CN1323639C - 用修正的前脉冲的发射器频率优化预饱和的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供一种在核磁共振成像中用于优化预饱和的方法、系统和计算机程序产品。所述优化是通过为所有扫描切片设置正确的RF预饱和的发射器频率来实现的。从扫描腔体的磁场B₀的分布中获得扫描腔体的每个扫描切片的B₀磁场图。使用所述B₀磁场图来计算穿过每个扫描切片的磁场B₀的中间值。RF前脉冲的第一频率通过标准过程来获得。接着通过将穿过扫描切片的磁场B₀的中间值与RF前脉冲的第一频率相加来计算每个扫描切片的RF前脉冲的第二频率。其后将在第二频率的RF前脉冲施加到扫描切片。

Description

用修正的前脉冲的发射器频率优化预饱和的方法和系统

技术领域

本发明涉及核磁共振成像(MRI)领域。具体地，本发明涉及基于MRI的预饱和领域。

背景技术

核磁共振成像是一种用于内部器官的非侵入式成像的有用的成像工具。MRI普及上升的一个重要原因是MRI图像显著的清晰度。同时，MRI使用射频波，而不是X射线。

MRI系统根据核磁共振原理工作以获得人体的图像。人体组织由类似含有氢原子的水和脂肪的分子组成。氢原子的原子核(nucleus)具有相关联的磁矩，该磁矩是氢原子核的净磁属性的度量标准。在典型的MRI系统中，电磁体提供强磁场(B₀)(称为磁场B₀)。磁场B₀与氢原子核的磁矩相互作用并且使得一小部分原子核的排列与磁场B₀同向。磁场B₀也使同向原子核的磁距以频率(ω)(称为进动频率，frequency of precession)绕磁场B₀方向进动。进动频率取决于磁场B₀的强度和原子核的回磁比(γ)，回磁比是原子核的特有属性。在数学上，ω、B₀和γ有以下关系：

ω＝γ*B₀                                           等式(1)

原子核的进动频率称为拉莫尔(larmor)频率。随后MRI系统以氢原子核的拉莫尔频率施加射频(RF)脉冲。施加的射频脉冲的频率称为发射频率。当进动氢原子核以它们的拉莫尔频率暴露给RF脉冲时，核磁共振发生了。当核磁共振发生时，进动氢原子核以特定射频信号的形式发射能量。由水分子(存在于扫描腔体中)中的共振氢原子核产生的射频信号由MRI系统处理以生成MRI图像。在许多应用中，由非水分子中的共振氢原子核产生的射频信号是不希望有的，因为它们可能降低MRI图像的质量。

MRI系统对人体腔体成像(称为扫描腔体(scan volume))。对扫描腔体成像方法之一是将扫描腔体分割成许多切片(称为扫描切片(scan slice))。接着对扫描切片逐个成像。随后可以组合这些扫描切片的图像来形成扫描腔体的图像。为了对扫描腔体成功图像，磁场B₀必须均匀地穿过扫描腔体。磁场B₀不均匀地穿过扫描腔体可能对MRI图像的质量具有负面影响。参考等式(1)，发射频率(其与拉莫尔频率相等)取决于磁场B₀的强度。如果磁场B₀不均匀，在扫描腔体的不同位置上的氢原子核将经历不同的磁场强度B₀。这意味着将要施加的用于产生核磁共振的发射频率将变化地穿过扫描腔体。典型的MRI系统对整个扫描腔体使用单一发射频率。因此，在扫描腔体中将存在一些原子核不经历核磁共振。这些原子核将不能产生合适的射频信号，这将导致低质量的MRI图像。因此，为了获得高质量的MRI图像，期望有均匀的磁场B₀穿过扫描腔体。

在使用预饱和的MRI系统中特别期望有均匀的磁场B₀。预饱和是一种用于抑制降低图像质量的干扰信号的方法。在预饱和中，在RF脉冲之前施加称作RF前脉冲的频率选择性饱和脉冲。频率选择性RF前脉冲的使用抑制了干扰信号。所述RF前脉冲的一个例子是脂肪饱和(fat saturation)。脂肪饱和是一种选择性地抑制来自存在于脂肪分子中的氢核子的干扰信号的方法。通过在RF脉冲之前施加特定的脂肪饱和RF前脉冲来实现选择性抑制。

