專利名稱：用于抵消mri系統(tǒng)中剩余磁化的一種方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明領(lǐng)域為核磁共振成象方法和系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及對于由MRI系統(tǒng)中磁場梯度產(chǎn)生的剩余磁化的抵消。
當一種物質(zhì)如人體組織受到均勻磁場(靜磁場Bo)的作用時，所說組織中的各個自旋磁矩傾向于按照極化場方向排列，但是以它們的特征拉摩爾頻率圍繞所說極化場隨機地進動。如果所說物質(zhì)，或組織，受到處于x-y平面內(nèi)和具有接近拉摩爾頻率的一個磁場(激勵磁場B1)的作用，則沿同一方向排列的凈磁矩，Mz，可能會旋轉(zhuǎn)和“翻轉(zhuǎn)”到所說x-y平面內(nèi)以產(chǎn)生一個凈橫向磁矩Mt。所說受激自旋發(fā)射一個信號，在所說激發(fā)信號B1結(jié)束之后，可以接收和處理這個信號以構(gòu)成一個圖象。
將磁共振應(yīng)用于成象和其它許多局部光譜學技術(shù)依賴于使用線性磁場梯度有選擇地激發(fā)特定區(qū)域和將空間信息編碼在NMR信號中。在NMR試驗過程中，使用了具有特別選擇的時間變化的磁場梯度波形。所以，可以預料與理想磁場梯度波形的任何偏差都會引起圖像畸變、強度損失、虛影、和其它影象失真。例如，如果在所說180°RF脈沖之前和之后所說片選磁場梯度不均衡，就會使核自旋產(chǎn)生不完善的再定相和伴隨出現(xiàn)信號的損失。這影響到隨后多回波(Carr-Purcell-Mieboom-Gill)序列中的自旋回波的合成。此外，如果所說梯度場當它應(yīng)當為零時卻不為零(由于梯度脈沖結(jié)束后剩余磁化的作用)，則不曾預料到的相位離散可能導致化學位移成象序列中光譜畸變以及無法正確地確定多回波序列中的自旋-自旋馳豫時間(T2)。因此本領(lǐng)域的技術(shù)人員特別關(guān)注磁場梯度產(chǎn)生的精度。
如果所說梯度場耦合到極化磁體內(nèi)的導電結(jié)構(gòu)諸如它的低溫保持器(如果所說磁體是超導體結(jié)構(gòu))、或調(diào)整線圈系統(tǒng)、或用于將所說梯度線圈與所說RF線圈隔離開的RF屏蔽板，則在磁場梯度產(chǎn)生中會出現(xiàn)一個畸變源。在這些周邊結(jié)構(gòu)中感生的電流被稱為渦流。由于渦流的作用，可以觀察到，在向梯度線圈施加梯形電流脈沖過程中和之后，所說磁場梯度通常會分別發(fā)生指數(shù)上升和下降的情況。
在發(fā)明名稱為“A Method for Magnetic Field Gradient EddyCurrent Compendsation”的美國專利US-4698591中公開了一種方法，該方法在梯度電源中使用了一個模擬前置增強濾波器，以調(diào)整施加到所說梯度線圈中的電流，使得渦流感生的梯度場畸變減小。所說濾波器包括多個指數(shù)衰變元件和可調(diào)電位計，它們必須在系統(tǒng)標定過程中設(shè)定。在系統(tǒng)標定之前使用一種測量技術(shù)，按照這種技術(shù)測量所說不正確磁場的脈沖響應(yīng)，然后計算所說前置增強濾波器的電位計設(shè)置值。在美國專利US-4950994；4698591和4591789中記載有這種技術(shù)。
在鐵芯永磁體或鐵芯增強超導體磁體中，存在另一種類型的梯度感生的磁場擾動。這種被稱為磁滯現(xiàn)象的擾動，還沒有被很好地研究，并且沒有開發(fā)出通用的校正技術(shù)。為了理解磁滯現(xiàn)象，考慮圖2所示雙極性梯度波形的影響，并假定鐵的磁化處于圖3所示的初始狀態(tài)8。這種初始磁化狀態(tài)被定義為未磁化狀態(tài)，但是在這種情況下，在磁場開始增大，但是尚沒有施加任何梯度之前，就可能處于這種狀態(tài)。在第一次電平上升期間，所說梯度線圈中的電流，以及所說鐵芯經(jīng)受的磁場H逐漸增大。結(jié)果，磁感應(yīng)強度B隨著H增大，如圖3中曲線11所示。但是當所說梯度在12處下降到零時，所說磁感應(yīng)強度B不恢復到零。相反，它與磁場的相關(guān)性由另一條曲線14表征。這種現(xiàn)象被稱為磁滯現(xiàn)象，剩余的磁感應(yīng)強度(ΔB)被稱為剩磁，或剩余磁化強度。如果所說梯度繼續(xù)下降在16處變?yōu)樨撝?，則所說磁感應(yīng)強度B按照曲線18變化。在其后的梯度變化20中，H相對于B的曲線22以負值剩磁(-ΔB)結(jié)束。其后的梯度脈沖激勵被稱為磁滯回路的一個回路中的磁化。
