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CN115616461A - 一种基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法及装置 - Google Patents

一种基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法及装置 Download PDF

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CN115616461A
CN115616461A CN202211267701.2A CN202211267701A CN115616461A CN 115616461 A CN115616461 A CN 115616461A CN 202211267701 A CN202211267701 A CN 202211267701A CN 115616461 A CN115616461 A CN 115616461A
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Abstract

本发明公开一种基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法及装置。首先，在两次扫描中对成像组织分别施加不同的与重聚焦脉冲同步的正负变换的电流，直到每个重复时间的第一个回波信号采样结束；在可调回波时间编码中，在第一个回波信号采样前重聚焦脉冲的两侧增加等长的时间(TED)以延长回波时间，使得所采的第一个回波信号经历了足够长的通外部电流时间进而提升结果信噪比；电流结束后采用快速自旋回波序列的方式采集信号，设置加速因子m‑1；最后，将两次不同起始电流扫描的相位结果做差，利用相位差与电流产生磁场(Bz)之间的线性关系进行计算，得出Bz结果。本发明实现了提升Bz磁场测量速度达十倍的同时，不损失测量的信噪比。

Description

一种基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法及装置
技术领域
本申请涉及磁共振技术领域，尤其涉及磁共振MRCDI和MREIT成像磁场测量领域。
背景技术
磁共振电流密度成像(Magnetic Resonance Current Density Imaging，MRCDI)与磁共振电阻抗成像(Magnetic Resonance Electrical Impedance Tomography，MREIT)是两种新兴的用于测量组织内部电特性参数的成像方法，外部电流的注入，可以分别获得外部电流在组织内部的电流密度分布以及组织内部的电导率分布，可用于指导神经调控技术的靶向性刺激以及源定位技术的准确性等。
在两种技术应用过程中，均需通过磁共振获取由于成像物体外部电流的施加在物体内产生的磁场中与主磁场(B0)平行方向的分量(Bz)，然后进行相关计算求取成像体内部电流密度或电导率分布。目前，Bz磁场的测量主要采用自旋回波(spin echo,SE)序列，通过施加与重聚焦脉冲同步变化的直流电，实现信号相位的变化，利用两次不同电流(如：1mA与2mA，2mA与-2mA等)扫描结果相位数据变化的不同，通过相位差与Bz的线性关系计算出Bz的分布。但是，由于SE序列在采集信号时填充k空间的效率较低，目前Bz的测量所需时间仍然较长，阻碍其实际应用。而基于本发明可调回波时间编码的快速磁场测量序列不仅可以对Bz的分布进行有效测量，同时测量效率极大提高，所需时间大幅降低，从而推动了针对临床需求的MRCDI和MREIT实际应用的发展。
发明内容
针对SE序列测量Bz低效的问题，本发明拟对现有技术进行改进，提出一种用于测量Bz的更高效的方法和装置。本发明拟采用快速自旋回波(turbo spin echo,TSE)的方式采集数据，turbo factor为加速因子(m)，相比自旋回波(SE)序列，该序列的采集速度可提高达十倍。但是，由于快速自旋回波序列中连续回波信号强度呈现T2的指数衰减，在回波间距(ESP)较大时，较大的加速因子会使每个重复时间中靠后回波的信号强度过小，从而降低最终成像的分辨率，因此需要选择较小的回波间距。同时，在Bz测量的应用背景下，自旋回波序列方法外部电流的持续时间与回波间距保持一致，故在回波间距较小时，较短的电流持续时间使Bz引起的相位改变较小，所测Bz的信噪比大大降低。
基于此，本发明提供一种基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法及装置，延长快速自旋回波序列中第一个回波间距的时间以提高外部电流的持续时间，从而在实现外部电流产生磁场快速测量的同时，保证测量效果与结果信噪比，提高磁共振MRCDI和MREIT成像性能。
本发明具体采用以下技术方案予以实现：
第一方面，本发明提供了一种基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法，具体如下：
