用于多信道發(fā)射機(jī)的多頻帶射頻/磁共振成像脈沖設(shè)計(jì)的制作方法
【專利說(shuō)明】用于多信道發(fā)射機(jī)的多頻帶射頻/磁共振成像脈沖設(shè)計(jì) 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001] 本申請(qǐng)要求W下兩件美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的權(quán)益：2013年1月25日提交的第 61/756, 775 號(hào)、題為"SYSTEMANDMET冊(cè)DFORMULTIBANDRADIOFREQ肥NCYMAG肥TIC RESONANCEIMAGINGPUL沈DESIGNFORU沈WITHAMULTICHAN肥LTRANSMITTER(用于多信 道發(fā)射機(jī)的多頻帶射頻磁共振成像脈沖設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和方法）"W及2013年12月11日提交 的第61/914, 775號(hào)、題為"SYSTEMANDMET冊(cè)DFORMULTIBANDRADIOFREQUENCYMAG肥TIC RESONANCEIMAGINGPUL沈DESIGNFORU沈mHAMULTICHAN肥LTRANSM口TER(用于多 信道發(fā)射機(jī)的多頻帶射頻磁共振成像脈沖設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和方法）"。 關(guān)于聯(lián)邦贊助研究的聲明
[0002] 本發(fā)明通過(guò)政府支持、依據(jù)國(guó)家健康協(xié)會(huì)獲獎(jiǎng)的RR008079、邸015894和M冊(cè)91657 而作出。政府對(duì)本發(fā)明有特定的權(quán)利。 發(fā)明背景
[0003] 發(fā)明領(lǐng)域是用于磁共振成像（"MRI")的系統(tǒng)和方法。具體而言，本發(fā)明設(shè)及用于 設(shè)計(jì)、優(yōu)化和填補(bǔ)用于MRI中的多頻帶射頻（"RF")脈沖的系統(tǒng)和方法。
[0004] MRI中的高及超高磁場(chǎng)（諸如3特斯拉（3T)和7特斯拉（7T)的場(chǎng)）的最近可用 性已經(jīng)能W不斷增加的空間分辨率來(lái)進(jìn)行人腦的解剖學(xué)及功能性MRI( "fMRI")研究，且 在fMRI應(yīng)用的情況下，能對(duì)神經(jīng)元活性升高的站點(diǎn)啟用保真度。然而，即使在采用單脈沖 切片采集法、諸如回波成像（"EPI")時(shí)，在整個(gè)人腦上獲得運(yùn)種高分辨率fMRI數(shù)據(jù)會(huì)遇 到長(zhǎng)空間重復(fù)時(shí)間（"TRs")的不期望結(jié)果。已經(jīng)使用如下方法來(lái)解決上述問(wèn)題：即，通過(guò) 使用多切片、二維EPI策略的并行成像原理，進(jìn)行多切片的同時(shí)多頻帶（"MB")RF激發(fā)，其 中對(duì)同時(shí)采集的切片進(jìn)行后續(xù)去混疊。該方法允許空間TR(volumeTR)直接降低一個(gè)因子 (稱為MB因子），該因子等于同時(shí)激發(fā)的切片的數(shù)目。
