CN101017197A - 校正图像伪影的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在用脉冲序列运行的磁共振系统中校正图像伪影的方法。其中，确定在激励时刻和测量时刻之间的时间间隔内在测量位置上产生的线性位置相关且空间恒定的干扰场的至少一部分；从该线性位置相关且空间恒定的干扰场的时间变化中确定出在该时间间隔内由该干扰场产生的第一和第二相位误差；对每个梯度线圈最多确定一个唯一的产生恰好相应于第一相位误差的负值的相位校正的校正场脉冲；确定用于对第二相位误差进行相位校正的恒定相移和/或频移；在该时间间隔内的特定时刻由梯度线圈产生该校正场脉冲；在激励阶段和测量阶段都将该相移和/或频移施加到该高频发送器上。

Description

校正图像伪影的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在用脉冲序列运行的磁共振系统中避免图像伪影的方法，该磁共振系统包括用于产生场梯度的梯度线圈和用于产生激励信号的高频发送器，所述伪影由横向于梯度场地取向且伴随该梯度场产生的干扰场形成。

背景技术

麦克斯韦方程确定，在产生梯度场时可以强制性地直接从这些麦克斯韦方程中导出横向于该梯度场出现的干扰场，该干扰场通常也称为麦克斯韦项。因此在产生成像x梯度时，在磁场的x分量中总是还出现横向的z梯度。这些干扰场常常会产生图像畸变和图像伪影。

为了抑制麦克斯韦项的影响已提出了很多方法。例如应在图像中数学地消除通过干扰场额外产生的相位。但当自旋相位(Spinphase)本身为重要的测量值时，尤其是在k空间轨道的干扰下，该方法无法应用。相敏序列的例子是快速自旋回波(TSE)序列和EPI(回波平面成像)序列。

在DE 19931210 A1中公开了另一种方法。其中提出借助激励频率的频移和/或在相应梯度线圈上的梯度偏移来补偿由横向磁干扰场引起的相位误差。其中提出进行连续校正以使相位误差保持为零。但在此要从一个特定的固定测量位置出发，从而使该方法不适用于多层测量，因为最后须用适当的中值对各偏移量进行计算，而这使得不可能有最佳校正。此外通过持续存在的梯度偏移会产生高电流消耗并使梯度线圈的最大效率降低。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题在于，给出一种方法，使得可以对各层进行单独的校正，并且可以有效地利用梯度线圈。

本发明的技术问题通过一种本文开始所述类型的方法解决，其具有以下方法步骤：

-确定在激励时刻和测量时刻之间的时间间隔内在测量位置上产生的线性位置相关且空间恒定的干扰场的至少一部分；

-从该线性位置相关且空间恒定的干扰场的时间变化中确定出在该时间间隔内由该干扰场产生的第一和第二相位误差；

-对每个梯度线圈确定一个唯一的产生基本上相应于第一相位误差的负值的相位校正的校正场脉冲；

-确定用于对第二相位误差相位校正的恒定相移和/或频移；

-在该时间间隔内的特定时刻由梯度线圈产生该校正场脉冲；

-在激励阶段和测量阶段都将该相移和/或频移施加到该高频发送器上。

本发明的方法基于这样的认知，即干扰场在坐标系原点附近最小并且在坐标系原点完全消失。可以数学地通过坐标变换将待测量层中的一点，例如层的中点变换成坐标系的原点。但由于该点一般与梯度场基于其产生的磁共振系统的坐标系原点相对应(同心)，通过磁场向新的坐标原点的变换会产生可从麦克斯韦方程导出的干扰场项。为了防止出现伪影，必须对该干扰场项进行补偿，其中，由就位置相关性来说为常数或线性位置相关的项、即与基本磁场和梯度场处于同一阶的项提供了干扰场绝对值的主要部分。

