磁共振成像方法和设备与流程

1.本发明涉及磁共振成像(mri)，尤其涉及可以提供高分辨率图像的方法和设备。

背景技术：

2.磁共振成像(mri)有时也称为核磁共振成像。在mri扫描期间，将要扫描的对象放置在静态磁场中，并且该磁场使得对象内的核变得磁化，其中净磁化与磁场平行对准。通常感兴趣的是氢原子的质子，尽管可以使用mri技术研究除氢之外的原子核。然后将对象暴露于由发射器生成的电磁脉冲，通常是射频脉冲。选择脉冲的频率和持续时间以扰动质子的净磁化矢量，特别是使净磁化矢量倾斜以垂直于静磁场。当质子通过弛豫返回至低能态时，它们的进动产生可由接收器检测的磁通量。根据磁通量，可以确定构成扫描对象的图像的像素。
3.通常施加额外的磁场以在整个磁场内提供梯度。这些导致场内不同位置处的质子以不同速率进动，使得可以选择对象的特定体积或切片并对其成像。
4.因此，mri是一种不依赖于电离辐射的非侵入式成像模式，并且通常在保健中用于生成人体组织的图像。
5.在mri扫描期间由质子产生的信号是由于两个弛豫过程。首先，与施加至对象的静磁场平行的质子的净磁化矢量的分量增加。发生这种情况的速率由常数t1控制。其次，在由常数t2控制的过程中，与施加至对象的静磁场垂直的质子的净磁化矢量的分量减小。t1和t2的值取决于构成要扫描对象的材料的特性。
6.通常，在序列中多次施加射频脉冲。因此，射频脉冲和磁场梯度的时间分辨序列被称为脉冲序列。在足够快的脉冲序列中，其中以明显小于t2的脉冲间隔施加射频脉冲，对象的质子没有足够的时间在脉冲之间松弛至它们的热平衡状态。相反，质子达到称为稳态的动态平衡。一种这样的脉冲序列是重聚焦稳态自由进动(ssfp)，ssfp是在短采集时间内生成具有高信噪比(snr)的图像的流行方法。
7.期望在mri扫描中提供对象的高分辨率图像。然而，许多获取较高分辨率图像的方法需要强射频脉冲和强磁场梯度，这可能导致硬件性能要求提高、snr效率降低以及扫描对象中的加热程度增加。

