CN1820208A - 涉及脂肪抑制和/或黑血预备的mri扫描仪的磁场调整 - Google Patents

Abstract

在一种用于调整磁共振成像扫描仪(10)的磁场的方法中，实施脂肪抑制和血液抑制中的至少一个，以抑制相应脂肪和血液中至少一个中的磁共振。测量从常规柱状体积发出的第一和第二磁共振回波。第一和第二磁共振回波(122、124)的测量被重建(150)为相应的第一和第二常规柱状投影图像(152、154)。第一和第二常规柱状投影图像被组合(160)以产生常规柱状体积的磁场分布(174)。从该磁场分布中提取所选择的磁场参数(142)。根据选择的磁场参数计算磁场调整电流(180)。磁场调整电流被施加至磁场线圈(16，60)。

Description

涉及脂肪抑制和/或黑血预备的MRI扫描仪的磁场调整

下面的内容涉及诊断成像领域。其特别适用于磁共振成像，并将在此具体参考磁共振成像来说明。然而，它在譬如磁共振波谱的核磁共振描绘技术中有更普遍的应用。

磁共振成像扫描仪中磁场不均匀性引起成像和波谱伪影是已知的。这些伪影在较高磁场下以及对于特定技术尤其严重，譬如在稳态自由进动(SSFP)成像中磁场不均匀性产生条带缺陷，在化学位移成像中差的场均匀性产生谱线增宽和漂移。

磁场的不均匀性在主磁体的设计中首先被提出，主磁体通常是超导线圈，尽管也使用电阻性主磁体线圈。磁场均匀性还可通过使用选择性地放置的钢片来提高。通过使用有源磁场调整实现进一步提高。在这种技术中，薄片线圈产生附加磁场梯度，该附加磁场梯度与由主磁体产生的磁场结合在一起以产生更均匀的整体磁场。可选择地或另外地，可向主磁体线圈施加补偿电流以提供有源磁场调整。有利地，有源磁场调整允许放射科医师通过对受检者的成像区域实施预备的预扫描磁场测量以及基于这些受检者的测量调整磁场调整电流来优化特定成像期间的场均匀性。

以前的方法和用于进行磁场测量并从中提取磁场调整信息的脉冲序列具有某些缺点。磁场的精确测量被伪影所干扰，所述伪影由脂肪组织的共振频率漂移、流动血液中的磁共振的移相和心动循环活动伪影引起。低磁共振信号的空间区域(例如肺内空气)的相位模糊进一步干扰定量信息的提取。因此，实际中有源磁场调整采用过定的数据集的集合，以确保合理的磁场调整精确度。虽然如此，在过去，有源磁场调整通常限于对一阶磁场不均匀性的校正。

本发明提出一种改进的设备和方法，其克服前面提及的限制和其它问题。

依据一方面，提供一种调整磁共振成像扫描仪的磁场的方法。至少进行脂肪抑制和流动血液抑制中一个，以抑制脂肪和流动血液的至少一个区域中的磁共振。测量从常规柱状体积发出的第一和第二磁共振回波。第一和第二磁共振回波的测量被重建为相应的第一和第二常规柱状投影图像。第一和第二常规柱状投影图像被组合以产生常规柱状体积的磁场分布。从该磁场分布中提取选择的磁场参数。根据选择的磁场参数计算磁场调整电流。将该磁场调整电流施加到磁场线圈。

依据另一方面，公开了一种调整磁共振扫描仪的磁场的设备。提供选择性的共振抑制装置，用于执行脂肪中磁共振的抑制和血液中磁共振的抑制中的至少一个。提供用于测量从常规柱状体积中发出的第一和第二磁共振回波的装置。提供用于将第一和第二磁共振回波的测量重建为对应的第一和第二常规柱状投影图像的装置。提供用于组合第一和第二常规柱状投影图像以产生常规柱状体积的磁场分布的装置。提供用于从磁场分布中提取所选磁场参数的装置。提供根据选择的磁场参数计算磁场调整电流的装置。提供用于将磁场调整电流施加到磁场梯度线圈的装置。

