阅读说明：本技术 用于使用并行发射射频线圈阵列的同时多切片磁共振指纹成像的系统和方法 (System and method for simultaneous multi-slice magnetic resonance fingerprint imaging using parallel transmit radio frequency coil arrays ) 是由 B·B·梅达 S·科波 M·特威格 M·A·格里斯沃尔德 于 2018-04-06 设计创作，主要内容包括：提供了用于从一个或多个共振物种采集成像数据的系统和方法,该共振物种在多个不同的切片中同时产生单独的磁共振信号。通过使用pTX RF线圈阵列同时激励多个不同的切片采集数据,使得该多个不同的切片中的至少一些通过从pTX RF线圈阵列中的发射通道的子集发射RF能量来激励。该方法还包括将数据与信号演化的字典进行比较,以至少部分地基于将数据与存储在字典中的一组已知信号演化进行匹配确定该共振物种的两个或更多个参数的定量值。该方法包括至少部分地在定量值上为多个不同的切片的位置中的每一个产生图像。(Systems and methods are provided for acquiring imaging data from one or more resonant species that simultaneously generate separate magnetic resonance signals in a plurality of different slices. Data is acquired by simultaneously exciting a plurality of different slices using the pTX RF coil array such that at least some of the plurality of different slices are excited by transmitting RF energy from a subset of transmit channels in the pTX RF coil array. The method also includes comparing the data to a dictionary of signal evolutions to determine quantitative values for two or more parameters of the resonant species based at least in part on matching the data to a set of known signal evolutions stored in the dictionary. The method includes generating an image at least partially quantitatively for each of a plurality of different slice locations.)

用于使用并行发射射频线圈阵列的同时多切片磁共振指纹成 像的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请基于下列申请并要求下列申请的优先权：于2017年4月7日提交的题为“使用并行发射射频线圈阵列的同时多切片磁共振指纹成像(SIMULTANEOUS MULTI-SLICEMAGNETIC RESONANCE FINGERPRINTING IMAGING USING A PARALLEL TRANSMIT RADIOFREQUENCY COIL ARRAY)”的美国临时专利申请No.62/482,752，出于所有目的该申请的全部内容通过引用结合在此。

关于联邦资助研究的说明

本发明是在美国国立卫生研究院授予的EB016728和EB017219的政府支持下完成的。政府具有本发明中的某些权利。

背景技术

使用核磁共振(“NMR”)表征组织物种可以包括标识共振物种的不同性质(例如，T1自旋-晶格弛豫、T2自旋-自旋弛豫、质子密度)。其他性质(例如组织类型和属性的叠加)也可以使用NMR信号进行标识。这些性质和其他性质可以使用磁共振指纹(“MRF”)同时进行标识，例如，D.Ma等人在“磁共振指纹(Magnetic Resonance Fingerprinting)”(《自然》，2013年，495(7440)：第187-192页)中描述的。

常规的磁共振成像(“MRI”)脉冲序列包括重复性相似的准备阶段、等待阶段和采集阶段，这些阶段连续产生可从其制成图像的信号。准备阶段确定何时采集信号并确定所采集的信号的性质。例如，第一脉冲序列可以在第一回波时间(“TE”)产生T1-加权的信号，而第二脉冲序列可以在第二TE处产生T2-加权的信号。这些常规的脉冲序列通常提供定性结果，其中利用突出特定参数(例如，T1弛豫、T2弛豫)的各种加权或对比度来采集数据。

当生成磁共振(“MR”)图像时，放射医师和/或外科医生可以查看这些图像，他们会针对特定疾病特征解释定性图像。放射医师可以检查在多个成像平面中采集的多种图像类型(例如，T1-加权、T2-加权)以作出诊断。检查定性图像的放射医师或其他个体可能需要特定技能以能够评估会话之间、机器之间、以及机器配置之间的变化。

与常规的MRI不同，MRF采用一系列变化的序列块，这些序列块同时在射频(“RF”)被施加至的不同共振物种(例如，组织)中产生不同的信号演化。然而，来自不同的共振组织的信号将是不同的且可以使用MRF进行区分。可以在一段时间内收集不同的信号以标识该体积的信号演化。然后，通过将该信号演化与已知演化进行比较可以表征体积中的共振物种。表征共振物种可以包括标识材料或组织类型，或可以包括标识与共振物种相关联的MR参数。例如，“已知”演化可以是根据物理原理和/或先前采集的演化计算的模拟演化。大量的已知演化可以被存储在字典中。

