CN1842720A - 在磁共振成像中射频线圈的空间灵敏度分布的确定 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定在磁共振(MR)成像设备(1)的检查体积(17)中的射频发送和/或接收线圈(7、8、9)的空间灵敏度分布的方法。按照本发明的方法，通过射频脉冲序列和切换的磁场梯度在检查体积(17)中激励核的磁化，其中所说的射频脉冲序列包括具有至少两个不同的激励触发角的射频脉冲。获得并处理所说的磁共振信号，以便形成至少两个磁共振图像，每个磁共振图像都对应于所说激励触发角之一。然后在所说磁共振图像的像素和体素的各个位置根据像素和体素值对于对应的激励触发角的依赖关系计算所说空间灵敏度分布。按照另一种方式，应用射频脉冲序列和切换的磁场梯度的多种情况，获取磁共振信号，其中对于所说序列的每种情况，使用发射线圈和/或接收线圈(7、8、9)的不同组合。然后，通过取像素或体素值的对数，并且通过对每个像素或体素求解线性方程组，在从获得的磁共振信号形成的磁共振图像的像素或体素位置，计算所说空间灵敏度分布。

Description

在磁共振成像中射频线圈的空间灵敏度分布的确定

本发明涉及在磁共振成像设备的检查体积中的射频发送和/或接收线圈的空间灵敏度分布的确定方法。

进而，本发明涉及用于实现这种方法的磁共振成像设备以及用于磁共振成像设备的计算机程序。

磁共振(MR)成像技术总是要使用一个空间分布均匀的并且时间上恒定的主磁场，通常称之为B₀。为了在磁共振成像设备的检查体积内激发核自旋的磁化强度，要在B₀磁场上以对应的质子共振频率叠加一个B₁射频(RF)磁场。磁共振设备进一步还包括一组梯度线圈，用于产生线性梯度磁场，通过线性梯度磁场实现核自旋磁化强度的空间编码。在实际的磁共振成像过程中，将由射频的和切换的磁场梯度构成的脉冲序列施加到一个物体(病人)上以产生扫描的磁共振信号，从而可以从这里获得信息并且重构这个物体的图像。所施加脉冲序列的性质完全确定重构图像的特性，如物体中的位置和取向、尺寸、分辨率、信号噪声比、对比度、运动的灵敏度、如此等等。

在磁共振成像当中，从所获信号形成的图像经常受到空间强度的不均匀性的破坏。对于视觉以及图像的分析都有破坏作用的这种不均匀性主要是由射频线圈的不均匀的空间灵敏度分布引起的，所说的射频线圈用于向被检查的物体辐射射频脉冲，并且用于接收来自磁共振设备的检查体积的磁共振信号。射频发射线圈的空间灵敏度分布由射频脉冲辐射期间作用在检查体积上的射频磁场强度B₁的位置相关性所确定。接收线圈的空间灵敏度则由检测的磁共振信号的幅度对于检查体积内的位置相关性决定，在所说的检查体积内产生了相应的核自旋磁化强度。由于在许多情况下磁共振发射和接收线圈的灵敏度在空间上是不均匀的，所以必须对借助于这样的射频线圈装置所形成的图像进行校正以消除位置相关的灵敏度的差异。

可以对于所用的射频线圈的不均匀的灵敏度分布引起的磁共振图像的不均匀性进行校正，例如从US5600244所知道的那样。这篇文献涉及的是借助于表现出局部不均匀灵敏度的表面线圈装置来实现磁共振图像的获取。按照这个已知的方法并且根据所谓的附加值或校正值对于获取的图像进行校正，所说的附加值或校正值是从借助于一个体线圈装置获得的磁共振信号数据导出的，所说的体线圈装置具有局部地至少近似均匀的灵敏度。除了实际的磁共振检查以外，还要借助于表面线圈装置以及体线圈装置进行磁共振辅助测量或校正测量。在时间上接连的步骤期间，从体线圈和从表面线圈获取并重构磁共振图像。然后，从利用主体线圈获得的像素值或体素值与利用表面线圈获得的对应值之比，导出表面线圈的空间灵敏度分布。

这个公知的方法的主要缺点是需要一个具有均匀的灵敏度分布的附加的磁共振(体)线圈。对于所谓的强磁场磁共振扫描仪，即包括用于建立3个特斯拉或更大的B₀磁场的主磁铁的磁共振成像设备，就要产生问题：具有均匀的空间灵敏度分布的射频发射线圈或接收线圈根本不存在。这是因为在这样强的主磁场下人体内的共振射频磁场的波长很短，并且因为被检查的病人的身体具有依赖于组织的、与介电和导电相关的性质。因此，在强B₀磁场下，可以预期必然要产生由病人的个体性质引起的复杂的空间灵敏度特性。此外，还必须考虑的是，特别是在强B₀磁场下，在发送模式下的单个射频线圈的空间灵敏度分布可能与接收模式下的同一个线圈的空间灵敏度分布不同。

因此，很容易地认识到，需要一种改进的方法来确定在磁共振成像中射频发射和/或接收线圈的空间灵敏度分布。因此，本发明的主要目的是提供这样一种方法，所说方法可以避免对具有基本上均匀的灵敏度分布的附加线圈进行校正。

按照本发明，这个目的是通过以上规定的所说类型的方法实现的，所说的方法包括如下步骤：

a)通过射频脉冲序列和切换的磁场梯度在磁共振成像设备的检查体积中激励核的磁化，其中所说的射频脉冲序列包括具有至少两个不同的激励触发角(flip angle)的射频脉冲；

b)从检查体积获得磁共振信号；

c)处理所述的磁共振信号，以便形成至少两个磁共振图像，每个磁共振图像对应于激励触发角之一；

d)根据像素或体素值与相应的激励触发角的依赖关系在磁共振图像的各个像素或体素的位置计算射频发射或接收线圈的空间灵敏度分布。

按照本发明的方法，形成两个或多个磁共振图像的一个系列，其中的每个图像都指派给所施加的成像序列的一个特定的激励触发角。然后，可从这些图像(两维或三维)的像素或体素值计算所用射频发射和/或接收线圈的空间灵敏度分布。本发明的方法的主要优点是，对于校准来说，不需要具有均匀的灵敏度分布的附加射频线圈。这将使本发明的方法可以应用到主磁场强度为3特斯拉或更大些的强磁场磁共振成像上。然而，在例如1.5特斯拉的较低的“标准”磁场强度下，本发明的方法也同样是有益的。

本发明基于如下的发现：激励触发角对于磁共振图像的像素或体素值具有物理上完全确定的影响。在激励触发角和在磁共振图像的像素或体素位置的图像值之间的逆关系可有益地实现对于对应的射频线圈的发射和接收灵敏度的计算，而不需要均匀的射频脉冲作为参考。

最好通过在步骤a)的核磁化强度的激励期间系统地改变激励触发角约90°来实现本发明的方法，其中通过寻找导致最大像素或体素值的触发角的值来估算空间灵敏度分布。这一过程基于如下的认识：当核磁化强度矢量有效地翻转90°角使其从纵向方向进入横向方向的时候，获得最大的磁共振信号。由此，通过比较在获取一系列磁共振信号数据组期间施加的不同激励触发角的标称值，其中90°时的值用于表现出最大强度的所形成的图像的那些像素或体素，可以估算出对应的射频线圈的空间灵敏度。

按照本发明施加的射频脉冲序列和切换的磁场梯度最好是梯度回声序列，梯度回声序列包括具有两个或多个不同的激励触发角的射频激励脉冲的交错连续序列。这有利地允许同时因而也就快速地获取多个磁共振信号数据组，其中的每个数据组都指派给不同的激励触发角。所加的成像序列例如可以是所谓的FFE(快速场回声)序列。然后，在图像形成后，可以从对应于相应的触发角的像素或体素值之比推导出所用射频发射和/或接收线圈的空间灵敏度分布。

对于本发明的方法，有益的作法是，一旦知道了发射线圈的空间灵敏度分布，就可以估算出接收线圈的空间灵敏度分布。于是首先按照上述的方式确定发射线圈的空间灵敏度，然后，估算接收线圈的空间灵敏度就是有意义的。接收灵敏度的估算可以基于事先的知识，例如，接收线圈的空间灵敏度分布在空间坐标中是连续而慢变化的函数，磁共振图像的像素或体素值必须小于纯水的对应值。另一个事先知道的情况是，在通常情况下，发射灵敏度不会过于偏离同一个接收线圈的接收灵敏度。例如，可以按照US5864234描述的方法估算接收线圈的空间灵敏度分布。按照本发明，可以通过包括如下步骤的方法按照另一种方式实现上述的目的：

a)通过射频脉冲序列和切换的磁场梯度的多种情况激励在检查体积中核的磁化，并且从检查体积获取磁共振信号，其中对于所说的射频脉冲序列和切换的磁场梯度的每种情况，使用发射线圈和/或接收线圈的不同组合；

b)处理磁共振信号，以便对于发射和/或接收线圈的每种组合形成磁共振图像；

c)通过取像素或体素值的对数，并且通过对于每个像素或体素求解线性方程组，在磁共振图像的像素或体素各个位置计算空间灵敏度分布。

按照这种方法，形成至少三个磁共振图像的系列，其中要给每个图像指派发射和接收线圈的一个特定的组合。从获得的信号数据形成的磁共振图像的每个像素或体素都取决于三个因素，即发射灵敏度、接收灵敏度、和对应的像素或体素位置处的质子密度。通过对于检查体积中的每个位置取像素或体素值的对数，可以产生包括这三个因素作为未知变量的线性方程组。如果使用三个或多个发射和接收线圈，通过已知的线性代数算法，就能够很容易地求解这些方程组。

按照本发明的这个方法，应该使用具有小的激励触发角的射频脉冲，才能在磁共振图像的像素或体素值和射频线圈的对应灵敏度之间建立线性关系。

本发明的这个可替换的方法的优点同样在于对于校准来说不需要具有均匀灵敏度分布的任何附加的射频线圈。这将使这种方法可以应用到强磁场磁共振成像当中。

因而得出结论，本发明的上述的方法特别适用于校正磁共振图像以消除这里的任何与位置有关的灵敏度差异。但是，它们还可以应用到确定在并行磁共振成像中使用的射频线圈的空间灵敏度分布，例如用在公知的所谓发射和/或接收SENSE(灵敏度编码的)成像技术中。

上述的方法中的每一个都可有益地用作预扫描，以便确定在磁共振成像设备的检查体积中的射频发射和/或接收线圈的空间灵敏度分布，其中在预扫描之后进行诊断扫描，在此期间使用所说的灵敏度分布获取并处理诊断磁共振信号。为了保持确定所需灵敏度分布所需的测量时间尽可能地短，在预扫描期间形成的磁共振图像的分辨率与诊断扫描期间形成的磁共振图像相比应该是粗略的。粗略的分辨率通常已足够考察射频线圈的灵敏度分布的缓慢变化的空间特性。

在一个专用的设备中引入本发明的方法是很容易的事情，所说的专用设备用于对放置在静止的和基本上均匀的主磁场中的物体(病人)进行MR成像。这样一种磁共振扫描仪包括：用于建立主磁场的最好是低温的主磁场线圈、用于产生叠加在主磁场上的磁场梯度的梯度线圈、用于向物体辐射射频脉冲和/或用于接收由射频脉冲序列和切换的磁场梯度产生的磁共振信号的至少一个射频线圈、用于控制磁场梯度和射频脉冲的产生的控制单元、和用于从接收的磁共振信号形成磁共振图像的处理单元。控制单元和处理单元通常是具有存储器和程序控制器的微计算机，并且包括利用以上所述的本发明的方法描述过程的程序。处理单元的(随机存取)存储器最好用于存储按照本发明的方法计算的射频线圈的空间灵敏度分布。如果本发明的方法是作为确定空间灵敏度分布的预扫描而用的，就可以直接访问存储在处理单元的存储器中的空间灵敏度分布，以便处理在随后的诊断扫描期间获得的磁共振信号。控制单元和处理单元可以是一个单独的或者是分开的微计算机。