利用相同的成像序列对目标组织进行两次扫描，且在第一次扫描过程中对成像组织施加与重聚焦脉冲同步的正负变换的第一刺激电流并获得第一扫描结果，在第二次扫描过程中对成像组织施加与重聚焦脉冲同步的正负变换的第二刺激电流并获得第二扫描结果；计算第一扫描结果和第二扫描结果的相位差，并利用相位差与Bz磁场之间的线性关系得出Bz磁场；
所述成像序列以快速自旋回波序列为基础序列，在基础序列的每个重复时间内，对第1个180°重聚焦脉冲开始前与结束后分别增加等长的额外时间TED，而第1个180°重聚焦脉冲之后的所有180°重聚焦脉冲以及编码全部顺延两倍的额外时间TED，TED为不小于1的正整数；同时在基础序列的每个重复时间内，对每个层面选择梯度编码两侧均设置扰相梯度，其中第一个层面选择梯度编码的两侧扰相梯度面积设置为能引起4π相位散相的数值，所有层面选择梯度编码中任意两个相邻层面选择梯度编码施加的扰相梯度面积不同，所有层面选择梯度编码中任意一个层面选择梯度编码两侧的扰相梯度面积不低于第一个层面选择梯度编码两侧的扰相梯度面积；
在每个重复时间内，所述第一刺激电流共包含两段电流持续段，第一段电流持续段从90°射频脉冲结束时开始至第一个180°重聚焦脉冲开始前结束，第二段电流持续段从第一个180°重聚焦脉冲结束时开始至第一个频率梯度编码结束时结束；两个电流持续段的电流大小始终保持相同，但第一段电流持续段和第二段电流持续段的电流正负方向相反；所述第二刺激电流在每个重复时间内具有与所述第一刺激电流对应的两段电流持续段，且第一刺激电流和第二刺激电流之间每一组对应的电流持续段的起止时间完全相同但电流不同。
作为上述第一方面的优选，所述成像序列具体按照如下方式实现：
所述成像序列的每个重复时间中，首先施加一个90°射频脉冲并同时施加层面选择编码梯度，然后施加一个预重聚焦频率梯度使自旋在回波中心恢复同相，再施加m个180°重聚焦脉冲；其中，施加的第1个180°重聚焦脉冲相对于快速自旋回波序列中的第一个180°重聚焦脉冲而言在脉冲开始前与结束后分别增加了等长的额外时间TED，一个重复时间内位于第一个180°重聚焦脉冲之后的所有180°重聚焦脉冲以及编码全部顺延两倍的额外时间TED，TED和m为不小于1的正整数；
在施加每个180°重聚焦脉冲的同时均同步施加一个层面选择梯度编码，每个层面选择梯度编码两侧设置有扰相梯度，其中第一个层面选择梯度编码的两侧扰相梯度面积设置为能引起4π相位散相的数值，m个层面选择梯度编码中任意两个相邻层面选择梯度编码施加的扰相梯度面积不同，m个层面选择梯度编码中任意一个层面选择梯度编码两侧的扰相梯度面积均不低于第一个层面选择梯度编码两侧的扰相梯度面积；每个层面选择梯度编码后再进行相位梯度编码，每个相位梯度编码后再进行频率梯度编码，并且在频率梯度编码的同时通过回波信号采样得到每个180°重聚焦脉冲对应的k空间数据；
最后对一个重复时间内采样得到的所有k空间数据通过傅里叶变换计算重建出每次扫描的幅值图像和相位图像。
作为上述第一方面的优选，所有层面选择梯度编码中任意两个相邻层面选择梯度编码两侧的扰相梯度面积关系优选为2或1/2倍。
作为上述第一方面的优选，所述利用相位差与Bz磁场之间的线性关系得出Bz磁场的计算公式为：
Bz(x,y)＝ΔΦ(x,y)/(2γ·Tc·(I1-I2))
其中：Bz(x,y)表示点(x,y)处单位外部电流产生的Bz磁场，单位：nT/mA，ΔΦ(x,y)表示所述第一扫描结果和所述第二扫描结果在点(x,y)的相位差，γ为氢原子旋磁比，Tc为一个重复时间中刺激电流的持续时间，I1与I2分别为区分正负的第一刺激电流与第二刺激电流。
作为上述第一方面的优选，所述一个重复时间中刺激电流的持续时间Tc的计算式为：
Tc＝ESP-τπ-0.5τπ/2+2TED
其中：ESP为相邻180°重聚焦脉冲的时间间隔，τπ、τπ/2分别为单个180°重聚焦脉冲和单个90°射频脉冲的作用时间，TED为第1个180°重聚焦脉冲每一侧加入的额外时间。
作为上述第一方面的优选，所述TED优选为1～40ms。
作为上述第一方面的优选，所述TED进一步优选为25ms。
作为上述第一方面的优选，所述m优选为不超过10。
作为上述第一方面的优选，所述m进一步优选为5。
作为上述第一方面的优选，在每个重复时间内，所述第一刺激电流和所述第二刺激电流的每一组对应的电流持续段的起止时间和大小完全相同，但电流正负方向相反。
作为上述第一方面的优选，所述第一刺激电流和所述第二刺激电流中，第一段电流持续段的大小优选为目标组织所允许施加的外部电流安全范围内的最大值。
第二方面，本发明提供了一种用于实现上述第一方面任一方案所述磁共振磁场测量方法的基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量装置，其包括磁共振设备、外部电刺激设备和计算模块；
所述外部电刺激设备用于在所述磁共振设备的扫描过程中对目标组织施加所述第一刺激电流和所述第二刺激电流；
所述磁共振设备用于执行所述成像序列并获得第一扫描结果和第二扫描结果；
所述计算模块用于计算第一扫描结果和第二扫描结果的相位差，并利用相位差与Bz磁场之间的线性关系得出Bz磁场。