包括对高频发送器和梯度线圈的控制的脉冲序列严格地按照流程图运行。通过该流程图可以了解在测量周期运行期间出现的场效应，从而可以容易地确定在测量位置的干扰场，对于多层测量还可以与该时间段时间相关地为多个位置确定。干扰场还使被激励的自旋的相位发生偏移，出现相位误差。该相位误差由在测量时刻之前的整个时间段上的对干扰场绝对值的时间积分来确定，并由两个绝对值，即第一和第二相位误差组成。为了校正该两个由空间恒定的干扰场造成的相位误差，仅需匹配高频发送器在重要活动(发送、接收)期间使用的序列和相位。但由于梯度线圈可以产生线性位置相关场，因此只能通过这些线性位置相关场来补偿由线性位置相关的干扰场项造成的第一相位误差。在此本发明采取了与现有技术中不同的路线，其中补偿逐点地进行，即连续进行。在本发明的方法中，实际上是对出现的相位误差“记流水账”，从而可以在测量阶段前的一个任意时刻通过一个或多个校正场脉冲一次性地对这些相位误差进行补偿。由于在脉冲序列范围内产生的相位误差总是正的，这基本上意味着，在该特定时刻的相位要通过校正场脉冲向回退一个值，即减小一个值，该值与在该时间间隔内出现的第一相位误差的总的绝对值相对应。换言之，就是在该时间间隔内的某一时刻对该相位进行过补偿，使得对于其后将要出现的第一相位误差最终根据总的第一相位误差对相位的偏移进行补偿。第二相位误差则通过在激励阶段和测量阶段将相移和/或频移施加到高频发送器上来校正。

由此一方面不再需要恒定的梯度偏移，另一方面该校正方法的优点在于更加准确，因为在相应测量位置以及相应测量时刻上的补偿是相协调一致的。

尤其具有优点的是，可以使校正场脉冲与梯度线圈的脉冲序列相叠加，这意味着仅需匹配梯度线圈的脉冲序列。这例如可以通过降低或升高脉冲序列的梯度脉冲的振幅来实现。在一种特别优选的实施方式中，用于自动修改脉冲序列、包括相移或频移在内的方法根据操作人员对脉冲序列的编程实现。一旦由此为磁共振系统提供了关于测量的所有数据，则不需操作人员的其它操作来确定高频发送器上的移动以及梯度线圈上的校正场脉冲，并相应地修改脉冲序列。然后将利用修改的脉冲序列来控制磁共振系统，从而防止由于干扰场而产生的伪影。

尤其优选的是在多层测量中使用该方法。在此可以在多层测量中对每一层执行该方法的方法步骤。这意味着对每一层都要确定测量的位置和时刻，并且对每一层计算在测量时刻的相位误差。在此要注意的是，还应考虑补偿措施对其它层的影响。因此例如存在这样的脉冲序列，其中首先激励第一层，然后激励第二层，测量第一层，然后测量第二层。在这种情况下，校正场脉冲和相移或频移还对第二层产生影响，从而在第二层产生进一步的相位误差。对于该相位误差也可以确定它的两个分量，并且为确定关于第二层的、在第二时刻的校正脉冲和相移或频移而加以考虑。因此优选直至测量时刻对每层确定其它在瞬时图像拍摄周期内产生的磁场、尤其是通过校正脉冲和相移或频移关于其它层所产生的磁场，并从中确定出恒定的相移或频移以及校正场脉冲。在此按照各层的测量时刻的顺序来对各个层进行处理，从而可以在后续的测量中对先前的校正场一同加以关注。因此，通过本发明的“相位误差登记”不必再采用中值来对相位误差进行补偿，而是可以具有优点地对每层就其相位来说单独进行校正。在本发明范围内甚至还可以考虑一同关注先前的测量周期在各层上的效应。

可以数学地通过将坐标系的原点移动到层的中心位置来确定干扰场。为了确定重要的项，即空间恒定的干扰场和在空间上线性相关的干扰场，可以采用直至一定的阶的泰勒展开。

所述特定的时刻例如可以是紧接在测量阶段开始之前的时刻。

附图说明

通过下面借助附图对本发明实施例的描述将进一步给出本发明的其它优点和细节。其中具体示出：

图1示出了可应用本发明方法的磁共振系统；

图2举例示出在本发明的方法中测量序列的运行。

具体实施方式

为了对本发明有更详细的理解，首先应对有助于理解本发明方法的物理背景进行简述。本发明的方法的目的在于避免由于横向于梯度场地取向且伴随着该梯度场产生的干扰场而出现的图像伪影。伴随着在一个方向上产生梯度场还会在垂直于该方向的方向上产生梯度场的效应是用于磁场的麦克斯韦方程的直接结果。因此在没有运动负载的情况下下式成立：

