CN101669038B - 用于propeller mri的磁共振设备和方法 - Google Patents

用于propeller mri的磁共振设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于对置于检查体积内的身体(7)进行MRI的设备。所述设备(1)包括：用于在检查体积内建立基本均匀的主磁场的装置(2)；用于生成叠加到主磁场之上的切换式磁场梯度的装置(3，4，5)；用于向身体(7)辐射RF脉冲的装置(6)；用于控制磁场梯度和RF脉冲的生成的控制装置(12)；用于接收MR信号并对其采样的装置(10)；以及用于根据所述信号样本形成MR图像的重建装置(14)。根据本发明的一个方面，将所述设备(1)布置成根据PROPELLER方案采集多个k空间叶片，所述k空间叶片围绕k空间的中心旋转，其中k空间叶片的旋转角度在MR信号采集期间增加黄金角(或半黄金角)。根据本发明的另一方面，将所述设备(1)布置成在多切片PROPELLER采集之前从k空间的中心部分处采集MR参考数据集。根据本发明的又一方面，将所述设备(1)布置成对采集的MR数据进行加权，其中在用于对比度操纵的采集时间、用于运动补偿的相关性度量基础上，并在k空间叶片的重叠区域的几何结构的基础上计算所述权重因子。

Description

用于PROPELLER MRI的磁共振设备和方法
技术领域
本发明涉及用于对置于检查体积内的身体进行磁共振成像(MRI)的设备。
此外，本发明涉及MRI的方法和用于磁共振(MR)设备的计算机程序。
背景技术
在MRI中，对置于MR设备的检查体积内的均匀磁场中的物体(患者)施加包括了RF脉冲和切换式磁场梯度组成的脉冲序列。以这种方式，生成MR信号，其借助于射频(RF)接收天线进行扫描，以便获得有关所述对象的信息并对其图像进行重建。由于它最初的发展，MRI应用的临床相关领域的数量已经取得巨大的增长。MRI可应用到几乎身体的每个部分，并且它可用于获得重要的人体功能信息。脉冲序列(其在MRI扫描期间进行施加)在确定重建图像的特征(诸如，对象内部的位置和方向、尺寸、分辨率、信噪比、对比度、对移动的敏感度等)上扮演着重要的角色。MRI设备的操作者必须为各个应用选择合适的序列并且必须调整和优化它的参数。
在已知的所谓PROPERLLER观念(具有增强的重建的周期旋转的重叠平行线，见James G.Pipe：“Motion Correction With PROPELLERMRI：Apllication to Head Motion and Free-Breathing CardiacImaging”，Magnetic Resonance in Medicine，vol.42，1999，963-969页)中，MR信号采集到k空间中的N个数据带(strip)上，每一个数据带包括L条平行线，其对应笛卡尔k空间采样方案中的L最低频率相位编码线。每个数据带(其也被称为k空间叶片)在k空间中旋转达的角度，使得整个MR数据集在k空间中近似涵盖了圆。如果希望具有直径M的数据矩阵，则例如这样选择L和N，使得L·N＝M·π/2。PROPELLER的一个本质特征是针对每个k空间叶片采集具有直径为L的k空间的中心圆部分。这一中心部分可用于为每一个k空间叶片重建低分辨率图像。这些低分辨率图像或者他们的k空间表示彼此进行比较，从而去除由于患者运动造成的平面内的位移和相位误差。另外，应用适当的技术(诸如互相关)来确定所采集的哪一个k空间叶片具有明显贯通面位移。当在重建最终MR图像之前将k空间中的MR信号组合时，在k空间叶片重叠的区域中，优选使用来自k空间叶片的具有最小量贯通面运动的MR数据，从而减少从贯通面中出现的伪影。PROPELLER技术利用k空间的中心部分中的过采样，以获得MR图像采集技术，其对于MR信号采集期间被检查患者的运动具有较好的鲁棒性。
发明内容
已知PROPELLER观念的一个问题在于完全排斥受运动损坏的k空间叶片导致外围k空间区域的欠采样，因此导致潜在恶化的图像质量。
关于多切片PROPELLER成像的另一问题在于来自多切片PROPELLER采集的个别切片可能未对准。原因在于作为运动校正的参考，PROPELLER与在中心k空间中重复测量的MR信号互相关。通常选择显示与其他叶片的中心k空间数据最相似的参考。因此，根据PROPELLER选择的参考数据不是绝对参考而是相对参考，其会造成个别切片的未对准。假设各邻近切片显示基本一致，多切片MR扫描的各切片的回顾性对准在原理上是可能的。然而，该先决条件通常是有问题的。
