CN101484823B - 磁共振成像设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对置于检查体积中的身体(7)进行MR成像的设备，所述设备(1)包括：用于在该检查体积中建立基本均匀的主磁场的装置(2)，用于产生叠加在该主磁场上的切换磁场梯度的装置(3，4，5)，用于朝向该身体(7)辐射RF脉冲的装置(6)，用于控制该磁场梯度和该RF脉冲的产生的控制装置(12)，用于接收和采样MR信号的装置(10)，以及用于根据所述信号样本形成MR图像的重建装置(14)。根据本发明，将所述设备布置为a)通过使所述身体(7)的至少一部分承受单一RF脉冲和多个切换磁场梯度来产生MR回波信号的序列，所述切换磁场梯度受到控制以产生MR回波信号的至少两个子序列，其中每个子序列通过在相位编码方向(ky)上进行二次采样而横过不同的轨迹；b)采集并采样所述MR回波信号；c)根据所述信号样本和与MR回波信号的所述子序列相关联的相位/振幅校正图重建MR图像。

Description

磁共振成像设备和方法
技术领域
本发明涉及磁共振(MR)领域。本发明具体应用于结合MR成像方法及MR扫描器以用于医学中的诊断目的。
背景技术
在MR成像中，向对象(病人)施加由RF脉冲和切换磁场梯度组成的脉冲序列以产生磁共振信号，扫描这些磁共振信号以便由此获得信息并重建该对象的图像。从其初始发展以来，应用MRI的临床相关领域的数量已经大大地增长了。MRI几乎可以应用于身体的每一部分，而且它可以用于获得关于人体的很多重要功能的信息。在MRI扫描的过程中施加的脉冲序列完全确定重建图像的特征，诸如对象中图像切片的定位和取向、尺度、分辨率、信噪比、对比度、运动的灵敏度等等。MRI设备的操作者必须选择适当的序列，并且必须为各个应用调整和优化其参数。
在MR成像中存在若干应用，这些应用需要在一个单次激发中采集受检查体内部的整个切片。在这种情况下，通常EPI(回波平面成像)是所选择的方法。EPI通常使用初始空间选择性90°RF脉冲来激发感兴趣图像切片内的核磁化。该初始脉冲产生回波信号，此后该回波信号由快速交替极性的读出磁场梯度反复地重聚焦以形成一串多个梯度回波。这些梯度回波中的每一个通常由发生在所述回波之间的附加小梯度脉冲进行不同的相位编码。虽然EPI序列可以在很短的时间(例如几十毫秒)内收集完整的MR图像数据集，但它需要所用的MR设备具有比较高性能的硬件。对于高场强MR成像，EPI是特别有意思的，因为从在发射的RF功率上的接收信号功率(SAR)方面来说它非常有效。不幸的是，EPI易于受到重大图像失真的影响，该图像失真是由主磁场不均匀性、T2弛豫和在回波串的相对长的持续时间内发展的化学位移效应引起的。在期望实现高图像分辨率的情况下，这是EPI的一个特别严重的缺点。原因在于图像分辨率的增加总是意味着EPI回波串的持续时间的相应增加。
众所周知的是，EPI序列的前述问题和缺点可以通过将附加RF脉冲合并到成像序列内来解决。这些方法已知为多激发EPI或GRASE，如其在例如文献US 5,270,654中所进行的描述。这些已知技术的主要缺点是它们高得多的RF能量淀积(SAR)，这会很容易超过人体当前可接受的安全极限。
发明内容
因此，很容易意识到存在对改进的MR设备和方法的需求。因此本发明的主要目的是提供一种技术，其能够实现具有最小的发射RF功率的高分辨率的MR成像。
根据本发明，公开了一种用于对置于检查体积中的身体进行MR成像的设备，所述设备包括
用于在所述检查体积中建立基本均匀的主磁场的装置，
用于产生叠加在所述主磁场上的切换磁场梯度的装置，
用于朝向所述身体辐射RF脉冲的装置，
用于控制所述磁场梯度和所述RF脉冲的产生的控制装置，
