CN107092002A

CN107092002A - 一种利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法

Info

Publication number: CN107092002A
Application number: CN201710195424.1A
Authority: CN
Inventors: 朱宇东
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2017-08-25
Also published as: CN103837848B; CN103837848A

Abstract

本发明公开了一种利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法，包括以下步骤：步骤a：提供用于测量射频波传播效果的测量方法；步骤b：通过前述测量方法获得有限的测量值；步骤c：基于前述测量值提供一预测方式，该预测方式预测发射任意的射频脉冲的射频波传播效果，效果包括能量传输和耗散；步骤d：运用前述预测方式计算射频脉冲，射频脉冲用于为具有电流传输路径的网络提供能量；步骤e：射频脉冲为具有电流传输路径的网络提供能量，实现电磁场时空变化；其中，预测方式和计算射频脉冲前摄地管理射频能量传输和耗散。如此设置，改善了磁共振成像的图像质量。

Description

一种利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法

本申请是原申请的分案申请。原申请的申请号：201210491672.8，原申请的申请日：2012年11月27日，原申请的发明创造名称：用于核磁共振系统中的射频天线装置及方法。

技术领域

本发明涉及磁共振成像(MRI)，尤其涉及多通道或多端口的并行射频发射和射频接收。本发明还涉及一种利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法，用于改善磁共振成像的图像质量。

背景技术

磁共振成像(MRI)在传输/侦测射频信号时,成像对象的原子核自旋是与B1⁺/B1^-场，而不是与射频线圈中的驱动电流/感应电流,相互作用。与此同时伴随磁场产生的电场(concomitant E field)引发射频损耗，表现以射频功耗/噪声。线圈中的电流具有非常重要的作用，充当射频发射/接收(Tx/Rx)系统和射频场之间的联系纽带，用于控制磁共振成像中的射频电磁场。

用于分析多端口系统中的射频发射/接收(Tx/Rx)的可行方案如下：a.在射频发射(Tx)过程中，以预定的射频脉冲，通过一组射频功率放大器，驱动射频线圈中的电流，电流进一步激发B1场，其中，B1⁺场激发原子核自旋，进而产生进动。与电场(E field)相关的射频损耗导致成像物体吸收射频能量，射频损耗通过焦耳热和偏振阻尼力方式衡量，即∫(σ+ωε”)|E|²dv。b.在射频接收(Rx)过程中，旋转进动引起的旋转磁化使射频线圈中产生电动势，这就产生了与B1场中的B1^-符合的电流。电流被射频接收机组侦测到，得到用于重建磁共振成像的时序信号。与电场相关的射频损耗导致接收到的时序信号中的噪声。需要指出的是射频发射/射频接收(Tx、Rx)时,电磁场分布和射频损耗是受成像对象影响的。在射频发射/接收(Tx/Rx)过程中，梯度脉冲对B1-原子核自旋的相互作用进行空间调制。这种空间调制作为射频发射/射频接收方案的一部分控制磁共振激励和侦测的空间定位。

优化线圈电流的大小和相位(magnitude/phase)、时域调制及空间分布对于改善磁共振成像性能非常重要。促进优化的一个关键因素是掌握并利用线圈电流模式或源配置(source configuration)对B1空间分布和射频功率耗散的影响。促进优化的另一个关键因素是硬件架构。除了独立的激励器和接收器，能够支持炅活多样电流通路控制的线圈结构也非常重要。本专利申请记载了考虑了以上所述因素的用于改善磁共振成像性能的新系统和新方法。

并行射频发射对于控制单位射频吸收率并同时实现高质量射频激励具有出众容量。然而，一直没有一种切实可行的方法针对活的有机生命体，充分利用前述容量，实现成像性能改善，并降低射频单位吸收率。事实上，并行射频发射带来的自由度大幅提升(这也是前述容量的基础)，反而常常引发担忧，因为不恰当的射频脉冲计算或射频匀场计算，或者多通道硬件故障，不但不定降低反尔可能恶化单位射频吸收率(SAR)。有一种功率表方案能在一定程度上应对这一担忧。该方案监视不同端口的射频功率，用功率表(powermeters)测量不同端口前向和反射功率(forward and reflected power)，实时计算净传输功率，在整体的SAR达到阈值时停止扫描。为了充分应对安全/性能考量，必须进一步采用积极方案补充现有的实时监控，积极方案应该具有如下能力：首先，在进行磁共振扫描前预测图像序列对成像对象造成的单位射频吸收率(SAR consequence)，其次是进一步优化射频脉冲，在降低单位射频吸收率(SAR)的同时实现要达到的激励(target excitationprofile)。

总的来说，迫切需要的是实际可行的SAR量化预测模型，模型针对任何B1匀场系数(shimming coefficients)或者射频脉冲激励，预测整体的单位射频吸收率(SARconsequence)和有关均值(volumetric average)，以及/或者在不同兴趣区域内的单位射频吸收率和有关均值。

