CN1346623A - 俘获磁共振信号的方法和装置、记录媒体和应用该方法和装置的磁共振成像系统 - Google Patents

Abstract

在片层梯度中存在误差时,为在三维扫描中俘获正确的磁共振信号,本发明以响应在片层轴方向中的梯度磁场中的误差进行补偿的频率的RF信号有选择性地激励切片,以及以与正确的频率相对应的经补偿的相位在片层轴方向上进行相位编码。

Description

俘获磁共振信号的方法和装置、 记录媒体和应用该方法和装置的 磁共振成像系统

发明背景

本发明涉及俘获磁共振信号的方法和装置、记录媒体以及应用该方法和装置的磁共振成像装置，更具体地说，本发明涉及通过应用三维扫描俘获磁共振信号的方法和装置、存储在计算机上执行这种磁共振成像信号俘获方法的程序的记录媒体以及具有俘获磁共振成像信号的装置的磁共振成像装置。

在MRI(磁共振成像)系统中，成像原理包括将要成像的对象输送到在磁共振成像装置的环行磁体系统中的孔(其为具有所形成的静态磁场的空间)中、将梯度磁场和高频磁场施加到该孔中以产生自旋以发射磁共振信号以及基于从该自旋所接收的信号重构图像。

在彼此相互垂直的三个轴向方向上施加梯度磁场。彼此相互垂直的三个轴是片层(slice)轴、相位轴和频率轴。在片层轴上的梯度磁场是通过射频(RF)激励信号使在片层轴上的所需的片层产生有选择性的激励的磁场，也可以称其为片层梯度。在相位轴上的梯度磁场是对自旋进行相位编码的磁场，也可称其为相位编码梯度。在频率轴上的梯度磁场是读出磁共振信号的磁场，也可称该磁场为读出梯度。

在三维扫描过程中，切片(slab)是更大厚度的片层，有选择性地激励切片以在相位轴和片层轴上都对其进行相位编码。

片层梯度误差可能造成有选择性地激励的切片的位置误差。在这种情况下，修正RF激励频率以便在正确的位置上有选择性地激励片层。然而，所重构的图像在片层轴方向上可能包含有交叠。

发明概述

因此本发明的一个目的是提供一种在存在片层梯度误差时适合于三维扫描俘获磁共振信号的方法和装置、用于存储在计算机上执行俘获磁共振信号的功能的程序的记录媒体以及并入了俘获磁共振成像信号的装置的磁共振成像系统。

为实现上述目的以及根据本发明的目的，作为在此的一般性描述，在一方面中本发明提供：

(1)一种俘获磁共振信号的方法，应用三维扫描来以在片层轴上施加的RF信号和梯度磁场有选择性地激励切片并在片层轴方向上进行相位编码，其特征在于包括如下步骤：

通过具有响应在片层轴上的梯度磁场的误差进行补偿的频率的RF信号有选择性地激励切片；以及

在片层轴上对与频率补偿相对应的经补偿的相位进行相位编码。

在另一方面中本发明提供

(2)一种俘获磁共振信号的装置，通过静磁场、梯度磁场和高频磁场的装置进行三维扫描以在片层轴上施加的梯度磁场和RF信号来对切片进行有选择性激励并在片层轴方向上进行相位编码，其特征在于包括：

通过具有响应在片层轴上的梯度磁场的误差进行补偿的频率的RF信号有选择性地激励切片的有选择性激励装置；以及

在片层轴上对与频率补偿相对应的经补偿的相位进行相位编码的相位编码装置。

在再一方面中本发明提供

(3)一种用于存储在计算机上执行的程序的计算机可读的记录媒体，通过静磁场、梯度磁场和高频磁场的装置进行三维扫描以在片层轴上施加的梯度磁场和RF信号来对切片进行有选择性激励并在片层轴方向上进行相位编码，所说的程序的特征在于包括如下步骤：

通过具有响应在片层轴上的梯度磁场的误差进行补偿的频率的RF信号有选择性地激励切片；以及

在片层轴上对与频率补偿相对应的经补偿的相位进行相位编码。

在再一方面中本发明提供

(4)一种用于俘获磁共振成像信号的磁共振成像系统，通过静磁场、梯度磁场和高频磁场的装置进行三维扫描以在片层轴上施加的梯度磁场和RF信号来对切片进行有选择性激励并在片层轴方向上进行相位编码，为基于由此所俘获的信号重构图像，俘获磁共振成像信号的系统的特征在于包括：