[000引 MB方法的使用已經(jīng)在基于任務(wù)的fMRI和休息狀態(tài)MRI中取得了顯著成功，導(dǎo)致休 息狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)檢測(cè)W及掲露運(yùn)種網(wǎng)絡(luò)的臨時(shí)動(dòng)態(tài)的新分析策略。采用該方法還顯著降 低在擴(kuò)散成像技術(shù)中通常會(huì)很長(zhǎng)的成像采集時(shí)間，所述擴(kuò)散成像技術(shù)諸如高角擴(kuò)散加權(quán)成 像（"HA畑I")和擴(kuò)散頻譜成像（"DSI")。如此，MBRF脈沖的使用已經(jīng)使運(yùn)些成像技術(shù) 的使用對(duì)于像人類連接體項(xiàng)目（HumanConnectomeProject)運(yùn)樣的工作來(lái)說(shuō)變得切實(shí)可 行和不可或缺。在運(yùn)些應(yīng)用中，去混疊過(guò)程所容忍的可實(shí)現(xiàn)MB因子可W通過(guò)使用EPI中的 梯度標(biāo)志將同時(shí)采集的切片沿相位編碼維度部分地移位而顯著改進(jìn)。注意到，MB方法可與 除EPIW外的空間編碼策略一同使用，諸如一次（例如，閃光FLASH) -個(gè)k空間行地采集 的梯度回叫回波、快速自旋回波等等。此外，MB方法可應(yīng)用于除fMRIW外的成像應(yīng)用，一 般包括其中基本上同時(shí)采集多個(gè)切片的任何成像應(yīng)用。
[0006] 然而，盡管有運(yùn)些收獲，但是高（3T和4T)磁場(chǎng)和超高（7T及更高）磁場(chǎng)下的切片 加速多頻帶方法的優(yōu)選使用被發(fā)射Bl("BI+")不同質(zhì)性和功率沉積約束條件所妨礙。信噪 比（"SNR")和圖像對(duì)比度變得空間不均勻，且在一些位置處由于不均勻Bl+而變得次優(yōu)， 所述不均勻Bl+由于在運(yùn)些場(chǎng)強(qiáng)下存在行波行為而產(chǎn)生的破壞性干擾的結(jié)果從而產(chǎn)生。運(yùn) 些BI+不同質(zhì)性已在4T處特別是7T處很好地記錄，但在3T處足夠強(qiáng)W引起大腦中央和外 圍部分之間的SNR差異，特別是在基于自旋回波（"SE")的序列中。類似地，特別是在超高 磁場(chǎng)下和/或在采用SE序列時(shí)，最大可實(shí)現(xiàn)的切片加速度因子可受功率沉積所限制。當(dāng)切 片數(shù)量和空間TR被保持相同時(shí)，多頻帶方法與常規(guī)的單切片激發(fā)相比不沉積更多功率，即 使峰值功率會(huì)隨MB因子呈二次地遞增；然而，通過(guò)MB因子加速導(dǎo)致功率沉積中的MB倍增 加，運(yùn)對(duì)可實(shí)現(xiàn)的加速度產(chǎn)生限制。
[0007] 運(yùn)些限制在臨床診斷中人體軀干及四肢的成像中也是最重要的。特別是，使用諸 如滿輪自旋回波（也稱為快速自旋回波及相關(guān)衍生物）等序列的成像在用多頻帶方法實(shí)現(xiàn) 時(shí)會(huì)經(jīng)受功率沉積和Bl+不同質(zhì)性，其中所述序列是大腦、軀干及四肢成像中大量臨床掃 描的基礎(chǔ)。
[0008] 因此，會(huì)期望提供一種用于為多信道傳輸應(yīng)用、設(shè)計(jì)和提供多頻帶RF脈沖的方 法，其中所設(shè)計(jì)的多頻帶RF脈沖與當(dāng)前可用的多信道、多頻帶RF技術(shù)相比已經(jīng)減少了Bl+ 不同質(zhì)性且降低了功率沉積（包括降低的全局SAR、降低的峰值局部SAR和/或降低的峰值 RF功率）。 發(fā)明概述
[0009] 本發(fā)明通過(guò)提供一種指示磁共振成像（"MRI")系統(tǒng)來(lái)生成多個(gè)多頻帶射頻 ("RF")脈沖的方法，克服了上述缺陷。該方法包括預(yù)計(jì)算階段，在此階段選擇對(duì)要被每一 個(gè)多頻帶RF脈沖所激發(fā)的切片數(shù)量進(jìn)行定義的多頻帶因子，確定要設(shè)計(jì)的多頻帶RF脈沖 的數(shù)量，W及確定要基于所選擇的多頻帶因子和所確定的多頻帶RF脈沖數(shù)目而激發(fā)的多 個(gè)板。