CN1545627A - 具有激励天线系统的磁共振装置 - Google Patents

Abstract

一个磁共振成像系统包括一个激励天线系统(13，16)，该激励天线系统包括若干用于发出一种RF－激励场[B₁(t)]的天线。一个激励控制单元(ACU)耦合到该激励天线系统，以便激活该激励天线系统。激活各个的天线以便同时地发出分开的RF－激励成分[B_n(t)]。该RF－激励成分在K－空间上具有不同的激活分布。而该用于RF－激励所要求的时间是短的，甚至对于复杂的空间激励图形。

Description

具有激励天线系统的磁共振装置

本发明涉及一个磁共振成像系统，包括

-一个激励天线系统包括用于发出一种RF-激励场[B₁(t)]的若干天线，

-一个激活控制单元，耦合到该激励天线系统和配置来激活该激励天线系统。

这样一个磁共振成像系统从John Pauly等在Journal ofMagnetic Resonance 81(1989)43-56中的论文“AK-spaceanalysisof small-tip-angle excitation”得到了解。

该引证的参考建议应用空间选择的RF-激励于该磁共振成像系统中。这样的空间选择的RF-激励由横跨K-空间扫描施加的RF-能量得到。特别地，该引证的参考表示得到切片选择的RF-激励的固有的病灶(inberent focussing)以及还得到在两维中的空间选择的RF-激励。

但是，如在该引证的参考中所建议的扫描K-空间将导致需要施加临时的磁梯度场的复杂的和冗长的序列以及RF-激励脉冲。因此，该已知的空间选择的RF-激励是耗时的并且阻碍磁共振图像快速连续形成。

本发明的一个目的在于提供要求更少时间取得该RF-激励的一个磁共振成像系统。特别地，本发明的一个目的在于减小对空间选择的RF-激励所要求的时间。

该目的是通过按本发明的该磁共振成像系统达到的，其中配置该激活控制系统使得

-激活各个天线以便同时发出分开的RF-激励成分[B_n(t)]以及

-RF-激励成分在K-空间上具有不同的激活分布。

按本发明的该磁共振成像系统将产生从其重显一个磁共振图像的磁共振信号。该磁共振成像系统包括提供一个基本均匀主磁场的磁系统。该被检查的目标放置在该主磁场中。该磁共振信号依照该RF-激励产生。该RF-激励使得在被检查的目标中的磁自旋被激活和当发出该磁共振信号时这些磁自旋将基本上削弱。该磁共振信号通过应用一时的磁梯度被空间编码，特别地所谓的相位编码梯度(phase-encodingpradient)和读梯度(read-gradient)将提供该磁共振信号的空间编码。在RF-激励期间还可施加一时的磁梯度场以便产生扫描横跨K-空间的施加的RF-能量，即扫描该RF-激励的波矢量。还表示成梯度脉冲的该一时的磁梯度场叠加在由磁系统施加的该主磁场上。通常应用梯度线圈提供该梯度脉冲。由具有一个或若干天线的天线系统来施加该RF-激励。最好，RF-线圈被用作这些天线。

按本发明的该磁共振成像系统的激活单元执行将该完整的时变磁激励场分解成若干RF-激励分成。通过相应的天线或RF-线圈同时发出分开的RF-激励分成。这样在大的程度上实现并行地执行该RF-激励。该包括的并行性程度取决于所应用的RF-激励成分的数量。因此，施加该RF-激励要求的时间将由此而减小。特别地，本发明的该磁共振成像系统将更有效使用可供应该RF-激励的时间，以使得需要较少的时间执行该激励或在一个可接受的时间周期内还可应用一种更复杂的RF-激励。按本发明的该磁共振成像系统实际中适用于错综复杂形状区域的RF激励。