可以在任何普通的计算机硬件上有益地实施适合于实现本发明的方法的计算机程序，所说的计算机程序当前在临床上用于控制磁共振扫描仪。

下面参照附图公开本发明的优选实施例。然而应该理解，附图只用于说明的目的，不是限制本发明的定义。

附图说明

图1表示本发明的磁共振扫描仪的一个实施例；

图2表示按照本发明使用的由三个线圈组成的一个系统；

图3表示按照本发明的一个成像序列。

具体实施方式

在图1中示意地表示出一个磁共振成像设备1。设备1包括一组主磁场线圈2，用于产生3特斯拉或更大的静止的和均匀的主磁场。还提供三组梯度线圈3、4、5，用于以可控的强度并且在所选的方向具有梯度地叠加附加的磁场。按照常规，z方向表示主磁场的方向，与它垂直的是x、y两个方向。梯度线圈3、4、5是由电源6供电的。设备1还包括三个射频线圈7、8、9，用于向人体10发射射频脉冲；射频线圈7、8、9耦合到调制器11，用于产生并调制射频脉冲。射频线圈7、8、9还用于接收从人体10发出的磁共振信号。由于射频线圈用于发射和接收这两者，所以安排一个发送-接收开关12以便把发射的射频脉冲和接收的磁共振信号分开。接收的磁共振信号输入到解调器13。调制器11、射频线圈7、8、9、和用于梯度线圈3、4、5的电源6都由控制单元14控制，以便产生射频脉冲序列和切换的磁场梯度的相应序列。控制单元14通常是具有存储器和程序控制器的微计算机。解调器13耦合到处理单元15(也是微计算机)，用于将接收的磁共振信号变换成例如可以在可视显示单元16上可以见到的图像。对于本发明的实际实施方案，控制单元14和处理单元15这两者都包括描述按照上述的方法的所说过程的编程。处理单元15的RAM存储器用于存储按照本发明的方法计算的射频线圈7、8、9的空间灵敏度分布。以此方式，使所存储的空间灵敏度分布成为可访问的，以便处理为了诊断成像的目的获得的磁共振信号。

在图2中表示的是穿过磁共振设备1的主磁体2的剖面图。在主磁体2的中心孔周围安排三个射频线圈7、8、9。这个中心孔形成磁共振设备1的检查体积17。由于射频线圈7、8、9的形状以及它们相对于中心孔17的不同位置和取向，使射频线圈7、8、9具有不均匀的和不相同的空间灵敏度分布。

按照本发明，按以下所述可以确定射频线圈7、8、9的发射和接收灵敏度：

每个射频线圈7、8、9的发射灵敏度可以定义为由对应的线圈产生的射频磁场的归一化的正向旋转磁分量。假定发射灵敏度

是空间矢量x的一个复数函数，并且在对应的线圈的发射灵敏度是完美均匀的情况下等于1。如果按照本发明使用具有标称激励触发角α₀、β₀、γ₀的射频脉冲序列，则在位置 的磁化强度矢量可以分别“感知”有效的触发角

或 对于表现出不均匀的发射灵敏度的射频线圈， 明显地偏离1，并且在大多数实际情况下它的相位不等于0。

如以上所述，为了确定发射灵敏度，所用成像序列的标称激励触发角围绕90°而改变。以此方式，形成与激励触发角例如40°、50°、…170°、180°对应的一系列磁共振图像。由于公知的是：当核磁化强度矢量翻转一个“感知的”角度90°时可以获得最大的磁共振信号，所以通过比较激励触发角系列的标称值与表现出最大强度的对应图像序列的这些像素或体素在90°时的值，就可以估算出对应的射频线圈的空间灵敏度。然后可以计算发射灵敏度的模数

