CN101981462A - 具有针对多rf发射系统的改进的b1映射的翻转角成像 - Google Patents

Abstract

一种磁共振方法包括：执行多个磁共振激励操作，每个操作使用一组射频发射线圈(30)中的不同子组，每个子组包括多于一个射频发射线圈；响应于每个所述磁共振激励操作采集磁共振数据；以及基于所采集的磁共振数据针对所述组射频发射线圈中的每个射频发射线圈计算B1或翻转角图。一种磁共振方法包括：使用射频发射线圈(32)执行实际翻转角映射(AFI)序列，其中选择AFI序列的TR时间的比TR₁∶TR₂使其为有理数；响应于所述AFI序列采集磁共振数据；以及基于所采集的磁共振数据针对所述射频发射线圈计算B1或翻转角图。

Description

具有针对多RF发射系统的改进的B1映射的翻转角成像

技术领域

本发明涉及磁共振技术。本发明在磁共振成像中具有应用，并特别参考其进行描述。但是，本发明也将适用于一般的磁共振，包括磁共振成像、磁共振谱分析等。

背景技术

多射频(RF)发射线圈用于多种磁共振应用，例如成像或谱分析。例如，利用多RF发射线圈并结合匀场技术可以改进图像质量，其中通过匀场技术以预定方式改变各发射线圈的相对输出功率，以便提高B1场均匀性。通过这种方式，与使用单个表面发射线圈或整体发射线圈能够实现的效果相比，多个发射线圈可以提供较大或更精确成形的激励体积，该体积具有必需的B1场均匀性。

这些应用基于对各发射线圈产生的B1场的精确了解。已经知道，RF发射线圈的组合产生的总B1场是各个RF发射线圈产生的B1场的线性组合或叠加(包括幅值和相位)。可以通过在诸如体模或要成像的对象的适当对象中采集所产生的场的B1场或翻转角图来经验式地量化每个个体线圈产生的B1场。由于叠加原理，可以采用这些个体线圈B1图来确定用于给定应用的RF发射线圈的最佳组合。

有时被称为“实际翻转角映射(Actual Flip Angle Mapping)”或AFI的快速B1映射技术是已知的。参见：Yarnykh等人的“Actual flip angleimaging in the pulsed steady state”，Proc.of the 12th Annual Meeting ofISMRM(Kyoto，Japan，2004)(摘要194)；Yarnykh的“Actual flip-angleimaging in the pulsed steady state：a method for rapid three-dimensionalmapping of the transmitted radiofrequency field”，Magn.Reson.Med.vol.57，pp.192-200(2007年1月)。AFI采用双重复时间(TR)稳态梯度回波序列。通过简单而鲁棒的近似从图像导出翻转角图，这便于在扫描器上自动评价以及3D翻转角图的活体内采集。

然而，现有B1场或翻转角映射技术的性能并不理想。在小翻转角时的误差传播和其他困难可能带来问题，从而在B1场图中导致噪声并可能导致小于大约15-20°的翻转角的不可靠映射。AFI映射技术采用大的横向磁化破坏(spoiling)梯度，这增加了AFI序列的采集时间，并且AFI映射技术对诸如主磁场涡流产生的那些梯度缺陷的灵敏度可能是个问题。

本发明提供了克服上述和其他问题的新的改进的设备和方法。

发明内容

根据一个方面，公开了一种磁共振方法，其包括：执行多个磁共振激励操作，每个操作使用一组射频发射线圈中的不同子组，每个子组包括多于一个射频发射线圈；响应于每个所述磁共振激励操作采集磁共振数据；以及基于所采集的磁共振数据针对所述组射频发射线圈中的每个射频发射线圈计算B1或翻转角图。

根据另一方面，公开了一种磁共振系统，其包括：用于执行多个磁共振激励操作的装置，每个操作使用一组射频发射线圈中的不同子组，每个子组包括多于一个射频发射线圈；用于响应于每个所述磁共振激励操作采集磁共振数据的装置；以及用于基于所采集的磁共振数据针对所述组射频发射线圈中的每个射频发射线圈计算B1或翻转角图的装置。

根据另一方面，公开了一种磁共振方法，其包括：使用射频发射线圈执行实际翻转角映射(AFI)序列；响应于所述AFI序列采集磁共振数据；以及基于所采集的磁共振数据针对所述射频发射线圈计算B1或翻转角图。

