Устройство магнитного резонанса с антенной системой возбуждения - RU2313102C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к системе формирования изображения магнитного резонанса, содержащей

- антенную систему возбуждения, содержащую несколько антенн для излучения высокочастотного (ВЧ) поля возбуждения [B₁(t)],

- блок управления активацией, подключенный к антенной системе возбуждения и предназначенный для активации антенной системы возбуждения.

Такая система формирования изображения магнитного резонанса известна из статьи "A k-space analysis of small-tip-angle excitation" («Анализ k-пространства остроугольного возбуждения») Джона Паули и др. (John Pauly) в журнале «Journal of Magnetic Resonance» 81 (1989) 43-56.

В этой статье предложено использовать пространственно-избирательные ВЧ-возбуждения в системе формирования изображения магнитного резонанса. Для осуществления таких пространственно-избирательных ВЧ-возбуждений используется сканирование подаваемой ВЧ-энергии по k-пространству. В частности, в упомянутой статье показано, что достигается собственная фокусировка ВЧ-возбуждений с послойным выбором, также реализуется пространственно-избирательное двумерное ВЧ-возбуждение.

Однако сканирование k-пространства, предложенное в упомянутой статье, приводит к необходимости применения сложных и длинных последовательностей временных градиентных магнитных полей и ВЧ-импульсов возбуждения. Поэтому известные пространственно-избирательные ВЧ-возбуждения требуют много времени и препятствуют формированию изображений магнитного резонанса в быстрой последовательности.

Задачей изобретения является создание системы формирования изображения магнитного резонанса, которая требует меньше времени для реализации ВЧ-возбуждения. В частности, задачей изобретения является уменьшение времени, необходимого для пространственно-избирательных ВЧ-возбуждений.

Для решения этой задачи, согласно изобретению, предусмотрена система формирования изображения магнитного резонанса, содержащая систему управления активацией, выполненную таким образом, что

- отдельные антенны активируются для одновременного излучения отдельных составляющих [B_n(t)] ВЧ-возбуждения, и

- составляющие ВЧ-возбуждения имеют разные распределения активации по k-пространству.

Система формирования изображения магнитного резонанса, соответствующая изобретению, формирует сигналы магнитного резонанса, из которых восстанавливается изображение магнитного резонанса. Система формирования изображения магнитного резонанса содержит магнитную систему, которая обеспечивает, по существу, однородное основное магнитное поле. Исследуемый объект помещают в основное магнитное поле. В результате ВЧ-возбуждения генерируются сигналы магнитного резонанса. ВЧ-возбуждение приводит к возбуждению магнитных спинов в исследуемом объекте, и затем эти магнитные спины релаксируют с излучением сигналов магнитного резонанса. Сигналы магнитного резонанса пространственно кодируют путем наложения временных магнитных градиентов, причем так называемые градиенты фазового кодирования и градиенты считывания обеспечивают пространственное кодирование сигналов магнитного резонанса. Кроме того, в процессе ВЧ-возбуждения можно накладывать временные градиентные магнитные поля, чтобы вызывать сканирование подаваемой ВЧ-энергии по k-пространству, т.е. сканирование волнового вектора ВЧ-возбуждения. Временные градиентные магнитные поля, именуемые также градиентными импульсами, накладываются на основное магнитное поле, создаваемое магнитной системой. Обычно для обеспечения градиентных импульсов применяются градиентные катушки. ВЧ-возбуждения создаются антенной системой, содержащей одну или несколько антенн. Предпочтительно, в качестве этих антенн применяются ВЧ-катушки.

Блок активации системы формирования изображения магнитного резонанса, соответствующей изобретению, осуществляет разложение совокупного изменяющегося во времени магнитного поля возбуждения на несколько составляющих ВЧ-возбуждения. Отдельные составляющие ВЧ-возбуждения одновременно излучаются соответствующими антеннами или ВЧ-катушками. Это достигается для осуществления в большой степени параллельного ВЧ-возбуждения. Степень параллельности зависит от количества применяемых составляющих ВЧ-возбуждения. Следовательно, время, необходимое для подачи ВЧ-возбуждения, соответственно, уменьшается. Заметим, что система формирования изображения магнитного резонанса, соответствующая изобретению, обеспечивает более эффективное использование времени, доступного для ВЧ-возбуждения, что позволяет тратить меньше времени для осуществления возбуждения или применять более сложное возбуждение во все еще приемлемый период времени. Система формирования изображения магнитного резонанса, соответствующая изобретению, пригодна, в частности, для ВЧ-возбуждения областей сложной формы.

