磁共振cest成像频率漂移校正方法、装置、介质及成像设备
阅读说明：本技术 磁共振cest成像频率漂移校正方法、装置、介质及成像设备 (Magnetic resonance CEST imaging frequency drift correction method, device, medium and imaging equipment ) 是由 张祎 刘瑞斌 张洪锡 徐义程 孙毅 吴丹 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种磁共振CEST成像频率漂移校正方法、装置、介质及成像设备。方法步骤如下：首先,在频率漂移校正模块中,利用小翻转角射频脉冲激发目标层面,采集单行自由感应衰减信号或者两行非相位编码梯度回波信号。其次,根据单行自由感应衰减信号或者两行非相位编码梯度回波信号的相位信息和采集时间,可分别算得主磁场频率漂移值。然后,根据主磁场频率漂移计算值实时调整磁共振设备的中心频率,实现主磁场频率漂移的实时校正。最后,再进行CEST成像。本发明针对磁共振CEST成像中的主磁场频率漂移问题,提出了基于采集自由感应衰减信号或非相位编码梯度回波信号的频率漂移校正模块对频率漂移进行实时校正,进而提高磁共振CEST成像的鲁棒性及可重复性。(The invention discloses a magnetic resonance CEST imaging frequency drift correction method, a magnetic resonance CEST imaging frequency drift correction device, a magnetic resonance CEST imaging frequency drift correction medium and imaging equipment. The method comprises the following steps: firstly, in a frequency drift correction module, a small flip angle radio frequency pulse is utilized to excite a target layer, and a single-line free induction attenuation signal or two-line non-phase encoding gradient echo signals are acquired. And secondly, respectively calculating a main magnetic field frequency drift value according to the phase information and acquisition time of the single-row free induction attenuation signal or the two-row non-phase encoding gradient echo signal. And then, adjusting the central frequency of the magnetic resonance equipment in real time according to the main magnetic field frequency drift calculation value, and realizing the real-time correction of the main magnetic field frequency drift. Finally, CEST imaging is performed. Aiming at the problem of main magnetic field frequency drift in magnetic resonance CEST imaging, the invention provides a frequency drift correction module for correcting frequency drift in real time based on acquisition of a free induction decay signal or a non-phase encoding gradient echo signal, thereby improving the robustness and repeatability of the magnetic resonance CEST imaging.)