根据另一方面，公开了一种磁共振扫描器，其包括至少一个射频发射线圈。该扫描器被配置成执行上一段所述的方法。

一个优点在于提供改进的B1场或翻转角映射精确度。

另一个优点在于以更高信噪比提供B1场或翻转角映射。

另一个优点在于提供在低翻转角值下更精确的更快B1场或翻转角映射。

在阅读并理解了下述详细说明的基础上，本领域技术人员将认识到本发明的更多优点。

附图说明

可以通过各种部件或部件布置以及各种步骤或步骤布置体现本发明。附图的作用在于对优选实施例进行图示，不应认为其对本发明构成限制。

图1图解示出了具有B1场或翻转角映射能力的磁共振系统；

图2图解示出了利用两种不同技术采集的B1图的比较；

图3沿着垂直线L1、L2绘示了以度为单位的翻转角，垂直线L1、L2指示在图2所示的从底部数第二个B1图中；

图4、5和6图解示出了三个不同的实际翻转角映射(AFI)序列；

图7示出了未利用这里公开的破坏器梯度调节采集的B1图；

图8示出了与图7对应的B1图，但是是利用所公开的破坏器梯度调节采集的；

图9示出了未利用这里公开的改进的相位循环采集的AFI图像；

图10示出了与图9对应的AFT图像，但是是利用所公开的改进的相位循环采集的；

图11示出了翻转角模拟结果，连同选定的试验数据；

图12图解示出了经修改的广义AFT序列；

图13示出了标准AFI映射的信噪比与这里提出的广义AFI映射方法的信噪比的比较。

具体实施方式

参考图1，磁共振扫描器10包括扫描器外壳12，该外壳包括膛14或其他接收区域，用于接收患者或其他对象16。设置于扫描器外壳12中的主磁体20受主磁体控制器22的控制，以至少在膛14的感兴趣区域中产生主B0磁场。典型地，主磁体20是被冷覆盖物(cryoshrouding)24包围的持续性超导磁体，尽管可以使用电阻式、永久性或其他类型的主磁体。

磁场梯度线圈28布置于外壳12中或其上，以至少在感兴趣区域中在主磁场上叠加选定的磁场梯度。典型地，磁场梯度线圈包括用于产生三个正交磁场梯度，例如x梯度、y梯度和z梯度的线圈。在膛14中设置一组射频(B1)线圈30，用于激励和接收磁共振。该组线圈30包括多个射频线圈32，例如图示的表面线圈环或其他种类的线圈。在图示的实施例中，该组线圈30中的射频线圈32物理地缚在一起成为一个单元；不过也可预期该组射频线圈中的射频线圈是未物理地缚在一起成为一个单元的分离元件。图1示出了用于磁共振采集过程的发射和接收阶段的单组线圈30；然而，在其他实施例中，可以采用分离的发射和接收线圈或线圈组。

在磁共振数据采集期间，将射频发射器36耦合到该组射频线圈30以在设置于膛14中的对象的感兴趣区域中产生磁共振信号。磁场梯度控制器38操作磁场梯度线圈28以对所产生的磁共振进行空间定位、空间编码或其他操控。在磁共振读出阶段期间，与该组射频线圈30耦合的射频接收器40接收磁共振信号，其样本被存储在数据缓冲器42中。尽管未示出，但提供适当的RF开关以有选择地将该组射频线圈30根据需要与RF发射器36或RF接收器40连接。在其他实施例中，可预期分离的发射和接收线圈或线圈组，在这种情况下不需要RF开关，尽管在一些这样的实施例中接收线圈可以包括开关式失谐电路，以在RF发射阶段期间使接收线圈失谐，以避免使接收线圈过载。

处理所接收的磁共振样本以产生感兴趣信息。例如，如果磁共振序列是包括由磁场梯度进行的空间编码的成像序列，那么重建处理器44利用傅里叶变换重建、反向投影重建或适合空间编码的其他重建来适当处理经空间编码的磁共振样本，以产生重建图像，重建图像被存储于图像存储器46中。如果磁共振序列为谱序列，那么适当的采集后处理可以包括，例如谱滤波或面元划分。用户接口50向用户显示重建图像或其他经处理的数据表示。在图1中所示的示例性实施例中，用户接口50还将用户与扫描器控制器54连接，以控制磁共振扫描器10。在其他实施例中，可以提供分离的扫描器控制接口。

将图1的磁共振系统配置成工作于多线圈发射模式下，在这种模式下，使用该组射频线圈30中的多个射频线圈以磁共振频率产生射频信号，以激励磁共振。在一些实施例和磁共振采集中，可以在发射阶段期间使用该组射频线圈30中的所有射频线圈32。为了便于这样的多RF发射操作，扫描器控制器54适当地执行B1映射序列，每个序列使用该组射频线圈30中的子组射频发射线圈32。基于发射线圈编码矩阵60适当地确定用于每个映射序列的子组。B1映射序列可以是任何适当的序列，例如实际翻转角映射(AFI)序列。

在一些实施例中，用于每个映射序列的子组射频发射线圈32是单个射频发射线圈。例如，可以设置发射线圈编码矩阵60，使得射频发射线圈32中的每一个都依次被用于采集磁共振数据，该磁共振数据用于构造该射频发射线圈的B1图。在这种情况下，作为八个射频发射线圈的说明性示例，用于发射线圈编码矩阵60的适当数值集是：

$\stackrel{\‾}{A}=\left[\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中A表示发射线圈编码矩阵60。在这里使用的说明性矩阵形式中，每行对应于B1映射序列采集，而每列对应于该组射频线圈30中的线圈射频发射线圈32之一。于是，矩阵元素A_i，j表示第i个B1映射序列期间第j个线圈的工作状态。A_i，j＝1的值表示在第i个B1映射序列中使用第j个线圈，而A_i，j＝0的值表示在第i个映射序列中不使用第j个线圈。在所有这样的矩阵中，行的排序并不重要，亦即，可以以任何次序执行B1映射序列采集。此外，如这里使用的，术语“矩阵”意在被宽泛地解释为包含用于表示多个B1映射序列中的每个B1映射序列期间该组RF发射线圈30中的每个RF发射线圈的工作状态的任何形式。

在这里公开了，通过利用该组射频线圈30中的多个射频发射线圈32(结合本文进一步公开的适当处理)执行至少一些B1映射序列而非为每个序列仅使用单个线圈可以获得所得B1图的信噪比(SNR)的显著改进。例如，在一些实施例中，利用该组射频发射线圈30中除一个之外的所有射频发射线圈来执行每个B1映射序列，例如，如用于发射线圈编码矩阵60的以下数值集所示：

