CN101636664A - 磁共振成像***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种MRI技术，其中，诸如呼吸和心脏跳动的生理因素对MRI结果的影响得以减轻或消除。本发明的目的是通过一种磁共振成像***(1)实现的，该磁共振成像***包括：第一RF线圈(2)，其适于采集患者身体的磁共振成像数据；若干测量元件(5，5′，5″，29，31)，其对所述第一RF线圈(2)的负载变化敏感，所述测量元件(5，5′，5″，29，31)适于采集与所述患者身体的运动相关的数据；以及处理单元(9)，其适于采用所述运动数据来校正磁共振成像中的患者运动。

Description

磁共振成像***和方法

技术领域

本发明总体上涉及非侵入性成像应用，尤其是涉及到磁共振成像(MRI)。更具体而言，本发明涉及一种采用射频(RF)线圈测量被成像患者身体性质的成像技术。

背景技术

MRI测量磁场中靶材料的各种磁性质。MRI包括在大致均匀磁场中对齐被成像材料的核自旋，并利用周期性RF脉冲扰动磁场，以便测量被成像材料的核磁共振(NMR)现象。为了诱发NMR现象，提供一个或多个谐振线圈，线圈在与特定组织的拉莫尔频率(即核子绕轴进动的速率)匹配的谐振频率上产生RF脉冲，以便激励核子，使它们沿着所施加的RF脉冲的方向绕轴进动。当RF脉冲消退时，核子再次与磁场对齐，释放出可测量的能量。

当把谐振线圈放在负载，例如要成像的患者或其他对象附近时，谐振线圈的各种属性可能受到影响。在MRI中，这种负载效应往往会通过改变线圈谐振频率并导致线圈性质发生其他一般不希望的变化，对装置运动产生负面影响。这种负载效应部分地取决于负载的介电性质。线圈谐振频率的变化可能会减弱装置激励被成像材料核子的能力(例如，由于在线圈谐振频率和靶材料拉莫尔频率之间造成失匹配)并对所得图像的质量造成负面影响。线圈加负载的效应使得MRI复杂化，常常要调谐或调节谐振线圈以补偿由被成像人体导致的一般不希望的负载效应。

为了调谐或调节谐振线圈，从现有技术已知采用谐振线圈内部的额外小RF线圈。小RF线圈测量取决于谐振线圈局部RF场的电压，这受到身体负载效应的影响。使用小RF线圈测量的感应电压控制供应给谐振线圈的RF功率的相位和幅度。在谐振RF线圈包括例如像定相阵列的多个被驱动线圈元件的情况下，使用这种小RF线圈尤其有用。在这种情况下，可以通过控制供应到每一个体线圈元件的RF功率的幅度和相位，使得在同时驱动它们时，它们在被成像身体内部实现非常均匀的RF场。

发明内容

本发明的目的是提供一种高质量的MRI技术。具体而言，本发明的目的是提供一种MRI技术，其中，诸如呼吸和心脏跳动的生理因素对MRI结果的影响得以减轻或消除。

本发明的目的是通过一种磁共振成像***实现的，该磁共振成像***包括：第一RF线圈，其适于采集患者身体的磁共振成像数据；若干测量元件，其对所述第一RF线圈的负载变化敏感，所述测量元件适于采集与所述患者身体的运动相关的数据；以及处理单元，适于采用所述运动数据校正磁共振成像中的患者运动。

(一个或多个)谐振线圈的负载受到要成像的身体运动的影响。身体无意的运动例如是由于呼吸导致的患者胸腔的运动或由于心跳导致的运动。

该目的也是根据本发明通过一种磁共振成像方法实现的，该方法包括如下步骤：借助第一RF线圈采集患者身体的磁共振成像数据；借助若干测量元件采集与所述患者身体的运动相关的数据，所述测量元件对所述第一RF线圈的负载变化敏感；以及采用所述运动数据来借助处理单元校正磁共振成像中的患者运动。