对于精确的MR图像重建而言，已知的PROPELLER成像方法需要对采集的k空间样本进行加权。这一般称之为采样密度补偿。为了计算权重因子，通常采用迭代方法。所述权重能够根据不同标准(诸如互相关k空间叶片的相关性度量)对MR信号进行优先化，以便实现上面提到的对运动引起的图像伪影的减少。在k空间区域中施加所述优先化，所述k空间区域比实际需要更密集地采样以支持所选的视场。已知技术的缺陷在于用于计算权重因子所通常采用的迭代方法速度慢并且偶尔不稳定，尤其是在施加强对比权重时。
因此，易于意识到，需要对已知的PROPELLER成像观念进行改善。因此本发明的目的是提供能减少图像伪影并提高PROPELLER成像效率的MR设备。
根据本发明，公开了一种用于对置于检查体积内的身体进行MRI的MR设备，其包括：用于在检查体积内建立基本均匀的主磁场的装置；用于生成叠加到主磁场之上的切换式磁场梯度的装置；用于向身体辐射RF脉冲的装置；用于控制磁场梯度和RF脉冲的生成的控制装置；用于接收并采样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。本发明提出将MR设备布置成：
a)通过使身体的至少一部分受到至少一个RF脉冲和切换式磁场梯度的MR成像序列，生成一系列MR信号，
b)根据PROPELLER方案采集多个k空间叶片，所述k空间叶片围绕k空间的中心旋转，其中k空间叶片的旋转角度在MR信号采集期间增加比180°/N更大的角度，N是所采集的k空间叶片的总数，以及
c)根据所采集的MR信号重建MR图像。
本发明是基于所认识到的这样的事实，即有规律的角度欠采样只产生最小的图像伪影。因此，根据本发明，如果受运动损坏的k空间叶片尽可能均匀地分布在旋转k空间叶片涵盖的圆上，则能够希望有最小的伪影。由于根据本发明所述角度增加比180°/N更大的角度，因此实现相继采集的k空间叶片的交错布置。本发明提出的有规律的角度欠采样对于图像重建而言要比省略若干受运动损坏的邻近k空间叶片(其为常规线性叶片顺序的特点)的鲁棒性更好。
优选地，进一步对本发明的MR设备加以布置使k空间叶片的角度增加137.51°的黄金角或68.75°的半黄金角。根据本发明的这一实施例，对PROPELLER MRI施加所谓的黄金角法则，以生成k空间叶片的交错时空顺序。黄金角是将圆的周长c分割成两部分a和b使得c＝a+b和c/a＝a/b所生成的角度。根据本发明对PROPELLER MRI施加黄金角法则实现了在旋转叶片涵盖的圆上特别地各向同性地分布受损坏的k空间叶片，这样在最终重建的MR图像中使运动引起的伪影最小。通过使旋转角度增加黄金角，实现所述圆的各向同性的、逐渐变密的角覆盖。对于直径的PROPELLER叶片而言，仅需要考虑半圆，这导致半黄金角的旋转增加。
在本发明的实际实施例中，根据公式
Figure G2008800134475D00041
或者
Figure G2008800134475D00042
选择k空间叶片的旋转角度，其中i＝1，2，...N表示连续采集的k空间叶片的指数，而f(i)表示将指数i映射到介于0和N-1之间整数的函数，使得旋转角增量
Figure G2008800134475D00043
大于180°/N。作为在由黄金角增量导致的无限序列期的结果，在k空间叶片涵盖的圆内的叶片布置稍微地不对称。然而，在典型的PROPELLER采集中，k空间叶片的量是固定的，使得叶片的对称布置更优选。这通过上述公式可以实现。这样选择函数f(i)，使得得到上述交错布置，其中角度
Figure G2008800134475D00044
尽可能地近似于黄金角(或半黄金角)。在应用公式
Figure G2008800134475D00045
的情形中，在一次采集期间，读出的梯度旋转大约180°。如果由公式
Figure G2008800134475D00046
确定所述旋转角度，则在每次采集期间，读出的梯度旋转大约360°。
根据本发明别的另一方面，公开了用于对置于检查体积内的身体进行MRI的设备，其中所述设备包括：用于在检查体积内建立基本均匀的主磁场的装置；用于生成叠加到主磁场之上的切换式磁场梯度的装置；用于向身体辐射RF脉冲的装置；用于控制磁场梯度和RF脉冲的生成的控制装置；用于接收并采样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。本发明提出将该设备布置成：