Эти и другие аспекты изобретения конкретизированы применительно к вариантам осуществления изобретения, определенным в зависимых пунктах формулы изобретения.

Предпочтительно, составляющие ВЧ-возбуждения вносят вклад в ВЧ-поле возбуждения в соответствии с разложением на гармонические компоненты пространственных профилей ВЧ-излучения отдельных антенн.

Согласно изобретению пространственное кодирование применяют как путем градиентного кодирования, так и путем кодирования на основании пространственного профиля ВЧ-излучения катушки ВЧ-возбуждения. Таким образом, для возбуждения требуется более простая последовательность возбуждения, которая сравнительно коротка и обеспечивает точное возбуждение нужной области. На практике это осуществляют следующим образом.

1. Определяют область пространства, подлежащую возбуждению.

2. Деформируют эту область в «свернутые» («слоистые») области, пиксели которых представляют собой суперпозиции пикселей, т.е. локальные уровни ВЧ-возбуждений исходной области пространства, подлежащей возбуждению, причем суперпозиция кодируется (взвешивается) на основании пространственных профилей ВЧ-излучения антенн возбуждения. Эти «свернутые» области образуют совмещенные пространственные области ВЧ-излучения для отдельных антенн. Суперпозиции таковы, что после объединения, например сложения, свернутых областей, совокупные ВЧ-возбуждения, по причине объединенных составляющих ВЧ-возбуждения, гасятся за исключением заранее определенной области пространства.

3. Осуществляют быстрое преобразование Фурье для свернутой области, чтобы получить формы волны возбуждения, образующие составляющие ВЧ-возбуждений, для каждой из ВЧ-катушек, используемых совместно с градиентными импульсами, которые обуславливают сканирование по k-пространству.

Заметим, что при подаче одного и того же градиентного импульса возбужденные ВЧ-катушки одновременно активируют применяемые составляющие ВЧ-возбуждения. Поэтому для подачи разных градиентных импульсов во время одновременных составляющих ВЧ-возбуждения не требуется дополнительного времени. Одновременные составляющие ВЧ-возбуждения связаны с одним и тем же прохождением по k-пространству, т.е. одновременно вносят вклад в траектории k-пространства, но, возможно, с разными амплитудами.

В одном варианте осуществления системы формирования изображения магнитного резонанса, соответствующей изобретению, применяются составляющие ВЧ-возбуждения, каждая из которых имеет разные опоры в k-пространстве. Опора в k-пространстве этой составляющей ВЧ-возбуждения - это набор волновых векторов (значений вектора k), для которых составляющая ВЧ-возбуждения имеет ненулевое комплексное значение. В этом варианте осуществления используются антенны возбуждения, в особенности ВЧ-катушки, имеющие синусоидальный в пространстве пространственный профиль ВЧ-излучения.

В предпочтительном варианте осуществления системы формирования изображения магнитного резонанса, соответствующей изобретению, составляющие ВЧ-возбуждения имеют распределения активации по k-пространству, которые обуславливают подсканирование k-пространства в направлении подсканирования. Термин «подсканирование» означает, что данная составляющая ВЧ-возбуждения выполняет менее плотное сканирование k-пространства, чем необходимо с учетом пространственного разрешения возбуждаемой области пространства. Для вычисления составляющих ВЧ-возбуждения используются обращенные матрицы, которые являются более стабильными, поскольку преобладающее пространственное изменение пространственных профилей ВЧ-излучения антенн возбуждения происходит в направлении подсканирования.

