CN103477238B - 采用来自先验采集的约束的压缩感测mr图像重建 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对置于MR设备（1）的检查体积内的患者的身体（10）的至少部分进行MR成像的方法，所述方法包括以下步骤：‑使所述的身体（10）的部分经受第一成像序列，以采集第一信号数据集（21）；‑使所述身体（10）的部分经受第二成像序列，以采集第二信号数据集（23），其中，所述第二成像序列的成像参数不同于所述第一成像序列的成像参数；‑采用所述第一信号数据集（21）作为先验信息借助于正则化从所述第二信号数据集（23）重建MR图像。此外，本发明涉及一种MR设备（1）和用于所述MR设备（1）的计算机程序。

Description

采用来自先验采集的约束的压缩感测MR图像重建
技术领域
本发明涉及磁共振（MR）成像领域。本发明涉及一种对置于MR设备检查体积中的患者的身体的至少部分进行MR成像方法。本发明还涉及一种MR设备和一种运行于MR设备上的计算机程序。
背景技术
当前，尤其是在医学诊断领域中，广泛使用了MR成像方法，该方法利用磁场和核自旋之间的相互作用以形成二维或三维图像，因为对于软组织成像，它们在很多方面优于其他成像方法，不需要电离辐射，通常不是侵入性的。
根据一般的MR方法，要检查的患者身体布置在强的均匀磁场中，磁场的方向同时定义测量所基于的坐标系的轴（通常为z轴）。磁场根据磁场强度针对个体核自旋产生不同的能级，可以通过施加定义频率（所谓的拉莫尔频率或MR频率）的变化的电磁场（RF场）来激励个体核自旋（自旋共振）。从宏观角度讲，个体核自旋的分布产生总体磁化，通过施加适当频率的电磁脉冲（RF脉冲）可以使总体磁化偏离平衡状态，同时RF脉冲的磁场垂直于z轴延伸，使得磁化绕z轴进行进动。这种磁化强度运动描绘出锥形表面，锥形的孔径角称为翻转角。翻转角的大小取决于所施加电磁脉冲的强度和持续时间。对于所谓的90°脉冲，自旋从z轴偏斜到横平面（翻转角90°）。通过MR设备的RF线圈布置使RF脉冲朝向患者身体辐射。所述RF线圈布置通常围绕放置患者身体的检查体积。
在终止RF脉冲之后，磁化弛豫回初始平衡状态，其中，以第一时间常数T1（自旋点阵或纵向弛豫时间）再次建立z方向的磁化，垂直于z方向的方向上的磁化以第二时间常数T2（自旋-自旋或横弛豫时间）弛豫。可以利用在MR设备的检查体积之内布置并取向的接收RF天线或线圈来探测磁化的变化，所述布置和取向使得在垂直于z轴的方向上测量磁化变化。例如，在施加90°脉冲之后，横向磁化的衰减伴随着（局部磁场不均匀性诱发的）核自旋从具有相同相位的有序状态到所有相角均匀分布的状态（失相）的过渡。可以利用重新聚焦脉冲（例如180°脉冲）补偿失相。这样在接收线圈中产生回波信号（自旋回波）。
为了在身体中实现空间分辨率，在均匀磁场上叠加沿三个主轴延伸的线性磁场梯度，导致自旋共振频率的线性空间相关性。那么接收线圈拾取的信号包含可能与身体中不同位置相关联的不同频率分量。经由接收RF天线或线圈获得的信号数据对应于空间频率域，被称为k空间数据。k空间数据通常包括利用不同相位编码采集的多条线。通过收集若干样本对每条线进行数字化。通过傅里叶变换或者其他本身已知的重建技术将一组k空间数据转换为MR图像。
成像速度在很多MR成像应用中是很重要的。然而，为重建MR图像的所需的MR信号数据的收集速度在根源上受到物理和生理约束条件的限制。因而，MR成像领域的很多最新发展都致力于在不降低所重建的MR图像的质量的情况下降低所需的信号数据的量。在很多这样的发展当中，压缩感测（CS）理论具有很大的显著减少信号数据的潜力。在CS理论中，能够通过应用适当的正则化算法由欠采样的测量结果恢复变换域内具有稀疏表示的信号数据集。欠采样的可能性使得采集时间显著降低。作为信号采样和重建的数学框架，CS规定了甚至在k空间采样密度远低于尼奎斯特准则的情况下也能够准确地或者至少以高图像质量重建信号数据集的条件，而且还提供了用于这样的重建的方法。在大多数现有的基于CS的MR采集和重建方案中，采用基本的CS方案，其仅利用MR信号数据在变换域内是稀疏的这一先决条件。例如，M.Lustig等提出了将CS应用于快速MR成像（M.Lustig等人：“Sparse MRI:The Application of Compressed Sensing for Rapid MR Imaging”,MagneticResonance in Medicine,58,1182-1195,2007）。而且，还已知由于在某些应用中可获得有关未知MR图像的额外先验信息，因而将这一先验信息结合到CS重建中是有利的。
如上文已经提到地，扫描时间是MR成像中的关键因素。出于这一原因，所采集到的MR图像的时间或空间分辨率以及临床检查当中的扫描次数经常受到限制。由于临床实践当中的时间限制的原因，有时甚至将需要特别长的扫描时间的MR成像扫描从协议中排除，或者不得不以低分辨率采集信号数据。上文提到的CS技术已经成功地帮助降低单幅MR图像的重建所需的扫描时间。然而，在很多实际情况下，完整的MR检查所需的时间仍然超过了时间限制，其中，所述完整的MR检查包括为了获得预期的诊断信息而实施的对几幅具有不同的对比度类型的MR图像的采集和重建。
J.V.Velikina和A.A.Samsonov在ISMRM2009第277页摘要中的‘HYPR-L0:A hybridtechnique for CE MRA with extreme data undersampling factors’提到采用具有高质量复合图像的形式的先验信息。采用标准边缘检测算法由这一复合图像导出血管边缘位置。所检测到的血管边缘充当各幅图像的压缩感测类型的重建中的约束。
发明内容
从上文容易认识到，需要一种改进的MR成像技术。因此，本发明的目的在于以进一步缩短的采集时间实现MR成像。
根据本发明，公开了一种用于对置于MR设备的检查体积内的患者的身体的至少部分进行MR成像的方法。所述方法包括如下步骤：
-使所述身体的部分经受第一成像序列，以采集第一信号数据集；
-使所述身体的部分经受第二成像序列，以采集第二信号数据集，其中，所述第二成像序列的成像参数不同于所述第一成像序列的成像参数；
-采用所述第一信号数据集作为先验信息借助于正则化来从所述第二信号数据集重建MR图像。
如上所述，很多临床MR检查在协议内包含几项不同的扫描，产出同一解剖学结构的几幅MR图像。例如，典型的脑部MR成像期间可以包括T1-和T2-加权自旋回波成像序列、流体衰减反转－恢复（FLAIR）序列以及有时包括的额外T2 *-加权梯度回波灌注扫描。在某些情况下，可能在同一检查内额外应用扩散测量和对比度增强T1-加权梯度回波或自旋回波成像序列，以获得充分的诊断信息。所有的这些扫描得到了不同的组织对比度，但是由于它们共享接受检查的患者的相同的基础解剖学结构，因而在所述的不同信号数据集之间存在很强的关联性。根据本发明，在图像采集和重建当中利用了数据冗余度，以改善时间效率、MR图像质量和最终的诊断价值。
在本发明的意义中，所述第一成像序列和第二成像序列是指临床MR检查协议的不同扫描。因而，所述第一成像序列和第二成像序列的不同成像参数可能意味着（例如）所述第一和第二信号数据集具有不同的对比度类型。然而，所述第一信号数据集和第二信号数据集也可以具有相同的对比度类型，但是具有不同的空间（或时间）分辨率。
本发明的主旨在于利用通过所述第一成像序列和第二成像序列采集的第一信号数据集和第二信号数据集中含有的共同信息。在通过正则化重建MR图像的步骤中将采用这一互信息，其中，采用所述第一信号数据集作为先验信息。通过这种方式，即通过以（严重）欠采样的方式采集所述第一和/或第二信号数据集实现了可观的扫描加速。此外，通过将第一信号数据集作为先验信息结合到图像重建过程当中可以改善图像质量。此外，本发明能够在不使扫描时间超过实际限制的情况下实现更高分辨率的扫描。
在本发明的优选实施例中，通过上文提到的压缩感测技术重建MR图像。CS能够仅从k空间的小的子集而不是整个k空间网格准确地重建MR图像。可以采用所述第一信号数据集作为“先验图像”，以限制所述迭代CS重建过程。例如，可以通过从所述第一信号数据集导出的稀疏变换域中的支持来约束所述压缩感测重建。其能够实现尤为显著的扫描时间缩短。正确确定CS方案的适当稀疏域中的支持使得能够将必要的信号数据减少高达2或3的倍数。
根据本发明的另一优选实施例，在第一和/或第二信号数据集的采集过程中应用k空间的非笛卡儿采样。
所述CS方案要求，由于k空间欠采样导致的混叠伪影是不相干的。例如，能够通过对k空间进行非笛卡儿（例如，极坐标）采样来获得这一不相干性。另一方面，非笛卡儿数据的重建往往得不到良好的条件设定，因而即使不采用CS，本发明的方案也能够用来通过正则化来改善重建问题的条件设定。
根据本发明的又一优选实施例，所述第一和/或第二信号数据集是通过经由两个或更多RF接收天线的并行成像采集的，其中，通过考虑RF接收天线的空间灵敏度概况来重建MR图像。这对应于公知的SENSE或SMASH技术，其中，本发明的方法所允许应用的缩减因数显著高于常规并行成像技术通常可实现的缩减因数。因而，与常规方案相比，本发明能够显著提高成像速度。
有可能通过以第一信号数据集构成参考数据集的方式来应用本发明的方法。例如，可以是通过如下方式采集所述参考数据集：高分辨率解剖学扫描采集，完全采样的或者从欠采样数据充分组合的，或者作为几次不同扫描的信号数据的组合。例如，可以从参考数据集确定所述第二成像序列的可变密度k空间采样模式。这意味着，能够从参考数据集导出适当的CS设置的参数。备选地，能够由参考数据集确定不含有图像强度的背景图像区域。在MR图像的重建当中可以采用这一信息来排除背景图像区域。在这一实施例中，所确定的背景图像区域构成了本发明的意义上的先验信息。将借助于正则化的重建限制到背景图像区域以外的图像区域内能够实现重建图像质量的改善，并且通过对k空间的欠采样进一步加快了图像采集速度。
本发明的方法可以还包括在一幅或多幅MR图像的重建之前对所述第一信号数据集和第二信号数据集进行图像配准和/或运动校正。例如，所述第一信号数据集可以是在先前的MR成像期间获得的高分辨率数据集。在这种情况下，可能必须在重建期望的MR图像之前进行图像配准或运动补偿，以确保所述第一信号数据集和第二信号数据集的数据一致性。或者，可以在不存在任何暂停的情况下执行所述第一信号数据集和第二信号数据集的采集作为一次连续的扫描。通过这种方式，能够减少各次扫描之间的运动。然而，必须提到的是，由于根据本发明可通过CS实现的加速的原因，对相继的各个采集步骤之间的活动的敏感度本身也得到了降低。因此，改善了所述第一信号数据集和第二信号数据集的一致性。
根据本发明的又一方面，采用两个或更多成像序列来采集两个或更多信号数据集，其中，所述两个或更多成像序列的成像参数是不同的。之后，重建两幅（或更多）MR图像，其中，采用至少一幅MR图像的信号数据作为其他一幅或多幅MR图像的重建的先验信息。例如，这样做能够实现以欠采样的方式采集协议的所有信号数据，以提高成像速度。可以借助于正则化由这一数据重建两幅或更多MR图像，其中，所述MR图像根据不同的成像参数具有不同的对比度类型或分辨率。通过利用从同一对象采集的不同信号数据集的扫描间相关性而保持了所有MR图像的质量。
此外，能够根据本发明的前述方面来实现扫描间锁孔技术（keyholetechnology），其中，采用一个信号数据集的k空间数据（的至少一部分）作为由其他信号数据集重建MR图像的先验信息。在所述信号数据集具有不同的对比度类型的情况下，可以在重建之后由共享信号数据产生混合对比度图像。
根据本发明，将由单个信号数据集进行CS重建的范围扩展为在重建过程中采用在协议内采集的几个不同的信号数据集作为共同先验信息。上文描述的扫描间锁孔方案以及通过正则化由非笛卡儿扫描实现的重建均包含在协议中采用不同信号数据集的共同信息的原理当中。
有很多不同的适合本发明的原理的重建方法。例如，在SENSE重建当中，可以采用作为SENSE参考扫描采集的低分辨率图像作为正则化SENSE重建中的先验信息。
可以利用一种MR设备执行迄今为止描述的本发明的方法，该MR设备包括：用于在检查体积之内生成均匀稳定磁场的至少一个主磁体线圈，用于在检查体积之内不同空间方向上生成切换的磁场梯度的若干梯度线圈，在检查体积之内生成RF脉冲并从置于检查体积中的患者身体接收MR信号的至少一个RF线圈，用于控制RF脉冲和切换的磁场梯度的时间相继性的控制单元，重建单元，以及可视化单元。优选通过对所述MR设备的所述重建单元、可视化单元和/或控制单元进行的相应的编程来实现本发明的方法。
可以在当前临床使用的大多数MR设备中有利地执行本发明的方法。出于此目的，仅需要利用控制MR设备的计算机程序，使其执行本发明的上述方法步骤。计算机程序可以存在于数据载体上或存在于数据网络中，以便被下载供安装在MR设备的控制单元中。
附图说明
附图公开了本发明的优选实施例。不过要理解，附图仅仅是为了例示的目的，并且不限制本发明的限度。在附图中：
图1图示了用于执行本发明方法的MR设备；
图2图示了本发明的第一实施例的图像采集和重建方案；
图3图示了本发明的第二实施例的图像采集和重建方案。
具体实施方式
参考图1，示出了MR设备1。该设备包括超导或常导主磁体线圈2，使得沿着通过检查体积的z轴生成基本均匀、时间上恒定的主磁场。
磁共振生成和操纵系统施加一系列RF脉冲和切换的磁场梯度，以反转或激励核磁自旋、诱发磁共振、对磁共振重新聚焦、操纵磁共振、对磁共振进行空间和其他编码、使自旋饱和等，以执行MR成像。
更具体而言，梯度脉冲放大器3沿着检查体积的x、y和z轴全身梯度线圈4、5和6中选定的一些施加电流脉冲。数字RF射频发射器7经由发送/接收开关8向全身体积RF天线9发射RF脉冲或脉冲包，以向检查体积中发射RF脉冲。典型的MR成像序列由一组短时间的RF脉冲序列构成，它们彼此结合在一起，任何施加的磁场梯度实现核磁共振的选定操纵。RF脉冲用于饱和、激励共振、反转磁化、对共振重新聚焦或操纵共振并选择定位于检查体积中的身体10的部分。MR信号还由全身体积RF线圈9拾取。
为了生成身体10有限区域的MR图像，邻接选定成像的区域放置一组本地阵列RF线圈11、12和13。可以将阵列线圈11、12、13用于并行成像，以接收身体线圈RF发射所诱发的MR信号。
所得的MR信号被全身体积RF天线9和/或RF线圈11、12和13的阵列拾取并被接收器14解调，接收器14优选地包括前置放大器（未示出）。接收器14经由发送/接收开关8连接到RF线圈9、11、12和13。
主计算机15控制梯度脉冲放大器3和发射器7以生成多种MR成像序列中的任一种，例如回波平面成像（EPI）、回波体积成像、梯度和自旋回波成像、快速自旋回波成像等。对于选定的序列，接收器14在每个RF激励脉冲之后快速连续地接收单个或多个MR数据线。数据采集系统16对接收到的信号执行模数转换，将每个MR数据线转换成适于进一步处理的数字格式。在现代MR设备中，数据采集系统16是专用于采集原始图像数据的独立计算机。
最终，由应用适当的重建算法的重建处理器17将所述数字原始图像数据重建成图像表示。MR图像可以表示通过患者的平面切片、平行平面切片的阵列、三维体积等。然后在图像存储器中存储图像，可以经由例如视频监视器18访问图像存储器，以将所述图像表示的切片、投影或其他部分转换成适当的用于可视化的格式，视频监视器18提供了所得MR图像的人可读显示。
将继续参考图1并进一步参考图2和图3说明本发明的成像方案的不同实施例。
