基于梯度回波序列的磁共振成像方法及设备的制作方法

专利名称：基于梯度回波序列的磁共振成像方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种核自旋断层造影(术语磁共振断层造影，MRT)，如其在医疗中对患者的检查那样。在此，本发明尤其涉及一种基于梯度回波序列、可以在成像时实现较高对比度的核自旋断层造影设备以及用于运行这种设备的方法。
背景技术：
MRT基于核磁共振这一物理现象，并且十五年来在医疗及生物物理领域被成功地用作成像方法。在这种检查方法的情况下，对象承受强的恒定磁场。在对象的原子中的此前无规则取向的核自旋由此而对准。
高频波可以将这些“被排序的”核自旋激励为一种特定的振荡。这种振荡在MRT中产生实际的测量信号，这些测量信号由适当的接收线圈记录。在此，通过使用由梯度线圈产生的非均匀磁场，可以将测量对象在所有三个空间方向上空间地编码。该方法允许自由选择待成像的层，从而可以在所有方向上记录人体的截面图像。MRT作为截面图像方法在医疗诊断中的特征在于，首先作为通过多用途的对比能力的非侵入式方法。由于对软组织突出的可显示性，MRT发展成一种比X射线计算机断层造影(CT)优越得多的方法。MRT如今基于自旋回波序列和梯度回波序列的应用，它们在分钟量级的测量时间下可以实现优良的图像质量。
MRT设备部件的持续的技术发展以及快速成像序列的引入，为MRT打开了在医疗中的更多应用领域。用于支持最小化侵入式手术、神经病学中的功能成像以及心脏病学中的灌注测量的实时成像，只是很少几个例子。尽管在MRT设备的结构上的技术进步，但MRT图像的图像对比度和信噪比(SNR)仍然是MRT在医疗诊断中的多种应用的限制因素。
尤其在拍摄头部图像时，目标为确保良好的分割(Segmentierung)、也就是在脑灰质、脑白质以及脑脊髓液(CSF)之间的良好对比。对此的一种可能性是一种借助于T1加权的MPRAGE数据的(半)自动化的分割方法。信号。在小角度激励的情况下，采用á＜90°的翻转角，其中仅仅纵向磁化的较小的部分(Bruchteil)转向横向平面内。由此，必须期望磁化的驰豫更短，这导致明显的时间节省。而且，通过层选择梯度和频率编码梯度的极性变换(Umplung)，由这两个梯度引起的横向极化的相移得以补偿，因此产生梯度回波。在图3中，在第一行示出了具有一个角度á下的小角度激励的HF脉冲并接下来在时间轴上示出了具有梯度回波的HF信号。在第二行层梯度Gz沿时间延伸。在此，正如所述的那样，在HF脉冲期间为均匀磁场沿z轴叠加层选择梯度，并接着为了相移而极性变换。在第三行中，沿时间轴表示频率编码梯度Gy。在此，为进行频率编码，在该梯度的极性反转后在记录HF信号时为均匀磁场在y方向叠加梯度场。在第四行，沿时间轴表示相位编码梯度Gx。在此，为了沿x轴进行相位编码，在记录HF信号之前将一个恒定的梯度接通一段特定的时间，并且重复该序列Nx次。通过在记录HF信号之后在三个空间轴中的每一个上接通的制动器梯度(Spoilergradient)，在获取数据后破坏了横向磁化。在图3中表示的回波时间TE是从发射HF脉冲到梯度回波的时间，而重复时间TR是对于序列过程的时间。
在图4中表示出梯度回波序列的k空间扫描的简图。在HF脉冲之后，信号位于k空间的中心(1)。由于读取方向上的相位编码梯度和相移，信号在点(2)处发生相移。在极性变换的读取梯度期间，扫描一个k空间行(3、4)并记录信号。在点(3)处发生梯度回波。整个过程以不同强度的相位编码梯度重复Nx次，使得产生整个k空间的成像。