Предпочтительно, поверхностные ВЧ-катушки применяются в качестве антенн, пространственный профиль ВЧ-излучения которых имеет изменения фазы излучения в плоскости поверхностных ВЧ-катушек. Поверхностные ВЧ-катушки, по существу, плоские. Предпочтительно, плоскости соответствующих поверхностных ВЧ-катушек разделены в направлении считывания. В этой структуре фаза излучения поверхностной ВЧ-катушки изменяется, в основном, в направлении фазового кодирования, а именно параллельно плоскости поверхностной ВЧ-катушки, и амплитуда излучения изменяется, в основном, в направлении считывания, поперек плоскости поверхностной ВЧ-катушки. В этой ситуации для вычисления составляющих ВЧ-возбуждения, в частности для декартовых траекторий, используют более стабильное обращение матриц. Обращение матриц может быть стабилизировано с использованием подходящих траекторий в k-пространстве и надлежащим образом сконструированных и размещенных катушек. Как правило, траектории должны покрывать k-пространство по возможности равномерно, и катушки должны иметь (насколько возможно, хорошую) синусоидальную фазу в направлении подсканирования, в котором плотность сканированных позиций в k-пространстве ниже, т.е. в направлении фазового кодирования или подготовки - для декартовых, в радиальном направлении - для спиральных и в тангенциальном направлении - для радиальных траекторий.

Изобретение относится также к способу формирования изображения магнитного резонанса по пункту 6 формулы изобретения. Способ формирования изображения магнитного резонанса, соответствующий изобретению, позволяет более эффективно использовать время, доступное для ВЧ-возбуждения, что позволяет тратить меньше времени для осуществления возбуждения или применять более сложное возбуждение во все еще приемлемый период времени. Способ формирования изображения магнитного резонанса, соответствующий изобретению, пригоден, в частности, для ВЧ-возбуждения областей сложной формы.

Изобретение также относится к компьютерной программе по пункту 7 формулы изобретения.

Компьютерная программа, в частности, пригодна для осуществления способа формирования изображения магнитного резонанса, соответствующего изобретению. Кроме того, система формирования изображения магнитного резонанса, соответствующая изобретению, может быть обеспечена путем загрузки компьютерной программы, соответствующей изобретению, в рабочую память компьютера, входящего в состав общей традиционной системы формирования изображения магнитного резонанса. Компьютерная программа может быть обеспечена на носителе данных, например CD-ROMe, и компьютерная программа может также быть обеспечена посредством сети передачи данных, например, всемирной паутины, через которую компьютерная программа, соответствующая изобретению, может загружаться в рабочую память компьютера системы формирования изображения магнитного резонанса.

Эти и другие аспекты изобретения будут разъяснены применительно к вариантам осуществления, описанным ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

фиг.1 - схема системы формирования изображения магнитного резонанса, в которой используется изобретение;

фиг.2 - графическое представление входных пространственных профилей ВЧ-излучения согласно способу, соответствующему изобретению;

фиг.3 - графическое представление вычисленных отдельных форм волны и соответствующих импульсных профилей, используемых согласно способу, соответствующему изобретению;

фиг.4 - графическое представление отдельных импульсных профилей, передаваемых (в рамках цифрового моделирования) соответствующими катушками, в области изображения и Фурье-области.

На фиг.1 схематически показана система формирования изображения магнитного резонанса, в которой используется изобретение. Система формирования изображения магнитного резонанса содержит набор основных катушек 10, с помощью которых генерируется стационарное однородное магнитное поле. Основные катушки сконструированы, например, таким образом, что они охватывают исследуемое пространство в форме туннеля. Обследуемого пациента помещают в это исследуемое пространство в форме туннеля. Система формирования изображения магнитного резонанса содержит также несколько градиентных катушек 11, 12, с помощью которых генерируют магнитные поля, изменяющиеся в пространстве, главным образом, в виде временных градиентных магнитных полей в отдельных направлениях, которые накладываются на однородное магнитное поле. Временные градиентные поля служат для пространственного кодирования сигналов магнитного резонанса, а также для сканирования ВЧ-энергии в ходе ВЧ-возбуждения по k-пространству. В частности, временные градиентные поля применяются в направлении считывания и в направлении фазового кодирования. Градиентные катушки 11, 12 подключены к управляемому блоку питания 21. Электрический ток для возбуждения градиентных катушек 11, 12 поступает от блока питания 21. Блок питания управляет величиной, направлением и длительностью градиентов. Система формирования изображения магнитного резонанса также содержит передающие и приемные катушки 13, 16 для генерирования импульсов ВЧ-возбуждения и для считывания сигналов магнитного резонанса соответственно. Антенная система 13, 16 возбуждения, предпочтительно, содержит набор поверхностных катушек 16, с помощью которых можно (частично) охватить исследуемый объект. Один и тот же набор поверхностных катушек, или антенная система, обычно используется попеременно как передающая катушка и приемная катушка. Передающая и приемная катушка реализована, например, как многоканальная или «синергичная» катушка. Такие синергичные катушки имеют преимущество в случаях, когда необходимы большое поле обзора и сравнительно малая глубина проникновения. Кроме того, передающая и приемная катушка обычно имеет форму катушки, но возможны и другие геометрические конфигурации, где передающая и приемная катушка действует как передающая и приемная антенны для ВЧ электромагнитных сигналов. Система 16 передающих и приемных катушек подключена к электронной схеме 15 передачи и приема.