作为上述第二方面的优选，所述磁共振设备在执行所述成像序列对目标组织进行扫描的过程中，在施加90°射频脉冲之前向所述外部电刺激设备发出第一同步信号，在施加第1个180°重聚焦脉冲之前向所述外部电刺激设备发出第二同步信号，在第1个频率梯度编码结束之前向所述外部电刺激设备发出第三同步信号，且第三同步信号与第1个频率梯度编码同时结束；
所述外部电刺激设备收到第一同步信号后开始按照设定的时延对目标组织施加第一段电流持续段；
所述外部电刺激设备收到第二同步信号后，按照设定的时延对目标组织施加与上一段电流持续段正负方向相反的下一段电流持续段；
所述外部电刺激设备收到第三同步信号后立即结束对目标组织施加电流持续段。
作为上述第二方面的优选，所述外部电刺激设备在所述磁共振设备的两次扫描过程中，收到第一同步信号后所分别施加的第一段电流持续段的电流大小相同但正负方向相反。
作为上述第二方面的优选，所述外部电刺激设备在所述磁共振设备的两次扫描过程中，收到第一同步信号后所分别施加的第一段电流持续段的大小进一步优选为目标组织所允许施加的外部电流安全范围内的最大值。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本发明通过在可调回波时间编码中加入了额外的回波时间，使得所测得的回波信号经历了足够长的外部电流作用时间，提高了由外部电流诱发的相位累积，提升了所测磁场的信噪比，解决了传统基于自旋回波序列测量方法中由于短回波间隔造成的低信噪比问题。同时，快速自旋回波采样的方式使得成像时间大幅降低，整体提高磁共振MRCDI和MREIT成像性能，成像时间满足临床应用的限制，这也使得本发明具有非常重要的临床应用价值。
附图说明
图1是基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量序列框图。
图2是基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量序列在不同TED参数下，变化扰相梯度面积与默认恒定绕相梯度面积时扫描猪肉的幅值和相位的对比结果。
图3是分别基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量序列与常规多回波自旋回波(MESE)序列加权方式扫描水模实验的Bz图像对比及量化分析。
图4是基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量序列扫描水模实验的大范围覆盖Bz图像效果。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
请参阅图1所示，本发明提供了一种基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法，该方法实际可以表示为一条基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量序列，该磁共振磁场测量序列是在磁共振设备的成像序列基础上耦合外部电刺激设备所施加的外部刺激电流来实现的。下面具体对该磁共振磁场测量序列的具体改进点和设计原理进行详细描述。
本发明测量Bz磁场时，利用磁共振设备基于成像序列对目标组织进行两次扫描，该成像序列是基于传统的快速自旋回波(TSE)序列进行改进的。而在两次扫描中，通过外部电刺激设备对成像组织分别施加大小相同、起始方向相反的与重聚焦脉冲同步的正负变换的电流，该电流持续到每个重复时间(TR)中第一个回波信号采样结束，以此来保证电流产生的磁场诱发的相位改变可以在该回波采样结束前可以持续累积，两次扫描结果的相位分别为Φ+(x,y)与Φ-(x,y)。
快速自旋回波序列包含射频脉冲、层选梯度编码、相位梯度编码、频率梯度编码，各部分的具体做法属于现有技术。其中，快速自旋回波序列的每个重复时间TR中包含90°射频脉冲和跟在90°射频脉冲后施加的若干重聚焦脉冲(即180°射频脉冲)。如图1所示，本发明的成像序列是以快速自旋回波序列作为基础序列进行改进的，为了便于描述，将快速自旋回波序列中每个重复时间以第1个频率梯度编码为界，左右分别称为可调回波时间编码模块和快速自旋回波采样模块。快速自旋回波序列的所有180°射频脉冲中，第1个180°重聚焦脉冲属于可调回波时间编码，剩余180°重聚焦脉冲属于快速自旋回波采样模块。本发明的成像序列在可调回波时间编码模块中，模块内的180°重聚焦脉冲及与其对应的层选梯度编码与快速自旋回波序列一致，但区别在于180°重聚焦脉冲开始前与结束后分别加入了等长的额外时间TED。由于本发明的成像序列中第1个180°重聚焦脉冲在两侧分别加入了额外时间TED，因此整个重复时间内第1个180°重聚焦脉冲之后的所有180°重聚焦脉冲都相对于快速自旋回波序列顺延两倍的额外时间TED，同时整个重复时间内第1个180°重聚焦脉冲之后包含层选梯度编码、相位梯度编码、频率梯度编码在内的所有编码也都相对于快速自旋回波序列顺延两倍的额外时间TED。本发明的成像序列的k空间信号采集与快速自旋回波序列一致，在每个频率梯度编码处均可采样得到1个信号填充到k空间中。假设一个重复时间内的180°重聚焦脉冲个数为m，则一个重复时间内一共可采样到m个信号。最后对一个重复时间内采样得到的所有m个信号组成的k空间数据通过傅里叶变换计算，即可重建出每次扫描的幅值图像和相位图像。
在成像序列的可调回波时间编码中，TED代表了可调回波时间编码模块中180°重聚焦脉冲开始前与结束后分别加入的等长额外时间TED的长度，该参数是一个需要合理设置的参数，用于延长第一个回波信号的采样时间，使得所采的第一个回波信号经历了足够长的外部电流作用时间。一般而言，额外时间TED取不小于1的正整数，TED优选为1～40ms。特别地，当TED＝0时本发明的成像序列即为常规快速自旋回波序列。
另外，每个重复时间中的180°重聚焦脉冲的数量m即为成像序列的加速因子。在电流结束后采用常规快速自旋回波(TSE)序列的方式采集信号，每个TR共采集m个回波信号填充到k空间的m行，使成像速度提高了m倍。
基于上述成像序列在外部刺激电流下进行两次扫描后，将扫描的两次相位结果做差得到图像上各点位置的相位差ΔΦ(x,y)，并利用ΔΦ(x,y)与Bz之间的线性关系求解出Bz，用于MREIT或MRCDI成像的计算。
由此可见，本发明的基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法，通过可调回波时间编码延长外部电流作用时间，提高Bz的有效性。同时，利用快速自旋回波方式采集信号，可提高成像速度达10倍，高效、稳定、快速的实现了Bz磁场的测量，从而提高磁共振MRCDI和MRCDI成像性能。
由于在本发明中，磁共振成像设备和外部电刺激设备是两套不同的设备体系，因为两者之间需要依赖于同步信号来实现所施加的外部电流与成像序列的协同。本发明中，外部电刺激设备所施加的外部刺激电流可按照如下方法来实现：
在每个TR第一个采样回波结束前，在序列编程使磁共振机器给出根据三种根据不同电流指令(开始、翻转、结束)需求而特异宽度的同步脉冲信号，外部电刺激设备接收到该同步信号后通过识别脉冲宽度编程所应用的刺激电流。三种指令需求分别为：90°射频脉冲前施加“开始”同步信号，第一个180°射频脉冲前施加“翻转”同步信号，在第1个频率梯度编码结束之前施加“结束”同步信号，且该同步信号与第1个频率梯度编码同时结束。外部电流的施加需要在编程时考虑到同步信号与射频脉冲间的特定时序关系。需要特别指出，为减少在射频脉冲施加期间外部电流对结果的复杂影响，外部电流的施加应在射频脉冲期间置零。具体电流施加的模式可参见图1。
传统快速自旋回波序列通常从第一个回波信号开始采集数据，将所有回波信号填充到k空间中，且每个回波的回波时间成倍提高。但在Bz测量的问题背景下，按要求将外部刺激电流施加到第一个回波采样结束，对于传统快速自旋回波序列来说，长回波间隔(ESP)会造成靠后面回波信号大量损失，在大加速因子(m)情况下极大影响了成像的分辨率，而小加速因子(m)则削弱了加速效果；同时，短回波间隔(ESP)则会减少电流的施加时间，造成相位的不补充累积导致难以测得较高信噪比的信号。因此，本发明在选择小回波间隔(ESP)、大加速因子(m)的条件下，为延长电流的持续时间，设计了延长第一个回波的回波时间的序列，外部刺激电流作用至第一个回波采样结束，在此情况下一个重复时间内，外部刺激电流的作用时间可由下式表达：
Tc＝ESP-τπ-0.5τπ/2+2TED 公式(1)
其中ESP为相邻180°重聚焦脉冲的时间间隔，τπ、τπ/2分别为180°重聚焦脉冲和单个90°射频脉冲作用时间，TED为第1个180°重聚焦脉冲两侧加入的额外时间。回波信号的采样与外部电流施加的具体关系可参见图1。
另外，由于本发明的成像序列中人为修改了TSE序列第一个回波的回波时间，在第1个180°重聚焦脉冲两侧加入的额外时间TED，因此修改后的新序列不再满足CPMG原则，造成了成像结果中出现伪影。为消除成像结果中的伪影，需要再需要在每个回波中消除stimulated echo的成分，本发明采取变换相邻扰相梯度面积的方式。具体而言，本发明的成像序列中，为了消除由于不满足CPMG条件产生的伪影方式，需要在每个重复时间内对每个层面选择梯度编码两侧均设置扰相梯度，并通过改变层面选择梯度编码中相邻扰相梯度面积的方式消除回波中的激发回波(stimulated echo)成分，具体方法为：
第一个层面选择梯度编码的两侧扰相梯度面积设置为可引起对应4π相位散相的数值，其余层面选择梯度编码中两侧扰相梯度面积为对应前一组层面选择梯度编码中两侧扰相梯度面积的2或1/2倍，但要保证所有层面选择梯度编码中任意一个层面选择梯度编码两侧的扰相梯度面积不小于第一组扰相梯度的面积。按此方法设计的序列可以实现回波中只保留主回波信号，消除激发回波成分，使得成像结果中的伪影得以消除。
但是需要说明的是，相邻层面选择梯度编码的扰相梯度面积并不一定要满足2倍或1/2倍的关系，这仅仅是一种优选方式，理论上所有层面选择梯度编码中任意两个相邻层面选择梯度编码施加面积不同的扰相梯度即可。
另外，本发明的磁共振磁场测量序列中，回波数据采样及k空间填充按照如下方法进行：
不同于传统基于单回波自旋回波(SE)序列的Bz测量序列中每个TR只采集一个回波信号填充到k空间中，本发明所设计序列采用快速自旋回波(TSE)序列进行信号的采样，m为加速因子，每个TR采集m个回波信号填充到k空间的m行，扫描时间缩短了m倍。
另外，本发明的磁共振磁场测量序列中，Bz磁场的计算可按照如下方法：
在两次起始电流方向相反的扫描结果中，图像上每点(x,y)的信号可表达为：
Figure BDA0003893715340000091
其中ρ(x,y)为信号密度，TE为回波时间，T2为成像体弛豫时间，δ(x,y)为系统固有相位，γ为氢原子旋磁比，γ＝26.75×107rad/(T·s)，电流作用时间Tc＝ESP-τπ-0.5τπ/2+2TED。由此，两次扫描结果的相位差可表达为：
Figure BDA0003893715340000101
因此，所求Bz(x,y)可由下式计算：
Bz(x,y)＝ΔΦ(x,y)/(2γ·Tc·(I1-I2)) 公式(4)
式中：I1与I2分别为两次扫描过程中分别施加的刺激电流，记为第一刺激电流与第二刺激电流，I1与I2需区分正负，即相反方向的电流由正负值进行区分。上述各计算公式中，时间的单位都为毫秒(ms)。
基于上述对图1所示磁共振磁场测量序列的具体改进点和设计原理的描述，本发明的一较佳实施例中，进一步给出了一种基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法，其具体方法流程如下：
利用相同的成像序列对目标组织进行两次扫描，且在第一次扫描过程中对成像组织施加与重聚焦脉冲同步的正负变换的第一刺激电流并获得第一扫描结果，在第二次扫描过程中对成像组织施加与重聚焦脉冲同步的正负变换的第二刺激电流并获得第二扫描结果；计算第一扫描结果和第二扫描结果的相位差，并利用相位差与Bz磁场之间的线性关系得出Bz磁场。
其中，同步施加的成像序列和刺激电流(第一刺激电流或第二刺激电流)在时序上耦合形成的磁共振磁场测量序列如图1所示，具体如下：
成像序列的每个重复时间中，依次执行可调回波时间编码模型和快速自旋回波采样模块。在执行可调回波时间编码模块时，首先施加一个90°射频脉冲并同时施加层面选择编码梯度，然后施加一个预重聚焦频率梯度使自旋在回波中心恢复同相，再施加第1个180°重聚焦脉冲。而第1个180°重聚焦脉冲开始前与结束后，分别相对于TSE序列增加等长的额外时间TED，由此使得第1个180°重聚焦脉冲之后的所有180°重聚焦脉冲以及编码全部顺延两倍的额外时间TED，TED为不小于1的正整数。也就是说，假如原本的TSE序列中，90°射频脉冲与第1个180°重聚焦脉冲之间的时间间隔为ESP/2，则增加额外时间TED后90°射频脉冲与第1个180°重聚焦脉冲之间的时间间隔变成了ESP/2+TED；同样的，假如原本的TSE序列中第1个180°重聚焦脉冲与第2个180°重聚焦脉冲之间的时间间隔为ESP，则增加额外时间TED后第1个180°重聚焦脉冲与第2个180°重聚焦脉冲之间的时间间隔变成了ESP+TED。对应的，在执行快速自旋回波采样模块时，假设一共要间隔施加m-1个180°重聚焦脉冲，那么这m-1个180°重聚焦脉冲以及所有的层选梯度编码、相位梯度编码、频率梯度编码全部都相对于TSE序列顺延了两倍的额外时间TED。而且快速自旋回波采样模块中在施加每个180°重聚焦脉冲的同时，也均需要同步施加一个层面选择梯度编码。因此，可调回波时间编码模型和快速自旋回波采样模块中的所有m个180°重聚焦脉冲，对应了m个层面选择梯度编码。为消除成像结果中由于回波时间不满足CPMG原则而产生的伪影，需在采样的回波中消除激发回波的成分，该问题需要在这m个层面选择梯度编码中合理设置扰相梯度来解决，具体而言：每个层面选择梯度编码两侧均设置有扰相梯度，其中第一个层面选择梯度编码的两侧扰相梯度面积设置为能引起4π相位散相的数值，m个层面选择梯度编码中任意两个相邻层面选择梯度编码施加的扰相梯度面积不同(优选的，两个相邻层面选择梯度编码施加的扰相梯度面积之间呈2倍或1/2倍关系)，m个层面选择梯度编码中任意一个层面选择梯度编码两侧的扰相梯度面积均不低于第一个层面选择梯度编码两侧的扰相梯度面积。
另外，在图1所示的磁共振磁场测量序列中，成像序列内每个层面选择梯度编码后需要再进行相位梯度编码，每个相位梯度编码后再进行频率梯度编码，并且在频率梯度编码的同时通过回波信号采样得到每个180°重聚焦脉冲对应的k空间数据。由此可见，该成像序列中相位梯度编码和频率梯度编码与TSE序列相同，仅顺延了第1个180°重聚焦脉冲之后的编码时间。最后对一个重复时间内采样得到的m个180°重聚焦脉冲对应的所有k空间数据，通过傅里叶变换计算重建出每次扫描的幅值图像和相位图像。
另外，在图1所示的磁共振磁场测量序列中，除了成像序列外还耦合了外部电流。在每个重复时间内，第一刺激电流从第一个90°射频脉冲开始持续至第一个频率梯度编码结束，且仅在每个射频脉冲(包括90°射频脉冲，以及第1个180°射频脉冲即重聚焦脉冲)施加期间置零。第一刺激电流共包含两段电流持续段，第一段电流持续段从90°射频脉冲结束时开始至第一个180°重聚焦脉冲开始前结束，第二段电流持续段从第一个180°重聚焦脉冲结束时开始至第一个频率梯度编码结束时结束。第一刺激电流的每段电流持续段中，电流大小与正负方向始终保持相同，但两段电流持续段之间电流大小虽然相同但电流的正负方向相反。