本发明的目的还通过一种计算机程序实现，该计算机程序用于执行上述方法，所述程序包括在计算机中执行计算机程序时采用所述运动数据借助处理单元校正磁共振成像中的患者运动的计算机指令。于是可以基于根据本发明的计算机程序的指令实现根据本发明所需的技术效果。可以将这种计算机程序存储在诸如CD-ROM或DVD的载体上或可以通过因特网或另一计算计网络获得它。在执行之前，例如借助CD-ROM播放器或DVD播放器从载体，或从因特网读取计算机程序从而将计算机程序载入计算机，并将其存储在计算机的存储器中。计算机包括中央处理单元(CPU)、总线***、内存装置(例如，RAM或ROM等)、存储装置(例如，软盘或硬盘单元等)和输入/输出单元。可选地，可以利用例如一个或多个集成电路将本发明的方法实现为硬件。

本发明的核心思想是提供一种技术，用于减轻或消除生理因素，例如与呼吸相关的腹部运动或由于心跳导致的心脏运动或两者同时对MRI结果的影响。结果，本发明能够例如补偿由于被成像对象的生理活动导致的图像间的波动。为此目的，通过在MR成像过程期间检测患者的运动来确定患者的呼吸相态和/或心脏相态。通过测量对第一RF线圈的负载变化敏感的测量元件中诱发的电压变化，确定变化的负载对(一个或多个)第一RF线圈(或其线圈元件)的影响，从而执行运动检测。

解剖成像中由于生理活动导致的伪影得到很好的识别，并且已经开发了各种技术来减轻它们。最简单明了的方式是通过选通或触发使数据采集与特定运动同步。根据本发明，接下来将RF脉冲时间期间对患者呼吸相态和/或心脏相态的了解用于在空中，即在MRI数据采集期间修改成像方法的采集性质(即：编码次序、视域、切片位置、下一脉冲的倾角等)。换言之，与RF传输同时采集MRI数据和与患者运动相关的数据，并在RF传输之后立即修改MRI序列。

根据本发明的另一方面，对成像期间患者呼吸和/或心脏相态的了解允许在数据处理期间，即如果在MRI数据采集完成的情况下，回顾性地使成像数据与生理活动同步。在这种情况下，将成像数据回顾性地安排到生理周期中(例如，呼吸和心动周期)。之后，从MRI数据消除生理效应。换言之，根据本发明的该方面，在采集成像数据的同时监测受检者的生理活动，然后回顾性地估计生理效应并按照所采集生理数据的指导进行消除。

与现有的考虑生理活动的方法(即捆扎在患者胸部周围的机械波纹管(bellow))相比，所提出的发明的主要优点是其不需要在患者身上放置额外的设备。此外，在通过***移动患者时，可以检测到除呼吸(或心脏运动)之外的运动。例如，如果在扫描期间患者突然活动，将会检测到这种情况，并可以相应地补偿MR数据采集。此外，本发明对于每种生理周期(呼吸周期、心动周期等)的时长变化不敏感，且可以在各种实验条件下使用。

将基于从属权利要求所定义的以下实施例更详细地描述本发明的这些和其他方面。

根据本发明的优选实施例，测量元件适于采集患者的呼吸运动和/或心脏运动。为此目的，将RF拾取线圈(RF pickup coil)用作测量元件，其对负载对第一RF线圈或其元件的效应敏感。如果RF拾取线圈与第一RF线圈靠得很近，可以实现对负载效应的良好敏感度。如果采用这样的RF拾取线圈，就找准了MRI测量期间运动误差的主要来源。在本发明的其他优选实施例中，不使用RF拾取线圈(或除了使用RF拾取线圈之外)，可以使用定向耦合器和/或具有预定电磁性质的电气或电子部件作为测量元件。

根据本发明的优选实施例，第一RF线圈为多元件RF线圈。利用这种RF线圈，甚至在更高频率和提高的RF强度下也能够在患者身体内部获得均匀的RF场。如果每个RF线圈元件包括其自己的测量元件，就可以通过非常精确的方式进行运动检测。可选地，测量元件的数量不等于RF线圈元件的数量。优选地，测量元件的数量小于RF线圈元件的数量。当要测量的患者运动由几个自由度表征时，这是合乎需要的。在这种情况下，较少数量的测量元件实现了***复杂性和成本的降低。

