CN115372873A - 一种应用于杂核成像的k空间轨迹校正***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于杂核成像的k空间轨迹校正***及方法，属于成像技术领域。轨迹校正***包括采样序列与信号处理***、谱仪控制***和磁体与射频***，采样序列与信号处理***连接谱仪控制***，谱仪控制***通过放大器和辅助控制部分连接磁体与射频***。本发明提出的应用于杂核成像的k空间轨迹校正方法，用以校正梯度硬件的不足或未完全消除的涡流效应而导致的目标k空间轨迹偏差，从而减轻或消除图像伪影的影响。这种方法不需单独序列用于测量k空间轨迹，几乎不增加扫描时间，且测量的梯度波形即实际成像所使用的成像梯度，可以避免梯度***稳定性不足的影响。
Description
技术领域
本发明涉及成像技术领域，具体是一种应用于杂核成像的k空间轨迹校正***及方法。
背景技术
传统的磁共振成像***以1H核为观测核，主要获得各种不同组织对比度的解剖学图像，能够反映的代谢和功能信息比较有限。杂核成像通过对多种非质子磁性核(如19F，23Na，31P)的观测，可以有效扩充代谢和功能信息，打破传统磁共振的局限，挖掘出微弱生物信号所蕴含的海量重要生物信息。
但是，杂核成像在实际应用中仍然面临着不小的挑战。众所周知，磁共振成像在k空间中采集数据，再经傅里叶变换得到图像。k空间轨迹的变形会在图像上引起形变、卷褶等伪影。现代磁共振设备为了减轻k空间轨迹的变形，主要依靠梯度自屏蔽线圈和梯度预加重技术。对于传统的笛卡尔k空间采集而言，由于本身采集方式对轨迹变形不敏感，在扫描中都可以达到不错的校正效果。在杂核成像中，杂核的磁共振物理特性与传统的1H核差别很大，诸如Radial和Spiral之类的非笛卡尔扫描序列在很多情形下更受青睐。非笛卡尔采集可以在很多方面带来好处，如降低扫描的运动敏感度、获取超快弛豫组织的信号、与压缩感知技术具有天然的兼容性等等，然而非笛卡尔成像序列对梯度硬件要求很高，梯度硬件的不足或在***校正阶段未完全消除的涡流效应都会导致目标K空间轨迹发生偏差，并导致图像伪影。因此在磁共振杂核成像时，对非笛卡尔采集序列的应用于杂核成像的k空间轨迹校正必不可少，以期望减轻因梯度硬件的不足或未完全消除的涡流效应，从而改善图像质量。
补偿这些轨迹变形的一种方法是估计k空间轨迹，这种方法将梯度***视为一个线性时不变***，通过一定的方法测量出梯度***的频率响应函数(Gradient ImpulseResponse Function，GIRF)，然后估计出实际的k空间轨迹，并将其应用在图像重建中。或者类似地，也可以利用GIRF估计出产生理想k空间轨迹所需施加的预失真梯度波形，并在采集过程中予以补偿。另一种补偿方法是在采集杂核的非笛卡尔扫描数据前，利用高信噪比的1H核信号先测量实际的k空间轨迹，然后将此信息应用于杂核的图像重建，从而得到改善的图像质量。
上述第一种补偿方法需要测量梯度***的频率响应函数，其测量过程本身是有一定复杂度的，并且随着时间的推移和机器维护过程中的一些操作，频率响应函数往往会有些许变化，在实际中这种方法的准确性难以保证。
上述第二种补偿方法需要单独序列先进行轨迹测量，然后再进行非笛卡尔数据采集，最后利用测量得到的轨迹进行图像重建。该技术一般可以获得比较稳定的补偿效果，但其延长了扫描时间；另外，由于轨迹数据与图像数据分别采集，在时间上存在一定延迟，实际测量的并非是成像时所施加的梯度波形，若梯度***本身稳定性不足时，这种方法也会受到影响，存在一定的测量失败的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于杂核成像的k空间轨迹校正***及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于杂核成像的k空间轨迹校正***，包括采样序列与信号处理***、谱仪控制***和磁体与射频***，采样序列与信号处理***连接谱仪控制***，谱仪控制***通过放大器和辅助控制部分连接磁体与射频***。
作为本发明的进一步技术方案：所述放大器包括杂核素RF放大器、1H核素RF放大器、1H核素RF前置放大器、杂核素RF前置放大器和梯度放大器。