图5示出MPRAGE(Magnetization Prepared Rapid Gradient Echo)序列的基本原理。其基于3D傅立叶方法以及磁化准备。在此，为实现短的测量时间和良好的组织对比度而在实际的成像阶段之前接入准备阶段。在此，准备阶段起到对一个与驰豫时间T1或T2有关的磁化准备的作用。这样准备的磁化借助于梯度回波序列在空间上被编码并被扫描。图5示意地示出MPRAGE序列的流程，其中首先发生磁化准备，接着在成像阶段中以恒定值kz沿z轴测量所有x方向上的傅立叶行。接着是一个用于改善SNR或改善对比度的恢复阶段，而接着重复对应其它值kz的序列。
MPRAGE序列依照标准用于表示T1加权的具有脑灰质和脑白质的良好对比度的头部图像。该图像用于医疗常规检查，不过最近也越来越多地因此，要首先在下面说明MPRAGE序列以及所属的基础知识。
在MRT中的数据记录出现在所谓的k空间(同义词频率空间)。在所谓的图像空间中的MRT图像通过傅立叶变换与k空间中的MRT数据相联系。通过在所有三个空间方向上的梯度实现张成k空间的对象的位置编码。为此，为均匀的基本磁场叠加其磁场强度与各自的位置坐标x、y、z线性相关的磁附加场Gx、Gy、Gz。不失一般性地，在其它过程中记录被层扫描或行扫描的笛卡儿k空间。
在MRT成像中，利用不同形式的梯度场。在选择性的层激励的情况下，在HF脉冲期间为均匀基本磁场叠加一个沿坐标轴之一(通常是z轴)的梯度场。通过选出HF脉冲衬一个特定频谱，仅激励垂直于z轴的一个特定层内的核。在频率编码的情况下，在获取HF信号时为基本磁场叠加一个梯度场(通常沿x轴)。在此，HF信号的读出发生在N个等距时间步骤中。最后，在相位编码的情况下，在获取HF信号之前为基本磁场叠加一个具有恒定梯度强度的梯度场(通常沿y轴)一段特定的时间ty。在此，这种读出通过N次重复该序列而实现，其中，在等距的步骤中的梯度强度升高。
图2A示出了利用2D傅立叶方法的MRT成像的原理。在此，通过选择性的层激励沿z轴确定一个层，接着对k空间的该层进行行扫描。单个k空间行的数据在读出时通过梯度Gy进行频率编码。在此，一行的读出在N个等距的时间步骤中实现。k空间的每行具有由一个相位编码步骤产生的间距Δkx。在此，成像序列对于相位编码梯度Gx的不同值重复N次。因此，总共得到一个具有N×N个数据点的数字矩阵，从中可以通过2D傅立叶变换在图像空间内构造MRT。图2B示出了3D傅立叶方法。在此，层选择梯度由一个第二相位编码梯度替代。这意味着，核的总体积由HF脉冲激励并且位置信息仅由正交梯度编码，即由两个相位编码梯度和一个频率编码梯度编码。在此，记录垂直于z轴的M层，其中在k空间中对每层进行行扫描。在k空间的一层内的编码在此通过一个y方向上的频率编码梯度以及一个x方向上的相位编码梯度实现。因此，总共得到具有M×N×N个数据点的数字矩阵。
图3示意地示出了FLASH(Fast Low Angle Shot)序列的激励简图和梯度简图。这基于梯度回波技术的原理。快速成像序列表示为梯度回波序列(GE序列)，其基于小角度激励原理，并且在其中仅由梯度反转产生回波用于自动确定/分割脑容积、特定的脑区域或特定的组织类型(形态测量)。对于这些数据的要求是，这些数据不但在脑白质和脑灰质之间具有良好的对比度，而且提供在脑脊髓液(CSF)和脑灰质之间的良好对比度。
在借助于T1加权的MPRAGE数据进行分割的(半)自动化方法中，通常这样设定反转时间TI(即，在扫描梯度回波序列时从序列开始到达到k空间中心的时间)，使得在灰-白对比和灰-CSF对比之间达成妥协。在可疑的情况下，要求手动分割或者对对比边界的说明。此外是这里在说明对比边界时容忍误差的后果。尤其在较高场强度下这是一个问题，因为B1的均匀性通常较差，并且此外介电共振效应恶化了全自动化的分割。

发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于MRT成像的方法和设备，其中，确保了在脑灰质和脑白质之间以及脑灰质和CSF之间的良好对比度。
