使用复合RF脉冲校正切片-选择性MRI中B₁-不均匀性的方法和装置的制作方法

专利名称：使用复合RF脉冲校正切片-选择性MRI中B₁-不均匀性的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于校正切片-选择性核磁共振成像中的射频(或“B/’)空间不均匀性的方法。本发明还涉及一种用于执行这种方法的装置或“扫描器”。本发明尤其是但并不完全地应用在医学成像领域。
背景技术：
磁共振成像(MRI)为在研究和诊断中非常强大的工具。它包括:将身体置入静磁场Btl中以定向其核自旋；使身体暴露在被称为“拉莫尔频率”的共振频率下的横向射频(RFM^B1 (激发序列)中，以使所述核自旋翻转预定的角度；以及检测翻转的核自旋所发出的信号，从该信号可重建身体的图像。目前的趋势为朝向越来越高强度的静磁场发展以改善MRI的空间分辨率。例如，当前在临床实践中使用的是1.5T (特斯拉)的磁场，在商用装置中使用的最高磁场为3T，且研究系统可在大于7T下运行。然而,随着静磁场的强度增大,射频场的波长减小且该射频场的振幅在待成像的身体内的分布变得不那么均匀。在3T下，射频场的不均匀性已经带来明显的伪像。在7T下，质子的拉莫尔频率为约300MHz，其对应于人脑中约14cm的波长，即与人的头部的尺寸相当的尺寸。在这些情况下，射频场B1是如此不均匀以致于图像(诸如利用标准技术获得的人脑的图像)会变得非常
难以解读。射频(或“B/’)的 不均匀性问题如此重要以致于其会阻碍高分辨率MRI的进一步发展。此外，静磁场Btl也显示出一定的空间不均匀性，这又引起伪像。当前磁场强度增强的趋势还使这种影响恶化。已经开发出许多技术以处理这些不均匀性问题。-复合脉冲，即以相位和翻转角(FA)为参数的基本脉冲的级联。其思想是利用对称性以抵消在越来越高阶数下的误差，同时以预定的方式增加脉冲数量和改变脉冲的FA和相位。问题是它们通常需要大的翻转角，从而需要大的能量且因此给患者安全带来潜在的问题。例如，参见参考文献Rl。-绝热脉冲:振幅和相位持续且足够慢地变化使得自旋演变的同时保持与有效磁场同向(或反向)的脉冲。该结果是根据量子力学中的绝热定理得出的。通过足够慢地改变RF场的振幅和相位，自旋以相同的速度跟随有效场的方向。由于通常重要的是场的变化速率且非其值本身，因此可以稳健的方式实现自旋的旋转。然后进一步形成的这些脉冲有效抵抗Btl不均匀性。发生与复合脉冲相同的问题:该绝热脉冲需要长的持续时间和大的功率。因此，在体内应用中和在高场下绝热脉冲的使用是受限的。例如，参见参考文献R2。-并行传输:该技术包括通过使用N个理想地独立的线圈，来辐射感兴趣的区域。每个线圈在接收和发射上具有其自身的不均匀性轮廓。如果这些轮廓的振幅和相位是已知的，通常通过先前的测量而获得，则N个线圈的每一线圈上的RF分辨率可被设计成获得在感兴趣区域上的均匀RF场或均匀的激发图案。第一选择为经受考验的RF-均场:例如，参见参考文献R3。第二选择被称为“Transmit SENSE”:例如，参见参考文献R4。这两种技术具有巨大的潜力。两个重要的缺陷为必要设备的高成本以及处理RF安全方面的难度。-强调制脉冲:该强调制脉冲为一系列基本脉冲或“子脉冲”，每一基本脉冲或“子脉冲”具有恒定的频率和振幅以及连续的线性相位。最初形成这些脉冲是为了向用于核磁共振量子信息处理的多个耦合自旋的系统提供良好的相干控制。参见:参考文献R5和参考文献R6。在MRI中也使用强调制脉冲以抵消射频场的不均匀性，尤其在高场应用中:参见参考文献R7，以及国际专利申请W02009/053770。