发明内容

本公开提供了用于使用并行发射(pTX)阵列执行同时多切片(SMS)技术以执行MRF成像的系统和方法。更具体地，提供了系统和方法以通过使用MRF脉冲序列在时间上改变激励各种切片的发射通道以捕获多个切片的整个视场来使用MRF框架执行SMS。

根据本公开的一个方面，提供了一种方法，该方法包括a)在一系列可变序列块中利用磁共振成像(MRI)系统采集数据，该一系列可变序列块导致受试者体内一个或多个共振物种在多个不同的切片中同时产生单独的磁共振信号。该一系列可变序列块包括使用pTX RF线圈阵列同时激励该多个不同的切片，使得该多个不同的切片中的至少一些通过从pTX RF线圈阵列中的发射通道的子集发射RF能量来激励。该方法还包括将所采集的数据与信号演化的字典进行比较，以至少部分地基于将分离的磁共振数据与存储在字典中的一组已知信号演化进行匹配确定该共振物种的两个或更多个参数的定量值。该方法进一步包括至少部分地基于定量值产生描绘在切片的位置处的受试者的该多个不同的切片的位置中的每一个的图像。

根据本公开的另一个方面，提供一种系统，该系统包括磁体系统、多个梯度线圈、射频(RF)系统和计算机系统。磁体系统可以被配置为围绕布置在系统中的受试者的至少感兴趣的区域生成极化磁场。该多个梯度线圈可以被配置为将梯度场施加到极化磁场。RF系统可以包括pTX RF线圈阵列。RF系统可以被配置为将激励场施加到受试者并从ROI采集MR图像数据。计算机系统可以包括处理器和存储器。存储器可以具有存储在其上的指令，该指令在由处理器执行时，使处理器执行本文描述的方法。

本公开的前述以及其他的方面和优点将根据以下描述来呈现。在本说明书中，参照在此构成其一部分的附图，并且在附图中借助图示示出了优选实施例。然而，该实施例并不一定表示本发明的全部范围，并且因此参考权利要求书并在此用于解释本发明的范围。

附图说明

图1是可以实现本公开中描述的方法的示例磁共振成像(“MRI”)系统的框图。

图2是示出了根据本公开的方法的流程图。

图3是用于激励多个切片的不同区域以避免混叠的pTX阵列的使用的图示。

图4A是可以根据本公开描述的方法的一些实施例使用的示例脉冲序列；

图4B示出了根据本公开的一些实施例的改变序列参数的示例模式，包括在时间上改变用于激励多个切片中的不同切片的发射通道的子集。

具体实施方式

磁共振指纹(“MRF”)是基于被成像的受试者或对象的随机或伪随机测量促进组织或其他材料性质的映射的技术。特别地，可以将MRF概念化为采用一系列变化的“序列块”，这些序列块同时在RF被施加至的不同“谐振物种”中产生不同的信号演化。本文使用的术语“谐振物种”指的是可以使用NMR产生使之共振的材料，诸如水、脂肪、骨骼、肌肉、软组织等。通过说明的方式，当将射频(“RF”)能量施加到具有骨骼和肌肉组织两者的体积时，骨骼和肌肉组织都将产生核磁共振(“NMR”)信号；然而，“骨骼信号”表示第一共振物种，且“肌肉信号”表示第二共振物种，并且因此这两个信号将是不同的。可以在一段时间内同时收集来自不同物种的这些不同信号，以收集该体积的总体“信号演化”。

通过从一个重复时间(“TR”)周期到下一个重复时间(“TR”)周期改变采集参数来实现在MRF技术中获取的测量结果，其创建具有变化对比度的信号的时间序列。可以被改变的采集参数的示例包括翻转角度(“FA”)、RF脉冲相位、TR、回波时间(“TE”)和采样模式(诸如通过修改一个或多个读数编码梯度)。采集参数以随机方式、伪随机方式或其他方式被改变，这导致来自不同材料或组织的信号在空间上不连贯、在时间上不连贯、或两者兼而有之。例如，在一些实例中，可以根据非随机或非伪随机模式来改变采集参数，否则将导致来自不同材料或组织的信号在空间上不连贯、在时间上不连贯、或两者兼而有之。

