專利名稱：用于磁共振成像的信號獲取與處理的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及醫(yī)學(xué)成像和圖像重構(gòu)，具體地說，涉及在具有固有磁場梯度的靜磁場中進行磁共振成像。
背景技術(shù)：
今天，磁共振成像技術(shù)在世界范圍內(nèi)，在更廣大的醫(yī)療機構(gòu)中被相當普遍地使用， 并且已經(jīng)在醫(yī)療實踐中帶來很大益處。影響這種多用途成像技術(shù)進一步使用的重要因素是與購買和維護這種系統(tǒng)有關(guān)的高成本。與設(shè)計和制造這種系統(tǒng)有關(guān)的高成本主要是由于需要很強并且非常均勻的靜磁場，還需要用于利用這種系統(tǒng)進行成像的梯度場產(chǎn)生設(shè)備。目前，為了獲得高圖像質(zhì)量和高分辨力，要求這樣的強靜磁場。在這種系統(tǒng)中，高度均勻的磁場結(jié)合使用為了成像目的而應(yīng)用的均勻梯度磁場允許通過對接收的信號進行直接傅里葉逆變換，直接復(fù)原已成像的樣本中的質(zhì)子或原子核密度分布。但是，對于磁共振成像系統(tǒng)有關(guān)的靜磁場的均勻性的實質(zhì)需要不利于減少系統(tǒng)尺寸和費用。為了實現(xiàn)顯著減少MR成像系統(tǒng)的尺寸和成本，能夠利用非均勻靜磁場進行成像是有益的。通常，斷定現(xiàn)有的商業(yè)化方法使用非常均勻的靜磁場，并且在出現(xiàn)非均勻磁場的情況下不能使用。以前構(gòu)成利用非均勻靜磁場進行MR成像的方法的嘗試已經(jīng)假定靜磁場的非均勻性大致沿著單一方向，例如，通過在與大小恒定的靜磁場等值面對應(yīng)的測量面或附近激發(fā)核自旋，此外，沿著稱為ζ方向的、垂直于測量面的方向上，磁場梯度大致恒定。磁場梯度大致恒定的特性意味著測量面大致為平面。在這樣的方案中，假定沿著ζ方向梯度很大，通常為400高斯/厘米或0. 04特斯拉/厘米。這樣大的梯度導(dǎo)致通過施加合適的射頻(Radio Frequency, RF)脈沖之后的自旋迅速移相。但是，當以標準的90-180自旋回波脈沖序列 (spin echo pulse sequence)的形式施加合適的射頻脈沖序列時，這樣大的梯度會使重聚 (refocusing)時間很短，這里按照與ζ梯度成比例的速率施加180個重聚脈沖。因此，被重復(fù)的自旋回波產(chǎn)生了，并且用于在不太長的時間段內(nèi)產(chǎn)生被平均的或被增強的信號。還使用了以施加χ梯度和y梯度的形式進行編碼的合適的內(nèi)切片(intra-slice)三維像素，結(jié)合標準的MR成像和信號逆變換技術(shù)，重構(gòu)測量面附近(很薄)的圖像。
這些方法的拓展包括副切片(subslicing)，其中，通過將切片分切為若干副切片形成組織切片的圖像，副切片數(shù)量取決于組織松弛時間(relaxation times of the ^%1^)1\和1~2的比值。副切片圖像被合成為切片圖像。通過利用頻率等于對應(yīng)于副切片的拉莫爾頻率(Larmor frequency)的窄帶寬射頻脈沖對每個副切片進行成像。在不太長的時間段內(nèi)，被重復(fù)的自旋回波(spin echoes)被用于產(chǎn)生被平均或被增強的信號。還可以結(jié)合標準的MR成像和信號逆變換技術(shù)，使用以施加χ梯度和y梯度的形式進行編碼的合適的內(nèi)切片三維像素，構(gòu)成副切片圖像。相似的方法還用于在出現(xiàn)強ζ梯度的情況下對組織切片進行成像，利用擴展頻譜的方法抑制靜磁場中的微擾的影響。在不太長的時間段內(nèi)， 被重復(fù)的自旋回波被用于產(chǎn)生被平均或被增強的信號。還可以結(jié)合標準的MR成像和信號逆變換技術(shù)，使用以施加χ梯度和y梯度的形式進行編碼的合適的內(nèi)切片三維像素，構(gòu)成副切片圖像。上述方法使用了具有非均勻性場型(a pattern of inhomogeneity)或沿單一方向梯度的靜磁場。用于通用成像系統(tǒng)，在患者體內(nèi)的相當大的受關(guān)注區(qū)域中產(chǎn)生這種場型的磁體的體積將相當大。作為一種實施方式，盡管這些方法可以用于開發(fā)對手和足或者患者身體較小的外圍部分進行成像的更小的成像系統(tǒng)，但是，它們不易對患者身體進行一般的內(nèi)部成像。以前有過一些開發(fā)類似導(dǎo)管的成像探頭的嘗試，其中，MR成像系統(tǒng)使用了安裝在探頭上的磁體。探頭被用于“從內(nèi)向外”成像，生成探頭本身以外的，受關(guān)注的人體局部小區(qū)域的圖像。它利用安裝在導(dǎo)管中的磁體產(chǎn)生的靜磁場，產(chǎn)生垂直于探頭長軸的楔形區(qū)域的圖像。