在MRI中，强调制脉冲的一个重要缺点为其不具有空间选择性。除了由于组织中的不同磁化率或一些不完善的Btl均场引起的一些相对较小的共振频率偏差外，由于没有施加磁场梯度，因此拉莫尔频率没有发生空间变化。即使施加这样的梯度，由于基本脉冲的方形形状，从而由于强调制脉冲频谱呈现出强的旁瓣，因而其仍将不适合空间选择性的MRI。同时，使用方形基本脉冲允许发现用于核自旋的Schrtdinger (薛定谔)方程的解析解，从而避免了会使强调制脉冲应用不可行的冗长的数值计算。缺乏空间选择性意味着需要3D读取技术来获得无伪像的图像和避免混叠或折叠效果，混叠或折叠效果将使最终图像变得无用。相反，由于空间选择性技术允许相当快速地获取数据，从而可在对于患者而言非常合理的时间内获得高分辨率图像，因此空间选择性技术是有利的。

发明内容
本发明目的在于提供一种自旋激发技术，该技术允许补偿B1和/或Btl的不均匀性且提供空间(“切片”)选择性，同时保留强调制脉冲的有利特征。本发明技术使用一系列的子脉冲，该子脉冲不是如现有技术中的强调制脉冲那样是方形的，而是相反，当该子脉冲与磁梯度相关联时其适合于执行切片选择性激发。同现有技术中的方法一样，选择子脉冲的振幅、频率和初始相位以补偿在所感兴趣的体积内的场不均匀性。由于RF子脉冲的形状不再是方形的，所以不存在通用解析表达式来计算自旋系统的演变；因此，似乎薛定谔方程的冗长的数值解是必须的。但这未必是正确的:本发明人已经发现在合适的条件下，这样“改进的”强调制脉冲约等效于方形子脉冲组成的“常规的”强调制脉冲。这允许脉冲设计过程的巨大简化:可使用已知方法简单地设计常规的强调制脉冲，且随后发现允许切片选择性激发的等效的改进的脉冲。有利地，还可进行解析解的迭代细化。在本文中描述的本发明不需要使用并行传输，且因此允许避免相关成本的增加。然而，本发明可与并行传输结合以实现甚至更好的性能。然后，本发明的一个目的为执行身体的核磁共振成像的方法，该方法包括:-将所述身体置入静磁场中以沿着磁化轴线定向核自旋；-将所述身体暴露在梯度脉冲和横向射频脉冲中以执行所述核自旋的切片选择性激发，从而使包含在所述身体的切片内的原子的核自旋翻转；-检测激发的核自旋所发出的信号；以及-基于所检测的信号，重建所述身体的所述切片的核磁共振图像；所述方法的特征在于其包含以下步骤:
(i)在梯度脉冲不存在的情况下，设计适合于执行所述核自旋的非切片选择性激发的基准射频脉冲，所述基准射频脉冲为“常规的”强调制脉冲，即由一系列具有恒定频率的基本方形脉冲组成的复合脉冲；选择基本脉冲的数目、基本脉冲的频率及基本脉冲的初始相位以至少补偿所述身体的所述切片内的所述射频脉冲的空间不均匀性；(ii)通过将所述基准射频脉冲的每个基本方形脉冲均替换为相应的具有相同频率和相同平均振幅的切片选择性基本脉冲，来设计横向射频脉冲；以及(iii)将所述横向射频脉冲与由一系列相应的基本梯度脉冲组成的复合梯度脉冲一起应用至所述身体，该基本梯度脉冲具有等于零的平均振幅。有利地，步骤(ii)还可包含以下子步骤:调整所述切片选择性基本脉冲的振幅、频率和初始相位以提高穿过所述身体的所述切片的核自旋激发的均匀性。优选地，所述切片选择性基本脉冲和所述基本梯度脉冲具有时间对称性。根据本发明的具体实施方式
:-所有的所述基本梯度脉冲除了符号之外可具有相同的振幅；-所述基本梯度脉冲可具有交替的极性；-所有的所述切片选择性基本脉冲和基本梯度脉冲可具有相同的持续时间。所述设计基准射频脉冲的步骤(i)可根据上文提到的文献W02009/053770中所描述的算法被执行，且被应用至待成像的所述身体的所选的切片。总之，该算法包括:(1-a)确定所述射频脉冲场的振幅的在所述身体的所述切片内的统计分布；和(1-b)计算所述基准射频脉冲的一组最佳参数以用于使在所述身体的所述切片内的自旋翻转角分布的统计离差以及实际的自旋翻转角与预定的自旋翻转角的目标值之间的误差共同地最小化，所述参数包括:所述基本脉冲的数目、以及每个所述基本脉冲的振幅、频率和初始相位。可选地，算法还可包括以下子步骤(1-a’):确定所述静磁场的振幅沿着所述磁化轴线在所述身体的所述切片内的统计分布。在这种情况下，计算所述基准射频脉冲场的一组最佳参数的步骤(1-b)应当通过考虑所述静磁场的振幅的统计分布而被执行。在任何情况下，计算所述基准射频脉冲场的一组最佳参数的所述子步骤(1-b)优选地通过考虑罚函数而被执行，该罚函数取决于基准射频脉冲的持续时间、基准射频脉冲的峰值功率、基准射频脉冲的能量、基准射频脉冲的最大频率和基准射频脉冲的比吸收率中的至少一个。设计基准脉冲的方法不是本发明的必要部分，且可使用任何替选的方法。例如，可基于翻转角的空间分布而不是其统计分布来设计，但这将需要更大的计算工作量。如将在后面解释的，当使用并行传输时这种空间方法确实是必要的。事实上，在本发明的具体实施方式
中，使用多个发射信道以将所述身体暴露于横向射频脉冲，每个所述信道的特征在于不同的射频场空间分布，并且其中，所述基准射频脉冲和所述横向射频脉冲由与相应的发射信道相关的分量的叠加组成。在这种情况下，所述步骤(i )可包括:(1-a )确定由每个所述发射信道所发射的射频场的振幅和相位在所述身体的所述切片内的空间分布；和(1-β )计算所述基准射频脉冲的一组最佳参数以使在所述身体的所述切片内的自旋翻转角分布的统计离差以及实际的自旋翻转角与预定的自旋翻转角的目标值之间的误差共同地最小化，所述参数包括:所述基本脉冲的数目、以及用于每个所述发射信道的每个基本脉冲的振幅、频率和初始相位。本发明的另一目的为磁共振成像扫描器，其包括:-用于产生静磁场以沿着磁化轴线定向待成像的身体的核自旋的磁铁；-用于产生横向射频脉冲和梯度脉冲以及用于将所述脉冲朝向所述身体定向以执行所述核自旋的切片选择性激发的部件；和-用于检测在所述身体的所述切片内的翻转的核自旋所发出的信号以及用于重建所述切片的图像的部件；其特征在于:用于产生射频脉冲和梯度脉冲的所述部件以及用于检测信号和重建图像的所述部件适于执行如上所述的方法。



结合附图，根据随后的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，该附图示出:-图1A和图1B是常规的强调制脉冲的随时间变化的振幅和相位；-图2是根据本发明的脉冲设计方法的流程图；-图3A至图3F是示出本发明的原理的数值模拟的结果；-图4A至图4D是示出本发明的技术结果的数值数据；-图5A至图5C是用于获得图4A至图4D的数据的梯度脉冲和RF脉冲；-图6A至图6E是也示出本发明的技术结果的实验数据；-图7A至图7C是用于获得图6A至图6E的数据的梯度脉冲和RF脉冲；-图7D是替选的但是等效的连续梯度脉冲；以及-图8是根据本发明的实施方式的磁共振成像扫描器。
具体实施例方式如现有技术中已知的，例如根据上文提及的文献W02009/053770，强调制脉冲由一系列N个持续时间为τ i的基本射频脉冲组成，该基本射频脉冲具有恒定的角频率ω j和振幅Ai'以及连续相位Φ#)= COrt+C^，其中i=l-N。图1A和图1B示出由N=3个基本脉冲或“子脉冲”组成的这种脉冲的与时间相关的振幅和相位。应当理解，强调制脉冲由一组4N个参数(1^Ai, ω。)完全限定,其中i=l-N。选择这些参数的值以获得相对一致的自旋翻转角，尽管有不可避免的Btl不均匀性和B1不均匀性。通过以下事实简化强调制脉冲的设计:在每个基本脉冲的持续时间τ i内，射频场的相位随着时间线性变化，Oi(O=OVtiq)i，因此，存在用于自旋的薛定谔方程的解析解，其允许在合理的时间内进行计算。文献W02009/053770描述了一种用于设计强调制脉冲的算法。该算法的改进的形式可被应用于设计根据本发明的切片选择性脉冲。该改进的算法通过图2的流程图示出。该算法起始于初步校准步骤，该步骤在于相对于位置F ,确定在待成像的身体的体积内或至少在感兴趣的切片内的射频脉冲场振幅我(V)的最大值。这允许在后续的步骤中使RF脉冲振幅归一化。
然后(步骤SI)，确定射频脉冲场的归一化振幅在待成像的身体的感兴趣的切片内的统计分布。这是与在W02009/053770中所描述的算法的第一点差异，W02009/053770中考虑了感兴趣的整个体积(而不仅仅是其一个切片)。该切片在空间中可具有任何取向。可使用参考文献R8中所描述的方法进行B1轮廓的测量。根据仅考虑B1不均匀性还是同时考虑B1不均匀性和Btl不均匀性，统计分布可采用一维直方图或二维直方图的形式。第二步骤(S2)在于确定强调制脉冲的最佳形状，以共同优化:-在感兴趣的切片内的自旋翻转角分布的离差，例如FA-分布的标准偏差σFA ;和-在实际的自旋翻转角FA和其预定目标值FAtl之间的误差，例如FA的平均误差〈I FA-FA01〉。事实上，不仅需要使由oFA量化的FA分布均匀化，而且需要以正确的值使由< IFA-FA01 >表示的FA分布均匀化。此外，必须在以下许多约束条件下进行该优化，该约束条件取决于硬件和待成像的身体(例如，人类患者，其不可以暴露于任意高的RF功率下):复合脉冲的总持续时间(Σ τ i)、复合脉冲的峰值功率、复合脉冲的能量、复合脉冲的最大频率、复合脉冲的比吸收率等。这些约束条件可由罚函数FGlFA-FA」〉，oFA)表示，该罚函数促成通过优化过程而得以最小化的“成本函数”。在本发 明的情况下，与W02009/053770中所描述的算法的第二点差异为子脉冲采用相同的持续时间τ。这与执行切片选择性激发的需求相关:已知空间选择性与RF脉冲的频谱宽度有关，而RF脉冲的频谱宽度与RF脉冲持续时间有关。如果RF基本脉冲具有不同的持续时间，则将有必要改变相应的梯度脉冲以补偿RF脉冲的不同的频谱宽度并确保均匀的选择性。这将使设计算法过度复杂化。可迭代地进行优化步骤(S2)，如下:-首先，预定基本脉冲的最小数目N;通常Ν=5 ；-然后，确定用于所述基本脉冲的振幅A1、频率ωJP相对初始相位(Pi的最佳值，以及计算〈IFA-FAtlI^P σΡΑ的相应值。优化在于使成本函数最小化，例如F (〈I FA-FAtl I >，σ FA)=α < IFA-FA01 >+ β ofa/〈FA>+PF，其中，例如，α =0.4且β =1.6，PF表示上文提到的表示复合脉冲的约束条件的罚函数；-然后，将实际自旋翻转角与其预定目标值之间的误差〈IFA-FA01>和自旋翻转角分布的离差oFA与相应的阈值ε、δ相比较,和/或将成本函数F与单个阈值T比较。如果这些比较显示对于当前N值的最佳强调制脉冲是令人满意的，则优化步骤结束。否则，N值增加I，且重复优化。在步骤S2结束时获得的强调制脉冲不是空间选择性的，且不能直接使用。相反，所获得的强调制脉冲用作用于设计切片选择性脉冲的“基准”脉冲。