$\mathrm{rot}\stackrel{\→}{B}=0\⇒\frac{\∂B_z}{\∂x}-\frac{\∂B_x}{\∂z}=0---\left(1\right)$

其中B_x为磁共振设备中磁场的x分量、B_z为磁场的z分量。因此，在产生x方向上的B_z梯度时总是还会产生z方向上的B_x梯度。由于该横向干扰场是基于基本物理事实产生的，因此这些干扰场无法避免。磁场的绝对值 $\left|\stackrel{\→}{B}\right|=B$ ，从其关于时间的积分中给出被激励的核自旋的相位，该绝对值由各方向分量B_x、B_y、B_z的平方根确定。磁场强度的泰勒展开为：

$B=B_0+\stackrel{\→}{x}\·\stackrel{\→}{G}+{\stackrel{\→}{x}}^T\·H\·\stackrel{\→}{x}+O\left({\left|\stackrel{\→}{x}\right|}^3\right)$

$=B_0+x{G}_x+y{G}_y+z{G}_z+x^2{H}_{\mathrm{xx}}+y^2{H}_{\mathrm{yy}}+z^2{H}_{\mathrm{zz}}+\mathrm{xz}{H}_{\mathrm{xz}}+\mathrm{yz}{H}_{\mathrm{yz}}+...---\left(2\right)$

在该方程中，在位置坐标中的二阶的项由矩阵H来描述，它们是造成上述横向干扰场的原因。它们的变化是抛物线形的，这意味着接近坐标原点的干扰场非常小，但随着距离的增加而快速增长，并且比实际梯度场(一阶项)的变化更大。

如果现在观察一个通过坐标x₀，y₀，z₀描述的远离坐标原点的位置，那么可以将坐标系原点数学地移动到该位置，从而使该在远离位置的二阶项可忽略地小。但通过这种移动出现了描述干扰场的、其它恒定或线性位置相关的项。现在对于这些项以圆柱形梯度线圈为例详细描述。在此矩阵H的项为：

$H_{\mathrm{xx}}=\frac{G_z^2}{8B_0}$ $H_{\mathrm{yx}}=0$ $H_{\mathrm{zx}}=0$

$H_{\mathrm{xy}}=0$ $H_{\mathrm{yy}}=\frac{G_z^2}{8B_0}$ $H_{\mathrm{zy}}=0---\left(3\right)$

$H_{\mathrm{xz}}=-\frac{G_x{G}_z}{2B_0}$ $H_{\mathrm{yz}}=-\frac{G_y{G}_z}{2B_0}$ $H_{\mathrm{zz}}=\frac{G_x^2+G_y^2}{2B_0}$

现在比较在原点(其在绝大多数情况下为磁铁的等角点)和在测量位置x₀，y₀，z₀的泰勒展开的差，从而对于干扰场的绝对值得到：

$\mathrm{\ΔB}=\left\{\begin{array}{c}-x_0{G}_x-y_0{G}_y-z_0{G}_z+x_0^2{H}_{\mathrm{xx}}+y_0^2{H}_{\mathrm{yy}}+z_0^2{H}_{\mathrm{zz}}+x_0{z}_0{H}_{\mathrm{xz}}+y_0{z}_0{H}_{\mathrm{yz}}\\ -x(2x_0{H}_{\mathrm{xx}}+z_0{H}_{\mathrm{xz}})\\ -y(2y_0{H}_{\mathrm{yy}}+z_0{H}_{\mathrm{yz}})\\ -z(2z_0{H}_{\mathrm{zz}}+x_0{H}_{\mathrm{xz}}+y_0{H}_{\mathrm{yz}})\\ +...\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，如已所述，在此只需观察直至第一阶的项。由此得到一个常数项：

$\mathrm{\Δ}{B}_0=-x_0{G}_x-y_0{G}_y-z_0{G}_z+x_0^2{H}_{\mathrm{xx}}+y_0^2{H}_{\mathrm{yy}}+z_0^2{H}_{\mathrm{zz}}+x_0{z}_0{H}_{\mathrm{xz}}+y_0{z}_0{H}_{\mathrm{yz}}---\left(5\right)$

并且对于每个位置方向分别归纳为一个线性梯度场类型的项：

ΔG＝-x(2x₀H_xx+z₀H_xz)-y(2y₀H_yy+z₀H_yz)-z(2z₀H_zz+x₀H_xz+y₀H_yz)。   (6)

这些项反映了其效应应该通过本发明的方法进行补偿的干扰场。现在从干扰场的绝对值来确定相位误差，即第一相位误差(涉及线性位置相关项)和第二相位误差(涉及空间恒定项)。作为关于磁场绝对值的时间积分的相位误差由下式给出：

₁＝∫ΔGdt        (7)

和

₂＝∫ΔB₀dt。     (8)

图1示出用于实施本发明的磁共振系统1的基本结构以及其中组件的相互作用。基本磁场磁铁2构成为具有活跃的散射场屏蔽3的轴向超导空气线圈磁铁，产生时间上恒定且均匀的磁场B₀，用于极化检查对象(在此为患者4)中的原子核。基本磁场B₀轴向对准磁铁并定义直角坐标系5的z坐标方向。

在磁铁孔中设置有圆柱形梯度线圈系统6。该梯度线圈系统6包括三个梯度线圈，它们分别与输入电流成正比地产生在空间上相互垂直的梯度场。这些梯度场分别用于某种用途(层选择、编码、读出)。高频天线7位于梯度线圈系统6中。高频天线7的任务是在激励阶段将由高频发送器8发出的高频脉冲转换成磁交变场以激励原子核，然后在测量阶段接收由进动的核矩发出的交变场并将其输入处理装置9。附图标记10表示患者卧榻。对磁共振系统1的控制和操作通过与计算单元13连接的键盘11和显示器12实现。在此可以输入如开始拍摄的具体操作命令，还可以确定脉冲序列。这些命令将被传送给脉冲序列控制器14。脉冲序列控制器14就对相位误差的补偿来修改脉冲序列。通过脉冲序列控制器14除其它外对用于高频发送器8的高频发生器15和梯度脉冲形状发生器16进行控制。由梯度脉冲形状发生器16可以通过梯度放大器17来控制梯度线圈6。

本发明的方法在磁共振系统1中如下实施。首先通过计算单元13的操作元件11和12对脉冲序列进行编程或选择一个脉冲序列。将该脉冲序列传递给脉冲序列控制器14。脉冲序列控制器14由此确切地知道在哪一时刻施加哪一梯度，这意味着公式(5)和(6)的场绝对值以及其时间相关性是已知的。脉冲序列控制器14由此根据公式(7)和(8)确定出第一和第二相位误差₁和₂。为了补偿由于空间恒定的干扰场分量产生的第二相位误差₂，确定频移Δω。在激励阶段和测量阶段期间利用移动Δω的频率值来控制高频发生器15。由此对第二相位误差进行补偿。为了对第二相位误差₂进行补偿，脉冲序列控制器14最多对每个梯度线圈确定一个唯一的校正场脉冲。在特殊情况下当然还可以要求对仅仅一个唯一的梯度线圈确定一个唯一的校正场脉冲。然后将该一个或多个附加的脉冲分别与用于梯度线圈6的相应脉冲序列相叠加，并将修改后的脉冲序列传递给梯度脉冲形状发生器16，梯度脉冲形状发生器16相应地控制梯度线圈6。