磁场B₀中的任何不均匀性可导致错误地确定RF前脉冲的频率，其中所述RF前脉冲的频率与用来激活存在于水分子中的氢原子核的RF脉冲有关。以错误的频率使用RF前脉冲将严重影响图像质量。例如在脂肪饱和中，错误频率上的RF前脉冲将不能完全抑制来自存在于脂肪分子中的氢原子核的信号。在一些情形中，错误频率的脂肪饱和脉冲可能抑制来自存在于水分子中的氢原子核的信号，从而降低了图像的质量。图1示出了磁场B₀的不均匀性对MRI图像的影响。该MRI图像示出了低脂肪饱和以及对来自存在于水分子中的氢原子核的信号的不必要的抑制。

因此，需要一种基于MRI实验的在预饱和中减少磁场B₀不均匀性的影响的方法。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种用于在核磁共振成像中优化预饱和的方法。所述方法首先生成扫描腔体的每个扫描切片的B₀场图。其后，通过标准过程来获得RF前脉冲的第一频率。然后利用每个扫描切片的B₀场图来计算穿过每个扫描切片的磁场B₀的中间值和在每个扫描切片中的正和负扫描切片像素的百分比。在每个扫描切片中的正扫描切片像素或负扫描切片像素的百分比大于预定阈值的情形中，对每个扫描切片计算RF前脉冲的第二频率。通过将穿过扫描切片的磁场B₀的中间值与RF前脉冲的第一频率相加来计算扫描切片的RF前脉冲的第二频率。但是，如果扫描切片的正扫描切片像素的百分比值或负扫描切片像素的百分比值没有超过预定的阈值，建议MRI系统的用户改进垫片。在用户改进垫片后，对每个扫描切片重复上述步骤，直到正扫描切片像素或负扫描切片像素的百分比超过预定的阈值。其后，使用在每个扫描切片的第二频率上的RF预饱和来获得扫描切片的MRI图像。

根据本发明的另一方面，提供一种用于生成扫描腔体的MRI图像的MRI系统。MRI系统包括用于产生称为磁场B₀的高强度磁场的磁体。MRI系统还包括一组用于改进磁场B₀均匀性的垫片卷板和一组用于产生叠加在磁场B₀上的倾斜磁场的倾斜卷板。MRI系统使用倾斜磁场来选择用于核磁共振成像的扫描腔体的特定区域。提供一个数据库用于以B₀场图的形式存储穿过每个扫描切片的磁场B₀的分布。提供用于计算扫描切片的RF前脉冲的第一频率的处理模块。所述处理模块还计算穿过每个扫描切片的磁场B₀的中间值。所述处理模块还通过将穿过扫描切片的磁场B₀的中间值与RF前脉冲的第一频率相加来计算每个扫描切片的RF前脉冲的第二频率。提供发射器，其产生在用于预饱和的所计算的第二频率上的RF前脉冲和用于导致在扫描腔体中的氢原子核的核磁共振的RF脉冲。提供用于检测因核磁共振而产生的射频信号的检测器。处理模块处理因核磁共振而产生的射频信号以获得MRI图像。

附图说明

在下文中，通过结合用来图解说明但不限于本发明的附图对本发明的各种实施例进行描述，其中相同的标记指明相同的元件，其中：

图1是MRI图像，其示出了低脂肪饱和以及因为磁场B₀的不均匀性导致的对来自存在于水分子中的氢原子核的信号的不必要的抑制；

图2A和2B图解说明了在用于描述根据本发明一个实施例的在核磁共振成像中优化预饱和的方法中包括的步骤的流程图；

图3是使用本发明的方法从MRI系统中获得的MRI图像；

图4是示出了根据本发明一个实施例的、基于MRI的预饱和的MRI系统的常规工作环境的方框图。

具体实施方式

本发明涉及一种在核磁共振成像中优化预饱和的方法、系统和计算机程序的产品。通过对所有的扫描切片设置正确的RF前脉冲的发射器频率来实现优化。

在一个实施例中，使用脂肪饱和技术结合MRI系统可预想运行本发明。脂肪饱和是一种用来减少来自由存在于脂肪分子中的氢原子核产生的核磁共振信号的干扰的技术。

本技术领域的人员应该清楚，本发明可适用于以使用预饱和技术而不是脂肪饱和的MRI系统中进行操作。例如，本发明可应用于用于抑制来自高分子(诸如蛋白质)的信号的磁性转移，以及用于抑制来自水分子的信号的光谱学实验。