本发明的这些和其他方面将参照在独立权利要求中限定的实施例详细描述。

最好，该RF-激励成分按照分解到该各个天线的空间RF-发射性状的谐波分量里影响该RF-激励场。

按照本发明，通过梯度编码和基于该RF-激励线圈的该空间RF-发射性状编码使用空间编码。这样，该激励要求相对短的更为简单的激励序列并实现该要求的区域的正确的激励。

实际中按下列实现：

1.确定激励的空间区域。

2.使该区域变形到“折叠的”区域中，其中像素是像素的重叠，即激励的原始空间区域的局部RF-激励电平和重叠是基于该激励天线的该空间RF-发射性状进行编码的(加权的)。这些“折叠的”区域形成对各个天线的别名空间RF-发射性状。该重叠是这样的，即根据组合，例如增加该折叠的区域，除该预定空间区域外，由于该组合的RF-激励成分，所有RF-激励将删去。

3.对该折叠的区域执行快速富立叶变换以导出该激励波形，其对每一个与该梯度脉冲在一起包含的该RF-线圈形成该RF-激励成分，该梯度脉冲使该扫描横跨K-空间。

注意激活由激励的RF-线圈同时施加的RF-激励成分，同时施加相同的梯度脉冲。因此，在同时发生RF-激励成分期间不要求附加时间施加不同的梯度脉冲。同时发生RF-激励成分与通过K-空间的相同遍历相关，即同时影响该K-空间的轨道，但可能具有不同的幅度。

本发明磁共振成像系统的一个实施例应用在K-空间上每个具有不同支持的RF-激励成分。该RF-激励成分的在K-空间上的该支持是波矢量(K个矢量值)的组，对于该波矢量，RF-激励成分具有一个非零复值。该实施例应用激励天线，特别是RF-线圈，它具有空间正弦空间RF-发射性状。

在按本发明的一个磁共振成像系统的一个优选的实施例中，该RF-激励成分在K-空间具有激活分布，其使得K-空间的付扫描沿一个付扫描方向。术语付扫描指示比考虑到被激励的该空间区域的空间分辨度所要求的更不密集的K-空间的扫描由该RF-激励成分执行处于争论之中。该RF-激励成分的计算包括矩阵反演，这是更为稳定的，因为该激励天线的空间RF-发射性状的占支配的空间变化是沿该付扫描方向的。

优选地，应用RF-表面线圈作为天线，其中该空间RF-发射性状主要在该RF-表面线圈的平面中具有发射相位改变。该RF-表面线圈基本上是平面的。最好各自的RF-表面线圈的平面沿该读方向分开。按此形成，该RF-表面线圈发射相位主要在该相位编码方向变化，即，平行于该RF-表面线圈的平面，而发射幅度主要沿横切于该RF-表面线圈平面的读方向变化。在此情况下，实际上对笛卡儿(Cartesian)轨道计算该RF-激励成分包括更稳定的矩阵反演。通过使用适合的K-空间轨道和适合设计并定位的线圈能建立该矩阵反演。如一个通常的规则那样，该轨道应尽可能平滑地复盖该K-空间，和该线圈在该付扫描方向应具有(尽可能地好的)正弦形相位，其中，在K-空间中扫描的位置的密度是较低的，即对于笛卡儿在该相位编码或预备方向，对螺旋形的在径向方向，以及对径向的轨道在正切方向应具有正弦形相位。

如在权利要求6中所要求的，本发明进一步涉及一种磁共振成像方法。按本发明的该磁共振成像方法使得更有效地使用供该RF-激励用的时间，由此需要更少的时间执行激励或在一个可接受的时间周期内仍可应用更复杂的RF-激励。按本发明的磁共振成像方法在实际中很好地应用来执行错综复杂形状的空间形状的区域。

如在权利要求7中所要求的，本发明还涉及一个计算机程序。该计算机程序实际上适于执行本发明的磁共振成像方法。通过将按本发明的计算机程序装入到包括在一个一般普通磁共振成像系统中的一个计算机的工作存储器中就能提供按本发明的一个磁共振成像系统。可以将该计算机程序提供在一个数据载体上，例如一个CD-只读存储器，和该计算机程序还可通过一个数据网络提供，例如万维网，通过它按本发明的该计算机程序可下载到该磁共振成像系统的计算机的工作存储器中。