技术领域
本申请涉及磁共振技术领域，尤其涉及磁共振CEST成像频率漂移校正领域。
背景技术
磁共振CEST(Chemical Exchange Saturation Transfer)成像是一种新型的分子磁共振成像技术，相比于常规磁共振成像技术，该技术能够间接地探测到内源性低浓度代谢产物的空间分布，已在多种疾病中验证其临床应用价值。由于CEST成像受到直接水饱和等多种干扰效应的影响，临床上常采用非对称性磁化分析法(Magnetization TransferRatio Asymmetry Analysis,MTRasym)去除其他干扰效应以提出纯净的CEST效应。然而，MTRasym分析法对主磁场频率漂移非常敏感，主磁场频率漂移会导致MTRasym分析法对CEST效应造成明显的高估或者低估，进而影响磁共振CEST成像的鲁棒性及可重复性。尽管一些研究学者通过了一些后处理方法可以对主磁场频率漂移进行校正，但是后处理方法不能解决由于主磁场频率所导致的脂肪抑制效率降低的问题，造成CEST图像中出现较高的脂肪信号，降低了CEST图像的临床参考价值。而基于自由感应衰减信号或梯度回波信号的频率漂移校正模块的磁共振CEST成像序列不仅可以主磁场频率漂移的实时校正，还可以保证脂肪信号的有效抑制，从而提高磁共振CEST成像鲁棒性及可重复性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于自由感应衰减信号或梯度回波信号的频率漂移校正模块的磁共振CEST成像序列，实现主磁场频率漂移的实时校正，并保证脂肪信号的有效抑制，从而提高磁共振CEST成像鲁棒性及可重复性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
第一方面，本发明提供了一种磁共振CEST成像频率漂移校正方法，其包括以下步骤：
S1：控制CEST成像系统，使其以小于90°的翻转角发出射频脉冲激发目标层面；
S2：在所述射频脉冲发出后，采集单行自由感应衰减信号并执行S21，或者在两个不同时刻分别采集一行非相位编码梯度回波信号并执行S22；
S21：将采集的自由感应衰减信号划分为奇数行以及偶数行，再将该奇数行与偶数行的相位差除以采样周期，得到主磁场频率漂移值；
S22：将采集的两行非相位编码梯度回波信号的相位差除以两者的信号采集时间差，得到主磁场频率漂移值；
S3：根据得到的主磁场频率漂移值，实时调整磁共振设备的中心频率。
作为优选，所述S21中主磁场频率漂移值的计算方法为：
对所述单行自由感应衰减信号进行划分，将信号中的奇数采样点数据作为奇数行，偶数采样点数据作为偶数行；计算奇数行与偶数行中对应采样点相位差的代表数，作为奇数行与偶数行的行间相位差，再通过该行间相位差与采样周期计算得到主磁场频率漂移值；所述的代表数包括算数平均数、中位数；
进一步的，所述主磁场频率漂移值Δf的计算公式为：
其中ΔT为所述自由感应衰减信号的采样周期；为奇数行与偶数行的行间相位差，计算公式为：
其中为奇数行的第i个数据采样点与偶数行的第i个数据采样点间的相位差，n为偶数行或奇数行信号中的采样点数。
作为优选，所述S22中主磁场频率漂移值的计算方法为：
计算两行非相位编码梯度回波信号中对应采样点相位差的代表数，作为两行非相位编码梯度回波信号的行间相位差，再通过该行间相位差与两行非相位编码梯度回波信号的采样时间间隔计算得到主磁场频率漂移值；
进一步的，主磁场频率漂移值Δf的计算公式为：
其中ΔTE2-1为两行非相位编码梯度回波信号的采样时间间隔；为两行非相位编码梯度回波信号的行间相位差，计算公式为：
其中为两行非相位编码梯度回波信号中各自的第i个数据采样点间的相位差，n为每行非相位编码梯度回波信号的采样点数。
作为优选，所述S1中翻转角小于10°。
第二方面，本发明提供了一种磁共振CEST成像频率漂移校正装置，其包括频率漂移校正模块，所述的频率漂移校正模块用于执行S1～S3；
S1：控制CEST成像系统，使其以小于90°的翻转角发出射频脉冲激发目标层面；
S2：在所述射频脉冲发出后，采集单行自由感应衰减信号并执行S21，或者在两个不同时刻分别采集一行非相位编码梯度回波信号并执行S22；
S21：将采集的自由感应衰减信号划分为奇数行以及偶数行，再将该奇数行与偶数行的相位差除以采样周期，得到主磁场频率漂移值；
S22：将采集的两行非相位编码梯度回波信号的相位差除以两者的信号采集时间差，得到主磁场频率漂移值；
