保证磁共振成像谱仪中射频发射与接收信号相干的方法

摘要

本发明涉及磁共振成像技术类，具体涉及到磁共振仪器设备中的核心部件——谱仪，更具体地讲是涉及一种核磁共振成像谱仪中保证射频发射通道与接收通道之间射频信号相位相干的方法，该方法是在数据采样结束后，最后将发射和接收频率切换到脉冲序列最初的频率值，实现发射与接收的信号相干，其优点是无需加入额外的“rewind延时”，从而使得脉冲序列的编写得到简化，并且该方法不依赖于磁共振谱仪发射机和接收机硬件部分的具体结构，是适用于数字化谱仪的一种普遍的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及磁共振成像技术类，具体涉及到磁共振仪器设备中的核心部件——谱仪，更具体地讲是涉及一种核磁共振成像谱仪中保证射频发射通道与接收通道之间射频信号相位相干的方法。

背景技术

在磁共振成像(MRI)中，三维物体图像通常采用多层的二维图像来表示，这就需要所谓的“选层”技术。选层通常是依靠梯度磁场和射频软脉冲(SINC)结合起来，作用于人体组织，来激发所要成像的层面。假设主磁场强度为B₀，SINC软脉冲的中心频率为ω_i，激发带宽为Δω_i，在Z方向施加的梯度场强度为G_z，那么，根据公式ω_i＝γ(B₀+zG_z)可以得到：选层位置为z＝(ω_i-γB₀)/γG_z；层厚为Δz＝Δω_i/γG_z。根据以上公式，选层的位置可以通过改变B₀或者切换射频频率ω_i来实现，而层厚的控制一般通过改变梯度G_z的大小来实现。

在传统的模拟磁共振谱仪中，射频通道发射和接收的频率是不容易任意地改变的。因此，选层可以通过在主磁场B₀上附加一个ΔB₀来实现。这就需要一组额外的线圈(称为B₀线圈)，从而使设备的成本上升，同时因磁场强度的改变而引起的涡流将会使图像的质量下降。在现代化数字磁共振谱仪当中，发射通道(频率源)和接收通道(接收机)均采用了数字化技术。频率源采用直接数字频率合成(DDS，Direct Frequency Synthesizer)技术，可以快速地切换频率，幅度和相位。因此，可以通过改变激发频率ω_i来实现选层。这种方法不但使得整个仪器的结构大大简化，同时也降低了成本。

磁共振信号(FID)是一个复数信号，它除了提供幅度信息外，还包含了相位信息。由接收机最终得到的FID信号的相位是由发射通道(频率源)的相位和接收通道(接收机)的相位共同决定的。因此，在磁共振成像脉冲序列执行的整个过程中，都必须保证发射通道和接收通道的射频信号相位相干，也就是说在扫描过程中要求发射机频率源和接收机频率源保持固定的相位差。在此基础上才能进行有效的信号累加和相位编码。

如果发射机和接收机的频率均不作频率切换，并且它们工作在相同的频率上，那么它们的相位一直可以保持相干。这正是常规核磁共振波谱仪器的工作模式。然而，对于磁共振成像设备，如上所述，为了达到“选层”目的，发射机的频率必须进行频率切换。因此，在这种条件下保证它们的相位相干需要特殊的处理方法。

在已有的技术中，为保证发射机和接收机的相位相干，通常采用的是相位“回绕(rewind)”技术，如图1所示。图中，接收通道Rx的频率自始至终保持ω₀不变。发射通道Tx在T1开始瞬间将频率切换，它比接收机跑快了δω，在T1结束时，发射机超前了接收机一个相位Φ1＝δω×T1。如果在T2时间让发射机切换到一个低频率上，让它比接收机跑得慢，那么，到了T3开始，接收机就有可能追上发射机。当满足条件δω×T1＝δω’×T2时，发射机和接收机又回到了相干状态。通常T2期间称为“rewind延时”。尽管rewind方法有效，同时也被广泛采用，但是它需要额外插入一个延时，在脉冲序列编写时或多或少地添加了麻烦，并增加了脉冲序列的时间(如回波时间TE)长度。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种保证磁共振成像谱仪中射频发射与接收信号相干的方法，该方法是在数据采样结束后，最后将发射和接收频率切换到脉冲序列最初的频率值，实现发射与接收的信号相干。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种保证磁共振成像谱仪中射频发射与接收信号相干的方法，包括主机、脉冲序列发生器、发射机及其频率源和内存、接收机及其频率源和内存，脉冲序列发生器产生用于对发射机和接收机进行频率更新所需要的触发脉冲，其特征在于该方法的步骤是：采样初始，在脉冲序列开始之前，由主机向发射机的内存和接收机的内存写入所有的频率更新值；其次在脉冲序列执行期间，每当发射机更新频率时，同时更新接收机频率，之后，内存中的地址指针向后移动一个，指向下一个频率值；当所有的层的数据采样结束之后，最后将将发射和接收频率切换到脉冲序列最初的频率值。