Такие поверхностные катушки имеют высокое излучение в сравнительно малом объеме. ВЧ-катушки, например поверхностные катушки, действуют как передающая и приемная антенна для ВЧ электромагнитных сигналов и подключены к демодулятору 24, и принятые сигналы магнитного резонанса (МС) демодулируются посредством демодулятора 24. Дополнительно, передающие и приемные катушки включают в себя телесную катушку 13. Телесная катушка обычно располагается в системе формирования изображения магнитного резонанса таким образом, что обследуемый пациент 30, помещенный в систему формирования изображения магнитного резонанса, охватывается телесной катушкой 13. Телесная катушка 13 действует как передающая антенна для передачи ВЧ-импульсов возбуждения и ВЧ-импульсов изменения фокусировки. Предпочтительно, телесная катушка 13 обеспечивает пространственно-однородное распределение интенсивности передаваемых ВЧ-импульсов (ВЧС). Телесную катушку выгодно использовать для определения пространственных профилей ВЧ-излучения поверхностных катушек. Кроме того, телесную катушку 13 удобно комбинировать с поверхностными катушками, имеющими гармонические (синусоидальные) пространственные профили ВЧ-излучения, поскольку для телесной катушки характерен гармонический пространственный профиль ВЧ-излучения на очень низкой или нулевой пространственной частоте.

Демодулированные сигналы магнитного резонанса (ДМС) поступают на блок реконструкции. Предусилитель 23 усиливает ВЧ-сигнал резонанса (МС), принятый приемной катушкой 16, и усиленный ВЧ-сигнал резонанса поступает на демодулятор 24. Демодулятор 24 демодулирует усиленный ВЧ-сигнал резонанса. Демодулированный сигнал резонанса содержит фактическую информацию, касающуюся локальных спиновых плотностей в изображаемой части объекта. Кроме того, схема 15 передачи и приема подключена к модулятору 22. Модулятор 22 и схема 15 передачи и приема активируют передающую катушку 13 для передачи ВЧ-импульсов возбуждения и изменения фокусировки. Блок реконструкции извлекает один или несколько сигналов изображения из демодулированных сигналов магнитного резонанса (ДМС), причем сигналы изображения представляют информацию изображения изображаемой части исследуемого объекта. В качестве блока 25 реконструкции, в действительности, предпочтительно использовать блок 25 цифровой обработки изображения, запрограммированный так, чтобы извлекать из демодулированных сигналов магнитного резонанса сигналы изображения, которые представляют информацию изображения изображаемой части объекта. Выходной сигнал поступает на монитор 26 реконструкции, так что монитор может отображать изображение магнитного резонанса. Альтернативно, выходной сигнал блока 25 реконструкции можно сохранять в блоке 27 буфера в ожидании дальнейшей обработки.

Система формирования изображения магнитного резонанса, соответствующая изобретению, также снабжена блоком 20 управления, например, в виде компьютера, который содержит (микро)процессор. Блок 20 управления управляет осуществлением ВЧ-возбуждений и приложением временных градиентных полей. В частности, блок управления системы формирования изображения магнитного резонанса, соответствующей изобретению, содержит блок управления активацией (БУА). Блок управления активацией предназначен для осуществления различных функций, используемых при ВЧ-возбуждениях. Предпочтительно, эти функции реализованы программными средствами и могут быть установлены на компьютере блока 20 управления. Для этого компьютерная программа, соответствующая изобретению, загружается, например, в блок 20 управления и блок 25 реконструкции.