上述分析表明當使用一個與時間相關(guān)的磁場梯度脈沖進行成象時，可能在鐵磁材料中產(chǎn)生一個擾動磁場ΔB。如果不消除這種磁滯效應(yīng)，就會產(chǎn)生許多圖像失真。例如，由相位編碼梯度脈沖在快速自旋回波(FSE)中感生的剩余磁化強度可能在k-空間數(shù)據(jù)中產(chǎn)生不一致的相位誤差，從而導致圖像模糊和虛象。
在美國專利US-5729139中提及這個問題。在該現(xiàn)有技術(shù)專利中提出的解決方案是校正由剩余磁化強度產(chǎn)生的相位誤差。提出了十種實現(xiàn)這個目的的具體方法，并且所有方法都需要改變特定脈沖序列中的梯度脈沖波形。由于可以規(guī)定的脈沖序列中可能存在無數(shù)的變化，所以根據(jù)這種現(xiàn)有技術(shù)的方法改變每一個脈沖序列是不實際的。
本發(fā)明涉及用于控制MRI系統(tǒng)中剩余磁化強度使得圖像失真減少的方法和裝置。更具體地說，所說MRI系統(tǒng)具有一種剩余磁化強度抵消功能，其將所說剩余磁化強度激勵到預先選定狀態(tài)，并在每個標稱成象梯度波形上附加一個磁化復位梯度波形，該波形將所說剩余磁化強度恢復到預先選定狀態(tài)。因為在每個梯度波形結(jié)束之后總是將所說剩余磁化強度激勵到相同值，所以在所獲取的NMR數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的相位誤差在掃描中保持不變。當利用富立葉變換將所獲取的NMR數(shù)據(jù)重構(gòu)成一個幅值圖像時，可以有效地消除這種恒定的相位誤差。
本發(fā)明易于在商業(yè)MRI系統(tǒng)中實施。因為可以在每個成象梯度波形中附加相同的磁化復位梯度波形，所以不需要進行復雜的計算，也不需要定制每個可能的脈沖序列。只需在掃描過程中在由所說MRI系統(tǒng)產(chǎn)生的每個成象梯度波形末尾簡單地附加所說磁化復位梯度波形。


圖1為應(yīng)用本發(fā)明的一種MRI系統(tǒng)的方框示意圖；圖2為由圖1所示MRI系統(tǒng)產(chǎn)生的一個示例性成象梯度波形的曲線圖表示；圖3為由圖2所示成象梯度波形產(chǎn)生的磁滯曲線的簡化曲線圖表示；圖4為用于解釋本發(fā)明理論的一組梯度波形的曲線圖表示；圖5為由圖4所示梯度產(chǎn)生的磁滯曲線的曲線圖表示；圖6為用于圖1所示MRI系統(tǒng)的磁化復位梯度波形的一個優(yōu)選實施例的曲線圖表示；和圖7為構(gòu)成圖1所示MRI系統(tǒng)一部分的一個梯度抵消系統(tǒng)的電路方框圖。
如果如圖4所示在一個MRI系統(tǒng)中施加具有遞減幅值的一組梯度波形24-27，則所說MRI系統(tǒng)中的鐵磁結(jié)構(gòu)將沿著圖5所示的各自的磁滯曲線28-31被激勵。因為首先施加最大幅值梯度脈沖，在每個梯度波形結(jié)束之后所說剩余磁化強度在點32處恢復到相同值。如所看到的，較小梯度脈沖的磁滯回路包含在所說第一梯度脈沖24的較大磁滯回路28中。如果所說第一梯度脈沖24是所說MRI系統(tǒng)中可能的最大幅值，則其后的所有正值梯度脈沖將使所說剩余磁化強度保持在相同量值，ΔBs，max當產(chǎn)生一組負值梯度波形時，結(jié)果是一樣的，但是，在這種情況下所說剩余磁化強度被激勵到并保持在一個值ΔBs，max。
本發(fā)明認識到并且利用了在MR掃描過程中剩余磁化強度能夠容易地保持在±ΔBs，max的事實。由于使用了富立葉變換方法進行重構(gòu)，所以在重構(gòu)的幅值圖像中看不到任何由這種不變的剩余磁化強度產(chǎn)生的相位誤差。
本發(fā)明可以用多種方式實現(xiàn)。在掃描開始時，施加一個梯度脈沖以將所說剩余磁化強度激勵為正或負的ΔBs，max。如果需要的話，可以在所有三個軸上施加這樣的脈沖，順序地或同時地。然后，當在所說成象脈沖序列過程中施加所說梯度脈沖時，根據(jù)需要在所說梯度波形上附加一個磁化復位波形以將剩余磁化激勵恢復到±ΔBs，max。舉例來說，如果選擇了正ΔBs，max，則所說磁化復位梯度波形是在所說成象脈沖序列過程中產(chǎn)生的各個負值梯度脈沖之后的一個持續(xù)時間非常短的最大幅值正梯度脈沖。如果所說成象梯度脈沖的極性是正的，則根據(jù)上文中參照圖5討論的理論可以忽略所說剩余磁化復位脈沖。但是，如果所說成象梯度脈沖的極性是負的，則必須施加所說復位脈沖。
在下述的優(yōu)選實施例中，磁化復位梯度波形是一個雙極梯度波形，如圖6所示。它包括一個負的半波36，其后為一個相同幅值的正的半波，以保持零梯度磁矩。所說梯度半波36和37具有可能的最大幅值，并且它們的持續(xù)時間盡可能地短。所說脈沖的長短主要是由梯度放大器的轉(zhuǎn)換速率決定的。
圖6中剩余磁化復位梯度波形的正半波37將所說剩余磁化激勵到正ΔBs，max。所說負梯度半波36的面積等于所說正梯度半波37，從而整個梯度波形的凈面積為零。這使得能夠?qū)⑺f磁化復位梯度波形附加到成象梯度脈沖上，而不會干擾橫向磁化的凈相位。如果選擇負ΔBs，max的剩余磁化，則所說梯度半波36和37的極性轉(zhuǎn)換，使得最后一個梯度半波將所說剩余磁化激勵到負ΔBs，max。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當清楚，所說剩余磁化復位梯度波形可以具有多種不同形狀。例如，它可以具有正弦波形，其中每個半波都處于最大梯度幅值。而且，當所說成象脈沖序列包括一個再聚焦RF脈沖時，可以將所說剩余磁化復位梯度波形分為兩個部分，一個半波在所說再聚焦脈沖之前結(jié)束，而另一個半波在所說再聚焦脈沖之后結(jié)束。由于所說自旋磁化的極性被所說再聚焦脈沖翻轉(zhuǎn)，所以所說的兩個復位梯度半波的極性保持相同。
首先參見圖1，其中表示了結(jié)合本發(fā)明的一個優(yōu)選MRI系統(tǒng)的主要部分。所說系統(tǒng)的操作由一個操作者控制臺100控制，所說控制臺包括一個鍵盤102和一個控制面板104。所說控制臺100通過一條連線116與一個獨立的計算機系統(tǒng)107相連，使得操作者能夠控制在屏幕104上生成和顯示圖象。所說計算機系統(tǒng)107包括多個模塊，它們相互之間通過背板相連。這些模塊包括一個圖象處理器模塊106、一個CPU模塊108和一個存儲器模塊113，所說存儲器模塊在本領(lǐng)域中被稱為幀緩沖存儲器，用于存儲圖象數(shù)據(jù)陣列。所說計算機系統(tǒng)107與一個磁盤存儲器111和一個磁帶驅(qū)動器112相連，用于保存圖象數(shù)據(jù)和程序，它還通過一條高速串行鏈路115與一個獨立的系統(tǒng)控制器122相連。
所說系統(tǒng)控制器122包括由一個背板118連接在一起的多個模塊。這些模塊包括一個CPU模塊119和一個脈沖發(fā)生器模塊121，所說脈沖發(fā)生器模塊通過一條串行鏈路125與一個操作者控制臺100相連。所說系統(tǒng)控制器正是通過這條鏈路125從操作者處接收指示執(zhí)行掃描序列的命令。所說脈沖發(fā)生器模塊121控制各個系統(tǒng)部分執(zhí)行所需的掃描序列。它產(chǎn)生指示將要產(chǎn)生的RF脈沖的時序、強度、和形狀，以及數(shù)據(jù)采集窗口的時序和長度的數(shù)據(jù)。所說脈沖發(fā)生器模塊121通過一個梯度抵消系統(tǒng)129與一組梯度放大器127相連。以指示將在掃描過程中產(chǎn)生的梯度脈沖的時序和形狀。所說脈沖發(fā)生器模塊121還與一個掃描室接口電路133相連，所說接口電路133從與病人護理以及磁體系統(tǒng)相關(guān)的多個傳感器中接收信號。一個病人定位系統(tǒng)134也通過所說掃描室接口電路133接收命令，以將病人移動到所需的掃描位置。
由所說脈沖發(fā)生器模塊121產(chǎn)生的梯度波形被如下詳述的系統(tǒng)129抵消，并且傳輸?shù)接蒅x、Gy和Gz放大器構(gòu)成的一個梯度放大器系統(tǒng)127中。每個梯度放大器激勵一個相應(yīng)的梯度線圈(未示出)。如在本領(lǐng)域中所熟知的，所說梯度線圈產(chǎn)生用于對所獲得的信號進行空間編碼的線性磁場梯度。一個磁體組件141還包括一個極化磁體(未示出)和一個整體RF線圈(未示出)。在優(yōu)選實施例中，利用一個永磁體和相關(guān)的鐵心產(chǎn)生所說極化場，所說鐵心用于調(diào)整和引導所說磁場，如在發(fā)明名稱為“Magnet Assembly For MRI Apparatus”美國專利US-5652517中所述。正是這些元件被所說梯度磁場磁化，并且產(chǎn)生本發(fā)明所解決的問題。但是，本發(fā)明還可以應(yīng)用于其它磁體結(jié)構(gòu)中，例如鐵心增強的超導體磁體。
所說系統(tǒng)控制器122中的一個收發(fā)器模塊150產(chǎn)生脈沖，這些脈沖由一個RF放大器151放大，并利用一個發(fā)送/接收開關(guān)154將這些脈沖傳送到所說磁體組件141中的所說RF線圈。由病人體內(nèi)被激發(fā)自旋產(chǎn)生的結(jié)果信號可以被同一個RF線圈檢測到，并通過所說發(fā)送/接收開關(guān)154傳送到一個前置放大器153。經(jīng)過放大的NMR信號在所說收發(fā)器150的接收器部分進行解調(diào)制、濾波、和數(shù)字化。所說發(fā)送/接收開關(guān)154由所說脈沖發(fā)生器模塊121的信號控制，在發(fā)送模式下使所說RF放大器151與所說RF線圈電相連，而在接收模式下與所說前置放大器153相連。所說發(fā)送/接收開關(guān)154還使得在所說發(fā)送或接收模式中可以使用一個獨立的RF線圈(例如，一個頭部線圈或表面線圈)。
由所說RF線圈拾取的NMR信號由所說發(fā)送接收器模塊150進行數(shù)字化處理，并傳送到所說系統(tǒng)控制器122中的一個存儲器模塊160中。當掃描完成，并且在所說存儲器模塊160中已經(jīng)獲取了整個數(shù)據(jù)陣列時，一個陣列處理器161將所說數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一個圖象數(shù)據(jù)陣列。這個圖象數(shù)據(jù)陣列通過所說串行鏈路115傳送到所說計算機系統(tǒng)107，保存在所說磁盤存儲裝置111中。響應(yīng)從所說操作者控制臺100接收的命令，可以將所說圖象數(shù)據(jù)歸檔保存在外部驅(qū)動器112中，或者，可以如下詳述的，可以利用所說圖象處理器106進行進一步處理，并傳送到所說操作者控制臺100和顯示在所說顯示器104上。
關(guān)于所說發(fā)送接收器150的詳細描述，可以參見美國專利US-4952877和4992736，它們以引用方式結(jié)合在本申請中。
特別參見圖1和圖7，本發(fā)明以所說脈沖發(fā)生器模塊121和所說梯度抵消系統(tǒng)129來實現(xiàn)。所說梯度抵消系統(tǒng)129包括一個波形存儲器200，它以數(shù)字形式保存圖6所示的磁化復位梯度波形。當控制器202通過控制總線204接收到所說脈沖發(fā)生器模塊121的命令時，所說控制器讀出所存儲的波形。
從所說波形存儲器200讀出的數(shù)字值通過一條數(shù)據(jù)總線210傳送到一個或多個A/D轉(zhuǎn)換器206-208。所說控制器202啟動相應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換器206-208，并從存儲器200中讀出所說波形，以在所說的一個或多個A/D轉(zhuǎn)換器206-208的輸出端產(chǎn)生圖6所示波形的模擬波形。這些輸出信號驅(qū)動對應(yīng)的x軸、y軸和z軸梯度放大器127。
當利用圖1中所說MRI系統(tǒng)執(zhí)行一個成象脈沖序列時，所說脈沖發(fā)生器模塊121在所說數(shù)據(jù)總線210上產(chǎn)生所說成象梯度波形，并將它們傳送到相應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換器206-208。然后所說控制器202通過控制總線204發(fā)出信號，以附加如圖6所示的一個磁化復位波形。所說控制器202從所說存儲器200讀取適合的波形，并將其傳送到對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器206-208。如上所述，可以在由所說脈沖發(fā)生器模塊121產(chǎn)生的每個成象波形之后附加所說磁化復位梯度波形，或者僅僅附加在具有與選定的正或負ΔBs，max極性相反的梯度半波的波形之后。