通过具有响应在片层轴上的梯度磁场的误差进行补偿的频率的RF信号有选择性地激励切片的有选择性激励装置；以及

在片层轴上对与该频率补偿相对应的经补偿的相位进行相位编码的相位编码装置。

在本发明的上述方面中，当存在片层梯度误差时在三维扫描过程中可以俘获正确的磁共振信号，因为通过具有响应在片层轴上的梯度磁场的误差补偿的频率的RF信号有选择性地激励切片并在该片层轴方向上进行相位编码。

根据本发明，提供一种当存在片层梯度误差时在三维扫描过程中正确地俘获磁共振信号的方法和装置、存储在计算机上执行俘获磁共振信号的功能的程序的记录媒体以及并入了俘获磁共振信号的装置的磁共振成像系统。

通过下文对在附图中所示的优选实施例的描述将会清楚本发明的进一步目的和优点。

附图概述

附图1所示为实施根据本发明的优选实施例的一种实例性装置的示意方块图；

附图2所示为实施根据本发明的优选实施例的另一种实例性装置的示意方块图；

附图3所示为在附图1或2中所示的装置所执行的脉冲序列的典型实例的波形图；

附图4所示为三维傅立叶空间(Fourier space)的概念表示；

附图5所示为切片分布和相位分布的示意图；以及

附图6所示为表示梯度磁场的特性的曲线。

发明详述

下文参考附图给出实施本发明的一个优选实施例的详细描述。参考附图1，附图1所示为实施根据本发明的优选实施例的实例性装置的示意方块图。所示的装置仅是实施本发明的优选实施例的实例。所示的装置的结构可以说明性地显示根据本发明的装置的实例性优选实施例，而该装置的操作可以说明性地显示根据本发明的方法的实例性优选实施例。

如附图1所示，该装置可以包括磁体系统100。磁体系统100由主线圈单元102、梯度线圈单元106和RF(射频)线圈单元108。在磁体系统中的这些线圈单元都以大致圆柱形设置且线圈都同轴地放置。在磁体系统100的大致圆柱形的内部空间(孔)中可以容纳要成像的对象300，通过在该附图中没有示出的托架500将要成像的对象300送入到该孔中或从该孔中送出。

主线圈单元102在磁体系统100的孔中形成静止磁场。该静止磁场的方向大致平行于要成像的对象300的身体轴线。换句话说，该静止磁场形成所谓的水平磁场。主线圈单元102可以例如由超导线圈形成。作为超导线圈的替代，也可以由普通的导电线圈等效地形成。

梯度线圈单元106在彼此相互垂直方向上(即在片层轴、相位轴和频率轴上)产生三种梯度磁场以在相应的静止磁场的强度上产生梯度。

假设以x、y和z表示在静止磁场空间中彼此相互垂直的坐标轴，任一轴都可以成为片层轴。因此，其它的两个轴的一个轴将成为相位轴，而另一个轴为频率轴。此外，通过保持在x-、y-和z-轴之间的垂直性还可以使这些轴具有一定的倾斜度。

在片层轴方向上的梯度磁场称为片层梯度磁场。在相位轴方向上的梯度磁场称为相位编码梯度磁场。在频率轴方向上的梯度磁场称为读出梯度磁场。为了产生这些梯度磁场，梯度线圈单元106可以包括在附图中没有示出的三种梯度线圈。在下文的描述中，梯度磁场也可以称为“梯度”。

RF线圈单元108产生用于激励在静止磁场空间中的要成像的对象300的身体中的自旋的高频磁场。产生高频磁场也可以称为发射RF激励信号。RF线圈单元108接收由被激励的自旋所产生的电磁辐射即磁共振信号。

RF线圈单元108可以包括在附图中没有示出的发射器线圈和接收器线圈。可以使用一单个线圈用作发射器线圈和接收器线圈，或者分开的线圈一个单独用于发射和一个单独用于接收。