图2中详细示出了对用于梯度线圈的脉冲序列的修改以及相位误差的效应。时间轴t分别向右延伸。最上方的图示出在激励阶段19由高频天线发出的激励脉冲18。其在激励时刻20达到其最大振幅。在测量阶段21对测量信号22进行测量。测量时刻23位于测量阶段21中。在激励时刻20和测量时刻23之间的时间间隔24内，在脉冲序列的范围内在梯度线圈上给出不同的梯度脉冲G_x、G_y、G_z。图2中的斜线阴影部分示出了由脉冲序列的编程者规定的梯度脉冲。这些梯度脉冲产生造成相位误差的干扰场。由于线性位置相关的干扰场而产生的第一相位误差₁的时间变化被示于图2的最下部。最初在激励时刻20没有相位误差。通过激活的层选择梯度G_x就已经在测量阶段19内产生了相位误差(参见阶段25)。然后相位编码梯度G_y也被激活，从而相位误差急剧增长(参见阶段26)。在其中没有梯度线圈被激活地接通的时间内，例如在阶段27中，相位误差也不增长。在阶段28，相位误差又出现更强的增长，因为除了层选择梯度G_x外，还激活了读出梯度G_z。这两个梯度在测量阶段21中仍然保持活跃，从而相位误差₁在阶段29继续增长，并在测量时刻23达到特定值_1，max。在此应注意，相位误差₁只能增长，因为矩阵H的对角线元素大于0。

现在，脉冲序列控制器为每个梯度线圈确定一个校正场脉冲，其产生恰好相当于第一相位误差_1，max的负值的相位校正。图2用点状阴影示出了这些校正场脉冲。这些校正场脉冲将与斜线所示的编程的脉冲序列相叠加。对此将以层选择梯度G_x为例详细描述。图G_x(P)示出x梯度线圈的活动，如其在脉冲序列中被编程的那样。现在脉冲序列控制器确定在该图中被示为ΔG_x的校正场脉冲。该校正场脉冲在时间间隔24中的特定时刻30与编程的序列G_x(P)相叠加，从而作为最终序列G_x产生如图所示的修改的脉冲序列。由于对于相位编码梯度G_y在特定时刻30没有脉冲，因此在此校正场脉冲只是简单地被引入。在此对于读出梯度G_z也设置了与编程的脉冲相叠加的校正场脉冲。因此在时刻30如箭头31示意性示出的，最终相位₁被降低了_1，max。在此如点32清楚示出的，朝负方向过补偿。但该过补偿是需要的，以利用该过补偿根据后续脉冲在测量时刻23进行补偿。

当然，对脉冲序列修改的实现除了对频率和/或相位的修改外，是在激励阶段19和测量阶段21中通过特定的相移和/或频移实现的。

尽管在此仅对该方法就对单层的测量进行了图解，但其尤其优选用于多层测量。但在此要注意的是，有可能在对其它层的较早的测量中采用的相位补偿措施还会对其它各层产生影响。但由于这种影响也是由脉冲序列控制器本身产生的，因此这种影响是确切已知的，并且会在确定校正场脉冲和相移或频移时加以考虑。换言之，这意味着，对于每个位置，即对于每个层，对相位误差的补偿是在考虑先前已为其它层确定和实施的校正场脉冲以及相移或频移的情况下进行的。

Claims (7)

1.一种用于在用脉冲序列运行的磁共振系统中校正图像伪影的方法，该系统包括用于产生场梯度的梯度线圈和用于产生激励信号的高频发送器，所述伪影由横向于梯度场地取向且伴随该梯度场产生的干扰场形成，

其特征在于，

-确定在激励时刻和测量时刻之间的时间间隔内在测量位置上产生的线性位置相关且空间恒定的干扰场的至少一部分；

-从该线性位置相关且空间恒定的干扰场的时间变化中确定出在该时间间隔内通过该干扰场产生的第一和第二相位误差；

-对每个梯度脉冲确定一个唯一的、产生基本上相应于第一相位误差的负值的相位校正的校正场脉冲；

-确定用于对第二相位误差进行相位校正的恒定相移和/或频移；

-在该时间间隔内的特定时刻由梯度线圈产生该校正场脉冲；

-在激励阶段和测量阶段将该相移和/或频移施加到该高频发送器上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述校正场脉冲与梯度线圈的脉冲序列相叠加。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在多层测量范围内对每层实施该方法的方法步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，直至测量时刻对每层确定其它在瞬时图像拍摄周期内产生的磁场、尤其是通过校正脉冲和相移或频移关于其它层所产生的磁场，并从中确定出恒定的相移或频移以及校正场脉冲。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，通过将坐标系的原点移动到层中心位置来确定所述干扰场。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过泰勒展开来确定所述干扰场。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述特定时刻是紧接在测量阶段开始之前的时刻。

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