具有二项射频脉冲的多对比度同时多层磁共振成像的制作方法

本发明涉及磁共振(mr)成像，更特别地涉及同时多层(sms)磁共振成像。

背景技术：

mr成像是用于医疗诊断以及材料检测的广泛使用的显像模式。

在磁共振设备中，检查对象(在医疗磁共振成像的情况下是病人)通过mr扫描器的基场磁体的操作暴露于强大的且恒定的基本磁场，检查对象安置在基本磁场中。mr扫描器还具有梯度线圈布置，其操作成激活空间上编码磁共振信号的梯度场。磁共振信号由来自mr扫描器中的rf辐射器(比如一个或多个天线)的射频(rf)脉冲的辐射产生。这些rf脉冲在检查对象中激励核自旋，并因此通常称为激励脉冲。核自旋在恰当频率下的激励给激励的自旋提供了磁化，这导致核自旋偏离由基本磁场产生的核自旋的对准一称为倾倒角的量。当核自旋放松，同时返回基本磁场中的对准时，它们发射mr信号(也是rf信号)，mr信号由mr扫描器中合适的rf接受天线接收，可以与用于发射激励脉冲的rf辐射器相同或不同。

发射的mr信号具有取决于核自旋的磁化时间上的指数式衰减的信号强度。所需信号数字化以形成原始数据，原始数据作为k空间数据被输入存储器中，存储器被组织为k空间。已知许多技术来从k空间数据重构检查对象的图像。

通过恰当地选择使用的mr数据采集序列的不同特性，所需信号可以不同地加权，使得检测的mr信号的不同源(即在医疗mr成像的情况下是不同组织)在重构图像中以不同对比度显现。在医疗mr成像的情况下，加权被选择成导致对于进行预期医疗诊断重要的组织在重构图像中具有最佳对比度(亮度)。一种加权已知为t1加权，因为其取决于核自旋的所谓的t1弛豫时间。

已知许多不同技术来采集原始mr数据。一种技术已知为同时多层(sms)采集，其是用于加速从检查对象的给定体积采集数据，其中，多层中的核自旋同时激励，得到的mr信号从每一层同时采集。这在k空间中导致数据集，该数据集由来自多层的数据构成，该多层倒坍(collapse)在彼此的顶部上。已知在图像重构期间分离或解倒坍(uncollapsing)这些相应层的数据的技术，比如层grappa(一般性自动校准部分并行采集)技术，其在图1中示意性示出。在图1所示示例中，多层s1、s2和s3同时激励，导致每个层产生磁共振信号的回声列，其根据已知的翻转caipirinha(更高加速中的并行成像结果中的受控假信号(controlledaliasinginparallelimagingresultsinhigheracceleration))技术所需要。这种技术的细节例如在setsompop等人的“blipped-controlledaliasinginparallelimagingforsimultaneousmultisliceechoplanarimagingwithreducedg-factorpenalty”，magneticresonanceinmedicine,vol.67,pp.1210-1224(2012)和setsompop等人的“improvingdiffusionmriusingsimultaneousmulti-sliceechoplanarimaging”，neuroimage,vol.63,pp.569-580(2012)以及cauley等人的“intersliceleakageartifactreductiontechniqueforsimultaneousmultisliceacquisitions”，magneticresonanceinmedicine,vol.72,pp.93-102(2014)中描述。

核自旋在同时采集的层中的激励利用多带(mb)rf脉冲实施。mbrf脉冲由许多单独单带(sb)rf脉冲的重叠产生，其类型通常用于在常规磁共振成像中在单个选定的层中激励核自旋。

快速自旋回波(tse)序列是用于mr成像的“临床主力(clinicalworkhorse)”序列，通过是对于所有类型身体区域成像的最经常利用序列。tse序列具有若干回声列，在每个回声列中，整个k空间的多个相位编码线在一个激励脉冲之后被扫描(用数据填充)。这通过在每个读出线之后重新聚焦自旋来获得，利用重新聚焦的rf脉冲。与常规自旋回波(se)序列相比，tse序列的采集时间减少了一个回声列中的重叠聚焦的回波数量。该减少已知为快速因子。

已知组合sms和tse，以从两个或更多个层同时采集数据。这减少了由连续执行的所有层的所有回声列的长度给出的最小重复时间(tr)。该减少发生的原因是更少的层必须用这样的组合来采集。减少的层的总数量已知为层加速因子。然而，对于许多检查，最小tr不由所有回声列的总时间限制，而是由期望图像对比度限制。