a)通过使身体的至少一部分受到至少一个RF脉冲和切换式磁场梯度的MR成像序列，生成一系列MR信号，
b)从k空间的中心部分采集MR参考数据集，
c)根据PROPELLER方案采集多个k空间叶片，所述k空间叶片围绕k空间中心旋转，其中针对每个k空间叶片采集所述k空间的中心部分的至少一部分，
d)针对每个k空间叶片，将步骤c)中采集的MR数据与所述k空间中心区域内的MR参考数据集进行比较，以便估计并校正运动引起的位移和相位误差，以及
e)根据所采集的并经校正的MR信号重建MR图像。
本发明第二方面的特征可有利地与本发明上述第一方面的特征相结合。
本发明第二方面的要旨是(近似地)从针对每个k空间叶片所采集的k空间的圆中心部分处进行分离的MR参考数据集的采集。只从中心k空间部分进行的所述采集暗示了MR参考数据集形成低分辨率图像。在总扫描时间没有明显增加的情况下可执行该参考数据集的采集。根据本发明，将来自k空间叶片的共同中心部分的数据与参考数据集进行比较，以便估计并校正运动引起的位移和相位误差。该方法背后的思想在于为了运动估计和校正的目的而为所有的k空间叶片建立公共参考。如果MR参考数据集是三维体数据集，则本发明的技术确保多切片PROPELLER测量的所有切片正确地对准。在这种情形中，针对在与k空间叶片的旋转平面垂直的方向上间隔开的两个或更多个平行图像切片，采集各k空间叶片。根据本发明提供的公共参考即使在多切片采集的邻近切片之间没有明显相似性时，也可以避免各图像切片的未对准。
根据本发明别的又一方面，公开了用于对置于检查体积内的身体进行MRI的设备，其中所述设备包括：用于在检查体积内建立基本均匀的主磁场的装置；用于生成叠加到主磁场之上的切换式磁场梯度的装置；用于向身体辐射RF脉冲的装置；用于控制磁场梯度和RF脉冲的生成的控制装置；用于接收并采样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。本发明提出将该设备布置成：
a)通过使身体的至少一部分受到至少一个RF脉冲和切换式磁场梯度的MR成像序列，生成一系列MR信号，
b)根据PROPELLER方案采集多个k空间叶片，所述k空间叶片围绕k空间的中心旋转，
c)对采集的MR数据进行加权，其中在用于对比度操纵的采集时间、用于运动补偿的相关性度量基础上，并在k空间叶片的重叠区域的几何结构的基础上计算所述权重因子，以及
d)根据采集的并经加权的MR信号重建MR图像。
本发明的这个第三方面的特征可有利地与本发明的上述第一和/或第二方面的特征相结合。
本发明第三方面的本质特征在于并不像常规PROPELLER观念中的迭代方法那样计算用于采集密度补偿的权重因子。相反，直接基于不同标准(诸如为了对某些回波时间处采集的MR信号进行优先化而根据所选的MR成像脉冲序列(例如TSE序列)进行采集时间，为了对采集的k空间叶片进行优先化而进行的相关性度量，以及为了采样密度补偿而重叠k空间叶片区域的几何结构)计算权重因子。优选地，在最终图像重建步骤之前，将权重因子额外进行地归一化。
本发明不仅涉及用于对置于MR设备的检查体积中的身体的至少一部分进行MRI的设备，还涉及用于对置于MR设备的检查体积中的身体的至少一部分进行MRI的方法。
适于运行本发明成像操作的计算机程序可在任何公共计算机硬件的上能够有利地执行，目前其在临床使用中用于磁共振扫描器的控制。在合适的数据载体上提供所述计算机程序，诸如CD-ROM或磁盘。可选地，它也可由用户从互联网服务器上下载。
附图说明
所附各附图公开了本发明优选的实施例。然而，应该理解，只是为说明的目的而设计附图，而并非是定义本发明的界限。在附图中
图1显示了根据本发明的MR扫描器；
图2阐述了包括PROPELLER叶片的黄金角旋转的PROPELLER MRI的k空间采样方案；
图3阐述了根据本发明为PROPELLER MRI采集MR的参考数据集。
具体实施方式
