專利名稱：一種用于縮短回波時間的由內而外平面回波成像方法
技術領域：
本發明涉及磁共振成像領域，尤其涉及一種由內而外的平面回波成像方法。
背景技術：
平面回波成像(EPI)序列是磁共振成像序列中最快中的一種。隨著現代梯度系統和射頻系統的出現，EPI產生一幅二維的圖像僅需幾十毫秒。正是因其成像速度快，使得EPI在擴散成像、灌注成像、腦功能譜圖成像、心臟成像、動態研究和實時成像等應用中起到至關重要的作用。在單次激發EPI中，一個完整的二維k空間數據通過單個射頻激發脈沖和一系列回波鏈就可采集得到，具有非常高的時間分辨率。然而，EPI對硬件的要求很高，產生的圖像分辨率低并可能產生顯著的偽影。其中的偽影包括奈奎斯特(Nyquist)偽影、 化學位移偽影、幾何畸變偽影以及T2/T2*衰減產生的模糊偽影。縮短回波時間可提高信噪比，可減少T2/T2*加權，在一些磁共振成像應用如擴散加權成像和動脈自旋標記中有很重要的作用，因為擴散加權成像需要的是擴散加權，因而T2/T2*加權的影響越小越好；與此類似，在動脈自旋標記中采用的是Tl加權，也需要盡量減小T2/T2*加權。因此，在采用常規EPI序列進行掃描的基礎上，進行了一系列用來縮短回波時間的改進，現有的改進方法主要包括以下幾種第一，提高梯度幅值和/或提高切變率。提高梯度幅值和/或提高切變率可縮短回波間隙。第二，采用部分k空間采集。部分k空間采集會縮短回波間隙或者減少回波鏈的數目，進而減輕畸變和對T2/T2*的敏感性。部分k空間采集依賴k空間的共軛對稱性，通常相位編碼方向上做部分k空間采集。第三，采用多次激發EPI。在交錯式多次激發EPI中，各次激發得到的數據在k空間中交錯填充。由于回波鏈的長度縮短、相位編碼方向上的有效帶寬相應增加以及T2*衰減的影響減輕，所以圖像的信噪比更高，模糊更小。在馬賽克式多次激發EPI中，采集的數據以塊狀方式填充到k空間中。為了獲得足夠的魯棒性，通常在塊狀數據交界附近會進行過采樣，以進行塊狀數據間相位不一致的校正。上述方法本身存在一定的缺陷，第一種方法依賴于更高的梯度性能，在現有系統的情況下，依靠提高梯度幅值和/或切變率來縮短回波時間的空間不大，同時會產生更多的梯度線圈和梯度功放的發熱和更大的噪聲，且dB/dt值會增加帶來外周神經刺激的風險。第二種方法由于信號讀出時累積的相位誤差通常會采集超過一半的k空間(一般為55%-75%)，因此回波時間至少為(5%-25%)*相位編碼數*回波間隙。若相位編碼數為128，則回波時間至少為6-32個回波間隙的時間。第三種方法多次激發EPI以增加激發次數來獲得較短的回波時間，而多次激發EPI的采集時間相應增加，同時對運動也更加敏感。由此可見，這三種方法都不能有效地縮短回波時間。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，發明一種用于縮短回波時間的由內而外平面回波成像方法。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種用于縮短回波時間的由內而外平面回波成像方法，該方法包括以下步驟
(O由內而外平面回波成像掃描，該步驟通過以下子步驟來實現
(I. I)射頻脈沖激發層面；
(I. 2)施加一連串的正反向切換的讀出梯度和相位編碼梯度，相位編碼梯度的方向是正反向切換的，面積是從零開始或很小的值逐漸增加的；
(I. 3)在讀出梯度的持續時間內采集受激發層面的信號；
