CN111537928B - 一种基于扩散效应的磁共振***梯度场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于扩散效应的磁共振***梯度场测量方法，由非均匀场磁体，核磁共振谱仪，射频功放、射频线圈和已知ADC系数、T2驰豫时间常数的标准定量水模等组成。通过具有不同扩散敏感梯度持续时间或者是具有不同回波间隔的磁共振序列采集多组信号，从多组信号中拟合出梯度场大小。该方法不需要额外的专用磁场检测设备，测量时间短，便于集成到磁共振***中，使得在装机现场完成梯度场测量非常便捷，提升装机和服务效率。

Description

一种基于扩散效应的磁共振***梯度场测量方法

技术领域

本发明涉及核磁共振技术领域，尤其涉及一种基于扩散效应的磁共振***梯度场测量方法。

背景技术

核磁共振技术是利用氢质子的核磁共振现象进行成像或者检测物质成分和结构的一种技术。人体内包含单数质子的原子核，例如氢原子核，其质子具有自旋运动。带电原子核的自旋运动，在物理上类似于单独的小磁体，在没有外部条件影响下这些小磁体的方向性分布是随机的。当人体置于外部磁场中时，这些小磁体将按照外部磁场的磁力线重新排列。这时，用特定频率的射频脉冲激发原子核，使这些原子核的自旋(小磁铁)发生偏转，产生共振，这就是核磁共振现象。停止发射射频脉冲后，被激发的原子核(共振的小磁体)会逐渐恢复到激发前的状态，在恢复的过程中会释放电磁波信号，通过专用设备接收并处理核磁共振信号后即获得磁共振图形或者物质的成分和结构信息。

磁体是核磁共振***中最核心的部件之一。传统的核磁共振***磁体都要求高度均匀的磁场，因此磁体的设计、生产、维护以及成本都非常高。近年来，出现了非均匀场核磁共振***，其磁体的均匀度很低，例如采用单边永磁体。这种核磁共振***的磁体非常小巧，设计和生产简便，成本很低。这类核磁共振***可以用于油品检测、食品检测、地质勘探甚至医学检测中，具有广泛的应用前景。

图1所示为一种用于核磁共振***的单边磁体磁场分布示意图。如图所示，在磁体的下侧，B0场变换较为缓慢，离磁体较近的一个区域为预期的ROI区域。在ROI区域内，磁场较为均匀。在ROI以外以及磁体的上侧，B0场快速衰减。

在核磁共振应用中，梯度场的精确数值是非常重要的一个必须参数，因此需要预先测量梯度场。而在单边磁体核磁共振***中，精确的测量激发区域的梯度场是一个很困难的工作。这是因为单边磁体核磁共振***具有如下特点：1.梯度场非常大；2.几乎各个位置的梯度场都不相同；3.实际激发区域为非规则的复杂几何形状，与理想ROI区域差距较大。图2为单边磁体构成的核磁共振***的激发区域示意图。

现有技术主要通过磁场测量设备(如高斯计)，测量出磁场在空间的分布图，然后计算出梯度场分布，最后根据整个ROI区域内的测量值计算出一个大致的梯度场等效值。现有技术测量非常耗时，需几个小时以上，而且极不准确。

物质中的分子都存在一定程度的扩散运动，其方向是随机的，称为分子的热运动或布朗运动。磁共振信号被激发后，水分子在梯度磁场方向上的扩散运动将造成磁共振信号的衰减，如果水分子在梯度磁场方向上扩散越自由，则在梯度磁场施加期间扩散距离越大，经历的磁场变化也越大，组织信号衰减越明显。因此，可以通过核磁共振技术测量物体中水分子的扩散运动程度，测量出的物理量叫做表观扩散系数(Apparent DiffusionCoefficient，ADC)。表观扩散系数是物质的一个固有属性，反应了物质在特定温度下的扩散运动程度。