本发明建议了一种用于基于通过激励核自旋并测量由所激励核自旋表示的高频信号的梯度回波序列的磁共振成像的方法，其中，该方法包括下述步骤a)借助于反转脉冲准备自旋的磁化，b)执行用于第一图像对比的自旋激励及HF应答信号的测量的多个步骤，其中，沿第一二维层记录测量数据，并且该第一二维层平行于一个由两个彼此正交的坐标轴x、y张成的平面，c)执行用于第二图像对比的自旋激励及HF应答信号的测量的多个步骤，其中，沿着在步骤b)中给出的第一二维层记录测量数据，并且d)对于其它二维层重复步骤a)至步骤c)，这些二维层平行于该第一二维层地沿与两个第一坐标轴x和y正交的第三坐标轴z移动。
本发明还涉及一种用于基于通过激励核自旋并测量由所激励核自旋表示的高频信号的梯度回波序列的磁共振成像的设备，其具有用于借助于反转脉冲准备自旋磁化的装置，用于执行用于第一图像对比的自旋激励及HF应答信号的测量的多个步骤的装置，其中，沿第一二维层记录测量数据，并且该第一二维层平行于一个由两个彼此正交的坐标轴x、y张成的平面；还具有用于执行用于第二图像对比的自旋激励及HF应答信号的测量的多个步骤的装置，其中，沿着第一二维层记录测量数据；并且还具有用于为其它二维层重复所有步骤的装置，这些二维层平行于该第一二维层地沿与两个第一坐标轴x和y正交的第三坐标轴z移动。
所述二维层的位置优选地沿z坐标轴通过相位编码确定。
而且，优选地沿二维层在x坐标轴方向上通过相位编码确定测量数据。
在一种优选的设计中，沿二维层在y坐标轴方向上通过频率编码确定测量数据。
在反转脉冲后可以设置一个等待时间。
对第一和第二图像对比的拍摄优选地分别包括下列步骤I)通过发射HF脉冲激励自旋，II)通过沿y坐标轴读出对于x坐标轴的一个固定值的所有值而沿二维层记录测量数据，并且III)对于沿x坐标轴的不同值重复步骤I)和步骤II)。
可以对纵向驰豫时间T1进行加权。
优选的是，这样选择从反转脉冲到用于第一图像对比的发射HF脉冲的时间TI1，使得对于第一图像对比，在脑灰质和脑白质之间的对比尤其高。
而且，优选地这样选择从反转脉冲到用于第二图像对比的发射HF脉冲的时间TI2，使得对于第二图像对比，在脑灰质和脑脊髓液之间的对比尤其高。
在两个反转脉冲之间的时间TR可以在2000ms和2600ms之间。


下面将结合实施例并参考附图详细解释本发明的其它优点、特征和特性。
图1示意地示出核自旋断层造影设备，图2A示意地示出以2D傅立叶方法进行k空间扫描的原理，图2B示意地示出以3D傅立叶方法进行k空间扫描的原理，图3示出FLASH序列的梯度简图及脉冲简图，图4示意地示出k空间扫描的原理，图5示意地示出MPRAGE序列，图6示意地示出根据本发明的序列的流程，而图7示出根据本发明的序列的实施例。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的用于产生对象的核自旋图像的磁共振成像设备或核自旋断层造影设备的示意图。在此，核自旋断层造影设备的结构对应于常规的断层造影设备的结构。基本磁场1产生一个在时间上恒定的、用于极化或对准对象检查区域(例如人体的一个待检查部分)内的核自旋的强磁场。对于核自旋共振测量必需的基本磁场高均匀性在球形测量体积M中限定，其中引入人体的待检查部分。为支持均匀性要求并尤其为消除在时间上不变的影响，在适当的位置设置铁磁性材料的所谓的填隙片。通过由填隙片供电装置15控制的填隙片2消除了在时间上变化的影响。
在基本磁场1中，安装有圆柱形的梯度线圈系统3，该梯度线圈系统由三个子绕组组成。每个子绕组由放大器14供电，以便在笛卡儿坐标系统的各个方向产生线性梯度场。在此，梯度场3的第一子绕组在x方向上产生梯度Gx，第二子绕组在y方向上产生梯度Gy，第三子绕组在z方向上产生梯度Gz。每个放大器14包括数字模拟转换器，该数字模拟转换器由序列控制器18控制，以便及时产生梯度线圈。