(2)由內而外平面回波圖像重建由步驟(I)得到的受激發層面的信號，需進行非笛卡爾重建得到圖像，其中所需的k空間軌跡信息可由施加梯度的積分計算得到或由其他k空間軌跡測量方法測量得到；重建得到的圖像進行相位誤差校正來消除奇數回波和偶數回波之間位不一致帶來的影響，并進行其他偽影如畸變校正。 進一步地，所述步驟(I. 2)中，可采用部分k空間采集的方法進一步縮短采集時間，減小偽影。進一步地，所述步驟(I. 3)中，數據采集窗口和相位編碼梯度存在重疊，來確保在不增加或減少增加回波間隙的條件下，容納面積逐漸增大的相位編碼梯度。進一步地，所述步驟(I)中，第一個回波即為相位編碼梯度最小的回波，數據相應地填充到k空間中心，因而，回波時間為射頻脈沖的中心與第一個回波的中心之間的時間間隔，相較于常規平面回波成像的回波時間大大地縮短了。本發明的有益效果是，由于序列的有效回波時間位于第一個回波的中心，回波時間大大縮短，信噪比相應提高。由于k空間中心信號決定圖像的對比，而k空間中心的數據來源于初始的回波，T2或T2*衰減作用小，所得圖像的T2/T2*加權的成分會很小。在一些應用如擴散成像(擴散加權)和動脈自旋標記(Tl加權)中，采用這種T2或T2*加權小的序列可以改善圖像質量。
圖I是本發明由內而外平面回波成像方法的序列圖，圖中有兩種數據采集模式acql 和 acq2 ；
圖2是圖I中一種方案對應的k空間填充軌跡的示意 圖3是圖I中另一種方案對應的k空間填充軌跡的示意 圖4是圖I中方框I內梯度波形和采集窗口波形的放大 圖5是EPI序列的梯度波形和采集窗口波形示意 圖6是EPI的k空間軌跡 圖7是本發明由內而外平面回波成像方法的實施流程 圖8是本發明結合部分傅里葉采集方式的k空間軌跡示意 圖9是本發明結合部分回波采集方式的k空間軌跡示意 圖10是本發明結合相位誤差校正掃描的序列圖。
具體實施例方式如圖7所示，本發明用于縮短回波時間的由內而外平面回波成像方法包括以下步驟
1.由內而外平面回波成像掃描 . 1.1射頻脈沖激發層面。射頻脈沖可以通過自旋回波、梯度回波以及擴散加權成像等方式激發層面，依據成像需求決定。圖I為本發明提出的梯度回波的由內而外平面回波成像(C0-EPI)。1.2施加一連串的正反向切換的讀出梯度和相位編碼梯度。CO-EPI在一次射頻激發后，利用正反向交替的讀出梯度產生一系列的回波，有效地使用橫向磁化矢量。回波鏈長度直接決定掃描時間。若保持采集時間一定(時間由組織的T2*值決定)，最大的回波鏈長度反比于回波間隙。回波間隙可以達到的最小長度由很多因素決定，如梯度切變率、梯度幅值、接收器帶寬和讀出方向的k空間矩陣尺寸等。1.2. I CO-EPI的讀出梯度如圖I所示，與EPI中使用的讀出梯度類似，都是以一個預補償梯度Gx，P開始，緊接著一連串正反向交替的讀出梯度。K空間采集采用斜坡采集(ramp sampling),即在讀出梯度的平臺和斜坡處都采集數據。以EPI采集為例，圖5中的acq即為ramp sampling,對應的k空間軌跡為圖6的61,圖中每一行的中間一段對應平臺處的均勻采樣，兩側為斜坡處的不均勻采樣。Ramp sampling是一種縮短回波間隙的方式。之所以要縮短回波間隙是因為長的回波間隙不僅會降低數據采集效率而且會增加圖像偽影，如畸變、化學位移、信號丟失和模糊。1. 2. 2 CO-EPI的相位編碼梯度一開始沒有預補償梯度，以使得相位編碼線保留在k空間的中心，或者添加一個很小的預補償梯度Gy，p，使得第一個回波時在k空間中處于偏離中心半個單位相位編碼的位置。接下來，一系列的相位編碼梯度施加在每兩回波之間，實現每個回波在k空間中跳轉。本發明中這一系列的相位編碼梯度是正反向交替的，并且面積是逐漸增加的。假如第一個相位編碼梯度的面積為兒那么第J個相位編碼梯度面積為
Jxd,方向為(-if。因此，第J'個回波處于k空間的軌跡值為^ =Pf1Cj-(其中F為磁旋比)。采用公式巧(其中4為k空間相位編碼方向的單位間隔，ZbK7為
成像時相位編碼方向的視野大小)，得出面積J為。因為本發明的相位編碼的面積