在特定温度下，磁共振信号的强度与ADC系数、扩散梯度场强度和扩散梯度场作用时间有关。具体的说，磁共振信号的对数与ADC系数成正比，与梯度场平方成正比，与扩散敏感梯度持续时间的平方成正比，如公式(1)所示，其中D为ADC系数，G为梯度场，T为扩散敏感梯度持续时间。

lnS∝DG²T² (1)

因此，如果已知被测物质的ADC系数，通过一组具有不同扩散敏感梯度持续时间的磁共振序列采集信号，则可以反推出梯度场的大小。

发明内容

本发明旨在提供一种基于扩散效应的磁共振***梯度场测量方法，不需要额外的专用磁场检测设备，测量时间短，便于集成到磁共振***中，使得在装机现场完成梯度场测量非常便捷，提升装机和服务效率。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明公开一种基于扩散效应的磁共振***梯度场测量方法，包括以下步骤：

S100、在非均匀场核磁共振***中采集m组回波信号，回波信号为四维数组S(m，n，l，p)，

其中第一维为回波间隔向量τ，长度为m，

第二维为回波链长度，长度为n，

第三维为平均次数l，

第四维为单次读出数据的采样点数，数量为p；

S200、数据预处理，将信号S(m，n，l，p)转换为一维或二维数组S′：

S210、对信号S的第四维进行傅里叶变换，得到频域数据，保留低频部分，

S220、对数据取平均，

S230、对所有数据取对数，

S240、计算时间序列t(m)；

S300、拟合出系数a，拟合函数为

S′＝f(a，T2，t(m))