原则上，对于多通道射频脉冲计算(包括B1匀场及完全并行传输)，预测模型能通过追踪SAR以及引导设计，明确地降低SAR，并可以基于同样的模型，通过预先设定一个安全余量(margin)，应对硬件故障，避免不利的后果发生。在磁共振扫描时,这些模型充当SAR监控核心，其具有预测和绘制SAR的能力，扩展了功率表方案的SAR监控容量。

现有证据表明，除了脉冲计算，射频线圈(天线)几何形状影响多通道或者多端口的Tx或Rx性能。根本上，能够支持炅活多样电流通路控制的线圈结构对提升Tx或Rx性能到极限是尤为重要。这与下述观点一致:射频脉冲调整线圈电流，该线圈电流激发射频电磁场，最终决定Tx或Rx性能。所需要的是一个射频线圈结构,该结构形成一个多端口的密集的网络结构，能够容纳和实现复杂的射频电流分布模式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用以改善磁共振成像的图像质量的利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种方法，利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化，包括以下步骤：

步骤a：提供用于测量射频波传播效果的测量方法；

步骤b：通过前述测量方法获得有限的测量值；

步骤c：基于前述测量值提供一预测方式，该预测方式预测发射任意的射频脉冲的射频波传播效果，效果包括能量传输和耗散；

步骤d：运用前述预测方式计算射频脉冲，射频脉冲用于为具有电流传输路径的网络提供能量；

步骤e：射频脉冲为具有电流传输路径的网络提供能量，实现电磁场时空变化；其中，预测方式和计算射频脉冲前摄地管理射频能量传输和耗散。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述预测方式包括使用射频波传播测量而前置的数值模型。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述数值模型包括符合二次方程式的函数元件，用于基于射频脉冲的定义预测射频能量传输和耗散，所述函数元件具有通过使用具有事先获得的功率测量值的信息而预定的参数。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述计算使用至少一个用于预测射频能量耗散的二次方程式作为输入，通过构建和解决最优化问题而整合所述预测方式，所述最优化以射频脉冲的定义作为输出。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述导体部分包括高电导率材料。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述导体部包括高电导率材料。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述通过构建和解决最优化问题而整合所述预测方式包括：将校准所得基于二次函数的射频损耗度量整合进约束或非约束的最优化架构，

或把整体和局部SAR的度量整合进约束或非约束的优化具有引导并行发射脉冲的计算的效果，使对射频脉冲波形的搜索趋于降低SAR的的方向。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述最优化架构通过如下过程实现：

通过搜索一套射频脉冲，该射频脉冲产生目标激励空间形状，同时最小化SAR。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述测量方法为利用传感器测量。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述传感器为功率传感器，通过前述测量方法获得有限的测量值包括：利用功率传感器分别获取多个端口的前向功率读数和反向功率读数。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述传感器支持相敏侦测，且通过前述测量方法获得有限的测量值包括：利用所述传感器获取对应于多端口系统的噪声关联矩阵或多端口网络的散射矩阵。

作为本发明进一步改进的技术方案，还包括获取温度测量值。

本发明针对并行方式进行射频激发和磁共振信号接收，提升了Tx或Rx性能，也可以改善单位射频吸收率和信噪比(SNR)，进而改善磁共振成像的图像质量。

附图说明

以下图示展示了实现本发明的一个较佳实施例。

以下图示分别为：

图1为实施本发明的磁共振成像系统的原理示意图。

图2为根据本发明的一实施例中的并行传输系统设置示意图。

图3A-3B为根据本发明的另一实施例中的众星线圈的示意图。

图4为具有附加端口的众星线圈(constellation coil)的示意图。

图5为具有N个端口的众星线圈的示意图。

具体实施方式

请参考图1所示，图1展示了包含本发明的磁共振系统10的主要部件，该系统是通过操作员控制台12进行控制，控制台12包括键盘或者其他输入设备13、控制面板14以及显示屏16。控制台12通过连接部件18与一台独立的电脑系统20相连，电脑系统20可以使操作员可以在显示屏16上控制图像的生成和显示。该电脑系统20包括通过背板20a进行互相沟通的若干模组，这些模组包括有图像处理器模组22、CPU模组24及内存模组26，内存模组26可以是业界熟知的用于存储图像数据组的帧缓冲器。电脑系统20与硬盘28和磁碟30连接，存储图像数据和程序，而且通过高速串行连接34与一独立控制系统32相连。

