CN105629187B - 用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的方法及***，对射频线圈每个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化，并根据优化后的幅度控制参数和优化后的相位控制参数获得优化后的合成图像，并根据优化后的合成图像，对局部接收线圈的敏感度进行校正。本发明通过对射频线圈各通道的信号分别进行幅度控制和相位控制，对每个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化，优化接收敏感度的均匀分布，达到优化B1‑的目的，且本发明使用B1‑优化后的参考图像对局部接收线圈敏感度进行校正，从而能够有效地提升最终临床诊断图像的均匀性。

Description

用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的方法及***

技术领域

本发明涉及磁共振成像***，尤其涉及用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的方法及***。

背景技术

近年来，随着高场磁共振***的快速发展，B1场的优化问题获得了越加广泛的重视和研究。B1场均匀性在高场超导磁共振***中是一个关键性的技术问题，直接影响到图像的均匀性。B1场又可分为B1+和B1-两种不同极化方式的场。其中，B1+为正旋圆极化场，主要影响了信号激励能量的均匀分布，B1-为反旋圆极化场，主要影响了线圈接收敏感度的均匀分布，两者都对图像的均匀性产生了较大的影响。关于B1+和B1-的研究，可参见文献(Non-uniformity correction of human brain imaging at high field by RF fieldmapping of B1+and B1-，Journal of Magnetic Resonance 212(2011)426–430)。

目前，对于B1场的校准主要有以下两种校正方法：

(1)主要集中在对发射场B1+的均匀性优化和激发区域控制，对于临床应用中B1-的优化还鲜有文献报道。B1+优化的具体方法是通过多通道幅度相位单独控制的并行发射***对B1场的空间分布进行调节。

但是，该方法中，容积收发线圈的接收链路和发射链路是分离的，该方法并不能控制多通道线圈B1-的合成关系，因此，B1-的非均匀性仍然会反映到图像中。对于容积收发线圈的通道合并方式，现有的SOS合并虽然可以保证每个像素点都达到理论上最强的信号幅度，但没有考虑B1-均匀性的优化。

(2)基于线圈敏感度的均匀性校正方法。该校正方法分别采集容积收发线圈和局部接收线圈的图像，并以容积收发线圈的图像为基准计算局部接收线圈的相对敏感度分布图，从而对线圈敏感度分布导致的图像非均匀性进行补偿。该方法可以较好的保留原始图像的对比度及细节显示，因此获得了比较广泛的应用。

但是，该方法无法校正容积收发线圈自身的接收场B1-非均匀性，因此在高场***中存在一定的限制。

发明内容

本发明提出了一种用于容积收发线圈B1-场均匀性优化的方法，结合局部接收线圈的敏感度校正技术，可以为改善临床图像的均匀性提供新的途径。

用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的方法，包括以下步骤：

S1、获取射频线圈若干个通道的K空间数据，对所述K空间数据进行傅里叶变换获得图像域的若干个复数图；所述复数图中包含图像的幅度和相位信息；

S2、分别设置所述若干个通道的幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值，根据所述若干个通道的幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值以及所述若干个复数图计算得到合成图像；

S3、根据所述合成图像，对所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化，根据所述优化后的幅度控制参数、相位控制参数以及所述若干个复数图计算得到优化后的合成图像；

S4、根据优化后的合成图像，对局部接收线圈的敏感度进行校正。

可替换地，S1中的所述射频线圈为容积收发线圈或表面阵列线圈。

可选择地，所述通道的数目为-2～32。

进一步地，S2中所述的根据所述若干个通道的幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值以及所述若干个复数图计算得到合成图像包括：

将所述幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值和所述复数图代入合成图像计算公式，获得合成图像；所述合成图像计算公式如下：

其中，Img_Opt为合成图像，i为每个通道对应的编号，Img_i为对应于i通道的图像域的复数图，a_i为i通道的幅度控制参数，b_i为i通道的相位控制参数，j为虚数单位，为以自然常数e为底、以jb_i为指数的指数函数。

进一步地，S3中所述的根据所述合成图像，对所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化包括：对所述合成图像的均匀性进行评估，根据评估结果对所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化。