一个优点在于改进了对基于相位的磁场测量中的相位模糊的处理。

另一个优点在于在磁场映射期间对抑止了来自脂肪和血液区域的磁共振。

还有另一个优点在于，通过减少场投影测量的数量和避免在磁场调整调整计算中过定的线性方程组，获得更有效的有源磁场调整。

基于阅读下面的优选实施例的详细说明，多个的其它优点和益处对本领域普通技术人员来说是显而易见的。

本发明可采用各种元件和元件的布置，以及各种处理操作和处理操作的安排。附图仅仅用于说明优选实施例的目的，而不构成对本发明的限制。

图1图解性示出包含有源磁场调整的磁共振成像系统。

图2示出用于执行磁场测量的优选磁共振序列。

图3图解性示出图1的磁场调整处理器的细节。

参考图1，磁共振成像扫描仪10包含主磁体线圈12，其优选是超导线圈，当然也可使用电阻性主磁体线圈或永磁体材料。主磁体线圈12被激励以在检查区域14中产生基本均匀的主(B₀)磁场。磁场梯度线圈16在选定空间方向上产生梯度，以空间编码通过激励射频线圈18产生的磁共振。在图1中，示出了整体的射频线圈18；然而，可以使用譬如头部线圈的局部线圈、定相射频线圈阵列、SENSE线圈等代替整体射频线圈18或与其相结合以激发磁共振或检测磁共振回波。

磁共振序列控制器30调整和控制耦接至梯度线圈16的磁场梯度磁场调整控制器32和耦接至整体射频线圈18或另一射频线圈的射频发射器34，以激励和空间编码磁共振回波。耦接至整体射频线圈18或另一射频线圈的一个或更多射频接收器36检测、解调和数字化磁共振回波，并将数字化磁共振采样存储在k空间存储器40中。重建处理器44实施基于傅立叶变换的图像重建或其它类型的图像重建，以根据存储的k空间磁共振采样产生一个或多个重建图像。

重建图像被存储在图像存储器46中，通过视频处理器50处理且显示在用户界面52上，通过局域计算机网络或因特网传输，或以其它方式被处理。优选地，用户界面52包含显示器、打印机、或者允许放射科医师或其它操作者浏览、再现或以其它方式操纵重建图像的其他输出设备。此外，用户界面52优选使放射科医师或其它操作者能够与磁共振序列控制器30通信以产生磁共振成像序列、修改成像序列、执行成像序列或以其它方式控制磁共振成像扫描仪10。

本领域技术人员认识到，主(B₀)磁场的均匀性是控制重建图像精确度的重要因素。B₀场的不均匀性可引入伪影，譬如稳态自由进动(SSFP)成像中的条带缺陷。为了减少这种场不均匀性，选择性地激励有源匀场线圈60以产生补偿主B₀场不均匀性的附加磁场梯度。另外地或可替换地，向主磁场梯度线圈16施加补偿电流，来提供有源磁场调整。

为了确定合适的磁场调整或补偿电流，优选在扫描仪10中定位成像受检者之后，使用预备的预扫描磁共振序列测量主B₀场的不均匀性。为了调整N阶的磁场不均匀62，经用户界面52从磁场调整预备序列存储器64中调用适当的预备磁共振序列。在优选实施例中，至少对二阶(N＝2)磁场不均匀进行校正。序列控制器30执行所调用的预备序列，以产生和测量所选的磁共振回波，测量采样被存储在磁场调整k空间存储器70中。磁场调整处理器72分析测得的回波饼计算适当的磁场调整或补偿电流，以将其施加到有源磁场调整线圈60或主磁场梯度线圈16，来补偿测得的磁场不均匀。优选地，在被成像区域中且成像受检者位于检查区域14内的情况下执行测量。

参考图2，说明优选的预备磁场调整磁共振序列80。序列80使用限定投影方向的常规柱状体积的相敏成像。此外，磁场调整磁共振序列80利用脂肪饱和度预备(fat saturation preparation)提供脂肪组织的磁共振的抑制。这个抑制是有益的，因为脂肪和水之间的波谱共振偏移引起干扰基于相位的磁场调整测量的明显的移相。类似地，序列80利用黑血预备(black blood preparation)提供血液的磁共振的抑制。这个抑制是有益的，因为快速血液流动引起也干扰相位测量的共振移相。

在该预备磁共振序列80中，黑血预备包括反转受检者内自旋的非选择性的180°射频脉冲82。与切片选择梯度脉冲86结合在一起的第二180°射频脉冲84重新反转感兴趣切片的静态自旋。紧随在这两个反转脉冲82、84后面的延迟为血液流出感兴趣切片提供时间并为血液的磁共振信号向零状态的弛豫提供时间。在血液完全为零之前，与第二切片选择梯度脉冲92结合在一起的第三180°射频脉冲90反转切片中的自旋。选择紧随在反转脉冲90后面的延迟，使得流入切片的反转血液和脂肪的磁共振信号在以下时刻达到零状态，此时由与切片选择梯度脉冲102结合在一起的90°射频脉冲100激励该切片。使用与两个空间横向梯度脉冲114、116结合在一起的一对180°射频脉冲110、112重聚焦被激励切片的磁共振，以定义感兴趣的常规柱状体积。

使用短回波平面序列120测量来自感兴趣的常规柱状体积的磁共振回波，短回波平面序列120读取自旋回波122和场或梯度回波124。序列80是对称序列；重聚焦180°射频脉冲110、112分别与90°射频激励脉冲100相隔间隔T和3T，并在与90°射频激励脉冲100相隔大约4T的间隔处读取自旋回波。在与90°射频激励脉冲100相隔大约4T+S的间隔处读取场回波，其中子间隔S被选择成对应于脂肪-水周期的多倍。脂肪-水周期是脂肪和水磁共振信号的频率间距的倒数。子间隔S优选是脂肪-水周期的少数倍，且更优选的是该倍率是一。在白旋回波和场回波暂时地隔开多个脂肪-水周期的情况下，分别根据自旋回波和场回波重建的一维投影图像之间的相位差有利地基本对应于受局部磁场影响的自旋演化。由脂肪-水化学位移引起的贡献有利地通过将子间隔S设定为脂肪-水周期的少数倍以及利用脂肪饱和度预备被抑制。

序列80优选是对称序列，被选择成补偿因较长持续时间涡流导致的慢变化场项和对因无源磁场调整线圈(passive shim)、升压器铁(booster iron)等引起的场漂移。由具有线性变化的场项引起的相位漂移在第二自旋回波消去。然而，可选地，该优选的双回波序列80可被单个90°-180°脉冲对所代替。此外，尽管在序列80中，第四个回波由短回波平面序列120读取，但是本领域技术人员可容易地改变序列80以读取被流补偿(flow-compensated)的第三、第五、第六或其它指数的自旋回波。更进一步，可以用受激回波代替预备序列80中的自旋回波。

对于感兴趣的常规柱状体积的多个空间方向，重复序列80。为了提取N阶磁场参数，沿至少沿2N+1个方向测量P投影。因此，为了提取二阶磁场参数(其中N＝2)，至少测量五个方向。对于N＝3，至少测量七个方向。对感兴趣的常规柱状体积的适当选择的2N+1个方向的测量允许计算N(N+2)个磁场调整线圈的直到并包括N阶的磁场校正的校正值。可选择测量超过2N+1个方向；然而，这产生了过定的线性方程系统，进而显著降低了效率。因此，在优选实施例中，测量最少数量的方向，也就是所选择的2N+1个方向。

使用常规的球面坐标表示法(θ，φ)依据：

${\mathrm{\θ}}_k=\frac{\mathrm{\π}}{2(1+N_{\mathrm{\θ}})}(1+2k),k=\mathrm{0,1},...(N_{\mathrm{\θ}}-1)---\left(1\right),$

和

${\mathrm{\φ}}_j=\frac{\mathrm{\π}}{N_{\mathrm{\φ}}}(1+2j),j=\mathrm{0,1},...(N_{\mathrm{\φ}}-1)---\left(2\right),$

选择感兴趣的常规柱状体积的最小数量2N+1个合适的方向，其中N_θ是θ坐标值的数量，N_是φ坐标值的数量。乘积N_θ·N_等于收集的投影P的总数，以及选择N_φ的值使得N_φ≥2N+1。