高频天线4位于梯度场系统3内部，其将从高频功率放大器发出的高频脉冲转换成磁交变场，该磁交变场用于激励核以及对准待检查对象或者对象的待检查区域的核自旋。高频天线4由优选为线性布置的部件线圈形式的一个或多个HF发射线圈以及多个HF接收线圈组成。由进动的(praezedierend)核自旋发出的交变场，即通常由一个或多个高频脉冲和一个或多个梯度脉冲所组成的脉冲序列引起的核自旋回波信号，也被高频天线4的HF接收线圈转换成一个电压，该电压被通过放大器7提供给高频系统22的高频接收信道8。该高频系统22还包括发射信道9，在其中产生用于激励核磁共振的高频脉冲。在此，各个高频脉冲根据由设备计算机20预先规定的脉冲序列在序列控制器18内以复数序列的形式数字地表示。这种数字序列被作为实部和虚部分别通过输入端12送入高频系统22中的数字模拟转换器，并且由后者送入一个发射信道9。在发射信道9中，脉冲序列调制一个高频载波信号，该信号的基频与测量体积中的核自旋的共振频率相对应。
通过发射接收开关6实现发射和接收运行的转换。高频天线4的HF发射线圈发射用于在测量体积M内激励核自旋的高频脉冲，并通过HF接收线圈对所得到的回波信号进行扫描。对应地得到的核共振信号在高频系统22的接收信道8中被相位敏感地解调，并通过一个相应的模拟数字转换器转换成测量信号的实部和虚部。由图像计算机17根据这样获得的测量数据重建一幅图像。对测量数据、图像数据以及控制程序的管理通过设备计算机20实现。序列控制器18根据控制程序的预先设定控制各种希望的脉冲序列的产生以及对k空间的相应扫描。在此，序列控制器18尤其是控制梯度的及时切换、具有特定相位和幅值的高频脉冲的发送、以及核共振信号的接收。用于高频系统22和序列控制器18的时间基准由合成器19提供。通过终端21实现用于产生一幅核自旋图像以及显示所产生的核自旋图像而对相应控制程序进行的选择，该终端包括键盘以及一个或多个显示器。
图6示意性地示出根据本发明的序列的流程。该序列在此基于MPRAGE序列。在MPRAGE序列的情况下，如上所述，在获取HF信号之后设立一个恢复时间。在该恢复时间中，仅仅还给出脑灰质和脑白质之间最小化的对比，不过脑灰质和CSF的对比在该恢复时间尤其好。因此，根据本发明，在该恢复时间记录另一个数据组，这可能必要时以更高的带宽实现，以便在恢复时间内锁定测量。同时，可以在一个更早的时间点进行符合标准的测量，这必要时甚至起到改善脑灰质和脑白质之间的对比的作用。
借助于基本磁铁1产生均匀的基本磁场。因此，根据本发明的序列，在步骤S1中通过一个反转脉冲执行磁化准备。该反转脉冲在此可以优选为180°。在下一步骤S2中，设立一个等待时间，以便获得改善的对比或改善的SNR。在下一步骤S3中，通过HF天线4发射HF脉冲，在理想情况下以á＜90°的翻转角发射。通过在步骤S4中读出HF信号实现了用于第一对比的成像，即用于在脑灰质和脑白质之间的对比的成像。在此，在k空间中对于一个固定的kx读出所有ky。根据步骤S5，对于kx的不同值重复步骤S3和步骤S4。接着在步骤S6中重新利用HF天线4同样以á＜90°的翻转角发射HF脉冲。在接下来的步骤S7中，实现用于第二对比的成像、即用于在脑灰质和CSF之间的对比的成像。为此，重新为每个固定的kx读出所有的ky。在步骤S8中，对于kx的不同值重复步骤S6和步骤S7。最后，在步骤S9中，为kz的不同值重复序列S1至S7的所有步骤。在此，通过由序列控制器18控制的梯度线圈系统3实现了沿梯度Gx、Gy、Gz的编码。