技术实现要素：

8.为了实现该目的，本发明的当前优选实施方式提供了一种用于生成对象的磁共振成像mri图像的方法，该方法包括：向对象施加磁场b0；向对象施加电磁脉冲序列；施加除磁场b0之外的另外的磁场梯度，磁场梯度包括多个第一梯度和至少一个第二梯度；测量由对象响应于多个电磁脉冲以及第一磁场梯度和第二磁场梯度而产生的信号回波；从由对象响应于电磁脉冲以及第一磁场梯度和第二磁场梯度而产生的信号回波获取第一空间分辨率的图像数据；对从信号回波获取的图像数据进行组合，以产生对象的第二空间分辨率的至少一个图像，第二空间分辨率高于第一空间分辨率。第一梯度在连续电磁脉冲之间的间隔
中完全重绕，而至少一个第二梯度在连续电磁脉冲之间的间隔中具有非零梯度时间积分。电磁脉冲序列中的至少一个电磁脉冲的相位不同于电磁脉冲序列中的另一个电磁脉冲的相位。
9.以这种方式，该方法提供了对象的图像，其中只有对象内的某些特定位置对信号回波有贡献。第一梯度允许通过切片选择、相位编码和频率编码中的至少一个的组合将信号定位至对象中的特定位置。第二梯度提供周期信号调制，其取决于对象中质子的非共振信号轮廓。磁化中的周期性空间变化可以在稳态下生成，并且包含关于高于奈奎斯特(nyquist)频率的空间频率的信息。因此可以获取一系列具有标称空间分辨率的图像，每个图像具有不同的磁化周期变化。这些图像可以被组合以生成具有高于标称空间分辨率的空间分辨率的图像。
10.本发明的另一实施方式提供了一种mri设备，其包括控制器，该控制器被配置成控制mri设备以进行以下操作：向对象施加磁场b0；向对象施加电磁脉冲序列；施加除磁场b0之外的另外的磁场梯度，磁场梯度包括多个第一梯度和至少一个第二梯度；以及测量由对象响应于多个电磁脉冲以及第一磁场梯度和第二磁场梯度而产生的信号回波。控制器还被配置成：从由对象响应于电磁脉冲以及第一磁场梯度和第二磁场梯度而产生的信号回波获取第一空间分辨率的图像数据；以及对从信号回波获取的图像数据进行组合，以产生对象的第二空间分辨率的至少一个图像，第二空间分辨率高于第一空间分辨率。第一梯度在连续电磁脉冲之间的间隔中完全重绕，而至少一个第二梯度在连续电磁脉冲之间具有非零梯度时间积分。电磁脉冲序列中的至少一个电磁脉冲的相位不同于电磁脉冲序列中的另一个电磁脉冲的相位。
11.当沿着给定轴施加线性磁场梯度时，进动频率的线性变化导致沿着该轴的质子之间的线性相位分散。由于第一梯度在连续电磁脉冲之间具有零积分，因此这些梯度不会在静态对象中产生任何相位分散的累积。第二梯度具有非零积分，因此在连续电磁脉冲的整个施加中产生累积相位分散。连续电磁脉冲之间的第二梯度的时间积分与该线性相位分散的斜率成比例，并且在稳态下确定空间中调制图案的周期性δx。这与梯度时间积分如下相关：∫g(t)dt＝2π/yδx，其中g是梯度强度，γ是旋磁比。可以分辨的最小周期性是其中δx等于沿着该轴的标称体素间距，使得图案在每个体素中重复一次。
12.mri设备通常包括适于产生磁场b0和磁场梯度的磁阵列。mri设备通常包括用于发射电磁脉冲的发射器。mri设备通常包括用于测量由对象响应于电磁脉冲而产生的信号回波的接收器。
13.可以在图像域中逐个体素地合并图像。也可以在频域中组合图像数据。可以使用人工智能来组合数据。
14.第一梯度可以完全重绕，使得它们的梯度时间积分在连续电磁脉冲之间为零。
15.电磁脉冲可以是射频脉冲。电磁脉冲和磁场梯度的序列可以是稳态自由进动(ssfp)脉冲序列。
16.可以重复该方法以获得在空间或时间上分离的图像。换句话说，可以通过调节第一梯度、第二梯度或电磁脉冲相位来采集对象的其他部分的图像，以便提供对象内的期望位置的图像，并且可以重复对对象的相同部分的成像，以提供由时间的流逝分开的相同部分的多个图像。
17.该电磁脉冲序列可以包括至少第一组电磁脉冲，其中第一组中的第一脉冲具有第一相位并且第一组中的每个后续脉冲具有以第一间隔增加的相位。该第一间隔可以是固定的，使得组中的后续电磁脉冲的相位线性增加。
18.通过在连续激发之间线性地增加脉冲的相位，在所得到的图像中引起信号调制平移其周期的一部分。可以重复该过程以产生具有由不同固定相位增量产生的信号调制的不同微小平移的图像。然后，在使用所估计的非共振轮廓执行一维去卷积之前，可以逐个体素地交织这些图像。