根据这些测量结果(如上文所述，这些测量结果可以是随机的或伪随机的、或者可以包含来自不同材料或组织的空间上不连贯、时间上不连贯、或二者兼而有之的信号)，可以设计MRF过程以映射各种参数中的任何参数。可以映射的此类参数的示例可以包括但不限于纵向弛豫时间(T₁)、横向弛豫时间(T₂)、主磁场或静磁场图(B₀)和质子密度(ρ)。MRF在美国专利No.8,723,518和公开的美国专利申请No.2015/0301141中大致描述，两篇文献全部内容通过引用并入本文。

将利用MRF技术采集的数据与信号模型或模板的字典进行比较，这些信号模型或模板是针对不同采集参数从磁共振信号模型(诸如基于布洛赫(Bloch)方程的物理模拟)生成的。该比较允许物理参数(诸如上文所提到的那些)的估计。作为示例，可以使用任何合适的匹配或模式识别技术来执行所采集的信号与字典的比较。在给定体素中的组织或其他材料的参数被估计为提供最佳信号匹配的值。例如，所采集的数据与字典的比较可以导致从字典中选择与观察到的信号演化最好地对应的信号向量，该信号向量可以构成信号向量的加权组合。所选定的信号向量包括用于多个不同的定量参数的值，可以从所选定的信号向量中提取这些值并将其用于生成相关的定量参数图。

从参考信号演化导出的所存储的信号和信息可以与潜在的非常大的数据空间相关联。用于信号演化的数据空间可以由下式部分地描述：

其中，SE是信号演化；N_S是自旋数；N_A是序列块的数量；N_RF是序列块中RF脉冲的数量；α是翻转角度；φ是相位角度；R_i(α)是由于失谐引起的旋转；

是由于RF差异引起的旋转；R(G)是由于磁场梯度引起的旋转；T₁是纵向或自旋-晶格弛豫时间；T₂是横向或自旋-自旋弛豫时间；D是扩散弛豫；E_i(T₁,T₂,D)是由于弛豫差异引起的信号衰减；且M₀是当置于主磁场中时自旋与之对准的默认或自然对准中的磁化强度。

尽管以示例的形式提供E_i(T₁,T₂,D)，但是在不同情况下，衰减项E_i(T₁,T₂,D)还可以包括附加项，E_i(T₁,T₂,D,...)，或者可以包括更少的项，诸如通过不包括扩散弛豫，作为E_i(T₁,T₂)或E_i(T₁,T₂,...)。而且，“j”上的和可由“j”上的乘积替换。

字典可以存储由下式描述的信号，

S_i＝R_iE_i(S_i-1) (2)；

其中，S₀是默认或平衡的磁化强度；S_i是表示在第i^th个采集块期间的磁化强度不同分量M_x、M_y和M_z的向量；R_i是在第i^th个采集块期间发生的旋转效果的组合；且E_i是在第i^th个采集块的不同状态下改变磁化强度的量的效果的组合。在这种情况下，第i^th个采集块处的信号是采集块(即，第(i-1)^th个采集块)先前的信号的函数。附加地或替代地，字典可以将信号存储为当前的弛豫和旋转效果以及先前的采集的函数。附加地或替代地，字典可以存储信号使得体素具有多个共振物种或自旋，并且对于体素内的每一个自旋，效果可以是不同的。更进一步，字典可以存储信号使得体素可以具有多个共振物种或自旋，并且对于体素内的自旋，效果可以是不同的，并且因此信号可以是效果和先前的采集块的函数。

如将描述的，本公开提供了一种用于使用并行发射(pTX)RF线圈阵列的同时多切片(SMS)MRF成像的MRF框架。也就是说，提供了系统和方法以通过使用MRF脉冲序列在时间上改变激励各种切片的发射通道以捕获多个切片的整个视场来使用MRF框架执行SMS。