参照以下描述的实施例和参照附图将说明本发明的这些和其他方面。其中

图1概略地表示其中本发明使用的一个磁共振成像系统。

图2图示按本发明方法的输入空间RF-发射性状。

图3图示本发明方法中使用的计算的单独的波形和相应的脉冲性状。

图4图示用在该图象域和富立叶域中的相应的线圈的发射的各个的脉冲性状(在该框架中的数字模拟)。

图1概略地表示其中本发明使用的一个磁共振成像系统。该磁共振成像系统包括一组主线圈10，而因此产生稳定的均匀的磁场。例如按这样一种方式构造该主线圈，即它们围绕一个隧道式样的检查空间。轻轻地将被检查的放进这个隧道式样的检查空间。该磁共振成像系统还包括多个梯度线圈11，12。由此在各个方向产生呈现空间变化的磁场，特别是以一时磁梯度场形式的磁场从而重叠在该均匀的磁场上。在RF-激励横跨K-空间期间该一时梯度场用于空间编码该磁共振信号和扫描该RF-能量。实际上，该一时梯度场沿该读方向和该相位编码方向施加。该梯度线圈11，12连接到一个可控电源单元21。该梯度线圈11，12借助该电源单元21通过运用一个电流激励。该梯度的强度，方向和持续期由控制该电源单元进行控制。该磁共振成像系统还包括发射和接收线圈13，16，分别用于产生RF-激励脉冲和拾取该磁共振信号。该激励天线系统13，16最好包括一组表面线圈16，由此能包围被检目标(的一部分)。通常使用相同的表面线圈或天线系统组以选择性地作为该发射线圈和接收线圈。该发射和接收线圈例如实施成一个多路的或“密切合作的”线圈。这样的“密切合作的”线圈在需要大视场(field-of-view)和相对小的穿透深度场合情况下具有优点。此外，该发射和接收线圈通常是线圈形式的，但是在该发射和接收线圈用作对RF电磁信号发射和接收天线的场合其他的几何形状也是可用的。该发射和接收线圈系统16连接到一个电子发射和接收电路15。

这样的表面线圈在一个相当小的体积中具有高发射能力。该RF-线圈，例如表面线圈起发射和接收RF电磁信号的天线的作用并连接到解调器24，而借助该解调器24解调接收的磁共振信号(MS)。此外该发射和接收线圈包括一个主体线圈13。该主体线圈通常以这样一种方式配置在该磁共振成像系统中，即当他或她被配置在该磁共振成像系统中时，待检患者30被该主体线圈13所围绕。该主体线圈13起发射RF-激励脉冲和RF-再聚焦脉冲的发射天线的作用。最好，该主体线圈13包括一个空间均匀强度分布的发射的RF-脉冲(RFS)。该主体线圈被有利地用来确定该表面线圈的空间RF-发射性状。此外，该主体线圈13方便地与具有谐波(正弦的)空间RF-发射性状的表面线圈组合，因为该主体线圈在很低或零空间频率固有地具有谐波空间RF-发射性状。

该解调的磁共振信号(DMS)施加到一个再现单元。该接收线圈连接到前置放大器23。该前置放大器23放大由接收线圈16接收的RF-共振信号(MS)，同时该放大的RF-共振信号施加到解调器24。该解调器24解调该放大的RF-共振信号。该解调的共振信号包含的实际信息与在被成像的目标的部分中的局部自旋密度相关。此外，发射和接收电路15连接到调制器22。调制器22和发射及接收电路15激活发射线圈13以发射RF-激励和再聚焦脉冲。该再现单元从该解调的磁共振信号(DMS)导出一个或多个图像信号，该图像信号将代表被检目标的成像部分的图像信息。该再现单元25在实际中最好是一个数字图像处理单元25的结构，它可以被编程以便从该解调的磁共振信号导出代表被成像的目标部分的图像信息的图像信号。在重现监视器26的输出端上的该信号使得该监视器可显示该磁共振图像。作为选择有可能储存来自该再现单元25的信号于一个缓冲单元27中从而等待进一步处理。

按本发明的磁共振成像系统还备有一个控制单元20，例如以包括一个(微)处理器的计算机形式的。该控制单元20将控制该一时梯度场的RF-激励和应用程序的执行。实际中按本发明的磁共振成像系统的控制单元包括激活控制单元(ACU)。该激活控制单元被配置来执行包括RF-激励的各种各样的功能。最好，这些功能用软件实施以及可以包括在控制单元20的计算机中。到最后，例如该计算机程序按本发明可装入到控制单元20和再现单元25中。