利用本发明的方法，按照另一种方式，还可以使用一个梯度回声序列，梯度回声序列包括具有例如两个不同的激励触发角α₀、β₀的射频激励脉冲的交错连续序列，如图3所示。在图3中，将激励脉冲序列标记为RF，将切换的磁场梯度连续序列标记为GR。借助于所说的序列，可以按以下所述从与相应的翻转角度对应的所说像素或体素值之比导出发射灵敏度：

对于具有交替的标称激励触发角α₀和β₀(二者均大于恩斯特角)的、并且具有极短重复时间T_R的、(T1加权的)快速磁场回声(FFE)序列，可以形成质子密度 的两个图像，即，

$M_A\left(\stackrel{\→}{x}\right)=\mathrm{\ρ}\left(\stackrel{\→}{x}\right)\sin \left({\mathrm{\α}}_0{S}_T\left(\stackrel{\→}{x}\right)\right)\·\frac{1+\cos \left({\mathrm{\β}}_0{S}_T\left(\stackrel{\→}{x}\right)\right)}{1-\cos \left({\mathrm{\β}}_0{S}_T\left(\stackrel{\→}{x}\right)\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_0{S}_T\left(\stackrel{\→}{x}\right)\right)}\·\frac{T_R}{T_1}$

和

$M_B\left(\stackrel{\→}{x}\right)=\mathrm{\ρ}\left(\stackrel{\→}{x}\right)\sin \left({\mathrm{\β}}_0{S}_T\left(\stackrel{\→}{x}\right)\right)\·\frac{1+\cos \left({\mathrm{\α}}_0{S}_T\left(\stackrel{\→}{x}\right)\right)}{1-\cos \left({\mathrm{\α}}_0{S}_T\left(\stackrel{\→}{x}\right)\right)\cos \left({\mathrm{\β}}_0{S}_T\left(\stackrel{\→}{x}\right)\right)}\·\frac{T_R}{T_1}.$

这两个图像的像素或体素值之比为：

$\frac{M_A\left(\stackrel{\→}{x}\right)}{M_B\left(\stackrel{\→}{x}\right)}=\frac{\sin \left({\mathrm{\α}}_0{S}_T\left(\stackrel{\→}{x}\right)\right)(1+\cos \left({\mathrm{\β}}_0{S}_T\left(\stackrel{\→}{x}\right)\right)}{\sin \left({\mathrm{\β}}_0{S}_T\left(\stackrel{\→}{x}\right)\right)(1+\cos \left({\mathrm{\α}}_0{S}_T\left(\stackrel{\→}{x}\right)\right)}=f\left(S_T\left(\stackrel{\→}{x}\right)\right).$

在数值上反转这个方程右侧，从而可以计算 $S_T\left(\stackrel{\→}{x}\right)=f^{-1}(M_A\left(\stackrel{\→}{x}\right)/M_B\left(\stackrel{\→}{x}\right)).$

按照本发明建议的一个不同处理方法，通过形成一系列图像

就可以确定由N个射频发射线圈和M个射频接收线圈(i＝1…N，j＝1…M)构成的一个组的与位置有关的发射灵敏度

和接收灵敏度

其中使用了发射线圈和接收线圈的每一种组合。如果所用的射频脉冲的触发角足够小，则可将最终的图像的像素或体素值写为 $M_{\mathrm{ij}}\left(\stackrel{\→}{x}\right)=\mathrm{\ρ}\left(\stackrel{\→}{x}\right)S_{T,i}\left(\stackrel{\→}{x}\right)S_{R,j}\left(\stackrel{\→}{x}\right).$ 这就表示在检查体积内对于每个位置x的一个由(1+N+M)×(MN)方程组成的方程组。通过取上述方程的对数就可产生一个线性方程组，对于MN≥1+N+M可以用标准的算法来求解这个方程组。