现在特别参考图1，示出了可以实现这里描述的方法的MRI系统100的示例。MRI系统100包括操作者工作站102，该操作者工作站102可以包括显示器104、一个或多个输入设备106(例如，键盘、鼠标)、以及处理器108。处理器108可以包括运行可商购的操作系统的可商购的可编程机器。操作者工作站102提供了促进将扫描参数输入到MRI系统100中的操作者界面。操作者工作站102可以被耦合到不同的服务器，包括，例如，脉冲序列服务器110、数据采集服务器112、数据处理服务器114、以及数据存储服务器116。操作者工作站102和服务器110、112、114和116可以经由通信系统140连接，通信系统140可以包括有线或无线网络连接。

响应于由操作者工作站102提供的指令，脉冲序列服务器110用于操作梯度系统118和射频(“RF”)系统120。产生用于执行指定的扫描的梯度波形并将其应用于梯度系统118，该梯度系统118随后激励组件122中的梯度线圈以产生磁场梯度G_x、G_y和G_z，这些磁场梯度被用于在空间上编码磁共振信号。梯度线圈组件122形成包括极化磁体126和全身RF线圈128的磁体组件124的部分。

由RF系统120对RF线圈128或单独的局部线圈施加RF波形，以执行指定的磁共振脉冲序列。由RF系统120接收由RF线圈128或单独的局部线圈检测到的响应性磁共振信号。响应性磁共振信号可以在由脉冲序列服务器110产生的命令的指导下被放大、解调、滤波和数字化。RF系统120包括用于产生用于MRI脉冲序列的多种RF脉冲的RF发射器。RF发射器响应于来自脉冲序列服务器110的指定的扫描和指导以产生期望的频率、相位和脉冲幅度波形的RF脉冲。所生成的RF脉冲可被施加到全身RF线圈128或被施加到一个或多个局部线圈或线圈阵列。

RF系统120还包括一个或多个RF接收器通道。RF接收器通道包括RF前置放大器，该RF前置放大器放大由与其连接的线圈128所接收的磁共振信号；以及检测器，该检测器检测并数字化所接收的磁共振信号的I和Q正交分量。因此，可以在采样点通过I和Q分量平方和的平方根确定所接收的磁共振信号的幅度：

且还可以根据以下关系来确定所接收的磁共振信号的相位：

RF系统120还可以包括产生指定的RF激励场的一个或多个RF发射通道。该RF激励场的基频或载波频率是在频率合成器的控制下产生的，该频率合成器从脉冲序列服务器110接收一组信号(例如，数字信号)。这些信号指示RF载波信号的频率和相位。将RF载波施加到调制器和上变频器，其中RF载波的幅度响应于信号R(t)(同样从脉冲序列服务器110接收)而被调制。信号R(t)定义了要产生的RF激励脉冲的包络。例如，RF激励脉冲的幅度由激励器衰减器电路衰减，该激励器衰减器电路从脉冲序列服务器110接收数字命令。然后，经衰减的RF激励脉冲被施加到驱动pTX RF线圈阵列的功率放大器。

脉冲序列服务器110可以从生理学采集控制器130接收患者数据。举例来说，生理学采集控制器130可以从连接到患者的多个不同的传感器接收信号，包括来自电极的心电图仪(“ECG”)信号，或来自呼吸风箱或其他呼吸监测装置的呼吸信号。脉冲序列服务器110可以使用这些信号以使扫描的表现与受试者的心跳或呼吸同步或“门控”。

脉冲序列服务器110还可以连接到扫描室接口电路132，该扫描室接口电路132从与患者的状况和磁体系统相关联的各种传感器接收信号。通过扫描室接口电路132，患者定位系统134可以接收命令以在扫描期间将患者移动到期望位置。