Теперь рассмотрим более подробно составляющие ВЧ-возбуждения и их одновременное излучение для достижения параллельности в ВЧ-возбуждении. ВЧ-поле возбуждения имеет вид ВЧ-импульса, который следует определенной траектории в k-пространстве и соответствует сканированию ВЧ-энергии по k-пространству. Сокращение этой траектории приводит к уменьшению длительность импульса. Использование множества передающих катушек, каждая из которых имеет свою собственную зависящую от времени форму волны и пространственное излучение, компенсирует пропущенные части k-пространства.

Пусть R - это количество передающих катушек антенной системы возбуждения с заранее определенными, произвольными пространственными профилями ВЧ-излучения S_r(x), r=1...R, и неизвестными отдельными пространственными профилями импульсов P_r(x) в ПО возбуждения. Суперпозиция отдельных импульсных профилей дает желаемые импульсные профили P_жел(x)

Преобразуя Ур.(1) в k-пространство, получаем

Дискретизируя временную координату траекторий в k-пространстве, можно рассматривать p_жел и p_rкак векторы p_жел и p_r, а s_r - как матрицу s_r. Эта дискретизация позволяет заменить свертку матричным умножением

Если предположить, что импульсные профили заданы матрицей N×N в пространственной области, то p_жел(k(t_ν)) и

являются векторами с N²=M компонентами, и имеет размер М×М. Теперь рассмотрим особый случай R-кратного уменьшения длительности передачи. При этом становятся векторами с M/R компонентами, и становятся прямоугольными матрицами размером M×M/R. Переменные и уменьшенного размера можно объединить в одиночные полноразмерные переменные и w=1...M, с помощью подходящей функции w=f(u,r), которая надлежащим образом ставит в соответствие индексам u и r новый индекс w, например,

Таким образом, Ур.(3) можно переписать в виде

В простом примере, где параллельно применяются две передающие катушки, R=2 и r=1, 2.

Теперь неизвестное p_полн можно вычислить путем прямого обращения матриц

или с помощью соответствующих приемов регуляризации. Затем импульсные профили p_жели р_полн нужно перевести в соответствующие формы волны B₁^жел и B₁^полн.

Для малого флип-угла Ур.(7) в целом справедливо, для больших флип-углов Ур.(7) справедливо только для определенных траекторий [4] в k-пространстве. Функция D зависит от выбранной траектории k(t) [3] в k-пространстве и постоянна для декартовой k(t). Дискретизируя Ур.(7) вышеописанным способом, получаем

где D(k(t)) - диагональная матрица.

В частности, двухмерный ВЧ-импульс, начинающийся в момент времени t=0 и заканчивающийся в t=T, состоит из ВЧ-формы волны B₁(t), сопровождаемой двухмерной градиентной формой волны G(t), которая определяет траекторию k(t) в k-пространстве

Это определение весьма близко к тому, которое используется в описании последовательностей формирования изображения в терминах k-пространства. Для малых флип-углов можно получить результирующее пространственное распределение поперечной намагниченности M_t(r) в следующем виде:

Здесь М₀ выражает равновесную продольную намагниченность и обозначает гиромагнитное отношение. Напротив, присоединенную форму волны В₁ для возбуждения желаемой структуры P_жел(r) поперечной намагниченности можно получить из двухмерного преобразования Фурье P_жел(r), дискретизированного вдоль траектории в k-пространстве. Эту форму волны нужно взвешивать модулем скорости в k-пространстве |γG(t)| и плотностью дискретизации S(k(t)) в k-пространстве

где коэффициент перед интегралом определяет введенную выше D(k(t))

Объединяя Ур. (6) и (8), получаем

Наконец, отдельные формы волны

нужно отделить от в соответствии с Ур.(4).

Заметим, что мы не делали никаких предположений о полной и сокращенной траекториях k(t) и

в k-пространстве. Они не обязаны быть декартовыми. Кроме того, сокращенная траектория не обязана быть частью полной траектории k(t). Поскольку k(t) является лишь виртуальной траекторией, она даже не обязана быть физически реализуемой в данной градиентной системе. Единственно, k(t) должна удовлетворять требованиям градиентной системы.