$\stackrel{\‾}{A}=\left[\begin{array}{cccccccc}0& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1\\ 1& 0& 1& 1& 1& 1& 1& 1\\ 1& 1& 0& 1& 1& 1& 1& 1\\ 1& 1& 1& 0& 1& 1& 1& 1\\ 1& 1& 1& 1& 0& 1& 1& 1\\ 1& 1& 1& 1& 1& 0& 1& 1\\ 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 1\\ 1& 1& 1& 1& 1& 1& 1& 0\end{array}\right]---\left(2\right)$

由重建处理器44适当处理响应于第i个磁共振激励序列采集的磁共振数据以产生这里表示为

的对应B1或翻转角图。发射线圈B1映射处理器62接收B1或翻转角图

并基于此针对该组射频发射线圈中的每个射频发射线圈计算B1或翻转角图。在这里将针对第j个射频发射线圈的B1或翻转角图表示为m_j(x，y)，并适当地存储在发射线圈B1图存储器64中。B1图m_j(x，y)被适当地用于各种应用，例如多发射线圈激励期间的B1发射场匀场。也可以在用户接口50的显示器上显示B1图。

发射线圈B1映射处理器62适当处理采集的B1或翻转角图

并针对该组射频发射线圈中的每个射频发射线圈计算B1或翻转角图。认识到B1场是由操作射频发射线圈产生的B1场的线性组合或叠加，并将第j个线圈的B1场图表示为m_j(x，y)，这样获得如下形式的一组方程：

${\stackrel{\‾}{m}}_i(x,y)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,j}\·m_j(x,y)---\left(3\right)$

其中N表示射频发射线圈的数量并对应于发射线圈编码矩阵60的列数。应当采集足够多的B1映射序列，从而可以从方程组(3)解出N个射频发射线圈的B1场图m_j(x，y)。适当求解所得方程组以得到N个射频发射线圈的B1场图m_j(x，y)。对于方程(1)的说明性线圈编码矩阵60而言，显然，方程(3)简化成

因为在该实施例中，在每个磁共振激励序列期间仅操作单个射频发射线圈。

对于采用方程(2)的说明性线圈编码矩阵60的实施例，可以看出，可以解析地解方程(3)以得到下式：

$m_j(x,y)=\frac{1}{N-1}\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{m}}_i(x,y)-{\stackrel{\‾}{m}}_j(x,y)---\left(4\right)$

要认识到，可以通过各种方式集成或划分图1的系统的各说明性部件。例如，如果用户接口50是计算机，那么任选地将重建处理器44、扫描器控制器54、数据存储器42、46、发射线圈编码矩阵60、发射线圈B1图存储器64或其他部件与用户接口50集成作为软件部件、非易失性存储器单元等。

参考图2和3，比较针对一组八个射频发射线圈的B1图。在图2中，在左手侧示出了使用由方程(1)的发射线圈编码矩阵60指明的发射线圈执行的AFI映射序列获得的图，而在右手侧示出了使用由方程(2)的发射线圈编码矩阵60指明的发射线圈执行的AFI映射序列获得的图。后一组B1图呈现出显著小的噪声。为了提供另一种比较模式，在图3中，沿着垂直线L1、L2绘示了以度为单位的翻转角，垂直线L1、L2指示在图2所示的从底部数第二个B1图中。图3的图表明，仅使用单个发射线圈(亦即，根据方程(1)的发射线圈编码矩阵60)采集的B1图比从各使用除一个之外的所有发射线圈(亦即，根据方程(2)的发射线圈编码矩阵60)的多个采集导出的B1图具有显著多的噪声。在前一种情况下，噪声充分高，使得低于大约15-20°的翻转角是不可靠的。

因为发射系统的线性，可以自由选择用于多发射应用如RF匀场的线圈基函数。这便于将RF场调节为B1映射技术的有利工作范围。这种认识是经图2和3证实的改进的B1图的基础。典型地，具有发射线圈灵敏度的相长性叠加的基函数将是有利的。如果没有对线圈元件的相位的合理估计，可能会发生信号消除并破坏图的质量。在这种情况下，仍然可以估计线圈元件的相位并可以在第二次迭代时采集改进的B1图。

作为另一个可预期的变化，在一些实施例中，发射线圈编码矩阵60可以包括除0和1之外的值。矩阵元素A_i，j的值表示第i个B1映射序列期间第j个线圈的工作状态。在一些实施例中，矩阵元素A_i，j的值表示第i个B1映射序列期间第j个线圈的工作功率。例如，在标准化形式中，A_i，j＝1可以表示在第i个B1映射序列期间第j个线圈在完全或最大功率下工作，A_i，j＝0可以表示在第i个B1映射序列期间第j个线圈在零功率下工作(亦即，不工作)，而诸如A_i，j＝0.5的中间值可以表示在第i个B1映射序列期间第j个线圈在半功率下工作。

可以将为每个B1映射磁共振激励序列或操作使用作为子组的该组射频发射线圈30中的多个射频发射线圈的方式一般地应用于任何B1映射技术。在一些优选实施例中，采用AFI映射技术。

在这里还公开了，利用对AFI映射技术的特定修改或改进可以获得B1映射的改进。

参考图4，适当地将AFI序列视为被破坏的梯度回波序列，其中每隔一个重复时间TR交织额外的时间延迟ΔT，从而分别获得有效重复时间TR₁和TR₂≥TR₁。假设横向磁化被完全破坏，可以从分别在间隔TR₁和TR₂中采集的MR信号S₁和S₂之比来估计翻转角α：

$\mathrm{\α}\≈\arccos \frac{\mathrm{rn}-1}{n-r},$ r＝S₂/S₁，n＝TR₂/TR₁    (5)