19.电磁脉冲序列可以包括第二组电磁脉冲，其可以发生在第一组电磁脉冲之前或之后，其中第二组中的第一脉冲具有第二相位并且第二组中的每个后续脉冲具有以不同于第一间隔的第二间隔增加的相位。电磁脉冲序列可以包括第三组电磁脉冲。电磁脉冲序列还可以包括其他组电磁脉冲。电磁脉冲序列可以包括所需的多组电磁脉冲。
20.第一相位可以与第二相位相同，使得从两组电磁脉冲得到的图像可以被组合以产生单个图像。可以组合两个以上的图像以创建单个图像。
21.在电磁脉冲序列包括至少第一组电磁脉冲并且第一组中的第一脉冲具有第一相位的情况下，第一组中的每个后续脉冲可以具有以二次递增的间隔增加的相位。
22.二次增加连续电磁脉冲的相位可以产生伪稳态，其中磁化轮廓在连续电磁脉冲之间微小偏移。这可以继续产生具有第一空间分辨率的至少两个图像。这些图像可以被重新排序并组合成具有大于第一空间分辨率的空间分辨率的单个图像。
23.可以在电磁脉冲序列中的后续脉冲之间的间隔中测量来自多于一个信号回波的图像数据。这些数据可以被拟合至信号模型以估计对象的定量特性，诸如t1、t2或核扩散特性。可以对来自一个间隔中的若干个回波的数据进行傅立叶变换，以给出非共振轮廓的估计。
24.稳态或伪稳态可以被至少一个其他磁场梯度或电磁脉冲(诸如反相脉冲)中断，使得信号由其定量特性加权。至稳态或伪稳态条件的恢复可以被拟合至信号模型以估计对象的定量特性。
25.第一梯度可以包括沿第一轴设置的相位编码梯度、片选择梯度和频率编码梯度中的至少一个，并且第二梯度的梯度时间积分可以是沿第一轴非零的。第二梯度可以具有沿连续电磁脉冲之间的任何轴产生非零时间积分的任何形状。
26.第一梯度可以描述非笛卡尔采集。对于频率编码、相位编码或切片选择中的至少一个，该非笛卡尔采集可以不具有固定轴。第一梯度或第二梯度可以生成非线性磁场梯度。
27.可以通过空间分布对所合并的图像进行去卷积。可以在频域中执行图像反卷积。可以通过估计由电磁脉冲产生的磁场b1的不均匀性来通知去卷积。可以从数据本身导出该b1估计。可以通过静磁场b0的不均匀性的估计来通知图像数据的合并。可以从数据本身导出该b0估计。图像数据的合并可以由采集期间对象运动的估计来通知。可以从数据本身导出该运动估计。
28.下文阐述这些实施方式的优点，并且这些实施方式中的每一个的进一步细节和特征在所附从属权利要求中和以下详细描述中的其他地方中定义。
附图说明
29.下文将参照附图通过说明性示例来描述本发明的教导的各个方面以及体现这些教导的设置，在附图中：
30.图1是根据本发明的磁共振成像设备的示例；
31.图2和图3示出了由mri设备施加的磁场梯度；
32.图4示出了mri设备中的一组质子的非共振频率轮廓；
33.图5示出了当施加具有不同线性相位增量的电磁脉冲组时非共振频率轮廓中的微小偏移；
34.图6和图7是来自mri设备的示例图像。图6示出了通过仿真的方法，而图7是使用实际采集数据的示例。
具体实施方式
35.图1是根据本发明的磁共振成像(mri)设备100的框图。mri设备100包括室110，室110容纳要被扫描的对象，并且被磁阵列120包围，磁阵列120被设置成在室110中产生磁场。磁阵列120的功能由控制器130控制。控制器130还控制发射器140，发射器140被设置成将射频脉冲传播至室110中。接收器150被设置成检测来自室110中的对象的电磁信号，并将这些信号提供给控制器130。
36.图2是说明当用于使用重聚焦稳态自由进动(ssfp)脉冲序列进行图像获取时mri设备100的操作的图。图2示出了在一个重复时间tr期间施加的脉冲和磁场。
37.在重聚焦ssfp序列中，重复地施加射频脉冲210、220，以及在重复时间tr期间完全重绕的磁场梯度。这意味着在两个射频脉冲210、220之间的间隔期间施加至对象的磁场梯度的时间积分为零。
38.在重复时间tr的开始处，向对象施加第一射频脉冲210。第一射频脉冲210具有强度α和相位第一射频脉冲210引起要扫描的对象中的核的激发，引起对象中的核的净磁化矢量以翻转角α旋转至横向平面中。核可以是氢原子的核。然后，磁化以与局部非共振频率成比例的速率绕主磁场b0进动。对象的磁化随时间常数t1和t2而松弛。