該方法包括通過(guò)為多頻帶RF線圈中的每一個(gè)信道確定RF幅度調(diào)制數(shù)量和RF相位 調(diào)制數(shù)量來(lái)設(shè)計(jì)多頻帶RF脈沖。運(yùn)些值通過(guò)使包括復(fù)數(shù)值向量的原函數(shù)最小化來(lái)確定，所 述原函數(shù)包含每一個(gè)脈沖的RF脈沖幅度調(diào)制和RF脈沖相位調(diào)制。所述原函數(shù)還包含系統(tǒng) 矩陣，所述系統(tǒng)矩陣說(shuō)明多信道RF線圈中每一個(gè)信道的空間敏感度輪廓、多頻帶RF脈沖中 每一個(gè)激發(fā)頻帶的磁場(chǎng)圖、W及每一個(gè)多頻帶RF脈沖的磁場(chǎng)梯度數(shù)量。MRI系統(tǒng)針對(duì)使用 通過(guò)運(yùn)一最小化確定的RF幅度調(diào)制和RF相位調(diào)制來(lái)產(chǎn)生多頻帶RF脈沖。
[0010] 本發(fā)明另一方面是提供一種指示磁共振成像（"MRI")系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生多頻帶射頻 ("RF")脈沖的方法。該方法包括通過(guò)為多頻帶RF線圈中的每一個(gè)信道確定RF幅度調(diào)制 和RF相位調(diào)制來(lái)設(shè)計(jì)多頻帶RF脈沖。運(yùn)些值通過(guò)使包括復(fù)數(shù)值向量的原函數(shù)最小化來(lái)確 定，所述原函數(shù)包含RF脈沖幅度調(diào)制和RF相位調(diào)制。所述原函數(shù)還包含系統(tǒng)矩陣，所述系 統(tǒng)矩陣說(shuō)明多信道RF線圈中每一個(gè)信道的空間敏感度輪廓W及多頻帶RF脈沖中每一個(gè)激 發(fā)頻帶的磁場(chǎng)圖。MRI系統(tǒng)針對(duì)使用通過(guò)運(yùn)一最小化確定的RF幅度調(diào)制和RF相位調(diào)制來(lái) 產(chǎn)生多頻帶RF脈沖。
[0011] 本發(fā)明的W上及其他方面和優(yōu)點(diǎn)將從W下說(shuō)明書中顯而易見(jiàn)。在說(shuō)明書中，參考 形成說(shuō)明書一部分的附圖，其中通過(guò)圖示示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，運(yùn)種實(shí)施例不必 要表示本發(fā)明的完全范圍，因此參考權(quán)利要求書且在此解釋本發(fā)明的范圍。 附圖簡(jiǎn)述
[001引圖IA是用于激發(fā)兩個(gè)板化Iab=。的一個(gè)多頻帶（"MB")射頻（"RF")脈沖化 =1)的板指示的示例；
[001引圖IB示出W下板指示的示例：用于激發(fā)S個(gè)板化Iab=如的一個(gè)MBRF脈沖化 =I)、用于激發(fā)四個(gè)板（Ndgb= 4)的兩個(gè)MBRF脈沖化=。、用于激發(fā)六個(gè)板（Ndgb= 6) 的兩個(gè)MBRF脈沖化=。、用于激發(fā)六個(gè)板（Ndgb= 6)的立個(gè)MBRF脈沖化=如、W及 用于激發(fā)九個(gè)板（Ndgb= 9)的S個(gè)MBRF脈沖化=3);
[0014] 圖2A和2B示出用于激發(fā)四個(gè)板化Iab= 4)的兩個(gè)MBRF脈沖化=。的不同板 指示，其中板位置未空間交織；
[0015] 圖3A和3B描述了板內(nèi)的切片位置的示例；
[001引圖4是磁共振成像（"MRI")系統(tǒng)的示例的框圖擬及
[0017]圖5是射頻（"RF")系統(tǒng)的示例的框圖，所述射頻系統(tǒng)形成圖4的MRI系統(tǒng)的一 部分并且包括多信道發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。 發(fā)明的詳細(xì)描述
