CN101228456A - 对磁共振设备所记录的失真校正后的2d或3d重建图像进行处理的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过使用对成像体积中不同测量点上的测量信号进行处理的算法来处理2D或3D重建图像的方法，所述2D或3D重建图像由包括用来产生梯度场的梯度线圈的磁共振设备纪录，并且对于引起图像失真的梯度场非线性进行了失真校正，所述算法针对每个经其处理的信号处理第一输入值，所述第一输入值描述的是在所述信号的真实测量点上所存在的真实梯度场，在所述方法中，为了将所述失真校正后的重建图像反向变换到未经失真校正的重建图像，通过使用第一算法或与第一算法相对应的第二算法，针对每个由所述第一算法或第二算法处理过的信号为所述第一算法或第二算法提供第二输入值，所述第二输入值描述的是出现所述经处理的信号的相应失真测量点上的假想梯度场，所述假想梯度场与线性理想梯度场相比而言升高或降低了真实梯度场的非线性场分量。

Description

对磁共振设备所记录的失真校正后的2D或3D重建图像进行处理的方法

技术领域

本发明涉及一种对2D或3D重建图像进行处理的方法，所述2D或3D重建图像由包括用来产生梯度场的梯度线圈的磁共振设备所纪录、并在引起图像失真的特定梯度场非线性方面进行了失真校正，所述方法通过使用可以对成像体积中的不同测量点上的测量信号进行处理的算法而实现，所述算法针对每个经其处理的信号对第一输入值进行处理，所述第一输入值描述的是信号的真实测量点上所存在的真实梯度场。

背景技术

磁共振设备用于纪录或产生检查对象的图像，其中，在产生自射频激励的信号中检测图像，随后再借助这些信号确定或重建图像。为此需通过主磁体产生一个尽可能均匀的主磁场，这个主磁场具有一个均匀性确定的均匀体积。为能进行图像纪录，需要在主磁场上叠加一个具有x、y和z方向场分量的梯度场，这个梯度场通过梯度线圈产生。为能实现可以产生信号的自旋激励，最后还需借助射频线圈发出射频脉冲。磁共振设备的结构和工作原理早已为本领域技术人员所熟知，此处就不再多加说明。

磁共振图像或断层图像的获取优选在近乎于球形的均匀体积的中心(即所谓的“等中心”)进行。近年来所采用的“等中心”方案是每进行一次测量所用的序列(即记录成像所需的信号)就需通过患者检查台的自动移动将待测量断层定位在等中心。也就是说，每纪录一个断层，就需对患者进行定位，从而使断层所在的身体部位处于等中心上。借此可为待成像体积尽可能实现最佳主磁场均匀性和线性梯度，进而获得最佳图像质量。为了在做断层规划(即确定待纪录断层)时避免出现系统误差，等中心方案只允许在失真校正图像上进行断层规划。这些图像都经过对几何失真的校正，而产生这种几何失真的原因是非线性梯度。借助一种或多种算法在接收到的测量信号的基础上重建磁共振图像时，首先要假设一个理想的线性梯度场。但真实的梯度场与这种理想化曲线之间存在偏差，并具有非线性分量。这种附加的非线性所引起的结果是，在真实的点上测量到的信号在图像重建后会出现在另一个点上。通过所谓的失真校正，可以在认识到梯度场空间非线性的基础上借助一种或多种算法(具有相应的校正组件)校正这些误差。由于失真校正后的图像无论从几何学还是从解剖学上看都是正确的图像，因此，人们着力于将失真校正应用于所有测量到的图像。

在某些应用领域(例如光谱分析)，为能在序列规划和图像分析范围内确保绝对的定位精度，必须使用非失真图像，而此后被存储下来的并不是经过处理的失真校正后的图像或数据记录，而是最初测量到的由于非线性而出现失真的数据记录。将最初纪录的图像数据记录(即失真的2D或3D重建图像)和失真校正后的重建图像一并存储在图像数据库中的做法并不适当，因为这会使待存储图像数据量加倍。因此，在断层规划(绝大多数情况下都是借助失真校正后的图像而实现)范围内进行图像分析时，必须根据原始测量数据重新计算失真校正后的图像。由于需要为少数几个应用提供非失真图像的数据，正常操作中需要程度可观且耗用大量时间的计算机性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种与上述方法相比有所改进的方法。

