专利名称：设计射频脉冲以减轻失谐的方法、处理器以及磁共振设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁共振成像系统及其操作方法，其中设计射频(RF)脉冲用于激励核自旋中以便获得磁共振图 像数据。该方法还涉及编程以设计这种射频脉冲的计算机化处理器。
背景技术：
自旋系统对射频脉冲序列的频谱响应可关键地限定所接收到的磁共振(MR)信号的内容以及因此限定图像质量。特别是如果MR应用依靠两个连续射频脉冲(如在真稳态进动快速成像(TrueFISP)或频率选择性射频脉冲中)之间横向磁化的一致的和限定的相位演变，那么，BO场(或者等价地，共振频率)的空间变化可导致不期望的局部信号特性和图像降级。通常使用的其BO场不均匀性的有害效果特别明显的MRI方法的实例，包括TrueFISP、化学位移选择性射频脉冲、以及频谱-空间射频脉冲。对于TrueFISP，失谐效应在由失谐引起两个连续激励脉冲之间横向磁化积累到(2n+l)*180°相位的区域中(η= I、2、3...)导致公知暗纹伪影。对于化学位移选择性射频脉冲，诸如那些用于成像或光谱学中的脂肪抑制或光谱学中的水抑制，由失谐引起的子波间的移相导致对将被激励的频率的不完全激励以及对不将被激励的频率的部分激励。由于频谱敏感序列或脉冲中的失谐导致的伪影通常通过优化由所谓的匀场线圈引起的的场调整来解决，该匀场线圈产生线性的和高阶的空间场变化。该过程，或匀场化，虽然有用，不能完全除去静磁场中不希望的空间变化的影响，主要因为由对象中磁化率变化引起的场变化比在工业性匀场系统(其经常限定为二阶)中可用到的充分地高阶并且因此基本不能够接受匀场化。如高阶匀场化这样的其他硬件增强生产出带有高电流要求的昂贵系统。其它减轻剩余BO不均匀性的有害效应的装置是适应于每个特定的应用，并且包括脉冲或子脉冲间隔不限制在特定时限的情况，它可能要优化以减少如TrueFISP中的伪影，在这里尽可能短地选择重复时间以最小化关于失谐磁化的失相时间。在频谱选择脉冲中减轻BO不均匀性的其他实例包括3D频谱-空间脉冲，其中该设计将对频谱通带一定程度的控制提供作为空间坐标的函数，参见Morrell G、Macovski A的“Three-dimensionalSpectral-Spatial Excitation. ”，发表在 “Magn. Reson. Med. 37 (3) :pgs378_386 ;1997”。通过合并失谐图谱作为在脉冲优化中的设计约束以在平行发射(PTx)中减轻BO影响，其描述在 Setsompop K、Wald LL、Alagappan V、Gagoski BA、Adalsteinsson E 的“Magnitude Least Squares Optimization for Parallel Radio Frequency ExcitationDesign Demonstrated at 7 Tesla with Eight Channels，，中，发表在“Magn. Reson.Med. 59 (4) :pgs908_915 ;2008” ；以及 Setsompop K、Alagappan V、Gagoski B> Witzel T、Polimeni J、Potthast A、Hebrank F、Fontius U、Schmitt F、Wald LL、Adalsteinsson E的“Slice-selective RF Pulsesfor In Vivo Bl+Inhomogeneity Mitigation at 7 TeslaUsing Parallel RF Excitation with al6-Element Coil” 中，发表在“Magn. Reson.Med. 60 (6) :pgsl422_1432 ;2008”。
此外，当前的射频脉冲设计方法允许在横截平面内以空间预定的幅度和相位激励磁化。这通过来自具有一定幅度和相位关系的多天线的射频场的复数叠加(例如，Ibrahim TS、Lee R、Baertlein AB>KangarIu A、Robitaille PML的“Aplication of FiniteDifference Time Domain Method for the Design of Birdcage RF Head Coils UsingMulti-Port Excitations, ”，发表在 “Magn. Reson. Imaging 18 :pgs733_742 ;2000”)或通过与射频发射同步地发出梯度场(例如,Pauly J>Nishimura D、Macovski A的“A K-spaceAnalysis of Small Tip Angle Excitation,，，JMR 81 :43-56 页；1989)或两者的结合来实现，其能够使具有空间定制激励模式的射频脉冲加速(例如，Katscher U>Leussler C、vanden Brink JS 的“Transmit SENSE，”磁共振医学 49 (I) 144-150 页，2003)，通过缩减的脉冲宽度来实现所述加速。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法和处理系统，其可以是设计射频脉冲以便减轻失谐效应的独立的处理器或磁共振系统的计算机化控制和处理系统的一部分。
以上的目的是依照本发明中的方法、计算机化处理器以及磁共振系统实现的，它们使用已知的脉冲设计算法来设计脉冲但具有不同的空间相位分布。这不同于当前的设计方法，在所述当前设计方法中相位项或者是在空间上不变的或者是松弛的以能够平滑却未指定空间变化。能够明确地指定相位项以减轻失谐效应的脉冲设计的实例是使射频脉冲或子脉冲η的空间相位分布与射频脉冲或子脉冲η-I的空间分布相比等于两个射频脉冲或子脉冲η-I和η之间BO失谐引起的相位演变的空间分布。对于一列等距的射频脉冲或子脉冲而言，任何体素的相位根据该体素内的失谐逐个脉冲地线性地增加。通过该方法,射频激励的相位追随BO不均匀性的时间演变并因此减轻它在脉冲性能上的反作用。通过BI场(或BI场结合梯度场)生成的空间相位模式不得不匹配源自于BO场分布的相位模式。BO场分布通常使用BO匀场朝着均匀性作优化。然而，依照本发明朝着能够与所施加的射频脉冲的BI场分布相匹配的场分布来优化BO匀场能够是有益的。BO匀场值(经过匀场线圈或梯度线圈的电流)可结合到射频脉冲设计中作为要优化的额外自由度，以便为脉冲设计者提供射频通道、梯度(“线性匀场项”)、以及所有可用的非线性场变化项(例如，匀场项)的联合优化空间。
图I示意性地示出了依照本发明构造和操作的磁共振成像系统的基本部件。图2示意性地示出了依照本发明适合使用的平行发射射频天线阵列。图3示意性地示出了用平行发射阵列产生的在时间线上的射频脉冲或子脉冲。图4示出了对比于不变的相位，图2中所示的脉冲或子脉冲在各自相位上的失谐效应。
具体实施例方式图I示意性地示出了磁共振断层摄影设备，其中产生依照本发明的梯度脉冲。该磁共振断层摄影设备的设计符合常规的断层摄影设备，除了下文中论述的内容。基本场磁体I产生在时间上不变的强磁场用于对对象的检查区域内(例如待检查的人体的一部分)的核自旋进行极化或对齐。磁共振数据采集所需的基本磁场高均匀性限定在其中引入待检查人体部分的球形测量容积M中。为了支持均匀性的要求，并且特别是为了消除时间上不变的影响，在适合的位置安装由铁磁材料制成的垫板。时间上可变的影响通过匀场线圈2消除，该匀场线圈2由匀场电源15激励。在基本场磁体I中使用由三个线圈(绕组)组成的圆柱形梯度线圈系统3。通过放大器14对每个线圈供电以用于在笛卡尔坐标系统的各自方向上产生线性梯度场。梯度场系统3的第一线圈产生在X方向上的梯度Gx，第二线圈产生在y方向上的梯度Gy以及第三线圈产生在z方向上的梯度Gz。每个放大器14具有数模转换器，其由序列控制器18启动用于在时间上地精确产生梯度脉冲。位于梯度场系统3内的是射频天线装置4，其将射频能量放大器16发射的射频脉冲转换成交变磁场，以用于激发原子核和调整待检查对象或待检查对象的区域的核自旋。