在也被安裝在探頭上的發(fā)射線圈發(fā)射的射頻信號在楔形區(qū)域中激發(fā)自旋之后，結(jié)合安裝在導(dǎo)管內(nèi)的產(chǎn)生圓周向梯度的梯度線圈，這些磁體產(chǎn)生的強徑向梯度，用于對楔形區(qū)域中的核自旋進行相位編碼(Phase encode) 0如前所述的方法，經(jīng)過重復(fù)的信號回波再被信號平均之后，用于消除移相影響，然后，用標準MR成像和信號逆變換技術(shù)重構(gòu)薄楔形區(qū)域的圖像。通過使探頭縱向移動并圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)，可以對探頭周圍的環(huán)形區(qū)域進行成像。磁體也可以安裝在MR成像探頭上，以便在出現(xiàn)由標準MR成像系統(tǒng)產(chǎn)生的靜磁場的情況下，產(chǎn)生很強的非均勻局部梯度。本段落前面描述的局部成像技術(shù)能夠產(chǎn)生圍繞探頭的局部區(qū)域的高分辨率局部圖像，然后，可以將這些局部圖像疊加在由標準MR成像系統(tǒng)生成的較大視野的圖像上。以上討論的成像方法被特殊設(shè)計為在對圍繞探頭的局部區(qū)域中進行外部成像的過程中使用。它們依賴于利用重復(fù)的自旋回波以及在出現(xiàn)在局部產(chǎn)生的強梯度的情況下進行平均。此外，使用成像探頭是有創(chuàng)傷的。因此，這種技術(shù)不允許在寬視野內(nèi)進行一般的無創(chuàng)傷成像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是一種信號獲取和重構(gòu)方法，其可利用總體上非均勻的靜磁場用于有效的MR成像。本發(fā)明的另一個方面是一種通用MR成像方法，其利用總體上非均勻的靜磁場，可以構(gòu)成成本最低、尺寸相對小的MR成像系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個方面是一種磁共振成像方法和設(shè)備，用于在出現(xiàn)已知固有磁場梯度的空間分布的靜磁場的情況下進行磁共振成像。該方法包括在某些實施例中，使用高信噪比(Signal-to-Noise-Ratio，SNR)的專用成像線圈。在這些實施例中，用導(dǎo)電體，如碳納米管形式的碳，制成成像或接收線圈。在一個實施例中，這種導(dǎo)體的電阻不隨長度顯著增力口，一種稱為彈道電荷傳導(dǎo)(ballistic charge transport)的現(xiàn)象。線圈用于獲取由在成像樣本中的旋進質(zhì)子自旋所發(fā)射的射頻(RF)信號。此外，相似的線圈還被用作發(fā)射器線圈，用于發(fā)射使樣本中在質(zhì)子自旋旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動所需的RF信號，使它們開始旋進。在另一個實施例中，可以在接收器或發(fā)射器線圈中使用高電導(dǎo)率金屬，如銅或銀。在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的方法從已知由成像系統(tǒng)的磁體產(chǎn)生的靜磁場分布開始。本發(fā)明的方法將成像范圍(imaging volume)劃分成被等值界面分開的多個區(qū)域。每個區(qū)域足夠薄，使得區(qū)域內(nèi)的磁場大小實質(zhì)上線性變化。根據(jù)定義，磁場大小變化的方向垂直于等值邊界，因而每個區(qū)域各處的局部磁場梯度方向已知。按照這里描述的方法，通過在每個區(qū)域中RF激發(fā)自旋，并且，在隨后自旋變化到與本地靜磁場對齊時，對由自旋旋進發(fā)射的信號進行分析，可以在每個區(qū)域內(nèi)重構(gòu)本地空間自旋密度，由此產(chǎn)生關(guān)注的范圍或人體的圖像。按照本發(fā)明的信號逆變換方法包含對一定的方程系統(tǒng)進行求解，而非由標準MR成像系統(tǒng)使用的傅里葉逆變換，后面對此進行詳述。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，具有有趣電特性如完全或部分彈道傳導(dǎo)的導(dǎo)電材料被用于制作成像線圈。這種材料的例子是由碳納米管拉伸成的薄膜。與這種導(dǎo)體相關(guān)的相對低的電氣噪聲水平使得能夠構(gòu)成高品質(zhì)因數(shù)的RF接收電子電路，得到最大的功率接收，并且由此為高選擇性成像和最優(yōu)區(qū)域選擇提供高質(zhì)量信號和窄帶寬。由此得到的窄帶寬可以用于在非均勻靜磁場的情況下有效成像，由此提高了成像切片的選擇性。本發(fā)明教導(dǎo)了用于制作重量相對低的高質(zhì)量集成成像系統(tǒng)的方法，某些情況下， 重量低得成為便攜式的。在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的成像線圈利用彈道傳導(dǎo)特性來優(yōu)化流過成像線圈的每單位電流在成像范圍內(nèi)產(chǎn)生的磁場I。