同样的，第二刺激电流也包含两段电流持续段，第一段电流持续段从90°射频脉冲结束时开始至第一个180°重聚焦脉冲开始前结束，第二段电流持续段从第一个180°重聚焦脉冲结束时开始至第一个频率梯度编码结束时结束。第一刺激电流和第二刺激电流在每个重复时间内各自具有的两端电流持续段一一对应，但是每一组对应的电流持续段的起止时间虽然完全相同，但每一组对应的电流持续段的电流应当是不同的。
作为本发明实施例的一种具体实现方式，如前所述，利用相位差与Bz磁场之间的线性关系得出Bz磁场的具体计算公式如公式(4)。式中Bz(x,y)表示点(x,y)处的Bz磁场，ΔΦ(x,y)表示所述第一扫描结果和所述第二扫描结果在点(x,y)的相位差，γ为氢原子旋磁比，Tc为一个重复时间中刺激电流的持续时间(单位为ms)，I1与I2分别为区分正负的第一刺激电流与第二刺激电流。其中Tc的计算式可以采用前述的公式(1)。
另外，本发明中的TED和m为不小于1的正整数，参数TED和m需要根据实际进行优化调整。其中，TED优选为1～40ms，进一步优选为25ms。m优选为不超过10，进一步优选为5。
需要说明的是，在每个重复时间内，第一刺激电流和所述第二刺激电流中，原则上每一组对应的电流持续段的起止时间完全相同但电流不同即可，这里所谓的“电流不同”可以是电流大小不同(例如分别施加1mA与2mA的电流)，也可以是电流方向不同(例如分别施加2mA与-2mA的电流)。但作为本发明实施例的一种具体实现方式，第一刺激电流和第二刺激电流的每一组对应的电流持续段的起止时间和大小完全相同，但电流正负方向相反。也就是说，如果第一刺激电流中的第一段电流持续段是正电流，第二段电流持续段是负电流，那么第二刺激电流中的第一段电流持续段应当是负电流，第二段电流持续段应当是正电流；同样的，如果第一刺激电流中的第一段电流持续段是负电流，第二段电流持续段是正电流，那么第二刺激电流中的第一段电流持续段应当是正电流，第二段电流持续段应当是负电流。
在本发明的另一实施例中，基于相同的发明构思，为了实现上述基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法，本发明还提供了一种基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量装置，该装置包括磁共振设备、外部电刺激设备和计算模块；
所述外部电刺激设备用于在所述磁共振设备的扫描过程中对目标组织施加所述第一刺激电流和所述第二刺激电流；
所述磁共振设备用于执行所述成像序列并获得第一扫描结果和第二扫描结果；
所述计算模块用于计算第一扫描结果和第二扫描结果的相位差，并利用相位差与Bz磁场之间的线性关系得出Bz磁场。
需要注意的是，磁共振设备在执行所述成像序列对目标组织进行扫描的过程中，在施加90°射频脉冲之前向所述外部电刺激设备发出代表“开始”的第一同步信号，在施加第1个180°重聚焦脉冲之前向所述外部电刺激设备发出代表“翻转”的第二同步信号，在第1个频率梯度编码结束之前向所述外部电刺激设备发出代表“结束”第三同步信号，且第三同步信号与第1个频率梯度编码同时结束。
所述外部电刺激设备收到第一同步信号后开始按照设定的时延对目标组织施加第一段电流持续段，
所述外部电刺激设备收到第二同步信号后，按照设定的时延对目标组织施加与上一段电流持续段正负方向相反的下一段电流持续段；
所述外部电刺激设备收到第三同步信号后立即结束对目标组织施加电流持续段。
如前所述，原则上第一刺激电流和所述第二刺激电流在每个重复时间内每一组对应的电流持续段的起止时间完全相同但电流不同即可，但优选设置为每一组对应的电流持续段的起止时间和大小完全相同，但电流正负方向相反。
需要特别说明的是，所述外部电刺激设备收到各同步信号后，具体需要执行的电刺激时延需要根据同步信号发出实现到图1所示序列上对应的电流持续段的实际开始时间而定，以能够准确按照图1所示序列对目标组织施加相应的外部刺激电流为准。而且在目标组织能承受的情况下，施加的外部电流越大越好，因此第一刺激电流和所述第二刺激电流中，第一段电流持续段的大小优选为目标组织所允许施加的外部电流安全范围内的最大值。
需要说明的是，第一刺激电流和第二刺激电流的正负方向相反可通过设置第一段电流持续段的正负方向来控制，即外部电刺激设备在所述磁共振设备的两次扫描过程中，收到第一同步信号后所施加的第一段电流持续段的正负方向相反。例如，第一刺激电流可按照图1所示的外部电流序列施加，即第一段电流持续段的电流方向是正向的；而第二刺激电流可按照图1所示的外部电流序列的反向施加，即第一段电流持续段的电流方向是负向的。由于后续第二段电流持续段都是与第一段电流持续段方向相反的，因此只要第一段电流持续段的电流方向相反，第一刺激电流和第二刺激电流中后续任意一组对应的电流持续段的电流方向都会是相反的。
