CN102334045A - 用于提供高分辨率的磁共振成像的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于提高MRI设备的图像质量的装置和方法，所述MRI设备包括非超导电磁体和多个磁极片。所述用于提高图像质量的装置选自：（a）用于减轻因B0磁场的不稳定性而导致的MRI图像质量劣化的装置；（b）用于降低或校正剩余磁化强度的装置；（c）用于提供3D诊测图像的装置；以及（d）上述装置的任意组合。与不含这种用于提高图像质量的装置的MRI设备相比，所述用于提高图像质量的装置提供了具有更高分辨率的物体图像。

Description

用于提供高分辨率的磁共振成像的装置和方法
技术领域
本发明主要涉及MRI（磁共振成像）。更具体地，本发明涉及用于提供高分辨率MRI的装置和方法。
艾斯拜克特磁铁技术有限公司（以色列）（ASPECT Magnet Technologies Ltd）销售商用的NMR/MRI设备。这些医疗级（1-1.5特斯拉）、桌面大小且分辨率高的磁共振成像（MRI）***用于实验室和临床前研究中心，以进行小动物体内成像和体内研究。另外，还研发了应用于人体肢端的MRI***，以腕管综合症（腕关节）（Carpal Tunnel Syndrome）作为第一次医疗应用的对象。
至于B0磁场的稳定性，在扫描时、尤其是扫描分别率极高的图像时，需要频率的大幅漂移。“极高的分辨率”取决于每采集数据和扫描时间可用的S/N（信号平均功率与噪声平均功率的比值），例如，100um×100um×500um便认为是Aspect的MRI扫描仪中的高分辨率。
不稳定性来自于：a. 环境温度的改变；b. 梯度式欧姆加热；c. 外部磁场。降低上述成像***对B0磁场不稳定性的敏感性的装置和方法，仍是存在已久的需求。
至于进行快速自旋回波（On Fast SE）扫描时，FSE对梯度性能和B0稳定性都敏感。假象，例如干扰图式和/或伪影（ghosts），都将显示在幅度图像上。
在消除了涡流问题后，还需解决以下问题：a. 对设计脉冲的梯度响应不精确；b. 带磁渗透极片的磁体中的剩余磁化强度；c. 相对磁体的B0磁场而言的高梯度磁场所产生的伴生磁场（“麦克斯韦磁场”）。这些将产生不希望的磁场空间分布，从而进一步引起相应的自旋相位演化。
至于3D诊测，如何通过最短的步骤来定位一幅扫描图像，从而使物体可见，是存在已久的需求。
发明内容
本发明的一个目的是，公开一种用在包括非超导电磁体和多个磁极片的MRI设备中的装置，所述装置通过降低对B0磁场的敏感性、来减轻所述B0磁场的不稳定性导致的MRI图像质量劣化，所述装置包括：（a）用于校正激发量漂移的装置，所述校正装置包括用于作用强选择梯度的宽带RF激发脉冲的装置，和/或用于产生TX频率的实时改变、以在扫描中获取平滑变化的装置；以及（b）用于校正频率的漂移和/或采集数据相位的漂移的装置，所述装置包括用于获取每个FID的线性相位校正（F）的装置，所述线性相位校正（F）的函数形式为F = Δf(t + te)。本发明的实质包括，与等同于所述MRI设备、但缺少所述在不降低图像分辨率的同时增加或提供B0磁场稳定性的装置的设备相比，所述通过降低对B0磁场的敏感性、来减轻所述B0磁场的不稳定性导致的MRI图像质量劣化的装置能减少以下中至少一项：（a）被成像的物体与至少一个所述电磁体之间的距离；（b）磁场；（c）所述电磁体的温度。
本发明的另一个目的是，公开一种用在包括非超导电磁体和多个磁极片的MRI设备中的装置，所述装置用于降低或校正剩余磁化强度，所述装置包括：（a）用于提供额外梯度脉冲的装置，该额外梯度脉冲用于恢复所述多个磁极片的磁化强度；以及（b）用于对所述电磁体提供至少一个高电流脉冲的装置。本发明的实质包括，与等同于所述MRI设备、但缺少所述用于降低或校正剩余磁化强度的装置的MRI设备相比，所述用于降低或校正剩余磁化强度的装置使2D或3D的MRI图像具有更高的分辨率。