[001引提供了一種用于多信道發(fā)射（"pTx")多頻帶（"MB")脈沖設(shè)計(jì)的方法，所述方法 解決了發(fā)射Bl("BI+")不同質(zhì)性和RF功率沉積的上述問(wèn)題。所述方法能夠產(chǎn)生pTxMB 脈沖設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)能同時(shí)在多個(gè)離散切片中提供顯著改進(jìn)的BI+同質(zhì)化而無(wú)需使用相對(duì)于 單信道圓極化（"CP")模式應(yīng)用較高的RF功率。脈沖設(shè)計(jì)也能夠?qū)崿F(xiàn)功率沉積的節(jié)約。 因此，本發(fā)明能夠改進(jìn)Bl同質(zhì)性而得到改進(jìn)的SNR和對(duì)比噪聲比（"CNR")，而同時(shí)減少目 標(biāo)功率沉積，運(yùn)可W包括全局SAR、峰值局部SAR和/或峰值RF功率。
[0019] 通常，在多信道MB激發(fā)中可W采用兩種策略來(lái)查找基礎(chǔ)RF脈沖的射頻（"RF") 大小和相位調(diào)制（即，RF填充值）W便減輕Bl+不同質(zhì)性。一種策略，在此稱為頻帶聯(lián)合 設(shè)計(jì)，是為全部M個(gè)單頻帶（"SB")脈沖獲得一組公共的信道專用RF填充值，所述全部M 個(gè)單頻帶脈沖被組合W同時(shí)激發(fā)M個(gè)切片。該解決方案可W使用攜帶MB脈沖形狀的單個(gè) 信道發(fā)射機(jī)來(lái)應(yīng)用，所述所述MB脈沖形狀然后被分成多個(gè)不同信道并且經(jīng)受信道專用的 相位和幅度變化。在該方法中，MB脈沖的M個(gè)SB脈沖中的每一個(gè)SB脈沖經(jīng)歷相同的信道 專用相位和幅度變化。另一種策略，在此稱為頻帶專用設(shè)計(jì)，是為多信道發(fā)射機(jī)的每一個(gè)信 道計(jì)算用于M個(gè)SB脈沖的每一個(gè)SB脈沖的一組不同的填充值。W下將依次討論運(yùn)些方法 的每一種。
[0020]在針對(duì)均勻激發(fā)（旨P，均勻IBl+1)的頻帶聯(lián)合方法中，M-頻帶Q-信道激發(fā)的RF 填充值可W通過(guò)求解W下幅值最小平方問(wèn)題來(lái)獲得：
(1);
[00川其中
[002引W及 (2);
o)。
[0023] 在公式（I) - (3)中，A是組合的復(fù)數(shù)值矩陣，其中4">=1，2，...，1)是包括第111 個(gè)頻帶的個(gè)別信道的Bl+空間敏感度輪廓和AB。圖的系統(tǒng)矩陣;W是復(fù)數(shù)值向量，其中Wq(q =1，2，...，曲是第q個(gè)信道的RF填充值；d是表示期望的橫向磁化的標(biāo)量；W及A是正 則化參數(shù)。
[0024] 在頻帶專用的方法中，可W求解：
(4) I
[00幼其中
(5) ;
[002引 W及
(6) 。
[0027] 在公式（4) - (6)中，Af…是塊對(duì)角矩陣，其中Am是對(duì)角元素矩陣，而Wf…是級(jí)聯(lián) 向量，其中Wm(m= 1，2,...，M)是第m個(gè)頻帶的個(gè)別信道的RF填充值的向量。
[0028] 值得注意，構(gòu)成最終加總MB脈沖的M個(gè)基礎(chǔ)RF脈沖隨著引入的時(shí)間而具有不同 的相位演化（即，不同斜率的線性相位坡度）W便定向同時(shí)激發(fā)的M個(gè)切片的每一個(gè)切片 的頻移。因此，根據(jù)Parseval的理論，給定時(shí)間段內(nèi)的功率沉積由所采集的切片數(shù)量來(lái)確 定，無(wú)論切片是使用MB方法還是使用常規(guī)的單切片激發(fā)過(guò)程來(lái)采集。結(jié)果，
項(xiàng)的使 用是對(duì)于頻帶專用pTxMB脈沖設(shè)計(jì)中的總RF功率的最優(yōu)約束條件。類似地，W下項(xiàng)可用 作全局SAR的最優(yōu)約束條