根据本发明的另一优选实施例，多元件RF线圈适于直接定位于患者身上，并可以从MRI***去除。换言之，不仅仅可以使用固定(***集成的)体积RF线圈，例如发射阵列形式的RF线圈。相反，还可以使用局部(优选可拆除)发射线圈拓扑，例如局部发射线圈阵列。

如果第一RF线圈是正交鸟笼线圈，并且设置测量元件以检测第一RF线圈的水平和竖直(正交)谐振模式的负载变化，那么也可以使用本发明。可以将这种方式作为一种改进用于现有MRI***上。

附图说明

在下文中将参考以下实施例和附图以举例的方式详细描述本发明的这些和其他方面，附图中：

图1示出了MRI***的示意图；

图2给出了示意性示出了本发明的方法在时间尺度上的不同步骤的图示；

图3示出了包括拾取线圈的多元件发射RF线圈***的示意图；

图4示出了具有拾取线圈的RF线圈***的单个通道的示意结构；

图5示出了具有耦合方向的RF线圈***的单个通道的示意结构；

图6示出了利用电容器直接测量的RF线圈***的单个通道的示意结构。

附图标记

1.MRI***         20.RF脉冲

2.RF线圈          21.梯度序列

3.线圈元件        22.测量梯度

4.患者身体        23.准备梯度(preparation gradient)

5.拾取线圈        24.MR样本区域

6.(空闲)          25.拾取线圈样本区域

7.接收机          26.过程修改区域

8.(空闲)          27.同轴电缆

9.处理单元        28.RF放大器

10.控制器         29.定向耦合器

                  30.反射功率端口

                  31.电容器

具体实施方式

下面描述本发明的简单实施例。MRI***1包括具有多个RF线圈元件3(图1中未示出；参见图3)的体积多元件发送/接收(或甚至仅发送)RF线圈2。具体而言，MRI***1包括至少两个适于采集患者身体4的磁共振成像数据的RF线圈元件3。每个RF线圈元件3都被设计成结合了独立的第二RF线圈(拾取线圈)5，所述第二RF线圈充当着测量元件。

每个拾取线圈5在物理上与至少两个RF线圈元件3之一相邻，并适于采集与所述患者身体4的运动相关的数据。若干拾取线圈5形成拾取线圈阵列。每个拾取线圈5连接到接收机5(探测器电子线路)，用于确定在不同负载条件下每个RF线圈元件3所产生的实际(或相对)磁场。将在RF频率执行拾取线圈5对电压的测量。若干接收机7形成接收机阵列。若干接收机7连接到处理单元9。处理单元9适于采用所述运动数据来校正磁共振成像中的患者运动，如下文更详细描述。

图1示出了使用普通发射RF线圈2的本发明***的示意图。此外，示出了处于两种不同呼吸状态的患者4。根据本发明，与发射线圈元件3(图1中未示出)相邻地定位若干拾取线圈5。这里，发射RF线圈2包含第一拾取线圈5和第二拾取线圈5′。每个拾取线圈5、5′连接到接收机7，从所述接收机能够为每个拾取线圈5、5′实时提取典型电压振幅(和相位)。

在现有技术的使用中，这些拾取线圈5、5′反馈本地RF幅度(和相位)数据，可以使用该数据提供校准信息，用于针对每个RF线圈元件3正确地调节RF场幅度和相位。此外，拾取线圈5、5′可以用于提供安全机构，防止患者4被一个或多个发射RF线圈元件3的RF过度曝光。

本发明涉及额外地使用可从拾取线圈5、5′的阵列获得的信息。由多元件RF发射线圈2发射的每个RF脉冲都在每个拾取线圈5、5′中导致感应电压。任何特定拾取线圈5、5’中诱发的电压幅度和相位将受到最近的发射RF线圈元件3产生的RF场控制。对于提供给每个发射RF线圈元件3的固定功率，每个拾取线圈5、5′中的感应电压幅度也将取决于每个RF线圈元件3的局部加载条件。