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，碳納米管導(dǎo)體在不增加電阻的情況下制成厚度極小的薄膜，并且形成在成像范圍內(nèi)產(chǎn)生相對大的磁場A的幾何形狀，同時電阻很小，由此獲得極高的SNR值。因此，本發(fā)明的一個基本方面是一種用于磁共振成像的設(shè)備。該設(shè)備包括至少一個磁體，用于在成像范圍內(nèi)產(chǎn)生外加靜磁場；在成像范圍內(nèi)的，具有非平面等值界面的空間非均勻分布靜磁場；至少一個梯度場生成線圈，能夠在成像范圍內(nèi)，產(chǎn)生沿著已知空間方向的磁場梯度；射頻電子電路和發(fā)射裝置，用于生成具有已知脈沖參數(shù)的射頻脈沖，并且將它發(fā)射到成像范圍內(nèi)；至少一個接收線圈，用于接收由成像范圍內(nèi)的核自旋發(fā)射的射頻信號； 以及一個處理器，用于對接收的射頻信號進行計算處理，從而對代表至少一部分成像范圍內(nèi)的核自旋密度分布的圖像進行重構(gòu)。在優(yōu)選實施例中，至少一個梯度場生成線圈是一組線圈的一部分。在優(yōu)選實施例中，射頻電子電路能夠生成一定范圍的射頻脈沖，每個脈沖以多個頻率中的一個頻率為中心，多個頻率在最小頻率到最大頻率的頻率范圍內(nèi)。在優(yōu)選實施例中，最大頻率與最小頻率之間的差異在最大頻率的大約0. 01%到 10%之間。
在優(yōu)選實施例中，最大頻率與最小頻率之間的差異在最大頻率的大約10%到 90%之間。在優(yōu)選實施例中，成像范圍內(nèi)的靜磁場為外加靜磁場。在優(yōu)選實施例中，射頻電子電路和發(fā)射裝置是可編程的。在優(yōu)選實施例中，在覆蓋整個成像范圍的多個空間區(qū)域當中的一個空間區(qū)域內(nèi)， 每個以多個頻率中的一個頻率為中心的射頻脈沖激發(fā)核自旋。在優(yōu)選實施例中，射頻電子電路接收來自成像范圍內(nèi)的第一空間區(qū)域的射頻信號，同時發(fā)射至少一個射頻脈沖，用于在不同于第一空間區(qū)域的第二空間區(qū)域中激發(fā)核自旋。在優(yōu)選實施例中，射頻電子電路順序進行射頻脈沖發(fā)射，在激發(fā)第二空間區(qū)域中的核自旋之前，激發(fā)第一空間區(qū)域中的核自旋。在優(yōu)選實施例中，接收成像范圍中的核自旋發(fā)射的射頻信號的至少一個接收線圈包括排列為接收線圈相控陣的多個接收線圈。在優(yōu)選實施例中，射頻電子電路能夠產(chǎn)生一定范圍的射頻脈沖，其中，每個射頻脈沖在頻域內(nèi)與不同的射頻脈沖重疊，每個以多個頻率中的一個頻率為中心的射頻脈沖的頻率在最小頻率到最大頻率頻率范圍內(nèi)。在優(yōu)選實施例中，每個射頻脈沖在覆蓋整個成像范圍的多個空間區(qū)域當中的不止一個空間區(qū)域內(nèi)同時激發(fā)核自旋。在優(yōu)選實施例中，射頻電子電路接收來自成像范圍內(nèi)的第一組空間區(qū)域的至少一個空間區(qū)域的射頻信號，同時發(fā)射至少一個射頻脈沖，用于在不同于第一組空間區(qū)域的第二組空間區(qū)域的至少一個空間區(qū)域中激發(fā)核自旋。在優(yōu)選實施例中，最大頻率與最小頻率之間的差異在最大頻率的大約10%到 90%之間。在優(yōu)選實施例中，最大頻率與最小頻率之間的差異在最大頻率的大約0. 01%到 10%之間。在優(yōu)選實施例中，在覆蓋整個成像范圍的多個空間區(qū)域當中的一個空間區(qū)域內(nèi)， 以多個頻率中的一個頻率為中心的每個射頻脈沖激發(fā)核自旋。在優(yōu)選實施例中，射頻電子電路順序進行射頻脈沖發(fā)射，在激發(fā)第二組空間區(qū)域中的核自旋之前，激發(fā)第一組空間區(qū)域中的核自旋。在優(yōu)選實施例中，其中，射頻電子電路能夠生成射頻脈沖，射頻脈沖以多個頻率中的每一個頻率為中心，多個頻率在最小頻率到最大頻率的頻率范圍內(nèi)。在優(yōu)選實施例中，最大頻率與最小頻率之間的差異在最大頻率的大約0. 01%到 10%之間。 在優(yōu)選實施例中，其中，最大頻率與最小頻率之間的差異在最大頻率的大約10 % 到90%之間。在優(yōu)選實施例中，每個射頻脈沖在覆蓋整個成像范圍的多個空間區(qū)域當中的一個空間區(qū)域內(nèi)激發(fā)核自旋。在優(yōu)選實施例中，射頻電子電路接收來自成像范圍內(nèi)的第一區(qū)域的射頻信號，同時發(fā)射至少一個射頻脈沖，用于在不同于第一空間區(qū)域的第二空間區(qū)域中激發(fā)核自旋。