射频天线装置4是平行发射阵列，其结合图2将在下文作更详细描述。源自进动核自旋(即，通常由一个或多个射频脉冲和一个或多个梯度脉冲构成的脉冲序列引起的核自旋回波信号)的交变场也由射频天线装置4转换成通过放大器7提供到射频系统22的射频接收器通道8的电压。射频系统22还具有在其中产生用于激发核自旋的射频脉冲的发送通道9，该脉冲经由不同的通道分别提供给射频天线装置4的线圈。各个射频脉冲数字化地表示成一系列复数的数字，它们符合由系统计算机20在序列控制器18中预定的脉冲序列。将该数字序列以实部和虚部的形式通过各自的输入12提供至射频系统22中的数模转换器(DAC)，并从此到各自的发送通道9。在发送通道9中，脉冲序列以射频载波信号调制，载波信号的基础频率对应测量容积内核自旋的共振频率。发射-接收同向双工器6紧接着从发射模式切换到接收模式。射频天线装置4辐射射频脉冲进入测量容积M用于激励核自旋并对产生的回波信号采样。获得的核磁共振信号在射频系统22的接收通道8中是相敏解调的并且在各自的模数转换器中转换成测量信号的实部和虚部。通过图像计算机17从获得的测量数据中重构图像。继而经由系统计算机20管理测量数据、图像数据以及控制程序。基于控制程序，序列控制器18监视各个期望脉冲序列的产生以及对应的k-空间的采样。序列控制器18控制梯度的精确时间切换、具有限定的相位和幅度的射频脉冲的发射以及磁共振信号的接收。通过合成器19提供用于射频系统22和序列控制器18的时基。紧接着经由具有键盘和一个或多个屏幕的终端21选择用于产生核磁共振图像以及显示所生成的磁共振图像的相应控制程序。图2示意性地示出了平行发射阵列，其依照本发明能够用作天线装置4。本领域已知各种类型的平行发射阵列，并因此图2只是示意性地示出了这种阵列的基本原理。图2中所示的阵列具有多个发射线圈TXpTX2. . . TXn，每一个发射线圈连接到单独的发送通道，通过这些发送通道提供信号到各个线圈TXp TX2. . . TXn以使得那些线圈单独地辐射射频能量。由各个线圈TX1JX2. . . TXdg射的射频能量在功率和场分布方面可以是相同的，或者可以是有选择地不同，以便选择性地构建所生成的、在其中定位检查对象的整个射频场分布(模式)。图2还示出了接收线圈H . . Rn，其中由于通过发射线圈TXpTX2. . . TXn辐射的射频场引起检查对象中自旋激励而分别产生磁共振信号。尽管在图2中示意性地单独示出，接收线圈Rp R2- · · Rn可以是和发射线圈TXp TX2... TXn相同的线圈，其在分别不同的时间上以发射模式和以接收模式运转。图3示意性地示出了由图2所示的平行发射阵列在各个时刻t2、t3. . . tn发射的射频脉冲。如上所述，以不同方式、为了不同目的设计射频脉冲的算法是已知的。依照本发明，与常规的设计中脉冲都具有相同的相位分布或非指定相位分布形成对比，设计射频脉冲被设计为具有不同的空间相位分布。依照本发明，如图4所示意性地示出的，将射频脉冲设计为具有各自空间相位分布PhpPtvPh3. . . Ph4，其偏离于图4中同样示出的不变相位。分别设计这些空间相位分布以补偿或减轻上述类型的失谐效应。特别地，设计空间相位分布以补偿由BO场的不均匀性引起的失谐。更确切地，IPhn-PhlriI &在时间tn-tn_i期间由零不均匀性引起的失谐。因此依照本发明设计射频脉冲系列以通过在离散的时间点用射频激励的线性演变相位局部匹配失谐自旋演变来抵消零场变化效应。此外，通过由发射阵列的线圈分别传播的BI场(或BI场结合梯度场)生成的空 间相位模式应当匹配由BO场分布产生的相位模式。如上所述，BO场分布通常有意使用由匀场线圈和/或匀场元件产生的BO匀场朝着均匀性作优化(即，使得尽可能的均匀)。依照本发明，由匀场线圈产生的动态匀场化可以从旨在产生均匀BO场的匀场化进行改变，以便定制该BO匀场以产生能够与施加的射频脉冲的BI场分布匹配的场分布。依照本发明BO匀场值(即，经过匀场线圈或梯度线圈的电流)可以结合到射频脉冲设计中作为待优化的额外的自由度。从而为脉冲设计者提供射频通道、梯度(“线性匀场项”)‘以及所有可用的非线性场变化项(即，匀场项)的联合优化空间。依照本发明设计的射频脉冲特别适合于用在诸如TrueFISP的频谱灵敏序列、使用化学位移选择脉冲的序列、以及使用频谱-空间脉冲的序列中，它们由于BO场变化而是不灵敏的。如上所述，图I中所示的系统计算机20或序列控制器18可作为执行设计算法以设计脉冲和/或匀场电流的处理器。设计算法执行的结果是以电子形式表示所设计的脉冲或电流的数据文件，它是以能够并入到用来操作磁共振设备的脉冲序列的格式，或表示控制指令的格式。尽管本领域技术人员可以建议修正和改变，发明人的意图是使在它们对本领域所作贡献的范围内的所有合理地和恰当地改变和修正都包含在本专利许可内。