Claims (11)

1.一种用于确定在磁共振成像设备(1)的检查体积(17)中的射频发送和/或接收线圈(7、8、9)的空间灵敏度分布的方法，所说的方法包括如下步骤：

a)通过射频脉冲序列和切换的磁场梯度在检查体积(17)中激励核的磁化，其中所说的序列包括具有至少两个不同的激励触发角的射频脉冲；

b)从检查体积(17)获得磁共振信号；

c)处理所说的磁共振信号，以便形成至少两个磁共振图像，每个磁共振图像对应于所说激励触发角之一；

d)根据像素或体素值与相应的激励触发角的依赖关系在所说磁共振图像的各个像素或体素的位置计算所说空间灵敏度分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤a)的核的磁化的激励期间所说激励触发角围绕90°而改变，并且其中通过寻找导致最大像素或体素值的触发角的值来估算空间灵敏度分布。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中射频脉冲序列和切换的磁场梯度是一个梯度回声序列，该梯度回声序列包括具有两个或多个不同的激励触发角的射频激励脉冲的交错连续序列。

4.根据权利要求1-3中任何一个所述的方法，其中从对应于相应的触发角的像素或体素值的比率导出所说空间灵敏度分布。

5.根据权利要求1-4中任何一个所述的方法，其中根据所说发射线圈的空间灵敏度分布的知识来估算所说接收线圈的空间灵敏度分布。

6.一种用于确定在磁共振成像设备(1)的检查体积(17)中的一组至少三个射频发送和/或接收线圈(7、8、9)的空间灵敏度分布的方法，所说的方法包括如下步骤：

a)通过射频脉冲序列和切换的磁场梯度的多种情况激励在检查体积(17)中的核的磁化，并且从所说检查体积(17)获取磁共振信号，其中对于所说的射频脉冲序列和切换的磁场梯度的每种情况，使用发射线圈和/或接收线圈(7、8、9)的不同组合；

b)处理所说磁共振信号，以便为发射和/或接收线圈(7、8、9)的每种组合形成磁共振图像；

c)通过取像素或体素值的对数，并且通过对于每个像素或体素求解线性方程组，在磁共振图像的像素或体素的各个位置计算所说空间灵敏度分布。

7.根据权利要求6所述的方法，其中：在步骤a)中使用具有小的激励触发角的射频脉冲。

8.用于磁共振成像的方法，其中将根据权利要求1-7中任何一个所述的方法用作预扫描，以便确定在磁共振成像设备(1)的检查体积(17)内发射线圈和/或接收线圈(7、8、9)的空间灵敏度分布，在所说的预扫描之后进行诊断扫描，在诊断扫描期间采集诊断磁共振信号，并且使用所说灵敏度分布对所说诊断磁共振信号进行处理。

9.根据权利要求8所述的方法，与在所说诊断扫描期间形成的磁共振图像相比，在所说预扫描期间形成的磁共振图像的分辨率是粗略的。

10.一种对放置在静止的和基本上均匀的主磁场内的物体(10)进行磁共振成像的设备，所说设备包括：主磁场线圈(2)，用于建立所说的主磁场；梯度线圈(3、4、5)，用于产生叠加在主磁场上的磁场梯度；至少一个射频发射和/或接收线圈(7、8、9)，用于向物体(10)辐射射频脉冲和/或用于接收由射频脉冲序列和切换的磁场梯度产生的磁共振信号；控制单元(14)，用于控制磁场梯度和射频脉冲的产生；和处理单元(15)，用于从所说磁共振信号形成磁共振图像，其中所说控制单元(14)和所说处理单元(15)包括描述根据权利要求1-9中的任何一个的方法的过程的编程。

11.一种具有程序代码的计算机程序，所说计算机程序可以在磁共振成像设备上实现按照权利要求1-9中任何一个的方法的过程。

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