在優(yōu)選實施例中，射頻電子電路順序進行射頻脈沖發(fā)射，在激發(fā)第二空間區(qū)域中的核自旋之前，激發(fā)第一空間區(qū)域中的核自旋。在優(yōu)選實施例中，至少一個接收線圈包括由碳納米管材料制成的導(dǎo)體。在優(yōu)選實施例中，至少一個接收線圈由電氣上并聯(lián)的多層結(jié)構(gòu)的碳納米管紙制成。在優(yōu)選實施例中，大致僅沿著成像范圍內(nèi)的單一已知空間方向產(chǎn)生磁場梯度。在優(yōu)選實施例中，至少一個接收線圈包括由碳納米管材料制成的導(dǎo)體。在優(yōu)選實施例中，至少一個接收線圈由電氣上并聯(lián)的多層結(jié)構(gòu)的碳納米管紙制成。在優(yōu)選實施例中，大致僅沿著成像范圍內(nèi)的單一已知空間方向產(chǎn)生磁場梯度。本發(fā)明的另一個方面是一種用于磁共振成像的方法，該方法利用了在成像范圍內(nèi)出現(xiàn)的空間上非均勻的靜磁場。該方法包括借助于產(chǎn)生和發(fā)射射頻脈沖，在覆蓋成像范圍的一組空間區(qū)域當中的至少一個空間區(qū)域內(nèi)激發(fā)核自旋；接收來自至少一個空間區(qū)域的， 由核自旋發(fā)射的射頻信號；對接收的射頻信號進行計算處理，從而重構(gòu)代表至少一個空間區(qū)域內(nèi)的核自旋密度空間分布的圖像。在優(yōu)選實施例中，空間上非均勻靜磁場在成像范圍內(nèi)具有非平面等值界面。在優(yōu)選實施例中，通過對覆蓋圖像范圍的一組空間區(qū)域中的每個空間區(qū)域的核自旋密度重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度空間分布。在優(yōu)選實施例中，激發(fā)核自旋之后有一個相位編碼時間，其中，在沿著至少一個空間方向出現(xiàn)由至少一個梯度場生成線圈產(chǎn)生的磁場梯度的情況下，出現(xiàn)自旋旋進。在優(yōu)選實施例中，在沿著至少一個空間方向出現(xiàn)由至少一個梯度場生成線圈產(chǎn)生的磁場梯度的情況下，發(fā)生接收由核自旋從至少一個空間區(qū)域發(fā)射的射頻信號。在優(yōu)選實施例中，通過對覆蓋各個空間區(qū)域中的核自旋密度重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度空間分布。在優(yōu)選實施例中，通過對覆蓋各個空間區(qū)域中的核自旋密度重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度空間分布。在優(yōu)選實施例中，發(fā)射至少一個自旋重聚射頻脈沖序列，使得至少一個空間區(qū)域中的核自旋隨后發(fā)射一系列自旋回波信號，這個自旋回波信號被進一步處理，產(chǎn)生信噪比增強的平均信號，用于在對接收的射頻信號進行的計算處理中使用，從而重構(gòu)代表至少一個空間區(qū)域內(nèi)的核自旋密度空間分布的圖像。在優(yōu)選實施例中，計算處理包括對接收的信號進行傅里葉變換，并且進一步求解積分方程系統(tǒng)，從而重構(gòu)代表至少一個空間區(qū)域內(nèi)的核自旋密度空間分布的圖像。在優(yōu)選實施例中，通過對整個成像范圍內(nèi)的各個空間區(qū)域中的核自旋密度的重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度的空間分布。在優(yōu)選實施例中，在激發(fā)核自旋之后有一個相位編碼時間段，其中，在出現(xiàn)由至少一個梯度場生成線圈沿著至少一個空間方向產(chǎn)生的磁場梯度的情況下，發(fā)生自旋旋進。在優(yōu)選實施例中，在出現(xiàn)由至少一個梯度場生成線圈沿著至少一個空間方向產(chǎn)生的磁場梯度的情況下，接收來自至少一個空間區(qū)域中的核自旋的射頻信號。在優(yōu)選實施例中，在大致僅沿著單一的已知的空間方向，出現(xiàn)由至少一個梯度場生成線圈在成像范圍內(nèi)產(chǎn)生的磁場梯度的情況下，接收射頻信號。在優(yōu)選實施例中，在激發(fā)至少一個空間區(qū)域內(nèi)的核自旋之后，有一個相位編碼時間段，其中，在出現(xiàn)由至少一個梯度場生成線圈在成像范圍內(nèi)大致僅沿著單一的已知空間方向產(chǎn)生的磁場梯度的情況下，發(fā)生自旋旋進。在優(yōu)選實施例中，通過對各個空間區(qū)域中的核自旋密度的重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度的空間分布。在優(yōu)選實施例中，通過對各個空間區(qū)域中的核自旋密度的重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度的空間分布。在優(yōu)選實施例中，發(fā)射至少一個自旋重聚射頻脈沖序列，使得至少一個空間區(qū)域中的核自旋隨后發(fā)射一系列自旋回波信號，再對這些回波信號進行處理，產(chǎn)生在對整個成像范圍進行重構(gòu)中使用的、信噪比增強的平均信號。在優(yōu)選實施例中，對接收的射頻信號進行計算處理從而重構(gòu)圖像需要對不能利用直接傅里葉逆變換技術(shù)求解的方程系統(tǒng)進行求解。在優(yōu)選實施例中，通過對各個空間區(qū)域中的核自旋密度的重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度的空間分布。