В простом варианте осуществления применяются две передающие катушки и коэффициент сокращения R=2. На фиг.2 показан выбранный желаемый импульсный профиль P_жел(x) и пространственные профили ВЧ-излучения S_r(x), измеренные на брюшной полости добровольца. На фиг.3 показаны вычисленные отдельные формы волны

в k-пространстве возбуждения (модульное представление) и соответствующие импульсные профили P_r(x) согласно Ур.(8). Были выбраны декартовы k(t) и (как в EPI), причем k(t) покрывает каждый столбец и - каждый второй столбец k-пространства. Формы волны надо передавать на разные передающие катушки, в то время как градиентная система проходит сокращенную траекторию в k-пространстве. Этот эксперимент моделируется численным исследованием. На фиг.4 показаны отдельные импульсные профили, передаваемые с помощью соответствующих катушек в области изображения S_r(x)P_r(x) и в Фурье-области s_r(k(t))⊗p_r(k(t)). Можно видеть, что свертка в k-пространстве действует как «размазывание» данных, заполняющее пропущенные части сокращенной траектории в k-пространстве . Суперпозиция S₁(x)P₁(x) и S₂(x)P₂(x), показанная на фиг.4, дает желаемый импульсный профиль P_жел(x), показанный на фиг.2.

На фиг.2 показан ввод для эксперимента. Слева: выбранный импульсный профиль P_жел(x). В центре и справа: пространственные профили ВЧ-излучения S₁(x) и S₂(x) передающих катушек, измеренные на брюшной полости добровольца.

На фиг.3 показаны вычисленные отдельные формы волны

в модульном представлении (слева) и соответствующие импульсные профили P_r(x) (справа) для двух катушек в пространственной области, причем предполагается однородная чувствительность катушек. Была выбрана декартова форма k(t) и , причем k(t) покрывает каждый столбец и - каждый второй столбец k-пространства.

На фиг.4 показаны (как результаты численного моделирования соответствующего эксперимента) отдельные импульсные профили, передаваемые с помощью соответствующих катушек, в области изображения S_r(x)P_r(x) (слева) и в Фурье-области s_r(k(t))⊗p_r(k(t)) (справа). Суперпозиция двух импульсных профилей слева дает желаемый импульсный профиль, показанный слева на фиг.2.

Способ, соответствующий изобретению, описывает возможность укорочения двухмерных ВЧ-импульсов с использованием множества передающих катушек. Осуществимость способа была продемонстрирована в рамках численных исследований. Кроме того, способ, соответствующий изобретению, можно применять

- для повышения пространственного разрешения импульсного профиля вместо укорочения ВЧ-импульса,

- для использования коэффициента сокращения более низкого/высокого, чем количество катушек, как в традиционном параллельном построении изображения,

- для трехмерных ВЧ-импульсов.

Заметим, что трехмерные ВЧ-импульсы выглядят весьма многообещающим применением этого подхода. Укорочение ВЧ-импульса, достигаемое за счет одновременного излучения нескольких составляющих ВЧ-излучения, применимо даже в случае изотопов с быстрой релаксацией T₂^*. Использование синусоидальной вместо произвольной чувствительности катушки значительно упрощает вышеописанный алгоритм.

Реферат

Изобретение относится к технике формирования изображения магнитного резонанса при пространственно-избирательном высокочастотном (ВЧ) возбуждении. Система формирования изображения магнитного резонанса содержит набор основных катушек для генерации стационарного однородного поля, градиентные катушки для генерации магнитных полей, меняющихся в пространстве, антенную систему для генерации импульсов ВЧ-возбуждения и для приема сигналов магнитного резонанса и блок реконструкции для получения сигналов изображения из сигналов магнитного резонанса. Антенная система содержит несколько антенн для излучения ВЧ-поля возбуждения. К антенной системе подключен блок управления активацией, при этом отдельные антенны активируются для одновременного излучения отдельных составляющих ВЧ-возбуждения, причем формируются составляющие ВЧ-возбуждения, имеющие разные распределения активации по k-пространству. При этом уменьшается время, необходимое для пространственно-избирательного ВЧ-возбуждения, даже для сложных пространственных картин возбуждения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула