CN110780249B

CN110780249B - 使用绝热射频脉冲测量射频b1场分布的磁共振成像方法

Info

Publication number: CN110780249B
Application number: CN201911151143.1A
Authority: CN
Inventors: 周欣; 袁亚平; 郭茜旎; 孙献平; 叶朝辉
Original assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2020-08-11
Anticipated expiration: 2039-11-21
Also published as: CN110780249A

Abstract

本发明公开了使用绝热射频脉冲测量射频B1场分布的磁共振成像方法，包括以下步骤，设计绝热脉冲，设置频率偏置以及绝热脉冲时间；计算绝热脉冲的K值；不施加绝热脉冲采样获得初始磁化矢量大小；分别施加频率偏置为△ω_rf和‑△ω_rf的绝热脉冲以及损毁梯度，采样获得磁化矢量大小M_z1和M_z2；计算B_1,obs，计算由于B0场偏移给B1测量带来的偏差。本发明便于计算与分析；通过施加大△ω_rf值可以很好的避免B0场偏移对B1测量的影响。

Description

使用绝热射频脉冲测量射频B1场分布的磁共振成像方法

技术领域

本发明属于核磁共振成像技术领域，尤其是涉及一种使用绝热射频脉冲测量射频B1场分布的磁共振成像方法。该发明适用于测量磁共振成像中表面线圈、体线圈或相位阵列线圈发射时射频B1场在不同组织或样品中的分布，用于图像重建以及B1场校正等。

背景技术

磁共振成像是诊断与评估疾病进展的重要临床方法，具有无电离辐射、非侵入性、高空间分辨率、任意层面成像、组织对比度高等优点，在肿瘤、脏器以及软组织病变等诊断方面具有不可替代的作用。

B1场表示磁共振线圈发射时射频脉冲的强度。磁共振成像中，因为组织不规则结构以及线圈的发射场不均匀，导致射频B1场在空间中呈现不均匀分布。随着目前磁共振谱仪的磁场强度越来越高，射频B1场不均匀问题越发严重。在目前磁共振中常用的并行成像以及化学交换饱和转移(Chemical Exchange Saturation Transfer,CEST)成像等方法中，也需要射频B1场分布进行图像重建和校正。发展测量射频B1场分布的磁共振方法，可以解决以上难题。

B0场表示磁共振成像时空间中某一点感应到的磁场大小，与核自旋频率紧密相关。用B0场偏移频率来表示射频激发时射频频率与核自旋频率的差值。B0场偏移会对B1场分布的测量产生影响，主要体现在B0场偏移较大时，偏共振效应下磁共振信号与B0和B1均有关。因此，测量B1场分布时不能忽略B0场偏移的影响。

现有的测量B1场分布的磁共振方法，主要是基于信号幅度的双翻转角方法，例如，Insko EK等人[Mapping of the radio frequency field.J.Magn.Reson.A.1993.45:p.82-85.]提出的基于不同翻转角的B1场测量方法，以及基于该方法的改进，例如，Cunningham CH等人[Sturated double-angle method for rapid B1+mapping.Magn.Reson.Med.2006.55:p.1326-1333.]中提出的速度更快的基于不同翻转角B1场测量方法。然而，翻转角不同时脉冲的激发波形不是线性的，而且该方法对B0场偏移比较敏感。

Yarnykh VL等人[Actualflip-angle imaging in the pulsed steady state:amethod for rapid three-dimensional mapping of the transmitted radio frequencyfield.Magn.Reson.Med.2007.57:p.192-200.]提出的AFI(Actualflip-angleimaging)方法，利用相同激发角下，两个不同恢复时间TR1和TR2的信号强度的比值来计算B1场分布，该方法速度快，但是，对B0场偏移以及运动比较敏感。

基于信号相位的方法，主要有Sacolick LI等人[B1 mappingby Bloch-Siegertshift.Magn.Reson.Med.2010.63:p.1315-1322.]提出的测量方法，Bloch-Siegertshift的相位变化与B1场平方成正比。相位方法中相位重建比较复杂，而且，可能伴随相位卷折的问题(相位超过360°)。

此外，其他方法包括PatrickSchuenke等人[Simultaneous Mapping of WaterShiftand B1(WASABI)–Application to Field-Inhomogeneity Correction of CEST MRIData.Magn.Reson.Med.2017.77:p.571-580.]提出的利用偏共振效应同时拟合B0和B1场分布的方法。该方法应用于化学交换饱和转移成像中，需要采集10幅或更多图像进行曲线拟合。