本发明的另一个目的是，公开一种用在包括非超导电磁体和多个磁极片的MRI设备中的装置，所述装置用于提供3D诊测图像，所述装置包括：（a）用于提供感兴趣体积内的3D短TR扫描的装置；（b）用于重构三个正交主轴片的装置；以及（c）用于将所述轴片传送至三平面***软件的装置。本发明的实质包括，所述用于提供3D诊测图像的装置使所述设备能对被成像的物体进行定位，并将要在其中获取MRI图像的体积限制在最低限度、以对所述物体进行成像。
本发明的另一个目的是，公开一种用在包括非超导电磁体和多个磁极片的MRI设备中的装置，所述装置用于提供快速自旋回波（Fast Spin- Echo, FSE）MRI，所述装置包括：（a）用于FSE校准的装置，所述装置包括用于分离奇数回波和偶数回波的装置；（b）用于计算所述奇数回波和偶数回波的时间和相位切换的装置；（c）用于校正剩余磁化强度的装置，所述装置包括：（i）用于提供额外梯度脉冲的装置，该额外梯度脉冲用于恢复所述多个磁极片的磁化强度；以及（ii）用于向所述电磁体提供至少一个高电流脉冲的装置；以及（d）用于校正伴生磁场的装置。本发明的实质还包括，与等同于所述设备、但缺少用于提供FSE MRI的装置的MRI设备相比，所述用于提供FSE MRI的装置提高了采集图像的分辨率，并将采集所述图像需要的时间缩短到最少。
本发明的另一个目的是，公开一种用在包括非超导电磁体和多个磁极片的MRI设备中的装置，所述装置用于提供快速自旋回波（Fast Spin- Echo, FSE）MRI，所述装置包括：（a）用于FSE校准的装置，所述装置包括用于分离奇数回波和偶数回波的装置；（b）用于计算所述奇数回波和偶数回波的时间和相位切换的装置；（c）用于校正剩余磁化强度的装置，所述装置包括：（i）用于提供额外梯度脉冲的装置，该额外梯度脉冲用于恢复所述多个磁极片的磁化强度；以及（ii）用于向所述电磁体提供至少一个高电流脉冲的装置；（d）用于校正伴生磁场的装置；以及（e）用于提供3D诊测图像的装置，所述装置包括：（i）用于在感兴趣体积内提供3D短TR扫描；（ii）用于重构三个正交主轴片的装置；以及（iii）用于将所述轴片传送至三平面***软件的装置。本发明的实质还包括，与等同于所述设备、但缺少用于提供FSE MRI装置的MRI设备相比，所述用于提供FSE MRI的装置提高了采集图像的分辨率，并将采集所述图像需要的时间缩短到最少。
本发明的另一个目的是，公开一种用在包括非超导电磁体和多个磁极片的MRI设备中的方法，所述方法通过降低对B0磁场的敏感性、来减轻所述B0磁场的不稳定性导致的MRI图像质量劣化，所述方法包括步骤：（a）校正激发量的漂移；（b）校正所采集数据中观察到的频率和相位的漂移。
本发明的另一个目的是，公开一种方法，其中所述用于校正激发量漂移的步骤进一步包括作用强选择梯度的宽带RF激发脉冲。
本发明的另一个目的是，公开一种方法，其中所述用于校正激发量漂移的步骤进一步包括实时改变TX频率的步骤。
本发明的另一个目的是，公开一种方法，其中所述用于校正采集数据观察到的频率和相位的漂移的步骤进一步包括在扫描时收集额外导航回波的步骤。
本发明的另一个目的是，公开一种用在包括非超导电磁体和多个磁极片的MRI设备中的方法，所述方法用于降低或校正剩余磁化强度，所述方法包括：（a）提供额外的梯度脉冲，该额外梯度脉冲用于恢复所述多个磁极片的磁化强度；以及（b）可选择地提供高电流脉冲，以恢复所述多个磁极片的磁化强度。
本发明的另一个目的是，公开一种用在包括非超导电磁体和多个磁极片的MRI设备中的方法，所述方法用于提供3D诊测图像，所述方法包括步骤：（a）进行3D短TR扫描；（b）重构三个正交主轴片；以及（c）在三平面***软件中使用所述磁性轴片。