权利要求
1.一种设计在平行发射射频阵列中以脉冲序列辐射的射频(RF)脉冲的计算机化方法，该射频脉冲用来操作磁共振设备，在该磁共振设备中存在展示出引起失谐效应的BO-不均匀性的BO场，所述方法包括以下步骤 在计算机化处理器中，执行设计算法，其设计所述射频脉冲在所述平行射频发射阵列中分别辐射BI场，每个BI场具有关联的空间相位分布，各个空间相位分布是非恒定的并且彼此不同； 在所述设计算法中，设计所述射频脉冲以产生分别关联的空间相位分布，其减轻由所述BO-不均匀性引起的失谐效应；以及 在所述处理器的输出上，提供数据文件，其表示通过执行所述设计算法设计得到的射频脉冲，并以可结合到所述脉冲序列以操作所述磁共振设备的格式。
2.根据权利要求I所述的方法，其包括执行所述设计算法以在具有各自关联空间相位分布Phn的η个连续脉冲中设计所述射频脉冲,其中|Phn-Phn_|| s在时间tftM期间由零不均匀性引起的失谐。
3.根据权利要求I所述的方法，其中所述磁共振设备包括匀场线圈，其分别供有匀场电流以产生影响所述BO场的场，并且其中所述方法包括 在所述计算机化处理器中，执行所述设计算法以使用所述匀场电流作为额外的自由度设计所述射频脉冲中以减轻由所述BO不均匀性产生的所述失谐效应。
4.根据权利要求3所述的方法，包括在所述计算机化处理器中执行所述设计算法以设置所述匀场电流来引起所述BO场非均匀性达到这样的程度结合与所述射频脉冲关联的各个空间相位分布，减轻由所述BO不均匀性引起的所述失谐效应。
5.一种设计在平行发射射频阵列中以脉冲序列辐射的射频(RF)脉冲的计算机化处理器，该射频脉冲用来操作磁共振设备，在该磁共振设备中存在展示出引起失谐效应的BO-不均匀性的BO场 所述计算机化处理器配置成执行设计算法，其设计所述射频脉冲以在所述平行射频发射阵列中分别辐射BI场，每个BI场具有关联的空间相位分布，各个空间相位分布是非恒定的并且彼此不同； 所述计算机化处理器配置成执行所述设计算法以设计所述射频脉冲以产生分别关联的空间相位分布，其减轻由所述BO-不均匀性引起的失谐效应；以及 所述计算机化处理器具有输出，其提供数据文件，该数据文件表示通过执行所述设计算法所设计得到的射频脉冲，并以可结合到所述脉冲序列以操作所述磁共振设备的格式。
6.根据权利要求5所述的计算机化处理器，其配置成执行所述设计算法以在具有各自关联空间相位分布Phn的η个连续脉冲中设计所述射频脉冲，其中IPhn-Plv1I &在时间W1期间由零不均匀性引起的失谐。
7.根据权利要求5所述的计算机化处理器，其中所述磁共振设备包括匀场线圈，其分别供有匀场电流以产生影响所述BO场的场，并且其中方法包括 所述计算机化处理器配置成执行所述设计算法以使用所述匀场电流作为额外的自由度设计所述射频脉冲以减轻由所述BO不均匀性产生的所述失谐效应。
8.根据权利要求7所述的计算机化处理器，其中所述计算机化处理器配置成执行所述设计算法以设置所述匀场电流来引起所述BO场的不均匀性达到这样的程度结合与所述射频脉冲关联的各个空间相位分布，减轻由所述BO不均匀性引起的所述失谐效应。
9.一种操作磁共振设备的方法，包括以下步骤 在磁共振设备的数据获取单元中产生BO场，所述BO场展示出引起失谐效应的BO-不均匀性； 操作所述数据获取单元以通过给所述数据获取单元提供引起各个BI场的脉冲序列来从对象获取磁共振数据，每个BI场具有与此关联的空间相位分布，其依照所述脉冲序列中的射频脉冲由数据获取单元的平行发射射频阵列辐射；以及 设计所述射频脉冲以产生非恒定并彼此不同的各自关联的空间相位分布，其减轻由所述BO-不均匀性引起的所述失谐效应。