所述发射机和接收机的频率源采用同一个参考时钟。

本发明的优点是，无需加入额外的“rewind延时”，从而使得脉冲序列的编写得到简化，并且该方法不依赖于磁共振谱仪发射机和接收机硬件部分的具体结构，是适用于数字化谱仪的一种普遍的方法。

附图说明

附图1为现有技术采用“回绕(rewind)”技术保持相位相干的的示意图；

附图2为本发明同时切换发射机和接收机的频率保持相位相干的示意图；

附图3为本发明一次切换频率时证相位相干方法的示意图；

附图4为本发明多次切换频率时证相位相干方法的示意图；

附图5为本发明实施例多层自旋回波的示意图；

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

在磁共振谱仪中，脉冲序列发生器产生用于对发射机和接收机进行频率更新所需要的触发脉冲。发射机和接收机除了包含各自频率源之外，还需要有一块内存，用于存放整个脉冲当中需要切换的所有频率信息。脉冲序列开始之前，首先由主机向发射机和接收机的内存写入所有的频率更新值。在脉冲序列执行期间，每当发射机和接收机收到脉冲序列发生器产生的触发脉冲，就用当前内存中的频率值送入各自的频率源，随即更新频率；同时，内存中的地址指针向后移动一个，指向下一个频率值。

下面以多层自旋回波为例，详细说明脉冲序列执行过程如何进行频率切换，并保证发射机接收机的相位相干。

如图5所示，Tx_update和Rx_update分别对应于发射机和接收机的频率源更新。在90°射频脉冲的同时，将发射机和接收机的频率都切换到所选层的共振频率上，且发射机和接收机的频率源采用同一个参考时钟。在对回波信号采样之前将频率切回到默认的频率值上，以便采集数据。当所有的层的数据采样结束之后，最后将频率切换到脉冲序列最初的频率值。这样，就可以保证发射机和接收机的相位相干。

本实施例方法的理论分析如下：在多层脉冲序列当中，为了保证发射机和接收机的相位相干，可采取发射机和接收机同时切换频率的方法，如图2。这样，在任何时候发射机和接收机都跑的一样快，相位差固定，保证了相位相干。

然而，要满足“发射机和接收机能够同时更新频率”的要求在一般情况下并不容易。首先，当发射机和接收机的频率源采用不相同的器件时，它们的频率更新速度就会有差别。其次，即使它们采用相同的器件，两个器件也会存在一定的差异性。更何况由于两个通道的物理位置不同，而频率更新的控制信号是由脉冲序列发生器产生的，因此频率更新信号达到发射和接收通道的时间会有微小差别。这个时间差还会受环境(例如温度)的影响，从而导致两个通道频率的更新不完全同时。

本实施例提出的方法用于发射和接收通道的频率不严格同时更新的时候，保证它们的相干性是非常重要的。

由于用rewind方法使发射和接收保持相干需要额外的延时，故选择发射和接收同时切换来保证相干具有简单的优点。但是当发射和接收通道的频率更新不严格同时的时候，频率切换会导致发射和接收通道之间产生一个相位差。假设发射通道的频率切换速度比接收通道快，如图3。最初，Tx和Rx均以频率ω₀跑，在t1时刻，Tx的频率切换到ω₁上，但是Rx的频率切换速度比Tx慢，这时Rx仍然保持原来的频率ω₀，直到过了δ_t时间之后，Rx才完成频率更新。因此在此次频率切换过程中，Tx比Rx超前一个相位：Φ₁＝(ω₁-ω₀)×δ_t。如果此后Tx和Rx不再进行频率更新，则Tx一直保持比Rx超前一个相位Φ1。但是，如果在t2时刻将它们的频率再从ω₁切换回ω₀，由于Rx通道在t2时刻的频率切换仍然比Tx慢δt时间，所以，此次频率切换Tx比Rx又超前一个相位：Φ₂＝(ω₀-ω₁)×δ_t。因此，经过两次频率切换，Tx比Rx超前的总相位为：Φ₁＝Φ₁+Φ₂＝0。

上面是脉冲序列中只切换一次频率的情况，实际上对于多次频率切换，只要在采集数据完成之后，把频率重新切换回到原来的频率，依然可以保证Tx和Rx的相位相干，证明如下：如图4，Tx和Rx进行了n次频率切换，其中最后一次切换回到最初的频率ω₀上。在n次切换完成之后，Tx比Rx超前的总相位为：

Φ＝Φ₁+Φ₂+ΛΦ_n

＝(ω₁-ω₀)×δ_t+(ω₂-ω₁)×δ_t+Λ

+(ω_n-ω_n-1)×δ_t+(ω₀-ω_n)×δ_t

＝0

可见，在采集数据完成之后，无论中间频率且换过多少次，只要将发射和接收的频率切换回原来的频率(ω₀)，就能保证它们的相位相干性。