图7示出了根据本发明的序列的实施例。在此，时间轴分别向右延伸，在第一行中表示脉冲简图，而在下面三行中表示梯度简图。在序列的开始，实现用于磁化准备的反转脉冲。在第一反转时间TI1之后，利用HF天线4发射HF脉冲。接着，通过序列控制器18同时接通梯度场Gz、Gy、Gx。在此，梯度Gz允许在z坐标轴方向上的相位编码，Gx允许在x坐标轴方向上的相位编码，并且Gy通过接通和接着极性变换而导致消除横向极化的相移，从而引起梯度回波。在接下来的获取阶段中，借助于k空间在y轴方向上的梯度Gy进行位置编码。最后，对于梯度Gx的不同kx值重复从HF脉冲发射到第一图像对比的读取结束的序列流程。在另一时间TI2之后，利用HF天线4实现用于第二图像对比的第二HF脉冲的发射。与第一图像对比的拍摄相对应的是，为在x和z方向上进行相位编码而由序列控制器18接通梯度Gz和Gx，并且为沿y坐标轴进行位置编码而接通Gy。同样对于不同的kx值重复用于第二图像对比的序列。在此，时间TD表示在原始MPRAGE序列中的恢复阶段，该序列根据本发明仅仅用于第二对比的成像。重复时间TR示出用于一个序列过程的时间，即，从发射一个反转脉冲到发射下一反转脉冲的时间。最后，对于不同的kz值重复该序列。
通过记录带有其它的对比的另一个数据组，可以实现脑灰质、脑白质和CSF的可靠划界。通过在图像计算机17中对测试数据的处理，这可以选择性地通过单独的分析或者通过计算/组合来自所述两个或更多的对比的图像而实现。
在此优选的是，使用两个或多个对比来提高分割方法的精度。这自动地意味着，实现了对这种数据组的接近全自动分析的步骤，因为目前总还需要手动设置。有利之处还在于，通常并不必提高总测量时间。在以适当算法进行图像重建期间已对不同对比进行组合，因此使用者的工作成本并没有由于额外的图像而改变。
权利要求
1.一种用于基于通过激励核自旋并测量所激励的核自旋来显示的高频信号的梯度回波序列的磁共振成像的方法，其中该方法包括下列步骤a)借助于反转脉冲进行自旋磁化准备，b)执行用于第一图像对比的自旋激励及HF应答信号的测量的多个步骤，其中，沿第一二维层记录测量数据，并且该第一二维层平行于一个由两个彼此正交的坐标轴x、y张成的平面，c)执行用于第二图像对比的自旋激励以及高频应答信号的测量的多个步骤，其中，沿着在步骤b)中给出的第一二维层记录测量数据，并且d)对于其它二维层重复步骤a)至步骤c)，这些二维层平行于该第一二维层地沿与两个第一坐标轴x和y正交的第三坐标轴z移动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过相位编码沿z坐标轴确定所述二维层的位置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，沿所述二维层在x坐标轴方向上通过相位编码确定测量数据。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的方法，其特征在于，沿所述二维层在y坐标轴方向上通过频率编码确定测量数据。
5.根据权利要求1至4中任何一项所述的方法，其特征在于，在所述反转脉冲后设置一个等待时间。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的方法，其特征在于，对第一和第二图像对比的拍摄分别包括下列步骤I)通过发射高频脉冲激励自旋，II)通过沿y坐标轴读出对于x坐标轴的一个固定值的所有值而沿所述二维层记录测量数据，并且III)对于沿x坐标轴的不同值重复步骤I)和步骤II)。
7.根据权利要求1至6中任何一项所述的方法，其特征在于，对纵向驰豫时间T1进行加权。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的方法，其特征在于，这样选择从反转脉冲到发射用于第一图像对比的高频脉冲的时间TI1，使得对于第一图像对比在脑灰质和脑白质之间的对比尤其高。