例如，对于t2加权成像，长tr是有必要的，以允许t1弛豫提供期望t2对比度。这意味着如果tr是不具有sms的五秒，则sms因子2会允许tr减少至2.5秒，但是该减少不能在不改变图像对比度至临床上不可接受的程度的情况下获得。

为了提供恰当的诊断，通常有必要采集具有两个不同tse对比度的目标的相同层堆叠。一个示例是t2加权tse和具有针对脑的csf衰减的t2加权tse(已知为flair序列)。另一示例是t1质子密度(pd)或t2加权tse，具有和不具有用于关节显像的脂肪预饱和(fs)，已知为t1/t2fs，pd/pdfs或t2/t2fs。

在这些类型的已知序列组合中，每个序列(t1和t1fstse)必须由数据采集扫描器分离地执行。由于前述限制，在这种组合中的sms的情况下，不会获得数据采集的明显加速。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种smsmr成像序列以及一种根据这样的序列操作的mr成像设备，其中，在单次扫描中获得具有两个对比度的mr数据。

该目的根据本发明在sms序列中获得，在sms序列中，核自旋由二项rf脉冲激励，二项rf脉冲由分别用于两层的不同子脉冲构成，核自旋在两个层中同时激励。二项rf脉冲的不同子脉冲分别在两个层中产生不同对比度(即在层之一中的第一对比度和在另一层中的第二不同对比度)。为了获得具有用于两个层的对比度的图像，那么激励可以在相应子脉冲针对两层互换的情况下重复，所以图像可以针对每个层以每个对比度重构。

在根据本发明的方法和设备的实施例中，二项脉冲的第一子脉冲系列导致脂肪饱和，二项脉冲的第二子脉冲序列导致脂肪和水的饱和。该实施例特别用于与关节的tse成像组合，对于关节的tse成像，通常需要具有和不具有脂肪饱和度的相同的对比度。通过水激励的该脂肪饱和度的临床值已针对单带tse成像表明(hauger等人的“waterexcitationasanalternativetofatsaturationinmrimaging:preliminaryresultsinmusculoskeletalimaging”，radiology,vol.224,pp.657-663(2002))。然而，其它身体区域和序列类型也是可行的，比如在1.5t下在脑中的同时se/fs-se成像，或者梯度回波序列的所有版本。

根据本发明的方法和设备的基础是两层的同时激励和采集。该原理可延展至多于两个同时采集的层，如于2015年10月15日提交的临时申请62/241,849中所述，该临时申请作为引用并入本文。

根据本发明的方法和设备允许在一个扫描中同时采集两个对比度。与利用常规单带成像采集两个对比度相比，总采集时间减半。因为采集参数(比如te和tr)可以保持相同的，所以总图像对比度不受影响。

附图说明

图1示意性示出常规sms加速技术，如上所述。

图2示出根据本发明的多带二项脉冲以及根据本发明的方法的第一实施例中的层选择梯度。

图3示意性示出在图2所示脉冲序列激励期间发生的对于脂肪和水的磁化向量。

图4示出根据本发明的多带二项脉冲以及根据本发明的方法的第二实施例的层选择梯度。

图5示意性示出在图4所示脉冲序列激励期间发生的对于脂肪和水的磁化向量。

图6再现了共同未决申请系列号no.15/093164的图4，并示意性示出如何针对同时激励的层独立地设定翻转角度。

图7示出相同层的单带se采集，具有使用图2的第一排示出的水激励脉冲方案所需的图像(a)以及使用图2的第二排示出的针对自旋种类的脉冲方案所需的图像(b)。

图8示意性示出根据本发明构造和操作的磁共振成像设备。

具体实施方式

图8示意性示出磁共振设备5(磁共振成像或形貌装置)。基场磁体1产生时间恒定的强大磁场来在检查对象o区域中偏振或对准核自旋，比如人体的待检查的一部分，检查对象躺在台23上以移入磁共振设备5中。基础磁场中用于磁共振测量(数据采集)所必要的高均匀度限定在通常球形测量体积m中，其中，人体的待检查的一部分放置在该体积中。为了支持均匀性要求，时间恒定效果通过由铁磁材料制成的薄板(放置在恰当位置处)消除。时间可变效果通过薄线圈2和用于薄线圈2的恰当控制单元23来消除。