本发明提出一种使用绝热射频脉冲测量射频B1场分布的磁共振成像方法，是一种对B0场偏移不敏感、可广泛应用于不同脉冲序列中的B1测量方法，为射频B1场的测量以及图像重建校正等提供技术支持。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种使用绝热射频脉冲测量射频B1场分布的磁共振成像方法，本发明基于以下思路：

在旋转坐标系下，可以认为磁化矢量沿着有效B1场即B_eff场进动。其中，B_eff＝[(γB1)²+(△ω)²]^1/2，γ代表原子核的旋磁比，△ω表示B0场偏移的大小，B_eff表征B_eff场的强度，B1表征B1场的强度。进动频率ω＝γB_eff。B_eff场与Z轴(即主磁场方向)的夹角θ＝arctan(γB1/|△ω|)。

绝热脉冲是一种特殊条件下的射频脉冲。在绝热条件下，与初始B_eff场平行的磁化矢量将被绝热脉冲自旋锁定，并始终与B_eff场保持在同一直线上。

绝热脉冲需要满足绝热条件，定义K＝γ|B_eff|/|dθ/dt|，则要求K>>1来保证绝热性，即绕B_eff场进动频率要远大于B_eff场与Z轴夹角的变化。为了满足绝热条件，为射频脉冲设置一个大的频率偏置，定义为△ω_rf,保证△ω_rf>△ω。偏置值的加入既增加了B_eff值，又减小了θ随B1场的变化，保证了射频脉冲的绝热性。

选择一个初始强度为0，结束时强度达到最大的射频脉冲，设该射频脉冲的最大强度为B_1max，在绝热条件下，即设置射频脉冲的频率偏置为△ω_rf,保证△ω_rf>△ω，射频脉冲开始时磁化矢量与Z轴的夹角为0，射频脉冲结束时磁化矢量与Z轴的夹角为θ₁＝arctan[γB_1max/|(△ω+△ω_rf)|]。

设初始磁化矢量为M₀，绝热脉冲结束后，磁化矢量与Z轴方向的夹角为θ₁＝arctan[γB_1max/|(△ω+△ω_rf)|]，施加损毁梯度场损毁掉横向磁化矢量，只保留初始磁化矢量M₀在Z轴方向上的投影M_z1，则M_z1＝M₀ cos(θ₁)。同理，改变频率偏置为-△ω_rf，则磁化矢量与Z轴夹角θ₂＝arctan[γB_1max/|(△ω-△ω_rf)|]，M_z2＝M₀cos(θ₂)。

设B_1,obs为计算的B1场的值，其计算公示如下：

公式2中，△ω²/(△ω_rf ²-△ω²)项为观测的B_1,obs与实际B_1max之间的偏差。在选定△ω_rf为4000Hz的情况下，△ω在-400到400Hz范围内偏差小于等于1.01％。为保证脉冲的绝热性，以及测量结果对△ω不敏感，△ω_rf的选值越大越好，2000Hz或以上能满足实验条件。

使用绝热射频脉冲测量射频B1场分布的磁共振成像方法，包括以下步骤：

步骤1，设计绝热脉冲，绝热脉冲的起始强度为零，绝热脉冲逐渐增加到最大强度B_1max。设置频率偏置△ω_rf以及绝热脉冲时间；

步骤3，不施加绝热脉冲或将绝热脉冲的最大强度B_1max设为零，采样获得初始磁化矢量大小M₀；

步骤4，施加频率偏置为△ω_rf的绝热脉冲以及损毁梯度，采样获得磁化矢量大小M_z1；

步骤5，施加频率偏置为-△ω_rf的绝热脉冲以及损毁梯度，采样获得磁化矢量大小M_z2；

步骤6，利用以下公式计算B_1,obs，

其中，M₀为初始磁化矢量。

将B_1,obs除以最大强度B_1max进行归一化，得到归一化的射频B1场分布；

步骤7，依据所选择的频率偏置△ω_rf，根据△ω²/(△ω_rf ²-△ω²)来计算由于B0场偏移给B1测量带来的偏差，△ω_rf>△ω。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、本方法中绝热条件下绝热脉冲强度与信号强度呈现简单的三角函数关系，便于计算与分析。

2、本方法由于B0场偏移△ω带来的计算偏差为△ω²/(△ω_rf ²-△ω²)，通过施加大△ω_rf值可以很好的避免B0场偏移对B1测量的影响。

3、本方法中绝热脉冲和损毁梯度施加于采样之前，可以集成为一个子模块，不受采样方法的限制。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2(a)展示了一个简单的线性增加的脉冲形状，B_1max为40μT，时长为2ms，

图2(b)是图2(a)所示脉冲在偏置△ω_rf为4000Hz时K值随脉冲时间的变化，整个过程中K值远大于1，满足绝热条件。本发明所使用的脉冲不局限于该脉冲形状；

图3为使用绝热脉冲测量B1场分布磁共振成像方法的脉冲序列图；本图中仅介绍了使用自旋回波进行数据采集的脉冲序列图，本发明所使用的数据采集方式不受限制；

图4是绝热条件下磁化矢量随脉冲强度的演化图，初始磁化矢量M₀被脉冲翻转至B_eff方向，此时在Z轴方向上投影为M_z1,2；

图5为3％琼脂糖溶液样品使用本发明的方法测量的归一化B1场分布图；

图6为使用绝热脉冲测量B1场分布的磁共振成像方法时，由于B0场偏移△ω带来的测量误差。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

本实施例中所用样品为3％琼脂糖溶液，置于外径10mm的核磁样品管。使用Bruker400M宽腔小动物成像仪，内径10mm的马鞍状体线圈，温度控制在300K。该条件下，样品的T1驰豫时间约为3400ms，T2驰豫时间约为40ms，脉冲序列TR时间设为5s。本方法测试对象可以是样品，也可以是动物或人。射频线圈可以是表面线圈，也可以是体线圈或相位阵列线圈等。

步骤1、如图1流程所示，使用绝热脉冲测量B1场分布的磁共振成像方法首先要确定绝热脉冲的波形，使其满足初始强度为0，绝热脉冲结束前达到最大强度B_1max。本实施例中，使用简单的线性变化的脉冲形状，如图4所示。设定最大强度B_1max为40μT，设置频率偏置△ω_rf为4000Hz，绝热脉冲时间2ms。本方法使用绝热脉冲的脉冲形状不局限于线性脉冲，也可以是各种满足从0到B_1max递增的形状脉冲。

本实施例所用脉冲序列如图3所示，施加完步骤2中的绝热脉冲后，初始磁化矢量将被翻转到最终B_eff方向，如图4所示。此时立即施加1ms的X/Y/Z三个方向上的损毁梯度来损毁掉横向磁化矢量，然后开始数据采集。本实施例中使用的数据采集方式是快速自旋回波方式，本发明不局限采样方式，在施加完绝热脉冲和损毁梯度后，使用梯度回波或平面回波等采样方式同样可行。

步骤6，利用以下公式计算B_1,obs，

其中，M₀为初始磁化矢量。

先采集不施加绝热脉冲(或脉冲最大强度为0)时的第一图像，然后分别采集施加射频偏置为△ω_rf和-△ω_rf的绝热脉冲的两幅图像，分别为第二图像和第三图像。

对第一图像、第二图像、第三图像分别进行背景分割，使第一图像、第二图像、第三图像的图像背景为零。然后对第一图像、第二图像、第三图像进行点对点计算。取第一图像上任意一点，其信号强度设为M₀，取分别施加射频偏置为△ω_rf和-△ω_rf的第二图像和第三图像上与第一图像所取点相同位置的点，信号强度分别设为M_Z1、M_Z2。那么，测量到的B_1,obs可以通过公式(1)即可计算得出。

通过步骤6将图像上每一点对应的B_1,obs计算出来，得到B1分布图。然后将B1分布图每个点除以***设定的B_1max值，得到归一化的B1分布图。本实施例中计算的归一化后B1分布图如图5所示，样品管靠近线圈区域有局部的B1场不均匀。

B0场偏移△ω带来的计算误差为△ω²/(△ω_rf ²-△ω²)，图6显示了不同△ω_rf下计算误差与△ω的关系。本实施例使用的△ω_rf为4000Hz，在△ω为400Hz的情况下计算误差约1％，计算结果在一定B0场偏移下仍有较好的准确度。

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.使用绝热射频脉冲测量射频B1场分布的磁共振成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设计绝热脉冲，绝热脉冲的起始强度为零，绝热脉冲逐渐增加到最大强度B_1max，设置频率偏置△ω_rf以及绝热脉冲时间；

步骤2，计算绝热脉冲的K值，K＝γ|B_eff|/|dθ/dt|，B_eff表征B_eff场的强度，γ为原子核的旋磁比，θ为B_eff场与主磁场方向的夹角，B_eff场为有效B1场；

步骤6，利用以下公式计算B_1,obs，

其中，M₀为初始磁化矢量，

步骤7、根据△ω²/(△ω_rf ²-△ω²)来计算由于B0场偏移给B1测量带来的偏差，△ω为B0场偏移的大小，B_1,obs为计算的B1场的值。

2.根据权利要求1所述的使用绝热射频脉冲测量射频B1场分布的磁共振成像方法，其特征在于，频率偏置△ω_rf大于B0场偏移的大小△ω。