通过施加振动读出梯度255得到的。读出序列由预定相位读出梯度的波瓣256启动而且当读出梯度在正负值之间振动时产生回波信号253。在每个读出梯度脉冲255期间对每个NMR回波信号253进行全部Nx次(例如，Nx=128至256)采样。利用多个相应编码梯度脉冲258对四个连续的NMR回波信号253分别进行相位编码。在获取回波信号之前形成预定相位的相位编码波瓣259以便把第一视图固定在k空间的预期位置上。在读出梯度脉冲255改变极性时形成后序的相位编码脉冲258，它们通过ky空间使相位编码逐渐增加。为了获取一个完整的图象，使该脉冲序列重复32次(即，128/4)而且每次都改变预定相位波瓣259以便对k空间的不同部分进行采样。用10msecs的脉冲重复率(TR)，可以在约320毫秒内获取完整的图象。
由于心脏是跳动的，所以在320ms的时间间隔内其形状实际上是变化的。因此，需进行选通的ECG分段k空间数据采集。此外，要在心脏循环的过程中获取数据以便再现心脏循环中不同相位上的图象。图3中示出了对单次心跳的采集。
特别参见图3，在R-R间隔内在心脏博动信号200之间重复获取k空间中的段202。R-R间隔的长度是患者心率的函数，而且在图中所示的例子中，从ECG起博信号200之后的预定时间间隔开始，在心脏循环的过程中获取十个重复段S1。每个重复段S1都是从心脏的相同切面位置上对一部分k空间进行相同的采样得到的。它们的区别仅在于每个重复段S1是在心脏循环的不同相位上获取的。
每段由四个回波平面图象点204(EPI1-EPI4)构成。如以上参照图2所述，每个EPI点(EPI1-EPI4)以四个不同的相位编码获取四个NMR信号253从而对k空间的四个不同视图(V1-V4)进行采样。四个视图在每个EPI点204中是不同的，因此在每段202中获取全部16个不同的视图。
采集过程持续8个连续的心脏循环。每次心脏循环之后，每段202获取的特定视图便发生变化，从而在8次心跳之后能获取全部128个不同的视图。然后再现128×128个象素图象以便展示心脏循环过程中10个不同相位上的心脏情况。通过进行如US专利5377680中描述的内插，可以把帧的数量加倍到20。通常，在心脏的不同切面位置上把该程序重复12-15次以便提供足够的信息供分析心脏功能使用。
本发明的一个方面是在扫描过程中获取相位编码视图。更确切地说，是以交叉方式而不是顺序方式对k空间进行采样。这是通过对每个NMR回波信号253进行相位编码从而在每个点内对分布于k空间位置上的ky线进行采样实现的。表1中示出了对四个回波点进行的优选交叉采样。
表1
   段     点 回波1的ky线(V1) 回波2的ky线(V2) 回波3的ky线(V3) 回波4的ky线(V4)
    S1     1     1     19     37     55
    S1     2     2     20     38     56
    S1     3     3     21     39     57
    S1     4     4     22     40     58
    S2     5     5     23     41     59
    S2     6     6     24     42     60
    S2     7     7     25     43     61
    S2     8     8     26     44     62
    S3     9     9     27     45     63
    S3     10     10     28     46     64
    S3     11     11     29     47     65
    S3     12     12     20     48     66
    S4     13     13     31     49     67
    S4     14     14     32     50     68
    S4     15     15     33     51     69
    S4     16     16     34     52     70
    S5     17     17     35     53     71
    S5     18     18     36     54     72
图中用在扫描期间采样的72条ky线示出了倒置的交叉相位编码顺序。k空间的底部用底线1编号和顶线用72编号。在每个点中获取的采样线均匀地分布于k空间，而在连续点之间和连续段之间进行的采样是连贯的。

Claims (7)

1．一种用MRI系统获取患者心脏之心脏相位图象的方法，该方法包括以下步骤：
a)产生表示在每次心脏循环期间患者心脏位的心脏信号；
b)在每个连续的心脏循环期间在第一心脏相位上获取一段k空间NMR数据，其中用获取的段对k空间的足够区域进行采样，使得可用获取的NMR数据再现图象；和
c)根据获取的NMR数据再现心脏相位图象；
其中用MRI系统形成多个脉冲序列以在每个脉冲序列期间对不同的k空间部分进行采样来获取每一段k空间的NMR数据，每个脉冲序列是通过用RF激励脉冲产生横向磁化和获取多个分别经相位编码的NMR回波信号而形成的。
2．根据权利要求1所述的方法，其中脉冲序列是回波平面成象的脉冲序列。
3．根据权利要求1所述的方法，其中通过在每个连续的心脏循环中在其它心脏相位上重复步骤b)和用在每个其它心脏相位上获取的NMR数据重复步骤c)来获取多个心脏相位图。
4．根据权利要求1所述的方法，其中选择每个脉冲序列中的相位编码以便使对k空间的采样分布在整个k空间上。
5．根据权利要求4所述的方法，其中每段中的连续脉冲序列按顺序对k空间进行采样。
6．根据权利要求5所述的方法，其中连续的段按顺序对k空间进行采样。
7．一种用MRI系统获取患者心脏之心脏相位图象的装置，该装置包括：
a)信号装置，其产生表示在每次心脏循环期间患者心脏相位的心脏信号；
b)采集装置，其在每个连续的心脏循环期间在第一心脏相位上采集一段k空间NMR数据，其中用采集的段对k空间的足够区域进行采样，使得可用采集的NMR数据再现图象；和
c)再现装置，其根据采集的NMR数据再现心脏相位图象；
其中通过用MRI系统形成多个脉冲序列以在每个脉冲序列期间对不同的k空间部分进行采样来采集每一段k空间的NMR数据，每个脉冲序列是通过用RF激励脉冲产生横向磁化和采集多个分别经过相位编码的NMR回波信号而形成的。
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