其中T2为已知的标准定量模体的横向弛豫时间常数；

S400、计算梯度场，计算函数为

其中γ是磁旋比，D为已知的标准定量模体ADC系数，G为测量出的梯度场，c为常数系数。

优选的，步骤S100中，非均匀场核磁共振***中，施加有激发脉冲、回聚脉冲、恒定梯度场，

激发脉冲翻转角为θ，其后跟随若干回聚脉冲，回聚脉冲翻转角为2θ；

激发脉冲和第一回聚脉冲之间的相位差为90度，激发脉冲和第一回聚脉冲之间的时间间隔为τ/2，第一回聚脉冲到第一采样窗之间的时间间隔为τ/2；

回聚脉冲之间的时间间隔为回波间隔，一次激发采集n个回波信号，回波间隔为τ，多次采集回波信号，计算平均值；

改变回波间隔τ，进行m次测量，采集m组回波信号。

优选的，步骤S200中，信号S(m，n，l，p)转换为S′(m，n)，

步骤S220为对第三维取平均，

步骤S240中，时间序列t(m)＝[τ(m)]^2，其中τ(m)为回波间隔向量τ中的第m个元素。

优选的，步骤S300包括以下步骤，

S310、等效系数a的估计：

对S′(m，n)按如下公式进行拟合

其中C₁为常量。

优选的，步骤S400中，梯度场计算函数的系数为

优选的，步骤S100中，非均匀场核磁共振***中，施加有激发脉冲、回聚脉冲、恒定梯度场，

激发脉冲包括第一激发脉冲，激发脉冲转角均为θ，

回聚脉冲包括第一回聚脉冲、第二回聚脉冲……第n回聚脉冲，回聚脉冲翻转角均为2θ，

第一激发脉冲和第一回聚脉冲之间的相位差为90°，第一回聚脉冲与后续回聚脉冲之间相位差为0°；

第一激发脉冲与第一回聚脉冲之间的时间间隔为T，称为扩散敏感梯度持续时间；

第一回聚脉冲与第一采集窗口之间的时间间隔为T；

第一采集窗与第二回聚脉冲之间的时间间隔为τ/2；后续回聚脉冲之间的时间间隔为τ，后续采集窗之间的时间间隔为τ；

一次激发采集n个回波信号，多次采集回波信号，计算平均值；

改变扩散敏感梯度持续时间T，进行m次测量，采集m组回波信号。

优选的，步骤S200中，信号S(m，n，l，p)转换为S′(m)，

步骤S220为对第三维和第二维取平均，

步骤S240中，时间序列t(m)＝[T(m)]^2，其中T(m)为扩散敏感梯度持续时间序列T中的第m个元素。

优选的，步骤S300为拟合出系数a，拟合函数为

其中C₂为未知常量。

优选的，步骤S400中，梯度场计算函数中的常数系数为

优选的，非均匀场核磁共振***包括控制台、核磁共振谱仪、磁体、射频***、标准定量水模，

控制台与核磁共振谱仪连接，发送指令控制测量序列的参数选择、ROI定位、接收谱仪采集到的磁共振信号，完成实时数据处理；

磁体为永磁体设计；

射频***主要包括射频功率放大器、前置放大器、收发转换开关、射频线圈，射频线圈通过收发转换开关，既发射激励信号也能接收磁共振信号；

标准定量水模为盛放在玻璃容器内的已知其标准ADC系数和T2值的溶液。

本发明的有益效果：

1、本发明由核磁共振设备、标准A定量水模组成，在该***上采用磁共振扩散加权序列采集信号，可以测量出激发区域的等效梯度场大小，该测量方法不需要专用的磁场测量工具，方便快捷。

2、本发明测量时间短。

3、本发明便于集成到磁共振***中，使得在装机现场完成梯度场测量非常便捷，提升装机和服务效率。

附图说明

图1为一种用于核磁共振的单边磁体磁场分布示意图；

图2为一种单边磁体核磁共振***的激发区域示模拟图；

图3为基于扩散效应的磁共振***梯度场测量***的示意图；

图4为实施例一的梯度场测量序列，属于SE-CPMG序列；

图5为实施例二的梯度场测量序列，属于CPMG序列。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

本申请中：

NMR：Nuclear Magnetic Resonance，核磁共振技术

MRI：Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像

K-space：K空间，磁共振信号的频域空间

DWI：Diffusion Weighted Imaging，弥散加权成像或扩散加权成像

T1：Time constant for regrowth of longitudinal magnetization after RF-pulse，纵向磁化矢量恢复时间常数，即纵向弛豫时间常数

T2：Time constant for decay of transverse magnetization after RF-pulse，横向磁化矢量衰减时间常数，即横向弛豫时间常数

TR：Repetition Time，重复时间或重复周期

ADC：Apparent diffusion coefficient，表观扩散系数

EPI：Echo planar imaging，平面回波成像技术

CPMG：a NMR pulse sequence named by several scientists(Carr，Purcell，Meiboom，Gill)，由Carr，Purcell，Meiboom，Gill等人命名的核磁共振序列

SE-EPI：Spin echo-echo planar imaging，自旋回波-平面回波序列

如图3所示，基于扩散效应的磁共振***梯度场测量***主要由五部分组成：控制台、核磁共振谱仪、磁体、射频***、标准定量水模。

***框图如图3所示。

控制台与谱仪连接，发送指令控制测量序列的参数选择、ROI定位，并接收谱仪采集到的磁共振信号，完成实时数据处理。磁体一般为永磁体设计，例如单边永磁体，在ROI内具有高度不均匀的磁场。

射频***主要包括射频功率放大器，前置放大器，收发转换开关和射频线圈。射频线圈通过收发转换开关，既发射激励信定号也能接收磁共振信号。

标准定量水模为非金属材料、非导体制作的容器并装满某种特定的溶液，并已知其标准ADC系数和T2值。例如装满纯水的玻璃容器或者装满特含2％硫酸铜溶液的玻璃容器。

实施例一：

图4所示为一种非均匀场核磁共振***的表观扩散系数测量序列示意图。该序列由一系列精确控制的射频脉冲组成，分别为第一激发脉冲，第一回聚脉冲、第二回聚脉冲，一直到第n回聚脉冲。所述恒定梯度场为磁体的天然梯度磁场，不需要控制。