在图2的方框图中图示了本发明的第一实施例。对身体10实施第一成像序列，以采集第一信号数据集21。例如，所述第一成像序列可以是T1加权自旋回波序列。所述第一信号数据集21对应于充分采样的高分辨率MR图像。在根据本发明的CS设置中，所述第一信号数据集21将被用作作为先验信息的参考数据集。采用所述第一信号数据集21确定诸如k空间采样密度以及CS中的加速因子的上限的采集参数。主要通过几何结构而非对比度来确定k空间中的信号分布。因此，能够采用第一信号数据集21来估计所述k空间分布，其将允许为接下来的信号采集步骤确定自适应可变密度k空间采样模式。此外，可以采用作为参考数据集的第一信号数据集21估计信号稀疏性，在CS设置中，信号稀疏性对于确定必须在接下来的步骤中采集的样本的数量是很重要的。此外，采用受到充分采样的第一信号数据集21确定在接下来的欠采样或低分辨率第二信号数据集的CS重建中采用的几个约束。可以通过不同的方式将第一信号数据集21中含有的参考信息用于MR图像重建：在非常简单的实现方式当中，如图2所示，采用第一信号数据集21定义背景数据集22，其将作为将不含有图像强度的背景图像区域与其他图像区域区分开的二元掩码。在接下来的重建步骤中排除背景数据集22中指示的背景像素降低了未知数的数量。通过这种方式改进了对重建问题的条件设定，并且提高了成像速度和MR图像质量。也可以采用作为参考数据集的第一信号数据集21来估计稀疏变换域内的信号支持，以改善CS重建。通过这种方式，从第一信号数据集21导出对所述CS重建的支持。此外，能够采用所述第一信号数据集21的对比度信息作为约束，从而采用类似的对比度重建接下来的欠采样的第二信号数据集。通过实施第二成像序列来采集第二信号数据集23。第二信号数据集23具有与第一信号数据集不同的对比度类型。例如，用于采集第二信号数据集23的第二成像序列是T2加权自旋回波序列。通过CS正则化算法由欠采样的第二信号数据集23重建MR图像24，其中，采用第一信号数据集21（即，上文提到的从第一信号数据集21导出的信息）作为先验信息。具体而言，采用背景掩码22作为欠采样的第二信号数据集23的CS重建中的约束。
在图3所示的实施例中，采集T1加权第一信号数据集21、T2加权第二信号数据集22和作为第三信号数据集31的FLAIR图像。采用随机欠采样采集所述第一、第二和第三信号数据集21、22和31。从所述第一、第二和第三信号数据集21、22和31导出信号支持32。支持32反映了CS设置的稀疏变换域内的估计信号支持。将信号支持32用作MR图像24、33和34的同时CS重建中的约束。MR图像24、33和34具有高质量，并且未表现出任何欠采样伪影。
如本发明的上述实施例所示，对第一、第二（和第三）信号数据集21、22（和23）中含有的冗余空间和对比度信息的利用能够在降低k空间采样密度的同时显著加快例行临床扫描。通过这种方式能够提高患者吞吐量，并因而提高患者舒适度和成本效率。或者，能够将节约的检查时间用到额外的功能MR检查上，以提高诊断价值。

Claims (10)

1.一种用于对置于MR设备(1)的检查体积内的患者的身体(10)的至少部分进行MR成像的方法，所述方法包括以下步骤：
-使所述身体(10)的所述部分经受第一成像序列，以采集第一信号数据集(21)；
-使所述身体(10)的所述部分经受第二成像序列，以采集第二信号数据集(23)，其中，所述第二成像序列的成像参数不同于所述第一成像序列的成像参数，并且其中，所述第一信号数据集(21)和/或所述第二信号数据集(23)是欠采样的；
-通过压缩感测从所述第二信号数据集(23)重建MR图像(24)，并且其中，通过支持(22，32)来约束所述压缩感测重建，所述支持(22，32)是从所述第一信号数据集(21)导出的，并且其中，所述第二成像序列的所述成像参数以如下的方式不同于所述第一成像序列的所述成像参数：使得所述第二信号数据集(23)与所述第一信号数据集(21)具有不同的对比度类型或不同的分辨率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一成像序列和所述第二成像序列从包括以下项的组中选择：