由于每个拾取线圈5、5′都与特定RF线圈元件3毗邻并因此与其相关联，所以从那些拾取线圈5、5′获得的测量值(电压)可以看出该特定RF线圈元件3加载患者身体到了多好的程度。患者4邻近RF线圈元件3将调制拾取线圈5、5′上的电压，从而能够判断患者4是更靠近还是更远离RF线圈元件3。如果患者吸气，胸腔膨胀并靠近RF线圈元件3。对于被患者胸腔接近的每个RF线圈元件3而言，关联的拾取线圈5、5′的电压将会变化，并将根据患者4的呼吸模式而被调制。结果，利用拾取线圈5、5′测量的电压，可以检测出患者4的呼吸运动，并接下来检测出呼吸周期。

在典型MRI序列执行期间，经由发射RF线圈2发射RF脉冲。使用控制器10控制MRI***1的发射RF线圈元件3。RF脉冲根据RF线圈元件3的加载性质在每个拾取线圈5、5′中诱发电压。由拾取线圈5、5′测量的信号不是NMR信号，而是由于RF线圈元件中流动的电流直接感应的电压，其取决于RF线圈2的加载情况。在患者呼气(虚线)时，(在RF脉冲发射期间检测到的)第二拾取线圈5′上的电压幅度将增大，这是由于身体正在沿垂直方向进一步移动远离RF线圈元件。第一拾取线圈5上的电压幅度也可以随着垂直截面变化而变化。不过，第二拾取线圈5′上的电压可能会表现出最大的变化。由于呼吸是周期性的，电压波形本质上可以是正弦曲线。

换言之，当患者4处于刚性多元件体积发射RF线圈2之内时，患者4的呼吸运动导致各身体部位周期性地朝向和远离各RF线圈元件3运动。这种运动导致每个RF线圈元件3的局部加载状况变化。每个RF线圈元件3作为患者呼吸(以及可能的其他)运动函数的加载差异反映在施加RF脉冲期间每个拾取线圈5、5′中的感应电压幅度中。

RF发射期间所有拾取线圈5、5′上电压幅度的空间分布被用于实时地确定患者4的呼吸相态。为此目的，在RF激励之后，在处理单元9中处理采样的拾取线圈信号，以提取例如与RF脉冲期间患者4的胸腔位置相关的信息，即如果胸腔是扩张的，第二拾取线圈5′中的电压将是低；如果胸腔是收缩的，该电压将是高。在数据采集之前或期间向处理单元9提供运动信息，以便在空中修改MR脉冲序列的各种性质。根据测量的电压，例如，能够为后续的MR数据采集步骤选择特定的编码步骤，该步骤根据将k空间采样与胸壁位置关联起来的优选方案使运动效应最小化。此外，可以从拾取线圈电压的变化估计出FOV的相对变化，从而可以在空中改变测量梯度幅度，以进行补偿。将在下文中更详细地解释这些步骤。

作为呼吸运动的替代或补充，在观察患者4的心脏运动或任何其他运动的情况下，同样的基本原则也适用。还应当清楚，当来自呼吸运动的信息可用时，所有利用来自呼吸运动的信息(即经由机械风箱)的当前MRI方法都同样适用。

最方便和优选的拓扑是将每个拾取线圈5、5′连接到各个接收机7、7′，使得所接收信号被解调并在处理单元9中执行的数据处理软件的完全控制下可用。在另一个实施例中(未示出)，可以利用二极管电路对拾取线圈电压进行整流并将其馈送到比较器中，以经由标准接口向处理单元9报告电压电平。

参考图2，现在将解释本发明方法的不同步骤。首先，经由发射RF线圈发射RF脉冲(RF波形20)。在“RF激励”图上示出了RF波形20。在“切片”图中示出了在这种情况下被发射的梯度波形的形状，即MRI***的梯度序列21。在“测量”图中，示出了测量梯度22的波形，其用于在激励磁共振之后测量MR信号。在“准备”图中示出了准备梯度23(编码梯度)。“RF激励”图中示出的RF波形20并且使用梯度序列21在患者4体内选择切片。“测量”和“准备”图用于读出MR信号。