第一激发脉冲翻转角为θ，其后所有回聚脉冲翻转角为2θ；第一激发脉冲和第一回聚脉冲之间的相位差为90度，第一回聚脉冲与后续回聚脉冲之间相位差为0度；第一激发脉冲与第一回聚脉冲之间的时间间隔为T，称为扩散敏感梯度持续时间；第一回聚脉冲与第一采集窗口之间的时间间隔为T；第一采集窗与第二回聚脉冲之间的时间间隔为τ/2；后续回聚脉冲之间的时间间隔为τ，后续采集窗之间的时间间隔为τ。一次激发采集n个回波信号。通常还需要多次激发和采集信号，通过平均信号提升信噪比。为了估算梯度场大小，需要改变扩散敏感梯度持续时间T，进行多次测量，采集m组回波信号。

梯度场估计算法

采集到的信号为一个4维数组S(m，n，l，q)，第一维对应不同的扩散敏感梯度持续时间(即T)，即对应回波间隔向量τ，共有m组数据；第二维为回波链长度，长度为n；第三维为平均次数l；第四维为单次读出数据的采样点数，为p。基于该四维数组进行梯度场估计，主要包括如下3步：

1、数据预处理：

包括预处理步骤1，对信号S的第四维进行傅里叶变换，得到频域数据；仅保留低频部分并取平均；

预处理步骤2，对第三维取平均。

预处理步骤3，对第二维取平均。

预处理步骤4，对所有数据取对数。经过上述预处理后，信号S(m，n，l，p)转换为了S′(m)的一维数组。

预处理步骤5，计算时间序列t(m)＝[T(m)]^2

2、按如下公式进行拟合，通过该公式拟合出系数a，

其中T2为已知的标准定量模体的横向弛豫时间常数，S′(m)为通过预处理后的一维数据，C₂为未知常量。

3、计算梯度场

其中γ是磁旋比，D为已知的标准定量模体的ADC系数，G为测量出的梯度场大小。

实施例二：

图5所示为非均匀场核磁共振***的表观扩散系数测量序列示意图，即采用一个典型的θ-2θ-2θ-2θ……射频脉冲序列：第一激发脉冲翻转角为θ，其后跟随若干个回聚脉冲，翻转角为2θ；第一激发脉冲和第一回聚脉冲之间的相位差为90度，第一激发脉冲和第一回聚脉冲之间的时间间隔为τ/2，第一回聚脉冲到第一个采样窗之间的时间间隔为τ/2；回聚脉冲之间的时间间隔均为τ，称为回波间隔。所述恒定梯度场为磁体的天然梯度磁场，不需要控制。一次激发采集n个回波信号。通常还需要多次激发和采集信号，通过平均信号提升信噪比。为了估算梯度场大小，需要改变回波间隔τ，进行多次测量，采集m组回波信号。

梯度场估计算法：

采集到的信号为一个4维数组S(m，n，l，p)，第一维对应不同的回波间隔，即对应回波间隔向量τ，共有m组数据；第二维为回波链长度，长度为n；第三维为平均次数l；第四维为单次读出数据的采样点数，为p。基于该四维数组进行梯度场估计，主要包括如下3步：

1、数据预处理，包括：

预处理步骤1，对信号S的第四维进行傅里叶变换，得到频域数据；仅保留低频部分并取平均；

预处理步骤2，对第三维取平均。

预处理步骤3，对所有数据取对数。经过预上述处理后，信号S(m，n，l，p)转换为了S′(m，n)的二维数组。

预处理步骤4，计算时间序列t(m)＝[τ(m)]^2

2、等效系数a的估计：

对S′(m，n)按如下公式进行拟合，拟合出系数a，

其中τ(m)为回波间隔向量τ中的第m个元素，其中T2为已知的标准定量模体的横向弛豫时间常数，C₁为未知常量。

3、估计梯度场:

其中γ是磁旋比，D为已知的标准定量模体的ADC系数，G为测量出的梯度场大小。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于扩散效应的磁共振***梯度场测量方法，其特征在于包括以下步骤：