本发明的另一个目的是，公开一种用在包括非超导电磁体和多个磁极片的MRI设备中的方法，所述方法用于增加或提供快速自旋回波（Fast Spin- Echo, FSE）MRI，所述方法包括步骤：（a）校准所述FSE，所述校准包括步骤：（i）分离奇数回波和偶数回波；（ii）计算所述奇数回波和偶数回波的时间和相位的切换；（b）校正剩余磁化强度；以及（c）校正伴生磁场。
本发明的另一个目的是，公开一种方法，其中，所述校正伴生磁场的步骤进一步包括附加步骤：（a）分离奇数回波和偶数回波；以及（b）使用重构算法，所述重构算法包括步骤：（i）分别重构所述奇数回波和偶数回波的图像；（ii）从所述奇数回波和偶数回波的数据集中得出低分辨率的相位校正；（iii）根据步骤（ii）得出的规则，进行低分辨率相位校正；以及（iv）组合所述奇数回波和偶数回波的图像。
本发明的另一个目的是，公开一种方法，其中，所述分离奇数回波和偶数回波的步骤进一步包括对沿队列的每个其它回波作用扰相梯度（crusher gradient）的附加步骤。
本发明的另一个目的是，公开一种方法，其中，所述分离奇数回波和偶数回波的步骤进一步包括步骤：（a）将相位循环调制策略施加至两个激发扫描的其中之一，所述相位循环调制策略用于每个其它180°回聚脉冲、并由调制器相位中的0°和180°脉冲构成；以及（b）增加和减去所述两个扫描直到获得理想的分离。
本发明的另一个目的是，公开一种方法，该方法进一步包括获取3D诊测图像的步骤。
本发明的另一个目的是，公开一种方法，其中，所述获取3D诊测图像的步骤进一步包括步骤：（a）进行3D短TR扫描；（b）重构三个正交主磁性轴片；以及（c）在三平面***软件中使用所述磁性轴片。
本发明的另一个目的是，公开以上所述的装置和方法，其中，所述MRI设备为艾斯拜克特公司生产的商用MRI设备。
在商用MRI、尤其是艾斯拜克特公司生产的MRI中，本发明公开了用于降低对B0磁场不稳定性的敏感性的装置，从而消除因B0磁场不稳定而导致的图像质量劣化，如本发明中所述。
在商用MRI、尤其是艾斯拜克特公司生产的MRI中，本发明进一步公开了用于降低对B0磁场不稳定性的敏感性的方法，从而消除因B0磁场不稳定而导致的图像质量劣化，所述方法包括如本发明所述的步骤。
在商用MRI、尤其是艾斯拜克特公司生产的MRI中，本发明进一步公开了用于增加或提供如本发明所述的快速自旋回波（Fast SE）的装置。
在商用MRI、尤其是艾斯拜克特公司生产的MRI中，本发明进一步公开了用于增加或提供如本发明所述的快速自旋回波（Fast SE）的方法，所述方法包括如本发明所述的步骤。
在商用MRI、尤其是艾斯拜克特公司生产的MRI中，本发明进一步公开了如本发明所述的用于降低或纠正剩余磁化强度的装置。
在商用MRI、尤其是艾斯拜克特公司生产的MRI中，本发明进一步公开了用于降低或纠正剩余磁化强度的方法，所述方法包括如本发明所述的步骤。
在商用MRI、尤其是艾斯拜克特公司生产的MRI中，本发明进一步公开了如本发明所述的用于提供3D诊测的装置。
在商用MRI、尤其是艾斯拜克特公司生产的MRI中，本发明进一步公开了用于提供3D诊测的方法，所述方法包括如本发明所述的步骤。
具体实施方式
以下说明书部分使本领域技术人员能使用本发明，并能实施发明人精心设计的本发明的最佳实施例。由于本发明的总原则是提供具有高分辨率MRI的装置和方法，因此，各种改进例对本领域技术人员来说都是显而易见的。
在此所用的术语“高电流脉冲”是指其电流高于梯度中的脉冲序列中其它任何电流的一个脉冲。
B0磁场稳定性
本发明提供了用于降低对B0磁场不稳定性的敏感性的创新装置，从而消除了由于B0磁场的不稳定性而导致的图像质量劣化。
在该部分中有两个对象需要注意：
a. 激发量的漂移（带激发数量）。