本领域的技术人员应当知道，本发明中所涉及的计算模块可以通过电路、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。上述装置中的计算模块也可以集成在磁共振成像设备的内部计算单元中，或者以单独的数据处理设备的形式存在，对此不作限制。
另外，本发明中的磁共振成像设备和外部电刺激设备，可采用市售产品也可以采用自制设备，可根据实际用户需求进行选择。
下面基于上述基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量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：
将上述基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法和装置在一个球形水模和猪肉组织的磁共振磁场测量实验中进行了测试，并与常规多回波自旋回波序列加权方式的磁场测量结果进行了对比。本发明的述基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法和装置具体方案如前所述，其第一次扫描时施加的成像序列和同步施加的第一刺激电流如图1所示，两个相邻层面选择梯度编码施加的扰相梯度面积之间呈2倍或1/2倍关系；而第二次扫描时施加的成像序列与第一次扫描相同，但第二刺激电流与第一刺激电流中两组对应的电流持续段的起止时间和大小完全相同，但电流正负方向相反。具体的成像序列和刺激电流此处不再赘述，下面仅介绍此处的具体参数。在测试伪影消除情况的实施例中，额外回波时间TED＝[0,40]ms，间隔10ms递增，加速因子m＝5，回波时间ESP＝20ms，实验结果如附图2。在磁场测量实施例中，额外回波时间TED＝25ms，加速因子m＝5，回波时间ESP＝15ms，实验结果如附图3、附图4所示：
由附图2可以看到，在默认恒定的扰相梯度情况下，设置了额外回波时间的成像结果中，无论是幅值还是相位图像均出现伪影，且TED越大，伪影越明显；而通过合理变化扰相梯度的方式，结果中的伪影得以消除，体现了变换扰相梯度的必要性和有效性。
由附图3可以看到，在水模上的磁共振磁场测量实验中，基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法测量结果与常规多回波自旋回波序列加权方式的磁场测量结果具有高度的一致性，同时测量时间缩短了5倍，量化分析进一步说明了所提出序列在磁场测量问题上的效果(回归结果r＝0.97，s＝0.99，p<0.001；Bland-Altman Plot结果显示有96％的点在可信区间内)，说明了本发明的有效性。
由附图4可以看到，基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法可以在临床允许的测量时间提供大范围成像覆盖能力(slice为不同层面)，同时磁场测量结果中未发现明显伪影，这也进一步证明了本发明的有效性。
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。

Claims (10)

1.一种基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法，其特征在于：
利用相同的成像序列对目标组织进行两次扫描，且在第一次扫描过程中对成像组织施加与重聚焦脉冲同步的正负变换的第一刺激电流并获得第一扫描结果，在第二次扫描过程中对成像组织施加与重聚焦脉冲同步的正负变换的第二刺激电流并获得第二扫描结果；计算第一扫描结果和第二扫描结果的相位差，并利用相位差与Bz磁场之间的线性关系得出Bz磁场；
所述成像序列以快速自旋回波序列为基础序列，在基础序列的每个重复时间内，对第1个180°重聚焦脉冲开始前与结束后分别增加等长的额外时间TED，而第1个180°重聚焦脉冲之后的所有180°重聚焦脉冲以及编码全部顺延两倍的额外时间TED，TED为不小于1的正整数；同时在基础序列的每个重复时间内，对每个层面选择梯度编码两侧均设置扰相梯度，其中第一个层面选择梯度编码的两侧扰相梯度面积设置为能引起4π相位散相的数值，所有层面选择梯度编码中任意两个相邻层面选择梯度编码施加的扰相梯度面积不同，所有层面选择梯度编码中任意一个层面选择梯度编码两侧的扰相梯度面积不低于第一个层面选择梯度编码两侧的扰相梯度面积；
在每个重复时间内，所述第一刺激电流共包含两段电流持续段，第一段电流持续段从90°射频脉冲结束时开始至第一个180°重聚焦脉冲开始前结束，第二段电流持续段从第一个180°重聚焦脉冲结束时开始至第一个频率梯度编码结束时结束；两个电流持续段的电流大小始终保持相同，但第一段电流持续段和第二段电流持续段的电流正负方向相反；所述第二刺激电流在每个重复时间内具有与所述第一刺激电流对应的两段电流持续段，且第一刺激电流和第二刺激电流之间每一组对应的电流持续段的起止时间完全相同但电流不同。
2.如权利要求1所述的基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法，其特征在于：所述成像序列具体按照如下方式实现：