现在将更详细地详细描述该RF-激励成分和它们同时的发射，以获得RF-激励的平行性。该RF-激励场具有跟随K-空间某一轨道和相应于横跨K-空间扫描该RF-能量的RF-脉冲的形式。缩短该轨道将缩短该脉冲持续期。使用多个发射线圈，每个具有其自身的时间-相关波形和空间发射将补偿K-空间的丢失部分。

让R为具有预定的，任意空间RF-发射性状S_r(x)的激励天线系统的发射线圈数，r＝1，...R，而未知在在该激励FOV中的各个的空间脉冲性状P_r(x)。该各个的脉冲性状的重叠应产生要求的脉冲性状P_des(x)

$P_{\mathrm{des}}\left(x\right)=\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{S}_r\left(x\right)P_r\left(x\right).--\left(1\right)$

变换到K-空间中，等式(1)产生

$p_{\mathrm{des}}\left(k\left(t\right)\right)=\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{s}_r\left(k\left(t\right)\right)\⊗p_r\left(k\left(t\right)\right).--\left(2\right)$

离散化该K-空间轨道的时间坐标，P_des和P_r可考虑为矢量P_des和P_r以及S_r为矩阵S_r。该离散由一个矩阵相乘替代该卷积

$p_{\mathrm{des}}\left(k\left(t_v\right)\right)=\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{s}_r(k\left(t_v\right)-\tilde{k}\left(t_u\right))p_r\left(\tilde{k}\left(t_u\right)\right)--\left(3\right)$

假定该脉冲性状是根据在该空间域中的一个N×N矩阵定义的，则P_des(K(t_v))和 是具有N²＝M分量的矢量，和 $S_r(K\left(t_v\right)-\tilde{K}\left(t_u\right))$ 具有尺寸M×M。现在介绍发射持续时间减小到R倍的空间情况。这样 成为具有M/R分量的矢量，而 $S_r(K\left(t_v\right)-\tilde{K}\left(t_u\right))$ 成为尺寸M×M/R的矩形矩阵。由一个合适的函数w＝f(u，r)，该减小尺寸的变量 和 $S_r(K\left(t_v\right)-\tilde{K}\left(t_u\right))$ 可组合到单个全尺寸变量 和 $S_{\mathrm{full}}(K\left(t_v\right)-\hat{K}\left(t_w\right)),w=1...M$ ，其注意合适地将指数u和r再分配到该新指数w，例如，

w＝u+M(r-1)/R.                                (4)

这样等式(3)可重写成

$p_{\mathrm{des}}\left(k\left(t_v\right)\right)=s_{\mathrm{full}}(k\left(t_v\right)-\hat{k}\left(t_w\right))p_{\mathrm{full}}\left(\hat{k}\left(t_w\right)\right).--\left(5\right)$

在应用平行的两个发射线圈的场合的简单例子中，R＝2和r＝1，2。这样，用图符号，等式(5)呈现为：

该未知的P_full现在能通过直-正向矩阵反演或借助相应正则化技术计算。

$p_{\mathrm{full}}\left(\hat{k}\left(t_w\right)\right)=s_{\mathrm{full}}^{-1}(k\left(t_v\right)-\hat{k}\left(t_w\right))p_{\mathrm{des}}\left(k\left(t_v\right)\right)--\left(6\right)$

接着该脉冲性状P_des和P_full必须转换成相应的波形B₁ ^des和B₁ ^full。

$B_1^{\mathrm{des}}\left(t\right)=D\left(k\left(t\right)\right)\underset{r}{\∫}{P}_{\mathrm{des}}\left(x\right)e^{-\mathrm{ixk}\left(t\right)}\mathrm{dx}=D\left(k\left(t\right)\right)p_{\mathrm{des}}\left(k\left(t\right)\right)--\left(7\right)$

$B_1^{\mathrm{full}}\left(t\right)=D\left(k\left(t\right)\right)\underset{r}{\∫}{P}_{\mathrm{full}}\left(x\right)e^{-\mathrm{ixk}\left(t\right)}\mathrm{dx}=D\left(k\left(t\right)\right)p_{\mathrm{full}}\left(k\left(t\right)\right)$