用于接收和采样MR信号的装置，以及
用于根据所述信号样本形成MR图像的重建装置。本发明的所述设备的特征在于其被布置为
a)通过使所述身体的至少一部分承受单一RF脉冲和多个切换磁场梯度来产生MR回波信号的序列，所述切换磁场梯度受到控制以产生MR回波信号的至少两个子序列，其中每个子序列通过在相位编码方向上进行二次采样而横过k空间内的不同轨迹；
b)采集并采样所述MR回波信号；
c)根据所述信号样本和与MR回波信号的所述子序列相关联的相位/振幅校正图重建MR图像。
本发明的要点在于将所施加的MR成像脉冲序列的k空间轨迹细分为两个或更多个k空间遍(pass)。由于在相位编码方向上的二次采样，在这一方向上的k空间轨迹的行进比在传统EPI序列中更快。为了完全覆盖k空间，产生MR回波信号的两个或更多个子序列。在每个k空间遍期间，横过k空间中的不同轨迹。对于根据本发明的图像重建，初始时将MR回波信号的子序列的信号样本视为不同的信号数据集。根据这些数据集重建的独立MR图像包含很强的伪影，这些伪影是由在相位编码方向上的二次采样以及T2衰减、磁场不均匀性和化学位移效应引起的。通过组合所述不同的信号数据集并通过使用与MR回波信号的所述子序列相关联的相位/振幅校正图来消除这些伪影。所述相位/振幅校正图包含关于T2衰减、磁场不均匀性和在信号采集时间段内发展的化学位移效应的先验知识。根据本发明对通过前述效应实现的所采集的磁共振信号的编码加以利用，以便显著加速在相位编码方向上的k空间轨迹的行进。以这种方式，能够实现高分辨率的单次激发成像，其中有效地补偿了由T2、场不均匀性、化学位移和类似效应引起的所有图像失真。因为仅需要单一RF脉冲，本发明的成像程序的SAR是最小的。
在已知的所谓“SENSE”技术(参见例如Pruessmann等人，MagneticResonance in Medicine，42卷，952页，1999年)中，以二次采样方式同时使用磁共振设备的多个接收线圈来采集磁共振信号。相对于几何空间中完整的预定视场实际需要的相位编码步骤，增加了k空间中的相位编码步骤。该二次采样导致减小的视场。遵照SENSE技术，分别根据每个接收线圈的二次采样数据重建图像。由于二次采样，这些中间图像包含折叠或所谓的混叠现象。基于接收线圈的已知空间灵敏度分布，可以借助于矩阵计算将对中间图像的折叠图像值的独立贡献分解(展开)为全视场内空间位置处的图像值。以这种方式，利用通过接收线圈的空间灵敏度分布进行的对所采集的磁共振信号的空间编码，以便加速图像采集程序。当采用已知的SENSE技术来计算完整视场的最终图像时，全视场相对于减小的场的尺度比率也被称为减小因子或简单称为SENSE因子。
本发明提议在图像重建过程中以类似SENSE的方式组合与不同k空间遍相关联的采样回波信号。根据本发明，使用关于T2、场不均匀性、化学位移和类似效应的先验知识(而非关于线圈灵敏度分布的先验知识)来消除图像伪影。
实际上，根据本发明对磁场梯度进行控制，从而使得MR回波信号的每个子序列的k空间轨迹与其他子序列的轨迹相交叉。这是在信号采集过程中在相位编码方向上完全覆盖k空间的最直接的方法。该交叉方案还有助于改进根据信号样本和相位/振幅校正图的图像重建结果的数值稳定性。
本发明的成像技术可以有利地与上述传统SENSE方法相组合。为了这一目的，本发明的MR设备可以包括用于接收来自所述身体的所述MR回波信号的两个或更多个接收天线，所述接收天线具有不同的灵敏度分布。在这种情况下，将所述MR设备进一步布置为根据所述信号样本并根据与MR回波信号的所述子序列相关联的所述相位/振幅校正图并且根据所述接收天线的所述灵敏度分布来重建所述MR图像。可以在相位编码方向上施加附加的二次采样，以便进一步增加成像速度。在这种情况下，在利用用于采集信号的两个或更多个接收天线的同时通过MR回波信号的全体子序列来对k空间不完全采样。