所述成像序列的每个重复时间中，首先施加一个90°射频脉冲并同时施加层面选择编码梯度，然后施加一个预重聚焦频率梯度使自旋在回波中心恢复同相，再施加m个180°重聚焦脉冲；其中，施加的第1个180°重聚焦脉冲相对于快速自旋回波序列中的第一个180°重聚焦脉冲而言在脉冲开始前与结束后分别增加了等长的额外时间TED，一个重复时间内位于第一个180°重聚焦脉冲之后的所有180°重聚焦脉冲以及编码全部顺延两倍的额外时间TED，TED和m为不小于1的正整数；
在施加每个180°重聚焦脉冲的同时均同步施加一个层面选择梯度编码，每个层面选择梯度编码两侧设置有扰相梯度，其中第一个层面选择梯度编码的两侧扰相梯度面积设置为能引起4π相位散相的数值，m个层面选择梯度编码中任意两个相邻层面选择梯度编码施加的扰相梯度面积不同，m个层面选择梯度编码中任意一个层面选择梯度编码两侧的扰相梯度面积均不低于第一个层面选择梯度编码两侧的扰相梯度面积；每个层面选择梯度编码后再进行相位梯度编码，每个相位梯度编码后再进行频率梯度编码，并且在频率梯度编码的同时通过回波信号采样得到每个180°重聚焦脉冲对应的k空间数据；
最后对一个重复时间内采样得到的所有k空间数据通过傅里叶变换计算重建出每次扫描的幅值图像和相位图像。
3.如权利要求2所述的基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法，其特征在于：所有层面选择梯度编码中任意两个相邻层面选择梯度编码两侧的扰相梯度面积关系优选为2或1/2倍。
4.如权利要求1所述的基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法，其特征在于：所述利用相位差与Bz磁场之间的线性关系得出Bz磁场的计算公式为：
Bz(x，y)＝ΔΦ(x，y)/(2γ·Tc·(I1-I2))
其中：Bz(x，y)表示点(x，y)处单位外部电流产生的Bz磁场，单位：nT/mA，ΔΦ(x，y)表示所述第一扫描结果和所述第二扫描结果在点(x，y)的相位差，γ为氢原子旋磁比，Tc为一个重复时间中刺激电流的持续时间，I1与I2分别为区分正负的第一刺激电流与第二刺激电流。
5.如权利要求4所述的基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法，其特征在于：所述一个重复时间中刺激电流的持续时间Tc的计算式为：
Tc＝ESP-τπ-0.5τπ/2+2TED
其中：ESP为相邻180°重聚焦脉冲的时间间隔，τπ、τπ/2分别为单个180°重聚焦脉冲和单个90°射频脉冲的作用时间，TED为第1个180°重聚焦脉冲每一侧加入的额外时间。
6.如权利要求1所述的基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法，其特征在于：所述TED优选为1～40ms，进一步优选为25ms；所述m优选为不超过10，进一步优选为5。
7.如权利要求1所述的基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法，其特征在于：在每个重复时间内，所述第一刺激电流和所述第二刺激电流的每一组对应的电流持续段的起止时间和大小完全相同，但电流正负方向相反。
8.如权利要求1所述的基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量方法，其特征在于：所述第一刺激电流和所述第二刺激电流中，第一段电流持续段的大小优选为目标组织所允许施加的外部电流安全范围内的最大值。
9.一种用于实现如权利要求1～8任一所述磁共振磁场测量方法的基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量装置，其特征在于，包括磁共振设备、外部电刺激设备和计算模块；
所述外部电刺激设备用于在所述磁共振设备的扫描过程中对目标组织施加所述第一刺激电流和所述第二刺激电流；
所述磁共振设备用于执行所述成像序列并获得第一扫描结果和第二扫描结果；
所述计算模块用于计算第一扫描结果和第二扫描结果的相位差，并利用相位差与Bz磁场之间的线性关系得出Bz磁场。
10.如权利要求9所述的基于可调回波时间编码的磁共振磁场测量装置，其特征在于，所述磁共振设备在执行所述成像序列对目标组织进行扫描的过程中，在施加90°射频脉冲之前向所述外部电刺激设备发出第一同步信号，在施加第1个180°重聚焦脉冲之前向所述外部电刺激设备发出第二同步信号，在第1个频率梯度编码结束之前向所述外部电刺激设备发出第三同步信号，且第三同步信号与第1个频率梯度编码同时结束；
所述外部电刺激设备收到第一同步信号后开始按照设定的时延对目标组织施加第一段电流持续段；
所述外部电刺激设备收到第二同步信号后，按照设定的时延对目标组织施加与上一段电流持续段正负方向相反的下一段电流持续段；
所述外部电刺激设备收到第三同步信号后立即结束对目标组织施加电流持续段。
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