CN100443917C - 磁共振方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种新颖的产生磁共振图像的磁共振成像方法，其中采用了恒定磁场和临时磁梯度场。在图像域中，灵敏度分布(W(p))映象接收器天线系统的接收器灵敏度值。移位值(p(x))在恒定磁场的实际值和临时梯度场的基础上将空间域中的位置映象到图像域中的像素(体元)。在临时磁场梯度引起的空间编码的基础上，由磁共振信号重构具有偏移像素(体元)的折叠图像。在从空间域中不同位置到相应信号分布源的空间接收器灵敏度映象的基础上，展开折叠图像中的偏移像素(体元)因而重构磁共振图像。

Description

磁共振方法和设备

本发明涉及一种磁共振方法，其中采用了恒定磁场和临时磁场，并且其中通过比如接收线圈的多个接收天线的阵列来获取磁共振信号，而由于磁场不均匀和/或快速采样而在磁图像中得到通常的失真。本发明还涉及用于得到图像的磁共振成像设备和在其中使用的计算机程序产品。

在磁共振成像中通常要在更短的时间内得到可接受的图像。因此，瑞士的大学和ETH Zürich，生物医学工程和医学信息研究所(Institute of Biomedical Engineering and Medical Informations，University and Zurich)最近研究了称为“SENSE”的灵敏度编码法。SENSE法以在通过磁共振设备的线圈探测的图像上直接作用运算法则为基础。可以跳过随后的编码步骤并因而可以使用于成像的信号获取加速两到三倍。SENSE法的关键是对于布置在所谓灵敏度映象中的线圈的灵敏度的知识。为加速该方法，建议使用可以通过用单一线圈参数的“平方和”或任选的体线圈参数分离得到的原始灵敏度映象(例如，见K.Pruessmann等，会议论文集.ISMRM，1998，摘要，第579，799，803页和2087页(Proc.ISMRM，1998，abstracts))。

SENSE法最好用于磁共振成像的信号获取，结果大大缩短了操作时间。但是，该方法只能在确切知道线圈灵敏度的前提下才能正确应用。否则，不精确会引起导致不正确成像的叠影赝象(图形失真)。实际上线圈灵敏度是无法精确地估计的并且它将决定于随时间的波动(病人的移动、温度影响等)。

另一方面，在切片中所需的位置和RF线圈敏感区域中的另一位置都产生相同的成像频率时会产生叠影赝象。梯度系统的非直线性和B₀的非均匀性会引起叠影赝象。在磁学研究成像杂志(Journ.Magn.Res.Imaging)，No.12(2000)，第795-797页中介绍了可以通过从所需数据中分离叠影数据来从图像中除去叠影赝象。在校正过的像素中的噪音水平强烈地决定于独立于用于校正而结合的图像中信号的线性测量|ΔS|。这可以用于将来自成像线圈的数据的校正限制为只校正被叠影赝象不良影响的区域以使信噪比损失最小。要求的灵敏度矩阵(S)的值衡量给定扫描仪的基本场，因而不用对给定了一系列序列参数的每次检查都重复确定元素S。

尽管灵敏度矩阵(S)的值只决定于基本场特性，但是上述方法需要在图像域中的这些值。结果，对每个不同的扫描规程都要确定线圈灵敏度矩阵。而且，均匀测试目标必须具有相当于被扫描目标的大小，因而该方法不能用于整体扫描。该方法主要只识别从不同线圈测得的两个空间位置，不能用于快速成像如SENSE。

本发明的目的是在快速成像技术如SENSE中和/或从磁场和梯度非均匀性中大大减少赝像。

本发明的这个和其它的目的由根据本发明的方法、设备和其中使用的计算机程序产品来实现。

本发明的主要方面基于从图像域中的像素到空间域的坐标追溯赝像的根源的思想。

根据本发明的方法重要的附加优点在于只需对在目标或病人和接收线圈之间的位置变化进行新的参考扫描。

本发明的这些和其它优点在从属权利要求和随后的说明中公开了，在随后的说明中，参考附图介绍了本发明示例性的实施例。其中：

图1是空间域中的有限元到图像域中的像素上的正常成像；

图2是在图像域中像素上成像的空间域中的簇；

图3是对于有叠影赝象的图像和线圈灵敏度图像的来自空间域以及图像域的的映象；

图4是从特定的像素分离出不同空间位置的作用的基本原则；

图5是校正火焰赝象的流程图；

图6是用于执行根据本发明方法的设备；

图7是图6所示设备的电路图。

术语线圈是用于表示接收器天线，通过该天线获取来自磁共振激发的自旋的信号。

在没有叠影赝象的图像中，在空间域中只有用其重力中心x₁表示的一个体元成像到图像域中的每个像素上。假设特定的线圈接收来自坐标x的信号，灵敏度为W(x)，则图像中像素p上的信号强度S可以表示为：

$S\left(\stackrel{\→}{p}\right)=W\left({\stackrel{\→}{x}}_1\right)\·I\left({\stackrel{\‾}{x}}_1\right)---\left(1\right)$

其中I(x)是由在单个像素上成像的区域的体积大小δV、自旋密度ρ、T₁/T₂的加权等限定的空间强度。S(p)是对在所请求的切片或体积中所有坐标x的强度I(x)的估计。假设该区域足够小，可以把重力中心看作整个区域的代表。由于磁体和梯度不是理想的，像素位置p通常是坐标x的非线性函数。值得注意的是，恒定磁场具有决定于位置的实际值以及并且这些实际值形成恒定磁场的实际空间分布。因此，图像域中的自旋密度是在空间域中自旋密度的变形的图像。而且，这种变形对不同的扫描规程也不同，因为它决定于梯度强度和梯度方向。

在有叠影赝象的图像中，N个不同的空间域会成像到图像域中的单个像素上。这些空间域可以用其重力中心x₁、x₂…x_N表示。如果使用M个线圈，其以灵敏度W₁(x)、W₂(x)…W_M(x)来测量来自点x的信号，那么来自线圈j的像素p处的信号强度可以表示为：

$S_j\left(\stackrel{\→}{p}\right)=W_j\left({\stackrel{\→}{x}}_1\right)\·I\left({\stackrel{\→}{x}}_1\right)+W_j\left({\stackrel{\→}{x}}_2\right)\·I\left({\stackrel{\→}{x}}_2\right)+......+W_j\left({\stackrel{\→}{x}}_N\right)\·I\left({\stackrel{\→}{x}}_N\right)---\left(2\right)$

为了得到是x的函数的线圈灵敏度Wj，要执行所谓的CoarseCalibration(粗糙校准)扫描，其中将测量两次图像：一次是用具有按照定义的均匀线圈灵敏度的线圈作为参考，一次是用要确定灵敏度的线圈阵列。

参考线圈通常是体线圈。假设图像没有任何叠影赝象，W可以有以下等式确定：

$\left.\begin{array}{c}{S}_j\left(\stackrel{\→}{p}\right)=W_j\left({\stackrel{\→}{x}}_1\right)\·I\left({\stackrel{\→}{x}}_1\right)\\ S_{\mathrm{nf}}\left(\stackrel{\→}{p}\right)=1\·I\left({\stackrel{\→}{x}}_1\right)\end{array}\right\}\⇒\frac{S_j\left(\stackrel{\→}{p}\right)}{S_{\mathrm{nf}}\left(\stackrel{\→}{p}\right)}={\tilde{W}}_j\left(\stackrel{\→}{p}\left({\stackrel{\→}{x}}_i\right)\right)---\left(3\right)$

Wj(p(x))中的代字号表示作为p的函数的线圈灵敏度只在图像域中才知道。因此，考虑到借以确定线圈灵敏度的扫描规程，Wj(p)要通过映象p_sens(x)转换成Wj(x)，其中定义了空间域和图像域之间的关系。因此，一部分空间域将被细分成有限元1或被细分成如图1所示用户限定的大小的立方体。假设每个有限元的中心都代表有限元的整个体积。这些有限元1投影到空间(m，p)上，而m是测量方向上的坐标，p是相位编码方向上的坐标。通过计算机程序会从有限元得到带有坐标的映象。该计算机程序是程序FLAME的改良版本，在内部码号XJS-154-0892下，在Philips N.V内可以获得程序FLAME。事实上，通过计算机程序计算出在特定像素p上成像的任何区域x的带有勒让德多项式的实际磁场分布。所搜索的坐标是映象到单个像素上的不同区域的体积为δV(x_i)的重力中心。但是，上述计算机程序不是提供重力中心，而是映象到单个像素上的所有有限元。因此在没有赝象的图像中，几个有限元也会映象到单个像素上。映象的有限元的数量尤其决定于有限元的大小。无论如何，为了限定赝象的数量，如图2所示，有限元必须要聚集成体元。假设位置x₁处的簇1是从要被测量的自旋密度传输出来的原始信号，而簇2和3是来自赝象的信号。通过计算机程序确定相关有限元和形成单独的簇(体元)的有限元之间的差别。区分不同组有限元的原理是单个簇的有限元形成连接的区域。对于每个线圈，可以得到W_j(p)的三维计算表，从该三维计算表可以为具有叠影赝象的图像中的每个像素组成矩阵W_j(x_i)。因而通过用上述有限元(FE)法计算坐标x₁、x₂…x_N并通过映象p_sens(x)就能得到矩阵W_j(x_i)。等式(2)可以直接解出来，或者如果是可以得到多于叠影赝象的线圈则通过最小二次方算法解出。如果新引入矩阵W_j(x_i)的行没有变坏或者为0，就每次都要检测。校正后，在要在其上计算I(x)的空间域中还有坐标x₁(p)的集合，即，如果可以得到理想的磁体和完美的梯度，对于每个像素，点x_i(p)的坐标最靠近要在像素p上映象的点。该分布I(x)可以以两种不同方式存在：在非线性原始图像或线性化图像中的像素位置p处，在是x的线性函数的像素位置p处。在这两种情况下，对于由体积大小δV的变化引起的密度变化而要校正图像密度。通过这种线性图像的校正稍微更复杂，唯一关心的是是否还要求几何的校正。

图3示出对于有叠影赝象的图像(左)和有线圈灵敏度轮廓的图像、对N＝2的在空间域和图像域之间的映象。移位值映象p(x)决定于扫描规程。因此，要区分对带有叠影赝象的图像有效的空间域和图像域之间的映象，p_image(x)和对线圈灵敏度图像有效的空间域和图像域之间的映象，移位映象p_sens(x)。要形成带有叠影赝象的图像时，原则上是几个点x₁、x₂…x_N成像到单个像素p上。要形成线圈灵敏度图像时，注意只有一个点x成像到单个像素p上，即对于每个线圈灵敏度图像都存在一对一的关系p_sens(x)。因此，由于必须要成像相同面积的空间域、而单个像素不能表示空间域的几个区域，所以线圈灵敏度图像的FOV必须大于带有叠影赝象的图像的FOV。为校正图像，必须提供在带有叠影赝象的图像中的每个像素p_image(x)和在线圈灵敏度图像中的像素p_sens(x₁)、p_sens(x₂)、…、p_sens(x_N)之间的关系。

在图4中描述了该问题的解决办法，其中示出了对于有叠影赝象的图像的从图像域到空间域的映象x_image(p)，以及反过来还是N＝2的对于不同的线圈灵敏度的从空间域到图像域的映象p_sens(x)。p_image(x)的倒置的映象x_image(p)可以通过上述计算机程序来确定。从映象x_image(p)，按照映象到相同像素p的点x₁和x₂。从映象p_sens(x)和点x₁和x₂到线圈灵敏度图像中的像素位置。点x₁和x₂的线圈灵敏度因而可以根据下式得到

$\tilde{W}\left({\stackrel{\→}{p}}_{\mathrm{sens}}\left(\stackrel{\→}{x}\right)\right)=W\left(\stackrel{\→}{x}\right)---\left(4\right)$

如果p_sens(x)只是一对一的函数，并且该函数在通过进行参考扫描(比较等式(3))不产生叠影赝象时为真，这时等式(4)只是表达适当的校正。

在图5中，示出了计算机程序的流程图。对单个像素有贡献的空间位置11可以通过有限元(FE)的计算12来确定并储存在FE映象中13。计算本身是以主磁场和梯度场的从基本磁场B0的磁体和梯度线圈的设计参数15得到的定量知识14为基础。这些设计参数是通过其勒让德多项式16算术地确定的。然后FE映象13簇集成体元映象17。另一方面，从在病人22处测量的数据的没有叠影赝象的一个或多个切片的测量结果21确定线圈灵敏度的三维分布20。根据等式(3)，用线圈阵列测量参考图像23，用均匀的体线圈测量一个或多个均匀的参考图像24。从这些图像23和24，得到了线圈灵敏度图像25和掩码26。

对于包括火焰的图像，在体元映象17中查找来自包括火焰或叠影赝象的图像28的未经校正的像素27的空间位置29。对于参考图像，通过在体元映象17中查找空间位置来将其传输到灵敏度图像25中的像素位置30。根据等式(4)，从灵敏度图像25，可以计算带有线圈灵敏度的加权矩阵31，可以通过掩码26改善加权矩阵31的情况。直接从来自含火焰的图像28的未校正像素27，可以计算具有来自每个单个的线圈的贡献的矢量32。通过解其中出现了加权矩阵31和矢量32的矩阵等式(2)，得到了校正过的像素33，校正过的像素33形成具有更少或没有火焰或叠影赝象的图像34。

应该注意到，由磁场不均匀性或在不均匀磁场中的SENSE获取引起的叠影赝象都可以通过上述方法处理来获得更好的图像。

图6中所示的设备是包括用于产生稳定、均匀的磁场的四个线圈51的系统，该磁场的强度的数量级从零点几特斯拉到几个特斯拉。可以在球形表面52上设置相对于z轴共中心地布置的线圈51。要检查的病人60被安排在定位于这些线圈内的桌子54上。为了产生在z方向上延伸并在该方向上线性变化的磁场(该磁场此后称为梯度磁场)，在球形表面52上布置四个线圈53。还布置产生在x方向延伸(垂直地)的梯度磁场的四个线圈57。和线圈57相同但与线圈57空间彼此偏移90°的位置布置四个线圈55，产生在z方向延伸并在y方向(垂直于图面)具有梯度的磁性梯度场。这里只示出了四个线圈中的两个。

由于用于产生磁性梯度场的三线圈系统53、55和57中的每一个都相对于球形表面对称地排布，因此球形中心的磁场强度只由线圈51的稳定、均匀的磁场确定。还提供了RF线圈61，产生垂直于稳定、均匀的磁场方向(即垂直于z方向)延伸的基本均匀的RF磁场。RF线圈在每个RF脉冲期间接收来自RF发生器的RF调制电流。RF线圈61还可用于接收在检查区中产生的自旋共振信号。

如图7所示，在MR设备中接收的MR信号由装置70放大并在基本频带中转换。这样得到的模拟信号通过模拟-数字转换器71转换成一系列数字值。模拟-数字转换器71由控制单元69控制，因而只在读出相期间才产生数字数据字。通过傅立叶变换装置72实现模拟-数字转换器71，该傅立叶变换装置72对通过MR信号的数字化得到的一系列采样值进行一维傅立叶变换。

由傅立叶变换产生的原始数据被写入其存储容量足以储存几组原始数据的存储器73。从这些组原始数据，合成装置74以所述方式产生合成图像；该合成图像储存在其存储容量足以储存大量连续的合成图像80的存储器75中。重组装置76从这样获取的多组数据产生MR图像，存储所述MR图像。

通过控制单元69控制装置70到76。正如向下指的箭头所示，控制单元对梯度线圈系统53、55和57中电流的时间变化以及RF线圈61产生的RF脉冲的中心频率、带宽和包迹线有影响。存储器73和75和重组装置76中的MR图像存储器(未示)，可以通过有足够容量的单个存储器来实现。傅立叶转换装置72、合成装置74和重组装置76可以通过适合于根据上述方法运行计算机程序的数据处理器来实现。

Claims (6)

1、一种产生磁共振图像的磁共振成像方法，其中

施加恒定磁场，

施加临时梯度场，

通过接收器天线系统获取磁共振信号，其中该磁共振信号在临时梯度场的基础上被空间地编码，而且该接收器天线系统具有接收器灵敏度值，

基于临时梯度场的空间编码，从磁共振信号重构由于场不均匀性和/或快速采样而具有失真像素或者体元的折叠图像，其特征在于

确定恒定磁场的实际空间分布和临时梯度场的实际空间分布，其中由于恒定磁场的缺陷以及临时梯度场的缺陷而使图像变形；以及

在接收器灵敏度值的基础上，以及在恒定磁场的实际空间分布和临时梯度场的实际空间分布的基础上，通过展开折叠图像的失真像素或者体元来重构磁共振图像。

2、如权利要求1所述的磁共振成像方法，其中施加该恒定磁场和临时磁性梯度场；

在图像域中，灵敏度分布映象接收器天线系统的接收器灵敏度值，

移位值在恒定磁场的实际值和临时梯度场的实际值的基础上将空间域中的位置映象到图像域中的像素或者体元上，

在由所述临时磁场梯度引起的空间编码的基础上，根据磁共振信号重构具有失真像素或者体元的折叠图像，其中该失真像素或者体元包括来自空间域中不同位置的信号分布，以及

在空间接收器灵敏度映象到源自空间域中不同位置的相应信号分布上的基础上，展开折叠图像中的失真像素或者体元以便重构磁共振图像，其中由图像域接收器灵敏度映象组成该空间接收器灵敏度映象，而图像域接收器灵敏度映象用移位值组成。

3、如权利要求2所述的磁共振成像方法，其中

在接收器灵敏度映象中收集接收器灵敏度值，

在移位映象中收集移位值，

通过用移位映象组成接收器灵敏度映象来形成空间接收器灵敏度值的空间接收器灵敏度映象。

4、如权利要求3所述的磁共振成像方法，其中用相应天线的灵敏度因子和空间强度加权源自于相同成像位置的至少两个天线记录信号，并且根据加权信号重构像素或者体元。

5、一种用于从多个信号得到图像的磁共振成像设备包括：

施加恒定磁场和临时磁梯度场的装置；

用于从接收器天线系统获取磁共振信号的装置，其中该磁共振信号在临时梯度场的基础上被空间地编码，而且该接收器天线系统具有接收器灵敏度值；

用于基于临时梯度场的空间编码、从磁共振信号重构折叠图像的装置，其中所述折叠图像由于场不均匀性和/或快速采样而具有失真像素或者体元，其特征在于，所述设备还具有：

用于确定恒定磁场的实际空间分布和临时梯度场的实际空间分布的装置，其中由于恒定磁场的缺陷以及临时梯度场的缺陷而使图像变形；以及

用于在接收器灵敏度值的基础上、以及在恒定磁场的实际空间分布和临时梯度场的实际空间分布的基础上、展开折叠图像的失真像素或者体元的装置。

6、如权利要求5所述的磁共振成像设备，还包括：

用于在图像域中提供对接收器天线系统的接收器灵敏度值进行映象的灵敏度分布的装置，

用于在恒定磁场和临时梯度场的实际值的基础上提供移位值的装置，该移位值将空间域中的位置映象到图像域中的像素或者体元上，

重构装置，用于重构具有失真像素或者体元的折叠图像，该失真像素或者体元包括来自空间域中不同位置的信号分布，和

用于在空间接收器灵敏度映象到源自于空间域中不同位置的相应信号分布上的基础上、展开折叠图像中的失真像素或者体元以便重构磁共振图像的装置，其中由图像域接收器灵敏度映象组成该空间接收器灵敏度映象，而图像域接收器灵敏度映象用移位值组成。

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