这个目的通过一种开篇所述类型的2D或3D重建图像处理方法而达成，在这种方法中，为了将失真校正过的重建图像反向变换到未经失真校正的重建图像，使用第一算法或与第一算法相对应的第二算法，针对每一个由第一算法或第二算法处理过的信号为第一算法或第二算法提供第二输入值，第二输入值描述的是在出现经处理的信号的相应失真测量点上的假想梯度场，假想梯度场与理想的线性梯度场相比增加或减少了真实梯度场的非线性场分量。

本发明的基本思路在于一种反向失真校正，在反向失真校正范围内使用失真校正所用的算法，但只为这种算法提供另一个描述梯度场的输入值。这个输入值描述的是一个“假想”或“有效”梯度场，这个“假想”或“有效”梯度场描述的是反向变换，即对失真校正范围内所考虑的非线性场分量进行反向变换或反向显示。真实记录的测量信号从失真影响的测量点到真实测量点的变换(由失真校正引起)，由此而被消除或发生反转，也就是说，由于校正而出现在真实测量点上的失真校正图像信号被反向显示在失真影响的“假”测量点上。

因此，通过本发明的方法允许将2D或3D失真校正后的图像数据记录或重建图像存储在图像数据存储器中。一般情况下就用这个图像数据存储器进行工作。然而，如果进行断层规划时等情况下需要使用原始图像，就可通过本发明的方法以简单的方式进行反向失真校正，根据失真校正后的重建图像确定最初纪录的未经失真校正的重建图像。为此，优选使用失真校正所用的算法，只需确定和提供另一输入值即可进行反向校正，因此，本发明的反向变换的实现方式也很简单。

如上文所述，反向校正法的核心“要素”是与像素或测量点相关的输入值。出于性能原因，无论失真校正还是反向变换，通常都不会对所有测量点上的全部像素或信号进行处理，而只是对一个信号群或测量点群进行处理，随后在这些信号或测量点之间进行插值。然而，在对图像质量要求很高的情况下，也可对每个像素或每个信号进行处理。

为能确定与像素有关的第二输入值，优选实施下列步骤：

在两个或三个空间方向中的每个空间方向上，对失真校正后的2D或3D重建图像的处理后信号在每个真实测量点上的相应非线性场分量进行确定；

确定三个空间方向上的几何失真，并确定相应失真测量点的位置；以及

根据相应的非线性场分量和失真测量点上的线性理想梯度场的场分量，确定第二输入值。

在第一方法处理步骤内，针对失真校正后的2D或3D重建图像中的每个测量点，确定在这个点上形成的真实梯度场(在这个点上产生的)和理想梯度场之间的非线性场分量。随后，真实的失真校正测量点上的真实的非线性梯度场的值被用来确定线性梯度场曲线上的相应磁场值和相应的失真测量点，也就是说，针对失真校正后图像中的每个测量点确定三个空间方向中每个空间方向上的失真。随后确定第二输入值，第二输入值取决于失真测量点上的线性理想梯度场的场分量的值(与实际测量点上的真实场分量的值相等)和非线性场分量。随后以相应的失真测量点上的这个“有效梯度场值”为基础进行反向变换，并将其应用在相应的真实的失真校正测量点上的信号上。在两个或三个空间方向上都进行这一处理过程。根据已知的真实非线性梯度场和理想线性梯度场确定这个“有效”或“假想”梯度场值或梯度场的方法极其简单，速度也很快。

优选将一种需要为其提供梯度场多极展开式的展开系数的算法用作第一或第二算法，其中，根据第二输入值确定展开系数。一种已知的失真校正方法是所谓的梯度场的多极展开，这是一种将磁场表示为各种项的总和的球函数展开。这种展开使用的是，对被观测点上的相应非线性进行描述的展开系数a和b。这些展开系数可在使用这样一种失真校正算法的情况下根据上文所述的假想或有效梯度场来确定。利用多极展开式的展开系数所进行多极展开或失真校正早已为本领域技术人员所熟知，此处就不再详加说明。