作为方程(1)和(2)的使用的例子，对于其中N＝2的二阶磁场调整，最少数量的方向是2N+1＝5。选择N_θ＝1和N_φ＝5，由方程(1)和(2)给出的方向的适当集合为(45°，36°)、(45°，108°)、(45°，180°)、(45°，252°)和(45°，324°)。方程(1)和(2)可容易地计算用于一阶、三阶或更高阶的磁场调整的方向的适当集合。

参考图3，磁场调整k空间存储器70存储感兴趣的常规柱状体积的各个择定方向所需的自旋回波和场回波的k空间数据。磁场调整处理器72处理该数据以计算磁场调整电流或补偿电流来实施磁场调整。迭代循环过程140重复预备序列80以获得各个方向的数据，并处理各个方向的k空间数据，以计算沿那些方向的磁场参数，这些磁场参数存储在磁场参数存储器142中。在优选实施例中，条重建处理器150应用滤波一维傅立叶变换以根据自旋回波数据重建自旋回波柱状投影图像152。条重建处理器150还应用滤波傅立叶变换以根据场回波数据重建场回波柱状投影图像154。

差值处理器160将自旋回波投影图像152和场回波投影图像154结合以产生磁场调整条投影162，投影162具有基本由受局部磁场影响的自旋演化引起的相位。复数Z₁和Z₂表示两个投影152、154的值，以及磁场调整条投影162的值为复数Z₃，磁场调整条投影162被适当计算为Z₃＝Z₂·Z₁ ^*，其中Z₁ ^*是Z₁的复共轭。磁场调整条投影162是一个相位限制的(phase-wrapped)磁场调整条投影。也就是，磁场调整条投影162的相位值位于0和2π之间。相位展开处理器166展开该相位以去除相位中断。通过适当地向相位值增加2π的适当倍数，去除相位中断，实现相位展开。

典型的相位展开算法可在低磁共振信号区域中产生模糊或错误结果。为了解决这个难题，面探测器170优选分析磁场调整条投影162，以识别具有大的磁共振信号的最大可用区域。在一个适当的方法中，计算相位限制的磁场调整条投影162的幅度值的全局平均值。贯穿数据循环，计算通常三个到七个数据点的短窗口上的局部平均值。将这些局部平均值与全局平均值相比较。局部平均值增加至全局平均值之上的转换点指示不可用区域和可用区域之间的转换。类似地，局部平均值减少至全局平均值之下的转换点指示可用区域和不可用区域之间的转换。最大可用区域优选由展开处理器166展开，且这个展开磁场调整条部分被用于随后的处理中。

展开的磁场调整条投影或投影部分通过N阶多项式拟合处理器174被拟和成N 62阶多项式，以提取被存储在磁场参数存储器142中的N 62阶磁场参数。在优选方法中，拟合处理中使用正交多项式方法；当然，可以使用其它多项式拟合方法。迭代循环过程140调用了条重建处理器150、差值处理器160、相位展开处理166、170和多项式拟合处理器174，用于利用方程(1)和(2)选择的各个方向，并且所得到的用于各种选择的方向的磁场参数被存储在磁场参数存储器142中。

磁场调整项计算处理器180基于各种测量的磁场调整条方位的磁场参数计算磁场调整项。如果使用由方程(1)和(2)给出的磁场调整方向，那么最少数量的方向被测量，并且准确确定将磁场调整电流与最高阶磁场参数相关联的线性方程。有利地，依据方程(1)和(2)的方向选择确保了线性方程被完全去耦并确保了方程(4)的[W]矩阵是使[W][W]^T是对角矩阵的矩阵，即使作出了过定的测量时。在这种情况中，磁场调整电流的计算简化为代数计算。磁场调整项L_shim由：

$L_{\mathrm{shim}}=\frac{\mathrm{\Σ}{W}_{\mathrm{shim}}({\mathrm{\θ}}_k,{\mathrm{\φ}}_k)\·A_{\mathrm{order},k}}{\mathrm{\Σ}{W}_{\mathrm{shim}}({\mathrm{\θ}}_k,{\mathrm{\φ}}_k)\·W_{\mathrm{shim}}({\mathrm{\θ}}_k,{\mathrm{\φ}}_k)}---\left(3\right),$