梯度线圈单元106连接到梯度线圈驱动器单元130。梯度线圈驱动器单元130将驱动信号输送到梯度线圈单元106以使梯度线圈单元106产生梯度磁场。梯度线圈驱动器单元130可以包括在该附图中没有示出的3个驱动电路，这些驱动电路与在梯度线圈单元106中的三种梯度线圈相对应，一种驱动电路用于一种梯度线圈。

RF线圈单元108连接到RF驱动器单元140。RF驱动器单元140将驱动信号输送到RF线圈单元108以使RF线圈单元108发射RF激励信号来激励在要成像的对象300身体内的自旋。

RF线圈单元108还连接到数据采集单元150。数据采集单元150通过采样信号俘获由RF线圈单元108所接收的接收信号来作为数字数据。

梯度线圈驱动器单元130、RF驱动器单元140和数据采集单元150都连接到控制器单元160。控制器单元160控制梯度线圈驱动器单元130和数据采集单元150以执行成像序列。

控制器单元160还可以控制RF驱动器单元140的输出信号的频率，即RF激励频率。控制器单元160还可以进一步控制梯度线圈驱动器单元130的输出信号。在下文中将更加详细地讨论频率的控制以及梯度输出的控制。

控制器单元160可由例如计算机形成。控制器单元160可以具有在附图中没有示出的存储器。该存储器用于存储控制器单元160的各种数据和程序。通过计算机执行存储在存储器中的程序可以实现控制器单元160的功能。

数据采集单元150的输出侧连接到数据处理单元170。由数据采集单元150所采集的数据输入到数据处理单元170。数据处理单元170例如由计算机形成。数据处理单元170可以具有在附图中没有示出的存储器。该存储器用于存储数据处理单元170的各种数据和程序。

数据处理单元170连接到控制器单元160。数据处理单元170是控制器单元160的上一级单元。通过数据处理单元170执行存储在存储器中的程序实现根据本发明的装置的功能。

包括磁体系统100、梯度线圈驱动器单元130、RF驱动器单元140、数据采集单元150、控制器单元160和数据处理单元170的组件实例性地表示实施根据本发明的优选实施例的俘获磁共振信号的实例性装置。该装置的结构可以实例性地说明根据本发明的装置的实例性优选实施例，而该装置的操作可以实例性地说明根据本发明的方法的实例性优选实施例。

数据处理单元170将由数据采集单元150所采集的数据存储在存储器中，在存储器中形成数据空间。这种数据空间形成如下文将要讨论的三维的傅立叶空间。傅立叶空间在下文中也称为k-空间。数据处理单元170对在k-空间中的数据进行三维反向傅立叶变换以重构要成像的对象300的图像。

数据处理单元170连接到显示单元180和操纵台190。显示单元180可以是图形显示器。操纵台190可以是连同指点装置的键盘。

显示单元180显示从数据处理单元170输出的重构图像以及所输送来的任何信息。操作员操作操纵台190以给数据处理单元170输入指令和信息。通过显示单元180和操纵台190操作员可以执行根据本发明的装置的交互操作。

现在参看附图2，附图2所示为根据本发明的优选实施例的另一实例性装置的示意方块图。该装置可以实例性地表示根据本发明的优选实施例的典型实例。该装置的结构可以说明性地表示根据本发明的装置的实例性优选实施例，而该装置的操作可以说明性地表示根据本发明的方法的实例性优选实施例。

在附图2中所示的装置具有与附图1的装置不同类型的磁体系统100′。除了该磁体系统100′以外附图2的装置的其它部件的结构与在附图1中所示的装置的其它部件的结构相同。类似的部件以相同的参考标号表示，在此省去对在前面的实施例中已经描述的部件的详细描述。

磁体系统100′包括主线圈单元102′、梯度线圈单元106′和RF线圈单元108′。主线圈单元102′和其它的每个线圈单元都是由一对单元制成，一个单元与在孔的相对侧上的另一相对的单元相配合。这些单元都以大致盘状放置以使同轴地共有相同的中心轴。磁体系统100′的孔(内部空间)可以容纳要成像的对象300，通过在该附图中没有示出的托架500将要成像的对象300送入到该孔中或从该孔中送出。

主线圈单元102′在磁体系统100′的孔中形成静止磁场。该静止磁场的方向大致垂直于要成像的对象300的身体轴线。换句话说，它形成垂直的磁场。例如通过永磁体可以形成主线圈单元102′。不用说主线圈单元102也可以由普通的导电电磁体或超导磁体等效地形成。