控制系统32包括通过一背板32a相互连接在一起的一组模组，所述模组包括CPU模组36、通过串行连接(serial link)40与控制台12连接的脉冲发生器模组38。控制系统32通过串行连接40接收来自操作员的需要执行的扫描序列(scan sequence)的指令。脉冲发生器模组38运行系统组件，执行指定的扫描序列，输出数据，例如：射频发射的射频脉冲的计时、强度、形状，射频接收的计时和数据采集窗口的长度。脉冲发生器模组38连接到一系列梯度放大器系统42，用于控制(indicate)扫描过程中产生的梯度脉冲的时长和形状。脉冲发生器模组38能够从生理采集控制器44接收病人信息，所述生理采集控制器44通过连接到病人的若干不同的传感器采集信号，例如通过安装在病人身上的电极获取心电图信号。脉冲发生器模组38最终连接到扫描室接口电路46，扫描室接口电路46接收与病情和磁系统相关的传感器产生的信号。通过扫描室接口电路46，病人定位系统48接收指令，移动病人到指定位置进行扫描。

脉冲发生器模组38产生的梯度波形被运用到具有Gx、Gy、Gz的梯度放大器系统42，每个梯度放大器激发梯度线圈组50中对应的一个梯度线圈，产生用于生成相应空间编码信号的磁场梯度。梯度线圈组50为磁组件52的一部分，磁组件52还包括有极化磁铁54和体射频线圈56。控制系统32中的收发器模组58产生的脉冲被射频放大器60放大，通过发送/接收开关62与射频线圈56进行耦合。病人体内被激发的原子核发出的信号被射频线圈56感知到，然后通过发送/接收开关62传输到前置放大器64，放大的磁共振信号经过收发器模组58的接收部进行解调、过滤、数字化处理。发送/接收开关62可以被脉冲发生器模组38的信号控制，从而在发射模式下电性连接射频放大器60和射频线圈56，在接收模式下，电性连接前置放大器64和射频线圈56。发送/接收开关62能够使单独的射频线圈(例如表面线圈)在发射和接收的模式下使用。

射频线圈56收集的磁共振信号经过收发器模组58进行数字化处理，然后传输到控制系统32中的存储模组66。当存储模组66获取一组原始的k-空间数据后，扫描结束。原始的k-空间数据被重新整理成与每个将被重建的图像对应的单独的k-空间数据组，每个k-空间数据组被输入到阵列处理器68，进行傅里叶变换后结合磁共振信号，形成一组图像数据,图像数据通过串行连接34传输到电脑系统20，并保存在存储装置例如硬盘28中。与控制台12发出的指令相对应，所述图像数据可以长期存储起来，例如存储在磁碟30上，或者通过图像处理器22进行进一步处理并传送到控制台12，并在显示屏16上显示。

本发明是针对并行方式进行射频激发和磁共振信号接收的方法和系统，这种并行的激发和接收方式可以通过加速射频脉冲/加速磁共振信号定位来减少扫描时间，也可以改善单位射频吸收率和信噪比(SNR)。

以下详述的示例方法是关于用有限的测量数据来预测射频功率传输/耗散和B1场分布。

针对任一源配置(source configuration)，可以通过使用适当的系统模型和从校准过程中获得的测量数据来掌控B1空间分布和射频损耗。源配置(source configuration)是指一组预先在发射器(Tx case)中设定的射频脉冲或一组在接收器(Rx case)中用于对获取信号的图像重建的权重。用多端口构思分析非常有效，如图2所示意的例子中，成像目标78和磁共振所用的射频线圈72可以视为一多端口网络90，该网络通过端口80与若干源(source)进行相互配合。在射频发射(Tx)过程中，端口连接到射频功率放大器74的输出端。在射频接收(Rx)过程中，端口连接到接收器的预放大器的输入端。通过发送/接收开关62获得不同的路径。

核心的构思是使用适当的一组源配置(source configuration)进行校准实验和记录多端口系统的反应。在对射频发射(Tx)校准过程中，结果被用于确定系统反应和预定的射频脉冲之间的数量关系，后续可以反过来用于预测针对不同预定的射频脉冲的系统反应。

多端口射频发射/接收(Tx/Rx)系统硬件通常保证在成像物体中产生的电磁场相对源(source)为线性反应。在射频发射(Tx)过程中，假定射频功率放大器(它们放大预定的射频脉冲和驱动多个端口)满足适当的线性规范(satisfy proper linearity specs)，每个放大器对多端口网络便展示为具有输出端阻抗的电压源，该电压源与提供给放大器的输入端的预定射频脉冲线性关联。在这样的情况下，麦克斯韦公式的线性体现在电磁场对电压源和射频脉冲的反应为线性。成像物体内的任一电磁场分量作为时间的函数，表现为如下公式1：

b(t)＝L(v⁽¹⁾(t),v⁽²⁾(t),...,v^(N)(t)),

其中，L代表线性变换，b(t)代表该电磁场分量,v⁽ⁿ⁾(t)代表预定的射频脉冲,N代表Tx端口的数量。

在定态分析中，可以使用相量标记任一时变量，例如电压源、通过导体横截面的电流、电磁场矢量的一分量。具体地，可以通过使用复变量表达时变量，该时变量可通过对复变量与exp(j2πf₀t)的相乘结果取实部获得。

相量简化了磁共振中的射频信息的描述。在实际中系统电子控制以Δt时长间隔为单位，Δt相当于例如2微秒。一预订的射频脉冲的实现是一连串控制的结果:在一连串连贯的Δt时长的间隔中的每个间隔开始时,系统电子设备对一频率为f₀的正弦波施加一权重,该权重是一复数(n＝端口指数,p＝间隔指数),对应于一大小-相位对。一整套权重来自所谓的射频脉冲设计过程。

相量标记适合每个Δt时长间隔的定态分析，例如，在体内的位置r和在第p个Δt时长间隔，E场可以表示为 E场相应的相量标记是复向量：对于该间隔，第n个端口的预定射频脉冲的相量标记是复标量

对于一个Δt时长间隔，根据公式1，使用相量标记的线性系统行为可以表示为矩阵式，具体如公式2：

b＝A w，

其中，b＝[b⁽¹⁾b⁽²⁾…b^(M)]^T，b为一个收集感兴趣的时变量的矢相量(a vectorcollecting phaser representations of the time variables of interest)，w＝[w⁽¹⁾w⁽²⁾…w^(N)]^T，w为一个用于收集预定射频脉冲定义的矢相量(a vector collecting thedefinitions for the predetermined RF pulses)，(其第n分量是一个复标量，标记该Δt时长间隔和第n个端口的大小-相位对)，A是复值的M*N矩阵。

电磁场校准用精心选定的一组输入设置(即源配置)来探测多端口网路，测得的电磁场反应加上一合适的系统模型进而用于预测电磁场对任一输入设置的反应。

磁共振系统线性度便于电磁场的校准，公式2显示，基于线性，采用线性独立输入设置的N个实验测得的电磁场反应能用于预测任意输入设置情况下的电磁场反应，因矩阵A完全由测得的电磁场反应和N个输入设置决定，具体如公式3所示：

公式3汇集了公式2，实验索引参公式中的下标数字所示。需要指出的是，根据输入设置的线性无关性，逆矩阵的存在是受保证的。举个简单的例子，可以通过N个实验校准Tx电磁场，其中第n个实验(n＝1,2,…N)涉及用单位振幅且零相位的矩形射频脉冲驱动第n个端口，其他端口则用零振幅的射频脉冲。这种情况下[w₁w₂…w_N]是个单位矩阵，从而A＝[b₁b₂…b_N]。

对于多端口并行激励，这包含多端口B1匀场这一特别情形，公式3的原理可以用作预测B1⁺。预测B1⁺是射频脉冲设计过程的前提。这种情况下b_N是收集第n次试验中B1⁺空间抽样的矢量。当A用公式3代表的校准方案获得后，就可预测任意一组射频脉冲激励下的B1⁺场的时空变化，进而，射频激励的空间形状。这使得用适当的射频脉冲设计来进行激励的空间形状控制成为可行。

在产生目标的激励空间形状时，必须避免在被成像物体上产生过多的射频功率耗散。这可通过在射频脉冲设计过程中引入适当的度量追踪射频功耗散来解决。例如，设计射频脉冲可以视为一个受约束的最小化问题，其在搜寻射频脉冲时,以产生目标激励空间形状为约束，同时最小化E场引起的单位射频吸收率。

活体组织的热平衡可由Pennes bio-heat方程描述(Pennes Bio-heat equationdescribes thermal energy balance for perfused tissue.)。射频功率耗散，当存在时，成为带动温度上升的驱动力，具体如下述公式：

其中，ρ,C和k分别代表组织密度,热容量和导热性,h_b是血与组织之间的热流量传输率,h_e是局部射频能量耗散率。伴随射频能量耗散的增加,组织过热可能会发生。

需要指出的是h_e是焦耳加热和极化衰减力量导致的,是和局部的E场强度成比例的，具体计算公式为:h_e＝1/2σ|E|²,其中σ＝σ_组织+ωε”。

由于成像目标体型和组分的差异，以及高频率下的源和成像目标之间的互动的加剧，电场和射频功率损耗很大程度上取决于成像目标。为了解决这一问题，有方法建议把基于平均的人体模型仿真获得的单位吸收率结果与实际人体外形及场的测试综合起来。然而，令人关注的是此综合方法在高场磁共振中容易产生大的误差，因仿真模型和实际之间的小差异常会导致SAR结果之间的可观且难以调和的差异。为了准确预测单位射频吸收率和改善磁共振性能，需要用基于实际具体成像对象的测量来建立SAR预测模型。

从磁共振成像的发展的角度来看，特别是在高场磁共振成像，为了管理SAR,不可避免的是需要针对活的有机体校准SAR模型，就像为了管理激励空间形状，需要校准B1分布图。为了特定扫描设置下的结果最优，可基于每个成像目标，使用B1和SAR校准结果作为重要输入参数引导最优脉冲计算或者匀场计算。而为进一步改善设置本身，可综合广泛的校准结果，以之作为重要输入参数，引导射频系统和线圈的优化。本发明在两个方面创立并使用SAR预测：整体SAR和任何局部SAR。这和未来的高场磁共振发展趋势一致。

如前述，可以从网络观点来看磁共振中的射频发射和接收(Tx/Rx),其中成像目标和射频线圈视为一多端口网路，该网络通过端口与若干源进行相互配合。当磁共振扫描器保持有对于高质量扫描需要的良好线性时，电磁场和源配置之间具有线性关系，特别是，与第p个Δt时长间隔内的E场可表述为与N个射频发射端口相对应的N个E场的权重叠加，权重分别为w_p ⁽¹⁾,…w_p ^(N)。局部射频功率损耗因此计算公式如下:

其中，Λ是N排-N列正定厄米特矩阵，^H代表共轭转置(conjugate transpose),*代表复共轭(complex conjugate),底线部分是矢量或矩阵输入分量的排或列标。

上述公式表明，局部射频功率损耗是w⁽¹⁾,…和w^(N)的二次方程。用矩阵式表述，对于第p个Δt时长间隔，h_e＝w^HΛw,其中w＝[w⁽¹⁾…w^(N)]^T是一个矢量用于收集幅值－相位对。这些幅值－相位对来自N个并行射频脉冲针对该Δt时长间隔的定义。进一步，在该Δt时长间隔中的整体射频功率损耗也可以用二次方程式计算，具体如下：

整体射频能量损耗是ξ_p的时间积分,具体表示如下:

其中w_full是一个矢量，收集了一整套权重(即定义了射频脉冲的所有幅值－相位对)。类似地,

公式6计算了整个射频激励过程产生于局部地址x的射频能量损耗。

需要指出的是描述单位射频吸收率,即使不存在线圈元间耦合,考虑局部和整体射频能量损耗时也不能把多个源视为互相孤立而对待，这归因于E场的重叠。量化时这反映于Λ和Φ中通常非零的相关项分量，这些非零的相关项分量总结了多源相互干涉的特征,包含了有效降低SAR所需信息。对照之下,现有的匀场计算/射频脉冲计算采用简单的或者加权的多个源的平方和，忽略了多端口发射时多源相互干涉的效应，这样在跟踪和管理SAR方面会存在严重偏差。

对于安装了合适传感器的系统，如图2中所示的功率传感器82,Φ能用一校准过程推断。当传感器是功率传感器并可以提供多个端口前向和反射功率读数时,一个确定Φ的方法是用一组适当预选的输入设置(即源配置)做实验,然后处理实验得到的功率读数。根据能量守恒定律,Σp_fwd-Σp_rfl,输入N端口网络的净射频功率等于网络的整体功率耗散。若以w_q作为输入设置,从传感器读数计算出来的净射频功率耗散,即Σp_fwd-Σp_rfl,与w_q相关，具体如下述公式：

Σp_fwd,q-Σp_rfl,q＝w_q ^HΦw_q＝Σw_q,i ^*w_q,jΦ_ij,

公式7

其中w_q,i和w_q,j分别表示w_q的第i个和第j个分量，公式7是Φ_ij的线性方程,Φ的分量是未知数,乘积项w_q,i ^*w_q,j是系数。

通过一些列实验容易得出多端口网络的射频损耗特征:每个实验的功率传感器读数以及源设置(source configuration)组合成公式7所述的线性方程式；组合足够数量的方程式，然后便能计算出Φ的所有分量。若以d_q代表一按照一定顺序收集的所有w_q,i ^*w_q,j的矢量,需要重点注意的是，输入设置的选择应使得所获的一组d_q(q＝1,2,…)线性无关。从计算Φ_ij的强抗扰力的角度来看,最好以一定的方式选择输入设置，这样的方式使得矩阵[d₁d₂…]的条件数比较小(例如使得该矩阵正交)。

当传感器支持相敏侦测时,确定Φ的一个替代方法是使用互易原则(theprinciple of reciprocity)，具体地,基于对应于多端口系统的噪声关联矩阵(协方差矩阵)Ψ,该矩阵可以通过连接多端口的接收器获得,Φ的计算可以使用如下公式：

Φ＝L₁ ^HΨ^TL₁,

一般来说，接收器前方的前置放大器在接收(Rx)过程中对多端口网络表现的一系列阻抗不同于功率放大器在发射(Tx)过程中对多端口网络表现的一系列阻抗。变换矩阵L₁照顾到这一因素。特殊情况下所有端口在Tx和Rx的过程中匀见50Ω，这时L₁是单位矩阵。

另外,可以不采用测量噪声关联矩阵,而采用多端口网路的散射矩阵S和博斯马定理推算Ψ:

Ψ＝kT L₂ ^H(I-S S^H)L₂,

接下来，Φ的计算可以使用如下公式：

Φ＝L₃ ^H(I-S S^H)^TL₃＝L₃ ^H(I-S^HS)L₃.