在图1中，将根据本发明的MR成像设备1显示为方块图。装置1包含一组用于生成静态和均匀主磁场的主磁线圈2，以及三组梯度线圈3，4和5，其用于叠加具有可控强度并在所选方向上具有梯度的附加磁场。常规地，将主磁场方向标记为z方向，两个与之垂直的方向标记为x和y方向。梯度线圈3，4和5经电源11供能。成像设备1还包括向身体7发射RF脉冲的RF发射天线6。将天线6耦合到调制器9，用于生成并调制RF的脉冲。还提供接收器用于接收MR信号，所述接收器可与发射天线6是同一个或者是分离的。如果发射天线6与接收器在物理上是同一个天线，如图1所示，则对第二接收开关8加以布置，以便将接收的信号与待发射的脉冲分离开。将接收的MR信号输入给解调器10。发送接收开关8、调制器9和用于梯度线圈3，4和5的电源11由控制系统12进行控制。控制系统12控制给天线6的RF信号的相位和幅度。控制系统12通常是具有存储器和程序控制的微型计算机。将解调器10耦合到重建装置14(例如计算机)，用于将接收的信号变换为能够在例如视觉显示单元15上可见的图像。对于本发明的实际实现方式而言，MR设备1包含以上述方式运行MRIPROPELLER方案的程序。
图2阐述了根据本发明的PROPELLER MRI的k空间采样。采集八个k空间PROPELLER叶片。叶片围绕k空间的中心旋转，使得整个所采集的MR数据集近似涵盖为k空间的圆。图2所示的箭头指示为相应的k空间叶片所生成的读出磁场梯度。在图2a中，相继采集的k空间叶片的旋转角增加半黄金角，其近似为68.75°。以这种方式实现所述圆的各向同性地、逐渐变密的角度覆盖，其也可由例如植物上的叶子的布置属性来使用。黄金角增量生成图2a中所示的相继PROPELLER叶片的交错布置。结果，受运动损坏的k空间叶片均匀分布在由PROPELLER采集的涵盖的圆上。与使用了连续k空间叶片的线性顺序的常规PROPELLER成像相比减少了图像伪影。对于直径PROPELLER叶片，只考虑旋转的半个圆。由于该原因，旋转角度增量可以是半黄金角，而非整个黄金角。(半)黄金角增量导致无限的序列期以及如图2a中所见的在k空间中PROPELLER叶片的相应不对称性布置。然而，在典型的PROPELLER采集中，k空间叶片的数量是固定的。为了实现k空间叶片的对称布置，可简单地将图2a所示的黄金角叶片顺序赋予图2B所示的对称顺序。在此，由公式
Figure G2008800134475D00071
确定第i个旋转角采集的k空间叶片，其中f(i)表示将指数i映射到介于0和N-1之间整数的函数，从而获得所需的顺序。对于所述实施例而言，f(i)可按如下进行成表：
  i   1   2   3   4   5   6   7   8
  f(i)   0   3   6   1   4   7   2   5
如图2b中箭头所示，在该情形中在一次采集期间读出梯度旋转大约180°。由稍微变化的公式
Figure G2008800134475D00072
确定图2c中所示的叶片顺序。在该情形中，每次采集期间读出梯度旋转大约360°。
图3中，阐述了根据本发明为多切片PROPELLER MRI采集MR参考数据集。图3中左侧图示显示了在单个图像切片的采集期间对多个k空间叶片的采集。所述k空间叶片围绕k空间的中心旋转，使得总采集MR数据集近似涵盖为k空间中的圆。在图3中，将针对每个k空间叶片采集的k空间的中心部分指示为左图示中的黑色圆。在采集k空间叶片之前，从图3右侧图示中的管状中心k空间区域所指示的k空间中心部分处，采集三维的低分辨率的MR参考数据集。然后，由PROPELLER技术采集同样如图3右侧图示中指示的多平行图像切片，并针对每个k空间叶片，将从k空间和中心部分处采集的MR数据与MR参考数据集相比较，以便估计并校正运动引发的位移和相位误差。由于初始MR参考测量覆盖所有图像切片的k空间的中心部分和(至少近似地)所有PROPELLER叶片的中心k空间部分，因此它可用作多切片采集的所有k空间叶片的公共参考。该方法确保在多切片PROPELLER采集期间不会出现图像的运动引起的未对准。低分辨率MR参考数据集的采集近似与一个单个的PROPELLER叶片的采集时间相同，这意味着本发明的技术使在MR参考数据采集期间的运动风险最小，并且不会显著增加总扫描时间。
如本文前面所描述的，本发明还提出了计算权重因子的直接方法，用于根据PROPELLER技术采集的MR信号在重建MR图像期间计算密度补偿进行采样。本发明的所述方法将几何结构和优先化因素结合起来，用于计算所述权重因子。根据本发明避免了常规的迭代方法，众所周知它速度慢并且偶尔不稳定。这样，获得了非常快速且可靠的数据加权操作。根据本发明按如下对在读出线l和k空间叶片b上的信号样本s的权重因子进行初始化
w0(b，l，s)＝wD(l，s)wC(b)
其中wD表示从对比度加权的采集时间中得到的权重，其通常与b无关。wC表示从(贯通面)运动校正的相关性度量中得到的权重，其通常只取决于b。作为下一步，根据如下将权重累加