对于小的自旋角，等式(7)一般有效，对于大的自旋角，等式(7)仅对某些K-空间轨道有效[4]。该函数D取决选择的该K-空间轨道K(t)[3]并且对笛卡儿K(t)是不变的。按上述方式离散化等式(7)产生

$B_1^{\mathrm{des}}\left(t_v\right)=D\left(k\left(t_v\right)\right)p_{\mathrm{des}}\left(k\left(t_v\right)\right)$

$B_1^{\mathrm{full}}\left(t_w\right)=D\left(\hat{k}\left(t_w\right)\right)p_{\mathrm{full}}\left(\hat{k}\left(t_w\right)\right)--\left(8\right)$

其中D(K(t))是一个对角占优矩阵。

在实际中一个始于时间t＝0和终于t＝T的2D RF-脉冲由一个RF-波形B₁(t)，伴随有一个两维梯度波形G(t)组成，其定义一个通过K-空间的轨道K(t)

$k\left(t\right)=-\mathrm{\γ}\underset{t}{\overset{T}{\∫}}G\left(s\right)\mathrm{ds}.$

该定义极相似于在该成像序列的K-空间说明中使用的定义。对于小的自旋角，能导出横向磁化强度M_t(r)的合成空间分布为

$M_t\left(x\right)=\mathrm{i\γ}{M}_o\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{B}_1\left(t\right)e^{\mathrm{ixk}\left(t\right)}\mathrm{dt}.--\left(9\right)$

这里M₀表示平衡状态纵向磁化强度和γ表示旋磁比。反过来也一样，能从该2D富立叶转换P_des(r)得到激励横向磁化强度的一种要求模式P_des(r)的相关的B₁波形，只要沿该K-空间轨道取样。该波形不得不由该K-空间速度|γG(t)|和K-空间取样密度S(K(t))的幅度加权

$B_1\left(t\right)=\frac{-i\left|G\left(t\right)\right|}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2{M}_{o}S\left(k\left(t\right)\right)}\underset{r}{\∫}{P}_{\mathrm{des}}\left(x\right)e^{-\mathrm{ixk}\left(t\right)}\mathrm{dr},----\left(10\right)$

这里在该积分前面的系数定义上面引入的D(K(t))

$D\left(k\left(t\right)\right)=\frac{-i\left|G\left(t\right)\right|}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2{M}_{o}S\left(k\left(t\right)\right)}.$

组合等式((6)和((8)产生

$B_1^{\mathrm{full}}\left(\hat{k}\left(t_w\right)\right)=D\left(\hat{k}\left(t_w\right)\right)s_{\mathrm{full}}^{-1}(k\left(t_v\right)-\hat{k}\left(t_w\right))D^{-1}\left(k\left(t_v\right)\right)B_1^{\mathrm{des}}\left(t_v\right).--\left(11\right)$

最后如由等式((4)所定义的，各个波形

不得不从 分开。

注意未假定关于形成该全的和减小的K-空间轨道K(t)和

它们不需要是笛卡几坐标。此外，该减小的轨道

不需要是该全轨道K(t)的部分。由于K(t)仅仅是一个虚拟轨道，所以定甚至不需要是在该给定的梯度系统上物理地可实现的。仅 不得不满足该梯度系统的要求。

在一个简单的实施例中使用两个发射线圈和减缩系数R＝2。图2表示在一个志愿者腹部上测量的所选的所要求的脉冲性状P_des(x)和该空间RF-发射性状S_r(x)。图3表示在按等式(8)的该激励K-空间(幅度表示)和相应的脉冲性状P_r(x)中计算的各个波形

K(t)和

选择为笛卡儿坐标(EPI同类的)，K(t)复盖K-空间的每一列而

复盖K-空间的每第二列。现在应当在该不同的发射线圈上传送波形

只要同时该梯度系统包括(play out)该减缩的K-空间轨道。该实验由数字研究方式模拟。图4表示由在图像域S_r(x)P_r(x)和富立叶域Sr(K(t)_P_r(K(t))中相应线圈发射的各个脉冲性状。可看到K-空间的卷积起抹掉数据，由此充满该减缩的K-空间轨道 的丢失部分的作用。在图4中表示的S₁(x)P₁(x)和S₂(x)P₂(x)的重叠产生图2中表示的该要求的脉冲性状P_des(x)。