作为本发明的进一步技术方案：所述采样序列与信号处理***包括采样序列与图像处理模块和主控***。
作为本发明的进一步技术方案：所述磁体与射频***采用由1H线圈和杂核线圈组成的1H和杂核射频发射接收一体化线圈。
作为本发明的进一步技术方案：所述谱仪控制***包括宽频多核信号激发控制***、接收机、梯度与射频功率***和梯度控制与***主控模块。
进一步地，所述应用于杂核成像的k空间轨迹校正***工作时，采样序列与信号处理***将1H和杂核的控制指令、成像序列和参数等发送给谱仪控制***；谱仪控制***的宽频多核信号激发控制***接收参数，通过频率合成、波形发生和正交调制等，产生特定频率、带宽、相位、幅度的射频脉冲小信号，然后经射频功放放大后在1H和杂核射频发射接收一体化线圈的发射部分中产生射频磁场，激励成像物体的1H和杂核产生共振，同时，谱仪控制***的梯度波形生成部分接收参数，然后计算处理序列中的梯度波形，并将梯度波形信号输出，经梯度功放放大后驱动磁体中的梯度线圈产生梯度磁场；1H和杂核产生的共振信号经过1H和杂核射频发射接收一体化线圈的接收部分产生高频调制信号，由1H和杂核前置放大器放大后发送给谱仪***的接收机，信号被接收机滤波、放大、信号解调、信号采集和信号传输后形成可以被采集到的磁共振信号；最后，采集到的1H/杂核磁共振信号传输回采样序列与信号处理***，经过数据处理后得到所需的磁共振图像。
一种应用于杂核成像的k空间轨迹校正方法，采用上述的***，包含以下步骤：
步骤1：在杂核成像序列单元之前，在1H通道施加一个选层激发单元；
步骤2：在杂核成像序列单元中，首先在杂核通道发射射频脉冲激发杂核产生信号，然后在信号接收阶段，分别使能1H/杂核通道的接收链路，采集1H/杂核信号；采集得到的1H信号经过处理，生成测量的k空间轨迹数据；采集得到的杂核信号记为杂核信号k空间数据；
步骤3：利用步骤2中生成的k空间轨迹数据，对步骤2中所述杂核信号组成的k空间进行重建，得到轨迹校正的杂核图像。
作为本发明的进一步技术方案：所述1H通道上的选层激发单元，包括一个1H选择性激发脉冲及对应的选层梯度，选择性激发一个偏中心的层面。
作为本发明的进一步技术方案：所述1H通道上的选层激发单元中的选层梯度方向应与所述杂核成像序列单元中的读出梯度方向相同。
优选地，在所述应用于杂核成像的k空间轨迹校正方法中，可以仅选择性地测量若干个读出梯度方向上的k空间轨迹，然后通过最小二乘法和数据插值得到完整的k空间轨迹。
优选地，在所述应用于杂核成像的k空间轨迹校正方法中，在信号接收阶段，若杂核成像序列单元中的读梯度之前存在去相位梯度，1H通道数据需要在去相位梯度开始施加时就开始采集。在杂核信号采集阶段，1H/杂核信号需要同步采集。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的应用于杂核成像的k空间轨迹校正***及方法，用以校正梯度硬件的不足或未完全消除的涡流效应而导致的目标k空间轨迹偏差，从而减轻或消除图像伪影的影响。这种方法不需单独序列用于测量k空间轨迹，几乎不增加扫描时间，且测量的梯度波形即实际成像所使用的成像梯度，可以避免梯度***稳定性不足的影响。该校正***及方法可以方便地应用到多种杂核及多种杂核成像序列上。
附图说明
图1应用于杂核成像的k空间轨迹校正的***框架图。
图2为3D UTE序列图。
图3为1H和23Na并行成像***用于3D UTE的应用于杂核成像的k空间轨迹校正脉冲序列图。
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1：请参阅图1，一种应用于杂核成像的k空间轨迹校正***，包括采样序列与信号处理***、谱仪控制***和磁体与射频***，采样序列与信号处理***连接谱仪控制***，谱仪控制***通过放大器和辅助控制部分连接磁体与射频***。
放大器包括杂核素RF放大器、1H核素RF放大器、1H核素RF前置放大器、杂核素RF前置放大器和梯度放大器。采样序列与信号处理***包括采样序列与图像处理模块和主控***。磁体与射频***采用由1H线圈和杂核线圈组成的1H和杂核射频发射接收一体化线圈。谱仪控制***包括宽频多核信号激发控制***、接收机、梯度与射频功率***和梯度控制与***主控模块。