9.根据权利要求1至8中任何一项所述的方法，其特征在于，这样选择从反转脉冲到发射用于第二图像对比的高频脉冲的时间TI2，使得对于第二图像对比在脑灰质和脑脊髓液之间的对比尤其高。
10.根据权利要求1至9中任何一项所述的方法，其特征在于，在两个反转脉冲之间的时间TR在2000ms和2600ms之间。
11.一种用于基于通过激励核自旋并测量由所激励核自旋表示的高频信号的梯度回波序列的磁共振成像的设备，其具有用于借助于反转脉冲准备自旋磁化的装置；用于执行用于第一图像对比的自旋激励及高频应答信号的测量的多个步骤的装置，其中，沿第一二维层记录测量数据，并且该第一二维层平行于一个由两个彼此正交的坐标轴x、y张成的平面；用于执行用于第二图像对比的自旋激励及高频应答信号的测量的多个步骤的装置，其中，沿着第一二维层记录测量数据；以及用于对于其它二维层重复所有步骤的装置，这些二维层平行于该第一二维层地沿与两个第一坐标轴x和y正交的第三坐标轴z移动。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，一种通过相位编码沿z坐标轴确定所述二维层的位置的装置。
13.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，一种沿所述二维层在x坐标轴方向上通过相位编码确定测量数据的位置的装置。
14.根据权利要求11至13中任何一项所述的设备，其特征在于，一种沿所述二维层在y坐标轴方向上通过频率编码确定测量数据的位置的装置。
15.根据权利要求11至14中任何一项所述的设备，其特征在于，在所述反转脉冲后设置一个等待时间。
16.根据权利要求11至15中任何一项所述的设备，其特征在于，对第一和第二图像对比的拍摄分别包括I)用于通过发射高频脉冲激励自旋的装置，II)用于通过沿y坐标轴读出对于x坐标轴的一个固定值的所有值而沿二维层记录测量数据的装置，并且III)用于对于沿x坐标轴的不同值重复步骤I)和步骤II)的装置。
17.根据权利要求11至16中任何一项所述的设备，其特征在于，对纵向驰豫时间T1进行加权。
18.根据权利要求11至17中任何一项所述的设备，其特征在于，这样选择从反转脉冲到发射用于第一图像对比的高频脉冲的时间TI1，使得对于第一图像对比在脑灰质和脑白质之间的对比尤其高。
19.根据权利要求11至18中任何一项所述的设备，其特征在于，这样选择从反转脉冲到发射用于第二图像对比的高频脉冲的时间TI2，使得对于第二图像对比在脑灰质和脑脊髓液之间的对比尤其高。
20.根据权利要求11至19中任何一项所述的设备，其特征在于，在两个反转脉冲之间的时间TR在2000ms和2600ms之间。
全文摘要
本发明涉及一种用于基于通过激励核自旋并测量所激励的核自旋来显示的高频信号的梯度回波序列的磁共振成像的方法，包括下列步骤a)借助于反转脉冲进行自旋磁化准备，b)执行用于第一图像对比的自旋激励及HF应答信号的测量的多个步骤，其中，沿第一二维层记录测量数据，并且该第一二维层平行于一个由两个彼此正交的坐标轴x、y张成的平面，c)执行用于第二图像对比的自旋激励及HF应答信号的测量的多个步骤，其中，沿着在步骤b)中给出的第一二维层记录测量数据，并且d)对于其它二维层重复步骤a)至步骤c)，这些二维层平行于该第一二维层地沿与两个第一坐标轴x和y正交的第三坐标轴z移动。本发明还涉及一种用于执行该方法的设备。
文档编号A61B5/055GK101034153SQ200710087708
公开日2007年9月12日 申请日期2007年3月12日 优先权日2006年3月10日
发明者冈纳·克鲁格 申请人:西门子公司