在優(yōu)選實施例中，在激發(fā)至少一個空間區(qū)域內(nèi)的核自旋之后，有一個相位編碼時間段，其中，在由至少一個梯度場生成線圈沿著至少一個空間方向產(chǎn)生的磁場梯度內(nèi)，發(fā)生自旋旋進。在優(yōu)選實施例中，在由至少一個梯度場生成線圈沿著至少一個空間方向產(chǎn)生的磁場梯度內(nèi)，接收來自核自旋的射頻信號。在優(yōu)選實施例中，通過對各個空間區(qū)域中的核自旋密度的重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度的空間分布。在優(yōu)選實施例中，通過對各個空間區(qū)域中的核自旋密度的重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度的空間分布。在優(yōu)選實施例中，發(fā)射至少一個自旋重聚射頻脈沖序列，使得至少一個空間區(qū)域中的核自旋隨后發(fā)射一系列自旋回波信號，再對這些回波信號進行處理，產(chǎn)生信噪比增強的平均信號。在優(yōu)選實施例中，計算處理使用了用于求解關(guān)于自旋密度分布的方程系統(tǒng)的迭代技術(shù)。在優(yōu)選實施例中，通過對各個空間區(qū)域中的核自旋密度的重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度的空間分布。在優(yōu)選實施例中，在激發(fā)至少一個空間區(qū)域內(nèi)的核自旋之后，有一個相位編碼時間段，其中，在由至少一個梯度場生成線圈沿著至少一個空間方向產(chǎn)生的磁場梯度內(nèi)，發(fā)生自旋旋進。在優(yōu)選實施例中，在由至少一個梯度場生成線圈沿著至少一個空間方向產(chǎn)生的磁場梯度內(nèi)，接收來自核自旋的射頻信號。在優(yōu)選實施例中，通過對各個空間區(qū)域中的核自旋密度的重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度的空間分布。在優(yōu)選實施例中，通過對各個空間區(qū)域中的核自旋密度的重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度的空間分布。在優(yōu)選實施例中，發(fā)射至少一個自旋重聚射頻脈沖序列，使得至少一個空間區(qū)域中的核自旋隨后發(fā)射一系列自旋回波信號，再對這些回波信號進行處理，產(chǎn)生信噪比增強的平均信號。在優(yōu)選實施例中，接收來自至少一個空間區(qū)域的，由核自旋發(fā)射的射頻信號包括 使用至少一個接收器線圈，接收器線圈使用了由碳納米管材料制成的導(dǎo)體。在優(yōu)選實施例中，至少一個接收器線圈由電氣上并聯(lián)的多層結(jié)構(gòu)的碳納米管紙制成。在優(yōu)選實施例中，發(fā)射至少一個自旋重聚射頻脈沖序列，使得至少一個空間區(qū)域中的核自旋隨后發(fā)射一系列自旋回波信號，再對這些回波信號進行處理，產(chǎn)生信噪比增強的平均信號。在優(yōu)選實施例中，通過對各個空間區(qū)域中的核自旋密度的重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度的空間分布。在優(yōu)選實施例中，在激發(fā)至少一個空間區(qū)域內(nèi)的核自旋之后，有一個相位編碼時間段，其中，在由至少一個梯度場生成線圈沿著至少一個空間方向產(chǎn)生的磁場梯度內(nèi)，發(fā)生自旋旋進。在優(yōu)選實施例中，在由至少一個梯度場生成線圈沿著至少一個空間方向產(chǎn)生的磁場梯度內(nèi)，接收來自核自旋的射頻信號。在優(yōu)選實施例中，通過對各個空間區(qū)域中的核自旋密度的重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度的空間分布。在優(yōu)選實施例中，通過對各個空間區(qū)域中的核自旋密度的重構(gòu)進行合成，重構(gòu)整個成像范圍內(nèi)的核自旋密度的空間分布。本發(fā)明的另一個總體方面是一種用于磁共振成像的設(shè)備。該設(shè)備包括至少一個磁體，用于在成像范圍內(nèi)產(chǎn)生靜磁場；至少一個梯度場生成線圈，能夠在成像范圍內(nèi)，沿著已知空間方向產(chǎn)生磁場梯度；可編程射頻電子電路和發(fā)射裝置，用于生成具有已知脈沖參數(shù)的射頻脈沖，并且將它發(fā)射到成像范圍內(nèi)；至少一個接收線圈，用于接收由成像范圍內(nèi)的核自旋發(fā)射的射頻信號，其中，接收線圈用多層碳納米管紙形式的導(dǎo)電體構(gòu)成；以及用于對接收的射頻信號進行計算處理的裝置，從而對代表至少一部分成像范圍內(nèi)的核自旋密度分布的圖像進行重構(gòu)。在優(yōu)選實施例中，至少一個射頻接收器線圈由套裝的多層用納米管紙形式的導(dǎo)電體構(gòu)成。


