一种利用双回波测量磁共振成像系统中剩磁的方法与流程

本发明属于磁共振成像，涉及利用双回波测量磁共振成像系统中剩磁的方法。

背景技术：

1、临床实践中磁共振成像技术已经成为医学诊断中非常有用的手段。通常，在磁共振成像系统中，当被测样品(如人体组织)处于静磁场b0(b0方向作为直角坐标系的z轴方向)中达到平衡时，样品中的原子核(核自旋)因被b0极化而产生一个宏观的磁化矢量m0；该m0在射频脉冲的激发下被旋转到水平面(xy平面)，然后绕z轴做进动。在被测样品周围放置一个接收线圈，它会感应出磁化矢量进动信号。接收线圈采集到的磁共振信号经过放大以及模数转换以后，进入计算机进行图像重建。一般而言，为了进行成像，磁共振成像系统还需要产生三路正交的梯度磁场，以便对磁共振信号进行三维空间定位。

2、磁共振成像系统可以分为超导磁共振成像系统和永磁磁共振成像系统两种。两者相较，超导磁共振成像系统通常具有更高的静磁场强度，可以得到更高的图像分辨率和信噪比，扫描速度也更快，但仪器的空间开放度较低；而永磁磁共振成像系统通常具有更高的空间开放度，适合在介入治疗中实施监控和导航。在成像扫描过程中，梯度磁场不断切换。由于永磁磁共振成像系统的磁体及其附属部件具有更高的剩磁，因此扫描区域的磁场均匀性在梯度磁场切换完成之后仍会受到影响。特别是在施加高强度的梯度磁场之后，由于剩磁而导致的残留的梯度磁场可能会影响成像的空间定位。因此，需要对永磁磁共振成像系统的剩磁进行测量，以便评估其是否显著影响空间定位。

3、在磁共振成像应用中，梯度回波序列和自旋回波序列分属两类不同的常规扫描序列，其中，梯度回波序列对磁场非均匀性敏感，而自旋回波序列对磁场非均匀性不敏感，因此，可以利用磁场非均匀性对梯度回波和自旋回波作用的差异，测量施加高强度梯度磁场前后磁场均匀性的变化，再利用这种变化所导致的回波峰值的改变来量度剩磁的强度。由于该方法要对梯度回波的峰值和自旋回波的峰值进行比较，因此需要在梯度回波序列之前和在自旋回波序列之前施加相同的测试梯度。然而，如果分别在两次测量中获得梯度回波信号和自旋回波信号，即使在前后两次测量中施加相同的测试梯度，磁滞效应也会导致磁场分布的初始状态不同，进而导致相同的测试梯度引起的磁场分布的改变不同。尤其当测试梯度的强度较高时，如果磁场分布的初始状态不同，该方法的测量误差较大。

4、基于现有技术的现状，本技术的发明人拟提供一种利用双回波测量磁共振成像系统中剩磁的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是基于现有技术的现状，针对现有问题提出一种利用双回波测量磁共振成像系统中剩磁的方法。

2、本发明方法中，在施加一次测试梯度之后连续测量梯度回波和自旋回波，利用磁场非均匀性对梯度回波和自旋回波作用的差异，测量施加高强度梯度磁场前后磁场均匀性的变化，再利用这种变化所导致的回波峰值的改变来量度剩磁的强度。本发明提出的测量方法不需要额外的测量仪器，测量流程简单易行，而且可以量度剩磁的空间各向异性。此外，本发明提出的测量方法在一次扫描中同时获得梯度回波和自旋回波，不仅简化了测试流程，而且避免了磁滞效应导致测量两个回波的初始状态不同，从而减小了测量误差。该方法可以评估剩磁对成像空间定位的影响，特别适用于判断永磁磁共振成像系统是否满足介入治疗中监控和导航对空间定位的要求。

3、为达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

4、一种利用双回波测量磁共振成像系统中剩磁的方法，该方法包括以下具体步骤：

5、步骤1：选定测试方向和扫描方向，扫描方向垂直于测试方向；将条形均匀样品沿测试方向放置；

6、步骤2：将测试梯度的幅度设置为0，测试梯度施加在测试方向上；施加激发脉冲，在扫描方向上施加散相梯度；在扫描方向上施加会聚梯度和散相梯度，采集梯度回波信号；施加会聚脉冲，在扫描方向上施加会聚梯度和散相梯度，采集自旋回波信号。记录梯度回波信号的峰值a_ge_0和自旋回波信号的峰值a_se_0，计算a_ge_0与a_se_0的比值r0。