除所述方法外，本发明还涉及一种用于实施上述方法的磁共振设备，包括一个图像处理装置，其中，图像处理装置用于处理测量到的信号以及用于图像重建。

附图说明

下面借助附图和实施例对本发明的优点、特征和细节作进一步说明，其中：

图1为磁共振设备的示意图；以及

图2为用于确定假想或有效梯度场的曲线图。

具体实施方式

图1显示的是本发明的磁共振设备1，这个磁共振设备由信号记录组件2构成，信号接收组件2包括主磁体(未详细图示)、梯度线圈3、射频线圈(未详细图示)和其他的常用组件，对这些常用组件就不再详加说明。磁体以已知方式产生一个具有均匀体积的主磁场，通过使用适当的匀场装置(例如匀场铁板或匀场线圈)使这个主磁场均匀化。附图同样没有对这些匀场装置进行详细图示，因为本领域技术人员对此应该非常熟悉。通过梯度线圈3以已知方式产生一个梯度场，这个梯度场具有三个指向各空间方向x、y、z的场分量，且在真实情况下具有一定的非线性。

此外还显示了一个用于对系统运行和图像纪录进行控制的控制装置4，控制装置4具有图像处理装置5、相应的图像数据存储器6和相应的监视器7，监视器7用于显示通过图像处理装置5所产生的3D重建图像。接收组件2中的适当的信号接收装置即天线所接收到的成像信号被传输给控制装置4，并由图像处理装置5对其进行处理。图像处理装置5用于进行3D重建和用于校正梯度场的非线性所引起的图像失真。为此需要存储至少一种或(方便的话)多种重建算法和校正算法。各种重建算法和校正算法早已为本领域技术人员所熟知。本发明的磁共振设备的图像数据存储器6中存储的是失真校正后的图像数据记录或重建图像，而不是真实纪录的图像数据记录或信号纪录。如果需要将最初纪录的未经校正的图像输出到监视器7上，就需借助图像处理装置5访问图像数据存储器6中的相应图像数据记录并进行图像数据的反向变换，也就是说，图像数据按照它们的最初纪录进行确定。随后借助这些图像数据确定2D或3D重建图像。

下面对失真校正的原理以及本发明通过反向失真校正来实现反向变换的原理进行说明。

磁共振成像建立在利用磁场梯度来进行与时间相关的磁共振信号测量的基础上。用测量到的信号来重建图像时，假定这些梯度只具有线性项。为简化图示起见，下面以x轴为例对相应的关系进行说明。当然，这些关系也相应适用于y轴和z轴。

理想磁场B_i(x)与点x的关系为

B_i(x)＝Gx，

其中，G是一个描述梯度强度的常量。

但线圈形状发生有限膨胀的真实梯度场也具有会使重建图像发生空间上失真的非线性。

真实磁场B_r(x)与理想化曲线之间的这种偏差可表示为：

B_r(x)＝B_i(x)+ΔB_r(x)＝G  x+ΔB_r(x)，

其中，ΔB_r(x)描述的是非线性场分量(此处涉及的是x方向)。这种非线性场分量所引起的结果是，在点x_t(即真实的测量点)上测量到的信号在重建后会出现在点x_m上。在此情况下，适用于真实点x_t的等式为：

$x_t=x_m+\frac{\mathrm{\Δ}{B}_r\left(x_t\right)}{G}.$

用于失真校正的现有算法建立在认识到梯度场的这种空间非线性ΔB_r(x)的基础上。这种非线性是一种系统特性，通常用作多极展开式的系数。

本发明的方法利用现有的“标准”失真校正方法或算法，以简单的方式将失真校正后的图像反向变换到相应的未经失真校正的图像。唯一的区别仅在于使用一个可以描述这种反向变换的“有效”或“假想”梯度场。这个梯度场B_e(x)可以表示为