L₁,L₂或L₃经过不同的校准后可以被确定。

采用非侵入方式空间分辨活体内的射频能量耗散是可行的。磁共振测温以高精度进行时,不仅可以记录温度,而且提供能用于确定Λ(x)的信息并因此使局部SAR预测模型能量化。这可以使用盆尼(Pennes)生物传热方程来进行解释,当射频发射试验是在相对于热传导足够短的时间内进行时,局部射频能量耗散与当地温度的上升成一定比例,即ΔT∝h_e＝1/2σ|E|²。因此在体内的位置x，磁共振测温获得的ΔT测量值能用来确定Λ(x):

1/2σ|E|²＝w_q ^HΛw_q＝Σ_ijw_q,i ^*w_q,jΛ_ij

公式8

如公式8所示,确定Φ的原理同样可以用来确定Λ(x)，区别在于后者使用温度测量值ΔT作为传感数据来求解线性方程中的Λ_ij。

利用磁共振测温校准局部SAR预测模型的障碍之一在于活体情况下的测温精度/动态范围。但这不是个根本限制。不同于追求高度准确的局部温度上升的图示和预测,一个策略是避免事故性违反美国食品和药物管理局(FDA)对局部SAR的限制。如果仅仅依赖整体SAR监测、预测和管理,这样的事故性违规不太可能100％被发现或消除。通过对局部SAR模型误差的掌握,可以建立相应的射频脉冲计算的安全余量。在活体上对整体射频能量耗散的准确预测和对热分布的合理预测，结合在一起可以提供一有效优化发射和降低活体SAR的新手段。

与在大尺寸3D空间利用体线圈实现B1均匀化的传统做法的不同，给予并行发射有力的手段去改善SAR问题。直观地,当成像区域是发射线圈覆盖的成像目标的一小部分,优化对线圈结构的利用，例如，使靠近成像区域的线圈部分比其他部分贡献更多,能够避免不必要高的射频功率耗散。

实践中，可用一受约束的最优化架构明确具体地执行优化。基于SAR及激励空间形状与射频脉冲的量化关系,该架构降低SAR是通过搜索一套射频脉冲，该套射频脉冲产生目标激励空间形状，同时最小化SAR。一不受约束的最优化架构可以作为替代选择，其提供更快的数值解决方案。激励空间形状精度可适度降低情况下，可以搜索一套射频脉,该套射频脉冲最小化形状误差与SAR的加权和。上述任一型式的搜索的前提是清楚地获知SAR与射频脉冲的数量上的关联。

本发明提供了示范方法，把对射频能量发射/耗散的预测整合到激励脉冲的计算中。

给定预测模型，例如二次函数w^HΦw(及适用局部的w^HΛw)，将SAR值与射频脉冲相关联,设计射频脉冲时可以从预测模型中获得指导。这就使得并行发射系统所具有的额外自由度能发挥出优势,做到调整E场和降低SAR，如下的示例展示了将校准所得基于二次函数的射频损耗度量整合进约束或非约束的最优化架构。

为了降低整体SAR,所述度量(metric)是公式5中定义的ξ，为了降低局部SAR,所述度量是

ξ_local是对所有兴趣点的局部的射频功率耗散值(公式6)加权统计，非负权重η_l则指定降低各局部区域SAR的相对重要性。把整体和局部SAR的度量整合进约束或非约束的优化(optimization)具有引导并行发射脉冲的计算的效果，使对射频脉冲波形的搜索趋于降低SAR的的方向，这是因为选择其他波形，会由度量值增大而付出更大代价。设计SAR优化的并行激励脉冲参下面的详述。

在小角度激励范畴或据其引申出的大角度范畴,对一给定的k-空间轨迹，可以使用如下方法进行设计并行发射脉冲:

Ω是一个包含视场内所有点的权重的对角矩阵，这些权重反映重要区域(例如，对于重要区域和非关注区域分别分配1和0,和/或针对性地对视场内不同点分配分数值以指定精确激励对各点的相对重要性)。α和β为正参数,用于平衡SAR的降低与准确空间形状的激励。β和η_l的数值大会限制兴趣点的SAR的增加。本实施例使用功率相关矩阵，而不是一个单位矩阵，这具有多点优势，不仅帮助改善数值求逆的可靠性(规则化效果(regularization effect)),而且准确追踪SAR使最小化SAR成为射频脉冲设计时的重要准则。这是重要的改进：例如，对于一组并行射频脉冲，可以对其中的一个脉冲增加180°相位，而不影响w^H I w的值–对于由脉冲驱动的E场的建设性的或破坏性干涉及其导致的SAR的改变,该度量不能捕捉。使用单位矩阵I进一步假定各通道承担同样的贡献–在同样的射频脉冲驱动下，只要不同的端口对SAR贡献不同,这假定就不成立。

与公式10相对的受约束的最佳化计算如下：

公式11强调激励空间形状准确，但是快捷的数值求解方案较少。

可以把最优化k-空间采样(sampling)的技术与最小化SAR进一步整合。对一给定的发射设置和目标激励空间形状，之前介绍的子空间正交互配搜索方法通过一组一组地选择性删减E_full矩阵的各纵列组，显著增加k-空间欠采样并因此缩短了激励脉冲。更好的方法是使用一修改过的准则，该准则不仅考虑纵列组对生成目标激励空间形状的贡献，而且也考虑其对SAR产生的后果:在j次叠代运算确定G组和对应的脉冲波样本w,选取令下式最小化的G和w:

这体现了一种改善，因新的脉冲设计以可控的平衡,同时优化激励空间形状的准确性,SAR和脉冲长度。

对于大角度并行发射脉冲设计，可以引申一基于最优控制的方法，以达到有效的SAR最小化：

通过用控制系统表达布洛赫方程(Block equation)，上述方程反映了把磁化空间形状(状态向量M(t))朝向目标空间形状D(目标状态)激励对射频脉冲波实数部分(u(t))和虚数部分(v(t))的要求。需要最小化的度量具有一项用于对最终状态背离目标状态进行处罚，另具有一项用于对SAR的增加进行处罚。在大角度激励范畴,准确追踪和具体明确的SAR最小化是尤其令人期望的，因为高效的SAR管理,通过更大的翻转角/更紧凑的成像序列,为MR的应用带来新机会。

B1匀场可以使用缩减版的公式10。为了进一步改善性能,可以完全放宽对相位的要求，例如追求最终激励出的空间形状的幅值的均匀性，但是忽略相位的空间变化，该问题表述如下:

其中w是收集匀场系数的Nx1矢量,E包含B1⁺样本(不再包含梯度编码效果),u_full代表目标的均匀B1+场。

优化射频线圈电流的大小/相位，时间调制以及空间分布对磁共振成像性能非常重要。优化的重要前提是对与线圈电流模式或源配置相关的B1空间分布及电场引发的射频损耗的了解。解决的方法是B1映射和功率相关矩阵校准。优化的另一个重要前提是提供有利于优化的硬件架构。实施例提供新的射频线圈结构，这不仅支持最炅活多样电流通路控制，允许在同一导体结构上适用不同的电流模式,而且大幅简化了射频线圈的制造。具有这样的结构而且支持多通道或者多端口Tx/Rx的射频线圈称为众星线圈。

和传统的并行射频发射/接收线圈相比,众星线圈上对应多通道或多端口的部分不必要相互隔离，相反，这些部分彼此之间具有电容性或电感性的耦合或者直接互连，这些部分彼此之间的去耦是次要的。众星线圈的结构强调了几个特性，所述特性构成高质量并行Tx/Rx运作的基础。这对制造和使用用于磁共振成像的射频线圈具有深远意义,在下述说明中进行讨论。

示例的众星线圈为栅格形式，多组导体位于不同的物理层，并在格点位置电容性耦合。一个有效的线圈制造方法是在多层高介电常数基片上安置多组导体，每层基片夹持在两组导体之间.图3B展示了一个带两组导体101,102的板本，顶层的一组101导体被蚀刻在基片103顶面104，底层的一组导体102被蚀刻在基片103底面105。基片具有较高介电常数,加上其他因素如基片厚度和导体在格点位置附近的宽度和形状，一起决定了一较大的电容性耦合，具体如图3A中的等效电路中的电容106示意。

构造的线圈最好满足如下要求：电容在拉莫频率时具有小电抗，在音频时具有高电抗。这样的特性使得射频电流可以穿过电容性耦合，当基本上平行的导体之间的间隔较小时，密集栅格结构为射频电流提供一种连续的导体结构，使得这样的结构在一定程度上像射频遮蔽罩。这连续性能支持复杂的射频电流模式，包括能提升并行Tx/Rx性能的射频电流模式。同时，这样的结构对音频梯度场是透明的，因为这样的场不能在栅格中感应大的电流。

众星线圈有望成为最有效的并行射频天线。该构想基于电动力学原理改善SNR和SAR性能:它重视电流分布的优化，而决定Tx/Rx性能的B1场和E场来源于电流分布。相对于传统线圈的几个突破概述如下：

首先,传统的线圈结构过于离散而不能炅活多样地支持高场磁共振Tx/Rx需要的复杂的电流模式，而去耦或者模结构又对电流附加很多的限制。众星线圈的各部分能够良好地进行耦合，类似网状射频遮蔽罩而最大化支持复杂/宽带射频电流模式，并不必要处理去耦或者模式结构。需要的电流模式可以通过用线圈结构中分布的多个端口(众星)进行驱动或者接收来实现,这可用基尔霍夫电流定律进行分析。实际上，基于校准获得的B1+/B1-分布图和功率/噪声关联矩阵，期望的电流模式可以通过使用预定的并行发射射频脉冲/并行接收图像重建来实现。对电流模式的具体了解或者特殊的射频脉冲设计/图像重建是不需要的。

其次,众星线圈可以更好地应对射频损耗。E场与成像物体的直接耦合是高场磁共振中一重要射频损耗机制，而现在通过线圈上的分布电容的大数量和高密度，这一损耗会大大减少。密集分布的导体协作传导电流，能帮助降低射频电流所受的阻抗。众星线圈与新导体材料,例如,碳纳米管,也更容易整合，这提供了进一步减少导体损耗的机会。

第三,要使传统线圈有效可靠地工作，复杂的设计、制造、调谐和测试是必须的。实际中具有相当挑战性的例子包括在多个线圈元复杂互扰的状态下调谐这些线圈元,整合大量的零部件(电容器，电感器，和抑制或启用/禁用电路),和失效模式的管理。传统线圈还面对这一事实:一种结构不能足以用于射频发射和接收,身体的不同部分,多重频率和不同的并行磁共振加速设置。这导致对线圈的过份大量的需求，这对临床实践意味着昂贵的使用和维护费用。

众星线圈的构思遵循了基于场优化的SNR/SAR性能改善。相比之下,试图让多个单独的线圈(元)凑在一起工作的传统方法不仅昂贵，不尽可靠，应用范畴过度受限，在高通道数并行设置的情形下尤其面临挑战，而且过分受约束以至无法把磁共振信号激励和侦测水平提高到新的高度，实现电动力学所允许的极限性能。

如图4所示，当增加一个端口110到众星线圈时，如果需要，可以引入一个匹配的网络111而实现匹配。对于射频接收,主要目标是为接收器前面的前置放大器提供合适阻抗，以使前置放大器在低噪声系数情形中运作。对于射频发射,主要目标是为功率放大器提供合适阻抗，使其能够输出最大功率。图5进一步展示了运用带有N个端口110的众星线圈的例子，对于第n个端口，如果需要，一个额外的电容可以增加进来，并与Cn平行。电容和电感Ln串联组成了匹配网络，其具有附加的特性，即能够将前置放大器的低输入阻抗/功率放大器的低输出阻抗转化成非常高的阻抗。如果有进一步需要，通用的多输入和多输出界面/匹配网络可以被运用，使得匹配更加便利。

以上对系统和方法的描述包含很多特性,这些不应被解释为对保护范围的限缩，而仅仅是较佳实施例的说明。其他变换和结果通过不同实施例的启发也是可能的,例如，场的建立和射频损耗预测模型可以采用其他传感器数据，包括场测量，传播测量和不同的磁共振信号。进一步地，众星线圈并不局限于所展示的平面结构或者两组导体，同样的构思也适用于圆柱体,球面结构和其他弯曲结构，或者符合身体形状的其他复杂的外形。构建多层结构可以提供附加的优势。硬的或者弹性/柔性材料可以使用，实现良好性能。使用碳纳米管或者超导材料可以使性能最优化。

Claims

1.一种利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法，包括以下步骤：

步骤a：提供用于测量射频波传播效果的测量方法；

步骤b：通过前述测量方法获得有限的测量值；

2.如权利要求1所述的一种利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法，其特征在于：所述预测方式包括使用射频波传播测量而前置的数值模型。

3.如权利要求2所述的一种利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法，其特征在于：所述数值模型包括符合二次方程式的函数元件，用于基于射频脉冲的定义预测射频能量传输和耗散，所述函数元件具有通过使用具有事先获得的功率测量值的信息而预定的参数。

4.如权利要求1所述的一种利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法，其特征在于：所述计算使用至少一个用于预测射频能量耗散的二次方程式作为输入，通过构建和解决最优化问题而整合所述预测方式，所述最优化以射频脉冲的定义作为输出。

5.如权利要求4所述的一种利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法，其特征在于，所述通过构建和解决最优化问题而整合所述预测方式包括：将校准所得基于二次函数的射频损耗度量整合进约束或非约束的最优化架构；

或，把整体和局部SAR的度量整合进约束或非约束的优化具有引导并行发射脉冲的计算的效果，使对射频脉冲波形的搜索趋于降低SAR的的方向。

6.如权利要求5所述的一种利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法，其特征在于，所述最优化架构通过如下过程实现：

7.如权利要求1所述的一种利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法，其特征在于，所述测量方法为利用传感器测量。

8.如权利要求7所述的一种利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法，其特征在于，所述传感器为功率传感器，通过前述测量方法获得有限的测量值包括：利用功率传感器分别获取多个端口的前向功率读数和反向功率读数。

9.如权利要求7所述的一种利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法，其特征在于，所述传感器支持相敏侦测，且通过前述测量方法获得有限的测量值包括：利用所述传感器获取对应于多端口系统的噪声关联矩阵或多端口网络的散射矩阵。

10.如权利要求8或9所述的一种利用具有电流传输路径的网络实现电磁场的时空变化的方法，其特征在于，还包括获取温度测量值。