这在步骤S3中进行，其中，每个方形的子脉冲被替换为“等效的”切片选择性子脉冲。如在MRI领域中已知的，切片选择性RF脉冲具有近似方形的频谱(当然，具有绝对方形的频谱的脉冲实际上是不可行的)；例如，它可为由平滑窗(例如汉宁窗(Hanningwindow))切趾的“sine”(sine函数)脉冲。这样的脉冲“本身”不是切片选择性的。只有当该脉冲与垂直于待选择的切片的磁场梯度G —起施于待成像的身体时,该脉冲才允许切片选择性激发。该磁场梯度也是脉冲式的；因此，表述“梯度脉冲”将用在该文件的其余部分中。当切片选择性RF脉冲在所感兴趣的切片内引发近似相同的核自旋演变时，与梯度脉冲结合的切片选择性RF脉冲被认为“等效于”方形脉冲。对于任意的方形脉冲(具有恒定的频率，即线性变化的相位)都可找到等效的切片选择性脉冲这一点并不明显。在不需要数值求解用于核自旋的薛定谔方程的情况下能够找到这样的等效脉冲则更不明显。稍后将提供这种预料不到的事实的量子力学论证。目前，将仅提供用于获得“基准”强调制脉冲的每个方形子脉冲的等效的切片选择性RF脉冲的规则。这些规则如下:规则1:两种基本脉冲必须具有相同的(恒定的)频率和相同的初始相位(相对于相应的复合脉冲的其他基本脉冲)。规则2:两种脉冲的包络线的时间平均倌必须相同:
权利要求
1.一种执行身体(BI)的核磁共振成像的方法，所述方法包括: -将所述身体置入静磁场(Btl)中以沿着磁化轴线定向核自旋； -将所述身体暴露在梯度脉冲(G)和横向射频脉冲(B1)中以执行所述核自旋的切片选择性激发，从而使包含在所述身体的切片内的原子的核自旋翻转； -检测激发的核自旋所发出的信号；以及 -基于所检测到的信号重建所述身体的所述切片的磁共振图像； 所述方法的特征在于，其包含以下步骤: (i)在梯度脉冲不存在的情况下，设计适合于执行所述核自旋的非切片选择性激发的基准射频脉冲，所述基准射频脉冲为由一系列具有恒定频率的基本方形脉冲组成的复合脉冲；选择基本脉冲的数目、基本脉冲的频率及基本脉冲的初始相位以补偿至少在所述身体的所述切片内的所述射频脉冲的空间不均匀性； (ii)通过将所述基准射频脉冲的每个基本方形脉冲替换为相应的具有相同频率和初始相位及相同平均振幅的切片选择性基本脉冲，来设计横向射频脉冲；以及 (iii)将所述横向射频脉冲与由一系列相应的基本梯度脉冲组成的复合梯度脉冲一起应用至所述身体，所述基本梯度脉冲具有等于零的平均振幅。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(ii)还包括以下子步骤:调整所述切片选择性基本脉冲的振幅、频率和初始相位以提高穿过所述身体的所述切片的核自旋激发的均匀性。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述切片选择性基本脉冲和所述基本梯度脉冲具有时间对称性。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所有的所述基本梯度脉冲除了符号之外具有相同的振幅。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述基本梯度脉冲具有交替的极性。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所有的所述切片选择性基本脉冲和基本梯度脉冲具有相同的持续时间。