i. 在2D扫描中，可通过作用具有强选择梯度的宽带RF激发脉冲，来显著减小所述漂移。在3D扫描中亦可如此。但由于激发量更大，因此所述选择梯度更弱。如果沿所述3D图像的编码花费最短的可能时间（例如，扫描图像的最内环），则对于中央重构轴片而言，问题可完全缓解。
ii. TX频率的实时变化。难点在于要在扫描过程中实现平滑变化，该平滑变化需要精确的频率测量或繁琐的算法。以上任一种为获得良好的结果（即高分辨率），都需要为后处理过程收集频率，以下将对此进行详细叙述。一种好的折中办法是，在预测扫描中的行为，并依循一组预定的TX频率。
b. 所采集数据在观察到的频率和相位中的漂移（采集数据的不一致）。
在扫描中收集额外导航回波，用于两个目的：（1）如上所述，在扫描中改变TX频率；（2）在图像重构过程中对数据进行后处理。
将所述导航回波以FSE类型扫描作为额外自旋回波进行收集，以及以SE和GRE类型作为额外FID进行收集。对所述额外收集的数据进行平滑处理，用polyfit算法进行插值，并在recon.算法中使用。
GRE类型的扫描受空间切换和回波相位上的数据不连续性（由于频率漂移）的影响。
由每个FID的线性相位校正仪来校正所述不连续性，其中常数为来自于频率漂移，且所述常数为用te*得到的频率漂移。SE类型通过相同方式进行校正，其中所述常数设置为零。
快速自旋回波（On Fast SE）
本发明公开了用于提供快速自旋回波（Fast SE）的装置和方法。一般而言，不同的再聚焦RF脉冲之间的不同自旋相位演化是不可能被校正的。回聚脉冲之间的演化在整个回波队列中都重复其自身的情形是可能进行校正的。以下假定后者的情形。
为产生这种条件，需要对脉冲序列进行一些校准和修正。
a. FSE校准
在所述假定/估计下，梯度回波时间和相位的切换沿回波队列发生，其中，跟随RF回聚脉冲的奇数回波和偶数回波进行相反切换（回波时间和相位）。这产生了波（干扰）和“伪影”效应。所述校准过程由以下组成：
i. 有两种分离奇数回波和偶数回波的方法：
1. 用于沿队列的每个其它回波的扰相梯度将消除奇数回波或偶数回波。
2.将相位循环调制策略施加至两个激发扫描的其中之一，所述相位循环调制策略由调制器相位中的180°脉冲构成，用于每个其它RF回聚脉冲。通过增加和减去两个扫描，可实现理想的分离。
所述相位循环也可作用于RF激发脉冲。
注意：要在校准相位时进行回波分离，所述扫描应当在去除编码梯度的情况下运行。
为计算所述奇数回波/偶数回波的时间和相位的切换，作用第一FT，奇数回波和偶数回波之间的相位差异的线性项便是脉冲序列所需的结果校正值，（常数->回波切换，常数->相位校正）。这些转换为TX中的读去相梯度校正和相位跳变，这可由选定期间的跳频来完成。
b. 剩余磁化强度
由于编码梯度在整个回波队列中取决于磁极片的行为而改变，因此，沿队列的自旋演化将不再重复其自身。为校正这一点，需要在每个相位编码梯度脉冲之后跟随额外的梯度脉冲，这些额外的梯度脉冲使磁极片中的磁化强度恢复至相同水平。如果条件足够有利，则单一的高电流脉冲能独立于历史梯度脉冲将磁化强度恢复至近似相同水平。
c. 伴生磁场：
校正伴生磁场最直接的方式是补偿因作用具有相反效应的梯度而产生的影响。这种方式非常消耗序列的时间结构，以及SNR（信噪比）和扫描时间。
一种更好并经用的校正FSE扫描的方式是，作用如上所述的全扫描奇数/偶数回波分离。
 所述重构算法由这些步骤构成：单独地重构所述奇数/偶数回波的图像，接着在进行了低分辨率相位校正后将这些图像组合起来，所述低分辨率相位校正来自于所述奇数/偶数回波图像数据集。
剩余磁化强度
如在FSE校正中段落b所述，必要时这种校正可作用于所有类型的序列。还可在激励周期的尾声或先于激励周期作用，以重复初始条件。
3D诊测
本发明公开了提供3D诊测的装置和方法。在高分辨率应用中，所述诊测扫描本身便需要相当高的分辨率。为同时具有适当的SNR（信噪比），对感兴趣体积进行3D短TR扫描。