通過結(jié)合附圖參閱詳細說明，將更全面地理解本發(fā)明，其中圖1為示出了由磁鐵產(chǎn)生的靜磁場的磁場大小狀況的二維場圖，示出了按照恒定場強線劃分磁場大小區(qū)域的二維等值(isomagnitude)面(也稱等高面)；圖2為三維場圖，示出了兩個三維等值面，它們確定了這兩個等值面之間的空間區(qū)域，該圖還示出了固有靜磁場梯度的狀態(tài)；圖3為三維場圖，示出了三維等值面上的參數(shù)化等梯度線；
圖4為三維場圖，示出了等值面上的參數(shù)化等梯度線，以及由固有磁場梯度確定的區(qū)域厚度；圖5為三維場圖，描繪了由相鄰等值面上的兩條等梯度線的間條形成的“平截頭體殼”形式的一部分空間區(qū)域；圖6為三維場圖，示出了等梯度線上借助于角度變量的參數(shù)化位置；圖7為按照本發(fā)明的三維場圖，示出了局部并且提供了可視化的三維像素，這個三維像素定義在由相鄰等值面上的兩條等梯度線的間條形成的“平截頭體殼”上；并且圖8為按照本發(fā)明的信號生成、信號獲取以及圖像重構(gòu)的方法的流程圖。詳細說明參照圖1，在優(yōu)選實施例中，在關(guān)注的區(qū)域中產(chǎn)生(通常為非均勻)磁場的單個永久磁鐵201 (它本身可以是由許多可能具有不同磁化方向的小磁鐵組成的復(fù)合結(jié)構(gòu))產(chǎn)生靜磁場。標準磁共振信號處理技術(shù)受在靜磁場中出現(xiàn)非均勻性導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)移相的影響，導(dǎo)致大量信號去相干或丟失，于是圖像重構(gòu)變得很困難或不可能。本發(fā)明的思路提供了一種方法，通過考慮靜磁場的空間變化，結(jié)合適當?shù)娜S像素形狀選擇和信號處理方法，避免或大大減小移相的影響。如圖1所示，合成磁場的分布可以被分為由標號分別為1、2、3、4的等值面S” S2, &和、分開的區(qū)域203、205和207。等值面上各處的磁場強度不變。因此，這種面附近的磁場強度的變化方向為該面的法向(垂直于該面)。在圖1中，圖中分別標號為1、2、3和4 的面S” S2, S3和S4將磁體201產(chǎn)生的磁場分布劃分為區(qū)域Z1、Z2和Z3,分別稱為207,205 和203。每個等值面Si具有與其相關(guān)的對應(yīng)磁場值。例如，面S1為該面上指定點的場強值僅沿著在該點處的面的法向變化的等值面。我們假設(shè)對指定磁體，已知場型并且它被細分為等值面。例如，可以根據(jù)對該磁體空間磁場分布進行計算仿真得到這些信息。對于足夠薄的區(qū)域，區(qū)域中的磁場大小的變化是線性的，并且隨著與磁體的距離的增加，磁場大小由沿著最靠近磁體的等值面法線所確定的梯度方向減小。場強減小的速率或梯度值為面上的位置的函數(shù)，如圖2所示。圖2中示出了等值面301和303。按照梯度的函數(shù)特性，在圖2中，(在面301上)靠近由305表示的點P的位置，場梯度為最大，而該面上遠離此點的位置，磁場梯度較小。當適當選擇等值界面時，在每個區(qū)域內(nèi)，磁場大小沿著面的法線方向線性變化。每個這樣的區(qū)域都有一個參考場強(不丟失一般性的情況下，區(qū)域的場強被選擇為確定該區(qū)域的兩個等值面之間的“中心等值面”的場強)，以及一個相對于參考場強定義的場強變化。 例如，參照圖1，區(qū)域的參考場強對應(yīng)于面S1的場強與面&的場強之間的場強中間值。 對應(yīng)于參考場強的是其相關(guān)的射頻中心旋進頻率(central precession frequency)。這個頻率為在通過施RF場已經(jīng)使核自旋排成直線之后，核自旋以與靜磁場重新對齊的旋進的固有頻率。若場強為~，則氫原子核的相關(guān)旋進頻率(它決定了成像樣本中水分子的反應(yīng))為ω = yB0(1)式中，y = 2.68Χ108弧度/秒/特斯拉，為質(zhì)子回旋比。在RF傳播階段，以合適的中心頻率以及足夠的帶寬，通過RF傳播激發(fā)特定區(qū)域，從而激發(fā)整個區(qū)域。對區(qū)域本身的厚度進行選擇，以保證滿足該帶寬要求。在圖3中，標志為400的等值面將兩個區(qū)域分開。盡管在這個面上場強本身為恒值，但梯度大小沿該面變化。在這個等值面上，有一些彼此靠近、梯度值相等的曲線，沿著這樣的曲線，梯度值為恒值。圖3中用陰影表示的帶401就是這種靠近的、等梯度曲線的例子。可以用參數(shù)s對面上的這些等梯度曲線進行參數(shù)化。對于在一定范圍內(nèi)的參數(shù)s，這些曲線在有成像興趣的區(qū)域內(nèi)形成一族。在這個范圍內(nèi)的每個s值，對應(yīng)于一個已知的梯度值f(s)。當然，每條等梯度線上的梯度方向沿該曲線變化并且與面垂直。圖3中的帶401和402示出了等值面400 上的兩條這樣的等梯度曲線或邊界。在通過施加或發(fā)射RF激發(fā)了指定區(qū)域中的自旋之后，自旋旋回成與本地靜磁場對齊。在有靜磁場梯度的地方就會發(fā)生旋進。