图2A和2B图解说明了描述在根据本发明一个实施例、在核磁共振成像中优化预饱和的方法中包含的步骤的流程图。

在步骤202，获得穿过扫描腔体的每个扫描切片的磁场B₀的分布。存在几种获得磁场B₀分布的方法。所述方法的一些例子包括双倾斜反射法、双旋转反射法和双反射螺旋扫描。磁场B₀的分别被作为每个扫描切片的B₀场图而获得。扫描切片的B₀场图是穿过扫描切片的磁场B₀的图。扫描切片的B₀场图的像素值是穿过该像素的磁场B₀与平均磁场B₀的频率偏移。在本发明的一个实施例中，B₀场图被存储在数据库中。

在步骤204，通过标准过程来获得RF前脉冲的第一频率。所述过程包括计算用于RF脉冲的发射频率。这通过一个实验来实现，即计算存在于水分子中的最大氢原子核共振的频率。一旦计算完发射频率，则根据脂肪和水分子在平均磁场B₀共振的频率差来计算RF前脉冲的第一频率。例如，在平均磁场B₀为1.5特斯拉时，该频率差为220Hz。因此，如果将发射频率设定为63,584,500Hz，则将RF前脉冲频率设定为63,584,280Hz。频率63,584,280Hz将是RF前脉冲的第一频率。

RF前脉冲的类型和频率取决于分子的类型，所述分子的核磁共振信号将被抑制。在本发明的一个实施例中，使用RF前脉冲来抑制来自脂肪分子的核磁共振信号。

在步骤206，计算穿过每个扫描切片的磁场B₀的中间值。通过计算扫描切片的B₀图的像素的中间值来实现穿过扫描切片的磁场B₀的中间值的计算。在一个实施例中，使用存储在数据库中的B₀场图来计算穿过每个扫描切片的磁场B₀的中间值。

在步骤208，计算在每个扫描切片中的正扫描切片像素和负扫描切片像素的百分比。通过下面的方式来实现对每个扫描切片的计算。首先，计算在扫描切片中的正和负扫描切片像素的总数目。将正扫描切片像素定义为一个在扫描切片的B₀场图上具有正值或零值的像素。同样地，将负扫描切片像素定义为一个在扫描切片上的B₀场图上具有负值的像素。其后，计算在扫描切片上的像素的总数目。

通过将在扫描切片上的正扫描切片像素的数目除以在扫描切片上的像素的总数目获得在扫描切片上的正扫描切片像素的百分比。同样地，通过将在扫描切片上的负扫描切片像素的数目除以在扫描切片上的像素的总数目获得在扫描切片上的负扫描切片像素的百分比。在本发明的一个实施例中，根据存储在数据库中的磁场B₀的图来计算在每个扫描切片上的正扫描切片像素和负扫描切片像素的百分比。

在步骤210，检查每个扫描切片，以确定扫描切片的正扫描切片像素或负扫描切片像素的百分比值是否超过预定的阈值。在本发明的一个实施例中，阈值为80％。

在步骤210，如果对于至少一个扫描切片，扫描切片的正扫描切片像素或负扫描切片像素的百分比值没有超过预定的阈值，执行步骤212。

在步骤212，建议MRI系统的用户改进垫片。本领域的技术人员应该清楚有很多种改进垫片的方法。例如，如果MRI系统使用只能修正在磁场B₀中的线性倾斜的垫片协议，建议用户使用高阶垫片协议来改进垫片。然后用户可以根据下列建议在步骤213改进垫片。

在步骤213改进垫片后，所述返回到步骤202。

返回参考步骤210，如果对于每个扫描切片，该扫描切片的正扫描切片像素的百分比值或负扫描切片像素的百分比值超过预定的阈值，则执行步骤214。

在步骤214，对每个扫描切片计算RF前脉冲的第二频率。通过使用穿过所述扫描切片的磁场B₀的中间值和RF前脉冲的第一频率来实现对扫描切片的RF前脉冲的第二频率的计算。在一个实施例中，通过将穿过所述扫描切片的磁场B₀的中间值和RF前脉冲的第一频率相加来计算扫描切片的RF前脉冲的第二频率。

在步骤216，对扫描切片成像。首先，通过以所计算的用于所述扫描切片的第二频率施加RF前脉冲对扫描切片成像。其后，将在发射频率的RF脉冲施加到扫描切片。RF脉冲的应用导致存在于扫描切片上的氢原子核的核磁共振。当核磁共振发生时，氢原子核产生射频信号。测量所述核磁共振信号。处理所述射频信号以获得扫描切片的MRI图像。在第二频率的RF前脉冲的使用抑制了来自非水分子的不想要的射频信号。在本发明的一个实施例中，RF前脉冲用于脂肪饱和。在这种实施例中，RF前脉冲抑制不想要的来自存在于脂肪分子中的氢原子核的核磁共振信号。