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述步骤(i)包括: (1-a)确定所述射频脉冲的振幅在所述身体的所述切片内的统计分布；和 (1-b)计算所述基准射频脉冲的一组最佳参数以使在所述身体的所述切片内的自旋翻转角分布的统计离差以及实际的自旋翻转角与预定的自旋翻转角的目标值之间的误差共同地最小化，所述参数包括:所述基本脉冲的数目、以及每个所述基本脉冲的振幅、频率和初始相位。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括以下子步骤(1-a’):确定所述静磁场的振幅沿着所述磁化轴线在所述身体的所述切片内的统计分布，且其中，计算所述基准射频脉冲场的一组最佳参数的所述子步骤(1-b)通过考虑所述静磁场的振幅的所述统计分布而执行。
9.根据权利要求7和8中的任一项所述的方法，其中，计算所述基准射频脉冲场的一组最佳参数的所述子步骤(1-b)通过考虑罚函数而被执行，所述罚函数取决于所述基准射频脉冲的持续时间、所述基准射频脉冲的峰值功率、所述基准射频脉冲的能量、所述基准射频脉冲的最大频率和所述基准射频脉冲的比吸收率中的至少一个。
10.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，使用多个发射信道以将所述身体暴露于横向射频脉冲(B1),每个所述信道的特征在于不同的射频场空间分布，并且，所述基准射频脉冲和所述横向射频脉冲(B1)由与相应的发射信道相关的分量的叠加组成。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述步骤(i)包括: (1-a )确定由每个所述发射信道所发射的射频场的振幅和相位在所述身体的所述切片内的空间分布；和 (1-β)计算所述基准射频脉冲的一组最佳参数以使在所述身体的所述切片内的自旋翻转角分布的统计离差以及实际的自旋翻转角与预定的自旋翻转角的目标值之间的误差共同地最小化，所述参数包括:所述基本脉冲的数目、以及用于每个所述发射信道的每个基本脉冲的振幅、频率和初始相位。
12.—种磁共振成像扫描器,包括: -用于产生静磁场以沿着磁化轴线定向待成像的身体的核自旋的磁铁M ; -用于产生横向射频脉冲和梯度脉冲以及用于将所述脉冲朝向所述身体定向以执行所述核自旋的切片选择性激发的部件(ΙΡΜ、OS、CEF, Cg);和 -用于检测所述身体的所述切片内的翻转的核自旋所发出的信号以及用于重建所述切片的图像的部件(CKF、AM、IPM)； 其特征在于:用于产生射频脉冲和梯度脉冲的所述部件以及用于检测信号和重建图像的所述部件适于执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法。
全文摘要
一种执行身体的核磁共振成像的方法，所述方法包括将所述身体置入静磁场中以沿着磁化轴线定向核自旋；将所述身体暴露于梯度脉冲和横向射频脉冲中以执行所述核自旋的切片选择性激发，从而使包含在所述身体的切片内的原子的核自旋翻转；检测激发的核自旋所发出的信号；以及基于所检测的信号重建所述身体的所述切片的核磁共振图像；所述方法的特征在于所述射频脉冲由一系列切片选择性基本脉冲组成；所述一系列切片选择性基本脉冲约等效于一系列具有恒定频率的基本矩形脉冲，所述基本矩形脉冲设计成补偿所述身体内的所述射频场的不均匀性。
文档编号G01R33/54GK103119459SQ201080068171
公开日2013年5月22日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者尼古拉斯·布朗 申请人:原子能与替代能源委员会