在本发明的实际实施方式中，借助于以减小的空间分辨率执行的参考测量来确定图像重建所需的相位/振幅校正图(以及接收天线的灵敏度分布(如果可用))。参考扫描的RF脉冲及切换磁场梯度二者的成像序列应该类似于用于实际图像采集的成像序列，以便确保由T2、场不均匀性和化学位移引起的相位失真和振幅失真是相同的。但是必须在不进行二次采样的情况下执行参考扫描，即在k空间的相位编码方向上具有减小的行进速度。在这种情况下，可以确保根据MR回波信号的独立子序列重建的参考图像没有二次采样伪影(混叠)。参考测量的最终减小的分辨率满足对依赖于位置的相位和振幅校正值的确定。
本发明不仅涉及设备而且涉及方法，该方法用于对置于MR设备的检查体积中的身体的至少一部分进行磁共振成像。所述方法包括以下步骤：
a)通过使所述身体的至少一部分承受单一RF脉冲和多个切换磁场梯度来产生MR回波信号的序列，所述切换磁场梯度受到控制以产生MR回波信号的至少两个子序列，其中每个子序列通过在相位编码方向上进行二次采样而横过k空间内的不同轨迹；
b)采集并采样所述MR回波信号；
c)根据所述信号样本和与MR回波信号的所述子序列相关联的相位/振幅校正图重建MR图像。
具有用于执行本发明的MR程序的计算机程序可以有利地在任何普通计算机硬件上实现，目前这种计算机程序在临床应用上用于控制磁共振扫描器。可以将该计算机程序提供在适当的数据载体上，诸如CD-ROM或磁盘。作为替代，其也可以由用户从互联网服务器上下载。
以下附图公开了本发明的优选实施方式。然而，应该理解的是，设计这些附图仅仅是为了举例说明的目的而不是作为对本发明的界限的限定。
附图说明
在附图中，
图1a示出传统EPI成像序列的k空间采样方案的图表；
图1b示出根据本发明的k空间采样方案的图表；
图2示出根据本发明的MRI扫描器的一种实施方式。
具体实施方式
传统上，EPI序列如图1a所示地横过k空间。所产生和所采集的MR回波信号的锯齿形的k空间轨迹在相位编码方向ky上比较缓慢地行进。本发明提议通过采用更大的ky步长而在k空间更快的行进，这可以在图1b中看出。为了完全覆盖k空间，根据所示的实施方式生成MR回波信号的4个分离的子序列。它们的k空间轨迹在图1b中分别由实线、虚线、点线和点划线示出。每个子序列横过k空间中的不同轨迹。很明显，沿着图1b所示的完整轨迹采集和采样MR信号的全部扫描时间基本上等于根据图1a所示的传统方案所需的时间。然而，在图1b的实施方式中，由MR回波的单一子序列在相位编码方向上以4倍的更快速度横过k空间，由此使所有失真(例如化学位移效应)减小到1/4。当然，穿过k空间的一个单一的(二次采样的)遍并不足以进行图像重建。为了完全覆盖k空间，该轨迹在每个遍之后在k空间中返回，另一个遍起始于k空间中的一个位置，该位置相对于上一个起始位置稍微偏移。结果，MR回波信号的每个子序列的k空间轨迹与其他子序列的轨迹相交叉，以便在所述相位编码方向上对k空间完全采样。如果以图1b所示的方式简单地填充k空间，不同种类的图像伪影将完全恶化由这一数据集的Fourier变换重建的图像。其原因在于存在对所采集的信号的显著(相位和振幅)调制，该调制是由T2衰减、在采集时间内发展的化学位移以及主磁场不均匀性引起的。根据本发明，需要特定的图像重建方案以便补偿这些干扰效应。从4个k空间遍采集和采样的MR信号数据最初被视为k空间内的线的8个不同子集：正向第一遍、反向第二遍、正向第二遍，等等。这些子集的每一个均为8倍的二次采样信号数据集。存在8个这样的二次采样数据集，根据本发明以类似SENSE的方式重建这些二次采样数据集。不像传统的SENSE，这些子集不以空间线圈灵敏度进行区分，而是以相位和振幅进行区分，其中通过由化学位移效应导致的依赖于位置的相移、由磁场不均匀性导致的依赖于位置的相移、由T2弛豫导致的依赖于位置的振幅变化以及由不同遍在ky方向上不一致的事实引起的预期失相来确定该相位和振幅。与SENSE类似，重建程序需要关于这些位置依赖性的知识。根据本发明，通过根据信号样本子集和相位/振幅校正图重建最终的MR图像来考虑相位失真和振幅失真，所述相位/振幅校正图包含相关效应及其位置依赖性的相关先验知识。可以借助于相应的参考测量容易地获得这些相位/振幅图。参考测量的k空间轨迹应该类似于实际图像采集方案，但是在相位编码方向上具有减小的行进速度，以便避免二次采样。参考测量的最终减小的分辨率满足对相位/振幅校正图的确定。
图1b所示的方案的k空间线可以比理论上根据Nyquist法则所需的选择得稍微密一些。这将增加总的采集时间，但是将改进图像重建的数值稳定性。从图1b可以看出，附加的改进是采用后续遍之间的EPI序列的稍微不同的回波延迟时间，以便避免已经根据SENSE算法解出的线性方程组中的奇点。
在图2中以框图显示出根据本发明的磁共振成像设备1。装置1包括一组主磁线圈2和三组梯度线圈3、4和5，主磁线圈2用于产生静态均匀主磁场，梯度线圈3、4和5用于叠加具有受控强度并在选择方向上具有梯度的附加磁场。按照惯例，将主磁场的方向标示为z方向，将与其垂直的两个方向标示为x方向和y方向。通过电源11向梯度线圈供电。装置1还包括用于向身体7发射射频(RF)脉冲的辐射发射器6，即天线或线圈，所述辐射发射器6耦合到调制器8用于产生和调制RF脉冲。还提供了接收天线10a、10b、10c用于接收MR信号，这些接收天线可以例如是具有不同空间灵敏度分布的分离平面线圈。将所接收的MR信号输入到解调器9中。用于梯度线圈3、4和5的调制器8、发射器6和电源11由控制系统12控制以产生根据上述发明用于MR成像的实际成像序列。该控制系统通常是具有存储器和程序控制的微型计算机。对于本发明的实际实现方式，其包括用对如上所述的成像程序的描述进行编程。解调器9耦合到例如计算机的数据处理单元14用于根据本发明的方法与已知的SENSE展开算法的组合将所接收的磁共振信号变换为图像。在这种情况下，必须考虑天线10a、10b、10c的空间灵敏度分布以及与所采用的k空间采样方案相关联的相位/振幅校正图。例如，可以使最终图像在视觉显示单元15上可见。

Claims (10)

1.一种用于对置于检查体积中的身体(7)进行MR成像的设备，所述设备(1)包括：
用于在所述检查体积中建立基本均匀的主磁场的装置(2)，
用于产生叠加在所述主磁场上的切换磁场梯度的装置(3、4、5)，
用于朝向所述身体(7)辐射RF脉冲的装置(6)，
用于控制所述磁场梯度和所述RF脉冲的所述产生的控制装置(12)，
用于接收和采样MR信号的装置(10)，以及
用于根据所述信号样本形成MR图像的重建装置(14)，
将所述设备(1)布置为
a)通过使所述身体(7)的至少一部分承受单一RF脉冲和多个切换磁场梯度来产生MR回波信号的序列，所述切换磁场梯度受到控制以产生MR回波信号的至少两个子序列，其中每个子序列通过在相位编码方向(ky)上进行二次采样而横过k空间中的不同轨迹；
b)采集并采样所述MR回波信号；
c)根据所述信号样本和与MR回波信号的所述子序列相关联的相位/振幅校正图重建MR图像，
其中，所述相位/振幅校正图包括依赖于位置的相位和振幅校正因子，这些因子由T2弛豫和/或所述主磁场的不均匀性和/或所成像的自旋核素的化学位移和/或由MR回波的所述独立子序列的所述k空间采样方案引起的相移而确定。