由数据采集服务器112接收由RF系统120产生的数字化磁共振信号样本。响应于从操作者工作站102下载的指令，数据采集服务器112操作以接收实时磁共振数据并提供缓冲存储设备，使得没有数据因为数据过量运行而失去。在一些扫描中，数据采集服务器112将采集的磁共振数据传递给数据处理器服务器114。在需要从采集的磁共振数据导出的信息来控制扫描的进一步表现的扫描中，数据采集服务器112可以被编程以产生此类信息并且将其传送到脉冲序列服务器110。例如，在预扫描期间，可以采集并使用磁共振数据来校准由脉冲序列服务器110执行的脉冲序列。作为另一个示例，可以采集并使用导航器信号来调节RF系统120或梯度系统118的操作参数，或者控制对k-空间采样的视图顺序。在又一个示例中，数据采集服务器112还可以处理磁共振信号，该磁共振信号被用于在磁共振血管造影(“MRA”)扫描中检测造影剂的到达。例如，数据采集服务器112可以采集磁共振数据并且实时地处理磁共振数据以产生被用于控制扫描的信息。

数据处理服务器114从数据采集服务器112接收磁共振数据并且根据由操作者工作站102提供的指令来处理磁共振数据。此类处理可以包括，例如，通过执行原始k空间数据的傅立叶变换来重建二维或三维图像；执行其他图像重建算法(例如，迭代或反向投影重建算法)；对原始k空间数据或重建的图像施加滤波器；生成功能性磁共振图像；或计算运动或流动图像。

由数据处理服务器114重建的图像被传送回操作者工作站102以供存储。实时图像可以存储在数据库存储器高速缓存中，实时图像可以从数据库存储器高速缓存输出到操作者显示器102或显示器136。批处理模式图像或所选定的实时图像可以被存储在磁盘存储设备138上的主机数据库中。当此类图像已经被重建并且被转移到存储设备时，数据处理服务器114可以在操作者工作站102上通知数据存储服务器116。操作者可以使用操作者工作站102来存档图像、产生影像或经由网络向其他设施发送图像。

MRI系统100还可以包括一个或多个联网的工作站142。例如，联网的工作站142可以包括显示器144、一个或多个输入设备146(例如，键盘、鼠标)、以及处理器148。联网的工作站142可以位于与操作者工作站102相同的设施内，或位于不同的设施中，诸如不同的医疗机构或诊所。

联网的工作站142可以经由通信系统140获得对数据处理服务器114或数据存储服务器116的远程访问。因此，多个联网的工作站142可以访问数据处理服务器114和数据存储服务器116。以此方式，磁共振数据、重建的图像或其他数据可以在数据处理服务器114或数据存储服务器116与联网的工作站142之间交换，使得可以由联网的工作站142远程地处理数据或图像。

参考图2，本公开提供了使用pTX RF线圈阵列的SMS MRF的方法200。在过程框202处，方法200可以包括使用一系列可变序列块从受试者采集数据，其中使用pTX RF线圈阵列同时激励多个不同的切片。如上所述，为此目的可以实现一系列可变序列块。在该一系列可变序列块中，可用于pTX RF线圈阵列的发射通道的子集被用于激励给定切片，并且该子集可以在可变序列块中在时间上变化。通常，对于具有N个线圈的pTX RF线圈阵列，被用于激励给定切片的子集将包含M＜N个线圈。作为非限制性示例，当使用具有四个发射通道的pTXRF线圈阵列同时激励两切片时，通道中的两个可以被用于激励第一切片，同时通道中的另外两个可以被用于激励第二切片。例如，可以使用线圈的第一子集生成第一RF激励脉冲以激励第一切片中的自旋，而可以使用线圈的第二子集生成第二RF激励脉冲以同时激励第二切片中的自旋。

在一些实施方式中，可以使用线圈的子集生成多频带RF脉冲，从而使得由该线圈的子集同时激励多个切片。例如，可以使用线圈的第一子集生成第一多频带RF激励脉冲，以同时激励第一组切片中的自旋，而可以使用线圈的第二子集生成第二RF脉冲(该第二RF脉冲可以是单频带RF脉冲或多频带RF脉冲)，使得一个或多个切片与第一组切片同时被激励。

通常，对于具有被用于同时激励K个切片的N个线圈的pTX RF线圈阵列，RF线圈的每一个子集可以包括N/K个线圈，使得pTX RF线圈阵列中的每一个线圈被唯一地分配给子集之一以供每个激励。在其他实施方式中，不同数量的RF线圈可以被包括在RF线圈的每一个子集中。在被用于特定激励的每一个子集中，线圈的数量可以相同或不同。