w l ( b , l , s ) = Σ p , q , r w 0 ( p , q , r ) d ( p , q , r , b , l , s )
其中d(p，q，r，b，l，s)表示由PROPELLER叶片重叠区域的几何结构确定的邻近指示因子。当然有可能(并且也可能是必须的)将该求和用插值的适当形式代替。作为下一步，根据如下公式，任选地计算权重因子的标准化
w 2 ( b , l , s ) = w 1 ( b , l , s ) [ EE H w 1 ] ( b , l , s )
其中E表示PROPELLER采集的编码矩阵，即
[ E ] mn = e ik m x n
k空间采样位置为km，像素位置为xn，而EH是相应的厄米共轭。所述标准化优选通过应用栅格重建和非均匀快速傅立叶变换法则进行计算。

Claims (11)

1.一种用于对置于MR设备的检查体积内的身体的至少一部分进行MR成像的方法，所述方法包括以下步骤：
a)通过使所述身体的至少一部分受到至少一个RF脉冲和切换式磁场梯度的MR成像序列，生成一系列MR信号，
b)根据PROPELLER方案采集多个k空间叶片，所述k空间叶片围绕k空间的中心旋转，其中，所述k空间叶片的旋转角度在MR信号采集期间增加比180°/N更大的角度，N是所采集的k空间叶片的总数，以及
c)根据所采集的MR信号重建MR图像。
2.如权利要求1所述的方法，还包含以下步骤：
d)采集来自k空间的中心部分的三维MR参考数据集，
e)针对每个k空间叶片采集来自所述k空间的所述中心部分的至少一部分的MR数据，
f)针对每个k空间叶片，将步骤e)中采集的MR数据与所述k空间的中心区域内的所述MR参考数据集进行比较，以便估计并校正运动引起的位移和相位误差。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
对所采集的MR数据进行加权，其中，在用于对比度操纵的采集时间、用于运动补偿的相关性度量的基础上，并在所述k空间叶片的重叠区域的几何结构的基础上直接地计算权重因子。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述k空间叶片的旋转角度在MR信号采集期间增加与137.51°的黄金角或68.75°的半黄金角相近似的角度。
5.一种用于对置于MR设备的检查体积内的身体的至少一部分进行MR成像的装置，所述装置包括：
用于使得生成至少一个RF脉冲和切换式磁场梯度的MR成像序列的模块，
用于根据PROPELLER方案采集多个k空间叶片的模块，所述k空间叶片围绕k空间的中心旋转，其中，所述k空间叶片的旋转角度在MR信号采集期间增加比180°/N更大的角度，N是所采集的k空间叶片的总数，以及
用于根据所采集的MR信号重建MR图像的模块。
6.如权利要求5所述的装置，还包括：
用于采集来自k空间的中心部分的三维MR参考数据集的模块，
用于针对每个k空间叶片采集来自所述k空间的所述中心部分的至少一部分的MR数据的模块，
用于针对每个k空间叶片，将针对每个k空间叶片采集的MR数据与所述k空间的中心区域内的所述MR参考数据集进行比较，以便估计并校正运动引起的位移和相位误差的模块。
7.如权利要求5所述的装置，还包括
用于对所采集的MR数据进行加权的模块，其中，在用于对比度操纵的采集时间、用于运动补偿的相关性度量的基础上，并在所述k空间叶片的重叠区域的几何结构的基础上直接地计算权重因子。
8.如权利要求5所述的装置，其中，所述k空间叶片的旋转角度在MR信号采集期间增加与137.51°的黄金角或68.75°的半黄金角相近似的角度。
9.如权利要求5所述的装置，其中，还将所述装置布置成根据公式
Figure FDA0000459153880000021
或者
Figure FDA0000459153880000022
选择所述旋转角度，其中，i=1,2,…N表示连续采集的k空间叶片的指数，而f(i)表示将所述指数i映射到介于0和N-1之间的整数的函数，使得旋转角增量
Figure FDA0000459153880000023
大于180°/N。
10.如权利要求6所述的装置，其中，用于根据PROPELLER方案采集多个k空间叶片的所述模块针对在与所述k空间叶片的旋转平面垂直的方向上间隔开的两个或更多个平行图像切片，采集所述k空间叶片。
11.如权利要求7所述的装置，其中，在图像重建之前，对所述权重因子进行归一化。
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