梯度线圈单元106′在彼此相互垂直方向上，即在片层轴、相位轴和频率轴上，产生三种梯度磁场以在相应的静止磁场的强度上产生梯度。

假设以x、y和z表示在静止磁场空间中彼此相互垂直的坐标轴，任一轴都可以成为片层轴。因此，其它的两个轴的一个轴将成为相位轴，而另一个轴为频率轴。此外，通过保持在x-、y-和z-轴之间的垂直性这些轴还可以具有一定的倾斜度。

在片层轴方向上的梯度磁场称为片层梯度磁场。在相位轴方向上的梯度磁场称为相位编码梯度磁场。在频率轴方向上的梯度磁场称为读出梯度磁场。为了产生这些梯度磁场，梯度线圈单元106可以包括在附图中没有示出的三种梯度线圈。

RF线圈单元108′将RF激励信号输送到静止磁场空间中以激励在要成像的对象300的身体中的自旋。RF线圈单元108′也接收由因此被激励的自旋所产生的磁共振信号。

RF线圈单元108′可以包括在附图中没有示出的发射器线圈和接收器线圈。可以使用一单个线圈作为发射器线圈和接收器线圈，或者分开的线圈，一个单独用于发射和一个单独用于接收。

由磁体系统100′、梯度线圈驱动器单元130、RF驱动器单元140、数据采集单元150、控制器单元160和数据处理单元170组成的组件实例性地表示实施根据本发明的优选实施例的俘获磁共振信号的实例性装置。该装置的结构可以实例性地表示根据本发明的装置的实例性优选实施例，而该装置的操作可以实例性地表示根据本发明的方法的实例性优选实施例。

现在参考附图3，附图3所示为由附图1或附图2的装置所执行的用于俘获磁共振信号的脉冲序列的典型实例。该脉冲序列是用于俘获由三维扫描所产生的自旋回波的脉冲序列。

更具体地说，在附图1中，(1)是用于RF激励的90°脉冲和180°脉冲序列。(2、)(3)、(4)和(5)分别是用于片层梯度Gs、相位编码梯度Gp、读出梯度Gr和自旋回波MR的序列。90°脉冲和180°脉冲通过它们的中心值表示。该脉冲序列沿着时间轴t从左到右行进。

如该附图所示，通过90°脉冲和180°脉冲分别完成90°和180°激励。在90°激励和180°激励时，分别施加片层梯度Gs1和Gs3以有选择性地激励所需的切片。

在90°激励和180°激励之间的周期中，通过片层梯度Gs2执行在片层轴方向上的相位编码。在相同的周期中通过相位编码梯度Gp在相位轴方向上执行相位编码和通过读出梯度Gr1在频率轴的方向上执行去相(dephase)。

在180°激励之后，通过读出梯度Gr2的复相(rephase)可以产生自旋回波MR。自旋回波MR是具有相对于回波中心对称的波形的RF信号。在90°激励之后的TE(回波时间)时产生回波中心。通过数据采集单元150采集自旋回波MR作为视图数据。

如上文所描述的脉冲序列将以循环周期TR(重复时间)反复地重复例如64至256次，同时顺序地改变片层梯度Gs2。在该附图中所示的短点划线虚拟地表示片层梯度Gs2的连续变化。在进行这种重复的同时，每次在相位轴上施加相同的相位编码梯度Gp。在相位轴方向上进行相同的相位编码而在片层轴方向上进行不同的相位编码，这可以在k-空间中产生64至256个视图的视图数据，

如上文所描述的脉冲序列反复重复64至256次。对于每次重复，都改变在相位轴方向的相位编码梯度Gp。在该附图中所示的短点划线虚拟地表示片层梯度Gp的连续变化。应用在相位轴方向不同的相位编码，这可以产生有64至256个视图的一个视图数据组。该数据组由64至256个视图的数据组成，每个视图数据在片层轴方向的相位编码都不同。由此将所获得的视图数据集中在数据处理单元170中的存储器中。