在步骤218，将在步骤216获得的MRI图像存储在数据库中。然后可以在显示装置上显示在步骤218存储的MRI图像。

图3是从使用本发明的方法的MRI系统中获得的MRI图像。与在图1中的MRI图像相比，图3的MRI图像示出了改进的脂肪饱和对来自存在于水分子中的氢原子核的信号的抑制减少。

图4是示出了根据本发明一个实施例的、用于基于MRI的预饱和的MRI系统400的常规工作环境的方框图。

MRI系统400还包括处理模块402。处理模块402的形式可以是多用途计算机、程序化微处理器、微控制器、外围集成电路元件和其它器件或者是器件的排列。MRI系统400还包括连接到处理模块402的控制面板404。用户可以通过从控制面板404输入命令来控制MRI系统。

MRI系统400还包括连接到处理模块402的数据库406和显示装置408。显示装置408的典型例子包括液晶显示器(LCD)、阴极射线管(CRT)、发光二极管(LED)显示器和电视屏幕。

MRI系统还包括都连接到处理模块402的强极化磁体410和一组垫片卷板412。磁体410产生穿过扫描腔体的强磁场(称为磁场B₀)。垫片卷板412产生附加磁场，所述附加磁场减少穿过扫描腔体的磁场B₀中的不均匀性。

MRI系统400还包括连接到处理模块402的磁场检测器414。磁场检测器414测量穿过扫描腔体的所有扫描切片的磁场B₀分布并且向处理模块402发送磁场B₀分布数据。接着，处理模块402根据B₀磁场分布数据生成所有扫描切片的B₀场图。扫描切片的B₀场图是穿过扫描切片的B₀磁场的图。其后，处理模块402将B₀场图存储在数据库406中。此外，处理模块402通过计算B₀磁场图的像素值的中间值来计算穿过每个扫描切片的磁场B₀的中间值。其后，处理模块402将每个扫描切片的所计算的中间值存储在数据库406中。处理模块402还通过修正用于扫描切片的RF前脉冲的第一频率来计算每个扫描切片的RF前脉冲的第二频率。(通过标准过程来获得RF前脉冲的第一频率)。在一个实施例中，通过将穿过扫描切片的磁场B₀的中间值与RF前脉冲的第一频率相加来实现修正。

MRI系统400还包括连接到处理模块402的一组倾斜卷板416。倾斜卷板416是产生倾斜磁场的载流卷板。MRI系统400将这些倾斜磁场叠加到磁场B₀上以选择用于核磁共振成像的扫描腔体的特定区域。在一个实施例中，倾斜卷板416为三个成对的直交载流卷板。

MRI系统400还包括连接到处理模块402的发射器418。发射器418包括产生RF脉冲和RF前脉冲的卷板。

由发射器418产生的RF脉冲(在发射频率)导致氢原子核中的核磁共振。核磁共振使得氢原子核产生射频信号。由氢原子核产生的射频信号被连接到处理模块402的接收器420检测到。接收器420包括卷板或天线，其位于扫描腔体内部并且连接到接收器电路以检测因核磁共振而产生的射频信号。接收器卷板类型多样，例如，螺旋形、平面形、卷状形、正交形和定相形排列卷板。接收器420向处理模块402发送所检测到的射频信号。处理模块402接着处理所检测到的射频信号并生成MRI图像。

由处理模块402生成的MRI图像存储在数据库406中。在显示装置408上显示存储在数据库406中的图像。

在本发明中所描述的系统或任何它的组件可以以处理器的形式使其具体化。处理器的典型例子包括多用途计算机、程序化微处理器、微控制器、外围集成电路元件、和其它器件或者是器件的排列，其能够实现组成本发明的方法的步骤。

处理器执行一组以计算机程序代码的形式的指令。计算机程序代码可以存储在一个或多个存储单元中以处理输入数据。存储单元可以以数据库的形式存在或者为存在于处理器中的物理存储单元。