39.图2示出了在重复时间期间作为切片选择(ss)、相位编码(pe)和频率编码(fe)的一部分施加的磁场梯度。针对切片选择231、232、233、234施加的磁场梯度在对象的进动频率中产生对应的梯度，使得可以选择对象的给定切片来进行扫描。特别地，针对切片选择231、232、233、234施加的磁场梯度可以在强度上变化以选择期望的切片宽度。因此，切片选择允许沿对象内的第一轴定位。
40.针对相位编码(pe)241、242施加的磁场梯度引起核进动中的相位分散。针对相位编码241、242施加的磁场梯度也可以在强度上变化，以便沿着对象内的与第一轴垂直的第二轴定位。在一些实施方式中，在两个轴上使用相位编码，第二相位编码pe2补充或替换切片选择。
41.针对频率编码(fe)251、252、253施加的磁场梯度引起沿垂直于第一轴和第二轴的第三轴的原子核进动的频率分散，以便沿对象内的该第三轴定位。
42.这样，当接收器150检测到信号时，与切片内的区域相关的信号可以通过它们的频率和相位编码的唯一组合来识别，并且通常通过应用傅立叶变换来用于生成在切片的所得
图像中使用的像素。
43.在每个tr期间检测信号，以回波时间(te)为中心，回波时间(te)是施加射频脉冲与在接收器150中感应的信号中心之间的时间。te通常等于tr的一半。
44.图3是示出当用于根据本发明的图像获取时mri设备100的操作的图。在操作中，采用与用于重聚焦ssfp采集类似的数据采集。特别地，多个射频脉冲310、320在要扫描的对象位于室110中时被施加至要扫描的对象。在每个tr中，将磁场梯度331、332、333、334、341、342、351、352、353施加至对象，以便提供切片选择、相位编码和频率编码。在特定方向上施加具有非零时间积分的附加磁场梯度。在图3所示的示例中，在与相位编码相同的方向上施加附加磁场梯度343。在每个tr中施加附加磁场梯度343。
45.对于要扫描的对象中的给定材料，稳态磁化强烈地依赖于非共振频率δf，非共振频率δf是与由理想均匀磁场产生的频率的偏差。图4示出了信号幅度对非共振频率的依赖性。在低翻转角的限制下，诸如α＝1
°
，非共振轮廓的幅度近似于具有1/tr周期的阻尼梳状函数。在相位为的射频脉冲之后，下一个射频脉冲的相位为通过线性增加连续射频激发脉冲的相位，在最终图像中，非共振轮廓沿频率维度偏移
46.非共振轮廓和附加磁场梯度343导致沿着附加磁场梯度的方向的空间磁化的周期性调制，其中周期性调制中的峰值位置取决于射频脉冲序列的相位增量的值。这样，当组中的每个射频脉冲的相位增加时，周期性调制中的峰值的位置相对于对象略微偏移。
47.图5示出了当线性相位增量在射频脉冲组之间从变化至时周期性调制中的峰值迁移。因此，从每组导出的图像对应于该周期性调制的不同微小偏移。然后可以合并来自每组的图像以生成超分辨率图像。
48.图6a、图6b、图6c和图6d示出了图3所示方法的示例应用，其中mri设备100用于创建脑的横截面扫描。图6a中示出了一组图像数据，图6b中示出了图6a中的基础磁化轮廓。如果改变连续射频激发之间的相位增量，则调制图案在所得图像中偏移，如图6c所示，因此包含关于高空间频率的不同信息。以不同的相位增量模拟17组图像数据，包括图6a所示的图像，并合并以生成图6d所示的超分辨率图像。
49.图7a示出了具有0.3
×
1.8mm的标称空间分辨率的单个2d ssfp采集，其使用翻转角α＝0.4
°
并且包括如图3所示的附加磁场梯度，使得调制图案的周期性在上下方向上等于1.8mm。如图7b所示，通过逐体素地交织这些图像中的六个，其中空间调制图案已经以六个等距步长移位，在一维中实现超分辨率，并且产生0.3
×
0.3mm的图像。
50.当合并图像时，低翻转角的使用允许简单的去卷积操作，因为大多数信号是在非共振轮廓中的窄峰值内生成的，如例如在图6b中可以看到的，并且在来自磁化的最小信号抵消。因此，仅使用复杂图像的幅度，体素交织和去卷积操作有效地工作。然而，如果与去卷积操作结合，该方法同样可以用于更高的翻转角，该去卷积操作证明了更宽的非共振轮廓的复杂积分，这可以在图2中看到。这可以进一步提高所提出的超分辨率方法的snr效率。然而，使用低射频脉冲翻转角可以帮助较少组织加热。
51.尽管在图3中，附加磁场梯度在相位编码方向上是正的，但是只要它具有所需的非零时间积分，它可以采取任何形状，并且它可以在任何方向上等同地施加。例如，可以在切片选择方向或第二相位编码方向上施加附加磁场梯度，并且可以在频率编码方向上施加附
加磁场梯度。