B_e(x)＝G x-ΔB_e(x)，

其中，ΔB_e(x)为“有效”梯度场的非线性分量。因此，这个“有效”梯度场必须完全根据上述等式和等式

$x_m=x_t+\frac{\mathrm{\Δ}{B}_e\left(x_m\right)}{G}$

计算出x_m，其中，根据下述等式确定有效梯度场的非线性分量：

ΔB_e(x_m)＝ΔB_r(x_t)。

图2对这些关系进行了清楚的图示。图2中的横坐标表示点x，纵坐标表示梯度场的场强B。其中的虚线表示理想的线性梯度场B_i(x)＝G x。曲线B_r(x)表示的是真实的梯度场曲线，此外还显示了“有效”梯度场B_e(x)的示例。

为能在一个点(即需要在反向失真校正的范围内对其进行反向变换的点)上计算出“有效”梯度场，先在真实的失真校正测量点x_t上确定非线性场分量ΔB_r(x_t)，即点x_t上的理想梯度场ΔB_i(x_t)与真实梯度场B_r(x_t)之差。随后在理想的梯度场曲线B_i(x)上确定场值，该场值与点x_t上的真实梯度场值B_r(x_t)相符。如图2所示，从中可以得出出现失真的测量点x_m。为能确定点x_m上的有效梯度场值，现在将该值确定为B_e(x_m)＝G x_m-ΔB_r(x_t)。也就是说，根据点x_t上的真实梯度场的非线性场分量的符号，在理想磁场曲线上的梯度场值上加上或减去这个值。这是因为有效非线性ΔB_e(x_m)相当于有效真实非线性ΔB_r(x_t)。

接下来针对点群x_t ⁱ(从附图所示的示例出发，只针对沿x轴的点群)进行这种计算，也就是说，针对这个点群计算出相应的失真Δxⁱ＝ΔB(x_t ⁱ)/G。

随后将相应点x_m ⁱ＝x_t ⁱ+Δxⁱ上的有效梯度场确定为B_e(x_m ⁱ)＝G x_m ⁱ-ΔB_r(x_t ⁱ)。随后将这些点x_m ⁱ上的这些磁场值用作所用失真校正方法(即所用的校正算法)的输入值，例如，已经在初次处理范围内进行过的失真校正使用的就是这种校正算法。

如果需要为失真校正方法提供磁场多极展开式的展开系数，就可以如上文所述根据点x_m ⁱ上的磁场值B_e(x_m ⁱ)确定这些展开系数。

最后需要再一次指出的是，在涉及3D重建图像的情况下，需要在三个空间方向上针对点群x_t ⁱ、y_t ⁱ、z_t ⁱ中的每个点进行上文所述的这种有效梯度场确定；如果是2D重建图像，就只需对两个相应的空间方向加以考虑。

Claims (4)

1.一种通过使用对成像体积中不同测量点上的测量信号进行处理的算法来处理2D或3D重建图像的方法，所述算法针对每个经其处理后的信号处理第一输入值，所述第一输入值描述的是在所述信号的真实测量点上存在的真实梯度场，所述2D或3D重建图像由包括用来产生梯度场的梯度线圈的磁共振设备纪录，并且对于引起图像失真的梯度场非线性进行了失真校正，在所述方法中，通过使用第一算法或与第一算法相对应的第二算法，针对每个由所述第一算法或第二算法处理过的信号为所述第一算法或第二算法提供第二输入值，将所述失真校正后的重建图像反向变换到未经失真校正的重建图像，所述第二输入值描述的是出现所述处理后的信号的相应失真测量点上的假想梯度场，所述假想梯度场与线性理想梯度场相比而言升高或降低了真实梯度场的非线性场分量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了确定与像素有关的第二输入值而实施下列步骤：

在两个或三个空间方向中的每个空间方向上，对失真校正后的所述2D或3D重建图像中所述处理后的信号的每个真实测量点上的相应非线性场分量进行确定；

确定所述三个空间方向上的几何失真，并确定相应的失真测量点的位置；以及

根据相应的非线性场分量和所述失真测量点上的线性理想梯度场的场分量，确定所述第二输入值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将需要为其提供梯度场多极展开式的展开系数的算法用作所述第一算法或第二算法，其中，根据所述第二输入值确定所述展开系数。

4.一种磁共振设备，所述磁共振设备包括一种图像处理装置，并用于实施根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述图像处理装置用于处理测量到的信号以及图像重建。

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