现在参考附图4，附图4所示为内置在该存储器中的k-空间的概念表示。如该附图所示，k-空间是一种具有彼此相互垂直的三个坐标轴kx、ky和kz的三维傅立叶空间。

kx可以对应于频率轴。ky可以对应于相位轴。kz可以对应于片层轴。在相位轴方向上不同的相位编码的视图数据可以在ky轴上具有不同的位置。在片层轴方向上不同的相位编码的视图数据可以在kz轴上具有不同的位置。在k-空间中对这些数据进行三维反向傅立叶变换可以获得在真实空间中的三维图像数据，即所重构的图像。

下文更加详细地描述当在片层梯度中存在误差时切片激励的位置变化及其补偿以及在片层轴方向的相位编码补偿。现在参考附图5，该附图所示为(a)在片层轴上的切片分布以及(b)在自旋相位中的切片分布。为了描述的方便，假设z-轴为片层轴。

如在(a)中的实线所示，假设激励厚度为S中心在距离为z1处的切片来进行成像。通过90°脉冲进行RF激励。下文中简单地称RF激励为激励。

如附图(b)中的实线所示，与该激励相对应，执行相位编码以使在厚度为S的切片中的自旋的相位沿z轴从-π到+π呈直线分布。根据相位编码梯度Gs2完成这种相位编码。所示的相位编码是在(+)方向上最大的相位编码。

理想的片层梯度Gs应该是与距离z成比例的梯度，如附图6中的直线Gsa所示。然而，实际上相对于理想梯度该梯度可能具有误差，如曲线Gsb所示。通过将其转换为自旋频率表示在附图6中的梯度磁场的强度。下文将片层梯度简单地称为梯度。

在这种情况下，为了激励其中心在距离z1处的切片，频率f1可通过理想梯度Gsa确定，如果在频率f1处进行激励，在实际中存在切片位置误差，因为其中心在距离z1′处的另一切片是由有误差的梯度Gsb确定的。

因此基于真实的和先前已知的梯度Gsb确定与距离z1相对应的频率f2以在频率f2下进行激励。这对应于当梯度为理想梯度时其中心在距离z2处的切片的激励。通过将频率从f1到f2移动Δf，切片的中心位置从z1到z2移动了Δz。Δz与Δf成比例。

在受数据处理单元170控制的控制器单元160的控制下通过RF驱动器单元140和RF线圈单元108(108′)进行RF激励。由数据处理单元170、控制器单元160、RF驱动器单元140和RF线圈单元108(108′)所组成的组件表示实施根据本发明的有选择性激励装置的优选实施例的典型实例。

在附图5(a)中的短点划线所示为这种激励的切片的视在分布，其中心与在距离z2处的位置移动了Δz。相对于具有明显移动的中心的切片，自旋相位分布从-p1到+π线性地变化，如附图(b)所示，然后从-π侧重叠以线性地变化到-p1。自旋相位的这种重叠分布可以使在所重构的图像中产生重叠。在下文中将自旋相位的分布简单地称为相位分布。

为了避免这种现象，相对于视在切片仅需要改变相位分布而不从-π重叠到+π，如在附图中短点划线所示。这可以通过将以实线所示的相位分布平移Δp来实现。

相位分布的平移量Δp可以表示如下： $\mathrm{\Δp}=-\frac{\mathrm{\Δz}}{S}\·2\mathrm{\π}---\left(1\right)$ 这里：

Δz：切片的视在位置位移(与频移Δf成比例)

S：切片的厚度

如上文所示的相位分布的平移可以通过如下方式实现：调整梯度Gs2以使在(+)方向上最大的相位编码量为： $\mathrm{\π}+\mathrm{\Δp}=(1-2\frac{\mathrm{\Δz}}{S})\mathrm{\π}---\left(2\right)$ 通常，当相位编码量为P时平移量Δp的大小可由下式给出： $\mathrm{\Δ}=-\frac{\mathrm{\Δz}}{S}\·2P---\left(3\right)$

这种相位分布的平移可以通过如下方式实现：调整梯度Gs2以使相位编码量变成： $P+\mathrm{\Δp}=(1-2\frac{\mathrm{\Δz}}{S})P---\left(4\right)$

在受数据处理单元170控制的控制器单元160的控制下通过梯度线圈驱动器单元130和梯度线圈单元106(106′)执行如上文所示相位编码。由数据处理单元170、控制器单元160、梯度线圈驱动单元130和梯度线圈单元106(106′)所组成的组件表示实施根据本发明的相位编码装置的优选实施例的典型实例。