2.根据权利要求1所述的设备，将所述设备进一步布置为控制所述磁场梯度，从而使得MR回波信号的每个子序列的k空间轨迹与其他子序列的轨迹相交叉，以便在所述相位编码方向(ky)上对k空间完全采样。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，借助于单次激发EPI(回波平面成像)序列来产生所述MR回波信号，所述单次激发EPI序列包括一个RF脉冲，紧随着的是多个相位编码和读出切换磁场梯度。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备包括用于接收来自所述身体(7)的所述MR回波信号的两个或更多个接收天线(10a、10b、10c)，所述接收天线(10a、10b、10c)具有灵敏度分布，将所述设备进一步布置为根据所述信号样本并根据与MR回波信号的所述子序列相关联的所述相位/振幅校正图并且根据所述接收天线(10a、10b、10c)的所述灵敏度分布来重建所述MR图像。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，在所述相位编码方向(ky)上施加附加的二次采样，从而使得在利用用于采集信号的两个或更多个接收天线(10a，10b，10c)的同时通过MR回波信号的全体子序列来对k空间不完全采样。
6.根据权利要求1或2所述的设备，将所述设备进一步布置为借助于用减小的空间分辨率执行的参考测量来确定所述相位/振幅校正图。
7.一种用于对置于MR设备的检查体积中的身体(7)的至少一部分进行MR成像的方法，所述方法包括以下步骤：
a)通过使所述身体(7)的至少一部分承受单一RF脉冲和多个切换磁场梯度来产生MR回波信号的序列，所述切换磁场梯度受到控制以产生MR回波信号的至少两个子序列，其中每个子序列通过在相位编码方向上进行二次采样而横过k空间中的不同轨迹；
b)采集并采样所述MR回波信号；
c)根据所述信号样本和与MR回波信号的所述子序列相关联的相位/振幅校正图重建MR图像，
其中，所述相位/振幅校正图包括依赖于位置的相位和振幅校正因子，这些因子由T2弛豫和/或所述主磁场的不均匀性和/或所成像的自旋核素的化学位移和/或由MR回波的所述独立子序列的所述k空间采样方案引起的相移而确定。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，控制所述磁场梯度，从而使得MR回波信号的每个子序列的k空间轨迹与其他子序列的轨迹相交叉，以便在所述相位编码方向上对k空间完全采样。
9.一种用于对置于检查体积中的身体(7)进行MR成像的装置，所述装置包括：
a)用于产生单一RF脉冲和多个切换磁场梯度的模块，所述切换磁场梯度受到控制以产生MR回波信号的至少两个子序列，其中每个子序列通过在相位编码方向上进行二次采样而横过k空间中的不同轨迹；
b)用于采集并采样所述MR回波信号的模块；
c)用于根据所述信号样本和与MR回波信号的所述子序列相关联的相位/振幅校正图重建MR图像的模块，
其中，所述相位/振幅校正图包括依赖于位置的相位和振幅校正因子，这些因子由T2弛豫和/或所述主磁场的不均匀性和/或所成像的自旋核素的化学位移和/或由MR回波的所述独立子序列的所述k空间采样方案引起的相移而确定。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，控制所述磁场梯度，从而使得MR回波信号的每个子序列的k空间轨迹与其他子序列的轨迹相交叉，以便在所述相位编码方向上对k空间完全采样。
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