在“MR样本”图中，示出了NMR数据的采样，即从RF线圈接收RF能量。示出了“样本”区域24，其中，在测量期间对MR数据采样。将该采样重复若干次。

在下方的“拾取线圈样本”图中，示出了在RF激励期间进行拾取线圈上电压的采样(方框“样本”25)。在对MR数据采样的时间之前，在“拾取线圈样本”曲线图中示出了“过程修改”方框26，其表明在RF采样和MR信号采样之间，存在修改MR采样方案的时间。换言之，在这一时间期间，能够利用采样数据处理MR数据并提取任何运动信息。例如，从采样的RF信号判断患者4处于例如呼吸周期的什么位置。基于该信息，由处理单元9，例如利用查找表等做出判断。结果，选择了一定的测量波形形状22或一定的准备梯度形状23。借助处理单元9执行“过程修改”方框26期间执行的步骤，所述处理单元9经由控制器10连接到RF发射线圈元件3，以形成闭合的控制电路。

接下来，可以由处理单元9和数据存储器(未示出)存储处理结果，用于稍后图像重构；或者可以使用处理结果借助处理单元9修改两个梯度通道，即修改当前的图像采集。在后一种情况下，根据在RF激励期间执行的采样的结果改变测量梯度22和准备梯度23。例如，如果处理拾取线圈测量值发现患者4当前正在呼气，就可以在该时间点选择准备梯度23的特定编码状态。

图3示出了具有十个RF线圈元件3的多元件发射/接收(Tx/Rx)RF线圈2的示意图。患者4被十个独立的RF线圈元件3围绕，每个RF线圈元件包括与RF线圈元件3相邻的独立拾取线圈5。

尽管在上文示出的实施例中采用了至少两个拾取线圈5、5′，本发明也可以仅利用一个拾取线圈5工作。在这种情况下，关于患者4的物理运动必需要做一些假设，使得拾取线圈5能够定位在对检测特定种类运动最敏感的地方。

图4示出了多通道RF发射***1的单个通道的示意结构。对于每个通道，***使用由同轴电缆27连接到RF放大器28的单个拾取线圈5″，该拾取线圈是发送链路的一部分。换言之，针对每个RF线圈元件3使用独立的RF放大器28。图4中未示出***1的发射机和其他部分。在该示例中，拾取线圈5″放置得非常靠近RF线圈2，使得RF线圈2的导体中的交流电流在拾取线圈5″中诱发可监测的电压。在为RF线圈2加载患者时，RF线圈2中的电流被调制，拾取线圈5″经由电感耦合和电压中相应的变化感测到这种情况。换言之，当RF放大器28发射时，使用正向和反射功率表示负载的状态。

图5示出了本发明的备选实施例，其中，利用定向耦合器29替换***的每个通道中的拾取线圈。将发射到负载的RF功率部分称为“正向”功率。从负载反射的RF(电)功率部分被称为“反射”功率。定向耦合器29现在感测RF放大器28和RF线圈元件3之间的一部分正向和反射功率。当RF线圈元件3的负载变化时，RF线圈2的阻抗变化，这导致测量的反射功率变化。于是，间接地，可以通过测量来自定向耦合器29的反射功率电压，尤其是通过测量反射功率端口30上的电压，来监测RF线圈元件3。

RF线圈元件3是使用常常与电容器31串联的铜环路(电感器)的谐振结构。它们一起谐振，且在电感器和电容器之间交换能量。利用靠近RF线圈2的拾取线圈5，可以经由电感耦合监测RF线圈(电感器)铜环路中变化的电流，如上所述，这是作为拾取回路上的电压变化被测量的。然而，可以通过直接测量电容器31两端的电压来观察这一相同的电压调制。于是，图6示出了本发明的备选实施例，其中，对于***的每个通道，直接测量具有诸如电容、电感、电阻等预定电磁性质的部件(例如固定电容器31)两端的电压。该电压正比于RF线圈2的负载。不过，在这种情况下，电压可能更高，必需要仔细不增加电阻，这可能会破坏RF线圈谐振性能。

