包括通過維度縮減的參數(shù)空間內(nèi)的優(yōu)化確定目標(biāo)場的勻場過程的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于使得在具有N個勻場線圈的磁共振裝置的有效體積內(nèi)具有 分布B0(r)的靜態(tài)磁場均勻的方法，其中所述方法包括下面的步驟：
[0002] (a)映射靜態(tài)磁場的磁場分布BO(r)，
[0003] (b)定義目標(biāo)場分布BOT(r)，
[0004] (c)通過調(diào)整勻場線圈內(nèi)的電流，在所述有效體積內(nèi)產(chǎn)生目標(biāo)場分布BOT(r)，
[0005] 其中，在步驟（b)使用用于優(yōu)化目標(biāo)場分布BOT(r)的數(shù)值質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化過程。
[0006] 其中，所述優(yōu)化過程由此提供通過N個勻場線圈的電流的值，
[0007] 和其中在所述優(yōu)化方法中使用一種空間加權(quán)函數(shù)。
[0008] 這種方法區(qū)別于下列參考文獻(xiàn)：MarkusWeiger，ThomasSpeck，MichaelFey， "GradientShimmingwithSpectrumOptimization，"JournalofMagneticResonance 182 (2006)，38-48 (參考文獻(xiàn)[5])。
【背景技術(shù)】
[0009] 本發(fā)明的背景
[0010] 許多磁共振方法需要盡可能均勻的靜態(tài)磁場，例如，以便在光譜法的情況下實(shí)現(xiàn) 高光譜分辨率，或者在成像法的情況下，實(shí)現(xiàn)無失真并且盡可能銳利的圖像。所謂的勻場線 圈是一種已知的用于調(diào)整靜態(tài)磁場的均勻度的裝置（例如，見參考文獻(xiàn)[2])，在有效體積 內(nèi)，除了主磁場之外，還形成可調(diào)整的可用磁場。從這些勻場線圈中的每一個自己的可調(diào)整 的電流源給其提供電流?？梢越柚鱾€勻場線圈產(chǎn)生的不同的場分布，使得大范圍的場分 布均勻。已知具有多達(dá)38個獨(dú)立的勻場線圈或者，相應(yīng)地，38個電流源的勻場系統(tǒng)。
[0011] 除了用于產(chǎn)生磁場的裝置之外，需要一種用于尋找適合的電流設(shè)置的方法。這種 方法被稱為勻場方法，通過應(yīng)用該方法實(shí)現(xiàn)工作體積內(nèi)的所希望的均勻磁場分布。這種方 法的一個特別的困難涉及對在選擇電流設(shè)置時的大量自由度的處理。具體地，公知的勻場 方法（例如，見參考文獻(xiàn)[1])通過在每個電流自由度中執(zhí)行微小變化，逐漸地改進(jìn)用于捕 捉全局均勻性的測量的變量（諸如幅值，信號能量或者諧振線的二階矩），該方法受到所需 的處理步驟的數(shù)目隨著自由度數(shù)目的增加而大量增加的困擾。
[0012] 當(dāng)勻場方法將關(guān)于有效體積內(nèi)的靜態(tài)磁場的空間分布的信息考慮在內(nèi)時，實(shí)現(xiàn)了 與這種方法相比的顯著改進(jìn)。在一個處理步驟中獲得關(guān)于靜態(tài)磁場的空間分布的信息，在 該處理步驟中，在適合的測量方法的幫助下，映射靜態(tài)磁場的磁場分布B0 (r)。
[0013] 其它現(xiàn)有摶術(shù)
[0014] 特別高效的用于調(diào)整勻場線圈內(nèi)的電流的已知方法包括下面的步驟：
[0015] (a)映射靜態(tài)磁場的磁場分布B0 (r)，
[0016] (b)定義目標(biāo)場分布B0T(r)，
[0017] (c)通過調(diào)整通過勻場線圈的電流，在有效體積內(nèi)產(chǎn)生所述目標(biāo)場分布B0T(r)。
[0018] 在參考文獻(xiàn)[4]中描述了這種方法：
[0019] 借助于基于相敏磁共振成像的方法，將磁場分布B0(r)映射到靜態(tài)磁場的有效體 積內(nèi)，相敏磁共振成像的應(yīng)用使用用于確定信號的空間原點(diǎn)的可切換梯度線圈。這些方法 的例子包括梯度回波法和自旋回波法。
[0020] 在定義目標(biāo)場分布BOT(r)時使用了其最優(yōu)值（最小值或者最大值）定義目標(biāo)場 分布BOT(r)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]的方法中使用了從模擬譜得出的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 基于預(yù)測的譜確定諸如譜線和圍繞譜線的包絡(luò)曲線的半高全寬（FWHH)性質(zhì)，并且這些性 質(zhì)被組合以便形成一個變量，該變量作為優(yōu)化算法的目標(biāo)變量。在所述優(yōu)化算法找到該目 標(biāo)變量的最優(yōu)值之后，定義屬于該最優(yōu)值的磁場分布作為目標(biāo)場分布。然后，在該方法中， 迭代地調(diào)整勻場線圈內(nèi)的電流，并且通過有效體積內(nèi)的磁場分布的更新的映射檢驗由此實(shí) 現(xiàn)的效果，直到達(dá)到目標(biāo)場分布為止。