相較于常規EPI中的大得多，特別是在后面一些回波中使用的相位編碼，所以在這里均采用梯形波形的梯度。本發明的相位編碼梯度有兩種實施方案。方案一為保持每個相位編碼梯度的上升時間、持續時間以及下降時間均一致，線性增加的相位編碼梯度的面積就轉化為線性增加的相位編碼梯度的幅值。如圖I中顯示，相位編碼梯度101到109的幅值是逐漸增加的，方向是交替變化的。K空間軌跡填充方式如圖2。其中21為讀出梯度平臺期間未與相位編碼重疊部分的數據。方案二為逐漸增加相位編碼梯度的持續時間，以減少前面梯度與數據采集窗口的重疊。換句話說，就是減少曲線段填充的數據。K空間軌跡填充方式如圖3。其中.31為讀出梯度平臺期間未與相位編碼重疊部分的數據。比較而言，方案一比較容易實施，而方案二由于更多地數據分布在直線位置上而更便于圖像重建。為了縮短回波間隙，本發明中的相位編碼梯度是可以和讀出窗口重疊的。由于讀出時采用ramp sampling，即讀出梯度的斜坡處也是進行采樣的，因此，讀出梯度的斜坡與相位編碼梯度也將重疊。由圖4可以看出，陰影部分41，42，43是重疊部分。采集窗口 43與讀出梯度的斜坡41重疊會引起k空間數據在讀出方向的不均勻性，采集窗口 43與相位編碼梯度42的重疊會引起k空間數據在相位編碼方向的不均勻性。因此，如圖2和3所示，本發明對應的k空間軌跡按填充時的分布可分為三類，一類是二維不均勻分布，二類是一維不均勻分布，三類是均勻分布。盡管回波間隙有一定的縮短，但是讀出梯度與相位編碼梯度的重疊可能會帶來一個問題，就是梯度的重疊可能引起dB/dt的升高。當切變率和梯度幅度超過一定閾值時，可能會引起病人的不適，如疼痛、外周神經刺激。因此，需要對讀出梯度和相位編碼梯度做優化設計，使得在確保安全的條件下達到最小的回波間隙。在保持分辨率不變的條件下，上述用于縮短回波時間的CO-EPI可通過部分k空間的方式縮短采集時間，從而減輕化學位移偽影、幾何畸變和模糊。部分k空間采集依賴k空間的共軛對稱性，通常部分k空間采集施加在相位編碼方向。然而實際上，信號讀出時累積的相位誤差會破壞k空間的對稱性，因此，通常會采集超過一半的k空間(一般為55%-75%)以便做相位校正。部分k空間的采集方式有兩種，一為部分傅里葉采集如圖8，它可縮短回 波鏈數目，從而縮短采集時間。為了實施部分傅里葉采集，在k空間中心采用CO-EPI序列采集，當采集外周一側時采用EPI序列采集。這樣，CO-EPI中最大面積的相位編碼梯度將比全采集中的最大面積的相位編碼梯度大大減小。因而可有效緩解對梯度重疊時可能產生過高dB/dt的問題。另一種部分k空間采集方式為部分回波采集，如圖9，它可縮短回波間隙，從而減少采集時間。1.3在讀出梯度的持續時間內采集受激發層面的信號。數據采集窗口有兩種方案,方案一(圖I的Acql)為ramp sampling,方案二(圖I的Acq2)為不間斷采集。根據以上的說明，CO-EPI的k空間軌跡如圖2或3所示，從k空間中心開始，逐漸往兩側延伸。圖中的1-15為回波次序，由此可見，奇數回波都位于下半k空間，偶數回波都位于上半k空間。其中，方框23內的數據為acql采集得到，方框24內的數據為acq2采集得到。2.由內而外平面回波圖像重建
由于采集得到的k空間數據是不均勻分布的，所以重建的時候需要非笛卡爾重建，而不是常規的直接傅里葉變換重建。通常，非笛卡爾重建可以用網格化(regridding)實現，也就是說把數據重采樣到笛卡爾坐標系上，再進行傅里葉變換。在regridding前，通常需要確定k空間軌跡。k空間軌跡可以通過對施加的梯度積分計算得到。然而，由于梯度的不完美，實際的梯度與預先想要施加的梯度存在一定偏差，所以，更精確的方法為k 空間軌跡測量方法，如 Duyn 的方法(Duyn J et al. Simple correction method fork-space trajectory deviations in MRI, J. Magn. Reson. 132(1) 150-3, 1998)、自編石馬方法(Alley MT. et al. Gradient characterization using a Fourier-transformtechnique, Mang. Reson. Med. 39(4) :581-7, 1998)以及磁場監測方法(Barmet C. etal. Spatiotemporal magnetic field monitoring for MR, Magn Reson Med. 60(1)187-97，2008.)。由于奇數回波和偶數回波之間存在相位不一致，因此在EPI中會引起奈奎斯特偽影。而在CO-EPI中，由于奇數回波和偶數回波不再交叉排列而是分別占據上下半k空間，它們之間的相位不一致不會產生奈奎斯特偽影，而出現相位誤差引起的模糊偽影。因此，為了獲得更高質量的圖像，CO-EPI數據經非笛卡爾重建之前需進行相位誤差校正。在本方法中，可對序列增加參考掃描，如圖10所示，即可采集兩個相鄰的都是零相位編碼的回波(如方框10)，從而產生兩條零相位編碼線。相位誤差可由這兩回波的數據通過線性擬合得到，再將相位誤差用于后面采得的回波之中。由于在相位編碼方向的采集帶寬較低，在非共振(如磁場不均勻、磁敏感差異、長時間系數的渦流(>100毫秒)和伴生磁場)區域會產生圖像畸變。又由于上半k空間和下半 k空間的采集方向相反，畸變會朝相反兩方向展開。如果物體上磁場分布已知，那么可以通過在k空間去除非共振頻率來修正點擴散函數。物體上的主磁場不均勻性分布圖可由采集BO圖得到，再對圖像進行畸變校正。
權利要求
1.一種用于縮短回波時間的由內而外平面回波成像(center-out echo-planarimaging, CO-EPI)方法,其特征在于,該方法包括以下步驟 (1)由內而外平面回波成像的相位編碼在k空間中從中心開始，逐漸向外延伸；該步驟通過以下子步驟來實現 (I. I)射頻脈沖激發層面； (I. 2)施加一連串的正反向切換的讀出梯度和相位編碼梯度，相位編碼梯度的方向是正反向切換的，相位編碼梯度從零或一個很小的面積開始，隨后面積逐漸增加； (I. 3)在讀出梯度的持續時間內采集受激發層面的信號； (2)由內而外平面回波圖像重建由步驟(I)得到的受激發層面的信號，需進行非笛卡爾重建得到圖像，其中所需的k空間軌跡信息可由施加梯度的積分計算得到或由其他k空間軌跡測量方法測量得到；重建得到的圖像進行相位誤差校正來消除奇數回波和偶數回波之間相位不一致帶來的影響，并進行其他校正如畸變校正。
2.根據權利要求I所述一種用于縮短回波時間的由內而外平面回波成像方法，其特征在于，所述步驟(I. 2)中，通過部分k空間的采集方法可進一步縮短采集時間。
3.根據權利要求I所述一種用于縮短回波時間的由內而外平面回波成像方法，其特征在于，所述步驟(I. 3)中，數據采集窗口和相位編碼梯度存在重疊，來確保在不增加(或減少增加)回波間隙的條件下容納面積逐漸增大的相位編碼梯度。
4.根據權利要求I所述一種用于縮短回波時間的由內而外平面回波成像方法，其特征在于，所述步驟(I)中，第一個回波即為相位編碼梯度最小的回波，相應地填充到k空間中心，因而，回波時間是射頻脈沖的中心與第一個回波的中心之間的時間間隔，相較于常規平面回波成像中的回波時間大大地縮短了。
全文摘要
本發明公開了一種用于縮短回波時間的由內而外平面回波成像方法，在該方法中，k空間軌跡從中間開始逐漸往相位編碼方向的外側延伸，其中產生該軌跡的梯度由正反向切換的讀出梯度和正反向切換且面積從零開始逐漸增大的相位編碼梯度組成。該方法還包括為了在不增加回波間隙的條件下容納面積逐漸增大的相位編碼梯度，相位編碼梯度與數據采集窗口容許有重疊。由于在該方法的序列中有效回波時間位于第一個回波的中心，回波時間大大縮短，信噪比相應提高。由于圖像的對比取決于k空間中心信號，而k空間中心的數據來源于初始的回波，所得到圖像的T2或T2*加權很小。在擴散成像和動脈自旋標記成像中，減少T2或T2*加權有利于提高圖像質量。
文檔編號G01R33/561GK102890255SQ20121039911
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者杜一平, 葉慧慧 申請人:浙江大學