对所述的所有器具进行改造以执行根据本发明的方法。构造所有装置，尤其是处理单元9并编程控制，从而根据本发明的方法运行获取数据和数据处理的流程。处理单元9适于执行计算测量数据以及确定和评估结果的所有任务。根据本发明，这是利用一种计算机软件实现的，该计算机软件包括计算机指令，当在处理单元9中执行软件时，该计算机指令适于执行本发明方法的步骤。处理单元9本身可以包括实现为硬件、软件形式或两者组合形式的功能模块或单元。在本发明的优选实施例中，将处理单元9实现为微型计算机的形式。

对于本领域的技术人员来说，显而易见，本发明不限于以上示出的实施例的细节，且可以通过其他特定形式实现本发明而不脱离其精神或本质属性。因此要将这些实施例从所有方面都视为例示性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而非以上描述表明，因此意在涵盖落在权利要求等价要件的含义和范围内的所有变化。此外还要明了的是，“包括”一词不排除其他元件或步骤，词语“一”或“一个”不排除多个，而且单个元件，例如计算机***或另一单元可以完成权利要求中所述的若干装置的功能。权利要求中的附图标记不应被示为限制相关权利要求。

Claims (13)

1、一种磁共振成像***(1)，包括

-第一RF线圈(2)，其适于采集患者身体的磁共振成像数据；

-若干测量元件(5，5′，5″，29，31)，其对所述第一RF线圈(2)的负载变化敏感，所述测量元件(5，5′，5″，29，31)适于采集与所述患者身体的运动相关的数据；以及

-处理单元(9)，其适于采用所述运动数据来校正磁共振成像中的患者运动。

2、根据权利要求1所述的磁共振成像***(1)，其中，所述负载敏感测量元件(5，5′，5″，29，31)适于采集所述患者(4)的呼吸和/或心脏运动。

3、根据权利要求1所述的磁共振成像***(1)，其中，所述第一RF线圈(2)为仅发射线圈或发射/接收线圈。

4、根据权利要求1所述的磁共振成像***(1)，其中，所述第一RF线圈(2)为多元件RF线圈。

5、根据权利要求4所述的磁共振成像***(1)，其中，每个RF线圈元件(3)包括其自身的负载敏感测量元件(5，5′，5″，29，31)。

6、根据权利要求4所述的磁共振成像***(1)，其中，所述负载敏感测量元件(5，5′，5″，29，31)的数量不等于所述RF线圈元件(3)的数量。

7、根据权利要求4所述的磁共振成像***(1)，其中，所述多元件RF线圈(2)适于直接定位于所述患者(4)上。

8、根据权利要求1所述的磁共振成像***(1)，其中，所述第一RF线圈(2)是正交鸟笼线圈，并且设置所述负载敏感测量元件(5，5′，5″，29，31)以检测所述第一RF线圈(2)的水平谐振模式和竖直谐振模式的负载变化。

9、根据权利要求1所述的磁共振成像***(1)，其中，负载敏感测量元件包括耦合到所述RF线圈(2)的第二RF线圈(5，5′，5″)和/或定向耦合器(29)和/或电气或电子部件(31)。

10、一种磁共振成像方法，其包括如下步骤：

-借助第一RF线圈(2)采集患者身体的磁共振成像数据；

-借助若干测量元件(5，5′，5″，29，31)采集与所述患者身体的运动相关的数据，所述测量元件对所述第一RF线圈(2)的负载变化敏感；以及

-借助处理单元(9)采用所述运动数据来校正磁共振成像中的患者运动。

11、根据权利要求11所述的磁共振成像方法，其中，与RF传输(20)同时采集所述磁共振成像数据和所述与患者运动相关的数据。

12、根据权利要求11所述的磁共振成像方法，其中，所述校正步骤包括在所述RF传输(20)之后调整所述MRI序列。

13、一种用于执行磁共振成像方法的计算机程序；在所述方法中，借助第一RF线圈(2)采集患者身体的磁共振成像数据；并且在所述方法中，借助若干测量元件(5，5′，5″，29，31)采集与所述患者身体的运动相关的数据，所述测量元件对所述第一RF线圈(2)的负载变化敏感；所述程序包括借助处理单元(9)采用所述运动数据来校正磁共振成像中的患者运动的计算机指令，其中，在计算机中执行所述计算机程序。

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