进一步地，S3中对合成图像的均匀性通过下式评估：

其中，Uniformity为Img_Opt的均匀性，c为预定的常数，λ为预设的0-1之间的数。

进一步地，S3中所述的根据评估结果对所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化包括：

根据下式获得所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数的优化解：

进一步地，求解 的方法为LMS算法、模拟退火算法或遗传算法。

可替换地，S3中所述的根据所述合成图像，对所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化包括：在用于采集每个通道的射频线圈的磁共振信号的信号采集模块与用于对采集到的磁共振信号进行信号处理以得到对应的图像域的复数图的信号处理模块之间，串联用于调节幅度控制参数和相位控制参数的RF模块，通过调节所述RF模块获取优化后的幅度控制参数和相位控制参数，对所述合成图像的均匀性进行评估，根据评估结果通过调节所述RF模块对每个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化。

进一步地，所述用于调节幅度控制参数和相位控制参数的RF模块为可调衰减器和可调移相器。

进一步地，S4中所述的根据优化后的合成图像，对局部接收线圈的敏感度进行校正包括：

S401、获取局部接收线圈的图像，根据优化后的合成图像和局部接收线圈的图像获得局部接收线圈的敏感度分布图；

S402、根据局部接收线圈的敏感度分布图对局部接收线圈采集的图像进行敏感度校正。

进一步地，S401包括：根据下式获得局部接收线圈的敏感度分布图：

SensMap＝ImageFilter(Img_LocalCoil/Img_Opt1)

其中，SensMap为局部接收线圈的敏感度分布图，Img_LocalCoil为采用与步骤S1相同的扫描参数，所述局部接收线圈采集的图像，ImageFilter(x)为图像滤波函数，Img_Opt1为优化后的合成图像；

S402包括：根据下式对局部接收线圈采集的图像进行敏感度校正：

Img_AfterNormlize＝Img_BeforeNormlize/SensMap

其中，Img_AfterNormlize为校正后的局部接收线圈的图像，Img_BeforeNormlize为局部接收线圈采集的图像。

相应地，本发明还提供了一种用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的***，包括：

复数图获取模块，用于获取射频线圈若干个通道的K空间数据，对所述K空间数据进行傅里叶变换获得图像域的若干个复数图；所述复数图中包含图像的幅度和相位信息；

图像合成模块，用于分别设置所述若干个通道的幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值，根据所述若干个通道的幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值以及所述若干个复数图计算得到合成图像；

优化模块，用于根据所述合成图像，对所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化，根据所述优化后的幅度控制参数、相位控制参数以及所述若干个复数图计算得到优化后的合成图像；

校正模块，用于根据优化后的合成图像，对局部接收线圈的敏感度进行校正。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明对射频线圈的通道合并方式进行改进，克服了现有技术的合并方法中没有对B1-均匀性进行优化的缺陷，更改射频线圈的通道合并方式，由常规的SOS合并更改为带幅度相位控制参数的矢量合并，通过对射频线圈各通道的信号分别进行幅度控制和相位控制，对每个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化，优化接收敏感度的均匀分布，达到优化B1-的目的。

(2)本发明使用B1-优化后的射频线圈图像对局部接收线圈敏感度进行校正，从而能够有效地提升最终临床诊断图像的均匀性。

(3)本发明可以改善容积收发线圈B1-非均匀性对图像的影响，是对现有RFShimming技术在接收端的补充和拓展。

(4)本发明提供了基于软件实现的优化方法，无需增加额外的硬件部件，通过软件算法自动进行调节和优化，节约成本，使用方便，自动化程度高。

(5)本发明还提供了基于硬件实现的优化方法，仅需在电路中串联可调衰减器和可调移相器等RF模块，扩充了发明的实现方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的方法实现的流程图；

图2是本发明实施例一提供的方法的工作流程图；

图3是本发明实施例二提供的方法的硬件结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

由于B1-与B1+均为矢量场，对于多通道发射/接收容积线圈，B1-与B1+均满足矢量合成关系，即各通道的B1场通过矢量叠加形成了最终的***B1场。本发明的发明人提出一种用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的方法，通过各通道的B1-通过幅度相位控制和矢量叠加达到调节空间分布和均匀性优化的目的。