图2表示一个实验的输入。左：选择的脉冲性状P_des(x)，中心和右：在志愿者腹部上测量的该发射线圈的空间RF-发射性状S₁(x)和S₂(x)。

图3表示用于在该空间域中两个线圈的以幅度表示的给定的计算的各个波形 (左)和相应的脉冲性状P_r(x)(右)，假定齐次的线圈灵敏度。K(t)和 选择为笛卡儿坐标形状，K(t)复盖K-空间每列而

复盖K-空间的每第二列。

图4表示用在图像域S_r(x)P_r(x)(左)和在该富立叶域S_r(K(t))_P_r(K(t))(右)中相应线圈发射的各个脉冲性状(如数字地模拟相应实验的结果)。在左边该两个脉冲性状的重叠将产生图2左边表示的要求的脉冲性状。

按本发明的方法描述了使用多个发射线圈有可能缩短2D RF-脉冲。在数字研究的框架中已介绍了该方法的可行性。此外，可应用按本发明的方法

·改进该脉冲性状的空间分辨率替代缩短该RF-脉冲，

·使用比线圈数更低/更高的减缩系数作为普通平行成像，

·用3D RF-脉冲。

特别地，3D RF-脉冲似乎是本方法的一个非常有前途的应用。由同时发射若干RF-激励成分得到的该RF-脉冲缩短可使RF-脉冲切实可行，甚至对于快T₂ ^*松弛形式。使用正弦线圈灵敏度替代任意线圈灵敏度将简化上述极大的算法。

Claims (7)

1.一个磁共振成像系统包括

-一个激励天线系统，包括用于发射RF-激励场[B₁(t)]的若干天线，

-一个激活控制单元，连接到该激励天线系统并配置来用于激活该激励天线系统，使得

-激活各个天线以同时发射分开的RF-激励成分[B_n(t)]以及

-得到在K-空间上具有不同激活分布的RF-激励成分。

2.如权利要求1的磁共振成像系统，其中

-该各个天线具有相应空间RF-发射性状[S_n(r)]

-该激活控制单元配置来用于

-接收预选的RF-激励场数据[B₁(t)]，

-沿K-空间轨道导出该空间RF-发射性状的谐波分量[S_n[_(t_j)]以及

-沿K-空间轨道从该空间RF-发射性状的RF-激励场数据[B₁(t)]和该谐波分量S_n[_(t_j)]计算相应天线的RF-激励成分[B_n(t)]。

3.如权利要求1的磁共振成像系统，其中

-该各个天线具有相应空间RF-发射性状[S_n(r)]以及

-该激活控制单元配置来

-接收预选RF-激励场数据[B₁(t)]以便导出用于各个天线的别名空间性状以及

-按照别名空间性状激活该各个天线以同时发射该分开的RF-激励成分[B_n(t)]以及

-该别名空间性状具有复合局部激励电平，它是由该预选RF-激励场数据[B₁(t)]和该空间RF-发射性状[S_n(r)]组合的。

4.如权利要求1的磁共振成像系统，其中各个RF-激励成分[B_n(t)]具有K空间上分离的支持。

5.如权利要求2的磁共振成像系统，其中

-该RF-激励成分具有使在至少K-空间中一个付扫描方向付扫描的激活分布以及

-该空间RF-发射性状沿该付扫描方向具有它们占支配的空间变量。

6.一种磁共振成像方法包括激活一个激励天线系统的多个步骤，该激励天线系统包括若干天线用于发射一个RF-激励场[B₁(t)]，使得

-激活各个天线以便同时发射分开的RF-激励成分[B_n(t)]以及

-得到在K-空间上具有不同激活分布的RF-激励成分。

7.一个计算机程序包括指令以

-激活包括若干天线的激励天线系统以便发射RF-激励场[B₁(t)]，使得

-激活各个天线，以便同时发射分开的RF-激励场[B₁(t)]以及

-得到在K-空间上具有不同激活分布的RF-激励成分。

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