柱状梯度线圈系统3合并到基场磁体1中，由三个绕组构成。每个绕组由对应放大器gx,gy和gz供应用于在笛卡尔坐标系的相应轴线中产生线性梯度场的功率。梯度场系统3的第一部分绕组在x轴中产生梯度gx，第二部分绕组在y轴中产生梯度gy，第三部分绕组在z轴中产生梯度gz。每个放大器24-26具有数字模拟转换器(dac)，其由定序器18控制以用于梯度脉冲的精确时间产生。

射频天线4位于梯度场系统3内，梯度场系统将由射频功率放大器24提供的射频脉冲转换为交变磁场，以从由基础磁场产生的对准通过翻转(“翻倒”)要检查的对象或其一区域中的自旋来激励核子。射频天线4由一个或多个rf发射线圈和一个或多个rf接收线圈(处于线圈的环形、线性或矩阵型构成)构成。基于进动的核自旋的交变场(即由脉冲序列产生的核自旋回波信号，脉冲序列由一个或多个射频脉冲和一个或多个梯度脉冲构成)也通过射频天线4的rf接收线圈转换为电压(测量信号)，该电压经由射频接收器通道8、8’的放大器7被传输到射频系统22。射频系统22还具有传输通道9，在传输通道中产生用于激励磁核共振的射频脉冲。为此，基于由系统计算机20提供的给定脉冲序列，相应射频脉冲在定序器18中作为一系列复数数字地描绘。在各情况下，该数字序列经由输入12作为实数和虚数分量发送到射频系统22中的数字模拟转换器(dac)，并从那儿发送到传输通道9。脉冲序列在传输通道9中被调制成射频载波信号，其基础频率对应于测量体积中的核自旋的共振频率。rf发射器线圈的调制的脉冲序列经由放大器28被传输到射频天线4。

从发射到接收操作的转换经由发射-接收开关6发生。射频天线4的rf发射线圈辐射射频脉冲以激励测量体积m中的核自旋，并经由rf接收线圈扫描得到的回波信号。由此获得的对应磁共振信号在射频系统22的接收通道的第一解调器8’中以相位灵敏的方式被解调为中间频率，并在模拟数字转换器(adc)中数字化。然后，该信号被解调为基础频率。到基础频率的解调及到实部和虚部的分离在第二解调器8的空间域中数字化之后发生，第二解调器将解调的数据经由输出11发送到图像处理器17。在图像处理器17中，mr图像从在图像处理器17中经由使用根据本发明的方法获得的测量数据中重构，包括计算至少一个扰动矩阵及其反演。测量数据、图像数据和控制程序的操纵经由系统计算机20发生。定序器18利用控制程序控制期望脉冲序列的产生以及k空间的对应扫描，尤其根据本发明的方法。定序器18控制梯度的精确定时的切换(激活)、具有限定相位幅度的射频脉冲的传输以及磁共振信号的接收。用于射频系统22和定序器18的时基由合成器19提供。用于mr图像的产生以及诸如期望数量n个相邻串的其它用户输入(统一覆盖期望k空间)和期望mr图像的显示的恰当控制程序(例如存储在dvd21)的选择经由终端13发生，该终端包括用于使输入项，比如键盘15和/或鼠标16成为可能的单元以及用于使显示器(比如显示屏)成为可能的单元。

虚线轮廓s内的部件常称为磁共振扫描器。

图2示出根据本发明的多带二项脉冲的示例，其具有用于同时激励的层的不同子脉冲。层1和层2由层选择梯度同时选择。用于两个层(层1和层2)的rf脉冲被发射以同时从层1和层2采集数据。脉冲方案定位层1是标准1-2-1水激励方案，如hauger等人的前述文章所述。因此，脉冲方案定位层1由三个子脉冲构成。第一脉冲激励脂肪和水，并翻转磁体22.5°。在等待周期topp之后，脂肪和水自旋具有相反相位。第二脉冲翻转向量另一45°。水向量进一步朝向横平面移动，而脂肪向量仅仅绕其进动轴“翻倒”。在另一等待周期之后，第三rf脉冲被辐射。该脉冲使水向量完全移入横平面中，而脂肪向量再次沿z轴对准。二项激励脉冲方案之后是常规读出(例如，tse、epi或se)。因为仅水自旋保留在横平面中，所以脂肪信号对最终图像没有贡献。针对层1的脉冲方案的磁化向量的上述解释在图3的顶行示意性示出。rf1表示在第一子脉冲结束后的时间点，topp表示当脂肪和水自旋异相时的时间点，rf2表示在第二子脉冲结束后的时间点，tin表示当脂肪和水自旋再次同相时的时间点，对应于2·topp，rf3表示在第三脉冲结束后的时间点。