在***工作时，采样序列与信号处理***将1H和杂核的控制指令、成像序列和参数等发送给谱仪控制***；谱仪控制***的宽频多核信号激发控制***接收参数，通过频率合成、波形发生和正交调制等，产生特定频率、带宽、相位、幅度的射频脉冲小信号，然后经射频功放放大后在1H和杂核射频发射接收一体化线圈的发射部分中产生射频磁场，激励成像物体的1H和杂核产生共振，同时，谱仪控制***的梯度波形生成部分接收参数，然后计算处理序列中的梯度波形，并将梯度波形信号输出，经梯度功放放大后驱动磁体中的梯度线圈产生梯度磁场；1H和杂核产生的共振信号经过1H和杂核射频发射接收一体化线圈的接收部分产生高频调制信号，由1H和杂核前置放大器放大后发送给谱仪***的接收机，信号被接收机滤波、放大、信号解调、信号采集和信号传输后形成可以被采集到的磁共振信号；最后，采集到的1H/杂核磁共振信号传输回采样序列与信号处理***，经过数据处理后得到所需的磁共振图像。
本设计还公开了一种应用于杂核成像的k空间轨迹校正方法，采用上述的***，包含以下步骤：
步骤1：在杂核成像序列单元之前，在1H通道施加一个选层激发单元；
步骤2：在杂核成像序列单元中，首先在杂核通道发射射频脉冲激发杂核产生信号，然后在信号接收阶段，分别使能1H/杂核通道的接收链路，采集1H/杂核信号；采集得到的1H信号经过处理，生成测量的k空间轨迹数据；采集得到的杂核信号记为杂核信号k空间数据；
步骤3：利用步骤2中生成的k空间轨迹数据，对步骤2中所述的杂核信号组成的k空间进行重建，得到轨迹校正的杂核图像。
实施例2：在实施例1的基础上，以采集23Na的3D-UTE信号为例进行说明。
3D-UTE的基本序列图如图2所示，在激励脉冲之后，三个物理梯度轴输出三路空间编码梯度，其梯度值分别为：
其中，Gr为读梯度大小，Gx、Gy、Gz分别为三个物理梯度轴上的梯度值大小，ψ和θ分别为球坐标系中的极角和方位角。3D-UTE序列在ADC打开期间，即从编码梯度边沿，接收***开始采集k空间数据。这种非笛卡尔采集对轨迹校正要求很高。在实际中，常用的做法是需要利用1H信号预先专门测定其k空间轨迹。
将本发明所述的应用于杂核成像的k空间轨迹校正方法应用在UTE序列上，其序列图如图3所示。相比于图2，图3中不再将UTE的读梯度表示为X、Y、Z三个物理坐标系中梯度轴上的波形，而将其直接表达为逻辑坐标系中的一路梯度。在逻辑坐标系中，UTE的读梯度波形不变，但施加的方向则在k空间中转动，这可以通过改变梯度***的旋转矩阵来实现。此外，相比于基本的3D-UTE序列，图3的序列在23Na的射频脉冲之前增加了一路1H射频脉冲，与之同时地，在UTE的读出梯度方向上增加了一个梯度。该梯度作为1H通道的选层梯度和层面回聚梯度，可以选择性地激发一个偏中心的薄层面。在ADC打开期间，接收***同步采集1H/23Na信号，23Na的信号则为UTE序列采集的k空间数据，而1H信号的相位表达式则满足以下公式：
其中，γ为1H的磁旋比，Dr为所选薄层面偏中心距离，t为时间变量，r为空间变量，Gr(t)为3D-UTE读梯度波形，kr(t)即为所测k空间轨迹。公式右侧第一项积分式为3D-UTE读梯度引起的自旋相位，可以看到其与k空间轨迹成比例关系；第二项
为磁场不均匀性等其他***因素引起的自旋相位。
为消除***因素对1H信号相位的影响，在UTE的轨迹设计阶段可以使得每一个读出梯度方向都有与之对应的一个反向的读出梯度方向。如图3所示，每一个UTE读梯度都可以找到与之反向的另一个读梯度，重复上述信号采集过程，则1H信号的相位表达式如式(3)所示：
观察公式(2)和(3)，对两次测得的MR信号的相位作差，即可消除***因素引起的相位，得到k空间轨迹：
kr(t)＝ΔΦr(t)/2Dr (4)
这样的一组1H信号就可以确定该读梯度方向上的k空间轨迹，这里将其记为kr。
当测量得到m个不同方向的k空间轨迹时，可以估计出kx、ky、kz(即读梯度方向分别为X、Y、Z三个物理梯度轴时的k空间轨迹)：
其中，T为所测量的读梯度方向决定的系数矩阵，n为轨迹数据采样点数，m为采集的方向数。对于3D-UTE序列而言，只要满足m≥3，即可以估计出kx、ky、kz，然后通过一定的插值算法就可以合成出完整的k空间轨迹。最简单地，当选择读梯度分别与X、Y、Z三个物理轴重合时利用1H信号采集轨迹数据时，式(6)为单位矩阵，所测轨迹kr1、kr2、kr3就分别对应kx、ky、kz。当m>3时，可以提高测量数据的准确性，利用最小二乘法可得到：