然后，可以在可用通道之间在时间上改变被用于每一个激励中的特定通道，使得通过执行一系列可变序列块来为每一个切片激励整个视场。例如，在其中具有线圈个数N＝4的pTX RF线圈阵列被用于同时激励两个不同的切片的上述示例中，第一子集组可以包括使用线圈#1和#2以激励切片#1，以及使用线圈#3和#4激励切片#2。然后，在随后的可变序列块中，可以更改子集组，使得使用线圈#3和#4激励切片#1，以及使用线圈#1和#2激励切片#2。在一些实施方式中，子集中的线圈可以被进一步排列，诸如通过使用线圈#1和#3激励切片#1，以及使用线圈#2和#4激励切片#2。在后一个示例中，可以在不同的子集中使用同一线圈来在不同的可变序列块中激励相同切片。然而，在其他示例中，子集可以被设计成使得每一个线圈仅被使用一次来激励特定切片。将会理解，任何这样数量的线圈的可变组合被用于子集中。

在又其他示例中，子集中的线圈数量也可以在时间上变化。例如，在使用具有线圈个数N＝8的pTX线圈阵列的情况下，在一些可变序列块中，线圈的每一个子集可以包括2个线圈，而在随后的可变序列块中，线圈的每一个子集可以包括多于2个的线圈。类似地，在一些实施方式中，同时被激励的切片的数量可以在时间上变化。作为示例，第一系列可变序列块可以包括一次同时激励两个切片，其中在线圈的每一个子集中使用四个不同的线圈。然后，在后面的一系列可变序列块中，可以同时激励四个不同的切片，其中在线圈的每一个子集中使用两个不同的线圈。将会理解，可以改变被用于子集中的线圈数量、同时被激励的切片的数量、或两者的其他此类组合。

在过程框206处，方法200可以包括将在过程框202处采集的数据与信号演化的字典进行比较。在过程框206处，方法200可以包括至少部分地基于通过将所采集的数据与字典进行比较而估计的定量值，产生多个不同的切片的图像。

在一个特定但非限制性的示例应用中，可以使用16通道pTX阵列执行SMS MRF成像。在该方法中，单独的发射通道被用于激励不同的切片。由于每一个发射通道具有不同的B1+配置文件，因此可以以使得多个切片的合并图像呈现最小的混叠的这样的方式驱动发射通道。

参见图3，示出了用于激励多个切片的不同区域以避免混叠的pTX阵列的使用的图示。图3示出了一个示例，其中4个发射通道(两个顶部通道302和两个底部通道304)被用于采集梯度回波(GRE)图像。图3中的切片1的图像示出了GRE图像，该GRE图像中所有四个通道302、304被用于激励切片1。图3中的切片2的图像示出了GRE图像，该GRE图像中所有四个通道302、304被用于激励切片2。图3中的半切片1和半切片2的图像示出了GRE图像，该GRE图像中顶部两个通道302被用于激励切片1，而底部两个通道304用于激励切片2。因此，图3的半切片1和半切片2的图像示出了上半部分来自切片1且下半部分来自切片2。

可以在MRF框架中利用图3中示出的特性以执行SMS。该方法涉及在时间上改变激励切片1和切片2的发射通道以确保捕获所有切片的整个视场。在一些情况下，对于给定时间帧的通道的选择可以以与图3的半切片1和半切片2的图像中所示的类似的方式进行，使得每一个帧呈现多个切片的最小混叠。

参考图4A，示出了可以在一个或多个可变序列块中实现的示例脉冲序列。图4B示出了用于在可变序列块的示例系列中改变序列参数的模式。如图所示，用于在每一个序列块中激励不同的切片的发射通道在时间上是变化的。

对于重建，可以基于模式识别来执行MRF模板匹配。可以使用用于MRF的任何合适的技术生成字典。在一个示例方法中，可以使用在单独的扫描中测量的B1+生成每一个空间位置的单独的字典。在另一个示例方法中，用于不同通道的B1+项可以作为附加维度被包括在字典中。

本公开已经描述了一个或多个优选实施例，并且应当理解的是，除明确陈述的以外，许多等同、替换、变型、和修改都是可能的并且在本发明的范围之内。