用于层2的脉冲方案在图2的中间行中示出，磁化向量对应地在图3的底行中示出。脂肪和水磁化位于竖直轴上。在用于层2的脉冲方案中，第一脉冲翻转脂肪和水自旋45°。在用于层2的脉冲方案中没有第二脉冲。用于层2的层方案中的“第三”脉冲是另一45°相位。因为两个向量在该时刻再次同相，如图3可见，所以磁化向量在该脉冲之后位于横平面中。随后读出所需的图像由此包含脂肪和水信号。标号tin表示何时脂肪和水同相。rf2在topp被辐射，rf3在tin被辐射。

二项脉冲方案可以相位调制，并加成以形成多带脉冲，其同时针对具有不同对比度的层。

产生这种同时针对多个层的多带脉冲的示意性图示在图6示出，其是于2016年4月7日提交的共同未决申请号no.15/093164的图4的复制，该共同未决申请的内容作为引用并入本文。

二项rf脉冲的不同子脉冲分别在两个层中产生不同对比度(即层之一中的第一对比度以及另一层中的第二不同对比度)。为了获得具有对于两个层的对比度的图像，那么激励可以在相应子脉冲针对两层互换的情况下重复，所以图像可以针对每个层以每个对比度重构。

创造性脉冲方案的另一实施例在图4中示出，该实施例的层1和2的磁化向量的演化在图5中示出。图4示出仅针对层1激励水且针对层2激励脂肪和水的多带二项脉冲的示例。两个层的子脉冲是相位调制的，并加成以形成一个复合脉冲，以图6所示的方式。再次，topp表示脂肪和水具有相反相位的时刻。角度α1可以针对层2独立地设定，以获得用于层2的期望倾倒角，在该实施例中，该倾倒角等于层1的倾倒角。

如图5所示，初始rf脉冲(rf1)使层1磁化的脂肪和水在rf脉冲之后倾斜相同的相位。在加权时间topp之后，水和脂肪向量异相。45°脉冲(rf2)施加到层1，90°脉冲施加到层2。层2中的水和脂肪自旋倾斜90°。在另一等待周期topp(2·topp＝tin)之后，脂肪磁化向量通过rf3返回z轴，而水向量完全位于层1的横平面中。对于层2，没有变化，因为这时没有rf施加到层2。

图2和4所示实施例仅是许多可能性中的两个。例如，针对层2的子脉冲可以具有不同倾倒角(比如第一脉冲的67.5°和第三脉冲的22.5°)。另外，如果使用不同的脉冲相位，还可以包含第二脉冲。总体上，相位可以针对所有子脉冲而变化，这会导致磁化沿不同轴线翻倒。这还可用于通过轻微地改变单独子脉冲之间的脉冲相位来产生弱脂肪饱和度。

可以使用具有比图2和4所示1-2-1方案更多或更少子脉冲的其它二项方案。脂肪和/或水在重构图像中的贡献量可以通过改变倾倒角和/或相位脉冲来改变。另外，通过改变脉冲间的间隔topp，还可以针对其它自旋种类，比如硅。

另一选择是以90°倾倒角仅施加第二层的最后子脉冲。这提供了针对场变化的最佳稳定性，并且在(例如1.5t系统中)持续时间和幅度有足够偏航时是可能的。另一选择是以90°倾倒角仅施加第二层的中间子脉冲。这会导致两个层1和2的相同te。单独脉冲的倾倒角可以改变以获得对于每个层的期望总倾倒角。例如，在1-2-1方案中，对于90°倾倒角，α＝22.5°，对于40°倾倒角，α＝10°。

如上所述，倾倒角可以针对同时激励层单独地设定，如图4所示。

图7示出在图像(a)和(b)中的相同层的单带se采集，两个图像示出常规瓶影，一袋培根放在瓶顶部。图7的图像(a)使用图2的第一排所示的水激励脉冲方案来采集。图7的图像(b)使用图2的第二排所示的针对自旋种类的脉冲方案采集。

本发明可用于关节的tse成像中的特别优点，其中在具有和不具有脂肪饱和度的情况下通常需要相同对比度。

尽管本领域技术人员可以提出改造和修改，但是发明人的意图是合理地且恰当地在修改和改造对现有技术贡献的范围内在本发明内包含所有修改和改造。