7、步骤3：将测试梯度的幅度设置为系统允许的正最大值g_max_p，测试梯度施加在测试方向上；施加激发脉冲，在扫描方向上施加散相梯度；在扫描方向上施加会聚梯度和散相梯度，采集梯度回波信号；施加会聚脉冲，在扫描方向上施加会聚梯度和散相梯度，采集自旋回波信号。记录梯度回波信号的峰值a_ge_p和自旋回波信号的峰值a_se_p，计算a_ge_p与a_se_p的比值rp。

8、步骤4：将测试梯度的幅度设置为系统允许的负最大值g_max_n，测试梯度施加在测试方向上；施加激发脉冲，在扫描方向上施加散相梯度；在扫描方向上施加会聚梯度和散相梯度，采集梯度回波信号；施加会聚脉冲，在扫描方向上施加会聚梯度和散相梯度，采集自旋回波信号。记录梯度回波信号的峰值a_ge_n和自旋回波信号的峰值a_se_n，计算a_ge_n与a_se_n的比值rn。

9、步骤5：计算r0、rp与rn两两之间的差值的绝对值，绝对值的最大值记作r_max；r_max用于量度磁共振成像系统中剩磁的强度。

10、在一轮测试中，步骤2、3和4的顺序可以交换，各步骤的测试方向均相同，各步骤的扫描方向均相同。

11、在一个方向上测试完成后，更换测试方向，重复上述步骤1～5。至少应在3个互相垂直的测试方向上完成上述步骤1～5。更换测试方向以后，需重新确定扫描方向，以保证扫描方向垂直于测试方向。

12、上述步骤2中，三个散相梯度与两个会聚梯度的面积均相等。所述的面积是指，梯度幅度与梯度作用时间的乘积。其中，第一个会聚梯度、第二个散相梯度、第二个会聚梯度和第三个散相梯度的极性相同，它们的极性与第一个散相梯度的极性相反。

13、上述步骤3和4中的散相梯度和会聚梯度与上述步骤2中的散相梯度和会聚梯度具有相同的特征。

14、上述步骤5还可以是：计算r0、rp与rn两两之间的差值的绝对值，绝对值的最大值记作r_max；取g_max_p和g_max_n的绝对值的最大值，记作g_max；r_max与g_max的比值用于量度磁共振成像系统中剩磁的强度。

15、本发明的一种利用双回波测量磁共振成像系统中剩磁的方法，还可以包括以下具体步骤：

16、步骤1：选定测试方向和扫描方向，扫描方向垂直于测试方向；将条形均匀样品沿测试方向放置；

17、步骤2：将测试梯度的幅度设置为0，测试梯度施加在测试方向上；施加激发脉冲，在扫描方向上施加散相梯度；施加会聚脉冲，在扫描方向上施加会聚梯度和散相梯度，采集自旋回波信号；在扫描方向上施加会聚梯度和散相梯度，采集梯度回波信号。记录自旋回波信号的峰值a_se_0和梯度回波信号的峰值a_ge_0，计算a_ge_0与a_se_0的比值r0。

18、步骤3：将测试梯度的幅度设置为系统允许的正最大值g_max_p，测试梯度施加在测试方向上；施加激发脉冲，在扫描方向上施加散相梯度；施加会聚脉冲，在扫描方向上施加会聚梯度和散相梯度，采集自旋回波信号；在扫描方向上施加会聚梯度和散相梯度，采集梯度回波信号。记录自旋回波信号的峰值a_se_p和梯度回波信号的峰值a_ge_p，计算a_ge_p与a_se_p的比值rp。

19、步骤4：将测试梯度的幅度设置为系统允许的负最大值g_max_n，测试梯度施加在测试方向上；施加激发脉冲，在扫描方向上施加散相梯度；施加会聚脉冲，在扫描方向上施加会聚梯度和散相梯度，采集自旋回波信号；在扫描方向上施加会聚梯度和散相梯度，采集梯度回波信号。记录自旋回波信号的峰值a_se_n和梯度回波信号的峰值a_ge_n，计算a_ge_n与a_se_n的比值rn。

20、步骤5：计算r0、rp与rn两两之间的差值的绝对值，绝对值的最大值记作r_max；r_max用于量度磁共振成像系统中剩磁的强度。

21、在一轮测试中，步骤2、3和4的顺序可以交换，各步骤的测试方向均相同，各步骤的扫描方向均相同。

22、在一个方向上测试完成后，更换测试方向，重复上述步骤1～5。至少应在3个互相垂直的测试方向上完成上述步骤1～5。更换测试方向以后，需重新确定扫描方向，以保证扫描方向垂直于测试方向。