10.根据权利要求9所述的方法，包括在具有各自关联的空间相位分布Phn的η个连续脉冲中设计所述射频脉冲，其中IPhn-Plv1F在时间期间由零不均匀性引起的失谐。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述磁共振设备包括匀场线圈，其分别供有匀场电流以产生影响所述BO场的场，并且其中所述方法包括 使用所述匀场电流作为额外的自由度设计所述射频脉冲以减轻由所述BO-不均匀性产生的所述失谐效应。
12.根据权利要求11所述的方法，包括设置所述匀场电流来引起所述BO场的非均匀性达到这样的程度结合与所述射频脉冲关联的各个空间相位分布，减轻由所述BO不均匀性引起的所述失谐效应。
13.—种磁共振设备,包括 在其中产生BO场的数据获取单元，所述BO场展示出引起失谐效应的BO-不均匀性； 计算机化控制单元，其配置成操作所述数据获取单元以通过给所述数据获取单元提供引起各个BI场的脉冲序列来从对象获得磁共振数据，每个BI场具有与此关联的空间相位分布，其依照所述脉冲序列中的射频脉冲由数据获取单元的平行发射射频阵列辐射；以及 所述控制单元提供所述射频脉冲以具有产生非恒定并彼此不同的各自关联的空间相位分布的设计，该空间相位分布减轻了由所述BO-不均匀性引起的所述失谐效应。
14.根据权利要求13所述的磁共振设备，其中所述控制单元提供在具有各自关联的空间相位分布Phn的η个连续脉冲中的所述射频脉冲,其中IPhn-Plv11 &在时间tn-tn-i期间由零不均匀性引起的失谐。
15.根据权利要求14所述的磁共振设备，其中所述控制单元配置成设置所述匀场电流来引起所述BO场的不均匀性到这样的程度结合与所述射频脉冲关联的各个空间相位分布，减轻由所述BO不均匀性引起的所述失谐效应。
16.一种在产生BO场的磁共振设备中减轻失谐效应的方法，所述失谐效应由所述BO场的BO-不均匀性引起，所述方法包括以下步骤 在所述磁共振设备中，提供匀场电流到匀场线圈以产生影响所述BO场的场s ;以及 在计算机化处理器中，设计所述匀场电流以引入另外的不均匀性到所述BO场中，其补偿所述BO-不均匀性以减轻所述失谐效应；以及 在所述计算机化处理器的输出上，以操作数据获取单元的格式发出表示所述匀场电流的数据文件。
17.一种在产生BO场的磁共振设备中减轻失谐效应的计算机化处理器，所述失谐效应由所述BO场的BO-不均匀性引起，所述磁共振设备具有匀场线圈，向所述匀场线圈提供匀场电流以产生影响所述BO场的场s 计算机化处理器配置成设计所述匀场电流以引入另外的不均匀性到所述BO场中，其补偿所述BO-不均匀性以减轻所述失谐效应；以及 所述计算机化处理器具有输出，其以操作数据获取单元的格式提供表示所述匀场电流的数据文件。
18.一种减轻失谐效应的磁共振设备，包括 在其中产生BO场的磁共振数据获取单元，所述失谐效应由所述BO场的BO-不均匀性引起; 所述磁共振数据获取单元包括匀场线圈，向匀场线圈提供匀场电流以产生影响所述BO场的场s ;以及 计算机化控制单元，其操作所述数据获取单元以设置所述匀场电流来引入另外的不均匀性到所述BO场中以减轻所述失谐效应。
全文摘要
在磁共振设备及其操作方法、以及在编程为设计用于操作这种磁共振设备的射频脉冲的处理器中，设计该射频脉冲以减轻由磁共振设备中的基本(B0)磁场的不均匀性引起的失谐效应。平行发射阵列的射频脉冲设计成具有不同的空间相位分布，其逐个脉冲地偏离于不变的相位，其中任何两个连续发射的射频脉冲的各自空间相位分布之间差异的绝对值对应于连续脉冲的发射之间的时间期间由B0-不均匀性引起的失谐效应。另外地，或单独地，在设计射频脉冲中可以考虑供应到匀场线圈的电流作为额外的自由度，其中基本磁场的匀场化由匀场电流产生，该匀场电流偏离于为理想地产生均匀B0场所设计的匀场电流。
文档编号G01R33/32GK102879752SQ201210284358
公开日2013年1月16日 申请日期2012年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者E·阿达尔斯坦森, H-P·福兹, K·赛特索姆波普, L·瓦尔德 申请人:西门子公司, 马萨诸塞综合医院公司, 麻省理工学院