技术特征：

1.一种用于生成对象的磁共振成像mri图像的方法，所述方法包括：向所述对象施加磁场b0；向所述对象施加电磁脉冲序列；施加除所述磁场b0之外的另外的磁场梯度，所述磁场梯度包括多个第一梯度和至少一个第二梯度；测量由所述对象响应于多个所述电磁脉冲以及所述第一磁场梯度和所述第二磁场梯度而产生的信号回波；从由所述对象响应于所述电磁脉冲以及所述第一磁场梯度和所述第二磁场梯度而产生的所述信号回波获取第一空间分辨率的图像数据；以及对从信号回波获取的所述图像数据进行组合，以便产生所述对象的第二空间分辨率的至少一个图像，所述第二空间分辨率高于所述第一空间分辨率，其中，所述第一梯度在连续电磁脉冲之间的间隔中完全重绕，而所述至少一个第二梯度在连续电磁脉冲之间具有非零梯度时间积分，其中，所述电磁脉冲序列中的至少一个电磁脉冲的相位不同于所述电磁脉冲序列中的另一个电磁脉冲的相位。2.根据权利要求1所述的用于生成对象的磁共振图像的方法，其中，所述电磁脉冲序列包括至少第一组电磁脉冲，其中，所述第一组中的第一脉冲具有第一相位并且所述第一组中的每个后续脉冲具有以第一间隔增加的相位。3.根据权利要求2所述的用于生成对象的磁共振图像的方法，其中，所述电磁脉冲序列包括第二组电磁脉冲，其中，所述第二组中的第一脉冲具有第二相位并且所述第二组中的每个后续脉冲具有以与所述第一间隔不同的第二间隔增加的相位。4.根据权利要求1所述的用于生成对象的磁共振图像的方法，其中，所述电磁脉冲序列包括至少第一组电磁脉冲，其中，所述第一组中的第一脉冲具有第一相位并且所述第一组中的每个后续脉冲具有以二次递增的间隔增加的相位。5.根据前述权利要求中任一项所述的用于生成对象的磁共振图像的方法，其中，在所述电磁脉冲序列中的后续脉冲之间的间隔中测量来自多于一个信号回波的图像数据。6.根据前述权利要求中任一项所述的用于生成对象的磁共振图像的方法，其中，所述第一梯度包括沿第一轴设置的相位编码梯度、切片选择梯度和频率编码梯度中的至少一个，并且其中，所述第二梯度的梯度时间积分沿所述第一轴取向。7.一种磁共振成像mri设备，其包括控制器，所述控制器被配置成控制所述mri设备进行以下操作：向对象施加磁场b0；向所述对象施加电磁脉冲序列；施加除所述磁场b0之外的另外的磁场梯度，所述磁场梯度包括多个第一梯度和至少一个第二梯度；以及测量由所述对象响应于多个所述电磁脉冲以及所述第一磁场梯度和所述第二磁场梯度而产生的信号回波；所述控制器还被配置成：
从由所述对象响应于所述电磁脉冲以及所述第一磁场梯度和所述第二磁场梯度而产生的所述信号回波获取第一空间分辨率的图像数据；以及对从信号回波获取的所述图像数据进行组合，以便产生所述对象的第二空间分辨率的至少一个图像，所述第二空间分辨率高于所述第一空间分辨率，其中，所述第一梯度在连续电磁脉冲之间的间隔中完全重绕，而所述至少一个第二梯度在连续电磁脉冲之间具有非零梯度时间积分，其中，所述电磁脉冲序列中的至少一个电磁脉冲的相位不同于所述电磁脉冲序列中的另一个电磁脉冲的相位。8.根据权利要求7所述的mri设备，其中，所述电磁脉冲序列包括至少第一组电磁脉冲，其中，所述第一组中的第一脉冲具有第一相位并且所述第一组中的每个后续脉冲具有以第一间隔增加的相位。9.根据权利要求8所述的mri设备，其中，所述电磁脉冲序列包括第二组电磁脉冲，其中，所述第二组中的第一脉冲具有第二相位并且所述第二组中的每个后续脉冲具有以与所述第一间隔不同的第二间隔增加的相位。10.根据权利要求7所述的mri设备，其中，所述电磁脉冲序列包括至少第一组电磁脉冲，其中，所述第一组中的第一脉冲具有第一相位并且所述第一组中的每个后续脉冲具有以二次递增的间隔增加的相位。11.根据权利要求7至10中任一项所述的mri设备，其中，在所述电磁脉冲序列中的后续脉冲之间的间隔中测量来自多于一个信号回波的图像数据。12.根据权利要求7至11中任一项所述的mri设备，其中，所述第一梯度包括沿第一轴设置的相位编码梯度、切片选择梯度和频率编码梯度中的至少一个，并且其中，所述第二梯度的梯度时间积分沿所述第一轴取向。

技术总结

用于生成对象的磁共振成像MRI图像的方法包括：向对象施加磁场B0；向对象施加电磁脉冲序列；施加除磁场B0外的另外磁场梯度，磁场梯度包括多个第一梯度和至少一个第二梯度；测量对象响应于多个电磁脉冲、第一磁场梯度和第二磁场梯度产生的信号回波；从对象响应于电磁脉冲、第一磁场梯度和第二磁场梯度产生的信号回波获取第一空间分辨率的图像数据；组合从信号回波获取的图像数据以产生对象的第二空间分辨率的至少一个图像，第二空间分辨率高于第一空间分辨率。第一梯度在连续电磁脉冲之间的间隔中完全重绕而至少一个第二梯度在连续电磁脉冲之间具有非零梯度时间积分。电磁脉冲序列中至少一个电磁脉冲的相位不同于电磁脉冲序列中另一电磁脉冲的相位。列中另一电磁脉冲的相位。列中另一电磁脉冲的相位。