23、上述步骤2中，三个散相梯度与两个会聚梯度的面积均相等。所述的面积是指，梯度幅度与梯度作用时间的乘积。其中，第一个散相梯度、第一个会聚梯度和第二个散相梯度的极性相同，它们的极性与第二个会聚梯度和第三个散相梯度的极性相反。

24、上述步骤3和4中的散相梯度和会聚梯度与上述步骤2中的散相梯度和会聚梯度具有相同的特征。

25、上述步骤5还可以是：计算r0、rp与rn两两之间的差值的绝对值，绝对值的最大值记作r_max；取g_max_p和g_max_n的绝对值的最大值，记作g_max；r_max与g_max的比值用于量度磁共振成像系统中剩磁的强度。

26、具体的，

27、本发明中，图1为本发明所述磁共振成像系统的结构框图。磁共振成像系统中，磁体101上有用于放置样品的空腔。空腔周围放置梯度线圈102，用于产生梯度磁场，对样品进行空间定位。空腔周围放置射频发射线圈103和射频接收线圈104，发射线圈用于发射射频脉冲来激发样品的磁化矢量，接收线圈用于接收磁化矢量进动信号。梯度线圈102与梯度电流放大器112连接，发射线圈103和接收线圈104分别与射频功率放大器113和前置放大器114连接。

28、基于计算机130给出的指令，脉冲序列存储电路125根据存储于其中的脉冲序列对梯度波形发生器122和发射机123进行控制。梯度波形发生器122输出具有预定时序和波形的梯度脉冲信号，该信号经过梯度电流放大器112放大，再通过梯度线圈102在磁体空腔内产生梯度磁场。发射机123输出具有预定时序和包络的射频脉冲信号，该信号经过射频功率放大器113放大，再通过射频发射线圈103激发样品中的核自旋。

29、射频接收线圈104检测到磁化矢量进动信号，该信号经过前置放大器114放大后输入到接收机124。在脉冲序列存储电路125的控制下，接收机124对已放大的信号进行检波和数模转换，得到数字信号。数字信号传送到计算机130重建得到图像。显示器/打印机126用于显示/打印扫描得到的图像。

30、参阅图2，图中：gt-测试方向(测试梯度)；rf-射频脉冲(激发脉冲和反转脉冲)；gs-扫描方向(散相梯度和会聚梯度)；echo-回波信号(梯度回波信号和自旋回波信号)；te_ge-梯度回波时间；te_se/2-自旋回波时间的一半。

31、在测试方向上施加测试梯度201，等待一段时间，施加激发脉冲211，样品中的磁化矢量(从z方向)被旋转到xy平面，磁化矢量在xy平面内绕z轴做进动。在扫描方向上施加散相梯度221、会聚梯度222和散相梯度223，磁化矢量在xy平面内先散相再会聚，会聚之后再散相，形成梯度回波信号231。等待一段时间，施加反转脉冲212，磁化矢量在xy平面内的相位被反转；在扫描方向上施加会聚梯度224和散相梯度225，磁化矢量在xy平面内会聚之后再散相，形成自旋回波信号232。

32、当测试梯度201的幅度不为0时，若成像系统的剩磁高，则测试梯度201结束之后，在测试方向上仍然有残留的梯度磁场。残留的梯度磁场导致沿测试方向不同位置上信号的频率不同；经过一段时间，沿测试方向不同位置上信号的相位不同。由于散相梯度221、223和225以及会聚梯度222和224均施加在扫描方向上，而扫描方向与测试方向垂直，因此沿测试方向不同位置上信号之间的相位差无法消除，导致磁化矢量不能充分会聚。与测试梯度201的幅度为0时相比，当测试梯度201的幅度不为0时，由于磁化矢量不能充分会聚，因此梯度回波信号231的峰值变小。

33、无论是测试方向上的梯度还是扫描方向上的梯度，它们引起的信号(或者磁化矢量)的相位差都是从激发脉冲211开始累积的。这是因为施加激发脉冲211之前，磁化矢量对梯度回波信号和自旋回波信号均没有贡献。

34、对于自旋回波而言，相位差从激发脉冲211开始累积，经过te_se/2的时间间隔，在反转脉冲212的作用下，累积的相位差被反转，但沿测试方向不同位置上信号的频率不变；之后再经过相同时间(te_se/2)累积出的相位差，恰好与被反转的相位差相互抵消，因此磁化矢量可以充分会聚。与测试梯度201的幅度为0时相比，当测试梯度201的幅度不为0时，由于反转脉冲212的作用，消除了测试方向上残留的梯度磁场所导致的散相，磁化矢量可以充分会聚，因此自旋回波信号232的峰值不变。