S100、在非均匀场核磁共振***中采集m组回波信号，回波信号为四维数组S(m，n，l，p)，

其中第一维为回波间隔向量τ，长度为m，

第二维为回波链长度，长度为n，

第三维为平均次数l，

第四维为单次读出数据的采样点数，数量为p；

S200、数据预处理，将信号S(m，n，l，p)转换为一维或二维数组S′：

S210、对信号S的第四维进行傅里叶变换，得到频域数据，保留低频部分，

S220、对数据取平均，

S230、对所有数据取对数，

S240、计算时间序列t(m)；

S300、等效系数a的估计：

对S'按如下公式进行拟合，估计出系数a,

S′＝f(a，T2，t(m))

其中T2为已知的标准定量模体的横向弛豫时间常数；

S400、计算梯度场，计算函数为

其中γ是磁旋比，D为已知的标准定量模体的ADC系数，c为常数系数，G为测量出的梯度场。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤S100中，非均匀场核磁共振***中，施加有激发脉冲、回聚脉冲、恒定梯度场，

激发脉冲翻转角为θ，其后跟随若干回聚脉冲，回聚脉冲翻转角为2θ；

激发脉冲和第一回聚脉冲之间的相位差为90度，激发脉冲和第一回聚脉冲之间的时间间隔为τ/2，第一回聚脉冲到第一采样窗之间的时间间隔为τ/2；

回聚脉冲之间的时间间隔为回波间隔，一次激发采集n个回波信号，回波间隔为τ，多次采集回波信号，计算平均值；

改变回波间隔τ，进行m次测量，采集m组回波信号。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：步骤S200中，信号S(m，n，l，q)转换为S′(m，n)，

步骤S220为对第三维取平均，

步骤S240中，时间序列t(m)＝[τ(m)]^2，其中τ(m)为回波间隔向量τ中的第m个元素。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于：步骤S300包括以下步骤，

S310、等效系数a的估计：

对S′(m，n)按如下公式进行拟合，估计出系数a，

其中C₁为未知常量。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：步骤S400中，梯度场计算函数的常数系数

6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤S100中，非均匀场核磁共振***中，施加有激发脉冲、回聚脉冲、恒定梯度场，

激发脉冲包括第一激发脉冲，激发脉冲转角均为θ，

回聚脉冲包括第一回聚脉冲、第二回聚脉冲……第n回聚脉冲，回聚脉冲翻转角均为2θ，

第一激发脉冲和第一回聚脉冲之间的相位差为90°，第一回聚脉冲与后续回聚脉冲之间相位差为0°；

第一激发脉冲与第一回聚脉冲之间的时间间隔为T，称为扩散敏感梯度持续时间；

第一回聚脉冲与第一采集窗口之间的时间间隔为T；

第一采集窗与第二回聚脉冲之间的时间间隔为τ/2；后续回聚脉冲之间的时间间隔为τ，后续采集窗之间的时间间隔为τ；

一次激发采集n个回波信号，多次采集回波信号，计算平均值；

改变扩散敏感梯度持续时间T，进行m次测量，采集m组回波信号。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：步骤S200中，信号S(m，n，l，q)转换为S′(m)，

步骤S220为对第三维和第二维取平均，

步骤S240中，时间序列t(m)＝[T(m)]^2，其中T(m)为扩散敏感梯度持续时间序列T中的第m个元素。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：步骤S300为等效系数a的估计，按如下公式进行拟合，

其中C₂为未知常量。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于：步骤S400中，梯度场计算函数的常数系数

10.根据权利要求1～9中任一所述的测量方法，其特征在于：非均匀场核磁共振***包括控制台、核磁共振谱仪、磁体、射频***、标准定量水模，

控制台与核磁共振谱仪连接，发送指令控制测量序列的参数选择、ROI定位、接收谱仪采集到的磁共振信号，完成实时数据处理；

磁体为永磁体设计；

射频***主要包括射频功率放大器、前置放大器、收发转换开关、射频线圈，射频线圈通过收发转换开关，既发射激励信号也能接收磁共振信号；

标准定量水模为盛放在玻璃容器内的已知其标准ADC系数和T2值的溶液。

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