T1加权自旋回波、T2加权自旋回波、流体-衰减反转-恢复、T1加权梯度回波、T2*加权梯度回波、对比度增强T1加权梯度回波、对比度增强T1加权自旋回波、扩散加权自旋回波。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述第一信号数据集(21)确定稀疏域中的图像支持(32)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一信号数据集(21)和/或所述第二信号数据集(23)的采集期间应用k空间的非笛卡儿采样。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，经由两个或更多RF接收天线(11，12，13)通过并行成像来采集所述第一信号数据集(21)和/或所述第二信号数据集(23)，其中，通过考虑所述RF接收天线(11，12，13)的空间灵敏度概况来重建所述MR图像(24)。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，从所述第一信号数据集(21)确定所述第二成像序列的可变密度k空间采样模式。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，从所述第一信号数据集(21)确定不含有图像强度的背景图像区域，并且其中，采用所确定的背景图像区域作为所述MR图像(24)的所述重建中的约束。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，还包括在所述MR图像(24)的重建之前对所述第一信号数据集(21)和所述第二信号数据集(23)进行图像配准和/或运动校正。
9.一种用于实施根据权利要求1-8中任一项所述的方法的MR设备，所述MR设备(1)包括：用于在检查体积内生成均匀、稳定的磁场的至少一个主磁体线圈(2)，用于在所述检查体积内沿不同的空间方向生成切换的磁场梯度的若干梯度线圈(4，5，6)，用于在所述检查体积内生成RF脉冲和/或用于接收来自置于所述检查体积内的患者的身体(10)的MR信号的至少一个RF线圈(9)，用于控制RF脉冲和切换的磁场梯度的时间相继性的控制单元(15)，重建单元(17)，以及可视化单元(18)，其中，所述MR设备(1)被布置为执行以下步骤：
-使所述身体(10)的所述部分经受包括RF脉冲和切换的磁场梯度的第一成像序列，以采集第一信号数据集(21)；
-使所述身体(10)的所述部分经受包括RF脉冲和切换的磁场梯度的第二成像序列，以采集第二信号数据集(23)，其中，所述第二成像序列的成像参数不同于所述第一成像序列的成像参数，其中，所述第一信号数据集(21)和/或所述第二信号数据集(23)是欠采样的；
-通过压缩感测从所述第二信号数据集(23)重建MR图像(24)，并且其中，通过从支持(22，32)来约束所述压缩感测重建，所述支持(22，23)是从所述第一信号数据集(21)导出的，并且其中，所述第二成像序列的所述成像参数以如下的方式不同于所述第一成像序列的所述成像参数：使得所述第二信号数据集(23)与所述第一信号数据集(21)具有不同的对比度类型或不同的分辨率。
10.一种用于对置于MR设备(1)的检查体积内的患者的身体(10)的至少部分进行MR成像的装置，包括：
-用于生成第一成像序列以采集第一信号数据集(21)的单元；
-用于生成第二成像序列以采集第二信号数据集(23)的单元，其中，所述第二成像序列的成像参数不同于所述第一成像序列的成像参数，并且所述第一信号数据集(21)和/或所述第二信号数据集(23)是欠采样的；
-用于通过压缩感测从所述第二信号数据集(23)重建MR图像的单元，并且其中，通过支持(22，32)来约束所述压缩感测重建，所述支持(22，32)是从所述第一信号数据集(21)导出的，并且其中，所述第二成像序列的所述成像参数以如下的方式不同于所述第一成像序列的所述成像参数：使得所述第二信号数据集(23)与所述第一信号数据集(21)具有不同的对比度类型或不同的分辨率。
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