35、测试梯度201与激发脉冲211之间的时间间隔是为了保证涡流引起的暂态过程结束之后再扫描。因此，在扫描过程中，测试方向上残留的梯度磁场是稳定的。梯度回波信号231和自旋回波信号232是在同一个测试梯度201之后采集的。因此，对两个回波信号起作用的测试方向上残留的梯度磁场是完全相同的。

36、尽管梯度回波时间te_ge与自旋回波时见te_se不同，但只要在一轮测试中保持te_ge和te_se不变，自旋回波信号232的峰值就不会改变，而梯度回波信号231的峰值的改变仅与测试梯度201的改变有关。因此，梯度回波信号231的峰值与自旋回波信号232的峰值之间的比值，与剩磁对磁场均匀性的影响程度相关，可用于量度成像系统中剩磁的强度。

37、参阅图3，图中：gt-测试方向(测试梯度)；rf-射频脉冲(激发脉冲和反转脉冲)；gs-扫描方向(散相梯度和会聚梯度)；echo-回波信号(自旋回波信号和梯度回波信号)；te_ge-梯度回波时间；te_se/2-自旋回波时间的一半。

38、在测试方向上施加测试梯度301，等待一段时间，施加激发脉冲311，样品中的磁化矢量(从z方向)被旋转到xy平面，磁化矢量在xy平面内绕z轴做进动。在扫描方向上施加散相梯度321，磁化矢量在xy平面内散相。等待一段时间，施加反转脉冲312，磁化矢量在xy平面内的相位被反转；在扫描方向上施加会聚梯度322和散相梯度323，磁化矢量在xy平面内会聚之后再散相，形成自旋回波信号331；等待一段时间，在扫描方向上施加会聚梯度324和散相梯度325，磁化矢量在xy平面内会聚之后再散相，形成梯度回波信号332。

39、当测试梯度301的幅度不为0时，若成像系统的剩磁高，则测试梯度301结束之后，在测试方向上仍然有残留的梯度磁场。残留的梯度磁场导致沿测试方向不同位置上信号的频率不同；经过一段时间，沿测试方向不同位置上信号的相位不同。由于散相梯度321、323和325以及会聚梯度322和324均施加在扫描方向上，而扫描方向与测试方向垂直，因此沿测试方向不同位置上信号之间的相位差无法消除，导致磁化矢量不能充分会聚。与测试梯度301的幅度为0时相比，当测试梯度301的幅度不为0时，由于磁化矢量不能充分会聚，因此梯度回波信号332的峰值变小。

40、无论是测试方向上的梯度还是扫描方向上的梯度，它们引起的信号(或者磁化矢量)的相位差都是从激发脉冲311开始累积的。这是因为施加激发脉冲311之前，磁化矢量对梯度回波信号和自旋回波信号均没有贡献。

41、对于自旋回波而言，相位差从激发脉冲311开始累积，经过te_se/2的时间间隔，在反转脉冲312的作用下，累积的相位差被反转，但沿测试方向不同位置上信号的频率不变；之后再经过相同时间(te_se/2)累积出的相位差，恰好与被反转的相位差相互抵消，因此磁化矢量可以充分会聚。与测试梯度301的幅度为0时相比，当测试梯度301的幅度不为0时，由于反转脉冲312的作用，消除了测试方向上残留的梯度磁场所导致的散相，磁化矢量可以充分会聚，因此自旋回波信号331的峰值不变。

42、测试梯度301与激发脉冲311之间的时间间隔是为了保证涡流引起的暂态过程结束之后再扫描。因此，在扫描过程中，测试方向上残留的梯度磁场是稳定的。自旋回波信号331和梯度回波信号332是在同一个测试梯度301之后采集的。因此，对两个回波信号起作用的测试方向上残留的梯度磁场是完全相同的。

43、尽管梯度回波时间te_ge与自旋回波时见te_se不同，但只要在一轮测试中保持te_ge和te_se不变，自旋回波信号331的峰值就不会改变，而梯度回波信号332的峰值的改变仅与测试梯度301的改变有关。因此，梯度回波信号332的峰值与自旋回波信号331的峰值之间的比值，与剩磁对磁场均匀性的影响程度相关，可用于量度成像系统中剩磁的强度。

44、本发明的有益效果是：

45、本发明提出的测量方法不需要额外的测量仪器，测量流程简单易行，而且可以量度剩磁的空间各向异性。此外，本发明提出的测量方法在一次扫描中同时获得梯度回波和自旋回波，不仅简化了测试流程，而且避免了磁滞效应导致测量两个回波的初始状态不同，从而减小了测量误差。该方法可以评估剩磁对成像空间定位的影响，特别适用于判断永磁磁共振成像系统是否满足介入治疗中监控和导航对空间定位的要求。