權(quán)利要求
1.用于減少由MRI系統(tǒng)中剩余磁化強度引起的MR圖象失真的一種方法，所說剩余磁化強度是由在掃描過程中用于獲取MR圖象數(shù)據(jù)的成象梯度波形所產(chǎn)生的，所說方法包括將所說MRI系統(tǒng)中的剩余磁化強度激勵到一個預定值；和在掃描過程中獲取所說MR圖象數(shù)據(jù)時通過在成象梯度波形上附加一個剩余磁化復位波形而使所說剩余磁化保持在所說預定值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說預定值為可以由所說成象梯度波形產(chǎn)生的最大剩余磁化強度。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在所說掃描過程中在所產(chǎn)生的所有成象梯度波形上附加所說磁化復位梯度波形。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說磁化復位梯度波形具有極性相反的兩個相同的梯度半波。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于每個梯度半波產(chǎn)生所說MRI系統(tǒng)中最大可能的梯度場。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于每個梯度半波的持續(xù)時間盡可能地短。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說將一個剩余磁化復位梯度波形附加到一個成象梯度波形上的步驟包括改變所說成象梯度波形的形狀。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于改變所說成象梯度波形的持續(xù)時間。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于增大所說成象梯度波形的持續(xù)時間。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于減小所說成象梯度波形的持續(xù)時間。
11.在具有用于在掃描過程中響應(yīng)如由一個脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的成象梯度波形產(chǎn)生成象磁場梯度的一個梯度系統(tǒng)的一種MRI系統(tǒng)中，所說改進包括與所說梯度系統(tǒng)相連以在每個成象磁場梯度產(chǎn)生之后產(chǎn)生一個剩余磁化抵消磁場梯度的一個梯度抵消系統(tǒng)；其中所說MRI系統(tǒng)中的剩余磁化在整個掃描過程中保持在一個預定的最大值。
12.如權(quán)利要求11所述的改進，其特征在于所說梯度抵消系統(tǒng)使得所說梯度系統(tǒng)在掃描過程中產(chǎn)生的每個成象磁場之后產(chǎn)生所說剩余磁化抵消磁場。
13.如權(quán)利要求11所述的改進，其特征在于所說梯度抵消系統(tǒng)產(chǎn)生具有極性相反的兩個相同半波的剩余磁化復位梯度波形。
14.如權(quán)利要求13所述的改進，其特征在于每個半波具有MRI系統(tǒng)中可能的最大幅值。
15.如權(quán)利要求11所述的改進，其特征在于所說梯度抵消系統(tǒng)至少部分地通過改變所說成象磁場梯度產(chǎn)生所說剩余磁化復位磁場梯度。
16.如權(quán)利要求15所述的改進，其特征在于通過減小所說成象磁場梯度的持續(xù)時間來改變它。
17.如權(quán)利要求15所述的改進，其特征在于通過增大所說成象磁場梯度的持續(xù)時間來改變它。
全文摘要
一種MRI系統(tǒng)包括一個梯度抵消系統(tǒng),該系統(tǒng)將磁化復位梯度波形附加于在掃描過程中產(chǎn)生的成象梯度波形上。所說磁化抵消梯度將所說MRI系統(tǒng)中的剩余磁化強度保持在恒定的量值上,以減小圖象失真。
文檔編號G01R33/565GK1257201SQ99125809
公開日2000年6月21日 申請日期1999年11月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月23日
發(fā)明者馬竟飛, 周曉洪, G·C·麥金諾恩 申請人:通用電氣公司