S3：根据得到的主磁场频率漂移值，实时调整磁共振设备的中心频率。
作为优选，所述S21中主磁场频率漂移值的计算方法为：
对所述单行自由感应衰减信号进行划分，将信号中的奇数采样点数据作为奇数行，偶数采样点数据作为偶数行；计算奇数行与偶数行中对应采样点相位差的代表数，作为奇数行与偶数行的行间相位差，再通过该行间相位差与采样周期计算得到主磁场频率漂移值；所述的代表数包括算数平均数、中位数；
进一步的，所述主磁场频率漂移值Δf的计算公式为：
其中ΔT为所述自由感应衰减信号的采样周期；为奇数行与偶数行的行间相位差，计算公式为：
其中为奇数行的第i个数据采样点与偶数行的第i个数据采样点间的相位差，n为偶数行或奇数行信号中的采样点数。
作为优选，所述S22中主磁场频率漂移值的计算方法为：
计算两行非相位编码梯度回波信号中对应采样点相位差的代表数，作为两行非相位编码梯度回波信号的行间相位差，再通过该行间相位差与两行非相位编码梯度回波信号的采样时间间隔计算得到主磁场频率漂移值；
进一步的，主磁场频率漂移值Δf的计算公式为：
其中ΔTE2-1为两行非相位编码梯度回波信号的采样时间间隔；为两行非相位编码梯度回波信号的行间相位差，计算公式为：
其中为两行非相位编码梯度回波信号中各自的第i个数据采样点间的相位差，n为每行非相位编码梯度回波信号的采样点数。
作为优选，所述S1中翻转角小于10°。
第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述第一方面中任一项方案所述的磁共振CEST成像频率漂移校正方法。
第四方面，本发明提供了一种磁共振成像设备，其包括磁共振扫描器以及控制单元，所述控制单元中存储有计算机程序，当所述计算机程序被执行时，用于实现上述第一方面中任一项方案所述的磁共振CEST成像频率漂移校正方法；磁共振扫描器根据校正后的中心频率进行磁共振CEST成像。
本发明中，磁共振扫描器是指能够实现磁共振扫描成像的成套设备。磁共振CEST成像可采用常规的磁共振CEST成像，常规磁共振CEST成像序列通常包括CEST饱和、频谱预饱和反转恢复压脂、快速自旋回波采集三个模块。
相对于现有技术，本发明具有以下良好效果：本发明在频率漂移校正模块中采集单行自由感应衰减信号或两行非相位编码梯度回波信号，并计算自由感应衰减信号奇数部分与偶数部分相位差或两行非相位编码梯度回波信号行间相位差，再将相位差与时间差相除即可得到主磁场频率漂移值。然后，再根据主磁场频率漂移值实时调整磁共振设备的中心频率，不仅能够实时校正主磁场频率漂移，还可以保证有效抑制脂肪信号，从而提高磁共振CEST成像的鲁棒性及可重复性，为后续对CEST图像的定量分析的可靠性提供了保障，提升磁共振CEST成像的临床应用价值。
附图说明
图1是基于采集自由感应衰减信号的频率漂移校正模块的磁共振CEST成像序列框图。
图2是基于采集梯度回波信号的频率漂移校正模块的磁共振CEST成像序列框图。
图3是分别用基于采集自由感应衰减信号的频率漂移校正模块的磁共振CEST成像序列与未施加频率漂移校正模块的常规磁共振CEST成像序列在水模扫描实验中CEST图像对比。
图4是分别用基于采集自由感应衰减信号的频率漂移校正模块的磁共振CEST成像序列与未施加频率漂移校正模块的常规磁共振CEST成像序列在人脑大脑扫描实验中CEST图像对比。
图5是分别用基于采集自由感应衰减信号的频率漂移校正模块的磁共振CEST成像序列与未施加频率漂移校正模块的常规磁共振CEST成像序列在人类大脑扫描实验中所得CEST图像上感兴趣区域的CEST均值对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
本发明的一较佳实施例中，提供了一种磁共振CEST成像频率漂移校正方法，该校正方法可应用于传统的磁共振CEST成像系统中，在进行CEST成像成像之前对系统的主磁场频率漂移进行实时校正。该方法的具体步骤如下：
S1：首先，向CEST成像系统发出控制指令控制，使其以小于90°(优选小于10°)的翻转角发出射频脉冲激发目标层面；
S2：在射频脉冲发出后，立即对其感应信号进行采集，其中本发明可以采集两种不同的信号并各自利用特定的方法计算主磁场频率漂移值。下面对两种方法进行分别描述。
第一种方法为在射频脉冲发出后立即采集单行自由感应衰减信号。参见图1所示，单行自由感应衰减信号的采集时间记为t0时刻。然后，将采集的自由感应衰减信号划分为奇数行以及偶数行，再将该奇数行与偶数行的相位差除以采样周期，得到主磁场频率漂移值。