为了破坏横向磁化，适当地应用常规RF破坏：

例如，参见Zur等人的“Spoiling of transverse magnetization insteady-state sequences”，Magn.Reson.Med.vol.21pp.251-63(1991)。在方程(6)中，符号

表示第k个RF脉冲的相位，而φ是任意选择的相位，其决定了破坏特性。此外，应用导致大梯度区域Δk的强破坏梯度以便于在存在偏共振的情况下剩余相干性的扩散退相。

参考图5，公开了一种改进的破坏方式，其采用更低的梯度且对偏共振效应更加鲁棒。根据如下关系选择延迟序列中的破坏梯度区域：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{k}={\stackrel{\‾}{k}}_o\mathrm{\ΔT}/{\mathrm{TR}}_1$ 其中 ${\stackrel{\‾}{k}}_o=\mathrm{\γ}\underset{0}{\overset{{\mathrm{TR}}_1}{\∫}}\stackrel{\‾}{G}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(7\right)$

其中γ是陀螺仪计量比(gyrometric ratio)，TR₁表示AFI序列的第一TR时间，

表示所施加的作为时间t的函数的破坏梯度，而ΔT表示AFI序列的延迟时间。选择方程(7)导致失衡的梯度和静场不均匀性对序列的相位演化造成的协同影响，这增强了对偏共振的鲁棒性。在满足方程(7)的关系时，由于失衡的梯度和静态不均匀性两者导致的相位演化在时间上是基本线性的。在这种情况下，根据下式适当地增大RF破坏相位：

对于偶数k

          (8)

对于奇数k

其中φ是预选的相位值，n＝TR₂/TR₁表示AFI序列的TR时间之比，“偶数”和“奇数”分别是指在AFI序列的两个TR时间中较短者紧前和紧后的脉冲。方程(8)的RF破坏相位增量维持了破坏相位随时间的平方增加，这是RF破坏的特性。例如，参见Zur等人的“Spoiling of transversemagnetization in steady-state sequences”，Magn.Reson.Med.vol.21pp.251-63(1991)。

参考图6，这里公开的AFI映射序列的另一种改进提供了增强的涡流稳态均匀性。在这种改进中，选择间隔TR₁和TR₂使其相称。亦即，选择间隔TR₁和TR₂，使得它们的比为有理数。将AFI序列适当地实现为等距脉冲序列，由图6中示意性示出的实的和虚的RF脉冲构成。利用禁用的RF发射执行虚RF脉冲，其在图6中利用虚线图解地指示出来。在这样的实施例中，作为循环梯度波形的结果，对于序列的两种梯度回波而言，梯度历史变为相同了。这便于形成均匀的涡流稳态，并改进对梯度缺陷的鲁棒性。再者，容易实现根据方程(7)调节延迟序列中的破坏梯度。通过向实的和虚的脉冲应用根据方程(6)的常规破坏方案容易实现适当的RF破坏，这等价于仅向实脉冲应用方程(8)。

在采用所公开的破坏方案时，可以将序列视为如图6所指示的等距脉冲序列，其中利用虚线图解地指示虚RF脉冲。可以采用配置理论，根据组织参数(T₁、T₂、扩散系数D)和序列参数(TR₁、TR₂、翻转角α、破坏相移增量φ、扩散加权因子b)来计算回波信号S₁和S₂。因此，可以根据这些参数预测技术的精确度。相应地，可以相对于期望应用优化AFI序列。

已经基于标准的2D或3D T₁加权的梯度回波序列实现了具有所公开的改进的AFI。分别在间隔TR₁和TR₂中以交织方式采集两个图像。根据图6的序列，通过交织具有禁用的RF发射和接收的任意数量的虚脉冲来实现延迟ΔT。通过这种方式，容易实现RF破坏方案和梯度区域的适当调节。此外，作为周期性梯度波形的结果，预期对诸如涡流的梯度缺陷的改进的鲁棒性。为了以可控方式诱发扩散阻尼，在每个脉冲的读出梯度之后额外引入可调节的破坏器(spoiler)梯度。根据方程(5)逐个像素确定B₁或翻转角图。执行体模试验以验证改进的AFI映射。

参考图7和8，利用改进的AFI映射实现了改进的偏共振鲁棒性。图7示出了未利用这里公开的破坏器梯度调节采集的B1图，而图8示出了利用所公开的破坏器梯度调节采集的对应B1图。后一B1图呈现出改进的AFI序列的改进的偏共振鲁棒性。

图9和10示出了未利用(图9)和利用(图10)改进相位循环采集的AFI图像。图9呈现出严重的重影或混叠，而图10呈现出包括改进相位循环的序列的改进的稳态形成。

参考图11，编写模拟软件以根据组织参数(T₁、T₂、扩散系数D)和序列参数(TR₁、TR₂、翻转角α、破坏相移增量φ、扩散加权因子b)来计算AFI序列的回波幅度S₁和S₂。这允许比较方程(5)给出的预测翻转角和输入到模拟中的实际翻转角。于是，这些模拟估计改进的AFI技术的精确度。图11示出了模拟结果，连同选定的试验数据。在图11中，针对五个不同的翻转角，根据扩散阻尼值d＝D·b绘示了预测翻转角和实际翻转角之间的偏差。示出了针对不同T1，T2和φ的模拟。在图11中，实线表示T1＝10，T2＝7，φ＝129.3°；虚线表示T1＝60，T2＝7，φ＝129.3°；点虚线表示T1＝100，T2＝100，φ＝129.3°；点线表示T1＝100，T2＝100，φ＝120°，其中弛豫时间的单位是TR。实心圆表示选定的试验结果。