计算机程序代码可以包括各种指令，其指示处理器执行特定任务，诸如组成本发明的方法。计算机程序代码的形式可以多样，诸如系统软件或应用软件。此外，计算程序代码的形式可以为独立程序的集合、带有较大程序的程序模块或程序模块的一部分。计算机程序代码可以用任何程序语言来写，诸如C、C++、C#、Java等。处理器对输入数据的处理可以响应使者的命令、或响应先前处理的结果或响应由另一台处理器发出的请求。

本领域的技术人员应该清楚，把各种处理器和/或存储单元物理地放在地理上的同一位置并不是必要的。处理器和/存储单元可以放在地理上的不同位置并相互连接起来以便能够通信。可以使用各种通信技术使得在处理器和/或存储单元之间的通信变得可能。这些通信技术可以使用各种协议，诸如TCP/IP、UDP、ATM或OSI。这些通信技术包括以网络的形式存在的处理器和/或存储单元的连接。所述网络可以是使通信变得可能的内部互联网、外部互联网、国际互联网或任何客户服务器模块。

在本发明的系统和方法中，可以使用各种“用户界面”以允许用户与处理器或将用来实现本发明的机器通过界面交流。处理器使用用户界面和用户交流以传送或接收信息。用户界面可以是任何硬件、软件或硬件和软件的结合，其被处理器使用以允许用户与处理器相互交流。用户界面的形式可以是对话屏幕，也可以包括各种相关联的器件，以使得用户和处理器之间的交流变得可能。预期用户界面能够和另一台处理器而不是人类用户相互交流。此外，还可以预期用户界面可以部分地和其它处理器交流同时也可以部分地和人类用户交流。

虽然图解和描述了本发明的各种实施例，但本领域的技术人员应当清楚，本发明不仅限于这些实施例。本领域的技术人员应当清楚，在不脱离由权利要求所描述的本发明的精神和范围的情况下，可以有许多修改、改变、变化、替代物和等价结构。

Claims (5)

1.一种用MRI系统优化预饱和的方法，包括：

a.创建磁场B₀；

b.自所述磁场B₀为扫描腔体的每个切片创建B₀图，每个扫描切片具有多个正和负扫描切片像素；

c.为每个扫描切片确定RF前脉冲的第一频率；

d.根据每个扫描切片的B₀图计算磁场B₀的中间值；e.计算每个扫描切片中的正和负扫描切片像素的百分比；

f.通过将穿过扫描切片的磁场B₀的中间值与RF前脉冲的第一频率相加来计算每个扫描切片的RF前脉冲的第二频率；以及

g.将第二频率的RF前脉冲施加到每个扫描切片以优化预饱和。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述RF前脉冲被用来抑制来自存在于扫描腔体中的脂肪分子中的氢原子核的核磁共振信号。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述RF前脉冲被用来抑制来自存在于扫描腔体中的高分子中的氢原子核的核磁共振信号。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述RF前脉冲被用来抑制来自存在于扫描腔体中的水分子中的氢原子核的核磁共振信号。

5.一种MRI系统(400)，包括：

a.极化磁体(410)，用于产生称作磁场B₀的高强度磁场；

b.一组垫片卷板(412)，用于改善磁场B₀的均匀性；

c.磁场检测器(414)，用于测量磁场B₀的分布；

d.一组倾斜卷板(416)，用于产生叠加在磁场B₀上的倾斜磁场；

e.发射器(418)，用于产生RF脉冲和RF前脉冲，其中RF前脉冲的频率对于每个扫描切片是特定的；

f.射频接收器(420)，用于检测核磁共振信号；

g.处理模块(402)，包括：

i.用于计算穿过每个扫描切片的磁场B₀的中间值的模块；

ii.用于计算每个扫描切片中的正和负扫描切片像素的百分比的模块，其中正扫描切片像素被定义为带有正磁场B₀值的扫描切片像素，以及负扫描切片像素被定义为带有负磁场B₀值的扫描切片像素；

iii.用于计算每个扫描切片的RF前脉冲的第二频率的模块，所述计算通过将穿过扫描切片的磁场B₀的中间值与RF前脉冲的第一频率相加来实现，所述RF前脉冲的第一频率是通过标准过程来获得的；和

iv.用于处理来自扫描切片的核磁共振信号的模块，以获得每个扫描切片的扫描切片脉冲的MRI图像；和

h.数据库(406)，包括：

i.存储单元，用于存储B₀场图；

ii.第二存储单元，用于存储穿过每个扫描切片的磁场B₀的中间值；和

iii.第三存储单元，用于存储每个扫描切片的MRI图像。

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