重构三个正交主磁性轴片，以在三平面***软件中使用。从所述3D数据集重构目标磁极片平面并进行观察。这对一气呵成地精确定位扫描具有显著作用。

Claims (19)

1. MRI设备中用于提高图像质量的装置，所述MRI设备包括非超导电磁体和多个磁极片，所述用于提高图像质量的装置选自以下装置：（a）用于减轻因B0磁场的不稳定性而导致的MRI图像质量劣化的装置；（b）用于降低或校正剩余磁化强度的装置；（c）用于提供3D诊测图像的装置；以及（d）上述装置的任意组合；其中，与不含这种用于提高图像质量的装置的MRI设备相比，所述用于提高图像质量的装置提供了具有更高分辨率的物体图像。
2. 根据权利要求1所述的用于提高图像质量的装置，其中，所述用于减轻因B0磁场的不稳定性而导致的MRI图像质量劣化的装置包括用于降低对B0磁场不稳定性的敏感性的装置，所述用于降低对B0磁场不稳定性的敏感性的装置包括：a. 用于校正激发量漂移的装置，所述校正装置包括用于作用强选择梯度的宽带RF激发脉冲的装置，和/或用于产生TX频率的实时改变、以在扫描中获取平滑变化的装置；以及b. 用于校正频率漂移和/或所采集数据相位漂移的装置，所述装置包括用于获取每个FID的线性相位校正（F）的装置，所述线性相位校正（F）的函数形式为F = Δf(t + te)；其中，与等同于所述MRI设备、但缺少所述用于在不降低图像分辨率的同时增加或提供B0磁场稳定性的装置的设备相比，所述通过降低对B0磁场的敏感性、来减轻因B0磁场的不稳定性而导致的MRI图像质量劣化的装置能减少以下中至少一项：（a）被成像的物体与至少一个所述电磁体之间的距离；（b）磁场；（c）所述电磁体的温度。
3. 根据权利要求1所述的用于提高图像质量的装置，其中，所述用于降低或校正剩余磁化强度的装置包括：a. 用于提供额外梯度脉冲、以恢复所述多个磁极片的磁化强度的装置；以及b. 用于对所述电磁体提供至少一个高电流脉冲的装置；其中，与等同于所述MRI设备、但缺少所述用于降低或校正剩余磁化强度的装置的MRI设备相比，所述用于降低或校正剩余磁化强度的装置使2D或3D的MRI图像具有更高的分辨率。
4. 根据权利要求1所述的用于提高图像质量的装置，其中，所述用于提供3D诊测图像的装置包括：a. 用于在感兴趣体积内提供3D短TR扫描的装置；b. 用于重构三个正交主轴片的装置；以及c. 用于将所述轴片传送至三平面***软件的装置；其中，所述用于提供3D诊测图像的装置使所述设备能对被成像的物体进行定位，并将要在其中获取MRI图像的体积限制在最低限度、以对所述物体进行成像。
5. MRI设备中用于提供快速自旋回波MRI的装置，所述MRI设备包括非超导电磁体和多个磁极片，所述用于提供快速自旋回波MRI的装置包括：a. 用于快速自旋回波校准的装置，该装置包括用于分离奇数回波和偶数回波的装置；b. 用于计算所述奇数回波和偶数回波的时间和相位切换的装置；c. 用于校正剩余磁化强度的装置，该装置包括：i. 用于提供额外梯度脉冲、以恢复所述多个磁极片的磁化强度的装置；以及ii. 用于向所述电磁体提供至少一个高电流脉冲的装置；以及d. 用于校正伴生磁场的装置；其中，与缺少所述用于提供快速自旋回波MRI的装置的同类MRI设备相比，所述用于提供快速自旋回波MRI的装置提高了采集图像的分辨率，并将采集所述图像需要的时间缩短到最少。
6. 根据权利要求5所述的用于提供快速自旋回波MRI的装置，该装置进一步包括提供3D诊测图像的装置，该提供3D诊测图像的装置包括：a. 用于在感兴趣体积内提供3D短TR扫描的装置；b. 用于重构三个正交主轴片的装置；以及c. 用于将所述轴片传送至三平面***软件的装置；其中，与缺少该用于提供快速自旋回波MRI的装置的同类MRI设备相比，所述用于提供快速自旋回波MRI的装置提高了采集图像的分辨率，并将采集所述图像需要的时间缩短到最少。