给出，其中W_shim(θ，φ)表示球谐函数的角度部分，以及A_order，k表示所标阶数的拟合多项式系数。在另一方面，如果测量不同于由方程(1)和(2)给出的那些方向的方向，那么可能得到使磁场参数和磁场调整电流相关的线性方程的不一致集合。即使测量了导致耦合线性方程的一致集合的方向，这些可能在最高磁场调整级或至少对于较低磁场调整级是过定的。在这种情况中，磁场调整项计算处理器180可直接根据矩阵方程：

[A]＝[W][L]                          (4)

计算磁场调整项，其中[A]是多项式系数矩阵，[L]是磁场调整项矩阵，以及[W]是球谐函数矩阵。矩阵方程(4)的求解使用适用于求解线性方程的过定系统的效率较低的算法。对于过定的系统，[W]矩阵的奇异值分解优选用于提供使最小二乘意义上的测量误差的影响最小化的解。

参考优选实施例说明了本发明。显而易见地是，通过阅读和理解前面详细的说明书，对于其它将会出现改变和替换。目的在于，本发明被构造为包括所有这些改变和替换，只要它们落在附属的权利要求和其等效物的范围中。

Claims (24)

1、一种用于调整磁共振成像扫描仪(10)的磁场的方法，该方法包括：

执行脂肪抑制和移动血液抑制中的至少一个以抑制来自脂肪和移动的血液中的至少一个区域中的磁共振；

测量从常规柱状体积中发出的第一和第二磁共振回波；

将第一和第二磁共振回波的测量重建为相应的第一和第二常规柱状投影图像；

组合第一和第二常规柱状投影图像以产生常规柱状体积的磁场分布；

从该磁场分布中提取所选择的磁场参数；

根据所选择的磁场参数计算磁场调整电流；和

将该磁场调整电流施加到磁场线圈(16，60)。

2、如权利要求1中所述的方法，其中第一和第二磁共振回波包括自旋回波和场回波。

3、如权利要求1中所述的方法，进一步包括：

在第一磁共振回波的测量和第二磁共振回波的测量之间插入对应于多个脂肪-水周期的延迟。

4、如权利要求1中所述的方法，其中第一和第二磁共振回波的测量使用对称回波序列，该序列中回波隔开选定的时间间隔。

5、如权利要求1中所述的方法，其中组合第一和第二常规柱状投影图像以产生磁场分布包括：

计算第一和第二常规柱状投影图像之间的相位差，以产生相位限制的磁场分布；和

相位展开该相位限制的磁场分布。

6、如权利要求5中所述的方法，进一步包括：

识别由具有低磁共振信号的不可用区域划界的至少一个可用区域；和

相位展开该至少一个可用区域。

7、如权利要求6中所述的方法，其中识别由具有低磁共振信号的区域划界的至少一个可用区域包括：

计算相位限制的磁场分布的平均值；和

识别对应于平均交叉的区域边界。

8、如权利要求1中所述的方法，其中执行脂肪抑制和移动血液抑制中的至少一个包括：

在第一和第二磁共振回波的测量之前执行黑血预备。

9、如权利要求1中所述的方法，其中执行脂肪抑制和移动血液抑制中的至少一个包括：

执行脂肪饱和度预备。

10、如权利要求1中所述的方法，进一步包括：

重复脂肪抑制和移动血液抑制中的至少一个的执行以及多个空间方向上常规柱状体积的测量、重建、组合和提取，基于在多个空间方向上获得的选定磁场参数计算磁场调整电流。

11、如权利要求10中所述的方法，其中该多个空间方向包括至少五个空间方向，并且对于每个空间方向，提取所选择的磁场参数包括：

对磁场分布执行大于或等于两阶的高阶多项式拟合，以获得二阶或更高阶的磁场项。

12、如权利要求11中所述的方法，其中该多个空间方向恰好包括五个空间方向。

13、如权利要求12中所述的方法，其中该五个空间方向选自下述方向集合之一：

方向(45°，36°)、(45°，108°)、(45°，180°)、(45°，252°)、(45°，324°)的集合，和