图11中所示的模拟基本与试验数据一致，指示出可以从模拟结果可靠地预测改进的AFI技术的精确度。此外，模拟示出了优选针对组织参数和所采用RF发射线圈的预期翻转角范围调节破坏相移增量和破坏梯度区域。没有这种调节，预期会有翻转角确定的系统误差，这可能会影响性能。任选地，使用诸如图11所示的那些模拟来相对于所选应用优化AFI序列。

可能在翻转角估计中产生系统误差的上述组织参数之一是自旋-晶格弛豫时间(T₁)。在这里公开了可以导致B₁映射改进的对AFI映射技术的进一步修改，其中经修改的AFI映射技术确定独立于T1的发射灵敏度，从而没有对应的系统误差。这种经修改的AFI映射技术的附加优点是它还提供了T₁图而不需要额外的采集时间。

图12示出了前面段落中提到的经修改的稳态AFI序列，其由任意数量N个重复时间(TR₁，TR₂，...TR_n)构成，其中n∈{1，...，N}，N≥2。在相同翻转角α下施加每个RF脉冲。在翻转角为α的每个脉冲之后，经由梯度回波重新聚焦采集对应的信号(S₁，S₂...S_n)，n∈{1，...，N}。将用于所采集的信号的解析表达式以数值方式拟合到从扫描器获得的数据。从数值拟合获得的所得参数反映了实际翻转角，其成比例于发射场H⁺、弛豫时间T₁和平衡磁化强度M₀，平衡磁化强度包括T₂ ^*对比。不必按照特定次序应用重复时间，例如，对于i＞j，TR_i＞TR_j。具体而言，TR₁(即，AFI序列中应用的前两个脉冲之间的重复时间)不需要是TR时间中最短的。通常，对TR进行(非循环)重新排序获得不同的信号组。为了为这种多TR AFI应用上述RF破坏方案，要注意，该组TR时间[TR₁，TR₂，...，TR_n]中的每对TR时间相互之比应当是有理数，其中n∈{1，...，N}，N≥2。换言之，每个比TR₂∶TR₁、TR₃∶TR₁、TR₃∶TR₂等应当是有理数。然而，如果不考虑上述RF破坏方案，也可以利用非有理TR执行多TR AFI映射序列。

可以从Bloch方程导出梯度回波信号S_n的解析表达式为：

$S_n=e^{-\frac{\mathrm{TE}}{T_2^{*}}}{M}_0{M}_{z,n-1}---\left(9\right)$

其中M₀是平衡磁化强度。由下式给出第n个信号的标准化稳态磁化强度(即恰在S_n+1脉冲之前达到的磁化强度)：

$M_{z,n}=\sin \mathrm{\α}\·\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[{\cos }^{(N-j)}\left(\mathrm{\α}\right)\·(1-E_{\mathrm{mod}(j+n-1,N)+1})\underset{k=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{E}_{\mathrm{mod}(k+n-1,N)+1}]}{1-{\cos }^N\left(\mathrm{\α}\right)\·\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{E}_j}---\left(10\right)$

其中函数mod(i，N)描述基为N的模数(i mod N)。由方程(9)和(10)给出的解析表达式基于如下假设：在下一个脉冲时没有剩余的横向磁化(即，完美的破坏)。

可以在单次试验期间将图4和5中绘示的标准双TR AFI序列(N＝2)重复多于一次(P＞1)，类似地，也可以以不同组的重复时间TR_n将图12中绘示的经修改的AFI序列重复P＞1次。N≥2且P≥1的这种经修改的AFI映射序列以下称为广义AFI映射序列。从收集的MR数据，可以使用诸如Marquardt-Levenberg算法的曲线拟合算法来获得参数α和T₁。根据如下表达式，通过将N×P个测得信号S_n与方程(9)和(10)中的解析表达式相比较来执行拟合：

$S({\mathrm{TR}}_1...{\mathrm{TR}}_n,\mathrm{TE},T_2^{*};T_1,\mathrm{\α},M_0)={\tilde{M}}_0(T_2^{*},\mathrm{TE},M_0)\·M_z({\mathrm{TR}}_1...{\mathrm{TR}}_n,\mathrm{\α},T_1)---\left(11\right)$

要注意，

是线性因子，且包含来自T₂ ^*、TE和M₀的信息，并且仅充当全局比例因子。

曲线拟合算法要确定三个未知参数

T₁和α需要至少三个图像(N×P＝3)。利用所公开的技术，理论上P＝1且N＝3的单次测量就足以执行曲线拟合。然而，为了使拟合稳定(即，增强SNR)并更加精确地提取参数，可以采集更多图像(即，N×P＞3)，例如利用多于一次测量(即，P＞1)，利用相同或不同组的TR_n。

作为上文简述的数值拟合程序的替代，可以使用从用于标准双TR AFI的分析方法修改得到的广义分析方法。具体而言，通过计算任意两个信号之比，可以通过下式去除方程(11)中M₀和T₂之间的互相依赖：

$\frac{S_{i+1}}{S_{j+1}}=r_{i+1,j+1}---\left(12\right)$

带入信号方程(9)和(10)的解析形式并利用近似

得到：

${\mathrm{\Σ}}_{k=1}^N{\cos }^{(N-k)}\left(\mathrm{\α}\right)[r_{i+1,j+1}{\mathrm{TR}}_{\mathrm{mod}(k+j-1,N)+1}-{\mathrm{TR}}_{\mathrm{mod}(k+i-1)+1}]=0---\left(13\right)$

可以从以上N-1级多项式求解翻转角α，因为其不包含任何其他未知量。通常，如果每个TR_n都是唯一且因此与其他TR_n不同，可以计算如方程(12)中所示的那些的比

从而得到相同数量的多项式。每个多项式对于α具有N-1个解，并非所有的解都是物理上有意义的。对于N＝2的情况，方程(13)简化到标准AFI情况，而对于N＝3的情况，方程(13)变成二次函数，再次可以解析地对其求解。对于比S₃/S₁，发现：

${\∝}_1^{\mathrm{3,1}}=\arccos (-\frac{r_{\mathrm{3,1}}{\mathrm{TR}}_2-{\mathrm{TR}}_1}{2(r_{\mathrm{3,1}}{\mathrm{TR}}_1-{\mathrm{TR}}_3)}-\sqrt{\frac{{(r_{\mathrm{3,1}}{\mathrm{TR}}_2-{\mathrm{TR}}_1)}^2}{4{(r_{\mathrm{3,1}}{\mathrm{TR}}_1-{\mathrm{TR}}_3)}^2}-\frac{r_{\mathrm{3,1}}{\mathrm{TR}}_3-{\mathrm{TR}}_2}{r_{3,1}{\mathrm{TR}}_1-{\mathrm{TR}}_3}})$

${\∝}_2^{\mathrm{3,1}}=\arccos (-\frac{r_{\mathrm{3,1}}{\mathrm{TR}}_2-{\mathrm{TR}}_1}{2(r_{\mathrm{3,1}}{\mathrm{TR}}_1-{\mathrm{TR}}_3)}-\sqrt{\frac{{(r_{\mathrm{3,1}}{\mathrm{TR}}_2-{\mathrm{TR}}_1)}^2}{4{(r_{\mathrm{3,1}}{\mathrm{TR}}_1-{\mathrm{TR}}_3)}^2}-\frac{r_{\mathrm{3,1}}{\mathrm{TR}}_3-{\mathrm{TR}}_2}{r_{3,1}{\mathrm{TR}}_1-{\mathrm{TR}}_3}})$

对于比S₃/S₁的计算得到：

${\∝}_1^{\mathrm{2,1}}=\arccos (-\frac{r_{2,1}{\mathrm{TR}}_2-{\mathrm{TR}}_3}{2(r_{2,1}{\mathrm{TR}}_1-{\mathrm{TR}}_2)}-\sqrt{\frac{{(r_{2,1}{\mathrm{TR}}_2-{\mathrm{TR}}_3)}^2}{4{(r_{2,1}{\mathrm{TR}}_1-{\mathrm{TR}}_2)}^2}-\frac{r_{2,1}{\mathrm{TR}}_3-{\mathrm{TR}}_1}{r_{2,1}{\mathrm{TR}}_1-{\mathrm{TR}}_2}})$

${\∝}_2^{\mathrm{2,1}}=\arccos (-\frac{r_{2,1}{\mathrm{TR}}_2-{\mathrm{TR}}_3}{2(r_{2,1}{\mathrm{TR}}_1-{\mathrm{TR}}_2)}-\sqrt{\frac{{(r_{2,1}{\mathrm{TR}}_2-{\mathrm{TR}}_3)}^2}{4{(r_{2,1}{\mathrm{TR}}_1-{\mathrm{TR}}_2)}^2}-\frac{r_{2,1}{\mathrm{TR}}_3-{\mathrm{TR}}_1}{r_{2,1}{\mathrm{TR}}_1-{\mathrm{TR}}_2}})$

显然，必须使用一种机制来丢弃非物理解，例如，仅考虑与扫描参数中设置的标称翻转角最接近的解。要注意，如在标准双TR AFI的情况下那样，这种方法产生独立于系统T1的误差。

通常，具有N＝2的重复时间(即，TR₁、TR₂)且仅被应用一次(即，P＝1)的图12所示的序列得到了标准AFI方法。如前所述，标准AFI序列基于具有相同翻转角的两个相同RF脉冲，每个脉冲后接着不同的重复时间(即，TR₁和TR₂)。要注意，不能通过这种方法确定T₁。

作为这里公开的改进的广义AFI方法的具体示例，在此进一步论述具有N＝2的重复时间且被应用多于一次(即，P＞1)的图12所示的序列。这种形式的广义序列与简单地将标准AFI序列应用多次的不同之处在于，其采用具有不同TR组合(例如，对于P＝1，TR₁和TR₂；对于P＝2，TR₃和TR₄，等)的后续测量。有可能特定序列中的两个TR值之一(但不是两者)可能对于不同P值是相同的。可以从Bloch方程导出两个梯度回波信号S₁和S₂的解析表达式为：

$S_{\mathrm{1,2}}=M_{z\mathrm{1,2}}{e}^{-\frac{\mathrm{TE}}{T_2^{*}}}\sin \mathrm{\α}---\left(12\right)$

由下式给出第一信号的平衡磁化强度，即，恰在S₂脉冲之前达到的磁化强度：

$M_{z1}=M_0\frac{1-E_2+(1-E_1)E_2\cos \mathrm{\α}}{1-E_1{E}_2{\cos }^2\mathrm{\α}}---\left(13\right)$

其中

可以通过互换指标

来从方程(13)获得M_z2，互换指标

相当于交换TR₁和TR₂。如在广义情况中那样，所有解析表达式基于如下假设：在下一个脉冲时没有剩余的横向磁化(即，完美的破坏)。标准AFI技术通过将S₂除以S₁并重新整理所得方程(方程12和13)来导出真实的翻转角。从数学上讲，这种方法中涉及到简化。假设TR₁/T₁＜＜1，且TR₂/T₁＜＜1，通过一阶泰勒级数来近似函数E₁和E₂。这意味着在所有情况下条件TR₁＜TR₂＜＜T₁必须良好成立。不过，在人体组织中，在1.5T下T₁的范围从大约250ms(脂肪)到4500ms(CSF)，于是对于通常高达几百毫秒的TR而言是不能忽略的，否则这可能导致前面提到的系统误差。

这里公开的改进的方法采用方程(12)和(13)作为用于拟合数据点的模型。数据点是测得的信号S₁和S₂。使用非线性拟合算法，例如在广义情况下提到的Levenberg-Marquardt算法来确定期望的参数，即翻转角α和T₁。经常，曲线拟合算法旨在利用最大邻域方法使距测量值的最小二乘差异最小化。在这种情况下，要拟合到测得信号的函数是由下式给出的各种变量和参数的函数：

$S({\mathrm{TR}}_1,{\mathrm{TR}}_2,\mathrm{TE},T_2^{*};T_1,\mathrm{\α},M_0)=S({\mathrm{TR}}_1,{\mathrm{TR}}_2,{\tilde{M}}_0(T_2^{*},\mathrm{TE},M_0),\mathrm{\α},T_1)={\tilde{M}}_0(T_2^{*},\mathrm{TE},M_0)\·F(\mathrm{\α},T_1)$

针对S₁将其与方程(12)和(13)相比较得到：

$F(\mathrm{\α},T_1)=\frac{(1-E_2)\sin \mathrm{\α}+\frac{1}{2}(1-E_1)E_2\sin 2\mathrm{\α}}{1-E_1{E}_2{\cos }^2\mathrm{\α}}$ 和 ${\tilde{M}}_0=M_0\·e^{-\mathrm{TE}/T_2^{*}}---\left(14\right)$

如前所述，可以通过互换指标1和2从方程(14)获得S₂。TR₁和TR₂是在每次试验中预设的，因此是已知的。通过数值拟合获得其他参数α和T₁。

是线性因子，且包含来自T₂ ^*、TE和M₀的信息，并且仅充当全局比例因子。

如在广义情况中提到的，曲线拟合算法需要至少三个数据点来基于三个未知参数

T₁和α产生拟合。这意味着：使用双TR序列(N＝2)，需要至少两个不同的TR组合(即，P≥2)来确保N×P≥3。每个TR_N序列(其中N＝2)都从信号S₁和S₂给出两个数据点F(TR₁、TR₂、α、T₁)和F(TR₂、TR₁、α、T₁)，于是采集至少四个图像。为了进行拟合，必须要提供S相对于三个参数(即，α、

和T₁)的偏导数。

进行模拟以将这里提出的改进的AFI序列与标准AFI序列相比较。利用标准AFI序列(N＝2，P＝1)和改进的AFI序列的两种实现方式来研究具有恒定信号的30×30像素的模拟图像：

实现方式1：N＝2，P＝2到4

实现方式2：N＝3，P＝1到3

根据方程(9)(T₁＝600ms，T₂ ^*＝50ms，TE＝2.7ms，M₀＝100)计算信号并将其与M₀/SNR(SNR＝80)的最大幅度随机噪声叠加。利用各种激励翻转角α＝40°、50°、...140°(以10°为步长)模拟图像，以针对标准AFI和针对改进的AFI的两种实现方式分别找到最优翻转角。已经将最大轮廓持续时间和T_max＝∑_iTR_i＝P×250ms用作测试参数空间的限制。在这个空间之内，利用标准和改进的AFI序列两者重建以20ms为步长的重复时间TR_n的所有可能组合。

所得翻转角图的平均值和α的输入值之间的绝对差异用作系统误差的度量。由于在标准AFI映射技术中忽略了T₁效应，所以它受到取决于α等参数的系统误差的影响。要注意，改进的AFI映射不受源自T₁效应的系统误差影响。利用多个T₁体模的试验表明几度的系统误差与对应的模拟是一致的。

图13示出了标准AFI映射与这里提出的改进的广义AFI映射方法的两种实现方式间信噪比(除以成像时间的平方根)的比较。三角形表示N＝3且P＝1到3的实现方式，而正方形表示N＝2且P＝2到4的实现方式。点线示出了标准AFI序列平均的P次数，以便为了比较而保持同样的采集时间，标准化到100％。

可以看出，取具有最大轮廓持续时间和T_max＝500ms的两个双TR对(N＝2，P＝2)与对两个标准AFI图像求平均相比实现了SNR增加37％，而对于拟合N＝2的P＝3的TR序列而言，与标准AFI相比获得了41％的SNR增益。增大P＝4相对于花费相同采集时间的平均AFI序列得到了53％的SNR增益。类似地，对于N＝3的TR对的实现方式而言，P＝2的值提供了28％的SNR增益，而在P＝3时，SNR增益相对于平均的标准AFI序列增加到38％。要注意，T_max仅是不同TR的和(即，一个“轮廓”)，而不必是总的脉冲序列时间，总脉冲序列时间通常是将T_max乘以相位编码步骤的数量而获得的。

在一些实施例中，可预期改进的AFI序列是通过如下操作被自动优化的：为要成像或映射的解剖结构选择适当的序列参数并选择一个或多个RF发射线圈。为此目的，可以将模拟算法集成到扫描器控制器54包括的或访问的规划软件中。在另一种方法中，可以由扫描器控制器54包括或访问预先计算的优选序列参数表格。

如已经提到的，图6的序列包括图6中由虚线表示的虚RF脉冲。可预期采集与这些虚RF脉冲对应的额外的图像。除了被禁用的RF发射之外，由于剩余的横向相干性，还可能出现回波。可以使用这种信息来监测RF破坏的效率或导出关于如T₂或D的组织参数的信息。

将这里公开的改进的B1映射技术适当用于各种多元件发射应用，例如RF匀场。预期所公开的技术还有其他应用。例如，另一种适当的应用是定量磁共振成像。在定量磁共振成像中，B1场不均匀性是基本误差源。可以使用这里公开的技术来选择一组射频发射线圈，并任选地选择线圈发射功率水平，从而增强B1场均匀性以改进定量磁共振成像。还预期这里公开的技术可用于磁共振线圈开发中，例如用于确定发射灵敏度分布。

已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读并理解了前述详细说明的基础上，本领域技术人员可以想到修改和变化。意在将本发明解释为包括所有此类修改和变化，只要它们落在随附的权利要求及其等同要件的范围内。

Claims (15)

1.一种磁共振方法，包括：

执行多个磁共振激励操作，每个操作使用一组射频发射线圈(30)中的不同子组，每个子组包括多于一个射频发射线圈；

响应于每个所述磁共振激励操作采集磁共振数据；以及

基于所采集的磁共振数据针对所述组射频发射线圈中的每个射频发射线圈计算B1或翻转角图。

2.根据权利要求1所述的磁共振方法，其中，每个子组包括所述组射频发射线圈(30)中除一个之外的所有射频发射线圈。

3.根据权利要求2所述的磁共振方法，其中，所述计算包括：

将针对第j个射频发射线圈(32)的B1或翻转角图计算为与下式给出的图m_j(x，y)相同或基本相当：

$m_j(x,y)=\frac{1}{N-1}\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{m}}_i(x,y)-{\stackrel{\‾}{m}}_j(x,y),$

其中N表示所述组射频发射线圈(30)中的射频发射线圈的数量，而

表示从响应于使用包括除第k个射频发射线圈之外的所有射频发射线圈的子组执行的磁共振激励操作而采集的磁共振数据获得的B1或翻转角图。

4.一种磁共振方法，包括：

使用射频发射线圈(32)执行实际翻转角映射(AFI)序列；

响应于所述AFI序列采集磁共振数据；以及

基于所采集的磁共振数据针对所述射频发射线圈计算B1或翻转角图。

5.根据权利要求4所述的磁共振方法，其中，执行所述AFI序列还包括：

将所述AFI序列执行成包括实的和虚的射频激励脉冲的等距脉冲序列。

6.根据权利要求4所述的磁共振方法，其中，执行所述AFI序列包括利用破坏梯度区域执行所述AFI序列，该破坏梯度区域被选择为满足如下条件：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{k}={\stackrel{\‾}{k}}_o\mathrm{\ΔT}/{\mathrm{TR}}_1$ 其中 ${\stackrel{\‾}{k}}_o=\mathrm{\γ}\underset{0}{\overset{{\mathrm{TR}}_1}{\∫}}\stackrel{\‾}{G}\left(t\right)\mathrm{dt},$

其中γ是陀螺仪计量比，TR₁表示所述AFI序列的第一TR时间，

表示所施加的作为时间t的函数的破坏梯度，而ΔT表示所述AFI序列的延迟时间。

7.根据权利要求4所述的磁共振方法，其中，执行所述AFI序列包括利用根据下式增大的破坏梯度相位执行所述AFI序列：

对于偶数k

             ，

对于奇数k

其中φ是预选的相位值，n＝TR₂/TR₁表示所述AFI序列的TR时间之比，“偶数”和“奇数”分别是指在所述AFI序列的两个TR时间中较短者紧前和紧后的脉冲。

8.根据权利要求4所述的磁共振方法，其中，将所述AFI序列的TR时间的比TR₁∶TR₂选择为有理数。

9.根据权利要求4所述的磁共振方法，其中，所述AFI序列包括任意数量N个重复时间TR₁、TR₂、......、TR_n，其中n∈{1，...，N}，N≥2。

10.根据权利要求9所述的磁共振方法，其中，选择所述重复时间TR₁、TR₂、......、TR_n，使得在所述组重复时间中每对重复时间相互之比是有理数。

11.根据权利要求9所述的磁共振方法，还包括：

重复所述AFI序列多次(P)，其中，在所述多次重复(P)中的每次中所述N个重复时间TR₁、TR₂、......、TR_n中的至少一个TR时间是不同的。

12.根据权利要求9所述的磁共振方法，其中，所述计算还包括基于所采集的磁共振数据计算自旋-晶格弛豫时间T₁。

13.根据权利要求6所述的磁共振方法，其中，所述射频发射线圈(32)包括一组射频发射线圈(30)，并且将所述执行和采集重复多次，每次使用所述组射频发射线圈中的不同子组，每个子组包括多于一个射频发射线圈，并且所述计算包括基于所采集的磁共振数据针对所述组射频发射线圈中的每个射频发射线圈计算B1或翻转角图。

14.一种磁共振扫描器(10)，其包括至少一个射频发射线圈(32)，所述扫描器被配置成执行根据权利要求4所述的方法。

15.一种计算机可读介质，其承载有软件代码，所述代码控制处理器或磁共振系统控制器(44，54，62)以执行根据权利要求4所述的方法。

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