需说明的是，采集的自由感应衰减信号实际是具有时序的离散点数据，因此所述的奇数行和偶数行，实际是对这些离散点数据按其排序为奇数和偶数进行划分的。也就是说，其具体做法为：将信号中的奇数采样点数据提取作为奇数行，偶数采样点数据提取作为偶数行，由此可以将单行信号划分为两行信号。
另外，两行信号之间的相位差也是利用其采样点数据进行计算的。本发明中的计算奇数行与偶数行中对应采样点相位差的代表数，作为奇数行与偶数行的行间相位差，再通过该行间相位差与采样周期计算得到主磁场频率漂移值。特别说明的是，本发明中所说的代表数，意思是统计学上能够代表样本平均水平的指标，包括但不限于算数平均数、中位数等。而且其计算样本的代表数时，可以选择全部样本中的采样点，也可以对其进行抽样后利用抽样样本进行计算。但从便于方法实现的角度来说，本发明推荐采用全部采样点的算数平均数作为代表数。因此，主磁场频率漂移值Δf的计算公式为：
其中ΔT为自由感应衰减信号的采样周期，也就是两个相邻采样点之间的采样时间间隔；为奇数行与偶数行的行间相位差，其采用全部采样点的算数平均数计算，公式为：
其中为奇数行的第i个数据采样点与偶数行的第i个数据采样点间的相位差，n为偶数行或奇数行信号中的采样点数。
第二种方法为在射频脉冲发出后立即在两个不同时刻分别采集一行非相位编码梯度回波信号。参见图2所示，两个信号采集时刻分别记为t1和t2。然后，将采集的两行非相位编码梯度回波信号的相位差除以两行非相位编码梯度回波信号的信号采集时间差，得到主磁场频率漂移值。
与前一种方法类似，非相位编码梯度回波信号也是具有时序的离散点数据，因此两行信号的相位差也需要计算两行非相位编码梯度回波信号中对应采样点相位差的代表数，作为两行非相位编码梯度回波信号的行间相位差，再通过该行间相位差与两行非相位编码梯度回波信号的采样时间间隔计算得到主磁场频率漂移值。同样的，此处的代表数也包括但不限于算数平均数、中位数等。从便于方法实现的角度来说，本发明推荐采用全部采样点的算数平均数作为代表数。因此，主磁场频率漂移值Δf的计算公式为：
其中ΔTE2-1为两行非相位编码梯度回波信号的采样时间间隔，即ΔTE2-1＝t2-t1；为两行非相位编码梯度回波信号的行间相位差，其采用全部采样点的算数平均数计算，公式为：
其中为两行非相位编码梯度回波信号中各自的第i个数据采样点间的相位差， 为第2行非相位编码梯度回波信号中第i个数据采样点间的相位，为第1行非相位编码梯度回波信号中第i个数据采样点间的相位；n为每行非相位编码梯度回波信号的采样点数。
S3：根据上述两种方法中的任意一种得到主磁场频率漂移值后，即可根据该漂移值实时调整磁共振CEST成像的射频脉冲及数据采集器的中心频率。后续可根据调整后的射频脉冲中心频率进行常规的磁共振CEST成像。
由此，本发明提供了一种基于采集自由感应衰减信号或梯度回波信号的频率漂移校正方法，它不仅可以实现主磁场频率漂移的实时校正，而且还可以保证脂肪信号的有效抑制，从而提高磁共振CEST成像鲁棒性及可重复性。此处的磁共振CEST成像可采用常规的磁共振CEST成像，由于非本发明重点，因此略作简单介绍。常规磁共振CEST成像序列包括CEST饱和、频谱预饱和反转恢复压脂、快速自旋回波采集三个模块：
(1)CEST饱和模块：该模块包含四个矩形饱和脉冲，每个饱和脉冲后面施加一个损毁梯度；
(2)频谱预饱和反转恢复压脂模块：该模块包含一个翻转角大于90度的射频脉冲，射频脉冲之后在层选方向、相位编码方向、频率编码方向分别施加一个损毁梯度；
(3)快速自旋回波采集模块：该模块主要包含一个90°射频激发脉冲与多个180°重聚焦脉冲，并在施加射频激发脉冲与重聚焦脉冲的同时施加层面选择编码梯度，每个180°重聚焦脉冲后紧随相位编码梯度以及频率编码梯度，并在施加频率编码梯度的时候利用模拟数字转换器进行数据采集。
与上述频率漂移校正方法对应的，还可以提供一种基于采集自由感应衰减信号或梯度回波信号的磁共振CEST成像频率漂移校正方法，装置中包括频率漂移校正模块。其中频率漂移校正模块用于执行S1～S3(具体如前所述，不再赘述)，完成主磁场频率漂移实时校正并保证有效抑制脂肪信号。而完成主磁场频率漂移实时校正后，即可由CEST成像系统负责根据调整后的射频脉冲中心频率进行常规的磁共振CEST成像。
本领域的技术人员应当知道，本发明中所涉及的各模块、功能可以通过电路、其他硬件或者可执行的程序代码来完成，只要能够实现相应功能即可。若采用代码，则代码可存储于存储装置中，并有计算装置中的相应元件执行。本发明的实现便不限制于任何特定的硬件和软件结合。本发明中的各硬件型号均可采用市售产品，可根据实际用户需求进行选择。当然，磁共振CEST成像序列及装置中，也需要配合必要的其他硬件或软件，此处不再赘述。
