CN85105984A - 用于测定人体其一部位核磁共振分布的快速方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的可产生核磁共振图象(密度分布，位置相关频谱)的方法，它利用了两个梯度方向相互垂直的交变梯度场。这样，在三维图象频率空间的两维“平面”上就可用均匀密度的测量点来填充。对于每个自由感应衰减“FID”信号可以提取更多的采样信号，从而可明显缩减用于三维图象的整个测量过程。这种方法非常适用于三维密度分布的成象，以及两维或三维频谱等的成象。各交变梯度场的周期和幅度最好是相同的，而这些磁场的相位相互之间最好相差90°。

Description

本发明涉及了一种当人体处于所产生的恒定，均匀的磁场中时，测定其某一部位核磁共振分布的方法，它包括了下述步骤：

a.产生一种射频电磁脉冲，以期在人体中引起核磁矩的进动，从而产生一共振信号，

b.接着，在一个调制周期之后的几个测量周期的一个测量周期中产生一等梯度磁场和一个交变的周期性的梯度磁场，该测量周期（或几个周期）要分隔成若干个采样时间间隔，以得到共振信号的若干采样信号，

c.然后，每次在等待周期之后，均重复步骤a和b数次，调制周期的持续时间和（或）在调制周期内施加的至少一个梯度磁场在整个调制周期的积分，每次均有一个不同值，以从中得到一组采样信号，在进行了信号的变换之后，核子磁化的图象即可确定。

本发明还涉及了用于测定人体某一部位核磁共振分布的装置，它包括：

a.用于产生恒定，均匀磁场的部件，

b.用于产生射频电磁辐射的部件，

c.用于产生等梯度磁场的部件，

d.用于产生交变周期性梯度磁场的部件，

e.用于在由c和d段所述部件产生的等梯度磁场和交变梯度磁场出现时，提取由a和b段所述部件产生的共振信号的采样信号的采样部件，

f.为获得核磁共振分布而对采样信号进行处理的处理部件，以及

g.控制部件，（至少）用于控制在b至f段所述的用以信号产生，调节和对若干共振信号进行采样以及对采样信号进行处理的各个部件。

这样的方法和装置可从荷兰专利申请NL-A82.03519中看到。根据这种已知的方法，周期性的交变梯度磁场是在测量周期中产生的，该梯度磁场的周期与采样间隔相等，而在每一采样间隔中至少可以提取一个额外的采样信号。

如该荷兰专利申请NL-A82.03519中所说明的，使用交变梯度磁场和提取额外的采样信号能确保，在对共振信号（自由感应衰减“FID”或自旋回波信号）采样之后，一个（两维的）象频率矩阵的至少两行已被填充。这样，当分别提取一（二，三）个额外采样信号时，测量周期的时间就可减少到一半（三分之一，四分之一）。由于共振信号的持继时间只有几十毫秒，所以，要提取128或256个采样信号（象频率矩阵的一行），采样时间间隔的数量级为100微秒，这意味着该附加梯度磁场的频率相当于19千赫。交变梯度磁场的这一比较高的频率，限制了对一个单独共振信号进行采样所能填充的象频率矩阵行数的最大值。对一个共振信号采样所填充的两行之间最大距离△K等于：

$\mathrm{\ΔK}={\∫}_0^{\frac{1}{2}{t}_m}r\·G\left(\mathrm{\τ}\right)\·\mathrm{d\τ}$

其中 1/2 t_m是周期性交变梯度磁场的前半周期，r为旋磁比，而G（τ）为交变梯度磁场。最大距离△K决定了在对共振信号采样之后所能填充的像频率矩阵的最大行数，并且与所加交变梯度磁场的幅度成正比。该交变梯度磁场的幅度是不能随意增加的，因为该交变梯度磁场的变化率（dG/dt）必须维持在人体健康的安全限度之内。变化率（dG/dt）与交变梯度磁场的幅度和频率的乘积成正比。由于其频率（10千赫）较高，所以最大允许幅度会很快达到。如果将收集所有采样信号所需时间的周期减少到四分之一，则该交变磁场的幅度就可能增加三倍。

本发明的目的是提供一种方法和装置，其中利用了较弱的射频交变梯度磁场，在形成核磁共振分布的三维图象时，其形成图象所需的时间明显减少，而且此图象的分辨率至少等于先有技术方法和装置所具有的分辨率。

为此目的，根据本发明的方法，其特征在于，在测量周期期间用了第二个周期性交变梯度磁场，该磁场的梯度方向垂直于上述第一交变梯度磁场的梯度方向。根据本发明的这一方法，在一个单独的自由感应衰减（FID）信号期间，测量采样信号不仅可以沿着某一象频率行或在一象频率平面中进行，而且可以在三维象频率空间中进行，这一空间现在由于第二交变梯度磁场所提供的附加自由度予以复盖。

根据本发明的一种优先选择的方法，它的特征在于，这两个周期性交变的梯度磁场具有相同的周期，而其相位相差90°。根据本发明的方法的这一优先方案，象频率空间（或就位置相关频谱而言的象频率时域）是借助于一螺旋形轨迹所复盖的。这样在每个周期就可提取四个采样信号，这四个采样信号位于该螺旋线的投影所限定矩形的各角上。从而，就可使整个测量周期减少三倍：但是这就需要有两个交变梯度磁场，它们实际产生的梯度场是现有技术（在相同频率下）的单独梯度场的 $\sqrt{2}$ 倍，单独使用一个梯度场，仅能减少整个测量周期的一半。

在人体处于恒定、均匀的磁场中时，测定其某一部位核磁共振分布的另一发明方法包括的步骤为：

a.产生一种射频电磁脉冲，以期在人体中引起核磁矩的进动，从而产生一共振信号，

b.接着，在一调制周期之后的一个测量周期或几个测量周期期间，产生一交变周期性梯度磁场，该测量周期（或几个周期）要分隔成若干个采样时间间隔，以得到共振信号的若干采样信号，

c.每次在等待周期之后，均重复步骤a和b数次，在调制周期中施加的梯度磁场，至少有一个在整个调制周期的积分，每次均有一个不同值，以从中得到一组采样信号，在进行了信号的变换之后，核子磁化的图象即可确定。

其特征在于在测量周期期间，加上了第二个周期性交变梯度磁场，而该磁场的梯度方向垂直于第一个交变梯度磁场的梯度方向。

根据本发明的装置，其特征在于它包括可以产生两个其梯度方向相互垂直的交变梯度磁场的部件。

根据本发明优先具体化的装置，其特征为两个交变梯度磁场的周期相同而相位相差90°。

下面将结合附图详细说明根据本发明的各种实施方案;其中

图1示意出的装置的线圈系统，用于实现根据本发明的方法，

图2示出了可实现根据本发明方法的装置方框图，

图3a和3b示出了根据本发明的简单实施方案和方法，

图4a和4b示出了根据本发明方法的一种较佳方案，

图5a和5b说明了示于图4a和4b的方法，而

图6则示出了可实现根据本发明方法的装置中的一部分。

图1示出的线圈系统10构成用于测定人体某一部分核磁共振分布的装置15（见图2）的一部分。例如，人体的这一部位厚度为△Z，且处于图中所示的X-Y-Z坐标系的X-Y平面中。该系统的Y轴垂直向上延伸出附图的平面。线圈系统10产生一其磁场方向平行于Z轴的恒定、均匀的磁场Bo;还产生三个磁场方向平行于Z轴而梯度方向分别平行于X，Y和Z轴的梯度磁场;并产生一射频磁场。为实现这一目的，线圈系统10包括一套主线圈1用于产生恒定、均匀磁场Bo。例如，此主线圈1可配置在球体2的表面，而球体的中心则处于所示的笛卡儿坐标系X，Y，Z的原点O，主线圈1的轴与Z轴重合。

线圈系统10还包括4个用于产生梯度磁场G_Z的线圈3a，3b。为此，第一组线圈3a是由与第二组线圈3b的电流方向呈相反方向的电流所激励的;这在图中用⊙和

所代表。其中，⊙表示电流进入线圈3的截面，而

表示电流从该线圈的截面流出。

线圈系统10还包括4个矩形线圈其中仅有两个示出，成类似的其它4个线圈5，如戈利（Golay）线圈，用于产生梯度磁场G_Y。为产生梯度磁场G_X，使用了4个其形状与线圈5完全相同的线圈7，相对于线圈5围绕Z轴旋转了90°。图1还示出了线圈11，它用于产生并检测射频电磁场。

图2示出的装置15用于实现根据本发明的方法。装置15包括已结合图1说明过的线圈1，3，5，7和11;以及用于分别激励线圈1，3，5和7的电流发生器17，19，21和23;还有用于激励线圈11的射频信号发生器25。该装置15还包括一射频信号检测器27，解调器28，采样电路29，如模-数转换器31一类的处理部件，存贮器33和用于执行傅立叶变换的运算电路35，用于控制采样时刻的控制部件37，以及显示部件43和中央控制部件45，它们的功能和相互关系将在下文中予以详细说明。

上述装置15将如下面所要说明的，可实现测定人体某一部位20的核磁共振分布的方法。这种方法包含一个可将其分为几个阶段的频繁重复的测量周期。在一个测量周期中，于人体中存在的一部分核自旋受到共振激发。为实现核自旋的共振激发，电流发生器17通过中央控制部件45打开，从而激励线圈1并将此激励现象维持所要求的若干测量周期。这样就可产生一恒定、均匀的磁场Bo。另外，射频发生器25在一较短的时间期间予以打开，以使线圈11产生一射频电磁场。人体中的核自旋由所加的磁场激发，并且所激发的核磁矩相对于均匀磁场Bo取一给定的角度，例如90°（90°的射频脉冲），哪一位置及哪些核子自旋将被激发在很大程度上取决于磁场Bo的强度，所加的任一梯度磁场，以及射频电磁场的角频率ω₀，因为必须满足等式ω₀＝r·Bo（1），其中r是旋磁比（对自由质子，如H₂O中的质子，r/2π＝42.576兆赫/MH_z/T）。在一个激励周期之后，射频发生器25由中央控制部件45予以关闭。共振激发总是在每一测量周期的开始时进行。在某些方案中，射频脉冲也可在测量周期中间产生。而这些脉冲，例如是周期产生的180°射频脉冲构成的一串脉冲。这种180°射频脉冲被认为是“自旋回波”。I.L.派克特（I.L.PyRett）于1982年5月在“科学美国人”（Scientific American）上发表的“核磁共振在医学中”一文中特别说明了自旋回波。

在下一阶段中要收集采样信号。为此目的，在中央控制部件45的控制下，要用到分别由发生器19，21和23产生的梯度磁场。共振信号（可认为是自由感应衰减“FID”信号）的检测是通过打开射频检测器27，解调器28，采样电路29，模-数据转换器31和控制部件37来进行的。这种自由感应衰减“FID”信号的出现，可以认为是由于射频激励脉冲，核磁矩围绕磁场Bo的磁场方向进动的一种结果。而这种核磁矩可在检测线圈中感应出感应电压，其幅度即是核磁矩的量度。

从采样电路29采来的自由感应衰减“FID”模拟信号要予以数字化（经转换器31）并贮存于存贮器33中。在一个测量周期TM中提取了最后一个采样信号后，中央控制部件45就断开发生器19，21和23，以及采样电路29，控制部件37和模-数转换器31。

自由感应衰减“FID”的采样信号存贮并保留在存贮器33中。接着，进行下一个测量周期，在此期间将产生自由感应衰减“FID”信号，并对其进行采样且存贮到贮存器33中。当已经测到了足够数量的自由感应衰减“FID”信号时（举例讲，所要测量的自由感应衰减“FID”信号的数量取决于所要求的分y率），即可借助2维或3维傅立叶变换（这取决于使用的梯度磁场，在它的作用下，产生和采样FID信号）确定出一核磁共振的图象。图3a示出的根据本发明的一个测量周期的实例，将结合示于图2的装置15予以说明。利用射频线圈11，在接通可产生恒定，均匀磁场Bo的主线圈1之后，即可产生90°的脉冲P₁。由于使用了自旋回波技术，所得的共振信号F₁将允许衰减，并在一个周期的时间t_v1的之后由射频线圈11产生180°的脉冲P₂。在周期t_v1的部分期间，由于下文将要说明的原因要产生梯度磁场G_X和G_Y（用曲线G₁和G₃代表）。在与t_v1相等的时间t_v2周期之后，由180°脉冲P₂所产生的回波共振信号F₂将达到一峰值。称为自旋回波技术的应用可防止产生由于核子自旋产生的共振信号中的相位误差;这种相位误差是由恒定磁场Bo中的不均匀性引起的。每次在采样间隔t_m（未在图中示出）之后，在分别用曲线G₂和G₄所代表的交变梯度磁场G_X和G_Y存在时要对回波共振信号进行采样。

已知在梯度磁场G_Z的Z点磁矩的相位角是由下式确定的，即：

∫^tr·G_Z·Z·dτ

因而，象频率Kz可限定为

Kz＝r·∫^tGz·dτ

从而，在每一采样周期t_m之后，与不同象频率K_z有关的相应采样信号即可确定。象频率的连续表现在象频率的差值上：

△Kz＝r·∫_tmGz·dτ

很明显，在加上了一交变梯度磁场G_X时，即可得到与处于两个极值K_xi和r·∫_tX/2G₂dτ+K_Xi之间的象频率K_X相关的采样信号，现在一个较快的交变G_X梯度磁场G₂就叠加在一个较慢的交变G_Y梯度磁场G₄上。如果这个G_Y梯度场G₄出现了而G_X是一恒定的梯度场（未示出），则所要提取的连续采样信号就与象频率（K_y，K_z）有关，而K_y也就在如图36以连线l所表示的两个极值之间变化。在加上了交变G_Y梯度场以及交变G_X梯度场和恒定G_Z梯度场时，在测量周期M_T期间要提取的采样信号所处于的轨迹S，将形成一带状的平面L，连线L将通过这一平面，其宽度则由K_X的两个极值所确定：

（K_Xi和K_Xi+

·G₂·dτ）

因为根据本方法，在自由感应衰减“FID”信号期间，采样是在三个自由度即（K_X，K_Y，K_Z）或对于频谱而言的（K_X，K_Y，t）上进行的，所以对每个自由感应衰减“FID”信号而言，可以得到更多的采样信号，这样用采样信号来填充一个3维（或4维）矩阵的整个测量周期就明显减少了。在调制周期t_v1期间，通过施加G_X和/或G_Y调制梯度磁场G₁和/或G₃，带状平面L就能够在（K_X，K_y，K_Z）或（K_X，K_Y，t）空间沿K_X和/或K_Y方向移动，从而可以有该象频率域或象频率-时间域规律的填充。为抵消可引起重象和模糊图象的T₂驰豫时间和磁场不均匀性的影响，在激励脉冲P₁（或回波脉冲P₂）之后，总是在同一相关时刻提取例如与频率平面z相关的采样信号是较为理想的。在本实例中，之所以能做到这一点是通过对G_Y梯度场G₃的每一不同预置（实际上是它对时间的积分），选择一适当的时刻τ_D来接通交变G_X和G_Y的梯度场G₂和G₄，在此“时间域”中，G₂梯度磁场和测量周期M_T均不改变。

图4a和4b说明了根据本发明优先选用的方案的原理。根据这一方法，所加的G_Y梯度磁场G_Y4与如图3a所示的G_Y梯度场G₄不同。梯度场G_Y4具有与梯度场G_X4的t_x完全相同的周期t_y。梯度场G_X4和G_Y4呈较为理想的90°相位差。可以推断出在施加了两个交变梯度场的情况下，提取采样信号的象频率是处于K_X-K_Y象频率面的一个椭圆上（当G_X4和G_Y4的幅度相等时则为一个圆）。当恒定梯度场Gz与交变梯度场G_X4和G_Y4同时接通时（仅在测量周期M_T期间），所提取的采样信号将与象频率的三维数组（K_X，K_Y，K_Z）相关，图象频率的三维数组则以等螺距位于一环绕椭圆柱C（如G_X4＝G_Y4则为圆柱）的螺旋线l′上。通过改变与测量周期M_T的起始时刻t_s相关的G_X和G_Y梯度磁场G_X4和G_Y4的相位，该螺旋线即可环绕柱体旋转（这是为在必要情况下〔更均匀的复盖〕）。柱体表面就幅度和/或时间而言，通过改变调制梯度场G_VX和/或G_VY（阴影面），柱体C本身就可在K_X和/或K_Y方向上变化，这样就可实现（K_X，K_Y，K_Z）空间或空间的均匀填充，（而起始时刻t_s则被固定在与每一测量周期开始之前的脉冲P₁或P₂相关的时间里）

图5a是沿三条螺旋线得到的所有测量点垂直于K_X-K_Y平面的投影。如图5a所呈现的情况，当在螺旋线的每一圈取四个采样信号时，就有可能在笛卡儿坐标K_X，K_Y上出现均匀填充。当梯度场G_X4和G_Y4的幅度增加而它们的频率降低时，在相同的时间周期内，可以较小的能量和较低的dG/dt提取相等数量的采样信号，而在K_X和K_Y方向上的“笛卡儿”填充也依然是可能的。这时在螺旋线l′的每一圈上提取八个采样信号而不是四个采样信号（见图4b）（但这时的采样在时间上不再是等间距的了），上述的这些采样信号位于图5b用○，□，X，△和·所表示的八角形的各角上。通过允许这些“柱体”相重叠，从而实现了K_X-K_Y平面的笛卡儿填充（如□，○，X所示）。相位校正仅在Kz方向上有所要求，该校正对于连续地位于螺旋线上的七个采样信号是不同的（可以假设八个采样信号之一是“正确地”处于Kz网格坐标中）;这对于根据图5a所测量的四个采样信号中的三个也同样适用。所用到的这种相位校正已从荷兰专利申请NL-A-82.03519中为公众所知。另外，用遗漏的采样信号来填充MS1和MS2漏点也是需要的，漏点出现在K_X-K_Y空间的边缘。由于每次的两个相邻的采样信号是相关的（K_X＝常值），所以漏点MS1和MS2可用该荷兰专利申请NL-A-82.03519中所讲的方法予以连续填充（G_Z＝常值，G_Y则被调制）。

关于图4a，4b和5a，5b所述的方法对于核磁共振的频谱也是非常适用的，为此目的，例如在测量周期M_T期间就无需用梯度场，而仅需在调制周期期间（如t_v1期间或在P₂之后和t_S之前）用梯度场G_Z来实现一个予置的K_Z。

为了在一个测量周期选择和调整

给定的脉冲时序的时间间隔和相关的梯度磁场，可以使用编程的计算机装置。在装置15（图2）的一种实施方案中，中央控制部件45包括一编程计算机（VAX11/730），它包括用于控制数据的输入/输出站52和接口53（见图6）。接口53的各输出点55经总线50（见图2）接至要被控制的电流发生器19，21，23和25，以及接收器27（解调器28和采样电路29）的控制输入端。

勘误表

Claims (15)

1、在人体处于所产生的恒定，均匀的磁场中，测定其某一部位核磁共振分布的方法，包括下述步骤：

a产生一种射频电磁脉冲，以期在人体中引起核磁矩的进动，从而产生一共振信号，

b接着，在一调制周期之后的一个测量周期或几个测量周期期间，产生一等梯度磁场和一交变周期性的梯度磁场，该测量周期(或几个周期)要分隔成若干个采样时间间隔，以提取共振信号的若干采样信号，

c然后，每次在等待周期之后，均重复步骤a和b数次，调制周期的持续时间和/或在调制周期中施加的至少一个梯度磁场在整个调制周期的积分，每次均有一个不同值，以从中得到一组采样信号，在进行了信号的变换之后，核子磁化的图象确定，

其特征在于，在测量周期期间，使用了第二个周期性交变梯度磁场，其梯度方向垂直于上述第一个交变梯度磁场的梯度方向。

2、当人体处于所产生的恒定，均匀的磁场中，测定其某一部位核磁共振分布的方法，包括下述步骤：

a产生一种射频电磁脉冲，以期在人体中引起核磁矩的进动，从而产生一共振信号，

b接着，在一调制周期之后的一个测量周期或几个测量周期期间，产生一交变周期性的梯度磁场，该测量周期（或几个周期）要分隔成若干个采样时间间隔，以提取共振信号的若干采样信号，

c而在每次等待周期之后，均重复步骤a和b数次，在调制周期中施加的至少一个梯度磁场在整个调制周期的积分，每次均有一个不同值，以从中得到一组采样信号，在进行了信号的变换之后，核子磁化的图象即可确定，

其特征在于在测量周期期间，使用了第二个周期性交变梯度磁场，其梯度方向垂直于上述第一个交变梯度磁场的梯度方向。

3、根据权项1或2的方法，其特征在于这两个周期性，交变的梯度磁场具有相同的周期，而其相互之间存在相移。

4、根据权项3的方法，其特征在于这两个交变的梯度磁场具有90°的相位差。

5、根据权项1，2，3或4的方法，其特征在于在一个交变梯度磁场的每一周期中，一个采样信号至少要提取四次。

6、根据权项1，2，3，4或5的方法，其特征在于上述交变梯度磁场之一的起始时刻与调制周期的末端相重合，而提取第一个采样信号的时刻总是开始于射频脉冲之后的同一时间间隔处。

7、根据权项1，2，3，4或5的方法，其特征在于在连续的测量周期期间，其交变梯度磁场的幅度是相同的。

8、根据前述各权项的任一个的方法，其特征在于在调制周期期间，至少加有两个调制梯度磁场，而在两个连续的测量周期中，至少有一个调制梯度磁场在整个周期上的积分有一不同值。

9、根据上述各权项的任一权项的方法，其特征在于在一交变梯度磁场的每一周期要提取八个采样信号。

10、根据权项9的方法，其特征在于，两个相应的调制梯度磁场的梯度方向与两个相应的交变梯度磁场的梯度方向相同。

11、根据前述1至6或8至10权项的任一权项的方法，其特征在于，交变梯度磁场是在连续的测量周期期间施加的，所述各交变磁场的周期是不同的，而所产生的各交变梯度磁场的最大场强和其周期的比值总是小于或等于一预定的固定值。

12、测定人体某一部位核磁共振分布的装置包括：

a用于产生恒定，均匀磁场的部件，

b用于产生射频辐射的部件，

c用于产生等梯度磁场的部件，

d用于产生交变周期性梯度磁场的部件，

e在由d段所讲的部件产生的交变梯度磁场出现时，用于提取由上述a和b段所讲的部件所产生的共振信号的采样信号的采样部件，

f用于对采样信号进行处理以得到核磁共振分布的处理部件，及

g控制部件，至少用于控制在b至f段所述的用以信号产生，调节和对若干共振信号进行采样以及对采样信号进行处理的各个部件，其特征在于该装置包括的部件可产生两个交变的梯度磁场，且其梯度方向相互垂直。

13、根据权项12的装置，其特征在于两个交变的梯度磁场的周期是相同的而相位差90°。

14、根据权项12或13的装置，其特征在于交变梯度磁场的周期是可调的。

15、根据权项14的装置，其特征在于交变梯度磁场的强度是可调的。

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