靜磁場的這種內(nèi)在梯度可以被用作固有讀出梯度。在不失一般性的情況下，我們將考慮等值面旋轉(zhuǎn)對稱的情況。結(jié)論不難推廣到非對稱情況。由于在等梯度環(huán)上各處梯度值相同，因此有一個與指定等梯度參數(shù)值S對應(yīng)的區(qū)域厚度值。圖4中示出了等梯度環(huán)或帶503。對于下標為i的指定區(qū)域501，圖4中如505 所示，設(shè)氏(8)為對應(yīng)參數(shù)值s的區(qū)域的厚度。Mi(S)ClS設(shè)為圖4所示帶503的幾何面積； 這是帶的寬度為ds的帶面積。由于假設(shè)旋轉(zhuǎn)對稱，因此帶上的局部面積是均勻的。設(shè)!·為從中心面到面Si的垂直距離參數(shù)，則r按照參數(shù)值s從- (s) /2變到氏(s) /2。設(shè)Pi(^r)為參數(shù)值為s、距離中心面的距離為r的環(huán)形帶的總自旋密度。這個帶如圖5中的603所示。于是，在進行了與去除了該區(qū)域的中心頻率對應(yīng)的適當?shù)男盘柦庹{(diào)之后，由在圖5中601所示的環(huán)形平截頭體內(nèi)的自旋引起的、在時刻t(自RF脈沖發(fā)射結(jié)束開始測量的時間)的總信號可以寫成
代( )/2
dSi= Mi(S)ClS J drPi{s,ryKr(2)
-啡)/2式中，ks = kf(s) ^Mf(S), 1^為歸一化常數(shù)。公式O)中，按照參數(shù)值s對區(qū)域的厚度進行積分。參數(shù)r變化范圍的積分限，-Ri (s)/2和Ri (s)/2，由圖5中的605和607表示。那么，來自整個區(qū)域的信號為
Sr(K) = \dsMXs) J drPi{s,r)^r(3)盡管根據(jù)靜磁場空間分布情況可以有其他合適的值，然而典型區(qū)域厚度(在區(qū)域的最薄部分)范圍可以為l_20mm。如果只有區(qū)域i被激活(在頻率為Oi = YBi的RF脈沖下，其中，、為質(zhì)子回旋磁比，Bi為區(qū)域i中的中心場強)，那么，公式C3)代表來自成像樣本的所有后續(xù)生成信號。 在優(yōu)選實施例中，盡管根據(jù)針對系統(tǒng)中具體使用的磁體的靜磁場空間分布情況，磁場強度 Bi可以是其他合適值，但是，其典型值范圍為0. 02特斯拉到0. 2特斯拉。不同的磁體結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的磁場分布可以適合于不同的成像應(yīng)用。可以對公式(3)進行逆變換，以獲得如下關(guān)于自旋密度的信息。定義該量
權(quán)利要求
1.一種用于獲得至少一部分成像范圍的磁共振圖像的方法，成像范圍位于空間上非均勻的靜磁場之中，這種靜磁場的特征在于，具有非平面等值界面，所述方法包括對成像范圍施加選擇性的射頻輻射，所述選擇性的射頻輻射被設(shè)計為對成像范圍的至少一個空間區(qū)域內(nèi)的核自旋選擇性地進行激發(fā)，每個空間區(qū)域被兩個所述非平面等值界面所界定，這兩個非平面等值界面相互足夠靠近，以保證包含在其間的非均勻靜磁場具有大致線性的靜磁場梯度；在多個相位編碼時間段期間，使被激發(fā)的核自旋旋進，從而將空間信息編碼到被激發(fā)的核自旋中，空間信息被編碼到每個核自旋中，利用的是被激發(fā)的核自旋的局部的線性靜磁場梯度的大??；被激發(fā)的核自旋的位置，其沿著與被激發(fā)的核自旋所在位置的線性靜磁場梯度的方向平行的軸線；以及加在被激發(fā)的核自旋局部的磁場的大小，其由在至少一個相位編碼時間段期間所加的至少一個外部磁場梯度產(chǎn)生；接收由被激發(fā)的核自旋所產(chǎn)生的射頻信號；通過計算對接收的射頻信號進行處理，從而重構(gòu)至少一個空間區(qū)域的圖像，并且對多個空間區(qū)域重復(fù)上述步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述非平面等值界面具有旋轉(zhuǎn)對稱性。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述選擇性射頻輻射被設(shè)計為在成像范圍的多個空間區(qū)域內(nèi)有選擇地激發(fā)核自旋。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括對成像范圍施加至少一個自旋重聚射頻脈沖序列，使得被激發(fā)的核自旋重聚，并由此產(chǎn)生自旋回波信號，對這個自旋回波信號進一步處理，從而產(chǎn)生在計算處理中使用的、信噪比被增強的被平均信號。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述在至少一個相位編碼時間段期間施加的至少一個外部磁場梯度僅沿著成像范圍內(nèi)的單一已知的空間方向施加。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述計算處理包括求解積分方程系統(tǒng)，以便重構(gòu)至少一個空間區(qū)域的圖像。