方向(15°，180°)、(45°，180°)、(75°，180°)、(105°，180°)和(135°，180°)的集合，

其中每个集合中的每个方向由球坐标(θ，φ)表示。

14、如权利要求10中所述的方法，其中多个空间方向包括2N+1个空间方位，其中N是待执行的选定磁场参数的最高阶磁场调整校正，球θ坐标被计算为：

${\mathrm{\θ}}_k=\frac{\mathrm{\π}}{2(1+N_{\mathrm{\θ}})}(1+2k),$ k＝0，1，...(N_θ-1)

以及球φ坐标被计算为：

${\mathrm{\θ}}_j=\frac{\mathrm{\π}}{N_{\mathrm{\φ}}}(1+2j),$ j＝0，1，...(N_φ-1)

其中N_θ是θ坐标值的数量，N_φ是φ坐标值的数量，乘积N_θ·N_φ是待测量的空间方向的数量，且N_ψ≥2N+1。

15、如权利要求14中所述的方法，其中N_θ等于一。

16、如权利要求1中所述的方法，其中测量从常规柱状体积中发出的第一和第二磁共振回波包括：

使用两个横向切片选择脉冲选择常规柱状体积。

17、一种用于调整磁共振成像扫描仪(10)的磁场的设备，该设备包括：

选择性共振抑制装置(82、84、86、90、92)，用于执行脂肪中磁共振的抑制和移动血液中磁共振的抑制中的至少一个；

测量装置(120)，用于测量从常规柱状体积中发出的第一和第二磁共振回波；

重建装置(150)，用于将第一和第二磁共振回波的测量重建成对应的第一和第二常规柱状投影图像；

组合装置(160、166、170)，用于组合第一和第二常规柱状投影图像以产生常规柱状体积的磁场分布；

提取装置(174)，用于从该磁场分布中提取选择的磁场参数；

计算装置(180)，用于根据所选择的磁场参数计算磁场调整电流；和

电流施加装置(32)，用于将该磁场调整电流施加到磁场线圈(16、60)。

18、如权利要求17中所述的设备，其中第一和第二磁共振回波包括自旋回波和场回波，并且用于测量的装置(120)在第一磁共振回波的测量和第二磁共振回波的测量之间插入延迟，该延迟对应于脂肪—水共振频率差的倒数的倍数。

19、如权利要求17中所述的设备，其中用于测量的装置(120)执行对称回波序列，在该对称回波序列中回波隔开选定的时间间隔。

20、如权利要求17中所述的设备，其中用于组合的装置(160、166、170)包括：

计算装置(160)，用于计算第一和第二常规柱状投影图像之间的相位差，以产生相位限制的磁场分布；

识别装置(170)，用于识别由具有低磁共振信号的不可用区域划界的至少一个可用区域；和

相位展开装置(166)，用于相位展开至少一个可用区域。

21、如权利要求17中所述的设备，其中选择性共振抑制装置(82、84、86、90、92)包括下面中的至少一个：

用于在测量第一和第二磁共振回波之前执行黑血预备的装置(82、84、86)，和

用于执行脂肪饱和度预备的装置(90、92)。

22、如权利要求17中所述的设备，其中用于计算磁场调整电流的装置(180)包括：

调用装置(140)，其用于为多个常规柱状体积方向循环调用选择性共振抑制装置(82、84、86、90、92)、用于测量的装置(120)、用于重建的装置(150)、用于组合的装置(160、166、170)和用于提取的装置(174)；和

求解装置(180)，其用于求解线性方程以基于多个常规柱状体积方向上的所选磁场参数计算磁场调整电流。

23、如权利要求22中所述的设备，其中该多个常规柱状体积方向中的每个被选通至循环生理运动。

24、如权利要求23中所述的设备，其中选定的磁场参数具有两阶或更低阶数，方向数等于五，且每个方向具有如下之一：

共同等于45°的球θ坐标，和

共同等于180°的球φ坐标。