在一优选实施例中，上述S1～S3的频率漂移校正方法，可以以软件程序的形式存储与计算机可读存储介质。当计算机程序被处理器调用并执行时，可以按照S1～S3的步骤实现磁共振CEST成像频率漂移校正。
计算机可读存储介质一般以存储器硬件形式提供，存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。
上述处理程序的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
当然，随着云服务器的广泛应用，上述软件程序也可以搭载于云平台上，提供相应的服务，因此计算机可读存储介质并不限于本地硬件的形式。
在另一优选实施例中，可以将上述S1～S3的频率漂移校正方法，可以以频率校正程序的形式集成于磁共振成像设备的控制单元中。磁共振成像设备应当包括常规的磁共振扫描器以及控制单元，控制单元中除了存储有上述频率校正程序之外，还应当具有实现CEST成像所必要的成像序列以及其他软件程序。在利用该磁共振成像设备进行成像之前，需要先执行率校正程序，校正磁共振成像设备的中心频率，然后再调用CEST成像序列，由磁共振扫描器根据校正后的中心频率进行磁共振CEST成像。磁共振扫描器可采用现有技术实现，属于成熟商用产品，不再赘述。上述频率校正程序也可以直接集成于磁共振扫描器的控制系统中，无需额外设置控制单元。
下面基于上述方法结合实施例展示其具体的技术效果，以便本领域技术人员更好地理解本发明的实质。
实施例：
将上述一种基于采集自由感应衰减信号或梯度回波信号的频率漂移校正模块的磁共振CEST成像序列与未施加频率漂移校正模块的常规磁共振CEST成像序列分别在水模和15例被试大脑的磁共振CEST成像实验中进行了对比测试。具体做法参见上述S1～S3，此处不再赘述，下面仅介绍此处的具体参数。在本实施例中，用翻转角为3度的射频脉冲激发目标层面，分别在在t0＝6.98ms时刻采集单行自由感应衰减信号(如图1所示)或者在t1＝2.52ms,t2＝8.33ms两个时刻分别采集两行非相位编码梯度回波信号(如图2所)，每行自由感应衰减信号或非相位编码梯度回波信号采样点数为n＝128。
本实施例中，常规磁共振CEST成像序列的三个模块具体如下：
(1)CEST饱和模块：该模块包含四个矩形饱和脉冲，饱和脉冲持续时间为200ms，幅度为2uT，饱和脉冲后面施加一个损毁梯度，损毁梯度的持续时间为5ms，幅度为15mT/m；
(2)频谱预报和反转恢复压脂模块：该模块包含一个翻转角为110度的射频脉冲，射频脉冲之后在层选方向、相位编码方向、频率编码方向分别施加一个损毁梯度，损毁梯度持续时间为3.5ms，幅度为8mT/m；
(3)快速自旋回波采集模块：该模块主要包含一个90°射频激发脉冲与42个180°重聚焦脉冲，并在施加射频激发脉冲与重聚焦脉冲的同时施加层面选择编码梯度，每个180°重聚焦脉冲后紧随相位编码梯度以及频率编码梯度，并在施加频率编码梯度的时候利用模拟数字转换器进行数据采集。
本实施例中基于采集自由感应衰减信号的频率漂移校正模块的磁共振CEST成像序列与未施加频率漂移校正模块的常规磁共振CEST成像序列对比实验结果如附图3、附图4、附图5所示：
由附图3、附图4可以看到，无论是在水模还是在健康的被试大脑磁共振CEST成像实验中，主磁场频率漂移导致未施加频率漂移校正模块的常规磁共振CEST序列所得CEST图像存在较大的图像伪影；而基于采集自由感应衰减信号的频率漂移校正模块的磁共振CEST成像序列能够实时校正主磁场频率漂移，所得CEST图像相对稳定，说明了本发明的有效性。
由附图5可以看到，未施加频率漂移校正模块的常规磁共振CEST序列所得CEST图像上感兴趣区域的CEST均值发生剧烈起伏，而基于采集自由感应衰减信号的频率漂移校正模块的磁共振CEST成像序列所得CEST均值几乎不变，进一步证明了本发明的有效性。
需要指出的是，基于采集梯度回波信号的频率漂移校正模块的磁共振CEST成像序列与基于采集自由感应衰减信号的频率漂移校正模块的磁共振CEST成像序列的测试结果从理论上来说是一致的，因此，该实例中仅展示基于采集自由感应衰减信号的频率漂移校正模块的磁共振CEST成像序列结果，以证明本发明中所涉及的两个方案都具备有效性。
并且，以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。