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述計算處理還包括對接收的信號進行傅里葉變換。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，在出現(xiàn)由至少一個梯度場生成線圈產(chǎn)生的、沿著至少一個空間方向的磁場梯度的情況下，接收射頻信號。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，在有選擇地激發(fā)核自旋之后，有一個相位編碼時間段，在此期間，在出現(xiàn)由至少一個梯度場生成線圈在成像范圍內(nèi)大致僅沿著單一已知的空間方向產(chǎn)生的磁場梯度的情況下，發(fā)生自旋旋進。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，在出現(xiàn)由至少一個梯度場生成線圈在成像范圍內(nèi)大致僅沿著單一已知的空間方向產(chǎn)生的磁場梯度的情況下，接收射頻信號。
11.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，通過對各個空間區(qū)域的被重構(gòu)圖像進行合成，得到磁共振圖像。
12.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括對成像范圍施加至少一個自旋重聚射頻脈沖序列，使得被激發(fā)的核自旋重聚，并由此產(chǎn)生自旋回波信號，對這個自旋回波信號進一步處理，從而產(chǎn)生在計算處理中使用的、信噪比被增強的被平均信號。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述計算處理包括對不能利用直接傅里葉逆變換技術(shù)求解的方程系統(tǒng)進行求解，以便重構(gòu)至少一個空間區(qū)域的圖像。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，在由至少一個梯度場生成線圈產(chǎn)生的沿著至少一個空間方向的磁場梯度內(nèi)，接收射頻信號。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括對成像范圍施加至少一個自旋重聚射頻脈沖序列，使得被激發(fā)的核自旋重聚，并由此產(chǎn)生自旋回波信號，對這個自旋回波信號進一步處理，從而產(chǎn)生在計算處理中使用的、信噪比被增強的被平均信號。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述計算處理使用用于求解方程系統(tǒng)的迭代技術(shù)，以便重構(gòu)至少一個空間區(qū)域的圖像。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，通過對各個空間區(qū)域的被重構(gòu)圖像進行合成，得到磁共振圖像。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，在有選擇地激發(fā)核自旋之后，有一個相位編碼時間段，在此期間，在出現(xiàn)由至少一個梯度場生成線圈在成像范圍內(nèi)大致僅沿著單一已知的空間方向產(chǎn)生的磁場梯度的情況下，發(fā)生自旋旋進。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，在由至少一個梯度場生成線圈產(chǎn)生的沿著至少一個空間方向的磁場梯度內(nèi)，接收射頻信號。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括對成像范圍施加至少一個自旋重聚射頻脈沖序列，使得被激發(fā)的核自旋重聚，并由此產(chǎn)生自旋回波信號，對這個自旋回波信號進一步處理，從而產(chǎn)生在計算處理中使用的、信噪比被增強的被平均信號。
全文摘要
公開了一種使用專用信號獲取和處理技術(shù)的、用于磁共振成像的方法和設(shè)備，用于利用一般非均勻靜磁場進行圖像重構(gòu)。公開了用于圖像重構(gòu)并使移相影響最小的新穎的信號處理方法。提供了比利用均勻靜磁場的情況要求較小靜磁場強度和較小硬件的成像系統(tǒng)，因而與標準的MRI系統(tǒng)相比，顯著減小了系統(tǒng)的尺寸和成本。該系統(tǒng)還利用了包括由碳納米管導(dǎo)體制成的高信噪比成像線圈，因而進一步提高了成像系統(tǒng)的效率。
文檔編號A61B5/055GK102481114SQ201080024672
公開日2012年5月30日 申請日期2010年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者拉珠·維斯瓦那森 申請人:拉珠·維斯瓦那森, 特西奧普技術(shù)有限公司