由于仅需测量若干个方向的k空间轨迹，且对于23Na而言，1H射频脉冲期间施加的梯度相当于损毁梯度，可以与本身UTE序列的损毁梯度合并，这一时间通常只有几个毫秒，因此这种方法几乎不会延长扫描时间。另外，由于轨迹测量的梯度波形即是实际采集k空间数据所使用的梯度，这种方法可以也避免梯度***稳定性不足的影响。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种应用于杂核成像的k空间轨迹校正***，其特征在于，包括采样序列与信号处理***、谱仪控制***和磁体与射频***，采样序列与信号处理***连接谱仪控制***，谱仪控制***通过放大器和辅助控制部分连接磁体与射频***。
2.根据权利要求1所述的应用于杂核成像的k空间轨迹校正***，其特征在于，所述放大器包括杂核素RF放大器、1H核素RF放大器、1H核素RF前置放大器、杂核素RF前置放大器和梯度放大器。
3.根据权利要求1所述的应用于杂核成像的k空间轨迹校正***，其特征在于，所述采样序列与信号处理***包括采样序列与图像处理模块和主控***。
4.根据权利要求1所述的应用于杂核成像的k空间轨迹校正***，其特征在于，所述磁体与射频***采用射频发射接收一体化线圈。
5.根据权利要求1所述的应用于杂核成像的k空间轨迹校正***，其特征在于，所述谱仪控制***包括宽频多核信号激发控制***、接收机、梯度与射频功率***和梯度控制与***主控模块。
6.一种应用于杂核成像的k空间轨迹校正方法，采用权利要求1-5任一所述的***，包含一种新的脉冲序列单元和相应的数据处理过程，其特征在于：
步骤1.在杂核成像序列单元之前，在1H通道施加一个选层激发单元；
步骤2.在杂核成像序列单元中，首先在杂核通道发射射频脉冲激发杂核产生信号，然后在信号接收阶段，分别使能1H/杂核通道的接收链路，采集1H/杂核信号；采集得到的杂核信号即为杂核信号k空间数据；采集得到的1H信号经过处理，生成测量的k空间轨迹数据；
步骤3.利用所述k空间轨迹数据，对所述杂核信号组成的k空间进行重建，得到轨迹校正的杂核图像。
7.根据权利要求6中所述的应用于杂核成像的k空间轨迹校正方法，其特征在于，所述1H通道上的选层激发单元，包括一个1H选择性激发脉冲及对应的选层梯度，选择性激发一个偏中心的层面。
8.根据权利要求6中所述的应用于杂核成像的k空间轨迹校正方法，其特征在于，所述1H通道上的选层激发单元中的选层梯度方向应与所述杂核成像序列单元中的读出梯度方向相同。
9.根据权利要求6中所述的应用于杂核成像的k空间轨迹校正方法，其特征在于，选择性地测量若干个读出梯度方向上的k空间轨迹数据，然后通过最小二乘法和数据插值得到完整的k空间轨迹。
10.根据权利要求6中所述的应用于杂核成像的k空间轨迹校正方法，其特征在于，在信号接收阶段，若杂核成像序列单元中的读梯度之前存在去相位梯度，1H通道数据需要在去相位梯度开始施加时就开始采集；在杂核信号采集阶段，1H/杂核信号需要同步采集。
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|---|---|---|---|---|
| CN116930836A (zh) * | 2023-09-18 | 2023-10-24 | 哈尔滨医科大学 | 多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法和*** |
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| CN116930836A (zh) * | 2023-09-18 | 2023-10-24 | 哈尔滨医科大学 | 多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法和*** |
| CN116930836B (zh) * | 2023-09-18 | 2023-11-24 | 哈尔滨医科大学 | 多核素同步一体化成像最佳脉冲功率测量方法和*** |
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