[0021] 存在許多適用于尋找目標(biāo)場分布的已知的優(yōu)化算法。選項包括高斯-牛頓法，共 軛梯度法，單形法和模擬退火方法。一般地，隨著參數(shù)空間的更高維度（在這種情況下，隨 著勻場線圈的數(shù)目或者，相應(yīng)地，電流的數(shù)目），用于發(fā)現(xiàn)最優(yōu)值的計算工作量增大。
[0022] 在本介紹中引用的參考文獻(xiàn)[5]中描述了本發(fā)明的主題內(nèi)容的最接近的現(xiàn)有技 術(shù)。
[0023] 此處，還執(zhí)行質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化，以便定義所述目標(biāo)場分布，借此在所述優(yōu)化方法中 使用空間加權(quán)函數(shù)。通過將參數(shù)空間減少到一維實(shí)現(xiàn)高效的優(yōu)化。此處實(shí)現(xiàn)了一維參數(shù)空 間內(nèi)的優(yōu)化，從而以空間加權(quán)函數(shù)W(r，k) = (Bl(r))k對測量的磁場分布B0(r)進(jìn)行加權(quán) 擬合，其中指數(shù)k被改變。此處的擬合函數(shù)是勻場線圈的場分布。由k接替所述單個參數(shù) 的角色。參數(shù)k的每一個選擇導(dǎo)致將被為勻場線圈并且接近均勻分布的場分布設(shè)置的一個 電流列表。
[0024] 少量的分析（即，少量的k值）通常足以找到非常好的解，即使當(dāng)沒有其是最優(yōu)解 的保證時。該過程的優(yōu)點(diǎn)在于避免了與高維度參數(shù)空間內(nèi)的勻場線圈一樣多的維度的優(yōu) 化。
[0025] 現(xiàn)有摶術(shù)的附加問題和缺點(diǎn)
[0026] 勻場方法的另一個問題基于這樣的事實(shí)，S卩，通過使用一組場分布（諸如可以由 勻場線圈創(chuàng)建的場分布）在有效體積內(nèi)映射場分布所獲得的磁場分布的近似，一般導(dǎo)致數(shù) 學(xué)上不適定（illposed)的問題。處理數(shù)學(xué)上不適定的問題的已知方法是通過問題的規(guī)則 化（見，例如參考文獻(xiàn)[6])。
[0027] 借助于規(guī)則化可以在很大程度上消除這些問題，其中進(jìn)行嘗試以便以最小可能的 濾波效應(yīng)防止高頻振蕩。在參考文獻(xiàn)[3]中描述了規(guī)則化MRI實(shí)驗的勻場的一種應(yīng)用。該 處描述的勻場方法旨在消除數(shù)值不穩(wěn)定性，當(dāng)使用被構(gòu)造為由它們產(chǎn)生的磁場在圍繞中點(diǎn) 的球狀體積內(nèi)形成正交函數(shù)集合的勻場線圈對不是球狀并且其中心相對于勻場線圈的中 點(diǎn)偏移的有效體積進(jìn)行勻場時，會出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定性（見參考文獻(xiàn)[3]的第1欄第56 - 63 行）。
[0028] 在這種情況下，如果使用高階函數(shù)進(jìn)行勻場（即，確定電流的大量自由度），則即 使由于例如測量噪音而發(fā)生的微小的誤差也將影響映射的磁場，因此除非執(zhí)行規(guī)則化，結(jié) 果將是作為無用解的具有相反符號的過度的勻場電流?？梢酝ㄟ^使用規(guī)則化方法防止電流 的發(fā)散。
[0029] 雖然在最后部分中描述的關(guān)于發(fā)散的電流的問題可能不會在所有情況下出現(xiàn)，一 般有極大興趣尋找相對于勻場功率是經(jīng)濟(jì)的勻場電流設(shè)置。其理由包括防止相鄰的勻場線 圈加熱測量系統(tǒng)和樣本體積。另外，以與硬件限制相距足夠距離的電流操作電流源是有利 的。除了各個電流的最大值之外，電流源的電源總功率以及電子元件的溫度也是相關(guān)的限 制。
[0030] 對一維參數(shù)空間的優(yōu)化的約束，如參考文獻(xiàn)[5]描述的，對于將電流或者功率的 硬件限制考慮在內(nèi)來說約束太多。然而，明確地考慮這些限制又要求必須考慮整個參數(shù)空 間，這導(dǎo)致優(yōu)化太費(fèi)時間。
[0031] 考慮電流限制的一種非常原始的方法簡單地由以下步驟組成：首先計算對質(zhì)量標(biāo) 準(zhǔn)的優(yōu)化而不考慮該限制，然后將勻場線圈的各個電流限高在相應(yīng)的最大值允許值。如參 考文獻(xiàn)[7]所示，一般可以用相同的限制實(shí)現(xiàn)更好的結(jié)果。參考文獻(xiàn)[7]中提出的改進(jìn)采 用一種最小化算法，其被針對每一個勻場電流的一個正極限和一個負(fù)極限，以及該質(zhì)量標(biāo) 準(zhǔn)對勻場電流的二次相關(guān)性的特定情況進(jìn)行設(shè)計。如上面討論的，更加復(fù)雜的限制（諸如 勻場功率）也在實(shí)際中發(fā)揮作用。還希望其對勻場電流的相關(guān)性與二次相關(guān)性不同的質(zhì)量 標(biāo)準(zhǔn)。在這兩種情況下，該算法不再適用。此外，在參考文獻(xiàn)[7]中提