请参见图1、图2，本发明的方法实现过程如下：

S1、获取射频线圈若干个通道的K空间数据，对所述K空间数据进行傅里叶变换获得图像域的若干个复数图；所述复数图中包含图像的幅度和相位信息；

本发明的射频线圈可以是容积收发线圈，也可以是其他形式多通道RF线圈如表面阵列线圈等。本实施例以容积收发线圈为例进行说明。

通过容积收发线圈进行图像扫描，获取磁共振信号。容积收发线圈采集到的信号包括多个通道，通道的数目可以是2～32个等，多通道信号的处理方式相似。

本实施例以双通道为例，进行详细说明。

双通道第一通道记为CH1，第二通道记为CH2。

具体来说，分别对CH1和CH2的K空间数据进行傅里叶变换，获得CH1和CH2的图像域的复数图，将CH1的图像域的复数图记为Img₁，CH2的图像域的复数图记为Img₂，其中，所述复数图Img₁和Img₂均包含图像的幅度和相位信息。

S2、分别设置所述若干个通道的幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值，根据所述若干个通道的幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值以及所述若干个复数图计算得到合成图像；

其中，根据所述若干个通道的幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值以及所述若干个复数图计算得到合成图像包括：

将所述幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值和所述复数图代入合成图像计算公式，获得合成图像；所述合成图像计算公式如下：

其中，Img_Opt为合成图像，i为每个通道对应的编号，Img_i为对应于i通道的图像域的复数图，a_i为i通道的幅度控制参数，b_i为i通道的相位控制参数，j为虚数单位，为以自然常数e为底、以jb_i为指数的指数函数。本实施例中，i为1,2.

每个通道的幅度控制参数和相位控制参数设置初始值可以是预设的任意值。

CH1的幅度控制参数的初始值为a₁，相位控制参数为b₁；CH2的幅度控制参数的初始值为a₂，相位控制参数为b₂。则CH1和CH2的合成图像为：

常规的SOS合并的公式如下：

该合并方法可以保证每个像素点都达到理论上最强的信号幅度，但没有考虑B1-均匀性的优化。本发明的方法通过对和相位控制参数的调节，可以实现B1-均匀性的优化。

S3、根据所述合成图像，对所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化，根据所述优化后的幅度控制参数、相位控制参数以及所述若干个复数图计算得到优化后的合成图像。

对每个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化可以通过软件来实现，也可以通过硬件来实现，本实施例详细说明通过软件对每个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化的方法。

优化参数时，首先对合成图像的均匀性进行评估，根据评估结果获得所述若干个通道优化后的幅度控制参数和相位控制参数。对合成图像Img_Opt均匀性的评估可以通过人工方式，也可以通过一定的统计指标或目标函数进行量化计算；例如，可以按照(3)式所述目标函数进行图像整体的均匀性计算和评价，其中，λ∑_i(a_i-1)²为惩罚项，λ值可在0～1之间根据经验进行调节：

其中，Uniformity为图像的均匀性。

确定了图像均匀性的评价函数后，参数优化目标可以表达为：

(4)式为典型的多变量全局优化问题，有很多成熟算法可以用于求解，如LMS、模拟退火、遗传算法等。求解(4)式得到所述若干个通道中每个通道优化后的幅度控制参数和相位控制参数的优化解，对于双通道对应的优化解为[a_{1_opt},b_{1_opt},a_{2_opt},b_{2_opt}]。

根据a_i,b_i的优化解，计算优化后的合成图像：

将优化解[a_{1_opt},b_{1_opt},a_{2_opt},b_{2_opt}]代入(1)式，计算得到优化后的Img_Opt1，i＝1,2。

对于双通道收发线圈而言，优化后的合成图像为：

S4、根据优化后的合成图像，对局部接收线圈的敏感度进行校正。

校正包括两个步骤：

S401、获取局部接收线圈的图像，根据优化后的合成图像Img_Opt1和局部接收线圈的图像获得局部接收线圈的敏感度分布图；

按照与步骤S1相同的扫描参数采集局部接收线圈的图像Img_LocalCoil，在点除的基础上进行适当的图像滤波即可得到局部接收线圈的敏感度分布图。根据下式获得局部接收线圈的敏感度分布图：

SensMap＝ImageFilter(Img_LocalCoil/Img_Opt1) (5)

其中，SensMap为局部接收线圈的敏感度分布图，Img_LocalCoil为采用与步骤S1相同的扫描参数，所述局部接收线圈采集的图像，ImageFilter(x)为图像滤波函数，Img_Opt1为优化后的合成图像；一般情况下，上式中的Img_Opt和Img_LocalCoil均为低分辨率图像。

S402、根据局部接收线圈的敏感度分布图对局部接收线圈采集的图像进行敏感度校正。

根据(5)式计算得到的SensMap，即可对局部接收线圈所采集的其他图像按照下式进行敏感度校正：

Img_AfterNormlize＝Img_BeforeNormlize/SensMap (6)

其中，Img_AfterNormlize为校正后的局部接收线圈的图像，Img_BeforeNormlize为局部接收线圈采集的图像。

根据本发明的方法进行容积收发线圈的通道合并，理论上无法保证信号幅度最大，图像信噪比也可能有所降低。但在高场***中，信号幅度和信噪比的部分损失是可以接受的，不会对后续处理带来严重的影响。此外，对于用来进行敏感度校正的Img_Opt来说，一般情况下其空间分辨率很低，信号强度足够大，因此最终算法的处理结果对信号幅度及信噪比并非十分敏感。

实施例二：

本实施例重点阐述通过硬件方式对每个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化的方法，其余部分与实施例一相同，不再赘述。本实施例的硬件结构图如图3所示。

硬件方式对每个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化的方法为：在用于采集每个通道的射频线圈的磁共振信号的信号采集模块与用于对采集到的磁共振信号进行信号处理以得到对应的图像域的复数图的信号处理模块之间，串联用于调节幅度控制参数和相位控制参数的RF模块。所述用于调节幅度控制参数和相位控制参数的RF模块为可调衰减器和可调移相器。

以双通道的容积收发线圈为例进行说明，当然，本发明的射频线圈也可以是其他形式多通道RF线圈如表面阵列线圈等。本实施例以容积收发线圈为例进行说明。容积收发线圈采集到的信号包括多个通道，通道的数目可以是2～32个等，多通道信号的处理方式与双通道相似。

容积收发线圈分别与CH1、CH2的模数转换及数字处理模块连接，CH1模数转换及数字处理模块连接用于对CH1信号进行模数转换并进行数字处理，CH2模数转换及数字处理模块连接用于对CH2信号进行模数转换并进行数字处理，此处的数字信号处理包括生成CH1或CH2通道对应的K空间原始数据。

CH1模数转换及数字处理模块和CH2的模数转换及数字处理模块均与图像重建及通道合并模块连接，图像重建及通道合并模块用于生成各通道图像域的复数图，并合并图像。

局部接收线圈依次与局部接收线圈模数转换及数字信号处理模块与图像重建及通道合并模块连接。其中，局部接收线圈包括了N个接收单元。

为了对各通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化，容积收发线圈与CH1模数转换及数字处理模块之间串联有可调衰减器和可调移相器，容积收发线圈与CH2模数转换及数字处理模块之间也串联有可调衰减器和可调移相器。可调衰减器用于优化幅度控制参数，可调移相器用于优化相位控制参数。

为了提高线圈收发的信号强度，容积收发线圈与CH1模数转换及数字处理模块之间还连接有CH1前端信号放大模块，容积收发线圈与CH2模数转换及数字处理模块之间还连接有CH2前端信号放大模块；局部接收线圈与局部接收线圈模数转换及数字信号处理模块之间连接有局部接收线圈前端低噪声放大模块。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取射频线圈若干个通道的K空间数据，对所述K空间数据进行傅里叶变换获得图像域的若干个复数图；所述复数图中包含图像的幅度和相位信息；

S2、分别设置所述若干个通道的幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值，根据所述若干个通道的幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值以及所述若干个复数图计算得到合成图像；

S3、根据所述合成图像，对所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化，根据所述优化后的幅度控制参数、相位控制参数以及所述若干个复数图计算得到优化后的合成图像；

S4、根据优化后的合成图像，对局部接收线圈的敏感度进行校正。

2.根据权利要求1中所述的用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的方法，其特征在于，S2中所述的根据所述若干个通道的幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值以及所述若干个复数图计算得到合成图像包括：

将所述幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值和所述复数图代入合成图像计算公式，获得合成图像；所述合成图像计算公式如下：

所述公式中Img_Opt为合成图像，i为每个通道对应的编号，Img_i为对应于i通道的图像域的复数图，a_i为i通道的幅度控制参数，b_i为i通道的相位控制参数，j为虚数单位，为以自然常数e为底、以jb_i为指数的指数函数；本步骤中获得合成图像的过程中a_i采用幅度控制参数初始值，b_i采用相位控制参数初始值。

3.根据权利要求2中所述的用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的方法，其特征在于，S3中所述的根据所述合成图像，对所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化包括：对所述合成图像的均匀性进行评估，根据评估结果对所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化。

4.根据权利要求3所述的用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的方法，其特征在于，S3中对合成图像的均匀性通过下式评估：

其中，Uniformity为Img_Opt的均匀性，c为预定的常数，λ为预设的0-1之间的数。

5.根据权利要求4所述的用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的方法，其特征在于，S3中所述的根据评估结果对所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化包括：

根据下式获得所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数的优化解：

6.根据权利要求1中所述的用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的方法，其特征在于，S3中所述的根据所述合成图像，对所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化包括：在用于采集所述若干个通道的射频线圈的磁共振信号的信号采集模块与用于对采集到的磁共振信号进行信号处理以得到对应的图像域的复数图的信号处理模块之间，串联用于调节幅度控制参数和相位控制参数的RF模块，对所述合成图像的均匀性进行评估，根据评估结果通过调节所述RF模块对每个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化。

7.根据权利要求1所述的用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的方法，其特征在于，S4中所述的根据优化后的合成图像，对局部接收线圈的敏感度进行校正包括：

S401、获取局部接收线圈的图像，根据优化后的合成图像和局部接收线圈图像获得局部接收线圈的敏感度分布图；

S402、根据局部接收线圈的敏感度分布图对局部接收线圈采集的图像进行敏感度校正。

8.根据权利要求7所述的用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的方法，其特征在于，

S401包括：根据下式获得局部接收线圈的敏感度分布图：

SensMap＝ImageFilter(Img_LocalCoil/Img_Opt1)

其中，SensMap为局部接收线圈的敏感度分布图，Img_LocalCoil为采用与步骤S1得到K空间数据过程中使用的相同的扫描参数得到的局部接收线圈采集的图像，ImageFilter(x)为图像滤波函数，Img_Opt1为优化后的合成图像；

S402包括：根据下式对局部接收线圈采集的图像进行敏感度校正：

Img_AfterNormlize＝Img_BeforeNormlize/SensMap

其中，Img_AfterNormlize为校正后的局部接收线圈的图像，Img_BeforeNormlize为局部接收线圈采集的图像。

9.一种用于优化磁共振射频线圈接收场均匀性的***，其特征在于，包括

复数图获取模块，用于获取射频线圈若干个通道的K空间数据，对所述K空间数据进行傅里叶变换获得图像域的若干个复数图；所述复数图中包含图像的幅度和相位信息；

图像合成模块，用于分别设置所述若干个通道的幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值，根据所述若干个通道的幅度控制参数初始值、相位控制参数初始值以及所述若干个复数图计算得到合成图像；

优化模块，用于根据所述合成图像，对所述若干个通道的幅度控制参数和相位控制参数进行优化，根据所述优化后的幅度控制参数、相位控制参数以及所述若干个复数图计算得到优化后的合成图像；

校正模块，用于根据优化后的合成图像，对局部接收线圈的敏感度进行校正。