如上文已经描述的切片的RF激励以及在片层轴方向上相应的相位编码可以获得视图数据而不会在所重构的图像中在片层轴方向上造成重叠。

可以将如上文所述的在计算机上执行俘获磁共振信号的功能的程序存储在计算机可读记录媒体中。任何记录媒体包括比如磁记录媒体、光学记录媒体、磁光记录媒体等都可以适当地使用。记录媒体还可以是半导体存储装置。在本说明书中，存储装置是记录媒体的同义语。

在不脱离本发明的精神范围的前提下可以构造出本发明的许多不同的实施例。应该理解的是本发明并不限于在本说明书中所描述的具体实施例，而是以所附加的权利要求限定。

Claims (8)

1.一种俘获磁共振信号的方法，应用三维扫描并以在片层轴上施加的RF信号和梯度磁场有选择性地激励切片并在片层轴方向上进行相位编码，包括如下步骤：

通过用具有响应在片层轴上的梯度磁场的误差进行了补偿的频率的RF信号有选择性地激励切片；以及

在片层轴上对与该频率补偿相对应的经补偿的相位进行相位编码。

2.根据权利要求1所述的俘获磁共振信号的方法，其中：

通过下式给出所述补偿的相位： $P^{\′}=(1-2\frac{\mathrm{\Δz}}{S})P$

这里：

P′：在进行补偿之后的相位

Δz：频率补偿所引起的切片的视在位置位移

S：切片厚度

P：在进行补偿之前的相位

3.一种俘获磁共振信号的装置，借助静磁场、梯度磁场和高频磁场应用三维扫描以在片层轴上施加的梯度磁场和RF信号来对切片进行有选择性激励并在片层轴方向上进行相位编码，包括：

通过用具有响应在片层轴上的梯度磁场的误差进行了补偿的频率的RF信号有选择性地激励切片的选择性激励装置；以及

在片层轴上对与该频率补偿相对应的经补偿的相位进行相位编码的相位编码装置。

4.根据权利要求3所述的俘获磁共振信号的装置，其中：

通过下式给出所说的补偿的相位： $P^{\′}=(1-2\frac{\mathrm{\Δz}}{S})P$

这里：

P′：在进行补偿之后的相位

Δz：频率补偿所引起的切片的视在位置位移

S：切片厚度

P：在进行补偿之前的相位

5.一种用于存储在计算机上执行的程序的计算机可读的记录媒体，应用三维扫描以在片层轴上施加的梯度磁场和RF信号来对切片进行有选择性激励并在片层轴方向上进行相位编码，所说的程序包括如下步骤：

通过用具有响应在片层轴上的梯度磁场的误差进行了补偿的频率的RF信号有选择性地激励切片；以及

在片层轴上对与该频率补偿相对应的经补偿的相位进行相位编码。

6.根据权利要求5所述的计算机可读的记录媒体，其中：

通过下式给出所说的补偿的相位： $P^{\′}(1-2\frac{\mathrm{\Δz}}{S})P$

这里：

P′：在进行补偿之后的相位

Δz：频率补偿所引起的切片的视在位置位移

S：切片厚度

P：在进行补偿之前的相位

7.一种用于俘获磁共振成像信号的磁共振成像系统，通过具有静磁场、梯度磁场和高频磁场的装置应用三维扫描以在片层轴上施加的梯度磁场和RF信号来对切片进行有选择性激励并在片层轴方向上进行相位编码，为基于所俘获的信号重构图像，俘获磁共振成像信号的系统包括：

通过用具有响应在片层轴上的梯度磁场的误差进行了补偿的频率的RF信号有选择性地激励切片的选择性激励装置；以及

在片层轴上对与该频率补偿相对应的经补偿的相位进行相位编码的相位编码装置。

8.根据权利要求7所述的磁共振成像系统，其中：

通过下式给出所说的补偿的相位： $P^{\′}=(1-2\frac{\mathrm{\Δz}}{S})P$

这里：

P′：在进行补偿之后的相位

Δz：频率补偿所引起的切片的视在位置位移

S：切片厚度

P：在进行补偿之前的相位

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