7. MRI设备中用于降低由于B0磁场的不稳定性而导致的MRI图像质量劣化的方法，所述MRI设备包括非超导电磁体和多个磁极片，所述方法通过降低对B0磁场的敏感性、来减轻因所述B0磁场的不稳定性而导致的MRI图像质量劣化，所述方法包括以下步骤：a. 校正激发量的漂移；b. 校正所采集数据中观察到的频率和相位的漂移。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述校正激发量漂移的步骤进一步包括施加具有强选择梯度的宽带RF激发脉冲。
9. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述校正激发量漂移的步骤进一步包括实时改变TX频率的步骤。
10. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述校正所采集数据中观察到的频率和相位的漂移进一步包括在扫描时收集额外导航回波的步骤。
11. MRI设备中用于降低或校正剩余磁化强度的方法，所述MRI设备包括非超导电磁体和多个磁极片，所述方法包括以下步骤：a. 提供额外的梯度脉冲、以恢复所述多个磁极片的磁化强度；以及b. 可选择地提供高电流脉冲，以恢复所述多个磁极片的磁化强度。
12. MRI设备中用于提供3D诊测图像的方法，所述MRI设备包括非超导电磁体和多个磁极片，所述方法包括以下步骤：a. 进行3D短TR扫描；b. 重构三个正交主轴片；以及c. 在三平面***软件中使用所述磁性轴片。
13. MRI设备中用于增加或提供快速自旋回波MRI的方法，所述MRI设备包括非超导电磁体和多个磁极片，所述方法包括以下步骤：a. 校准所述快速自旋回波，所述校准包括步骤：i. 分离奇数回波和偶数回波；以及ii. 计算所述奇数回波和偶数回波的时间和相位的切换；b. 校正剩余磁化强度；以及c. 校正伴生磁场。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述校正伴生磁场的步骤进一步包括以下附加步骤：a. 分离奇数回波和偶数回波；以及b. 使用重构算法，所述重构算法包括步骤：i. 分别重构所述奇数回波和偶数回波的图像；ii. 从所述奇数回波和偶数回波的数据集中得出低分辨率的相位校正；iii. 根据步骤（ii）得出的规则，进行低分辨率相位校正；以及iv. 组合所述奇数回波和偶数回波的图像。
15. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述分离奇数回波和偶数回波的步骤进一步包括对沿队列的每个其它回波作用扰相梯度的附加步骤。
16. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述分离奇数回波和偶数回波的步骤进一步包括步骤：a. 将相位循环调制策略施加至两个激发扫描的其中之一，所述相位循环调制策略由调制器相位中的0°和180°脉冲构成，用于每个其它180°回聚脉冲；以及b. 增加和减去所述两个扫描直到获得理想的分离。
17. 根据权利要求13所述的方法，该方法进一步包括获取3D诊测图像的步骤。
18. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述获取3D诊测图像的步骤进一步包括步骤：a. 进行3D短TR扫描；b. 重构三个正交主磁性轴片；以及c. 在三平面***软件中使用所述磁性轴片。
19. 根据以上任一项权利要求所述的装置和方法，其中，所述MRI设备为艾斯拜克特（ASPECT）公司生产的商用MRI设备和***。
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